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BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS
LOS BIOELEMENTOS: CONCEPTO Y CLASES
Los bioelementos son los elementos químicos que constituyen los seres vivos. De los aproximadamente 100 elementos químicos que existen en la naturaleza, unos 70 se encuentran en los seres vivos. De estos sólo unos 22 se encuentran en todos en cierta abundancia y cumplen una cierta función. Clasificaremos los bioelementos en: >Bioelementos primarios: O, C, H, N, P y S. Representan en su conjunto el 96,2% del total. >Bioelementos secundarios : Na+^ , K+^ , Ca2+^ , Mg2+^ , Cl-. Aunque se encuentran en menor proporción que los primarios, son también imprescindibles para los seres vivos. En medio acuoso se encuentran siempre ionizados. Oligoelementos o elementos vestigiales : Son aquellos bioelementos que se encuentran en los seres vivos en un porcentaje menor del 0.1%. Algunos, los indispensables , se encuentran en todos los seres vivos, mientras que otros, variables , solamente los necesitan algunos organismos. TABLA BIOELEMENTOS OLIGOELEMENTOS Primarios Secundarios Indispensables Variables O C H N P S Na+ K+ Mg2 + Ca2 + Cl- Mn Fe Co Cu Zn
B
Al V Mo I Si
PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LOS BIOELEMENTOS PRIMARIOS
El hecho de que los bioelementos primarios sean tan abundantes en los seres vivos se debe a que presentan ciertas características que los hacen idóneos para formar las moléculas de los seres vivos. Así:
- Aunque no son de los más abundantes, todos ellos se encuentran con cierta facilidad en las capas más externas de la Tierra (corteza, atmósfera e hidrosfera). TABLA Los elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre y en los seres vivos (en % en peso). Elementos Corteza (%) Elementos Seres vivos (%) Oxígeno Silicio Aluminio Hierro
Oxígeno Carbono Hidrógeno Nitrógeno
- Sus compuestos presentan polaridad por lo que fácilmente se disuelven en el agua, lo que facilita su incorporación y eliminación.
- El C y el N presentan la misma afinidad para unirse al oxígeno o al hidrógeno, por lo que pasan con la misma facilidad del estado oxidado al reducido. Esto es de gran importancia, pues los procesos de oxidación-reducción son la base de muchos procesos químicos muy importantes y en particular de los relacionados con la obtención de energía como la fotosíntesis y la respiración celular. 15 Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lw Cs Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Fr Ra Ac Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Na Mg Al Si P S Cl Ar Li Be B C N O F Ne H He Tabla de los Bioelementos Primarios Secundarios Bioelementos Indispensables Variables Oligoelementos
así: -Glúcidos y lípidos tienen esencialmente funciones energéticas y estructurales. -Las proteínas: enzimáticas y estructurales. -Los ácidos nucleicos son los responsables de la información genética. Algunas sustancias son de gran importancia para los seres vivos pero estos las necesitan en muy pequeña cantidad y nunca tienen funciones energéticas ni estructurales. Por esta causa reciben el nombre de biocatalizadores. Son biocatalizadores las vitaminas , las enzimas y las hormonas. REPARTICIÓN DE LOS COMPONENTES MOLECULARES DE LA CÉLULA (en % sobre masa total) Principios inmediatos PROCARIOTAS^ EUCARIOTAS Glúcidos Lípidos Prótidos Ácidos Nucleicos ARN ADN Precursores Agua Sales minerales
EL ENLACE COVALENTE
Los átomos que forman las moléculas orgánicas están unidos mediante enlaces covalentes. Se trata de un enlace muy resistente cuando la molécula está en disolución acuosa, lo que es el caso de los seres vivos. Este tipo de enlace se forma cuando dos átomos comparten uno o más pares de electrones. Si comparten 2 electrones, uno cada átomo, diremos que ambos están unidos mediante un enlace simple; si comparten 4, aportando dos cada uno, el enlace será doble, y si son seis tendremos un enlace triple. Los enlaces se representan mediante trazo entre los átomos a los que une. Así, por Fig. 1 Unión mediante enlaces covalentes de los diferentes átomos que constituyen una biomolécula.
C S H
O
C C
H
H
H H
H
ejemplo: -C-C-, para el enlace simple carbono-carbono o -C=C- , para el doble. Es de destacar que el enlace simple permite el giro, lo que no sucede con los enlaces doble y el triple. El enlace covalente se da entre elementos no metálicos de electronegatividad similar: C-C, C-O, C-N, C-H. Si existe una mayor diferencia de electronegatividad, como ocurre entre el oxígeno y el nitrógeno con el hidrógeno, el elemento más electronegativo (el oxígeno y el nitrógeno, respectivamente) atrae hacia sí los electrones creándose una polaridad. Esto es, la molécula tendrá zonas cor carga eléctrica positiva y otras con carga negativa. CARACTERÍSTICAS DEL ÁTOMO DE CARBONO El carbono es el elemento número 6 de la tabla periódica (Z=6 y A =12). Su estructura electrónica es 1s^2 2s^2 2p^2. Como ya se ha dicho, es el elemento más importante de los seres vivos, aunque no sea el que se encuentra en más abundancia. En la corteza terrestre es un elemento relativamente raro. Lo encontramos en la atmósfera en forma de CO 2 , disuelto en las aguas formando carbonatos y en la corteza constituyendo las rocas calizas (CO 3 Ca) el carbón y el petróleo. LOS ENLACES COVALENTES DEL CARBONO Y DE OTROS BIOELEMENTOS El átomo de carbono tiene 4 electrones en la última capa. Esto hace que pueda unirse a otros átomos mediante cuatro enlaces cova- lentes pudiéndose formar tres estructuras distintas. Estas son:
- La hibridación tetraédrica. En la que el átomo de carbono está unido mediante cuatro enlaces covalentes simples a otros cuatro átomos. En este tipo de hibridación el átomo de carbono ocupa el centro de un tetraedro y los cuatro enlaces simples se dirigen hacia sus vértices. Fig. 2 Polaridad del enlace-O-H y del enlace >N- H. δ - δ + Polaridad del enlace – O-H δ - δ + Polaridad del enlace – N-H Fig. 4 Enlaces covalentes que pueden tener el resto de los bioelementos primarios.
H
El hidrógeno tiene un electrón de valencia.
O N
O
El oxígeno tiene dos electrones de valencia.
N
N
El nitrógeno tiene tres electrones de valencia.
S
S
El azufre tiene dos electrones de valencia. Fig. 3 Enlaces covalentes que puede tener el átomo de carbono al unirse a otros bioelementos.
C
Cuatro simples
C
Uno doble y dos simples
C
Uno triple y uno simple.
C
Dos dobles.
Las cuatro primeras están formadas por C, H, y O (funciones oxigenadas); las dos siguientes, por tener nitrógeno, se denominan funciones nitrogenadas. Los aldehídos se diferencian de las cetonas por estar siempre en un carbono situado en el extremo de la molécula; esto es, el carbono que lleva una función aldehído se encuentra unido a otro carbono o a un hidrógeno. Entre las funciones con azufre la más importante en los compuestos de los seres vivos es la función tiol (-SH). Encontraremos esta función en algunos aminoácidos. El fósforo se encuentra sobre todo en los ácidos nucleicos y sus derivados en forma de ácido fosfórico (H 3 PO 4 ) o sus iones (iones fosfato). Las diferentes funciones pueden representarse de una manera simplificada tal y como se indica en la figura. ALGUNAS PROPIEDADES QUÍ MICAS DE LAS FUNCIONES ORGÁNICAS Los alcoholes por deshidrogenación (oxidación) se transforman en aldehídos o cetonas y estos por una nueva oxidación dan ácidos. Por el contrario, los ácidos por reducción dan aldehídos y estos a su vez dan alcoholes. Estos procesos son de gran importancia en el metabolismo de los seres vivos, en particular en los procesos de obtención de energía. FORMULACIÓN DE LAS BIOMOLÉCULAS Las sustancias orgánicas pueden representarse mediante diferentes tipos de fórmulas. Estas pueden ser: a) Fórmulas desarrolladas o estructurales : En ellas se indican todos los átomos que forman la molécula y todos los enlaces covalentes los unen. Este tipo de fórmulas da la máxima información pero las moléculas complejas es laborioso representarlas. b) Fórmulas semidesarrolladas : en las que se indican únicamente los enlaces de la cadena Fig. 8 Los principales grupos funcionales. Fig. 9 Representación en un modelo de esferas de una biomolécula: un aminoácido.
C O
Función alcohol
H
C O
Función aldehído
H
C
Función cetona
O
C S
Función tiol
H
C O
Función ácido
H
O
C N
Función amina
H
H C
O^ Función amida
N
H
H
- En los enlaces libres sólo puede haber o carbonos o hidrógenos.
C^ C
Fig. 10 Fórmulas desarrollada, semidesarrollada y empírica del etano. C H H H C Fórmula desarrollada H H H Fórmula semidesarrollada CH 3 - CH 3 Fórmula empírica C 2 H 6
carbonada. El resto de los átomos que están unidos a un determinado carbono se agrupan según ciertas normas (ejemplo: CH 3 -, -CH 2 - , CH 2 OH-, -CHOH-, CHO-, -CO-, -COOH, -CHNH 2 -). c) Fórmulas empíricas : En ellas se indican únicamente el número de átomos de cada elemento que hay en la molécula; así, fórmula empírica de la glucosa: C 6 H 12 O 6. Es de destacar que las fórmulas empíricas no dan una idea de la estructura de la molécula y que puede haber muchos compuestos que, siendo diferentes, tengan la misma fórmula empírica y diferente fórmula estructural. En ciertos casos, por ejemplo, si la molécula es muy compleja, se recurre a determinadas simplificaciones. Así, las largas cadenas carbonadas de los ácidos grasos pueden representarse mediante una línea quebrada en la que no se indican ni los carbonos ni los hidrógenos pero sí se indican las funciones, los dobles enlaces u otras variaciones que posea la molécula. También se simplifican las cadenas cíclicas, en las que a veces tampoco se indican ni los carbonos ni los hidrógenos. CONCEPTOS DE POLÍMERO Y MONÓMERO Frecuentemente los compuestos que constituyen los seres vivos están formados por la unión más o menos repetitiva de moléculas menores. Por ejemplo, el almidón y la celulosa están formados por la unión de miles de moléculas de glucosa. Las proteínas por decenas, centenares o miles de aminoácidos, y la unión de miles o millones de nucleótidos forma los ácidos nucleicos. Cada una de las unidades menores que forman estas grandes moléculas es un monómero y el compuesto que resulta de la unión se llama polímero. Los polímeros son, a su vez, macromoléculas , moléculas de elevado peso molecular. Pequeñas moléculas.........................................................................de 100 u a 1000 u Grandes moléculas ( macromoléculas) ..................................... de 10^4 u a más de 10^6 u Unidad de masa molecular: unidad de masa atómica (u) o dalton (da). 1u = 1da = 1,660*10 -24^ g Fig. 12 Representación semidesarrollada de los principales grupos funcionales. Fig. 13 Representación simplificada de una biomolécula. COOH OH OH O Función alcohol
CHO
Función aldehído
CO
Función cetona
CHSH
Función tiol
COOH
Función ácido
CH 2 NH 2
CONH 2
Función amida
CH 2 OH C C
Fig. 11 Ejemplo de representación entre desarrollada y semidesarrollada de la glucosa, en la que algunas funciones se han agrupado. O OH OH OH H H H H (^) H CH 2 OH OH C C^ C C C
que componen algunas moléculas proteicas. 3-Enlaces o puentes de hidrógeno. Se trata de enlaces débiles pero que si se dan en gran número pueden llegar a dar una gran esta- bilidad a las moléculas. Los enlaces de hidrógeno se deben a la mayor o menor electronegatividad de los elementos que participan en un enlace covalente. Así, por ejemplo, en los grupos -C-O-H, el oxíge no es más electronegativo que el hidrógeno y atrae hacia sí el par de electrones que forma el enlace covalente. En las proximidades del oxíge no habrá un exceso de carga negativa y, por el contrario, el hidrógeno estará cargado positivamente. Lo mismo sucede con los grupos -C-N-H, u otros, en los que también se produce una diferencia de electronegatividad. Como consecuencia se generarán fuerzas eléctricas entre átomos que presentan un exceso de carga positiva (H) y otros con exceso de carga negativa (O, por ejemplo). Estos enlaces son de gran importancia en determinados compuestos y, en particular, en las proteínas y en los ácidos nucleicos. 4-Fuerzas de Van der Waals. Se trata de fuerzas de carácter eléctrico debidas a peque- ñas fluctuaciones en la carga de los átomos. Actúan cuando las moléculas se encuentran muy próximas unas a otras. 5- Uniones hidrofóbicas. Ciertas sustancias insolubles en agua cuando están en un medio acuoso van a mantenerse unidas entre sí por su repulsión al medio en el que se encuentran. Estas uniones, aunque son muy débiles, van a ser de gran importancia en el mantenimiento de los componentes lipídicos de la membranas celulares y en la configuración de muchas proteínas. Es de destacar que los enlaces más débiles, iónicos y de hidrógeno, particularmente, pueden contribuir en gran manera a la estabilidad de la configuración de una molécula cuando se dan en gran número. Fig. 16 Puentes disulfuro (4) entre las subunidades de una proteína. Fig. 15 Enlaces iónicos entre grupos -COOH y H 2 N- Grupo - COOH
- + Grupo H 2 N-C- Fig. 17 Puentes o enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas del ADN.
