La Química de la Vida

Transcripción

1 La Química de la Vida 1ª Parte: Elementos químicos y el agua Tema 9 de Biología NS Diploma BI Curso La Química de la vida 1/54

2 Elementos químicos de la vida: Bioelementos La materia constituyente de los seres vivos está compuesta por moléculas, que están a su vez formadas por la unión de ciertos elementos químicos. A los elementos químicos presentes en los seres vivos se les llama bioelementos. Estos elementos químicos fueron seleccionados para la vida por ser capaces de construir estructuras y realizar funciones capaces de aumentar la supervivencia de las células que los incorporaron. Puesto que la vida parece que surgió en el seno de los mares primitivos, muchos de los elementos esenciales para la vida fueron seleccionados por dos parámetros: 1) Su comportamiento en el medio acuoso. Es decir, si son insolubles o solubles y, en este caso, el número de cargas que tienen en forma iónica. 2) La reactividad de los átomos y los tipos de enlaces que pueden formar para construir moléculas orgánicas. La Química de la vida 2/54

3 Elementos químicos de la vida: Bioelementos Existen unos 27 bioelementos y, al igual que el resto de elementos que forman la materia general del Universo, todos ellos están presentes en la tabla periódica. La Química de la vida 3/54

4 Elementos químicos de la vida: Bioelementos Sin embargo, al comparar la composición química de los seres vivos con la de la corteza terrestre (inerte), los bioelementos mayoritarios no coinciden, salvo el oxígeno, con los elementos más abundantes en la corteza. Se puede observar que los elementos químicos más frecuentes en los seres vivos son solo cuatro: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. La Química de la vida 4/54

5 Principales bioelementos BE Los bioelementos se clasifican en dos grupos, en función de su presencia y abundancia: 1) Biolementos mayoritarios. Están en todos los seres vivos y forman más del 96% del total de la materia viva. Los primarios son C,H,O,N,P y S y constituyen los ladrillos con los que se fabrican las biomoléculas o principios inmediatos. Los secundarios son Na, K, Cl, Mg y Ca, y desempeñan funciones de vital importancia en la fisiología celular. 2) Oligoelementos. Se encuentran presentes en pequeñísimas cantidades y se distinguen a su vez esenciales, que son unos 14 elementos presentes en todos los seres vivos, como Fe, Mn, Cu, Zn, etc., y no esenciales, no presentes en todos los seres vivos pero que cumplen funciones importantes en el metabolismo, como Al y Li. La Química de la vida 5/54

6 Elementos químicos de la via: bioelementos Los bioelementos secundarios y los oligoelementos, como el azufre, calcio, fósforo, hierro y sodio, son necesarios para los organismos vivos. Animación1 La Química de la vida 6/54

7 Funciones de los bioelementos La principal función del oxígeno está en la respiración aerobia. El último paso de la respiración celular en la mitocondria se denomina fosforilación oxidativa, donde el oxígeno es usado como aceptor de electrones seguido de la producción de ATP. El oxígeno se usa también en reacciones de oxidación, como la rotura de un fosfato del ATP para liberar energía en los tejidos. Oxidación Energía La Química de la vida 7/54

8 Funciones de los bioelementos El principal uso del nitrógeno es la producción de aminoácidos. Los aminoácidos se polimerizan en proteínas. El nitrógeno también está presente en la clorofila vegetal. grupo amino El nitrógeno se encuentra como: Nitrógeno N 2 Amonio NH 4 + Nitrato NO 3 - Urea (NH 2 ) 2 CO Nitratos NO 2 - La Química de la vida 8/54

9 Funciones de los bioelementos Importante oligoelemento en los seres vivos. En los animales, se encuentra en el hemoglobina para unir oxígeno. En las plantas, se usa para fabricar la clorofila y participa en la fotosíntesis (como ferredoxina). También facilita el movimiento de electrones en la célula, incluidas las bacterias. Hemoglobina El hierro es frecuentemente un factor limitante de la productividad vegetal. La Química de la vida 9/54

10 Funciones de los bioelementos Forma parte de la estructura de huesos y dientes en animales, además de participar en la coagulación sanguínea. El carbonato de calcio se usa en la producción de exoesqueletos de invertebrados y organismos unicelulares. Los iones Ca 2+ son esenciales en la transmisión sináptica y la contracción muscular. E. Huxleyi fabrica un caparazón de Ca(CO 3 ) 2 El calcio forma la matríz extracelular de los huesos La Química de la vida 10/54

11 Funciones de los bioelementos Esencial en la formación de la bicapa de fosfolípidos que forman las membranas celulares. Cabezas polares hidrofílicas Colas apolares hidrofóbicas Los fosfatos son el componente activo de la moléculas de ATP y también forman parte de los nucleótidos que forman el ADN. Fosfatos La Química de la vida 11/54

12 Funciones de los bioelementos Se encuentra en los aminoácidos. El grupo R es variable Es también un sustrato para las bacterias quimioautótrofas de las fumarolas en la profundidades marinas. Estas bacterias producen moléculas orgánicas a partir de H 2 S, CO 2 y O 2 La Química de la vida 12/54

13 Funciones de los bioelementos El Na+ es el catión más abundante en el plasma sanguíneo y es esencial en la generación del potencial de acción para los impulsos nerviosos. El NaCl es la principal fuente de estos iones. El K+ es el catión más abundante en el citoplasma celular y también participa en los impulsos nerviosos. Además tiene una gran influencia en la ósmosis. Bomba sodio-potasio: Ejemplo de transporte activo Espacio extracelular Plasma Responsable de resetear los impulsos nerviosos y mantener el volumen celular mediante su influenci aen la ósmosis. Espacio intracelular Citoplasma La Química de la vida 13/54

14 Funciones de los bioelementos Como se ha comentado, el carbono y el hidrógeno constituyen los ladrillos de las moléculas orgánicas (biomoléculas). Glúcidos Proteínas Lípidos Los iones hidrógeno se usan en transporte activo, fotosíntesis y respiración celular. El ph de una disolución es una medida de la actividad de los iones H + disueltos. - Un ph bajo (ácido) significa una alta concentración de iones protones H +. - Un ph alto (alcalino o básico) significa una baja concentración de iones protones H +. La Química de la vida 14/54

15 Propiedades físico-químicas del Carbono BE La vida contiene carbono en grandes cantidades. Es interesante destacar que, siendo el C y el Si del mismo grupo del sistema periódico y por tanto tener propiedades físico-químicas muy semejantes, y además siendo el Si casi 150 veces más abundante en la corteza terrestre, ha sido el carbono el seleccionado. La Química de la vida 15/54

16 Propiedades físico-químicas del Carbono BE Las propiedades del carbono que le dan su gran idoneidad son: 1) Posee 4 electrones desapareados (valencia IV). Al poseer 6 protones su configuración electrónica es 1s 2 2s 2 2p 2. En lugar de disponer de dos electrones desapareados, el carbono desaparea en electrón del orbital 2s 2, por lo que pose 4 electrones desapareados que ocupan los orbitales 2s 1 2p 1 x 2p 1 y 2p 1 z, formando cuatro orbitales híbridos orientados hacia los cuatro vértices de un tetahedro que le permite formar cuatro enlaces covalentes simples al aceptar electrones para compartir sus cuatro orbitales enlazantes con otros átomos. La Química de la vida 16/54

17 Propiedades físico-químicas del Carbono BE 2) Formación de largas cadenas. Los enlaces entre los átomos de carbono pueden ser simples (C-C), dobles (C=C) o triples y permiten construir cadenas más o menos largas, lineales o ramificadas, anillos, etc. Además, se pueden construir moléculas tridimensionales muy diferentes, propiedad de vital importancia en la función biológica. La Química de la vida 17/54

18 Propiedades físico-químicas del Carbono BE 3) Formación de grupos funcionales. Las distintas combinaciones del carbono con otros elementos, permiten la formación de gran cantidad de grupos que comunican a las moléculas que los portan unas propiedades características, como aldehídos, cetonas, aminas, alcoholes o hidrocarburos. La Química de la vida 18/54

19 Propiedades físico-químicas del Carbono BE 4) El díóxido de carbono, compuesto de gran importancia biológica, es anormalmente estable, soluble en agua y permanece en estado gaseoso, indispensable para ser utilizado en la fotosíntesis. Video1 Los inconvenientes del silicio, que lo hacen menos idóneo, son: - Los enlaces Si-Si son más débiles e inestables que los de las cadenas carbonadas. - Las cadenas Si-O-Si-O- existen, pero su reactividad es casi nula (siliconas). - El análogo al CO 2, el SiO 2 es sólido, insoluble en agua y, por tanto, difícil de captar por los seres vivos. La Química de la vida 19/54

20 El agua La Química de la vida 20/54

21 Estructura molecular del agua El agua es una molécula formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno unidos mediente enlace covalente, en los que cada átomo de H comparte un par de electrones con el átomo de O. Sin embargo, como la electronegatividad del O es mayor que la del H, los pares de electrones compartidos se ven atraídos con más fuerza por el núcleo del O que por el del H. La Química de la vida 21/54

22 Estructura molecular del agua Por otro lado, el O posee cuatro electrones más sin compartir, lo que tiene dos consecuencias: 1) La geometría triangular que posee la molécula de agua, de manera que los átomos de H forman respecto al O un ángulo de 104.5º (ligaramente inferior que el de un tetrahedro perfecto:109.5º). 2) La presencia de una carga negativa débil en la zona donde se sitúan los electrones no compartidos. Esto último unido a la menor electronegatividad de los H, crea una asimetría eléctrica que hace que el agua, aunque tenga carga total neutra, presente cargas eléctricas parciales opuestas (δ), de manera que la zona de los electrones no compartidos del O es negativa y la zona de los H es positiva. Por esta razón, la molécula de agua tiene carácter dipolar. La Química de la vida 22/54

23 Estructura molecular del agua Su carácter dipolar le permite establecer interacciones con otras moléculas polares o con iones cargados eléctricamente. Entre las propias moléculas de agua se establecen uniones electrostáticas denominadas enlaces de hidrógeno: La carga parcial negativa del O de una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los H de otras moléculas adyacentes, de forma que una molécula de agua puede formar hasta 4 enlaces de H a la vez. La Química de la vida 16/30 23/54

24 Estructura molecular del agua En estado líquido, cada molécula de agua forma un promedio de 3.4 enlaces de hidrógeno con otras moléculas de agua. Debido a esta polaridad, en el agua se forma una estructura reticular perfectamente ordenada, responsable de sus propiedades físico-químicas. Los enlaces de hidrógeno son atracciones electrostáticas entre moléculas polares. La Química de la vida 24/54

25 Propiedades físico-químicas del agua Derivan de su peculiar estructura molecular y determinan las funciones biológicas que el agua desempeña en los sistemas biológicos. 1) Acción disolvente. Se denomina disolvente universal al ser el líquido que más sustancias disuelve. Se debe a su capacidad de formar puentes de hidrógeno con otras sutancias, pues éstas se disuelven cuando interaccionan con las moléculas polares de agua. Los solutos pueden ser sustancias orgánicas, polares o con carga iónica, dando lugar a disoluciones moleculares, o bien electrolitos, es decir, sustancias salinas que al disolverse se disocian total o parcialmente, originando disoluciones iónicas. Na Na Cl Cl La Química de la vida 25/54

26 Propiedades físico-químicas del agua 2) Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas. La fuerza de un enlace de hidrógeno es débil, sin embargo, muchos enlaces de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. La Química de la vida 26/54

27 Propiedades físico-químicas del agua 3) Elevada fuerza de adhesión. También relacionada con los enlaces de hidrógeno que se establecen entre las moléculas de agua y otras moléculas polares, y es responsable, junto con la cohesión, de la llamada capilaridad, donde las moléculas de agua en un capilar se mueven hacia arriba en contra de la gravedad. La Química de la vida 27/54

28 Propiedades físico-químicas del agua 4) Elevado calor específico. Se define calor específico como la cantidad de calor que es necesario aplicar a 1 g de una sustancia para elevar su temperatura en 1º C. Cuando se aplica calor al agua, parte de la energía acumulada se emplea en romper los enlaces de H y no en elevar su temperatura. Igualmente, su Tª desciende con más lentitud a medida que va liberando energía al enfriarse. La Química de la vida 28/54

29 Propiedades físico-químicas del agua 5) Elevado calor de vaporización. Para pasar de estado líquido al gaseoso es necesario romper los enlaces de hidrógeno, lo que requiere un considerable aporte de energía. Esta energía se toma del entorno, lo que hace que la temperatura de éste disminuya. La Química de la vida 29/54

30 Propiedades físico-químicas del agua 6) Menor densidad del hielo que del agua líquida. Cuando el agua está en estado sólido (hielo), cada molécula establece 4 enlaces de hidrógeno. Sin embargo, en estado líquido, cada molécula establece unos 3.4 enlaces de hidrógeno, por lo que el retículo formado en el primer caso ocupa más espacio que en el segundo y es menos denso que el del agua líquida. Cuando el agua se enfría, se contrae su volumen, como sucede con todos los cuerpos, pero al alcanzar los 4ºC cesa la contracción y su estructura se dilata hasta transformarse en hielo en el punto de congelación (dilatación anómala del agua). Por eso el hielo, al ser menos denso, flota sobre el agua líquida. La mayor densidad del agua se alcanza a 4ºC. La Química de la vida 30/54

31 Propiedades físico-químicas del agua 7) Elevada tensión superficial. En el interior de una masa de agua, todas las moléculas cohesionan unas con otras, mediante enlaces de hidrógeno, en todas las direcciones del espacio, por lo que las fuerzas se compensan. Sin embargo, las moléculas situadas en la superficie sólo están sometidas a la acción de las moléculas del interior (no existen fuerzas de cohesión con el aire). Se origina así una fuerza dirigida hacia en interior del líquido denominada tensión superficial y que permite que la superficie libre del agua se comporte como una membrana elástica tensa. La Química de la vida 31/54

32 Propiedades físico-químicas del agua 8) Viscosidad. La viscosidad de un fluido es la resistencia que le permite a tal fluido resistirse al libre flujo. Ejemplos de sustancias altamente viscosas son la miel, el glicerol y el aceite de oliva. Pero en contraste, el agua tiene una viscosidad muy baja; más baja que la de casi todos los demás fluidos. Como regla, sólo los gases (como el hidrógeno) tienen viscosidades significativamente menores que el agua. La Química de la vida 32/54

33 Propiedades físico-químicas del agua 9) Transparencia. Un material es transparente cuando deja pasar fácilmente la luz. La transparencia es una propiedad óptica de la materia, que tiene diversos grados y propiedades. Se dice, en cambio, que un material es translúcido cuando deja pasar la luz de manera que las formas se hacen irreconocibles (no se observan nítidamente los objetos), y que es opaco cuando no deja pasar apreciablemente la luz. La Química de la vida 33/54

34 Memoria de agua: Otra propiedad del agua?-tdc La memoria del agua es una supuesta propiedad del agua, no demostrada, propuesta por el inmunólogo Jacques Benvesniste como hipótesis para explicar las propiedades curativas que atribuye la homeopatía a sus preparados. Masaru Emoto, japonés diplomado y licenciado en medicina alternativa en empezó a interesarse por la estructura molecular del agua, recogió muestras y después de someterlas a diferentes estímulos, congeló unas pocas gotas, las examinó bajo un microscopio de campo oscuro y las fotografió. Las afirmaciones acerca de la memoria del agua han sido calificadas de pseudocientíficas. Según qué criterios se puede juzgar pseudocientífica una afirmación? La Química de la vida 34/54

35 Funciones biológicas del agua 1) Lugar donde transcurren la mayoría de las reacciones metabólicas. Se debe a su poder disolvente, ya que el requisito indispensable para que dos sustancias reaccionen es que se encuentren en el mismo medio e interaccionen. El citoplasma celular es acuoso. Todas las reacciones metabólicas ocurren en disolución, donde los reactivos están disueltos. Las membranas y superficies biológicas están húmedas, permitiendo a las moléculas disolverse, incluido los gases, facilitando que difundan más fácilmente. El oxígeno se disuelve sobre la membrana de los alvéolos, pudiendo difundir a la sangre. La Química de la vida 35/54

36 Funciones biológicas del agua 2) Entrada de nutrientes y salida de desechos. Se debe también a su poder disolvente, ya que dichos procesos se realizan a través de sistemas de transporte acuosos en los que se disuelven previamente estas sustancias. Ejemplos son el sistema circulatorio en animales o el sistema vascular de floema y xilema en plantas. La Química de la vida 36/54

37 Funciones biológicas del agua 3) Ascensión de la savia bruta y turgencia en las plantas. Estas funciones se deben a las propiedades de cohesión y adhesión. La subida de la savia bruta desde las raíces hasta las hojas se debe, en parte, a la capilaridad y a la cohesión. La cohesión entre sus moléculas, que la hace incompresible, permite la turgencia de las plantas. La Química de la vida 37/54

38 Funciones biológicas del agua 4) Amortiguador de la temperatura. Debido a su elevado calor específico permite que el citoplasma acuoso sirva de protección a las sensibles moléculas orgánicas ante los cambios bruscos de temperatura. Actúa como un amortiguador térmico que mantiene la temperatura del organismo relativamente constante, a pesar de las variaciones externas. La Química de la vida 38/54

39 Funciones biológicas del agua 5) Sistema de refrigeración. Debido a su elevado calor de vaporización. Cuando se evapora el agua, consume mucha energía del entorno, disminuyendo su Tª. Los vertebrados disipan calor por sudoración. Muchos animales de climas cálidos utilizan el agua o el barro para refrescarse. Las plantas adaptadas a ambientes calurosos segregan y almacenan externamente esencias volátiles cuya evaporación provoca un descenso de la temperatura del entorno. La Química de la vida 39/54

40 Funciones biológicas del agua 6) Movimientos citoplásmicos y deformaciones celulares. Debido a su elevada tensión superficial. La Química de la vida 40/54

41 Funciones biológicas del agua 7) Lubricante y medio de soporte. Debido a su baja viscosidad. Y es que si la viscosidad del agua fuera mucho menor, muchas delicadas estructuras podrían ser dañadas, como las articulaciones, y otras microscópicas, no podrían sobrevivir. Por otro lado, si fuera mucho mayor, los peces y los microorganismos, no podrían nadar o desplazarse en el agua; la división celular sería imposible, y todas las funciones vitales de los seres vivos, se inmovilizarían. La Química de la vida 41/54

42 Funciones biológicas del agua 8) Posibilita la vida en los medios acuáticos. Sobre todo es determinante para las algas, que requieren de la energía solar para llevar a cabo su fotosíntesis, y que constituyen los productores del medio acuático, determinando la existencia de peces así como microorganismos. Por eso un hábitat de agua turbia tendrá un ecosistema totalmente distinto al de un hábitat de aguas transparentes. La Química de la vida 42/54

43 Funciones biológicas del agua 9) Participación directa en numerosas reacciones metabólicas. El agua no sólo tiene un papel indirecto en el metabolismo, como agente disolvente, sino que interviene en numerosas reacciones importantes. - Condensación e hidrólisis: Las principales biomoléculas se forman por la unión de sus monómeros constituyentes, generándose en cada unión una molécula de agua (reacción de condensación). Las reacciones inversas, catalizadas por enzimas digestivos, constituyen la roturas de las macromoléculas en sus monómeros constituyentes, por la capacidad del agua de romper esos enlaces (reacción de hidrólisis). Animación2 La Química de la vida 43/54

44 Funciones biológicas del agua 9) Participación directa en numerosas reacciones metabólicas. - Fotosíntesis y respiración: En la fotosíntesis, los enzimas utilizan el agua como fuente de átomos de H (protones y electrones) para reducir el CO2, los nitratos, etc. En la respiración, al final de la cadena respiratoria, el oxígeno se reduce al aceptar los H (protones y electrones) y d se forma agua. La Química de la vida 44/54

45 Propiedades y funciones biológicas del agua Propiedad físico-química Acción disolvente Elevada cohesión y fuerza de adhesión Elevado calor específico Elevado calor de vaporización Menor densidad del hielo Elevada tensión superficial Baja viscosidad Alta transparencia Otras Función biológica Reacciones metabólicas y medio de transporte Ascensión del agua en plantas Amortiguador térmico Refrigerante Posibilita la vida en temperaturas Movimiento celular Lubricación y vida en medios acuáticos Fotosíntesis en ecosistemas acuáticos Condensación e hidrólisis, donador y aceptor de e - La Química de la vida 45/54

46 Ionización del agua y escala de ph BE Algunas moléculas de agua sufren un proceso de ionización, consitente en la separación de un ión hidrógeno (H+) al disociarse de su átomo de oxígeno, al que se encuentra unido covalentemente, y pasa a unirse con el átomo de oxígeno de otra molécula de agua vecina, a la que estaba unido mediante un enlace de hidrógeno. Se forma por tanrto un ión hidronio (H 3 O + ) y otro inón hidróxido (OH - ). Esta es la causa de que el agua no sea un líquido químicamente puro, ya que aunque la mayor parte de las moléculas de agua no están disociadas, se trata de una disolución iónica en la que siempre existen algunos iones H 3 O + y OH -. La Química de la vida 46/54

47 Ionización del agua y escala de ph BE Sólo un reducido número de moléculas sufre disociación. En el agua pura, a 25º C, se cumple que sólo una molécula de cada está disociada, por lo que la [H + ]=[OH - ]=10-7 M. Esto significa que es químicamente neutra. Sin embargo, cuando se disuelve un ácido en agua, la concentración de H + aumenta y si se disuelve una base, disminuye. La escala de ph indica la concentración de H + y se define como: ph = log 10 1/[H + ]= -log 10 [H + ] Por tanto, el ph del agua pura es igual a log 1/10-7 = 7. Los valores de ph varían entre 0 y 14. Al ser la escala logarítmica, si varía el ph en una unidad, significa que la concentración de H + aumenta 10 veces. Animación3 La Química de la vida 47/54

48 Sistema tampón o buffer BE Los seres vivos no soportan variaciones de ph mayores de unas décimas, por lo que han desarrollado a lo largo de la evolución sistemas tampón o buffer, que mantienen el ph constante mediante mecanismos homeostáticos. Las variaciones de ph afectan de manera especial a las proteínas, y por tanto a la actividad catalítica de las enzimas. Los sistemas tampón consisten en un par ácido-base conjugado que actúa como dador y aceptor de protones según los casos. El tampón fosfato (H 3 PO 4 y PO 4 3- ) en el interior celular, y el carbonato (H 2 CO 3 y HCO 3- ) en el exterior son de los más importantes. Web sobre amortguadores de ph La Química de la vida 48/54

49 Ósmosis y presión osmótica BE Si tenemos dos disoluciones acuosas de distinta concentración separadas por una membrana semipermeable, se define ósmosis como un tipo de difusión pasiva caracterizada por el paso de agua (disolvente) a través de la membrana desde la disolución más diluida a la más concentrada hasta que se iguale la concentración a ambos lados de la membrana. Se entiende por presión osmótica la presión que sería necesaria ejercer para detener el paso de agua a través de dicha membrana. Animación4 La Química de la vida 49/54

50 Ósmosis y presión osmótica BE La membrana plasmática es semipermeable, por lo que las células deben permanecer en equilibrio osmótico con su medio externo. Animación5 La Química de la vida 50/54

51 Ósmosis y presión osmótica BE Todos los seres vivos están obligados a regular la presión osmótica, habiendo desarrollado diferentes estrategias evolutivas. La Química de la vida 51/54

52 Disoluciones acuosas de sales minerales BE Además del agua, hay en los seres vivos otras biomoléculas inorgánicas: las sales minerales. Pueden aparecer en los seres vivos en forma sólida, en estado iónico o formando parte de moléculas orgánicas Las sales minerales sólidas o insolubles en agua, se encuentran cristalizadas (no ionizadas) y realizan una función plástica en los seres vivos, pues forman estructuras sólidas que suelen cumplir funciones de sostén y protección. La Química de la vida 52/54

53 Disoluciones acuosas de sales minerales BE Las sales minerales en estado iónico o solubles en agua se encuentran disociadas en sus iones correspondientes, que son los responsables de sus funciones biológicas. Destacan las siguientes funciones: La Química de la vida 53/54

54 Disoluciones acuosas de sales minerales BE Entre las sales minerales que forman parte de moléculas orgánicas, se encuentra el ión fosfato en los fosfolípidos y los nucleótidos. La Química de la vida 54/54