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Biología
Tema 1: Bioelementos y biomoléculas. Agua y sales minerales
1.LOS SERES VIVOS Y SU ORGANIZACIÓN
La biología es la ciencia que estudia los seres vivos tanto a nivel estructural como funcional. Todos los seres vivos están formados por células: son sistemas que llevan a cabo una serie de funciones vitales que los distinguen de la materia inerte. Algunas características de los seres vivos: ● Complejidad, organización y diversidad. Los seres vivos son estructuras complejas formadas por una o muchas células. Todos poseen proteínas y ácidos nucleicos. Son sistemas altamente organizados. ● Respiración. Con la respiración, los nutrientes contenidos en los alimentos se oxidan completamente y liberan energía. Para ello se consume oxígeno y se libera dióxido de carbono al exterior. ● Respuesta ante estímulos. Los seres vivos captan los cambios que se producen en su entorno, y responden a ellos elaborando respuestas adecuadas. ● Información genética. Los seres vivos transmiten a su descendencia un conjunto de características físicas, bioquímicas y fisiológicas. Esta información genética se almacena en el ADN en forma de genes. ● Metabolismo. Todos necesitan mantener un intercambio de materia y energía con el entorno. A través de la alimentación incorporan sustancias que son transformadas en el interior, mediante reacciones químicas, en materia propia y energía, que emplean en llevar a cabo sus funciones vitales. ● Liberación de productos de desecho. Como consecuencia del metabolismo y la respiración se generan una serie de sustancias de desecho que es necesario eliminar al exterior. ● Crecimiento. Todo ser vivo pasa por uno o varios períodos de crecimiento en los que aumenta su tamaño corporal. ● Reproducción. Los seres vivos pueden generar copias de sí mismos, con las que aseguran la perpetuidad de la especie. A través de la reproducción transmiten su información genética. ● Evolución. Los seres vivos tienen la capacidad de adaptarse para sobrevivir a los cambios ambientales y transmitir esas adaptaciones a sus descendientes.
1.1.LOS NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LOS SERES VIVOS
La materia que forma los seres vivos se organiza en distintos niveles. Cada nivel presenta unas propiedades emergentes que no se dan en los niveles inferiores. Hay dos tipos: ★ Abióticos: formados por los contribuyentes químicos que contienen tanto la materia viva como la inerte. ★ Bióticos: son exclusivos de los seres vivos.
1. Nivel subatómico -> protones, neutrones y electrones. 2. Nivel atómico -> Lo componen los átomos. 3. Nivel molecular -> Formado por moléculas, hay moléculas más sencillas y otras más complejas. 4. Orgánulos celulares -> Estructura específica dentro de una célula. 5. Célula -> Unidad estructural y fisiológica de todos los seres vivos. 6. Tejido -> Conjunto de células similares especializadas en una función determinada. 7. Órgano -> Diversos tejidos que realizan una función concreta en el organismo. 8. Sistema y aparato -> Agrupaciones de órganos que participan de forma conjunta en una misma función. 9. Individuo -> Conjunto de aparatos y sistemas que forman un ser vivo. 10. Población -> Grupo de individuos de una misma especie que viven en un área determinada. 11. Comunidad o biocenosis -> Conjunto de todas las poblaciones que comparten un mismo espacio. 12. Biosfera -> Conjunto de todas las especies de seres vivos de la Tierra.
Se pueden generar dipolos instantáneos por desplazamientos de carga durante un instante dado. Esto provoca dipolos inducidos en las moléculas vecinas, que hace que los átomos permanezcan unidos por un pequeño momento ★ Puentes de hidrógeno. Se establecen entre un átomo de hidrógeno y otros átomos muy electronegativos, como el flúor, el oxígeno o el nitrógeno. El átomo de hidrógeno, al quedar próximo a otros átomos de moléculas, establece pequeñas fuerzas de atracción entre ellos. Suele ser intermolecular, pero también puede ser intramolecular. En una misma molécula de proteína pueden generarse puentes de hidrógeno.
3.LOS BIOELEMENTOS
Los bioelementos son aquellos elementos químicos que forman parte de la materia viva. Bioelementos primarios. Son los más abundantes en los seres vivos. Son indispensables para la formación de biomoléculas orgánicas, así como de biomoléculas inorgánicas. ❖ El carbono y el hidrógeno forman las largas cadenas que componen los esqueletos de las biomoléculas. El hidrógeno está también presente en las moléculas de agua. ❖ El oxígeno es un elemento muy electronegativo que establece enlaces polares con el hidrógeno. ❖ El nitrógeno forma el grupo amino en las proteínas. ❖ El azufre está presente en muchas proteínas. Participa en los enlaces disulfuro que mantienen la estructura de las proteínas. ❖ El fósforo forma parte de los fosfolípidos, se encuentra en los ácidos nucleicos, en moléculas energéticas como el ATP o como fosfato en los huesos y dientes.
Bioelementos secundarios Están presentes en todos los seres vivos, pero en menor proporción. ❖ El sodio, el potasio y el cloro se encuentran disueltos en medios internos y externos de las células. Mantienen el grado de salinidad y el equilibrio de cargas. ❖ El calcio da lugar a estructuras esqueléticas. Participa en numerosas funciones, como la transmisión del impulso nervioso o la contracción muscular. ❖ El magnesio se encuentra en muchas enzimas y en la clorofila de las plantas. Interviene también en la replicación del ADN y en la síntesis de ARN. Oligoelementos Se encuentran en proporciones inferiores al 0´1%, pero son indispensables para que se lleven a cabo los diferentes procesos fisiológicos. Su falta o una concentración mayor de su nivel normal es perjudicial para el organismo. ❖ El hierro forma parte de la hemoglobina, molécula encargada de llevar el oxígeno de los pulmones a las células. ❖ Otros oligoelementos son el litio, el silicio, el flúor, el cobre, el zinc, el yodo o el cobalto.
4.LAS BIOMOLÉCULAS
Las biomoléculas o principios activos están compuestas por bioelementos y son las moléculas que forman parte de los seres vivos. ★ Inorgánicas. Presentes en los seres vivos y en la materia inorgánica. ➢ Agua. ➢ Sales minerales. ➢ Gases. ★ Orgánicas. Son exclusivas de los seres vivos. ➢ Glúcidos. ➢ Lípidos. ➢ Proteínas. ➢ Ácidos nucleicos.
❖ Es una molécula polar. La electronegatividad del oxígeno es mayor que la del hidrógeno, por lo que los pares de electrones compartidos se ven atraídos con más fuerza por el átomo de oxígeno. A pesar de ser una molécula neutra, se comporta como un dipolo eléctrico, se crean dos polos en la molécula, uno positivo en los hidrógenos y uno negativo en el oxígeno. Estructura líquida del agua El agua es líquida. Debido al carácter polar, las moléculas de agua próximas tienden a asociarse, de manera que la zona cargada negativamente de una de ellas es atraída por la zona con carga positiva de otra, estableciéndose entre ambas enlaces o puentes de hidrógeno que convierten el agua en una sustancia muy cohesiva. Cada molécula de agua puede llegar a formar hasta cuatro enlaces de hidrógeno, dando lugar a una estructura tetraédrica altamente ordenada. De acuerdo con la cantidad e intensidad de puentes de hidrógeno, el agua existirá en uno de los tres estados: gas, líquido y sólido. Propiedad exclusiva de esta sustancia.
5.2.LAS PROPIEDADES DEL AGUA
Las propiedades fisicoquímicas del agua derivan de su polaridad y de la cohesión entre sus moléculas. ★ Elevado poder disolvente. El agua es una molécula altamente reactiva que puede disolver una gran variedad de sustancias, lo que la convierte en un disolvente universal. Así establece fuerzas de solvatación con sustancias iónicas o enlaces de hidrógeno con moléculas polares. ★ Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas. Gracias a los puentes de hidrógeno, las moléculas de agua están muy cohesionadas, es decir, muy unidas entre sí, lo que hace que sea un líquido incompresible. No es fácil reducir su volumen mediante presión, pues las moléculas de agua están enlazadas entre sí manteniendo unas distancias intermoleculares más o menos fijas.
★ Elevada fuerza de adhesión. Permite a las moléculas de agua unirse a otras moléculas diferentes. Los puentes de hidrógeno entre moléculas de agua facilitan esta adhesión. ★ Elevado calor específico. Se necesita mucha energía para elevar la temperatura del agua en un grado. El agua es capaz de absorber o liberar grandes cantidades de calor sin que haya grandes variaciones en su temperatura. Se debe a que gran parte de dicha energía se emplea en romper los puentes de hidrógeno y no en elevar su temperatura. ★ Elevado calor de vaporización. Para pasar del estado líquido al estado gaseoso hace falta romper los puentes de hidrógeno y para ello se precisa mucha energía, que se toma del entorno. ★ Mayor densidad en estado líquido que en sólido. Cuando el agua alcanza los 4*C se dilata hasta transformarse en hielo, que es menos denso que el agua líquida y flota sobre ella. ★ Elevada tensión superficial. La elevada cohesión entre sus moléculas explica que el agua tenga una elevada tensión superficial, es decir, que su superficie opone una gran resistencia a romperse. ★ Bajo grado de ionización. Solo un reducido número de moléculas de agua están disociadas en iones. En el agua pura, solo una molécula de cada diez millones está disociada. ★ Alta conductividad térmica. El agua conduce muy bien el calor por conducción, es decir, por contacto directo y sin intercambio de materia. ★ Baja viscosidad. El agua posee una baja viscosidad en comparación con otros líquidos, lo que le permite fluir. ★ Transparencia del agua. Permite que la luz la atraviese y llegue a los productores en los sistemas acuáticos.
5.3.LAS FUNCIONES DEL AGUA EN LOS SERES VIVOS
★ Transporte y disolución. El agua es el medio de transporte de numerosas sustancias desde el exterior al interior de los organismos y en el propio organismo.
6.1.LAS FUNCIONES DE LAS SALES MINERALES
★ Estructural. Las sales minerales precipitadas constituyen estructuras de sostén o de protección como huesos o caparazones. ★ Catalítica. Algunos iones actúan como cofactores enzimáticos necesarios para que las enzimas se inhiban o se activen. ★ Mantenimiento del grado de salinidad del organismo. El medio interno de los organismos presenta unas concentraciones iónicas constantes. Una variación en ellas provoca alteraciones de la permeabilidad, la excitabilidad y la contractibilidad de las células. ★ Regulación del pH. El pH es la medida de acidez o alcalinidad de una disolución acuosa. Las sales minerales disueltas se ionizan en mayor o menor grado ayudando a mantener el pH del medio.
7.DISPERSIONES COLOIDALES Y DISOLUCIONES VERDADERAS
El agua está presente en el interior de todos los seres vivos formando disoluciones. Una disolución es una mezcla que consta de una fase dispersante, el disolvente, y una fase dispersa, un soluto disuelto. Dispersiones coloidales Las moléculas de soluto disueltas son de alto peso molecular. Se denominan coloides. Los solutos son polisacáridos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. ● Son mezclas heterogéneas en las que el soluto no se ve a simple vista. ● Las partículas de la fase dispersa se sedimentan por ultracentrifugación, es decir, al someterlas a fuertes campos gravitatorios. ● Son translúcidas, a veces transparentes y claras. Se manifiesta el efecto Tyndall, las partículas dispersan rayos de luz y al iluminar la dispersión lateralmente es posible verlas. ● Presentan una elevada viscosidad debido a sus moléculas de gran tamaño.
● Pueden manifestarse en forma de: ➔ Sol: aspecto líquido. ➔ Gel: con aspecto gelatinoso y mayor viscosidad. Formado por una red de fibras que retienen el líquido. En las células, de sol se puede pasar a gel y viceversa, aunque a veces este proceso no es reversible, dependerá de la síntesis o degradación de las proteínas. Disoluciones verdaderas Las moléculas de soluto disueltas son de bajo peso molecular. Se denominan cristaloides. Los solutos son iones de sales y moléculas orgánicas sencillas. ● Son mezclas homogéneas en las que las moléculas de soluto se disuelven de tal manera que no se ven a simple vista. ● Las partículas de la fase dispersa no se sedimentan por ultracentrifugación. ● Suelen ser transparentes y claras, permiten el paso de la luz, pero no presentan el efecto Tyndall. ● Tienen baja viscosidad. ● Nunca presentan estado de gel.
8.PROCESOS DE DIFUSIÓN, DIÁLISIS Y ÓSMOSIS
Son 3 fenómenos presentes en las disoluciones verdaderas y en las dispersiones coloidales de gran importancia en los procesos biológicos. Al poner en contacto dos disoluciones de diferente concentración, el paso de solutos o disolventes de una disolución a otra se da de la más concentrada a la menos concentrada. Se dice que ocurre a favor de gradiente. Una disolución hipertónica tiene más concentración de soluto respecto a otra llamada hipotónica, que tiene menos concentración de soluto. Este proceso ocurre de forma pasiva, sin gasto de energía y hasta que las disoluciones se vuelven isotónicas, es decir igualar sus concentraciones.
Las membranas celulares se comportan como semipermeables, separando medios de diferente concentración, por lo que en ellas tienen lugar fenómenos osmóticos que tienden a mantener el interior celular en equilibrio con su medio. Si la concentración de solutos del medio intracelular es mayor que la del medio extracelular, entrará agua en la célula. Se producirá un hinchamiento de la célula o turgencia celular y una disminución de la presión osmótica dentro de la célula. En las células animales este fenómeno puede producir la rotura o lisis de las propias células. En las células vegetales, el citoplasma se hincha y se comprime. Si la concentración de solutos del medio intracelular es menor que la del medio extracelular, saldrá agua de la célula. Disminuye el volumen celular, las células se arrugan y aumenta la presión osmótica en el interior de la célula. Este fenómeno se conoce como plasmólisis y como crenación en los eritrocitos. Las células vegetales la membrana se despega de la pared celular.
9.EL PH Y LAS DISOLUCIONES TAMPÓN
El pH o potencial de hidrógeno es una escala que se emplea para comprobar el grado de acidez o basicidad de una disolución. ★ Valores de pH inferiores a 7 corresponden a disoluciones ácidas. ★ Valores de pH igual a 7 corresponden a disoluciones neutras. ★ Valores de pH superiores a 7 corresponden a disoluciones básicas o alcalinas
9.1.DISOLUCIONES TAMPÓN O AMORTIGUADORAS
Las células y los líquidos biológicos precisan mantener constante su grado de pH dentro de unos límites fisiológicos. Las disoluciones tampón o amortiguadoras son aquellas que consiguen mantener el pH casi constante al añadir pequeñas cantidades de ácidos o bases.
Sales minerales Las sales minerales disueltas ayudan a contrarrestar los cambios de concentración de iones y amortiguar las variaciones de pH. Proteinas y aminoacidos Ciertas proteínas ejercen una acción amortiguadora en la sangre. Se debe a su carácter anfótero, es decir, a su capacidad de actuar como ácidos o bases según se necesite. Se debe a la presencia de numerosos grupos ionizables en la molécula, que pueden captar o ceder protones.
