1. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA MATERIA VIVA. BIOELEMENTOS. BIOMOLÉCULAS. EL AGUA. LAS SALES MINERALES

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1 1. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA MATERIA VIVA. BIOELEMENTOS. BIOMOLÉCULAS. EL AGUA. LAS SALES MINERALES 1- COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA MATERIA VIVA. 2- BIOELEMENTOS. 3- BIOMOLÉCULAS. 4- EL AGUA. 5- LAS SALES MINERALES. 1.-COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA MATERIA VIVA. Cuando se realiza un análisis químico de la materia viva, se observa gran similitud entre todos los organismos (tanto animales como vegetales) y lo mismo ocurre con las reacciones químicas que se llevan a cabo en los seres vivos, esto es una prueba más del origen común de los seres vivos. Átomos Corteza terrestre Ser humano Alfafa Carbono 0,03 18,5 11,34 Hidrógeno 0,14 9,5 8,72 Nitrógeno Trazas* 5,3 0,83 Oxígeno 46,6 62,81 77,9 Fósforo 0,07 0,93 0,71 Azufre 0,03 0,3 0,1 Total 46,87 97, 34 99,6 La composición química de la materia viva se puede resumir como sigue: BIOELEMENTOS O ELEMENTOS BIOGÉNICOS. INORGÁNICAS AGUA SALES MINERALES BIOMOLÉCULAS O PRINCIPIOS INMEDIATOS ORGÁNICAS Co 2, o 2 GLÚCIDOS LÍPIDOS PROTEÍNAS. ÁCIDOS NUCLÉICOS. VITAMINAS Y HORMONAS 2.- BIOELEMENTOS Cuando estudiamos los elementos químicos que forman parte de la materia viva, vemos que la mayoría están formados por unos pocos átomos, que forman el 99% de su composición son los denominados BIOELEMENTOS PRIMARIOS o MAYORITARIOS y son C, H, O, N y en menor proporción P y S. A partir de la combinación de estos bioelementos primarios se van a formar las biomoléculas que forman los seres vivos y que van a ser los constituyentes de los seres vivos. La razón por la que estos bioelementos son los mayoritarios de las biomoléculas reside en sus propiedades: 1

2 1. Los seis elementos tienen capas electrónicas incompletas y por ello pueden formar enlaces covalentes fácilmente para dar lugar a las biomoléculas. 2. Tienen un número atómico bajo, por lo que sus electrones están cerca del núcleo y por ello dan moléculas estables. 3. Como el oxígeno y el nitrógeno son electronegativos, dan lugar a moléculas polares y por ello solubles en agua, fundamental para que tengan lugar las reacciones biológicas. No podemos olvidar que la vida surgió en los océanos, un medio por tanto acuoso y todas las moléculas debían interaccionar en este medio. 4. Los bioelementos mayoritarios pueden incorporarse fácilmente a los seres vivos, ya que se encuentran en moléculas como el H 2 O, el CO 2, y nitratos, que pueden ser captados de manera sencilla del medio ambiente. Los restantes elementos químicos que intervienen se denominan BIOELEMENTOS SECUNDARIOS, algunos de ellos son imprescindibles como son: Ca, Na, K, Cl, Mg. Cuando los bioelementos se encuentran en una proporción < a 0,1% se denominan OLIGOELEMENTOS O ELEMENTOS VESTIGIALES, pero aunque se encuentran en una proporción tan pequeña, muchos de ellos son imprescindibles para el correcto funcionamiento de los procesos vitales. Ca Na K Mg Fe Materiales esqueléticos, contracción muscular, transmisión sináptica, coagulación de la sangre. Transmisión sináptica, procesos osmóticos e iónicos. Transmisión sináptica, procesos osmóticos e iónicos. Forma parte de la clorofila, es cofactor de muchas enzimas de la respiración celular. Forma parte de Hemoglobina y mioglobina. Coenzimas que intervienen en la respiración. I F Co Si Al Cr Li Forma parte de la hormona del tiroides Forma parte del esmalte de los dientes, de los huesos, piel. Es componente de la vitamina B12, necesaria para la formación de eritrocitos. Proporciona resistencia y elasticidad al tejido conjuntivo, cabello, piel y uñas. Actúa sobre el sistema nervioso central, aumenta la actividad cerebral y regula el sueño. Junto a la insulina, regula la tolerancia a la glucosa. Estabilizador del estado anímico. Ahora nuestra pregunta se puede centrar más concretamente en un bioelemento el Carbono, por qué este y no el silicio mucho más abundante en la naturaleza y con unas propiedades fisico-químicas semejantes? El carbono permite establecer enlaces C C, a partir los cuales, se pueden formar cadenas más o menos largas y anillos cíclicos que constituyen los esqueletos para una gran variedad de moléculas, además a causa de la configuración tetraédrica de sus enlaces se pueden conseguir moléculas no planas. 2

3 El silicio también puede formar enlaces como el carbono, pero son más débiles e inestables, o demasiado estables como le sucede a las siliconas...o-si-o-si... y por tanto no son útiles para formar moléculas, lógicamente desde el punto de vista biológico, los enlaces deben ser suficientemente enérgicos para construir moléculas resistentes, pero a la vez suficientemente débiles para poder romperse en las diferentes reacciones químicas. El carbono puede establecer enlaces estables con el resto de bioelementos, fundamentalmente N, H,O, que permiten la aparición de una gran variedad de grupos funcionales. También es importante la posibilidad de formar CO2, compuesto de una gran importancia biológica, ya que es muy estable, soluble en agua y permanece en estado gaseoso a temperatura ambiente, condiciones indispensables para que las plantas lo capten en la fotosíntesis. Sin embargo el compuesto análogo del silicio que es el sílice (SiO2), es sólido,insoluble en agua y por tanto de difícil captación por los sistemas biológicos. Actividad1. Enumera los grupos funcionales orgánicos que conozcas e indica su composición química: 3.-BIOMOLÉCULAS Como ya hemos comentado antes, los átomos se unen para formar moléculas, cuando los elementos son bioelementos lo que se forma son biomoléculas, las moléculas que forman parte de los seres vivos. Las clasificamos en: BIOMOL. INORGÁNICAS Son moléculas de bajo peso molecular, si tienen C son pocos átomos. BIOMOL. ORGÁNICAS Son moléculas de elevado peso molecular, tienen un elevado nºde At. De C, formando largas cadenas. El agua Las sales minerales O2 / CO2 Glúcidos Lípidos Proteínas Ácidos Nucleicos Vitaminas y hormonas 4.-EL AGUA Es el componente molecular más abundante en todos los seres vivos y sin duda el más importante por todas las funciones y propiedades que presenta. 3

4 El contenido medio en el hombre es de un 63% del peso, aunque su proporción varía según el tejido u órgano que estemos analizando, de la edad del individuo y por supuesto de la especie que estemos realizando. Actividad2. Explica qué finalidad tiene que las semillas de los vegetales contengan porcentajes bajos de agua. A) CARACTRÍSTICAS DEL AGUA. Las propiedades biológicas del agua obedecen a que comparadas con otros líquidos resulta tener un punto de fusión, vaporización, calor específico y tensión superficial más elevadas que lo que cabría esperar atendiendo a su peso molecular. Esto es debido a que en el agua las fuerzas de atracción entre sus moléculas son relativamente elevadas, de tal manera que, debería ser un gas a temperatura ambiente y sin embargo es líquida, por ejemplo, el CO2, que tiene un peso molecular semejante, es gas a temperatura ambiente. La razón por la cual las moléculas de agua mantienen esta cohesión interna se debe a que presentan polaridad eléctrica, es decir, que el átomo de oxígeno posee una pequeña carga parcial negativa libre, mientras que los átomos de hidrógeno la tienen positiva, tenemos como consecuencia una molécula con dos polos, uno positivo y otro negativo, pero sin carga, es un bipolo o dipolo. Esto sucede porque el átomo de oxígeno al ser más electronegativo que el hidrógeno, tiende a traer los electrones del átomo de hidrógeno, con lo cual este último adquiere carga parcialmente positiva y el oxígeno parcialmente negativa y por otra parte, el oxígeno tiene otros 4 electrones más sin compartir, lo que provoca una geometría triangular de la molécula del agua, de manera que los átomos de hidrógeno forman respecto al oxígeno un ángulo de 104,5º 4

5 Esta polaridad eléctrica de la molécula de agua permite que varias de ellas se unan por fuerzas de atracción mutua entre la parte negativa de la molécula y la parte positiva de otra molécula de agua. Los enlaces que se establecen son característicos de las moléculas polares, son débiles por eso se forman y se rompen rápidamente, se denominan puentes de hidrógeno. Se establecen pues, enlaces por puentes de hidrógeno entre grupos de 10 moléculas de agua que coexisten con moléculas libres. Todo ello hace, como hemos apuntado anteriormente, al agua una molécula altamente cohesiva, ya que cada molécula de agua puede establecer cuatro puentes de hidrógeno con otras tantas moléculas, formando una estructura reticular. También puede formar puntes de hidrógeno entre el agua y otras moléculas polares (alcoholes, aminas, ácidos ) Actividad 3. A qué se debe que la molécula de agua sea polar? 5

6 B) PROPIEDADES Y FUNCIONES DEL AGUA. 1. Disolvente universal. El agua es el disolvente más universal de las sustancias nutritivas, tanto inorgánicas como orgánicas, por ello el agua actúa como vehículo para la circulación de dichas sustancias. Esta función se debe a su naturaleza bipolar, así las sales minerales y otros compuestos iónicos se disuelven con facilidad en el agua gracias a las fuertes atracciones electrostáticas entre los dipolos del agua y los iones que forman dichas sales. El agua atrae fuertemente a los iones de las sales e impide su unión, forma alrededor de los iones una capa de moléculas de agua orientada según su polaridad que impide que se unan los iones de diferente signo, esta capa se denomina capa de solvatación. Las sustancias no iónicas pero que manifiestan marcada polaridad molecular (como los azucares, alcoholes, aldehídos...) se disuelven con facilidad porque gracias a la polaridad del agua establecen entre ellos y con los grupos funcionales de las moléculas, puentes de hidrógeno. Las sustancias no solubles (proteínas, polisacáridos, grasas) forman con el agua dispersiones coloidales (suspensiones y emulsiones, dependiendo si lo que se encuentra en el agua son partículas sólidas o líquidas, respectivamente), que desempeñan funciones importantes, y permiten a estas moléculas, en principio insolubles, ser transportadas en un medio acuoso Agente regulador de la temperatura. El agua puede controlar la temperatura de los seres vivos, en primer lugar por su elevado calor específico (1), es un excelente amortiguador de los cambios bruscos de temperatura, en segundo lugar por su gran conductividad para el calor hace que sea un excelente distribuidor de las temperaturas en los seres vivos y en tercer lugar, por su elevado punto de vaporización que permite mantener la temperatura corporal constante, frenando la elevación de la temperatura absorbiendo calor cuando se vaporiza a través de la piel, pulmones, sudor..., ya que se necesita una gran cantidad de energía primero para romper los puentes de hidrógeno y segundo para dotar a las moléculas de agua de la energía cinética suficiente para pasar a la fase gaseosa. 3. Deformaciones y movimientos protoplásmicos. Tiene una tensión superficial 2 elevada, debido a la fuerte cohesión que existe entre sus moléculas (por la formación entre ellas de puentes de hidrógeno), por ello lo convierte en un líquido casi incompresible, y por ello puede actuar como esqueleto hidrostático y producir movimientos y deformaciones en el citoplasma. 4. Agua líquida y agua sólida. El agua permanece líquida en un amplio margen de temperaturas, entre 0 y 100ºC, que son los más adecuados para los procesos biológicos. Cuando se enfría se contrae de volumen, como sucede con todos los cuerpos; pero al alcanzar 4ºC alcanza un volumen mínimo y la máxima densidad, de los 4 a los 0ºC, cesa la contracción y su estructura se dilata hasta transformarse en hielo en el punto de congelación. Esto es debido a que cada molécula de agua puede formar 4 puentes de hidrógeno con otras tantas moléculas, formando una retícula estable que ocupa más volumen que el agua líquida por lo que el hielo es menos denso y flota en ella. 1 Calor específico: es la cantidad de calor que es necesario comunicar a un gramo de una sustancia para aumentar 1ºC su temperatura. Cuando se calienta el agua, parte de energía se utiliza para romper los puentes de hidrógeno y no tanto para aumentar la temperatura, lo que supone que incrementos y disminuciones importantes de temperatura únicamente producirán pequeñas variaciones en el medio acuoso. 2 Tensión superficial: resistencia que opone una película de un líquido a ser atravesado. 6

7 Gracias a esta anomalía del agua los lagos, ríos y mares comienzan a congelarse desde la superficie hacia abajo, y es esta costra de hielo superficial lo que paradójicamente, sirve de abrigo a los seres que viven en las aguas, pues aunque su temperatura ambiental sea extremadamente baja, mientras el agua de la superficie se transforme en hielo, mantiene constante su temperatura a 0ºC, y el agua del fondo puede estar a 4 ó 5ºC suficiente para algunas especies. 5. El agua como medio donde se llevan a cabo las reacciones químicas. Todas las reacciones tienen lugar en presencia de agua, tanto por su capacidad de disociarse en iones, como en sus elementos. Actividad 4. Cita ejemplos en los que el agua actúe como medio de transporte y como lubricante en el ser humano. Actividad 5. Vierte agua en un plato y deposita con cuidado una aguja o una hoja de afeitar sobre la superficie. Qué observas? A qué es debido? Actividad 6. Cita ejemplos en los que se verifiquen la refrigeración de un cuerpo por efecto de la evaporación. Actividad 7. Por qué las regiones costeras tienen un clima más suave que las zonas interiores de los continentes? 5.-LAS SALES MINERALES En todos los seres vivos, tanto animales como vegetales, nos encontramos con una cantidad determinada de sales minerales, entre las que destacamos: cloruros, fosfatos, carbonatos, bicarbonatos de sodio y potasio, calcio, magnesio y en plantas también nitratos, sulfatos y silicatos. Las sales minerales desempeñan su función dependiendo del estado en que se encuentran: SALES PRECIPITADAS. Por ser insolubles en agua se depositan en órganos esqueléticos para darles consistencia (huesos, dientes...). Así ocurre con el fosfato y carbonato cálcico (PO4)2Ca 3. También nos 7

8 los encontramos en los caparazones de los crustáceos y los moluscos o los caparazones silíceos de los radiolarios y las diatomeas. En determinadas células vegetales incorporan sales minerales en su pared de celulosa, como por ejemplo, las células que se encuentran en los bordes de las hojas de caña o los que forman los pelos de las ortigas que se vuelven frágiles y convierten en jeringuillas que inyectan su contenido cáustico. En los animales también existen acúmulos de minerales con muy diferentes misiones, como, por ejemplo, los otolitos del oído interno, que intervienen en el mantenimiento del equilibrio, o las partículas de magnetita presentes en numerosas especies y que están relacionadas con la orientación en los desplazamientos. SALES EN DISOLUCIÓN. Lo más frecuente es que sus moléculas se encuentren ionizadas, en cationes y aniones. Los más importantes son: ANIONES Cloro Fosfato Carbonato Bicarbonato Sulfato Ioduro Silicato CATIONES Sodio Potasio Calcio Magnesio Ion amonio Hierro Manganeso Se encuentran siempre en concentración constante y en equilibrio entre ellas. Las funciones que desempeñan en los seres vivos estan relacionadas con el mantenimiento de la homeostasis 3, además los cationes, tienen funciones variadas, como enzimáticas, reguladoras del impulso nervioso, contracción muscular y transporte de electrones. Nosotros vamos a estudiar detenidamente dos de las funciones que desempeñan las sales minerales: Fenómenos osmóticos: Los fenómenos osmóticos se refieren al trasiego de agua entre dos soluciones a diferente concentración. Para explicarlo lo haremos con un ejemplo. Si colocamos dos disoluciones a diferente concentración, una más concentrada de sales y otra menos, separada por una membrana semipermeable (que deja pasar solo el agua), el agua atravesará la membrana desde la disolución más concentrada hacia la menos concentrada, hasta que se igualen las concentraciones de sales (o solutos), a ambos lados de la membrana, a este proceso se la denomina ósmosis; la presión mecánica necesaria para contrarrestar el paso del agua, o dicho de otro modo, la resistencia que opone la membrana a ser atravesada por el agua se denomina presión osmótica. Dicha presión osmótica depende de la diferencia de concentraciones salinas a ambos lados de la membrana, cuanto mayor sea la diferencia de concentraciones, mayor será la presión osmótica. 3 Homesotasis: concentraciones constantes que debe presentar un organismo, de los valores de Ph y salinidad, para el correcto funcionamiento de todos sus procesos. 8

9 La disolución que presenta mayor concentración de sales de denomina hipertónica y la que esta menos concentrada se denomina hipotónica, cuando las disoluciones presentan la misma concentración se denominan isotónicas. En los organismos, gracias a las sales minerales, las células mantienen una presión osmótica constante, que se conoce como hosmoosmia, siendo muy sensibles a las variaciones de las mismas, por esto, toda solución que se ponga en contacto directo con las células de un organismo debe ser isotónica con respecto a la concentración salina interior de las células, ya que las membranas se comportan como membranas semipermeables. Vamos a ver como se comportan células animales y vegetales en diferentes tipos de disoluciones: 9

10 Actividad 8. Qué ocurriría si se inyectara agua destilada directamente e la sangre? Actividad 9. Para qué se añade sal en el proceso de curación del jam pn serrano? Qué ocurriría si no ocurriera? Actividad10. Por qué se seca una planta si se riega con agua salada? Fenómenos iónicos: El agua es un electrolito débil. Únicamente una de cada 550 millones de moléculas se encuentran ionizadas según la ecuación siguiente: En este equilibrio se cumple la siguiente reacción: 10

11 Que recibe el nombre de producto iónico del agua. Esto implica que para el agua pura, la concentración de iones hidrógeno es la misma que de iones hidroxilo. Pero lógicamente en los medios biológicos no solamente hay agua pura, sino que en disolución hay una gran cantidad de sustancias que modifican la cantidad de iones hidrógeno e hidroxilo presentes en la disolución. Es importante recordar referente a esto que: Aquellas sustancias que provocan un aumento de la cantidad de iones hidrógeno se denominan: ácidos. Aquellas sustancias que provocan una disminución de la cantidad de iones hidrógeno se denominan: bases. Para los sistemas biológicos la cantidad de iones hidrógeno presentes en los medios es muy importante, ya que muchas moléculas solo pueden trabajar en un determinada cantidad de estos iones, fuera de la cual, su funcionalidad desaparece. La concentración de los iones hidrógeno en los sistemas biológicos se expresa en términos de Ph, la escala de Ph es una forma sencilla de describir la abundancia relativa de ambos tipos de iones en una solución, viene expresado por la siguiente fórmula: ph= log 1/ [H + ] = -log [H + ] Aplicando esta fórmula a las concentraciones de iones hidrógeno obtenemos una escala del 1 al 14, en la cual cuanto menor es el Ph, mayor es la concentración de iones hidrógeno de la solución y al contrario, ya que la escala es inversa (esto es muy importante), así, si una disolución tiene un Ph 3 eso significa que tiene una concentración de hidrógenos de 0,001 y si tiene un Ph 8 que tiene una concentración de hidrógenos de 0, , luego tiene menos iones hidrógeno y por tanto más de iones hidroxilo. Así, cuando el Ph es menor que 7 la disolución será ácida, cuando es de 7 será neutra y cuando sea mayor que 7 será básica. Para que una reacción metabólica pueda llevarse a cabo con normalidad es necesario que el valor del Ph en el medio interno sea constante y próximo a la neutralidad, ya que las enzimas que catalizan las reacciones químicas, funcionan únicamente dentro de unos limites determinados de Ph, existiendo un Ph óptimo en el que la enzima funciona al máximo rendimiento, que es concreto para cada enzima. 11

12 Pequeñas variaciones de Ph alteran sus funciones por ello es tan importante mantener estos valores dentro de unos límites, de esto se encargan las soluciones amortiguadoras o tampón que están formadas por una mezcla de un ácido y una base débil, es decir que no tienen mucha tendencia a ceder o captar iones hidrógeno. En los sistemas biológicos funcionan dos sistemas amortiguadores fundamentalmente, uno en el interior de las células (intracelular), el sistema de los carbonatos-bicarbonatos); y en la sangre y plasma (extracelular), el sistema del fosfato monosódico y fosfato disódico (PO 4 HNa 2 PO 4 H 2 Na). Lo que hacen estas soluciones es captar o liberar iones hidrógeno dependiendo de las variaciones de Ph, con el fin de eliminar esas pequeñas variaciones que pueden aparecer como consecuencia de las propias reacciones metabólicas. Para ver como funcionan vamos a ver un ejemplo: Supongamos que un organismo se ve sometido a un aumento de iones hidrógeno (es decir una bajada de Ph), y esto sucede en el interior de la célula, entraría en funcionamiento el sistema de los carbonatos/ bicarbonatos: LA DIALISIS Lo que ha sucedido es que el bicarbonato se ha unido a un ion hidrógeno, de esa manera se retira de la disolución, y por lo tanto irá normalizándose el Ph, como resultado de esta unión, se forma ácido carbónico que es muy inestable y rápidamente se disocia en dióxido de carbono y agua. Cuando en lugar de bajar el Ph, subiera, el equilibrio se invertiría. El sistema de los fosfatos funciona de la misma manera, pero en el exterior de las células. La diálisis es un proceso relacionado con la ósmosis. En este caso, además del agua, la membrana semipermeable deja pasar moléculas de bajo peso molecular desde la disolución más concentrada a la de menor concentración. La hemodiálisis se aplica para eliminar moléculas tóxicas de la sangre (como la urea) en casos de insuficiencia renal grave o sustancias tóxicas en caso de envenenamiento. Para ello, se hace pasar la sangre por un circuito (riñón artificial) donde existe una disolución muy diluida separada de ella por una membrana de diálisis. 12

13 Actividad 11. El valor de la presión osmótica celular depende de la concentración de sales disueltas en el citoplasma, independientemente de cuales sean estas. Podría sustituirse, por tanto, el KCl de una célula por NaCl, manteniendo exactamente la misma concentración? Razona tu respuesta. Actividad 12. Consigue la etiqueta de una botella de suero fisiológico qué puedes deducir de los datos que figuran en ella? Actividad 13. Indica las semejanzas y diferencias entre ósmosis y diálisis. Actividad 14. Las flores de un gladiolo son fáciles de conseguir. Introduce una porción de la epidermis de una en agua salada. Colócala en un portaobjetos y observa al microscopio. Interpreta los resultados. 13