Bloque I: Bioelementos y Biomoléculas

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1 BIOLOGÍA DE 2º DE BACHILLERATO Bloque I: Bioelementos y Biomoléculas 1. BASE FÍSICO QUIMICA DE LA VIDA Composición de los seres vivos: bioelementos y biomoléculas El agua Estructura Propiedades físico-químicas Funciones biológicas Disoluciones acuosas de las sales minerales. ORIENTACIONES 1. Definir qué es un bioelemento y enumerar los más importantes. Destacar las propiedades físico-químicas del carbono. 2. Conocer la estructura molecular del agua y relacionarla con sus propiedades físicoquímicas. Resaltar su papel biológico como disolvente, reactivo químico, termo-regulador y en función de su densidad y tensión superficial. 3. Reconocer el papel del agua y de las disoluciones salinas en los equilibrios osmóticos y ácido-base.

2 INTRODUCCIÓN Los seres vivos son sistemas materiales que se caracterizan por: Sistema material : Conjunto de partes o elementos organizados que interaccionan entre sí 1. Estar compuestos de elementos químicos denominados bioelementos, que se asocian en biomoléculas, con distintos niveles de complejidad y de las que hay que citar como específicas de los seres vivos, las biomoléculas orgánicas, que son todas compuestos del carbono y que presentan una gran variedad de funciones y formas. 2. Presentar un elevado grado de organización, que se puede estructurar en niveles cada vez más complejos, formados por moléculas con una elevada especialización funcional que se agrupan e interactúan dando lugar a las células procariotas, a los orgánulos de las células eucariotas, a las células eucariotas, a la agrupación de estas células en tejidos, órganos, aparatos y sistemas que originan los organismos pluricelulares. Los seres vivos individuales se organizan en poblaciones que interactúan con otras, formando comunidades que interactúan con el medio y originan ecosistemas que constituyen la Biosfera.

3 3. Según el nivel de organización al que hayan llegado y a otras características como los tipos de nutrición que realicen, los seres vivos se clasifican en cinco Reinos: Móneras, al que pertenecen organismos unicelulares procariotas con nutrición autótrofa y heterótrofa. Protoctístas, al que pertenecen organismos unicelulares eucariotas y pluricelulares sencillos, con nutrición autótrofa y heterótrofa. Fungi u Hongos formado por organismos unicelulares eucariotas o pluricelulares heterótrofos. Vegetal formado por seres vivos pluricelulares, eucariotas con tejidos, órganos, aparatos y sistemas y con nutrición autótrofa. Animal, al que pertenecen organismos pluricelulares eucariotas con tejidos, órganos, aparatos y sistemas y nutrición heterótrofa. 4. Una gran diversidad, debido a las mutaciones, reproducción sexual e interacciones con el medio ambiente, que hace que exista una selección natural hacia formas de vida cada vez más especializadas, y una evolución en el tiempo y en el espacio, colonizándose todos los hábitat del Planeta. 5. Ser capaces de intercambiar materia y energía con el medio (Función de nutrición), dar respuesta frente a estímulos (Función de relación), generar descendientes que perpetúan la vida en el espacio y en el tiempo (Función de reproducción).

4 1. COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS: BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS Concepto de bioelemento. Los bioelementos son los átomos que están presentes en los sistemas vivos. Existen unos 70, incluidos en la tabla periódica, de los cuales 25 están presentes en todos los seres vivos y el resto en determinados grupos. Bioelementos % en la materia viva Átomos Primarios 96% C, H, O, N, P, S Secundarios 3,9% Ca, Na, K, Cl, I, Mg, Fe Oligoelementos 0,1% Cu, Zn, Mn, Co, Mo, Ni, Si...

5 1.1.1.Propiedades de los bioelementos más abundantes: 1. Tienen capas electrónicas externas incompletas, por lo que tienden a formar enlaces covalentes estables y originar biomoléculas. 2. Poseen número atómico bajo, por lo cual los electrones de enlace quedan próximos al núcleo y las moléculas originadas son estables. 3. Originan moléculas polares (moléculas con una distribución asimétrica de sus electrones) y por ello, solubles en agua. Esto es debido a que el oxígeno y nitrógeno son muy electronegativos. Esta propiedad permite el movimiento en el medio interno, los intercambios con el medio externo, y las reacciones químicas. 4. Pueden incorporarse fácilmente a los seres vivos. Propiedades físico-químicas del carbono 1. El átomo de carbono tiene cuatro electrones de valencia en su capa externa, lo cual facilita que pueda formar consigo mismo enlaces sencillos, dobles y triples, y esto le hace esencial para formar la estructura básica de las moléculas orgánicas. 2. Su configuración tetraédrica posibilita la formación de moléculas con estructuras variadas y complejas responsables de la diversidad morfológica y funcional de los seres vivos. 3. Forma enlaces covalentes con otros átomos como O, H, N, S, lo que permite que las moléculas presenten grupos funcionales que confieren propiedades específicas. 4. Los enlaces de las moléculas del carbono se pueden romper y formar sin excesiva dificultad, lo que permite la liberación o acumulación de energía y por tanto las reacciones de oxidación reducción del metabolismo celular.

6 5. La combinación del carbono con el oxígeno (CO2) es un gas fácil de intercambiar con el medio.

7 Clasificación de los bioelementos Los bioelementos se clasifican según su abundancia en: Bioelementos primarios: C, H, O, N, P y S. Forman aproximadamente el 96% de la materia viva. Son los constituyentes de las biomoléculas orgánicas y además el P interviene en procesos de intercambio de energía. Bioelementos secundarios: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-...Constituyen aproximadamente el 3,9% de la materia viva y son necesarios para la vida de la célula. Oligoelementos. Se encuentran en cantidades inferiores al 0,1 %. Son imprescindibles porque desempeñan funciones esenciales en diferentes procesos bioquímicos y fisiológicos. Algunos como Fe, Mn, Cu, Zn, I,.. son esenciales para la mayoría de los organismos. Otros como Si, F, Cr, Li, sólo están presentes en determinados grupos de organismos. BIOELEMENTOS Primarios O C H N P S Secundarios + Na K + Mg Ca Cl TABLA OLIGOELEMENTOS Indispensables Mn Fe Co Cu Zn Variables B Al V Mo I Si

8 Funciones de los bioelementos. Estructural o plástica. C, H, O, N, P y S. Constituyen las biomoléculas orgánicas. Funciones específicas: - Calcio. Forma parte de estructuras esqueléticas y en forma iónica participa en la contracción muscular y en la coagulación de la sangre - Magnesio. Es necesario para la actuación de muchas enzimas y forma parte de la clorofila. - Hierro. Es responsable del transporte de oxígeno de la hemoglobina, y forma parte de otros complejos proteicos como los citocromos de la cadena respiratoria, que participan en reacciones de oxido-reducción. - Sodio, potasio y cloro. Crean gradientes de membrana y participan en la transmisión del impulso nervioso. - Cinc. Actúa como cofactor de muchas enzimas. - Litio. Actúa sobre los neurotransmisores. Puede prevenir estados depresivos. - Yodo. Necesario para la síntesis de la hormona tiroxina. - Cobalto. Forma parte de la vitamina B12. - Flúor. Participa en la constitución de huesos y dientes. - Manganeso. Actúa como catalizador en muchas reacciones químicas. Participa en la fotolisis del agua durante la fotosíntesis. - Cu++ actúa con las enzimas de oxidación y en el transporte de oxígeno al formar la hemocianina de Artrópodos y moluscos BIOMOLÉCULAS Concepto Son moléculas formadas al combinarse los bioelementos y que constituyen los seres vivos Clasificación Gases - Inorgánicas Agua Aniones Sales minerales Cationes - Orgánicas Glúcidos Lípidos Proteínas Ácidos nucleicos

9 1.2. EL AGUA Es el compuesto mayoritario en los seres vivos (65 al 95 %). Su abundancia en el ser vivo queda en relación con: -La actividad metabólica. -Composición del medio interno Estructura química del agua La molécula de agua está formada por 2 átomos de hidrógeno y uno de oxígeno unidos mediante enlaces covalentes polares; aunque es eléctricamente neutra por tener igual número de protones y electrones, los electrones compartidos son atraídos más fuertemente por el átomo de oxígeno, por su mayor electronegatividad, que por los átomos de hidrógeno. Esto convierte a la molécula de agua en un dipolo, con dos cargas negativas en el átomo de oxígeno y una positiva en cada átomo de hidrógeno. Una consecuencia de su carácter dipolar es la formación de enlaces de hidrógeno entre los dipolos, que hace que presente una estructura en forma de red responsable de que se encuentre en estado líquido a temperatura ambiente y de las demás propiedades físico químicas.

10 Propiedades físico-químicas del agua a) Derivadas de su polaridad. - Elevada constante dieléctrica, que le confiere una elevada capacidad disolvente y dispersante de sustancias polares y anfipáticas. La constante dieléctrica es la tendencia a disminuir las atracciones interiónicas. Esto provoca: Separación de compuestos iónicos en iones individuales, rodeándolos por dipolos de agua que impiden su unión ( solvatación). Formación de puentes de hidrógeno con otras moléculas que contienen grupos funcionales polares, originando su disolución o dispersión.

11 Debido a esta propiedad, el agua desempeña estas funciones biológicas: 1. Transporte de sustancias. 2. Medio donde ocurren las reacciones bioquímicas. 3. Interviene en reacciones de hidrólisis. 4. Regula el estado líquido y coloidal del protoplasma celular.

12 b) Propiedades derivadas de la existencia de enlaces de hidrógeno - Ser líquida a temperatura ambiente lo que hace que sea el constituyente mayoritario de los seres vivos, siendo el medio en que se dan las reacciones químicas del metabolismo, el vehículo de transporte de sustancias, el soporte y sostén de células sin pared, etc. - Elevada tensión superficial. Las moléculas de agua de la superficie experimentan fuerzas de atracción hacia el interior del líquido. Esto favorece que dicha superficie oponga una gran resistencia a ser traspasada. Esta propiedad permite el desplazamiento de los organismos que viven en la superficie. - Elevada fuerza de cohesión. Esta propiedad hace que el agua sea casi incompresible y confiere al agua las siguientes funciones: Dar volumen a las células, sostén a animales sin esqueleto, emisión de pseudópodos Turgencia a las plantas. Función amortiguadora o mecánica. - Elevada fuerza de adhesión. Las moléculas de agua tienen la capacidad de adherirse (formar enlaces por puentes de hidrógeno con otras moléculas polares) a las paredes de conductos de diámetro pequeño, lo que permite ascender en contra de la gravedad. Este fenómeno se conoce como capilaridad y contribuye, por ejemplo, a la ascensión de savia bruta a través de los vasos leñosos. - Elevado calor específico. Capacidad de almacenar energía para aumentar la temperatura. El agua puede absorber gran cantidad de calor sin elevar mucho la temperatura, porque esta energía tiene que romper los puentes de hidrógeno entre las moléculas. Esto la convierte en un amortiguador térmico, con función termorreguladora. - Elevado calor de vaporización. Cuando el agua pasa de estado líquido a gaseoso necesita absorber mucho calor para romper los enlaces de hidrógeno. Cuando el agua se evapora en la superficie de un ser vivo, absorbe calor del organismo actuando como regulador térmico.

13 - Escasa densidad en estado sólido. En estado sólido el agua presenta todos sus posibles enlaces de hidrógeno, cuatro por cada molécula, formando un retículo que ocupa mayor volumen que en estado líquido, por lo que es menos denso. Esta propiedad permite la vida acuática en climas fríos, ya que al descender la temperatura se forma una capa de hielo en la superficie, que flota y protege al agua líquida. - Bajo grado de ionización. En el agua existe una pequeñísima cantidad de moléculas ionizadas (disociadas en sus iones). Debido a eso, si al agua se añade un ácido o una base, aunque sea poca cantidad, estos niveles varían bruscamente. Por ello en el transcurso de la evolución, seres vivos han adquirido mecanismos que mantienen constante el ph: los sistemas tampón, formados por sales minerales en disolución. Los iones de las moléculas de agua permiten las reacciones químicas de hidrólisis necesarias para el metabolismo y la digestión Funciones biológicas del agua Las propiedades del agua, que dependen de la estructura de la molécula, determinan el papel fundamental del agua en los seres vivos. Entre las funciones ya citadas, destacaremos: a) Gran capacidad de disolvente para sustancias polares como ácidos, bases y sales y para sustancias orgánicas que presentan una acusada polaridad como los glúcidos. b) Función termorreguladora. Los enlaces de hidrógeno entre las moléculas del agua tienden a dificultar su movimiento, de modo que para una determinada cantidad de calor la temperatura del agua sube o baja muy lentamente. c) Actúa como transportador de sustancias tanto alimenticias como de desecho, dentro del organismo y entre éste y su medio. d) El agua interviene en muchas reacciones metabólicas fundamentales como la hidrólisis y la fotosíntesis. e) Permite la vida en zonas frías. Debido a su baja densidad en estado sólido. f) Da forma y volumen a las células debido a su elevada fuerza de cohesión. g) Es el medio en el que se dan las reacciones químicas de los seres vivos.

14 DISOLUCIONES ACUOSAS DE SALES MINERALES Concepto y tipos de sales minerales son compuestos químicos que se encuentran en los seres vivos en forma sólida (precipitadas), en forma líquida (disueltas) o asociadas a sustancias orgánicas formando parte de las fosfoproteínas, fosfolípidos, etc Funciones: Estructurales. Las realizan las sales minerales que se encuentran en forma sólida y constituyen estructuras de sostén, protección y apoyo en los seres vivos. Ejemplos. CaCO 3 del caparazón de los moluscos, Ca3(PO4)2 de los huesos del esqueleto, Si O2 de las algas diatomeas. Reguladoras u homeostáticas Las realizan las sales minerales disueltas que se encuentran en forma de cationes: Mg2+, Ca2+, Na+, K+ o de aniones: NO 3 - HCO, CO Cl, SO, 4 PO 34, HPO 24 -, H2PO, 4. Regulación del ph. La actividad biológica en el medio interno celular se produce a un determinado valor de ph. Las reacciones químicas que se verifican en los organismos producen variaciones de ph y algunas sales minerales disueltas contribuyen a disminuir esas variaciones, manteniendo el ph constante. Algunas sales minerales disueltas constituyen sistemas tampón que se oponen automáticamente a los cambios de ph captando o cediendo H+ del medio. El Ph El agua pura posee la capacidad de disociarse en iones, lo que hace que en realidad sea una mezcla de tres especies: agua molecular (H2O), protones hidratados (H3O+) e iones hidroxilo (OH-). Esta disociación es muy débil en el agua pura, y el producto iónico a 25 C es: Kw = [H+] [OH-]= 1,0 x Como en el agua pura la concentración de hidrogeniones y de hidroxilos es la misma, eso significa que la concentración de hidrogeniones es de 1,0 x El ph es una medida de acidez o alcalinidad de una disolución. El ph indica la concentración de iones hidronio [H3O]+ presentes en determinadas disoluciones. ph = -log [H+] ó ph = -log [H3O]

15 - En el medio extracelular actúa el sistema tampón bicarbonato. Si el medio es básico, la reacción se desplaza hacia la derecha, y si es ácido hacia la izquierda. CO2 + H2O H2CO3 CO3H- + H+ MEDIO BÁSICO CO2 + H2O CO3H2 CO3H- + H+ MEDIO ÁCIDO - El principal sistema tampón intracelular es el tampón fosfato. H PO 2 14 H PO H O HPO + H O HPO H O MEDIO BÁSICO H O MEDIO ÁCIDO 3

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17 Regulan el estado físico del protoplasma celular, favoreciendo la dispersión de moléculas de gran tamaño como las proteínas. Regulación de la presión osmótica y el volumen celular. La presencia de sales en el medio interno celular es determinante para que se verifique la entrada o salida de agua a través de la membrana mediante procesos de ósmosis. La ósmosis es un fenómeno en el que se produce el paso o difusión de un disolvente a través de una membrana semipermeable (permite el paso de disolventes, pero no de solutos) desde una disolución más diluida a otra más concentrada. Los medios acuosos separados por membranas semipermeables pueden tener distintas concentraciones, y se denominan: - Hipertónicos, los que tienen una elevada concentración de solutos con respecto a otros en que la concentración es menor. - Hipotónicos, los que contienen una concentración de solutos baja con respecto a otros que la tienen superior. Las moléculas de agua difunden desde medios hipotónicos hacia los hipertónicos provocando un aumento de presión sobre la cara de la membrana del compartimento hipotónico, denominada presión osmótica. Como consecuencia los dos medios serán isotónicos. Las membranas celulares se comportan como membranas semipermeables, o selectivamente permeables: - Cuando el medio externo celular es hipertónico con respecto al medio interno, sale agua de la célula por ósmosis (a esto se le denomina plasmólisis); entonces, disminuye el volumen celular y aumenta la presión osmótica en el interior celular. - Cuando el medio externo celular es hipotónico con respecto al medio interno, se produce entrada de agua en la célula, lo que ocasiona: aumento del volumen celular y disminución de la presión osmótica en el interior celular. En el caso de las células animales puede producirse estallido celular o hemólisis. En células bacterianas y vegetales, que presentan paredes rígidas, se produce turgencia celular. - Cuando el contenido celular es isotónico con respecto al medio externo, no se produce intercambio de agua entre ambos lados de la membrana.

18 Específicas: Algunos cationes como el Mg 2+, Mn 2+, Zn+, Cu+, etc., actúan como cofactores enzimáticos y son necesarios para la actividad de determinados enzimas. Otros cationes como el ión ferroso-férrico (Fe2+ - Fe3+) de la hemoglobina transporta el oxígeno en la sangre. El ión Ca2+ interviene en la contracción muscular y en la coagulación de la sangre. Los cationes Na+, K+, Cl-, participan en la transmisión del impulso nervioso.

19 VOCABULARIO Ácido Apolar. Base. Capilaridad. Hidrólisis Hipertónico. Hipotónico. Isotónico. Plasmólisis. Polar. PH Sistema tampón. Turgencia.