Bioelementos, Agua y Sales minerales

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3 Bioelementos, Agua y Sales minerales TEMA 1: BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS: EL AGUA Y LAS SALES MINERALES Bioelementos. Características atómicas del carbono. Grupos funcionales. Estereoisomería. Interacciones moleculares. Enlaces. Monómeros y polímeros. Biomoléculas. Biomoléculas inorgánicas: El agua. Las sales minerales. 1.- BIOELEMENTOS O ELEMENTOS BIOGÉNICOS Son los elementos que forman parte de los seres vivos. Se pueden clasificar en: A. Bioelementos primarios: C, H, O, N, P y S. Representan alrededor del 96% del total y forman parte de la práctica totalidad de las moléculas biológicas. Todos estos elementos tienen en común las siguientes características: - Se encuentran en las capas más externas de la Tierra (corteza, atmósfera, hidrosfera). - Son de bajo peso atómico y tienen (casi todos) entre 4 y 6 electrones en la última capa, por lo que forman con facilidad enlaces covalentes estables. - La mayoría de los compuestos químicos formados por estos elementos presentan polaridad, por lo que fácilmente se disuelven en agua, lo que facilita tanto su incorporación como su eliminación a un organismo. - El C y el N presentan la misma afinidad para unirse al oxígeno y al hidrógeno, es decir, pasan con facilidad del estado oxidado (CO 2, NO 3 H) al reducido (CH 4, NH 3 ) y viceversa; esto es la base de los procesos REDOX que son el principio fundamental sobre el que se asientan muchos procesos metabólicos. B. Bioelementos secundarios: Na, K, Ca, Mg y Cl. En medio acuoso se encuentran siempre ionizados (Na +, K +, Ca 2+, etc). Aunque se encuentran en menor proporción que los primarios, son imprescindibles y forman parte de todos los seres vivos. C. Oligoelementos: se encuentran en los seres vivos en cantidades insignificantes (inferiores al 0,1%) pero realizan un papel transcendente, indispensable para el desarrollo normal de algunas funciones vitales, ya que su función en las células no es estructural, si no catalizadora. No son los mismos en todas las especies. Algunos ejemplos: - Fe: forma parte de la hemoglobina (transporte de O 2 ) y de los citocromos (transporte de electrones). - Cu: forma parte de la hemocianina (transporte de O 2 ). - Zn: forma parte de algunos enzimas. - Mn: necesario para la síntesis de clorofila. - I: forma parte de la hormona tiroxina (tiroides). - F: forma parte del esmalte de los dientes. - Co: forma parte de la vitamina B 12. D. Otros bioelementos (Al, Li, etc) aparecen en cantidades insignificantes y no en todas las especies; desempeñan diferentes funciones en el metabolismo y la fisiología de los seres vivos. 2. CARACTERÍSTICAS ATÓMICAS DEL CARBONO El carbono tiene de número atómico 6 y pertenece al segundo período de la tabla periódica. Su estructura atómica, por lo tanto, es 1S 2 2S 2 2P 2. En principio se puede pensar que funcionaría con valencia II porque sólo dispone de dos electrones desapareados, pero cumpliendo el principio de la máxima simplicidad o regla de Hund (los electrones que ocupan un orbital de la misma energía se hallan desapareados al máximo) un electrón del orbital 2S 2 pasa a ocupar el lugar 2P z y por lo tanto, el átomo de carbono pasa a tener cuatro electrones desapareados y valencia IV. Por ello puede formar cuatro enlaces covalentes con otros tantos átomos que pueden ser carbonos u otros elementos como H, N, O, etc. Los cuatro electrones desapareados de la última capa están situados en orbitales que, para mantenerse lo más alejados entre sí, se disponen en una configuración tetraédrica. Por ello el átomo de carbono se puede imaginar como un tetraedro con el núcleo en el baricentro y los orbitales con electrones desapareados dirigiéndose hacia los vértices. IES Alfonso II 1

4 Bioelementos, Agua y Sales minerales Un carbono puede unirse con muchos otros carbonos formando cadenas lineales, ramificadas o cíclicas. Los enlaces pueden ser simples, dobles o triples; los dobles y triples son bastante más débiles que los simples y tienden a romperse fácilmente. Los carbonos unidos por enlace doble o triple no tienen libertad de giro. 3. GRUPOS FUNCIONALES Si los enlaces libres de una cadena de carbonos se completan con hidrógenos se forman los hidrocarburos. Pero con frecuencia aparecen átomos de otros elementos y se forman los grupos funcionales: son agrupaciones atómicas que confieren propiedades características a las moléculas que las poseen: GRUPO FUNCIONAL FÓRMULA GENERAL FAMILIA EJEMPLO COMPUESTO -OH Hidroxilo R-OH Alcoholes CH 3 -CH 2 -OH ETANOL -CHO Carbonilo (aldehido) R-CHO Aldehidos CH 3 -CHO ETANAL -C-CO-C- Carbonilo (cetona) -COOH ácido o carboxilo R-CO-R Cetonas CH 3 -CO-CH 3 R-COOH Ácidos CH 3 -COOH PROPANONA (acetona) ÁC. ETANOICO (acético) -NH 2 amino R-NH 2 Aminas CH 3 -CH 2 -NH 2 ETILAMINA -CONH 2 amida R-CO-NH 2 Amidas CH 3 -CO-NH 2 ETILAMIDA -CO-O-C- éster R-CO-O-R Ésteres CH 3 -CO-O-CH 3 ETANOATO DE METILO -SH sulfhidrilo R-SH Tioles CH 3 -CH 2 -SH ETANOTIOL 4. ISOMERÍA Se dice que dos compuestos orgánicos son isómeros cuando tienen la misma fórmula empírica pero diferentes propiedades. Esto es, constan de los mismos elementos químicos y el mismo número de átomos de cada elemento pero unidos de manera diferente. Por tener diferentes propiedades se trata de compuestos distintos, por lo que su nombre y la fórmula desarrollada no pueden ser los mismos. Por ejemplo la glucosa y la fructosa, ambas tienen como fórmula empírica C 6 H 12 O 6. Pero su fórmula desarrollada es bien diferente (ver margen) Clases de isomería: Estructural a) de posición b) de función c) de cadena Estereoisomería (espacial) a) Cis-trans (geométrica) b) Diastereoisomería (óptica) Los isómeros estructurales presentan propiedades físicas y químicas muy diferentes pero los estereoisómeros difieren en sus propiedades mucho menos. Las isomerías que presentan mayor importancia en la materia viva son: - Isomería de posición: los isómeros se diferencian en la posición de un determinado grupo funcional que forma parte de la cadena carbonada. Por ejemplo, un alcohol primario de uno secundario, con el mismo número de carbonos, o el caso ya expuesto de la glucosa y la fructosa. - Isomería cis-trans o geométrica: los isómeros poseen los mismos grupos funcionales, situados además en los mismos carbonos, pero en posiciones distintas respecto al plano de la molécula. Este tipo de isomería es característica de moléculas con dos átomos de carbono unidos por un doble enlace (los dobles enlaces son rígidos, no tienen libertad de giro). ác. maléico (forma cis) ác. fumárico (forma trans) 2 IES Alfonso II

5 Bioelementos, Agua y Sales minerales - Diastereoisoméria o isomería óptica: es propia de compuestos que tienen algún átomo de carbono asimétrico (unido a cuatro radicales diferentes). En estos casos la molécula no tiene plano de simetría y la simple alteración en su disposición espacial de dos de los radicales unidos al carbono asimétrico, da lugar a una molécula de características ópticas diferentes. Los isómeros ópticos que son la imagen especular uno del otro (no pueden superponerse) se denominan enantiómeros o enantiomorfos. Dos enantiómeros tienen de las mismas propiedades químicas, aunque reaccionan a diferente velocidad con reactivos asimétricos; también difieren en que desvían el plano de la luz polarizada en sentidos diferentes. Reciben el mismo nombre, precedido por la letra D (si el grupo funcional que determina la isomería está a la derecha) o L (si está a la izquierda): son las formas D y L de la misma molécula. Cada diastereoisómero, tanto D como L, desvía el plano de la luz polarizada que incida sobre él un ángulo determinado característico para cada compuesto (que varía con la concentración y con el espesor de la muestra). Si lo desvía en el sentido de las agujas del reloj (hacia la derecha) se dice que ese compuesto es dextrógiro y se le añade el signo (+) a su nombre; si lo desvía en el sentido contrario a las agujas del reloj (hacia la izquierda) se dice que es levógiro y se le añade el signo (-) a su nombre. En los monosacáridos que tienen más de un carbono asimétrico, por acuerdo internacional se reserva el nombre de forma D y forma L para indicar la posición del grupo -OH más alejado del grupo carbonilo; por tanto este nombre (D o L) no está necesariamente relacionado con el sentido en el que estos compuestos desvían el plano de la luz polarizada. Una mezcla equimolecular de dos enantiómeros es ópticamente inactiva (el ángulo de desviación hacia la izquierda es exactamente el mismo que a la derecha y por lo tanto el resultado es 0º); dicha mezcla se conoce con el nombre de mezcla racémica, o simplemente compuesto racémico. El número máximo de isómeros ópticos de un compuesto depende directamente de su número de carbonos asimétricos según la relación: nº de isómeros óptico máximo = 2 n. (siendo n el nº de carbonos asimétricos de la molécula). En los monosacáridos, de los 2 n isómeros posibles de una molécula, la mitad son de la serie D y la otra mitad de la serie L. Las moléculas que, disponiendo de varios carbonos asimétricos, difieren sólo en la posición de los sustituyentes de uno de ellos, y que, por tanto, no son una la imagen especular una de otra, se dice que son epímeros. Ver ejemplos al margen: Todos ellos son isómeros ópticos unos de otros, el primero y el segundo son un par de enantiómeros y lo mismo ocurre con el tercero y el cuarto. El segundo y el tercero, que sólo difieren en la situación del -OH del carbono 3, serán epímeros. Qué relación existe entre el primero y el tercero? Y entre el primero y el cuarto? 5. INTERACCIONES MOLECULARES: LOS ENLACES. Los materiales biológicos son una mezcla compleja de compuestos químicos, tanto orgánicos como inorgánicos, unos son muy pequeños como el ion H +, otros muy grandes como los ácidos nucleicos. Todos ellos interaccionan entre sí. La principal de las interacciones es la reacción química, caracterizada por la transformación química de las sustancias que intervienen en ella. El conjunto de todas las reacciones químicas que tienen lugar en un ser vivo o en una célula es el metabolismo. Otros tipos de interacciones son las diferentes uniones que establecen entre sí los átomos o las moléculas, o las distintas partes de una molécula para adquirir mayor estabilidad; estas interacciones se conocen con el nombre de enlaces. Fuertes (de 50 a 200 Kcal/mol) Débiles (de 1 a 5 Kcal/mol) Enlace covalente Enlace iónico Enlace de hidrógeno Fuerzas de Van der Waals Interacciones hidrofóbicas Los enlaces son, por tanto, las fuerzas de atracción que mantienen unidos a los átomos que forman parte de una molécula, o que mantienen unidas a dos o más moléculas diferentes que forman parte de un complejo macromolecular. En la materia viva son importantes los enlaces señalados en el cuadro (sobre estas líneas). IES Alfonso II 3

6 Bioelementos, Agua y Sales minerales 5.1. Enlace covalente Se forma cuando dos átomos electronegativos no metálicos comparten electrones, de manera que cada uno adquiere la configuración de un gas noble. Si comparten un par de electrones el enlace es sencillo, doble si comparten dos pares y triple si comparten tres pares. Si los átomos que se unen son del mismo elemento o de elementos de parecida electronegatividad, los electrones se comparten de un modo equitativo; se trata de un enlace covalente apolar (Ej. C - H). Si los átomos que se unen son distintos y poseen una moderada diferencia de electronegatividad, los electrones se comparten de forma desigual; se trata de un enlace covalente polar (Ej. Cl - H). La electronegatividad es la capacidad para atraer electrones y es diferente para cada elemento; a mayor electronegatividad, más fuerza de atracción a los electrones. La diferencia de electronegatividad es mayor en el enlace covalente polar que en el apolar, pero es aún mayor en el enlace iónico. En la molécula de HCl el cloro es más electronegativo que el hidrógeno y atrae con más fuerza a los electrones compartidos. La probabilidad de que los electrones se encuentren cerca del Cl es mayor que la de que se encuentren cerca del H; la molécula está polarizada: tiene carga parcial negativa sobre el átomo de Cl y carga parcial positiva sobre el átomo de H. El enlace covalente polar da lugar a moléculas polares que son solubles en agua y es de suma importancia en la formación de las estructuras celulares Enlace iónico Se forma entre átomos que difieren mucho en su electronegatividad. Consiste en la transferencia de electrones de la capa más externa desde un átomo al otro. Ej: El Cl (Z = 17) necesita un electrón para completar su nivel energético. El Na (Z = 11) posee un sólo electrón en su capa más externa. Este electrón es atraído con fuerza por el átomo de Cl y salta desde el Na al Cl, con el resultado de que ambos elementos completan sus niveles energéticos y adquieren carga eléctrica ionizándose. El ión Na + es atraído por el ión Cl - y se forma el NaCl. El enlace iónico en la materia viva es considerado como débil debido a que en la célula todas las moléculas se encuentran inmersas en agua, y por lo tanto ionizadas cuando esta ionización es posible. El agua, que es una molécula dipolar, interrumpe fácilmente los edificios moleculares formados con moléculas o átomos ionizados y establece con ellas "puentes de hidrógeno" o interacciones de Van der Waals que rompen los enlaces iónicos. Las sales minerales como por ejemplo los carbonatos, cloruros, fosfatos, etc, están formadas por enlaces iónicos que en medio acuoso se disocian e ionizan fácilmente. La presencia de estos iones en la materia viva es básica en la regulación de la presión osmótica, del ph, de la contracción muscular, conducción del impulso nervioso, etc Enlace de hidrógeno (o puente de hidrógeno) Es una débil atracción electrostática. Se forma entre un átomo electronegativo y un átomo de hidrógeno que a su vez está unido covalentemente a otro átomo electronegativo. Este tipo de enlace sólo es posible con los átomos más electronegativos y más pequeños como son F, O y N. Estos enlaces son posibles porque, al tratarse de moléculas muy polares, el H queda desnudo de electrones y con carga parcial positiva mientras que los otros átomos (F, O ó N) quedan con carga parcial negativa y atraen al H con fuerza suficiente para formar un enlace. El átomo que atrae al hidrógeno se llama aceptor, el que cede el hidrógeno dador. Los aceptores son siempre los átomos más pequeños y electronegativos, como F, O y N. Los dadores suelen ser grupos alcohólicos (-OH), grupos carboxilos (-COOH) o el agua (H 2 O). El enlace de hidrógeno puede ser: - Intermolecular: las moléculas que se unen pueden ser iguales (agua-agua) o distintas (agua-fluorhídrico). - Intramolecular: entre los átomos de una macromolécula (como proteínas, ácidos nucleicos, etc.). Aunque el enlace de hidrógeno es un enlace débil, la cooperación de un gran número de estos enlaces da como resultado una fuerte atracción. La realidad es que al enlace de hidrógeno se deben muchas de las propiedades y estructuras de la materia viva: el comportamiento del agua, la conformación tridimensional de las proteínas y de los ácidos nucleicos, etc. 4 IES Alfonso II

7 Bioelementos, Agua y Sales minerales 5.4. Fuerzas de Van der Waals Son fuerzas de atracción muy débiles. No se puede asegurar a ciencia cierta a qué se deben y posiblemente con este nombre se designan distintos tipos de uniones débiles. Se trata de fuerzas inespecíficas entre moléculas polares o polarizadas debido a sus cargas eléctricas fluctuantes y son más débiles que el enlace de hidrógeno. Son independientes de la presencia de oxígeno o hidrógeno. Sólo se forman entre moléculas grandes y, por ejemplo son las responsables del acoplamiento entre superficies moleculares complementarias como son las uniones enzima-sustrato o la interacción antígeno-anticuerpo Interacciones hidrofóbicas Al contrario que las anteriores, ocurren entre moléculas no polares. Estas moléculas, que son insolubles en agua, al encontrarse en un medio acuoso (y en los seres vivos el medio siempre es acuoso), tienden a agruparse. En parte este agrupamiento está impulsado por la especial disposición de las moléculas de agua que, mediante enlaces de hidrógeno, se encuentran en grupos de dos, tres o cuatro y empujan a las moléculas no polares hasta agruparlas. Por otra parte este tipo de interacciones es muy importante para explicar la formación de las membranas biológicas y el plegamiento tridimensional de las proteínas. 6. MONÓMEROS Y POLÍMEROS En la materia viva aparecen con mucha frecuencia grandes moléculas a las que se llama macromoléculas. Son estructuras como el almidón, la celulosa, el ADN, las proteínas, los terpenos, etc. Todas estas grandes moléculas están formadas por la repetición de otras más pequeñas que se mantienen unidas mediante los distintos tipos de enlaces. Esto es la base de la enorme complejidad de la materia orgánica. Las grandes moléculas que se forman de esta manera, por repetición de otras más pequeñas, reciben el nombre general de polímeros, mientras que las moléculas-unidad que repitiéndose muchas veces dan lugar a estos polímeros reciben el nombre de monómeros. Así, por ejemplo, las proteínas son unos polímeros formados por la unión de aminoácidos, que son sus monómeros; el almidón es un polímero formado por la repetición de muchas maltosas que son los monómeros. 7. BIOMOLÉCULAS Los bioelementos se unen entre sí para formar moléculas. Estas moléculas, que pueden aislarse en la materia viva por sencillos procedimientos físicos de análisis, son las biomoléculas o principios inmediatos. Los biocatalizadores son sustancias imprescindibles para los seres vivos y que se encuentran formando parte de las células en cantidades muy pequeñas. Químicamente son heterogéneos y se pueden incluir en los grupos arriba mencionados, es decir, algunos son proteínas, otros lípidos, etc. Sin embargo, teniendo en cuenta su gran importancia biológica, lo más frecuente y recomendable es estudiarlos aparte. Son biocatalizadores las vitaminas, las hormonas y los enzimas. Inorgánicos - Agua - CO 2, O 2 - Sales minerales Orgánicos - Glúcidos - Lípidos - Proteínas - Ác. nucleicos COMPONENTES MOLECULARES DE LA CÉLULA (en % sobre la masa total) Biomoléculas Procariotas Eucariotas Glúcidos Lípidos Proteínas Ácidos nucleicos ARN ADN Precursores Agua Sales minerales 8. EL AGUA Es la biomolécula más abundante en las células y está ampliamente difundida en la corteza terrestre, cubre las 3/4 partes de la superficie de la Tierra. Constituye aproximadamente el 70% del peso de las células. La cantidad de agua por célula depende de las especies: las acuáticas poseen un mayor porcentaje que las terrestres; las medusas, por ej., tienen un 95% de su peso en agua. La cantidad de agua en la especie humana depende de varios factores como por ejemplo la edad: los individuos más jóvenes tienen más agua, y también del órgano o tipo de tejido. En general a mayor actividad metabólica, mayor proporción de agua (en la corteza cerebral el 90% y en el tejido adiposo entre un 10 y un 20%) ,5 18 1,25 0, IES Alfonso II 5

8 Bioelementos, Agua y Sales minerales En los seres vivos se distingue el agua intracelular (2/3 del total aproximadamente) y el agua extracelular (1/3 restante). El agua extracelular está constituida por el agua intersticial (que baña las células tisulares) y el agua circulante (sangre, savia, linfa, etc.). La vida en la Tierra empezó en el mar y este hecho es el causante de que todos los organismos vivos hayan ido diseñándose alrededor de las propiedades características del agua tales como: su carácter polar, sus elevados puntos de fusión, ebullición y calor específico o su elevada tensión superficial. El ahorro del agua ha sido una de las presiones evolutivas más importantes en el desarrollo de las especies. La conquista de los hábitats terrestres se consiguió con el diseño de organismos capaces de formar medios internos con gran capacidad para la conservación y el ahorro del agua Estructura química del agua: polaridad La molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno unido mediante enlaces covalentes polares a dos átomos de hidrógeno. Los enlaces O H forman un ángulo de 104,5º. Aunque la molécula tiene una carga total neutra (nº de electrones = nº de protones), los electrones están distribuidos asimétricamente porque el oxígeno, al ser mucho más electronegativo que el hidrógeno, atrae con mayor efectividad a los electrones de los enlaces covalentes (recuerda que son enlaces covalentes polares) con el resultado de que los hidrógenos, en la práctica, quedan desnudos de electrones y por tanto con carga parcial positiva, al mismo tiempo que el oxígeno se queda con carga parcial negativa. El resultado final es que la molécula de agua está claramente polarizada, con dos polos de diferente carga eléctrica: la zona cercana a los hidrógenos tiene carga positiva y la zona cercana al oxígeno tiene carga negativa: LA MOLÉCULA DE AGUA ES UNA MOLÉCULA DIPOLAR. La polaridad de la molécula de agua, que es consecuencia de su estructura, es a su vez la causa de las propiedades físico-químicas del agua ya que da lugar a diversos tipos de interacciones moleculares. Estas propiedades, a su vez, determinan sus funciones biológicas y justifican la presencia del agua y su importancia en los seres vivos. Las principales propiedades del agua se estudian a continuación Cohesividad Como consecuencia de su estructura dipolar, las moléculas de agua interaccionan entre sí mediante enlaces de hidrógeno que se producen como consecuencia de la atracción electrostática entre los hidrógenos y los oxígenos de las diferentes moléculas que comparten un espacio. De esta manera se unen las moléculas de dos en dos, de tres en tres y hasta de ocho en ocho de vez en cuando. El resultado es una red tridimensional de moléculas que es la responsable de que, a pesar de ser una molécula de bajo peso molecular, el agua sea un líquido y no un gas como les ocurre a otras moléculas de tamaño comparable (CO 2, SH 2, NH 3, CH 4, etc.). Por otra parte los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua están destruyéndose y formándose continuamente y de esta manera el agua conserva su extraordinaria fluidez. Aunque se sabe que un enlace de hidrógeno aislado resulta muy débil, los miles de enlaces establecidos entre las moléculas del agua líquida originan potentes fuerzas intermoleculares que la dotan de una gran cohesividad (o cohesión interna) de tal manera que unas moléculas arrastran a otras en su movimiento. De esta naturaleza cohesiva del agua derivan otras muchas propiedades o características como son: - Densidad y propiedades del hielo Debido a la ordenación casi tetraédrica de los electrones alrededor del átomo de O, cada molécula de agua es capaz de unirse potencialmente con otras cuatro moléculas vecinas (mediante enlaces de H). Esto ocurre en el hielo, en el que los cuatro enlaces de H alrededor de una molécula de agua tienen disposición tetraédrica. En el agua líquida el nº de enlaces de H es menor; a 0º C cada molécula de agua está unida por término medio a otras 3,6 moléculas de agua. Por ello la densidad del agua decrece por debajo de 4 o C y el hielo flota sobre el agua líquida. Es la única sustancia que en estado sólido es menos densa que en estado líquido. Por este motivo, cuando la temperatura ambiente es muy baja, en los lagos, mares, etc, se forma una capa superficial de hielo más o menos espesa que protege de la congelación a las capas inferiores donde pueden continuar desarrollándose los procesos vitales, es decir pueden mantenerse vivos los organismos que habitan ese lago o mar. - Compresibilidad El agua es un líquido prácticamente incompresible, perfecto para dar forma a las células o servir de esqueleto hidrostático en algunos animales y mantener la turgencia en las plantas. 6 IES Alfonso II

9 Bioelementos, Agua y Sales minerales - Capilaridad El fenómeno de capilaridad que permite la ascensión del agua por conductos de poco diámetro como son los vasos xilemáticos que transportan la savia bruta desde las raíces hasta las hojas, se debe tanto a la cohesividad como al poder de adhesión del agua para con las paredes de los recipientes que la contienen. - Tensión superficial La tensión superficial es el resultado de la acción hacia el interior de la fuerza de cohesión entre las moléculas. Debido a este fenómeno la superficie de un líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película elástica. En el agua esta tensión superficial es elevada, más fuerte que en cualquiera de los líquidos habituales y, como consecuencia, la superficie del agua opone una gran resistencia a romperse y tiende a ser la menor posible adquiriendo la forma esférica que permite las deformaciones del citoplasma celular y causa los movimientos internos de la célula. - Calor específico Es elevado: Cuando se aplica calor a una masa de agua, parte de ese calor se emplea en romper los enlaces de hidrógeno entre las moléculas, por este motivo hace falta mucho calor para elevar su temperatura y esto la convierte en un excelente amortiguador térmico que mantiene la temperatura de las células relativamente constante con las ventajas que esto conlleva para asegurar la estabilidad de las moléculas orgánicas. - Calor de vaporización Es una medida directa de la cantidad de energía necesaria para superar las fuerzas de atracción entre las moléculas adyacentes en un líquido, de modo que estas puedan separarse y pasar al estado gaseoso. En el agua, debido a los enlaces de hidrógeno entre las moléculas, para pasar del estado líquido al gaseoso es necesario aportar una gran cantidad de calor. Esta propiedad, elevado calor de vaporización, colabora con la anterior (elevado calor específico) en la regulación de la temperatura en los organismos. Cuando se evapora una pequeña cantidad de agua, se disipa una gran cantidad de calor y es este fenómeno lo que hace tan efectiva la sudoración, el jadeo o el resuello a la hora de regular la temperatura de los mamíferos. Otras propiedades como punto de fusión, punto de ebullición, calor de fusión, etc., también tienen valores más elevados en el agua que en otras moléculas comparables Solubilidad Por su naturaleza dipolar, el agua posee una constante dieléctrica (tendencia a oponerse a la atracción entre iones opuestos) muy elevada, lo que le permite ser el mejor disolvente conocido para la mayoría de los compuestos; pero no todos se disuelven en ella por igual; su solubilidad depende de que posean grupos polares o apolares. Los grupos polares tienen asimetría eléctrica debido a su distribución electrónica; como el agua es polar, son hidrófilos, tienden a rodearse fácilmente de moléculas de agua. Los grupos apolares (o no polares) son totalmente neutros; son hidrófobos, sin tendencia a disolverse en el agua). Un compuesto puede tener una u otra característica, o ambas a la vez; en este último caso se dice que es anfipático. Según su solubilidad pueden distinguirse tres tipos de compuestos: a) Los que se disuelven fácilmente en agua (hidrófilos o polares) -La mayoría de las sales minerales y otros compuestos iónicos, ya que el agua se interpone entre sus componentes ionizados, provocando su separación y disolución: se producen fuertes atracciones electrostáticas entre los dipolos del agua y los iones positivo y negativo de la sal (por ejemplo Cl _ y Na + ) formándose los iones hidratados correspondientes que son muy estables. -Compuestos orgánicos no iónicos con grupos funcionales polares, como alcoholes, aldehidos, cetonas y azúcares sencillos (con grupos hidroxilo y carbonilo), que son capaces de formar enlaces de hidrógeno con el agua sin interrumpir su estructura. -Compuestos orgánicos sencillos con grupos amino o carboxilo que tienden a ionizarse por interacción con el agua. b) Los que forman dispersiones coloidales (anfipáticos) -Algunas moléculas anfipáticas tienden a formar micelas (agregados de numerosas moléculas) ya que se dispersan en el agua de tal manera que disponen su polo hidrófilo inmerso en el agua y su polo hidrófobo lo más oculto posible del agua (interacciones hidrofóbicas). Un ejemplo sencillo es la sal sódica del ácido oleico IES Alfonso II 7

10 Bioelementos, Agua y Sales minerales (jabón) que en disolución está ionizada: CH 3 -(CH 2 ) 7 -CH=CH-(CH 2 ) 7-COO _ Na +. El grupo carboxilo del ion oleato es polar y tiende a hidratarse con facilidad; la larga cola hidrocarbonada es apolar. Este compuesto se dispersa en el agua formando micelas en las que los grupos carboxilo, cargados negativamente, quedan expuestos a la fase acuosa mientras que las cadenas hidrocarbonadas permanecen ocultas en la estructura. Aunque las moléculas de oleato son de pequeño tamaño, este compuesto forma dispersiones coloidales debido al tamaño de las micelas, cada una de las cuales puede contener centenares o miles de moléculas. Las micelas poseen una carga negativa neta debido a los grupos carboxilo, se forman espontáneamente y se mantienen dispersas a causa de sus mutuas repulsiones de naturaleza electrostática. Además de formar micelas, estas moléculas pueden disponerse formando monocapas o bicapas, según sea su proporción y la de moléculas de agua. -Las grandes moléculas anfipáticas como proteínas, ácidos nucleicos y algunos lípidos tienden a formar estructuras en las que los grupos apolares quedan ocultos al agua. A diferencia de las micelas se trata de macromoléculas aisladas, no de agregados, que forman dispersiones coloidales debido al gran tamaño de sus moléculas. c) Los que no se disuelven en agua (hidrófobos o apolares) Los compuestos orgánicos no polares (radicales alifáticos por ejemplo); son insolubles en agua porque, al no poder formar enlaces de hidrógeno con ella, interrumpen su estructura tridimensional. Funciones del agua debidas a su solubilidad - De lo anterior se deduce que una de las funciones primordiales del agua es la de actuar como disolvente de la mayoría de las moléculas de los seres vivos y, dado que para que una reacción bioquímica tenga lugar es imprescindible que los reactivos se encuentren disueltos, se puede deducir que el agua es el medio donde se realizan todas las reacciones metabólicas celulares. - Teniendo en cuenta su capacidad como disolvente, el agua es el principal vehículo de entrada y salida de moléculas a través de las membranas celulares (ya que éstas, aunque poseen una zona interna muy hidrófoba, disponen de canales especiales que permiten que el agua pase a través de su bicapa lipídica) y es el medio fluido de transporte entre las diferentes partes de un organismo y un lubricante de los órganos en movimiento Hidrólisis Es la reacción química donde interviene el agua en forma iónica (H 3 O + + OH ) provocando la rotura de un enlace covalente. El ion hidronio (H 3 O + ) se une a uno de los átomos que intervenían en el enlace y el ion hidroxilo (OH ) se une al otro átomo. Estas reacciones son básicas en los procesos digestivos y en general en todos los procesos de degradación o escisión de moléculas complejas en sus constituyentes. Ejemplo: sacarosa + agua glucosa + fructosa En ellas se rompen enlaces éster, enlaces peptídicos, enlaces glicosídicos, etc; en los seres vivos son necesarios los enzimas hidrolíticos (que catalizan este tipo de reacciones). La reacción que se puede considerar como inversa de la hidrólisis es la condensación o síntesis, mediante la cual se unen dos moléculas al mismo tiempo que se libera una molécula de agua Ionización: regulación del ph Una pequeña parte de las moléculas de agua pueden ionizarse al unirse totalmente un átomo de hidrógeno de una molécula al oxígeno de otra. 2H 2 O H 3 O + + OH El agua pura o destilada presenta un grado de ionización muy bajo: A 25ºC el producto iónico del agua [H 3 O + ] [OH ] es solamente de Esto quiere decir que sólo una de cada moléculas de agua se encuentra ionizada y, por lo tanto, al añadir una pequeña cantidad de ácido al agua se producirá un fuerte desequilibrio iónico debido al aumento de iones H 3 O +. Del mismo modo si se añade una pequeña cantidad de una base, aumentaría la cantidad de iones OH. El producto iónico del agua es la base para la escala de ph, método que se utiliza para expresar el grado de acidez [H + ] en cualquier disolución acuosa, concentración que varía al disolver en agua un ácido o una base. El ph es el logaritmo del inverso de la concentración de iones H + (a los iones H 3 O + suele llamárseles iones H + ): ph = log 1/[H + ] = - log [H + ] 8 IES Alfonso II

11 Bioelementos, Agua y Sales minerales La escala del ph varía de 0 a 14; 7 corresponde a un medio neutro, valores por debajo de 7 a medios ácidos y valores entre 7 y 14 a medios básicos. En los seres vivos, para que las funciones vitales se realicen con normalidad, es de gran importancia que el ph se mantenga constante en los fluidos intra y extracelulares, pues las reacciones metabólicas sólo son posibles en un determinado intervalo de ph. La mayoría de las reacciones ocurren en medios neutros, lo que facilita la estabilidad de muchas moléculas como las proteínas; pero hay excepciones, por ejemplo la pepsina (enzima del jugo gástrico) sólo actúa en medio ácido siendo su ph óptimo próximo a 2. Un cambio significativo de ph en los fluidos orgánicos no sólo impediría la realización de las reacciones metabólicas normales, sino que también afectaría a las estructuras celulares. Dicho ph se mantiene constante, a pesar de que en muchas reacciones metabólicas se liberan sustancias ácidas o básicas, debido a la existencia de unos mecanismos químicos llamados sistemas amortiguadores, tampones o disoluciones tampón que absorben el exceso de iones H + o iones OH. Un tampón es, por tanto, un sistema que tiende a impedir un cambio de ph, pero resultaría insuficiente ante una cantidad muy elevada de ácido o de base. Como consecuencia de las actividades metabólicas es mucho más frecuente la desviación hacia la acidez que hacia la basicidad y la mayoría de los sistemas tampón conocidos tienden a amortiguar el exceso de iones H +. Las moléculas más importantes a la hora de amortiguar los cambios bruscos del ph son las proteínas que, con los numerosos radicales amino y carboxilo de sus aminoácidos, son capaces de absorber o ceder protones al medio que las contiene. Pero existen además algunos compuestos sencillos cuya finalidad es la misma: El tampón intracelular más importante es el fosfato: - 2- H 2 PO 4 HPO 4 + H + El principal tampón de la sangre y fluidos extracelulares de los vertebrados es el bicarbonato: - H 2 CO 3 HCO 3 + H + En ambos casos un aumento de ácido (de H + ) desplaza el equilibrio hacia la izquierda hasta lograr que la concentración de H + se aproxime a la inicial. Por el contrario si se añade una base el equilibrio se desplazará hacia la derecha. Cada sistema tampón actúa a un ph característico, por ejemplo el del bicarbonato actúa al ph normal de la sangre (7,4). Normalmente los aniones se encuentran en los seres vivos en forma de sales minerales que en disolución acuosa están muy ionizadas, por ello se dice que una de las principales funciones de las sales minerales en los seres vivos es la de mantener constante el ph Ósmosis Se denomina difusión al fenómeno por el cual las partículas de soluto se distribuyen uniformemente en un disolvente, de tal forma que la concentración sea la misma en cualquier punto de la disolución. En los medios orgánicos la difusión se ve dificultada por la existencia de membranas. Las células están separadas del medio intercelular y de otras células por la membrana plasmática y el interior de algunos orgánulos también está separado por membranas del hialoplasma. Todas estas membranas biológicas poseen la particularidad de que son semipermeables, es decir, dejan que ciertas sustancias difundan a través de ellas pero son impermeables respecto al resto. La difusión a través de una membrana semipermeable se denomina ósmosis. Las moléculas que están en el exterior y en el interior, tienden a difundirse a través de las membranas; las que por su estructura y tamaño puedan pasar libremente, pasarán, y al cabo de cierto tiempo, las concentraciones en el interior y en el exterior serán iguales. Las moléculas que no puedan pasar ejercerán sobre la membrana una presión determinada que se denomina presión osmótica. Como las concentraciones tienden siempre a igualarse, si no pueden pasar las moléculas de soluto de un lado a otro de la membrana, pasará el agua desde el medio más diluido al más concentrado. Así el diluido se volverá más y más concentrado y el concentrado se volverá más y más diluido. La presión que habría que hacer para impedir el paso del agua desde un medio al otro es la presión osmótica. Al medio más concentrado se le denomina medio hipertónico y al menos concentrado se le denomina medio hipotónico. Si los dos medios tienen la misma concentración se dice que son isotónicos. IES Alfonso II 9

12 Bioelementos, Agua y Sales minerales Cuando una célula se encuentra en un medio hipertónico, su hialoplasma y sus orgánulos membranosos, pierden agua (que sale hacia el medio intentando conseguir la igualdad de las concentraciones) produciéndose la plasmolisis del contenido celular. Esto es lo que ocurre, por ejemplo, si se saliniza el suelo; las células de la raíz pierden agua y las plantas mueren. Por el contrario, si la célula está rodeada por un medio hipotónico, se producirá una entrada masiva de agua y ésta se hinchará por un fenómeno denominado turgencia (o turgescencia). En las células vegetales esto no suele provocar problemas porque su membrana, protegida por la pared de celulosa, puede soportar grandes presiones. En las células animales la turgencia suele desencadenar la explosión de la célula y la liberación de su contenido (hemolisis de los glóbulos rojos al colocarlos en agua destilada). La presión osmótica de la sangre en los animales superiores se mantiene constante principalmente por la acción de los riñones que regulan las proporciones de agua y sales minerales. Por ello, las disoluciones que se inyectan por vía intravenosa (por ejemplo para introducir nutrientes o medicamentos en el torrente sanguíneo de una persona) deben ser isotónicas respecto al plasma sanguíneo para evitar alteraciones osmóticas. Factores que influyen en la presión osmótica. -Concentración molar: la presión osmótica depende del número de partículas del soluto. -Temperatura: a mayor temperatura, mayor presión; porque es mayor la energía de las moléculas disueltas. -Ionización: las sustancias iónicas o polares ejercen mayor presión que las apolares dado que al disociarse producen un mayor número de partículas. -Masa molecular: a igual masa total, las moléculas de menor masa molecular ejercen mayor presión osmótica porque habrá un mayor número de partículas. -Cantidad de solutos: la presión osmótica de una disolución de varios solutos es la suma de las presiones osmóticas ejercidas por cada uno de ellos. 9. LAS SALES MINERALES Las sustancias minerales, casi siempre en forma de sales, pueden encontrarse en los seres vivos: -Disueltas, tanto en los medios celulares internos como en los externos. -Precipitadas, en forma sólida, formando parte de huesos, caparazones, etc. -Asociadas a ciertas sustancias orgánicas, como proteínas, lípidos o glúcidos. Cuando están disueltas se encuentran siempre disociadas en cationes y aniones. Los principales iones inorgánicos son: Cationes: Na +, K +, Ca 2+ y Mg 2+ Aniones: Cl -, SO 2-4, PO 3-4, CO 2-3, HCO y NO 3 La proporción de estos iones, sobre todo de los cationes, debe mantenerse constante en los medios celulares e intercelulares porque de ello dependen muchas funciones vitales como el paso de información a través de membranas, catálisis, ósmosis, soluciones tampón, etc. Algunos cationes tienen además efectos antagónicos; por ejemplo el Ca ++ y el K + son antagónicos en el funcionamiento del músculo cardíaco. Principales funciones de las sales minerales en los seres vivos: - Forman estructuras esqueléticas y protectoras (esqueletos, caparazones). - Estabilizan las dispersiones coloidales (sus cargas eléctricas mantienen a los solutos separados). - Modifican las propiedades disolventes del agua (proteínas insolubles en agua destilada se disuelven en soluciones salinas). - Mantienen constante el grado de salinidad de los medios inter e intracelulares (ósmosis). - Son la base del funcionamiento de los principales amortiguadores del ph (soluciones tampón). - Cumplen funciones específicas como son: movimiento muscular, impulso nervioso, el ion Mg 2+ es imprescindible en el ensamblaje de muchas estructuras proteicas, el Fe 2+ forma parte de la hemoglobina y citocromos, el I - es necesario para formar las hormonas tiroideas, etc. 10 IES Alfonso II

13 Los glúcidos TEMA 2: LOS GLÚCIDOS Concepto, clasificación y funciones generales. Monosacáridos: naturaleza química, formas hemiacetálicas y ciclación de las moléculas. Enlace glicosídico y otros enlaces importantes. Derivados de los monosacáridos. Disacáridos. Polisacáridos. Heterósidos. 1. GLÚCIDOS. CONCEPTO Y CLASIFICACIÓN. Son biomoléculas orgánicas formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno. Químicamente son muy homogéneos: pueden definirse como polihidroxialdehidos o polihidroxicetonas (polialcoholes con un grupo funcional carbonilo; bien aldehido o bien cetona) o sustancias que por hidrólisis dan lugar a dichos compuestos. También se incluyen algunos derivados de estas moléculas con grupos amino, carboxilo, fosfato, etc. Son las biomoléculas orgánicas más sencillas, las que primero aparecen como consecuencia de la fotosíntesis y a partir de ellas se pueden formar las demás. Clasificación: según su complejidad se dividen en: Osas Monosacáridos (monómeros no hidrolizables) De 3 a 7 C: triosas, tetrosas, pentosas, hexosas y heptosas. Ósidos Holósidos (por hidrólisis solamente dan monosacáridos o derivados) Oligosacáridos (de dos a diez monosacáridos) Polisacáridos (más de diez monosacáridos) Disacáridos. Trisacáridos. etc... Homopolisacáridos Heteropolisacáridos Heterósidos Por hidrólisis dan lugar a glúcidos y otras moléculas no glucídicas. 2. FUNCIONES BIOLÓGICAS. Los glúcidos cumplen básicamente dos funciones: energética y estructural: 2.1. Energética. Constituyen la fuente de energía de uso inmediato para los seres vivos. El glúcido más utilizado por las células, tanto animales como vegetales, como fuente de energía es la glucosa, un monosacárido de seis átomos de carbono; esta molécula tiene el inconveniente de ser muy soluble en agua y por lo tanto no puede almacenarse en el interior de las células porque eso supondría un grave desequilibrio osmótico. Son otros glúcidos de mayor peso molecular los que cumplen este papel de almacén de energía química, reserva energética, o reserva de glucosa: el glucógeno y el almidón fundamentalmente; son moléculas bastante insolubles en agua, por lo que pueden almacenarse en grandes cantidades sin riesgo de alterar la presión osmótica sobre las membranas celulares. Por otra parte, al ser las primeras biomoléculas sintetizadas durante la fotosíntesis, los glúcidos constituyen la única fuente de carbono para construir los demás compuestos orgánicos Estructural. Algunos glúcidos desempeñan importantes funciones estructurales, formando parte tanto de las células como de los tejidos. Por ejemplo: - La celulosa, la pectina y la hemicelulosa forman la pared de las células vegetales. - Los peptidoglucanos forman parte de la pared de las bacterias. - La quitina se encuentra en el exoesqueleto de los artrópodos y en la pared celular de los hongos. - La ribosa y desoxirribosa son componentes de los ácidos nucleicos. También hay que destacar el papel algunos glúcidos, oligosacáridos especialmente, como receptores de membrana: unidos a lípidos o proteínas de membrana, se les considera como las moléculas que reconocen las señales de información y todo tipo de sustancias que llegan a la superficie celular. IES Alfonso II 11

14 Los glúcidos 3. MONOSACÁRIDOS Son los glúcidos más sencillos, constituidos por una sola unidad de polihidroxialdehido o polihidroxicetona. No son hidrolizables. Constituyen las piezas o monómeros a partir de los cuales se originan los demás glúcidos Propiedades físicas -Son sólidos, cristalinos, incoloros o blancos, de sabor dulce y muy solubles en agua (poseen grupos polares). -Todos, excepto la dihidroxiacetona, poseen uno o más carbonos asimétricos, por lo que tienen actividad óptica. (Nº de isómeros ópticos = 2 n siendo n el nº de carbonos asimétricos). En los monosacáridos, de todos los isómeros posibles, la naturaleza muestra una especial preferencia por los de la serie D Propiedades químicas -El grupo carbonilo puede oxidarse a grupo carboxilo: los monosacáridos son reductores (tienen carácter reductor). Esta propiedad es utilizada para detectar su presencia en medios biológicos (por ejemplo frente a disoluciones alcalinas de plata o cobre: reactivo de Fehling). -El grupo carbonilo también puede reducirse a grupo hidroxilo: los monosacáridos son oxidantes Naturaleza química de los monosacáridos Los monosacáridos, en general, tienen la fórmula empírica (CH 2 O) n (siendo n entre 3 y 7). La estructura básica de los monosacáridos es una cadena no ramificada de 3 a 7 átomos de carbono en la que, salvo excepciones, todos poseen un grupo hidroxilo excepto uno que posee un grupo carbonilo. Los grupos carbonilo (aldehido y cetona) están siempre en los carbonos 1 (C1) y 2 (C2) respectivamente. Según sea el grupo carbonilo, aldehido o cetona, los monosacáridos se denominan aldosas o cetosas. Según el número de átomos de carbono se denominan triosas, tetrosas, pentosas, hexosas, o heptosas. Para indicar a la vez ambos caracteres se antepone el prefijo aldo o ceto al nombre que indica el número de carbonos; así se denominan aldotriosas, cetotriosas, aldopentosas, cetohexosas, etc. Aunque generalmente se conocen por sus nombres particulares: glucosa, fructosa, etc Principales monosacáridos - Triosas: el gliceraldehido o aldehido glicérico y la dihidroxiacetona. El gliceraldehido posee 2 isómeros ópticos: D-gliceraldehido y L-gliceraldehido, dependiendo de que el OH del carbono asimétrico (C2) se sitúe a la derecha o a la izquierda. En los seres vivos se presenta la forma D. La dihidroxiacetona, no posee ningún isómero óptico porque no tiene ningún carbono asimétrico. Las dos triosas son importantes en el metabolismo intermediario: en la formación y degradación de la glucosa y de la glicerina (y por lo tanto de las grasas). - Tetrosas: aparecen también en el metabolismo intermediario, por ejemplo en la fotosíntesis. - Pentosas: más importantes son: la D-ribosa y la D-desoxirribosa, que forman parte de los ácidos nucleicos y de numerosos coenzimas y la D-ribulosa que interviene en la fotosíntesis. - Hexosas: son los monosacáridos más importantes. Las más abundantes son la D-glucosa (presente en la uva, también forma parte de oligo y polisacáridos; en nuestra sangre, procedente de la digestión de los glúcidos, se encuentra en la proporción de un gramo por litro); la D-galactosa (forma parte del disacárido lactosa); la D- manosa (forma parte de algunos polisacáridos) y la D-fructosa (se encuentra en la miel y en la mayoría de los frutos acompañando a la glucosa; en el hígado se transforma en glucosa, por lo que posee el mismo valor energético que ésta). 12 IES Alfonso II

15 Los glúcidos 4. EL HEMIACETAL INTRAMOLECULAR Y CICLACIÓN DE LA MOLÉCULA. La estructura lineal de los monosacáridos fue determinada por Fischer, por lo que las fórmulas lineales estudiadas se llaman formas de Fischer. Pero los monosacáridos en forma "lineal", sólo son frecuentes en la materia viva cuando tienen menos de cinco carbonos. Si se tiene en cuenta que los ángulos que forman los enlaces que unen a los carbonos son siempre menores de 180º, se comprende que las moléculas no son rectas sino que van doblándose ligeramente; esta curvatura es mayor cuanto más largo sea el monosacárido. Además, cuando un monosacárido está en agua su grupo carbonilo tiende a hidratarse y a perder su estabilidad; por ello, en un intento de recuperar la estabilidad, el grupo carbonilo reacciona con el grupo hidroxilo más próximo, que suele ser el C5 en las hexosas y el C4 en las pentosas. El resultado es una reestructuración atómica de la molécula mediante un enlace llamado hemiacetal y la formación de un anillo o ciclo que puede ser pentagonal o hexagonal según si se trata de una aldosa o una cetosa y si el carbono que participa en su formación es el C4 o el C5. Los monosacáridos con forma pentagonal se denominan furanosas (el furano es un anillo pentagonal) y los que tienen forma hexagonal se denominan piranosas (el pirano es un anillo hexagonal). Al formarse el hemiacetal intramolecular aparece un nuevo carbono asimétrico (el C1 en las aldosas y el C2 en las cetosas) que se llama carbono anomérico; es el carbono que en la forma lineal) llevaba el grupo carbonilo y que ahora lleva un grupo OH llamado hidroxilo hemiacetálico. El carbono anomérico tiene algunas propiedades especiales como es la de poseer carácter reductor (ya que en toda disolución hay un equilibrio entre la forma cíclica y la lineal). Por este motivo es el carbono más activo de toda la molécula y a él se debe que los monosacáridos ciclados conserven el carácter reductor de los lineales. El carbono anomérico es asimétrico; ello origina dos nuevos isómeros que se designan con las letras griegas y. Se considera cuando su grupo hidroxilo está en posición trans respecto al C6 o al C5 (según se trate de una hexosa o una pentosa) y se considera cuando está en posición cis. Para mayor comodidad los monosacáridos se representan eludiendo escribir todo lo que se puede dar por supuesto: solamente es necesario indicar el enlace hemiacetálico, la posición del C6 y la situación de los grupos OH. Las formas cíclicas o hemiacetálicas fueron ideadas por Haworth (formas de proyección de Haworth). Normalmente se representan como hexágonos o pentágonos regulares, pero no son planos. Estudiando las distancias entre los átomos de las piranosas se llegó a la conclusión de que el oxígeno y los carbonos no están en el mismo plano sino que el C1 y el C4 están en planos diferentes, por lo que pueden existir en dos conformaciones (dos ordenaciones en el espacio de los átomos de la molécula) que pueden producirse por rotaciones alrededor de los enlaces sencillos: la forma en nave o cis (el C1 y el C4 hacia el mismo lado de la molécula) y la forma en silla o trans (el C1 y el C4 en lados diferentes). IES Alfonso II 13