LOS CIMIENTOS DE LA VIDA: BIOELEMENTOS Y PRINCIPIOS QUÍMICOS BÁSICOS

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1 LOS CIMIENTOS DE LA VIDA: BIOELEMENTOS Y PRINCIPIOS QUÍMICOS BÁSICOS BIOELEMENTOS PRIMARIOS Y SECUNDARIOS. La materia viva está constituida por alrededor de setenta elementos químicos. Estos elementos que se encuentran en la materia viva se llaman bioelementos o elementos biogénicos, es decir que se encuentran a la raíz del fenómeno viviente. Son los cimientos de la vida. Los bioelementos se pueden clasificar en primarios y secundarios. Los bioelementos primarios son seis elementos que constituyen más del 96,10001 % del total de la materia viva. Son el oxígeno, el carbono, el hidrógeno, el nitrógeno, el fósforo y el azufre. Se llaman primarios porque son indispensables para la formación de los glúcidos, lípidos, proteinas y ácidos nucléicos, que son las biomoléculas (moléculas de la vida) presentes en todos los seres vivos. Una exposición breve y descriptiva sobre estas moléculas, se encuentra en el apunte Moléculas de la vida, disponible en este mismo sitio. Los bioelementos secundarios son el magnesio, calcio, potasio, sodio y cloro, y desempeñan funciones de vital importancia en la fisiología celular. Sin profundizar aún, y por la relevancia que el punto tiene para las asignaturas siguientes, se hace notar que el potasio, el sodio y el cloro, constituyen las principales moléculas en la transmisión nerviosa; y el calcio es el modulador central de dicho proceso. Por lo mismo, la ingesta insuficiente de dichos elementos implica un riesgo neurológico, en especial en fases tempranas del desarrollo. Los elementos que se encuentran en proporciones inferiores al 0,1 % se denominan oligoelementos. Su papel puede ser muy importante e incluso esencial (se distingue oligoelementos esenciales y no esenciales), dado que pueden desempeñar funciones catalizadoras, es decir, que factibilizan la ocurrencia de reacciones bioquímicas claves: El hierro está presente en los citocromos, que son proteínas que participan en procesos de oxidoreducción formando parte de la cadena respiratoria. Además es constituyente de la hemoglobina encargada del transporte del oxígeno en la sangre. El zinc es necesario para el crecimiento y la reparación de tejidos. El cobre se encuentra en todos los organismos formando parte de múltiples enzimas de oxidación.

2 El manganeso es necesario para activar la arginasa, enzima esencial para la formación de la urea. También activa muchas otras enzimas. El yodo es fundamental para formar la hormona tiroidea. El fluor forma parte de huesos y dientes. Confiere resistencia a los dientes frente a las caries. Es de hacer notar que, de acuerdo con algunas investigaciones, su exceso puede provocar daños irreversibles a la salud. BIOMOLÉCULAS, AGUA Y SALES MINERALES 1. Biomoléculas o principios inmediatos. Los principios inmediatos compuestos pueden ser inorgánicos, como el agua, las sales minerales (carbonatos, fosfatos, etc.), el dióxido de carbono, oxígeno, etc.; y orgánicos como los glúcidos, lípidos, proteinas y ácidos nucleicos. En sentido estricto, las biomoléculas o moléculas de la vida son estas últimas, 2. El agua. El agua fue el soporte donde se originó la vida y es el medio necesario para que se siga desarrollando. En la exploración remota del planeta Marte, la sospecha de vida en el pasado (o tal vez en el presente), se sustenta sobre la base del hallazgo de agua y de huellas de cursos de agua ya extintos. Esto es tan así, que una persona puede sobrevivir más de un mes sin comer, pero sólo algunos días sin agua. Es por ello que las huelgas de hambre pueden prolongarse por mucho tiempo, tan sólo asegurando un mínimo de agua para los huelguistas (si esa agua, como ha ocurrido muchas veces, contiene además minerales (que el cuerpo usa como oligoelementos) y azucar, la muerte puede tardar muchas semanas en llegar... o no llegar). La molécula de agua tiene una carga total neutra pero presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una molécula polar. Es decir, que presenta dos polos eléctricos, ya que el oxígeno, el elemento más electronegativo, consigue que los electrones del enlace estén más tiempo cerca de él, que de los átomos de hidrógeno, creando dos zonas con cargas distintas (parcialmente negativa sobre los átomos de oxígeno y parcialmente positiva sobre los átomos de hidrógeno). Este carácter polar de las moléculas de agua permite que se produzcan interacciones con otras moléculas polares o con iones. La interacción entre dos moléculas de agua da lugar a una tipo de enlace entre moléculas denominado enlace o puente de hidrógeno. Es debido a que la carga parcial negativa del oxígeno de una molécula ejerce

3 atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes. Aunque son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras moléculas unidas por puentes de hidrógeno permite que el agua sea líquida a temperatura ambiente y otras características del agua: Elevado calor específico que la convierte en un buen regulador térmico del organismo frente a cambios externos de temperatura. Elevado calor de vaporización debido a los puentes de hidrógeno. Para comprobar esto, sólo compáresela con otros líquidos esenciales para la vida de los estudiantes, como el etanol (alcohol bebestible), que se evapora apenas se pone en contacto con las manos de las personas. Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas, lo cual explica la elevada tensión superficial, es decir que su superficie oponga una gran resistencia a romperse. Elevada fuerza de adhesión debida a los puentes de hidrógeno y que es la responsable, junto con la cohesión del fenómeno de la capilaridad. Bajo grado de ionización. Elevada constante dieléctrica que la convierte en un buen solvente de compuestos iónicos y de compuestos covalentes polares. Esta capacidad solvente permite que el agua sea el vehículo de transporte y el medio donde se realizan todas las reacciones químicas del organismo. Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido. Esto permite que haya vida en las aguas ya que las capas de hielo se forman en la superficie y no van al fondo. Ionización del agua y escala de ph: La molécula de agua es una molécula polar que establece puentes de hidrógeno con otra molécula de agua. Debido a estas fuerzas de atracción, el hidrógeno de una molécula que establece el puente se disocia de su átomo de oxígeno, al que se encuentra unido por enlace covalente, y pasa a unirse con el átomo de oxígeno de la otra molécula, con el que ya mantenía relación debido al puente de hidrógeno. Se obtienen entonces iones H 3 O + y OH -.

4 En el agua hay por tanto el mismo número de iones H 3 O + y OH -. Por convención, se utiliza el símbolo H + (protón) en lugar de H 3 O +, aunque no se debe olvidar que en el agua no existen protones sueltos, sino hidratados en forma de iones hidronio 3 O + ). Esta disociación de la molécula de agua no ocurre en todas y cada una de las moléculas de un determinada cantidad de agua. En realidad se cumple que [H + ][OH - ]= y generalmente [H + ]=[OH - ]= A este producto se denomina producto iónico del agua y se cumple siempre, aunque en el agua haya alguna sustancia disuelta. Cuando, debido a la presencia de alguna sustancia en el agua, la [H + ] es mayor que 10-7 entonces se dice que la solución es ácida (porque hay más iones H + que OH - ). En caso contrario, [OH - ]>[H + ] la solución es básica o alcalina. La [H + ] sirve de base para establecer la escala de ph que se utiliza habitualmente para medir la acidez o alcalinidad de una solución acuosa. Sistema tampón: Los organismos vivos no soportan variaciones de ph mayores de unas décimas de unidad, y por ello han desarrollado unos sistemas para mantener constante el ph del medio, los sistemas o soluciones tampón. Consisten en un par ácido-base conjugada. Son ejemplos el sistema bicarbonato (HCO - 3 / H 2 CO 3 ) y el sistema fosfato (H 2 PO - 4 / HPO = 4 ). H 2 PO H 2 O HPO2-4 + H 3 O + Cuando en el interior de la célula aumenta la concentración de H 3 O +, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda. SI se produce una disminución, el equilibrio se desplaza en sentido contrario. Ósmosis y presión osmótica: La ósmosis es la difusión de agua (solvente) a través de una membrana semipermeable desde la solución más diluida a la más concentrada de forma espontánea (pasiva). La presión osmótica es la presión que sería necesaria para detener el flujo de agua a través de

5 la membrana. La membrana plasmática es semipermeable. Cuando la concentración de los fluidos extracelulares es igual a la de los intracelulares, ambas soluciones son isotónicas. En general cuando se tiene dos soluciones con distinta concentración, la solución de mayor concentración es hipertónica respecto a la de menor concentración o hipotónica en caso contrario. Estos procesos son de gran importancia en el intercambio de materia entre el interior de la célula y el medio. Si se introduce una célula animal en agua destilada, como en su interior existen muchas moléculas que no pueden atravesar su membrana, su concentración será superior a la del agua, por tanto hipertónica. Esto hace que el agua penetre en el interior de la célula para igualar las concentraciones, lo que provoca un hinchamiento. Este fenómeno se denomina turgencia. Si al contrario, se introduce en una solución más concentrada, el interior de la célula perderá agua y se encogerá dando lugar a la plasmólisis que termina con la rotura de la membrana y la necrosis subsiguiente. Soluciones acuosas. Todas las reacciones bioquímicas de los procesos vitales tienen lugar en medio acuoso. Estos medios están formados por dispersiones o soluciones. Una dispersión es una mezcla homogénea de moléculas de distinta naturaleza y a menudo en diferente cantidad. En ellas existe una fase dispersante o solvente y moléculas dispersas o soluto. En las dispersiones acuosas el agua es el solvente y el soluto puede cualquier conjunto de moléculas susceptibles de interactuar con el agua. Entre las múltiples soluciones de la vida, se encuentran las de moléculas de cloro, sodio y potasio, entre las de menor tamaño... y también las de moléculas de albúmina y ácidos nucléicos, entre las de mayor tamaño. Las dispersiones de moléculas de pequeña masa molecular se denominan dispersiones moleculares, mientras que las de masas moleculares elevadas, se denominan dispersiones coloidales o coloides. Estas dispersiones no sedimentan, tienen aspecto transparente, con cierta turbidez. Un ejemplo típico que se mencionó en clases, es el de la jalea (SIN agregado de frutas). Los coloides pueden presentarse en forma fluida (sol) o con aspecto semisólido y con cierta elasticidad (gel). El paso de sol a gel puede ser reversible o irreversible. En algunos casos, como en el de la clara del huevo, el paso de líquido a semisólido, sólo puede

6 Formar Estabilizar Mantener Constituir Catalizar Puentes Fuerzas Interacciones hacerse una vez; en cambio, en la gelatina, se puede hacer múltiples veces (se ruega no hacer este experimento en forma reiterada). Si el lector está pensando en el citoplasma y recuerda esa clase, va por buen camino en su estudio. SALES MINERALES La sales minerales se pueden encontrar en los seres vivos de tres formas: precipitadas, disueltas en forma de iones o asociadas a sustancias orgánicas. * Las sustancias minerales precipitadas constituyen estructuras sólidas, insolubles, con función esquelética. Por ejemplo el calcio de los huesos. * La sales minerales disueltas dan lugar a aniones (moléculas con carga negativa) y cationes (moléculas con carga positiva): Cationes como: Na +, K +, Ca 2+ y Mg 2+ ; y aniones como: Cl -, SO 2-4, PO 3-4 y HCO - 3. Estos iones ayudan a mantener constante el ph. A este fenómeno se le llama efecto tampón y a estas soluciones se les llama soluciones amortiguadoras o tampón * Las sales minerales asociadas a sustancias orgánicas suelen encontrarse junto a proteínas, a lípidos y a glúcidos. Las principales funciones de las sales minerales en los organismos son: estructuras esqueléticas coloides un grado de salinidad en el medio interno. soluciones amortiguadoras. reacciones esenciales. ENLACES NO COVALENTES EN LAS INTERACCIONES MOLECULARES Los enlaces más fuertes que se encuentran en las moléculas orgánicas son los enlaces covalentes. Sin embargo, en los procesos que tienen lugar en la célula no se rompen ni se forman estos enlaces. Son interacciones más débiles las que intervienen en la estructura y en las reacciones que se producen. Las más importantes son: de hidrógeno se dan entre moléculas que tienen átomos de hidrógeno y otras con átomos muy electronegativos como el nitrógeno, el flúor y el oxígeno. electrostáticas, también denominados enlaces iónicos. Se producen cuando se aproximan moléculas orgánicas que presentan grupos con distinta carga iónica en su superficie. hidrofóbicas se producen entre grupos hidrofóbicos o apolares, que presentan fobia (rechazo) por el agua, de modo que al aproximarse, excluyen el agua

7 Fuerzas alcanzando una situación más estable. Son importantes en la constitución de membranas celulares. de Van der Waals, son fuerzas inespecíficas muy débiles, que actúan al aproximarse moléculas separadas, debido a cargas eléctricas fluctuantes que originan dipolos instantáneos. Es muy importante que en la célula se den estas interacciones más débiles y mutables que las que caracterizan la materia inerte. Es precisamente su debilidad, su capacidad de ser cambiadas, la que da a la unidad viva elemental su plasticidad esencial. Curiosamente, la fuerza de la vida celular se fundamenta en la fragilidad de las uniones químicas básicas. Apunte para Morfofisiologia I. Primer semestre del Carrera de Psicologia. Universidad del Mar.