TEMA 1: BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS. EL AGUA Y LAS SALES MINERALES

Transcripción

1 TEMA 1: BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS. EL AGUA Y LAS SALES MINERALES 1. BIOELEMENTOS O ELEMENTOS BIOGÉNICOS Son los elementos químicos que se encuentran presentes en los seres vivos. Los más abundantes son el C, H, O, N. Estos cuatro, junto con el P y el S, constituyen los elementos biogénicos principales o primarios (presentes en todos los seres vivos), ya que representan entre los seis, más del 95% del peso de los seres vivos. Otros elementos como el Cl, Fe, Ca, Na, K, y Mg también son imprescindibles para los seres vivos y se denominan elementos biogénicos secundarios ya que están en menor proporción que los anteriores. Los oligoelementos o elementos traza son elementos biogénicos que, aun siendo imprescindibles en la construcción de determinadas moléculas, aparecen en los seres vivos en proporciones bajísimas (<0,1%). Algunos de estos elementos, como el Co, Cr o el Zn, se encuentran en todos las formas de vida, mientras hay otros, como el I, que solo aparecen en ciertos organismos (EL I es imprescindible para la mayor parte de los vertebrados, pero no en el resto de los animales). De todos los elementos que forman un ser vivo, el carbono es especialmente significativo, formando parte del esqueleto de todas las moléculas orgánicas que iremos describiendo en temas posteriores. El carbono es un elemento muy versátil, ya que al tener una covalencia 4 puede unirse con otros cuatro átomos de su misma clase o de otra, formando así numerosos compuestos. En realidad, no hay ningún otro elemento cuyos átomos tengan la misma facilidad para unirse entre sí como el carbono y, las sustancias que contienen carbono, presentan mayor variedad y complejidad que todas las demás sustancias químicas juntas. Junto con el C, el H y el O, también están presentes en todas las moléculas orgánicas y el N en muchos de ellas (proteínas, ácidos nucleicos, algunos glúcidos y numerosos lípidos).

2 2. BIOMOLÉCULAS O PRINCIPIOS INMEDIATOS Son los compuestos químicos presentes en los seres vivos formados por la unión de los bioelementos. Anteriormente se conocían como principios inmediatos ya que son componentes de la materia viva que se pueden separar por medios físicos (evaporación, destilación, electroforesis, diálisis, cromatografía, ) sin quedar alterados en el proceso. Las biomoléculas (BM) o principios inmediatos (PI) se pueden agrupar en BM inorgánicas y BM orgánicas. 3. EL AGUA EN LOS SERES VIVOS El agua es el principio activo o biomolécula más abundante en los seres vivos ya que, por término medio, supone un 75% de su peso aunque esta cifra varía amucho de unos organismos a otros y, dentro del mismo organismo, en sus distintos tejidos. En los seres vivos el agua tiene que ser continuamente renovada, de tal manera que la mayoría la obtienen del exterior (bebiendo), aunque hay procesos internos que la producen, como son la respiración y la oxidación de lípidos. En estos casos se llama agua metabólica. Desde el punto de vista de su estructura química, el agua tiene un carácter polar ya que los electrones compartidos son más fuertemente atraídos por el oxígeno que por el hidrógeno. De esta manera, como en la molécula de agua existen dos enlaces covalentes polares del oxígeno con los dos átomos de hidrógeno, se dice que el agua es un dipolo. Debido a este carácter polar, el H 2 O es un excelente disolvente y además, a temperatura ambiente (20ºC), sus moléculas presentan un cierto grado de ordenación por lo que están en estado líquido y no gaseoso como cabría esperar. Dicha polaridad supone que, en el agua líquida, una molécula de H 2 O, tiende a formar puentes de hidrógeno con otras cuatro moléculas de H 2 O adyacentes. Estos enlaces hacen que en el agua líquida las moléculas de la superficie estén fuertemente unidas a otras del interior haciendo que haya una elevada tensión superficial ya que se comportan como una especie de película. ESQUEMA DE LOS PUENTES DE HIDRÓGENOS ENTRE MOLÉCULAS DE AGUA

3 Los puentes de hidrógeno hacen que, para que el agua se evapore, se deba suministrar una energía extra, por lo que su calor de vaporización es alto. Los seres vivos utilizan esta propiedad, por ejemplo, para refrescarse (se elimina mucho calor mediante la evaporación de una pequeña cantidad de agua), proceso que se realiza a través de la piel o de los pulmones. Además, los puentes de hidrógeno entre las moléculas de H 2 O hacen que esta tenga un calor específico muy elevado (para elevar 1ºC, 1L de H 2 O, hacen falta 1000 cal.), lo que la convierte un potente estabilizador térmico ante cambios bruscos de temperatura. En estado sólido, los puentes de hidrógeno entre las moléculas de H 2 O, son más regulares y proporcionan un comportamiento anómalo de la densidad del agua en relación con la temperatura: su máxima densidad es a 4ºC. Por debajo de esta temperatura, la densidad disminuye, gracias a lo cual el hielo flota. Esto posibilita la vida en lagos y mares aunque la temperatura ambiente sea muy baja (si no flotara se acumularía en el fondo y ganarían en espesor con el tiempo); además, el hielo que se forma en superficie actúa como aislante térmico del agua que está por debajo. Las moléculas orgánicas, por su comportamiento frente al agua se dividen en hidrófilas o lipófobas e hidrófobas o lipófilas. Las primeras, son solubles en agua y las segundas, no. Las principales moléculas orgánicas de carácter hidrófilo son las que tienen grupos carboxilo (-COOH) y carbonilo (cetona o aldehído) o alcohol (-OH) o amino (NH 2 ). Moléculas hidrófobas son en general todas aquellas cadenas hidrocarbonadas más o menos largas. GRUPO CARBOXILO GRUPO ALDEHÍDO Y CETONA hkg

4 Se conocen como compuestos heteropolares o anfipáticos a aquellos que tienen una parte de la molécula hidrófila y otra hidrófoba. EL extremo hidrófilo se llama grupo polar y el hidrófobo grupo apolar. Tienen comportamiento anfipático, por ejemplo, los fosfolípidos que son componentes fundamentales de las membranas celulares. Esquema de un fosfolípido de carácter anfipático: LAS PRINCIPALES FUNCIONES DEL H 2 O SON: a. Ser el medio de reacción de los procesos metabólicos, es decir, las reacciones biológicas tienen lugar en medio acuoso. b. Actuar como disolvente de numerosas sustancias. c. Servir como vehículo de transporte de otras sustancias, como es el caso de la sangre, la orina, la savia Estas tres primeras funciones se deben al carácter polar de la molécula de H 2 O. d. Actúa como aislante térmico debido a su elevado calor específico y como termorregulador por su elevado calor específico y de vaporización. e. Interviene en las reacciones de hidrólisis, es decir, en la rotura de enlaces por medio de la adición de su propia molécula. f. Estructural: da volumen y turgencia a las células.

5 g. Mecánica-amortiguadora: como, por ejemplo, el líquido sinovial de las articulaciones. 4. LAS SALES MINERALES EN LOS SERES VIVOS Las sales minerales se pueden encontrar en los seres vivos de 3 maneras: - PRECIPITADAS: las sales forman piezas duras, más o menos rígidas, que suele ser el esqueleto externo o interno de muchos organismos. Es el caso, por ejemplo, del esqueleto de los vertebrados compuestos de carbonato cálcico y fosfato cálcico o de las conchas de los moluscos compuestas por carbonato cálcico. - IONES: Forman parte de muchas moléculas orgánicas. Así, el magnesio forma parte de la clorofila, el hierro de la hemoglobina o el yodo de la tiroxina. - DISUELTAS: Así se encuentran la mayor parte de las sales minerales. Esto implica que, en los seres vivos, hay cationes (Na +, K +, Ca 2+ ) y aniones (Cl -, HCO 3-, NO 3- ; 3- PO 4 ) disueltos procedentes de sales disociadas. Tienen funciones transcendentales ya que actúan como tampones e intervienen en el equilibrio osmótico, por ejemplo. LAS PRINCIPALES FUNCIONES BIOLÓGICAS DE LAS SALES MINERALES SON: a. Regular y mantener constante el ph de los líquidos inter e intracelulares, lo que se conoce como efecto amortiguador o tampón b. Participar en los fenómenos osmóticos c. Generar los potenciales eléctricos, ya que la concentración de determinados iones no es la misma en el interior que en el exterior de las células. d. Diferentes acciones específicas en distintas reacciones bioquímicas, por ejemplo, los iones de Ca2+ que intrvienen en la contracción muscular, la coagulación sanguínea el Mg2+ participa en reacciones de transferencia de grupos fosfato (imprescindibles en el metabolismo). e. Formación de órgans esqueléticos, tanto externos ) conchas y caparazones) como internos (esqueleto de vertebrados). SISTEMAS AMORTIGUADORES O TAMPÓN

6 El ph de los líquidos inter e intracelulares se tiene que mantener constante para permitir la actuación de las enzimas ya que, muchas de ellas sólo pueden hacerlo dentro de unos márgenes muy estrechos de ph, Sin embargo, como consecuencia del metabolismo, continuamente se producen sustancias que tienden a alterarlo. Para que ello no ocurra, hay otras sustancias capaces de neutralizar las posibles variaciones de ph. Estas sustancias se llaman amortiguadoras o tampones y su poder amortiguador de las variaciones del ph se basa en el equilibrio entre su estado indisociado y el disociado. En los seres vivos, uno de los principales amortiguadores del ph es el tampón bicarbonato: En un ph normal, el equilibrio se encuentra desplazado hacia la izquierda, hacia el estado indisociado. Sin embargo, si se produce un ácido, por ejemplo el ácido láctico (CH 3 -CHOH- COOH), que se disocia parte en iones lactato (CH 3 -CHOH-COO - ) y parte en protones (H + ), estos últimos tenderán a alterar el ph. Para que ello no ocurra, son neutralizados por el ión bicarbonato (HCO 3- ) y forman ácido carbónico (H 2 CO 3 ) que inmediatamente se puede disociar en CO 2 y H 2 O, que son sustancias que no alteran el ph. Los iones lactato se pueden neutralizar con los iones Na + y pueden formar lactato sódico (CH 3 -CHOH-COONa). CH 3 -CHOH-COOH CH 3 -CHOH-COO - + H + HCO H + H 2 CO 3 CO 2 + H 2 O CH 3 -CHOH-COO - + Na + CH 3 -CHOH-COONa En los seres vivos, además del tampón bicarbonato, que equilibra el medio extracelular, también es importante el tampón fosfato que equilibra el medio intracelular. ÓSMOSIS

7 Las membranas biológicas suelen ser semipermeabbles, es decir, dejan pasar el agua pero no las sustancias disueltas. Si a ambos lados del estas membranas se encuentran disoluciones en distinta concentración, se produce un fenómeno conocido como ósmosis que es un tipo de difusión pasiva que se caracteriza por el paso de de agua desde la disolución más diluida a la más concentrada, como resultado de la tendencia a que se igualen ambas concentraciones. Se llama presión osmótica a la presión que sería necesaria ejercer para detener el flujo de a agua a través de la membrana semipermeable. Si las disoluciones tienen la misma concentración, se denominan isotónicas o isoosmóticas. Cuando tienen concentraciones diferentes, la más concetrada se conoce como hipertónica o hiperosmótica y la más diluida hipotónica o hipoosmótica. Una célula situada en un medio isosmótico o isotónico, no experimenta fenómenos osmótico. Una células situada en un medio hipertónico o hiperosmótico, tenderá a perder agua, sufriendo un proceso conocido como plasmolisis, y se arrugará. Una célula que se encuentre en un medio hipoosmótico o hipotónico tenderá a ganara agua, sufriendo un proceso de turgescencia, por lo que se hinchará (pudiendo incluso explotar).

8 5. LOS COLOIDES La sustancia celular es, en parte una solución verdadera y, en parte, un sistema coloidal. Un coloide un una dispersión de solutos de elevado peso molecular ya que el tamaño de sus partículas es relativamente grande, puesto que está comprendido entre 0,1 y 0,001 µm. Los coloides pueden experimentar transformaciones sol-gel reversible. En la fase de sol, las partículas coloidales se encuentran rodeadas de partículas de disolvente y presentan un estado fluido. En la fase de gel, son las partículas coloidales las que rodean a las partículas de disolvente y presenta una forma semisólida, gelatinosa y elástica. En las células las fases de sol y de gel pueden alternarse repetidamente por las variaciones locales de la concentración de partículas aunque también influyen otros factores como la Tª, el ph, la Pr,

9