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TEMA 1
LOS ÁTOMOS Y LAS MOLÉCULAS DE LOS SERES VIVOS. LAS
MOLÉCULAS INORGÁNICAS.
1. BIOELEMENTOS O ELEMENTOS BIOGÉNICOS.
-BIOELEMENTOS PRIMARIOS.
-BIOELEMENTOS SECUNDARIOS.
2. FUNCION DE LOS BIOELEMENTOS.
3. BIOMOLECULAS: CONCEPTO.
3.1. CLASIFICACION.
4. EL AGUA
4.1. GENERALIDADES.
4.2. ESTRUCTURA.
4.3. PROPIEDADES.
4.4. FUNCIONES.
5. DIPERSIONES ACUOSAS.
6. SALES MINERALES
7. ÓSMOSIS.
8.IONIZACIÓN DE LA MOLÉCULA DEL AGUA: CONCEPTO DE pH.
9. DISOLUCIONES AMORTIGUADORAS.
INTRODUCCION
El análisis químico de la materia viva revela una gran similitud en la composición de todos los seres vivos, todos ellos contienen los mismos elementos y compuestos químicos. La rama de la biología que se encarga de su estudio es la bioquímica.
1. BIOELEMENTOS O ELEMENTOS BIOGENICOS.
Son los elementos químicos que forman parte de la materia viva. Se han encontrado unos 70 elementos químicos formando parte de la materia viva, estos se encuentran en distintas proporciones y no todos están presentes en todos los seres vivos. De acuerdo con su abundancia se dividen: -Bioelementos primarios. -Bioelementos secundarios.
F 0 B 7 Bioelementos primarios : Son los que se encuentran en mayor proporción, están presentes en todas las biomoléculas. Representan entorno al 95 % del peso de la materia viva. Son el C, O, H, N y en menor proporción el P y S. Estos elementos han sido seleccionados entre todos los que constituyen la corteza terrestre para formar la materia viva, a pesar de que salvo el oxígeno no son los más abundantes, por las características que poseen entre las cuales destacan las siguientes: 1º- Tienen capas electrónicas externas incompletas. De este modo pueden formar fácilmente enlaces covalentes y dar lugar a las biomoléculas. 2º- Tienen pequeño tamaño, ya que poseen un número atómico bajo, por lo que al combinarse entre sí forma enlaces muy resistentes difíciles de romper originando moléculas muy estables. 3º- Debido a que el oxígeno y el nitrógeno son elementos muy electronegativos, muchas de las biomoléculas son polares y por ello solubles en agua, lo cual es importante ya que la mayoría de las reacciones químicas que se producen en el organismo se producen en el agua.
- molécula polar son moléculas que tienen una distribución asimétrica de cargas eléctricas. 4º- El carbono tiene 4 electrones en su capa más externa, que le permiten formar 4 enlaces covalentes que se dirigen hacia los vértices de un imaginario tetraedro. Tiene capacidad para unirse con otros átomos de carbono mediante enlaces simples, dobles o triples formando cadenas más o menos largas, ramificadas o no, que constituyen el esqueleto de todas las moléculas orgánicas, algunas de gran complejidad. 5º- El C puede unirse mediante enlaces covalentes con el N, H, O y S, de esta forma se introducen en el esqueleto de las moléculas orgánicas una gran variedad de grupos funcionales que proporcionan a las moléculas unas propiedades físicas y químicas características. 6º- El azufre y el fósforo forman enlaces que se pueden hidrolizar fácilmente, por lo tanto, son idóneos para formar enlaces ricos en energía. 7º- Los bioelementos mayoritarios se pueden incorporar fácilmente a los seres vivos desde el medio externo, ya que se encuentran en moléculas (CO (^) 2, H (^) 2O, nitratos) que se pueden captar de manera sencilla.
F 0 B 7 Bioelementos secundarios : Son todos los demás elementos que forman la materia viva. Representan alrededor del 5 % del peso de la materia viva. Se encuentran en menor proporción que los anteriores pero también son importantes, hasta el punto que algunos son indispensables. -Algunos se presentan en todos los seres vivos como: Ca, Na, K, Mg, Cl, Fe, Si, Cu, Mn, B, I, F, -Otros solo están presentes en algunos seres vivos como: Pb, Br, Zn, Co, etc Aquellos bioelementos que se encuentran en la materia viva en una proporción inferior al 0,1 % se denominan oligoelementos o también elementos vestigiales. Desempeñan generalmente funciones catalizadoras formando parte de enzimas, vitaminas, hormonas.
-Orgánicas : Son exclusivas de la materia viva, tienen un alto porcentaje de carbono. Muchas de ellas tienen una gran complejidad y se denominan macromoléculas o polímeros estando formadas por la unión de unas unidades más sencillas denominadas monómeros. -Inorgánicas : Están presente tanto en la materia viva como en la inerte.
Biomoléculas. -Inorgánicas Agua Sales minerales -Orgánicas Glúcidos Lípidos Prótidos Ácidos nucleicos
4. EL AGUA:
4.1.GENERALIDADES
F 0 A 8Es el compuesto más abundante de la materia viva. Por termino medio representa el 75 % del peso de la misma. F 0 B 7El contenido de agua no es igual en todos los seres sino que varia de unas especies a otras.
-Hombre: 70 % -Pino: 47 % -Medusa: 95 % -Maíz: 86 % -Lombriz: 83 % -Trebol: 90 %
F 0 B 7Dentro de una especie, la cantidad de agua varia de unos órganos a otros dependiendo de la actividad biológica de las células, siendo tanto mayor el contenido de agua cuanto mayor sea la actividad de las células.
En el hombre el contenido medio es del 70 % -Tejido óseo: 40 % -Sangre:79 % -T.Nervioso:85 % -Dentina:10%
F 0 B 7También varía de unos individuos a otros dependiendo de la edad. En el hombre: -Embrión: 94 % -Niños: 78 % -Ancianos: 65 %
F 0 A 8El agua de los seres vivos se esta renovando continuamente, de tal manera que existe un continuo aporte y una continua eliminación, existiendo un equilibrio entre ambos. -El aporte de agua al organismo se puede realizar de dos formas: F 0 B 7Incorporándola del medio externo bien tomándola en forma liquida, mediante la bebida de la misma y de otros líquidos; o bien mediante la ingestión de alimentos más o menos ricos en agua. A esta agua se la llama agua exógena F 0 B 7Se puede obtener dentro del organismo a partir de otras moléculas orgánicas mediante diferentes reacciones metabólicas. A esta agua se la llama agua endógena. Esto explica porque algunos organismos muy sencillos como el pececillo de plata no necesita tomar agua del exterior, ya que con la que obtiene mediante el metabolismo les es suficiente. Igualmente explica porque los camellos pueden pasar tanto tiempo sin beber agua, gracias al metabolismo de las grasas. -La eliminación de agua se realiza de diversas maneras: Mediante la orina, por el sudor y la transpiración, por la heces, mediante la respiración
etc.
F 0 A 8El agua es fundamental para la vida debido a que las propiedades químicas que tiene le permiten desempeñar funciones muy importantes. Es tan importante que todo organismo desprovisto de ella muere, solo algunos organismos inferiores como protozoos y determinados órganos como semillas pueden reducir considerablemente la cantidad de agua, pero entonces pasan a una vida latente reduciendo considerablemente sus actividades.
4.2. ESTRUCTURA DEL AGUA
El agua tiene una estructura muy característica que determina sus propiedades. F 0 B 7La molécula de agua esta formada por 2 átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, cada átomo de hidrógeno se une al átomo de oxígeno mediante un enlace covalente simple (comparten un par de electrones). Estos átomos se disponen en el espacio formando un ángulo de 105º con el oxígeno situado en el vértice.
F 0 B 7La molécula de agua es^ dipolar ; ello es debido a que, aunque la carga neta es 0, al ser el oxígeno más electronegativo que los hidrógenos, atrae con más fuerza a los electrones de enlace y por ello están más cerca del átomo de oxígeno que de los átomos de hidrógeno, esto hace que aparezcan 2 zonas con cargas distintas: una con carga negativa, donde la densidad electrónica ( F 06 4^ - ) es mayor, en la región que ocupa el átomo
de oxígeno y; otra con carga positiva, dónde la densidad electrónica ( F 06 4^ +^ ) es menor, en las regiones que ocupan los átomos de hidrógeno.
F 0 B 7El carácter polar de la molécula de agua es de gran importancia, ya que permite que las moléculas de agua se puedan unir entre sí, con otras moléculas polares y con iones, mediante atracciones electrostáticas débiles llamadas puentes de hidrógeno (*). Este enlace se establece entre el átomo de oxígeno de una molécula (negativo) y los átomos de hidrógeno de otras (positivo). Cada molécula de agua puede formar hasta 4 puentes de hidrógeno, y aunque estos enlaces son mucho más débiles que los covalentes (1/20), se rompen y se crean constantemente lo que permite que se formen polímeros de agua constituidos por hasta 8 ó 9 moléculas de agua que se disponen formando una estructura de tipo reticular. Esto explica muchas de las propiedades que posee el agua *)Los puentes de hidrógeno son atracciones electrostáticas intermoleculares que se producen, entre un átomo electronegativo de una molécula y un átomo de hidrógeno de otra molécula que esta unido mediante enlace covalente a otro átomo electronegativo (O, N, etc). Son unas 20 veces más débiles que los covalentes.
4.3. PROPIEDADES FISICO-QUIMICAS DEL AGUA
Debido a su carácter polar el agua tiene una serie de propiedades muy características destacando las siguientes:
1º- A Tª ambiente se encuentra en estado líquido , al contrario de lo que ocurre con otras moléculas de similar peso molecular como CO (^) 2, NO 2 etc. Esto es debido al carácter dipolar, ya que al formar polímeros las moléculas se mantienen unidas. 2º- Los enlaces por puentes de hidrógeno duran muy poco tiempo, se rompen y se crean constantemente esto hace que no sea viscosa sino fluida. 3º- Tiene una elevada fuerza de cohesión gracias a los puentes de hidrógeno que se dan entre las moléculas, esto hace que sea un liquido casi incompresible y que tenga una elevada tensión superficial es decir que su superficie libre forme una
Los líquidos que están presentes en el interior del organismo constituyen el medio interno, en ellos tienen lugar las reacciones características de los procesos vitales. Estos líquidos son dispersiones. Las dispersiones son mezclas homogéneas de moléculas distintas. En ellas se diferencian dos partes: F 0 B 7 Fase dispersante o disolvente^ que es el componente que se encuentra en mayor cantidad, suele ser el agua (dispersiones acuosas) F 0 B 7 Fase dispersa o soluto^ es el componente que se encuentra en menor cantidad, pueden ser moléculas de diferentes tamaños, con distintos pesos moleculares.
F 0 A 8Las dispersiones atendiendo a como sean las moléculas de la fase dispersa pueden ser de dos tipos: 1.Dispersiones moleculares o disoluciones verdaderas : Cuando las moléculas de la fase dispersa tienen diámetros inferiores a 10-7^ cm, son de pequeño peso molecular como sales, compuestos orgánicos sencillos como aminoácidos, monosacáridos etc. Son transparentes y no sedimentan. 2- Dispersiones coloidales o coloides : Cuando las moléculas de la fase dispersa tienen un diámetro que oscila entre 10 -7^ y 2.10 -5^ cm, tienen pesos moleculares elevados (+
10.000 uma) como por ejemplo proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos etc. Son transparentes aunque al trasluz presentan turbidez (efecto Tyndall), no sedimentan pero las partículas precipitan por ultracentrifugación. Las dispersiones coloidales pueden presentarse en dos estados físicos:
- Sol cuando tienen aspecto fluido.
- Gel cuando tienen aspecto semisólido. El paso de sol a gel (gelificación) siempre es posible por variaciones de Tª, pH etc no así el paso inverso. Esta particularidad es de gran valor biológico para que los líquidos orgánicos puedan adquirir determinadas cualidades en cuanto a viscosidad, elasticidad, resistencia,etc.
F 0 A 8Según el estado de la fase dispersa, existen 2 tipos de dispersiones coloidales: 1- Suspensiones : Cuando las partículas de la fase dispersa son son sólidas. 2- Emulsiones : Cuando las partículas de la fase dispersa son líquidas.
F 0 A 8Según la afinidad entre el agua (f.dispersante) y las partículas de la fase dispersa se diferencian dos tipos de dispersiones coloidales: 1- Coloides hidrófilos : Cuando las moléculas de la fase dispersa tienen afinidad por el agua. Son muy estables debido a que las moléculas de la fase dispersa se rodean de moléculas de agua, esto impide que puedan reaccionar unas con otras. Si se rompe esta capa de agua por alguna razón entonces las moléculas de la fase dispersa se unen entre si y precipitan. Si la precipitación es en forma de copos se denomina coagulación. 2- Coloides hidrófobos : Cuando las moléculas de la fase dispersa repelen el agua. Son inestables, las moléculas de la fase dispersa tienden a juntarse. Se pueden estabilizar cuando actúan sustancias que impiden esta unión. Ej. aceite en el agua forma emulsión inestable, se estabiliza por los jabones.
6. SALES MINERALES
Son moléculas inorgánicas que están presentes en la materia viva en pequeña cantidad. Son importantes entre otras cosas porque aportan al organismo elementos necesarios. Se pueden encontrar de varias formas: precipitadas, disueltas y asociadas a moléculas orgánicas
F 0 B 7 Precipitadas : En este caso son insolubles y forman parte de estructuras sólidas (huesos, caparazones, espículas, etc) a los que dan dureza y rigidez, que facilita su función de sostén y protección. Así tenemos: -Carbonato cálcico se encuentra en los caparazones de diversos animales (moluscos, crustáceos, protozoos, corales, etc.) -Fluoruro de calcio en los dientes. -Fosfatos y carbonatos cálcico se encuentra en los huesos de los vertebrados. -Sílice en los caparazones de diatomeas, espículas de esponjas, en ciertas estructura de sostén de los vegetales (gramíneas, etc).
F 0 B 7 Disueltas : En este caso están disociadas en iones que pueden ser: Aniones: Cl-^ ,CO 3 2-^ ,HCO 3 -^ ,PO 4 3-^ etc Cationes: K+^ ,Na +^ ,Ca2+^ etc
Cuando están disueltas desempeñan principalmente las siguientes funciones: 1º.- Regulan los fenómenos osmóticos. Manteniendo el grado de salinidad del medio interno, ya que, sí este varía pueden producirse fenómenos osmóticos desfavorables para las células. 2º- Mantienen el pH del medio interno , impidiendo que se produzcan variaciones del mismo, esto lo hacen formando disoluciones amortiguadoras de pH. 3º- Algunos cationes provenientes de la disociación de las sales realizan acciones específicas muy importantes. Ejemplo Na +^ y K+^ intervienen en la propagación del impulso nervioso. Ca2+^ interviene en la coagulación, en la contracción muscular, etc.
F 0 B 7 Formando^ parte^ de^ moléculas^ orgánicas.^ Algunos^ iones^ están^ asociados^ a moléculas orgánicas, así tenemos Fofafo forma parte de las fosfoproteínas, fosfolípidos, ATP, ác. Nucleicos, etc. Hierro forma parte de la hemoglobina. Magnesio de la clorofila. Cobalto de la vitamina B 12
7. ÓSMOSIS.
Es el proceso físico mediante el cual se iguala la concentración de dos disoluciones que tienen diferente concentración si están separadas por una membrana semipermeable, la cual solo deja pasar a través de ella moléculas de disolvente (agua) y no de soluto. Mediante este proceso pasa agua de la disolución más diluida a la más concentrada, hasta que ambas disoluciones igualan su concentración. La cantidad de agua que pasa depende únicamente de la concentración de las disoluciones y no de la naturaleza del soluto, por ello contribuyen por igual en los fenómenos osmóticos las sales y las sustancias orgánicas.
A la disolución que tiene mayor concentración se la denomina hipertónica o hiperosmótica, mientras que a la más diluida se la llama hopotónica o hipoosmótica , si ambas tienen la misma concentración se denominan isotónicas o isoosmóticas.
Presión osmótica ( F 07 0) sería la presión que habría que hacer para detener el flujo de agua a través de la membrana semipermeable debido a la ósmosis.
Las membranas celulares funcionan como membranas semipermeables, por ello es importante que las células estén en equilibrio osmótico con los líquidos extracelulares que las bañan. F 0 B 7Si la^ célula^ se encuentra en un^ medio hipertónico^ respecto al medio intracelular,
Los líquidos que forman el medio interno tienen un pH constante próximo a la neutralidad. Para que los procesos biológicos que tienen lugar en este medio interno se desarrollen con normalidad, es necesario que no se produzcan variaciones bruscas del pH. En los procesos metabólicos se están desprendiendo continuamente productos ácidos y básicos que variarían el pH. Para evitar esto los seres vivos han desarrollado unos mecanismos químicos que tienen como función mantener constante el pH del medio interno. Estos mecanismos son las disoluciones amortiguadoras, reguladoras, tampón o buffer Estas soluciones están formadas por una mezcla de dos sustancias que actúan una como ácido y la otra como base y que se mantienen en equilibrio. Por lo general suelen ser un ácido débil y la sal de dicho ácido.
El funcionamiento en esencia consiste en lo siguiente:
AH F 0A CF 0B EF 0B EF 0A E A-^ + H + ácido base
F 0 B 7Si hay un aumento de H^ +^ en el medio disminuye el pH, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, actúa el componente básico de la reguladora que reacciona con ellos y se rebaja la concentración de H+^ y el pH aumenta. F 0 B 7Si hay una disminución de H+^ aumenta el pH-^ , el equilibrio se desplaza hacia la derecha, actúa el componente ácido de la reguladora y se liberan H +^ aumentando su
concentración y disminuye el pH.
Los amortiguadores más importantes en los seres vivos son:
F 0 A 8 Sistema carbónico - ión bicarbonato : Esta presente en los líquidos extracelulares. Esta formado por el par ión bicarbonato- ácido carbónico, que a su vez se disocia en dióxido de carbono y agua.
H2CO 3 F 0A CF 0B EF 0B EF 0B EF 0A E HCO 3 -^ + H+ ácido base F 0 B 7Si hay un exceso de H^ +, la reacción se desplaza hacia la izquierda, tiene lugar la siguiente reacción:
HCO 3 -^ + H+^ F 0B EF 0B EF 0B EF 0B EF 0A E H (^) 2CO 3 F 0B EF 0B EF 0B EF 0A E CO 2 + H (^) 2O
F 0 B 7Si hay un déficit de H^ +, la reacción se desplaza hacia la derecha, tiene lugar la siguiente reacción:
H2CO 3 F 0B EF 0B EF 0B EF 0A E H CO 3 -^ + H+
F 0 A 8 Sistema de los iones fosfato : Esta presente en los líquidos intracelulares. Esta formado por los iones monohidrogenofosfato (base) y el ión dihidrogenofosfato (ácido).
H2PO 4 -^ F 0A CF 0B EF 0B EF 0B EF 0A E HPO 4 2-^ + H+ ácido base
F 0 B 7Si hay un exceso de H^ +, tiene lugar la siguiente reacción:
HPO 4 2-^ + H +^ F 0B EF 0B EF 0B EF 0A E H (^) 2PO 4 -
F 0 B 7Si hay un defecto de H^ +^ tiene lugar la siguiente reacción:
H2PO 4 -^ F 0B EF 0B EF 0B EF 0A E HPO 4 2-^ + H+
