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BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS
1. BIOELEMENTOS
Son los elementos químicos que forman parte de la materia viva. De acuerdo con su abundancia se dividen: Bioelementos primarios : Son los que se encuentran en mayor proporción , están presentes en todas las biomoléculas. Representan entorno al 99 % del peso de la materia viva. Son el C, O, H, N y en menor proporción el P y S. Funciones: » Carbono, hidrógeno y oxígeno. Forman parte en distinta proporción de todas las biomoléculas. » Nitrógeno. Forma parte de biomoléculas importantes como las proteínas y los ácidos nucleicos. » Fósforo. Se encuentra en los ácidos nucleicos, fosfolípidos, ATP, estructuras esqueléticas, etc » Azufre. Forma parte de muchas proteínas, de algunas enzimas y vitaminas, etc. 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, Cl, Mg… o Funciones: » Cloro, sodio y potasio. En forma iónica mantienen el equilibrio osmótico e intervienen en la transmisión del impulso nervioso. » Calcio. En forma de carbonato (CaCO 3 ) forma parte de estructuras esqueléticas de muchos animales (huesos dientes, caparazones…etc.), en forma iónica (Ca2+) interviene en muchos procesos como la contracción muscular, coagulación sanguínea, liberación de neurotransmisores durante la sinapsis, formación del huso mitótico, etc. » Magnesio. Forma parte de muchas enzimas, entra en la composición de la clorofila, etc. Oligoelementos: Se encuentran en la materia viva en una proporción inferior al 0,1 %. Desempeñan generalmente funciones catalizadoras formando parte de enzimas, vitaminas, hormonas. ( Fe, I, F, Co, Si, Cu, Zn, Li… Funciones: » Hierro. Interviene en procesos de oxido-reducción cediendo o tomando electrones. Forma parte de proteínas importantes como la hemoglobina y mioglobina que intervienen en el transporte de oxígeno, citocromos que intervienen en la respiración celular. » Iodo : Es necesario para la fabricación de hormona tiroidea. » Flúor : Forma parte del esmalte de los dientes y de los huesos. » Cobalto : Forma parte de la vitamina B 12 y de la nitrogenasa que utilizan algunas bacterias para fijar el nitrógeno atmosférico.
» Silicio : En forma de óxido de silicio da rigidez a los tallos de muchas plantas (gramíneas, equisetos etc) y forma parte del caparazón de microorganismos como las diatomeas. » Cobre y Cinc: actúan como cofactores de muchas enzimas. » Litio : incrementa la secreción de neurotransmisores y favorece la estabilidad del estado de ánimo.
2. BIOMOLECULAS: CONCEPTO Los bioelementos en la materia viva no están libres sino que se unen unos con otros mediante enlaces químicos formando moléculas más o menos complejas llamadas biomoléculas o principios inmediatos. Podemos dividirlas en dos grupos: - 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. **Glúcidos, Lípidos, Ácidos Nucleicos, Proteínas.
- Inorgánicas** : Están presente tanto en la materia viva como en la inerte. **Agua y Sales Minerales.
- EL AGUA: 3.1 GENERALIDADES 3.1 ESTRUCTURA DEL AGUA** Está 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). La 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 es mayor, en la región que ocupa el átomo de oxígeno y; otra con carga positiva , dónde la densidad electrónica es menor, en las regiones que ocupan los átomos de hidrógeno. El 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 dipola r, ya que al formar polímeros las
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 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). 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. Formando parte de moléculas orgánicas. Algunos iones están asociados a moléculas orgánicas , así tenemos Fofato 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 5. 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 hipotónica o hipoosmótica , si ambas tienen la misma concentración se denominan
isotónicas o isoosmóticas. Presión osmótica 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. Si la célula se encuentra en un medio hipertónico respecto al medio intracelular, entonces pierde agua. Las células animales disminuyen su volumen, se arrugan y se deshidratan pudiendo llegar a morir. En las células vegetales la membrana se desprende de la pared lo que puede provocar la rotura de la célula. A este fenómeno se le llama plasmólisis. Si la célula se encuentra en un medio hipotónico respecto al medio intracelular, entonces entrara agua dentro de la misma, como consecuencia se hinchan aumentando el volumen y la presión interior, a este fenómeno se le denomina turgencia. En el caso de las células animales pueden llegar a estallar al no disponer de pared celular, a este hecho se le denomina hemólisis. En el caso de las células vegetales y bacterias no estallan debido a la pared celular. Si la célula se encuentra en un medio isotónico respecto al interior de la célula el agua entra y sale en igual cantidad.
6. IONIZACION DEL AGUA: ESCALA DE pH En el agua la disociación es muy débil, esto significa que la mayor parte del agua se encuentra como H 2 O sin disociar y solo una pequeña parte está disociada. En el agua pura por cada H+^ que se forma, se forma un OH-^ lo que hace que la concentración de ambos iones sea la misma. [H+] = [OH-] = 10- Si aumenta la concentración de uno de los iones disminuye la del otro para mantener constante el producto. Hay sustancias que al disolverse en el agua, aumentan la concentración de hidrogeniones, se denominan ácidos. Otras por el contrario disminuyen la concentración de hidrogeniones se denominan bases. La acidez de una disolución viene determinada por la [H+], Sorensen ideo la escala de pH para expresar la concentración de hidrogeniones de una disolución y por lo tanto la acidez. El pH = - log [H+]. El valor oscila 0 y 14. Si el pH de una disolución es 7 como ocurre en el agua pura, dicha disolución es neutra. H+^ = OH- Si el pH es < 7 ,la disolución es ácida. H+^ > OH-^. Si el pH es > 7 , la disolución es básica. H+< OH-. La escala de pH es logarítmica, es decir que si aumenta o disminuye en una unidad significa que la concentración de H+^ se hará 10 veces menor o mayor. 7. SISTEMAS TAMPON O AMORTIGUADORES DE pH 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
