LOS COMPONENTES QUÍMICOS DE LA CÉLULA

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1 LOS COMPONENTES QUÍMICOS DE LA CÉLULA 1. Los enlaces químicos Unen elementos para formar moléculas o estas entre sí. COVALENTES (Se comparten electrones) NO POLARES (Entre elementos de igual electronegatividad como el O2) POLARES (Entre elementos con diferente electronegatividad como el H2O) IÓNICOS Un elemento electronegativo y otro electropositivo como el NaCl) INTERMOLECULARES (Existencia de dipolos eléctricos) Fuerzas de Van der Waals (Aleatorios y débiles) Puentes de Hidrógeno (Contienen H unido a O y N) 2. Los bioelementos Son los elementos químicos que forman parte de la materia viva. Son unos 70. Se clasifican en: BIOELEMENTOS PRIMARIOS: C, H, O, P, N, S. Son los que forman las biomoléculas, y reciben el nombre de bioelementos plásticos. Representan el 95%. BIOELEMENTOS SECUNDARIOS: Representan el 5% en la materia viva y pueden ser: Indispensables o esenciales: Siempre aparecen en los seres vivos como: Na, K, Mg, Ca, F, Cl, I, Fe, Si, Mn, Cu, B, Zn, V, Cr, Co, Se, Mo y Sn. Variables: Pueden faltar. Algunos son: Br, Ti, Pt, Al, etc. Cuando el % en un organismo es menor del 0,1% reciben el nombre de oligoelementos. El Fe, Mn, Cu, Zn y Co, se han encontrado en todos los seres vivos por lo que reciben el nombre de OLIGOELEMENTOS UNIVERSALES. 1

2 Todos los bioelementos fueron seleccionados porque tienen propiedades que son interesantes para los seres vivos, como: 1. En general son bastante abundantes y fáciles de incorporar. 2. Su masa atómica es pequeña y por lo tanto cuando se unen forman enlaces muy estables. 3. El H y el O forman la molécula de agua que es la más abundante en los seres vivos. 4. Los iones metálicos como el Fe o el Mg son capaces de captar y ceder electrones por lo que son idóneos en las reacciones de transferencia de electrones como en la fotosíntesis o la respiración celular. El Fe se encuentra en la hemoglobina y citocromos y el Mg en la clorofila. 2 Fe ++ 2 Fe e- NAD e H + NADH + H + 5. El O en un aceptor de electrones muy fuerte, produciendo compuestos muy estables por oxidación y proporcionando mucha energía a los seres vivos. NADH + H + NAD e- + 2 H+ ½ O2 + 2 e H + 6. El O y el N forman compuestos polares que son solubles en agua, en donde se van a producir todas las reacciones químicas. 7. El S forma enlaces disulfuro (-S--S-) que mantienen la estructura de muchas moléculas. Se encuentra en los aminoácidos cisteína y metionina así como en el coenzima A. 8. El P forma enlaces fácilmente hidrolizables y ricos en energía como en el ATP. Además interviene en la formación de las moléculas de ADN y ARN en forma de ácido fosfórico, en lípidos formadores de membranas así como en forma de sales de fosfato en huesos. 9. El N en forma de NH2 interviene en la formación de los aminoácidos y bases nitrogenadas. 10. El Na, K y Cl en sus formas ionizadas, mantienen la salinidad de los medios internos mediante los fenómenos osmóticos y permiten el impulso nervioso. 11. El Ca, forma los huesos junto al P y también es necesario para procesos como la contracción muscular y la coagulación sanguínea. H2O 12. En general los oligoelementos realizan funciones catalíticas como: Fe: transporte de oxígeno en la sangre. 2

3 I: forma parte de la hormona tiroxina que controla en metabolismo celular y la temperatura corporal. Co: forma parte de la vitamina B12, necesaria en la eritropoyesis. F: en el esmalte de los dientes. Si: Resistencia y endurecimiento de tejidos. Li: Actúa sobre neurotransmisores y la permeabilidad celular. En dosis adecuada puede prevenir estados de depresiones. 13. El C tiene cuatro electrones en su última capa pudiendo formar enlaces covalentes muy estables, tanto simples como dobles y triples, originando estructuras tridimensionales de vital importancia para los seres vivos. Aunque el Si también tiene cuatro electrones los enlaces que forma Si --Si, son muy inestables y los --Si--O--Si--O--Si-- (Siliconas) son casi indestructibles; Los compuestos que forma el carbono con otros elementos son solubles en agua y los del silicio no; el CO2 es un gas expulsado por la respiración y utilizado por las plantas, mientras el SiO2 es la sílice o pedernal. Las combinaciones del carbono con otros elementos, como el oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno, etc., permiten la aparición de una gran variedad de grupos funcionales que dan lugar a las diferentes familias de sustancias orgánicas. Estos presentan características físicas y químicas diferentes, y dan a las moléculas orgánicas propiedades específicas, lo que aumenta las posibilidades de creación de nuevas moléculas orgánicas por reacción entre los diferentes grupos. 3

4 3. Las biomoléculas Las biomoléculas son las moléculas que forman parte de los seres vivos. Las biomoléculas pueden ser inorgánicas, aquellas que también se pueden encontrar fuera de los seres vivos como el agua, las sales minerales y algunos gases y las orgánicas que sólo se encuentran en los seres vivos como glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. 4. El agua El agua es una molécula simple, con un comportamiento que se escapa de lo normal. Se encuentra en la Tierra en sus tres estados. Podemos considerarla como la molécula de la vida, ya que es la sustancia más abundante en los seres vivos y medio en el que surgió la vida. Posee unas propiedades físicas y químicas características que van a permitir unas funciones extraordinarias para los seres vivos. Estructura: La molécula de agua está formada por dos átomos de H unidos a un átomo de O por medio de dos enlaces covalentes. La disposición tetraédrica de los orbitales sp3 del oxígeno determina un ángulo de 105 º entre los enlaces de los dos hidrógenos, además el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace. El resultado es que la molécula de agua aunque tiene una carga total neutra (igual número de protones que de electrones), presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una molécula polar, alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa, mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva. Por eso en la práctica la molécula de agua se comporta como un dipolo Así se establecen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua, formándose enlaces o puentes de hidrógeno, la carga parcial negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes. 4

5 Aunque son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras cuatro molécula unidas por puentes de hidrógeno permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura polimérica y reticular, responsable en gran parte de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades físicoquímicas. Propiedades: A mayor cantidad de agua, mayor actividad de los tejidos. El punto de fusión es de 0º C y el de ebullición es de 100 º C. Tiene un alto calor específico y de vaporización. Elevada fuerza de cohesión, con moléculas muy unidas, siendo un líquido casi incompresible. Su tensión superficial y fuerza de adhesión es muy alta. Muy bajo grado de ionización. Producto iónico del agua Este producto iónico es constante. Como en el agua pura la concentración de hidrogeniones y de hidroxilos es la misma, significa que la concentración de hidrogeniones es de 1 x Para simplificar los cálculos Sorensen ideó expresar dichas concentraciones utilizando logaritmos, y así definió el ph como el logaritmo cambiado de signo de la concentración de hidrogeniones. Según esto: Disolución neutra: ph = 7 Disolución ácida: ph < 7 y Disolución básica: ph > 7 En general hay que decir que la vida se desarrolla a valores de ph próximos a la neutralidad. 5

6 ph de algunas sustancias En estado sólido es menos densa, por lo que el hielo flota. Alta constante dieléctrica y propiedades disolventes. El agua es un disolvente capaz de reducir las fuerzas de atracción ó repulsión que existen entre partículas de cargas opuestas o iguales respectivamente, esta tendencia se expresa por la Constante dieléctrica. La energía que se libera cuando los iones se unen al agua causa la solubilidad de los iones en el agua y los protege contra iones de carga opuesta. 6

7 Funciones biológicas del agua: Disolvente universal de las sustancias polares Medio en el que se realizan las reacciones químicas Transporte de sustancias Dar forma y volumen a las células Amortigua los golpes y función de lubricante Termorreguladora Permite la vida en las regiones polares Puede intervenir como reactivo aportando grupos H + y OH - 5. Las sales minerales En los seres vivos pueden encontrarse de tres formas: Sólidas: formando parte de esqueletos, huesos, caparazones, etc. Asociadas a otras moléculas: Como el hierro en la hemoglobina. Disueltas: En forma de aniones y cationes. Estas realizan las siguientes funciones estabilizando el medio celular (HOMEOSTASIS). Amortiguan el ph de las disoluciones Mantienen la salinidad del medio interno mediante los fenómenos osmóticos, la difusión y la diálisis. Estabilizan las dispersiones coloidales Funciones específicas: Contracción muscular y transmisión del impulso nervioso. 6. El medio celular El ph y los sistemas amortiguadores o tampones Los organismos vivos no soportan variaciones del ph mayor de unas décimas de unidad y por eso han desarrollado a lo largo de la evolución sistemas de tampón o buffer, que mantienen el ph constante mediante mecanismos homeostáticos. Los sistemas tampón consisten en un par ácido-base conjugado que actúan como dador y aceptor de protones respectivamente. El tampón bicarbonato es común en los líquidos intercelulares, mantiene el ph en valores próximos a 7,4, gracias al equilibrio entre el ion bicarbonato y el ácido carbónico, que a su vez se disocia en dióxido de carbono y agua: 7

8 Si aumenta la concentración de hidrogeniones en el medio por cualquier proceso químico, el equilibrio se desplaza a la derecha y se elimina al exterior el exceso de CO2 producido. Si por el contrario disminuye la concentración de hidrogeniones del medio, el equilibrio se desplaza a la izquierda, para lo cual se toma CO2 del medio exterior. Los fenómenos osmóticos. Si tenemos dos disoluciones acuosas de distinta concentración separadas por una membrana semipermeable (deja pasar el disolvente pero no el soluto), se produce el fenómeno de la ósmosis que sería un tipo de difusión pasiva caracterizada por el paso del agua (disolvente) a través de la membrana semipermeable desde la solución más diluida (hipotónica) a la más concentrada (hipertónica), este trasiego continuará hasta que las dos soluciones tengan la misma concentración (isotónicas). Y se entiende por presión osmótica la presión que sería necesaria para detener el flujo de agua a través de la membrana semipermeable. La membrana plasmática de la célula puede considerarse como semipermeable, y por ello las células deben permanecer en equilibrio osmótico con los líquidos que las bañan. Cuando las concentraciones de los fluidos extracelulares e intracelulares son iguales, ambas disoluciones son isotónicas. Si los líquidos extracelulares aumentan su concentración de solutos se hacen hipertónicos respecto a la célula, y ésta pierde agua, se deshidrata y mueren (plasmólisis). Y si por el contrario los medios extracelulares se diluyen, se hacen hipotónicos respecto a la célula, el agua tiende a entrar y las células se hinchan, se vuelven turgentes (turgescencia), llegando incluso a estallar (lisis). 8

9 Los líquidos presentes en los organismos son dispersiones de diversas sustancias en el seno del agua. Según el tamaño de las partículas se formarán dispersiones moleculares o disoluciones verdaderas como ocurre con las que se forman con las sales minerales o por sustancias orgánicas de moléculas pequeñas, como los azúcares o aminoácidos. Las partículas dispersas pueden provocar además del movimiento de ósmosis, estos otros dos: La diálisis. En este caso pueden atravesar la membrana además del disolvente, moléculas de bajo peso molecular y éstas pasan atravesando la membrana desde la solución más concentrada a la más diluida. Es el fundamento de la hemodiálisis que intenta sustituir la filtración renal deteriorada. La difusión sería el fenómeno por el cual las moléculas disueltas tienden a distribuirse uniformemente en el seno del agua. Puede ocurrir también a través de una membrana si es lo suficientemente permeable. Así se realizan los intercambios de gases y de algunos nutrientes entre la célula y el medio en el que vive. Las dispersiones coloidales hidrofóbicas. Las sales minerales son capaces de estabilizar dispersiones de sustancias apolares o hidrofóbicas como el caso de los lípidos en el agua. Micelas de grasa estabilizadas por un jabón, que impide que se unan debido a la repulsión de las cargas negativas. Además ahora el agua ya puede unirse mediante puentes de hidrógeno 9