Guía Bioelementos y biomoléculas inorgánicas Profesor Gustavo Arriagada Bustamante Primero medio. Unidad 1. Estructura y función de los seres vivos. Nombre: Curso: Fecha: Objetivos Identificar las principales biomoléculas inorgánicas y orgánicas, y reconocer en qué estructuras se encuentran. Contenidos Definición, constituyentes, formación, propiedades físicas, químicas y biológicas de los principales elementos químicos presentes en los seres vivos. Propiedades físicas, químicas y biológicas del agua y de las sales minerales de los seres vivos. I. Actividad inicial De acuerdo a lo que ya sabes desde 7 y 8 responde lo siguiente: Por qué flotan los objetos? El hielo es agua en estado sólido, qué implicancias biológicas puede tener que flote en el agua? Piensa en los seres vivos de un estanque... Usualmente, las sustancias que pasan desde líquido a sólido disminuyen su volumen... pero en el agua esto no ocurre de igual manera. Por qué crees tú que no les pasa algo como lo de la fotografía a nuestras venas cuando estamos en un ambiente de congelador. Por qué moja el agua? Por qué el agua no disuelve aceite? 1
II. Desarrollo: 1. Los bioelementos Los seres vivos somos conjuntos organizados de materia. Todos están formados por el mismo tipo de elementos, cada uno de los cuales es de un tipo único. Pero, de entre los 118 elementos químicos de la tabla periódica moderna, no todos se encuentran naturalmente en los seres vivos que conocemos. A los que sí están presentes los llamamos elementos biogénicos o simplemente bioelementos. Se han identificado cerca de 30. En relación a los bioelementos, tan importante como el tipo de elementos que están presentes en la materia viva, es la proporción en que se encuentra cada uno. Todos son importantes por las características químicas de sus átomos, pero también por su sola presencia en cantidades determinadas para el buen funcionamiento de los seres vivos. Sus excesos o sus carencias pueden ser perjudiciales. Elemento Número atómico Presencia químico (Z) (%) Oxígeno (O) 8 65,0 Carbono (C) 6 18,5 Hidrógeno (H) 1 9,5 Nitrógeno (N) 7 3,3 Calcio (Ca) 20 1,5 Fósforo (P) 15 1,0 Potasio (K) 19 0,4 Azufre (S) 16 0,3 Sodio (Na) 11 0,2 Cloro(Cl) 17 0,2 Magnesio (Mg) 12 0,1 Helio (He) 2 Trazas Hierro (Fe) 26 Trazas Tabla 1: Algunos biolementos presentes en los humanos Los cuatro bioelementos mayoritarios son el carbono (C), el hidrógeno (H), el oxígeno (O) y el nitrógeno (N). Siempre presentes (cerca del 95% en peso de la materia orgánica) son los componentes esenciales con los que se construyen las biomoléculas: glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. Se dividen en básicos, secundarios y oligoelementos: Bioelementos primarios o básicos. Son los más abundantes, forman al 96% de las biomoléculas. Son C, H, O y N. Bioelementos secundarios o complementarios. Complementan a los básicos en las proteínas, glúcidos,etc. Forman el 3% de las biomoléculas. Azufre (S) y fósforo (P), calcio (Ca), potasio (K), sodio (Na), magnesio (Mg) y cloro (Cl) son los más abundantes. Los oligoelementos 1 sólo están presentes en pequeñísimas cantidades (aproximadamente el 0,1 % de la materia orgánica), pero son imprescindibles para el funcionamiento biológico del organismo. Constituyen fundamentalmente a las biomoléculas inorgánicas como: sales, ácidos y bases. Son hierro (Fe), yodo (I), manganeso (Mn), cobalto (Co), cinc (Zn), cobre (Cu), flúor (F), etc. El hierro (Fe) y el magnesio (Mg) son oligolementos esenciales y llevan a cabo funciones muy importantes en los seres vivos. El hierro forma parte de la hemoglobina, que es el pigmento respiratorio que transporta al oxígeno desde los alvéolos pulmonares hasta el medio líquido interno que rodea a los tejidos y a las células que los forman. El magnesio forma parte de la clorofila, que es el pigmento fotosintético capaz de absorber la energía luminosa necesaria para transformar la materia inorgánica en orgánica. Existe un grupo de oligoelementos que pueden faltar en algunos organismos, por lo que se llaman bioelementos u oligoelementos variables. Son molibdeno (Mo), Zn, titanio (Ti), vanadio (V), plomo (Pb), Co, aluminio (Al), litio (Li), etc. 2. Las biomoléculas y biomoléculas inorgánicas Los seres vivos se componen mayoritariamente de moléculas complejas pero por qué se forman las moléculas? Porque la mayoría de los átomos no poseen una configuración electrónica estable, y se unen entre sí mediante enlaces que tienden a hacerlos completar sus orbitales electrónicos externos acercándolos a los de los gases nobles... Se acuerda de los electrones de valencia y de las leyes del octeto y del dueto en química? 1 Elemento químico que, aún presente en muy pequeñas cantidades, es indispensable para las funciones biológicas. 2
Dependiendo de si contienen o no carbono 2, se pueden agrupar en: Biomoléculas inorgánicas. No contienen carbono, aunque se encuentran en los seres vivos no son exclusivas de ellos. Se trata del agua y sales minerales. Biomoléculas orgánicas. Siempre contienen carbono y son exclusivas de los seres vivos. Son los glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Algunas biomoléculas se forman por la unión de otras moléculas más pequeñas, como son muy grandes se las llama macromoléculas 3. De entre ellas, siempre se consideran polímeros 4 a las proteínas, glúcidos y ácidos nucleicos. Aún cuando los lípidos también están formados por subunidades más simples y pequeñas, a veces no se los trata como polímeros. Se agrupa aquí a las moléculas químicas que no están formadas por cadenas carbonadas. 2.1. Agua El agua es una de las más abundantes e importantes moléculas de la vida. No solamente cubre la mayor parte de la superficie de la tierra, sino que al menos para nuestro planeta, todo indica que la vida se originó en el agua. Tanto es así que nos resulta casi imposible imaginar la existencia de vida en un planeta sin agua. Es la biomolécula más cuantiosa en cualquier ser vivo: representa entre el 60 y 90% de su peso. Hay organismos que viven en la ínfima cantidad de agua de un grano de arena, algunas bacterias se encuentran en los límites de fusión de los témpanos polares, en las aguas casi hirvientes de los manantiales termales. Pero todos la necesitan... Para comprender por qué el agua es tan extraordinaria, debemos considerar su estructura molecular: su molécula es un átomo de oxígeno que se une covalentemente a dos átomos de hidrógeno mediante enlaces que forman un ángulo aproximado a 105º. Las moléculas de agua tienen enlaces covalentes polares 5. Cuando cada átomos de hidrógeno se enlaza al de oxígeno, el par de electrones que se comparten es más atraído hacia el oxígeno. Figura 1: Estructura química de la molécula de agua Esto significa que aunque tiene una carga total neutra (igual número de protones y de electrones), la molécula tiene distribución desigual o asimétrica de las cargas eléctricas: alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa (δ-), mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan una densidad de carga positiva (δ+). Esto causa que la molécula de agua se comporte como un dipolo. Figura 2: Dipolo de la molécula de agua. 2 Debido a que sus características atómicas, el carbono puede formar largas cadenas combinándose con hidrógeno. Estas cadenas hidrocarbonadas servirán de esqueleto para las grandes biomoléculas. 3 Macro significa 'grande'. 4 Compuesto químico, natural o sintético, formado por polimerización y que consiste esencialmente en unidades estructurales repetidas. 5 Ya que la diferencia de electronegatividad (ΔEN) del enlace O H es de 1,4. 3
Y? Los dipolos generan magnetismo... Como las cargas eléctricas de igual signo se repelen y las de signo distinto se atraen (piensa en los imanes), entonces el agua puede disolver algunos compuestos y además, puede mojar... por eso es tan importante para la vida! Veamos funciones relacionadas con lo biológico: a) Posee también una función estructural dando elasticidad y consistencia a los tejidos. b) Interactúa con muchas otras moléculas y es capaz de disolver a distintas sustancias polares (con carga eléctrica). c) Es el medio en que ocurren las reacciones químicas de la célula. d) Es medio de transporte de nutrientes y otras sustancias. e) Obliga a las sustancias no polares como los lípidos a adoptar ciertas organizaciones físicas, ciertas formas. f) Las moléculas mantienen una cohesión interna gracias a los puentes de hidrógeno. De esta adhesión de sus moléculas viene la capilaridad, es decir la capacidad que tiene el agua de ascender por un tubo delgado. g) Debido a su altos calores específico, de vaporización y de fusión, el agua ayuda mantener una temperatura relativamente estable ante las amplias fluctuaciones de la temperatura ambiente. Por ello es regulador térmico, impide que se produzcan cambios bruscos de temperatura en los seres vivos. h) En estado sólido es menos denso que en estado líquido: el hielo (estado sólido) flota sobre el agua (estado líquido). i) Regulador térmico, impide que se produzcan cambios bruscos de temperatura en los seres vivos. En los lugares de costa atempera el clima. 2.2. Sales minerales Son sustancias inorgánicas que contienen elementos necesarios para las células como el sodio, potasio, calcio, cloro, etc. Tienen funciones específicas para cada ión (ej: el Fe se relaciona al transporte de oxígeno). Se encuentran en estado sólido (como precipitados) o disueltas (formando las soluciones): En estado precipitado cumplen funciones de sostenimiento (ej: carbonato de calcio 6 de las conchas de los moluscos bivalvos) y esqueléticas (ej: el fosfato de calcio 7 es la principal forma de calcio que se encuentra en la leche bovina.) En estado disuelto regulan la concentración de sales y la acidez dentro del organismo. En otras palabras, regulan el paso del agua a través de las membranas semipermeables de las células y las sustancias que van disueltas en ella. Las sales minerales que aparecen en disolución se disocian en sus iones, algunos de los más comunes se agrupan en la siguiente tabla. Aniones Cationes Cloruro Cl - Sodio Na + Carbonato CO 3 2- Potasio K + Bicarbonato HCO 3 - Calcio Ca 2+ Fosfato PO 4-3 Magnesio Mg 2+ Sulfato SO 4 2- Tabla 2: Algunos iones presentes en los humanos 6 Carbonato de calcio: CaCO 3 7 Fosfato de calcio: Ca 3(PO 4) 2 4
III. Actividad de cierre Ahora que ya trabajaste los contenidos responde lo mejor que puedas a lo siguiente: 1) La densidad del hielo es mayor, igual o menor que la del agua líquida? Explica dando un ejemplo 2) Qué efecto tendría sobre la vida acuática que la densidad del hielo fuera mayor que la del agua líquida? 3) Cómo ayuda la transpiración a regular la temperatura del cuerpo? 4) Por qué te sientes más acalorado en un ambiente tropical (caluroso y húmedo) que en uno de tipo mediterráneo (caluroso y seco)? 5