Tema 1 bioelementos. | Apuntes de Bioquímica

TEMA 1: Bioelementos y biomoléculas

BIOELEMENTOS:

Son los componentes orgánicos esenciales que forman parte de los seres vivos. El 99% de

la masa de la mayoría de las células está constituida por C, H, O, N. Se clasifican en:

Bioelementos Primarios : C, H, O, N, S, P. Son los más abundantes y se encuentran en

cantidades muy elevadas. Especialmente el H y O ya que al unirse constituyen el H2O.

Bioelementos Secundarios: Iones que aunque se encuentran en menor cantidad, son

esenciales. Ca2+, Cl-, Mg2+, K+, Na+.

Oligoelementos (micro constituyentes): Aquellos que se encuentran en cantidades muy

pequeñas (trazas). Pueden encontrarse en todos los organismos (Co,Cu,Fe,Mn,Zn) o sólo

en algunos (Al, As, B, Cr, F, I...).

Ausencia de algún bioelemento = enfermedad carencial (patología).

Funciones de los Bioelementos : fundamentalmente 3:

1. Plásticas/estructurales: forman parte de huesos, tejidos fibrosos...C, O, H, N, S, P y Ca.

2. Catalíticas: Colaboran con las enzimas para que estas puedan catalizar reacciones

(aumentando su velocidad). Fe (tpte O2/e-) , Zn y el Mg, (cofactores), I (forma parte de las

hormonas tiroideas), o el Co (forma parte de alguna vitamina).

3. Osmóticas: Mantienen el equilibrio osmótico y los potenciales de membrana. Destacan

el Na, K,

Cl y proteínas en forma iónica (Na+ , K+ , Cl- y Prot - ).

Los bioelementos se unen formando BIOMOLÉCULAS o macromoléculas biológicas,

formadas principalmente por C.

Estas biomoléculas son estructuras inanimadas y según su naturaleza se clasifican en:

Biomoléculas inorgánicas: agua, gases (O2 , CO2 , NO) y sales minerales, en forma de

aniones (HPO4- , HCO3 - ...) o cationes (NH4+ ).

Biomoléculas orgánicas: Hidratos de carbono, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

Los enlaces que unen los átomos de las biomoléculas pueden ser:

● Enlaces iónicos: Son fuerzas de “atracción entre iones” que presentan signos contrarios.

forman por la transferencia de electrones, desde el átomo con mayor tendencia a

perderlos, al que tiene mayor afinidad por ellos. Ej.: NaCl.

● Enlaces covalentes: Ocurren al ”compartir electrones” entre dos o más átomos que

tienen una afinidad electrónica semejante. Es el más frecuente en las biomoléculas, es más

fuerte y resistente que el iónico, al ser entre átomos pequeños: H, O, N y C.

● Fuerzas Intermoleculares : Son “fuerzas de atracción débiles entre diferentes moléculas y

iones”. Su importancia radica en la debilidad de su fuerza y su abundancia. Entre estas

fuerzas se encuentran:

Puentes de hidrógeno: Se establece cuando un átomo de hidrógeno sirve como puente

entre dos átomos electronegativos, unido a uno con un enlace covalente, y al otro, con

fuerzas de naturaleza electrostática.

Fuerzas electrostáticas: entre átomos cargados (aniones y cationes).

Fuerzas de Van der Waals: Son fuerzas electrostáticas transitorias. La atracción se

establece entre los extremos de dipolos momentáneos con cargas opuestas.

Interacciones hidrofóbicas: Las moléculas se asocian entre sí, en un medio acuoso, debido

a que las interacciones agua-agua son muy fuertes y rodean a las moléculas apolares. Son

enlaces no polares.

EL AGUA

Es la biomolécula más abundante de la naturaleza. Alrededor del 55-60% de nuestro peso

corporal es agua y es esencial para la asimilación y para la eliminación de residuos del

metabolismo celular. Un hombre sólo aguantaría 3 o 4 días sin ingerir agua.

La distribución del agua corporal es 2⁄3 intracelular y 1⁄3 extracelular → 80% líquido

intersticial y 20% plasma y linfa.

● Tetraedro irregular

● 2 átomosde H y 1 de O

● Unidos por E. covalentes polares (compartiendo el único e- de cada H con los 2 e- del O)

● Se comporta como un dipolo eléctrico (Zona electro + y -) (debido a la + EN del O)

Características físico-químicas del agua:

Las moléculas de agua se unen mediante enlaces de H → Át. O rodeado por 4 át. de H.

Gracias a esta unión, su masa aumenta (+ densidad) y por ello a temperatura ambiente se

encuentra en estado líquido. Además, esta unión configura redes transitorios que

confieren al agua una serie de características físicoquímicas:

+ punto de fusión y ebullición

+ tensión superficial

+ cte dieléctrica

+ capacidad calorífica

- tensión de vapor

Por debajo de 0ºC, el agua se solidifica (hielo). Este está formado por multitud de

tetraedros unidos entre sí, quedando huecos libres entre ellos, aumentando su volumen y

disminuyendo su densidad. Al ser el hielo menos denso que el agua líquida, flota en ella.

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TEMA 1: Bioelementos y biomoléculas BIOELEMENTOS: Son los componentes orgánicos esenciales que forman parte de los seres vivos. El 99% de la masa de la mayoría de las células está constituida por C, H, O, N. Se clasifican en: Bioelementos Primarios : C, H, O, N, S, P. Son los más abundantes y se encuentran en cantidades muy elevadas. Especialmente el H y O ya que al unirse constituyen el H2O. Bioelementos Secundarios: Iones que aunque se encuentran en menor cantidad, son esenciales. Ca2+, Cl-, Mg2+, K+, Na+. Oligoelementos (micro constituyentes): Aquellos que se encuentran en cantidades muy pequeñas (trazas). Pueden encontrarse en todos los organismos (Co,Cu,Fe,Mn,Zn) o sólo en algunos (Al, As, B, Cr, F, I...). Ausencia de algún bioelemento = enfermedad carencial (patología). Funciones de los Bioelementos : fundamentalmente 3:

Plásticas/estructurales: forman parte de huesos, tejidos fibrosos...C, O, H, N, S, P y Ca.
Catalíticas: Colaboran con las enzimas para que estas puedan catalizar reacciones (aumentando su velocidad). Fe (tpte O2/e-) , Zn y el Mg, (cofactores), I (forma parte de las hormonas tiroideas), o el Co (forma parte de alguna vitamina).
Osmóticas: Mantienen el equilibrio osmótico y los potenciales de membrana. Destacan el Na, K, Cl y proteínas en forma iónica (Na+ , K+ , Cl- y Prot - ). Los bioelementos se unen formando BIOMOLÉCULAS o macromoléculas biológicas, formadas principalmente por C. Estas biomoléculas son estructuras inanimadas y según su naturaleza se clasifican en: Biomoléculas inorgánicas: agua, gases (O2 , CO2 , NO) y sales minerales, en forma de aniones (HPO4- , HCO3 - ...) o cationes (NH4+ ). Biomoléculas orgánicas: Hidratos de carbono, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Los enlaces que unen los átomos de las biomoléculas pueden ser: ● Enlaces iónicos: Son fuerzas de “atracción entre iones” que presentan signos contrarios. Se forman por la transferencia de electrones, desde el átomo con mayor tendencia a perderlos, al que tiene mayor afinidad por ellos. Ej.: NaCl. ● Enlaces covalentes: Ocurren al ”compartir electrones” entre dos o más átomos que tienen una afinidad electrónica semejante. Es el más frecuente en las biomoléculas, es más fuerte y resistente que el iónico, al ser entre átomos pequeños: H, O, N y C. ● Fuerzas Intermoleculares : Son “fuerzas de atracción débiles entre diferentes moléculas y iones”. Su importancia radica en la debilidad de su fuerza y su abundancia. Entre estas fuerzas se encuentran: Puentes de hidrógeno: Se establece cuando un átomo de hidrógeno sirve como puente entre dos átomos electronegativos, unido a uno con un enlace covalente, y al otro, con fuerzas de naturaleza electrostática. Fuerzas electrostáticas: entre átomos cargados (aniones y cationes). Fuerzas de Van der Waals: Son fuerzas electrostáticas transitorias. La atracción se establece entre los extremos de dipolos momentáneos con cargas opuestas. Interacciones hidrofóbicas: Las moléculas se asocian entre sí, en un medio acuoso, debido a que las interacciones agua-agua son muy fuertes y rodean a las moléculas apolares. Son

enlaces no polares.

EL AGUA

Es la biomolécula más abundante de la naturaleza. Alrededor del 55-60% de nuestro peso corporal es agua y es esencial para la asimilación y para la eliminación de residuos del metabolismo celular. Un hombre sólo aguantaría 3 o 4 días sin ingerir agua. La distribución del agua corporal es 2⁄3 intracelular y 1⁄3 extracelular → 80% líquido intersticial y 20% plasma y linfa. ● Tetraedro irregular ● 2 átomosde H y 1 de O ● Unidos por E. covalentes polares (compartiendo el único e- de cada H con los 2 e- del O) ● Se comporta como un dipolo eléctrico (Zona electro + y - ) (debido a la + EN del O) Características físico-químicas del agua: Las moléculas de agua se unen mediante enlaces de H → Át. O rodeado por 4 át. de H. Gracias a esta unión, su masa aumenta (+ densidad) y por ello a temperatura ambiente se encuentra en estado líquido. Además, esta unión configura redes transitorios que confieren al agua una serie de características físicoquímicas:

punto de fusión y ebullición
tensión superficial
cte dieléctrica
capacidad calorífica

tensión de vapor Por debajo de 0ºC, el agua se solidifica (hielo). Este está formado por multitud de tetraedros unidos entre sí, quedando huecos libres entre ellos, aumentando su volumen y disminuyendo su densidad. Al ser el hielo menos denso que el agua líquida, flota en ella.

Las capas de hielo flotantes, en la superficie de ríos, lagos, mares, etc. actúan como aislantes térmicos del agua líquida que queda debajo, impidiendo así que se congele todo el agua y manteniendo las condiciones ambientales de los seres vivos que los habitan. Funciones del agua: Son consecuencia de sus propiedades fisicoquímicas:

Disolvente de sustancias. Su gran capacidad de formar puentes de H+ y su carácter dipolar, hace que la mayoría de las sustancias puedan ser disueltas en ella (no todas). Se dice por ello, que el agua es el disolvente universal. Esta capacidad disolvente es la responsable de que sea el medio donde ocurren las reacciones metabólicas.
Termorreguladora. Tiene un ↑ calor específico. Hace falta mucho calor para ↑ su temperatura. Lo que la convierte en un excelente amortiguador térmico del org.
Transporte. Es el medio de tpte de sustancias, desechos y nutrientes en la célula. Además, el agua es el medio por el que se comunican las cél. de nuestros órganos.
Mecánico/amortiguadora. Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos. Es un excelente lubricante, amortigua el roce entre tejidos y órganos.
Química. El agua interviene en la mayoría de reacciones químicas de nuestro metabolismo, tanto en forma de producto, como de sustrato o reactivo, aportando hidrogeniones (H+) o hidroxilos (OH-) al medio de reacción. Es decir, puede comportarse como ácido o como base, ya que es una sustancia anfótera. El agua, molécula anfótera: El agua es una molécula polar neutra, capaz de formar puentes de H+ consigo misma y con otros solutos. La molécula de agua pura, apenas se disocia, es por tanto un electrolito muy débil; mostrando una reacción con el equilibrio muy desplazado hacia la izquierda: El agua pura tiene la capacidad de disociarse en iones, por lo que en realidad se puede considerar una mezcla de: ● Agua molecular (H2O), al ser un electrolito débil, en una solución acuosa siempre habrá una gran proporción de agua no disociada o agua molecular. ● Iones H+ (iones protones o hidrogeniones), aunque en realidad serían Iones hidronio o protones hidratados (H3O+). Al cederlos, el agua actúa como un ácido. ● Iones OH- (iones hidroxilos), son la especie que queda cuando las moléculas de agua ceden sus protones. Al poder aceptar protones, el agua también actúa como una base. Esta característica es la base de la Teoría de Brönsted y Lowry: el agua es una molécula que puede actuar como un ácido, al poder ceder protones (H+ ) y como base, al poder aceptarlos. Las moléculas que presentan esta capacidad, se denominan moléculas anfóteras. Esto hace que el agua sea un excelente disolvente para moléculas polares y solutos cargados. Por ello, al agua se le considera el disolvente universal. Producto iónico del agua: La capacidad de disociación de los iones del agua pura (H2O) es muy débil. Así, la constante de equilibrio del agua pura (Kw) a 25oC se expresa: Kw=[H+]·[OH-]=10-14M Este producto iónico del agua pura es constante. Como las [H+] y [OH-] en el agua pura son iguales, se asume que la [H+] = 10-7 y la de [OH-] = 10- 7 Sörensen (1909) expresó dichas concentraciones en: pH=-log[H+] y por tanto pOH=- log[OH-] Escala de pH: Toda disolución posee un pH. La escala de pH se mide entre 0 y 14 para establecer el grado de acidez (pH < 7.0) o alcalinidad (pH > 7.0), de la solución. Según esto, una:
- Disolución neutra: es aquella cuyo pH=
  - Disolución ácida: es aquella cuyo pH < 7 • Disolución alcalina: es aquella cuyo pH> Los organismos vivos no soportan variaciones del pH mayores de unas décimas de unidad. Por eso, han desarrollado los denominados sistemas amortiguadores, tampones o buffers, que son sistemas que tratan de mantener el pH del medio constante. El pH de nuestro líquido extracelular fluctúa entre 7,35 y 7,45 (ligeramente alcalinos). El pH de la sangre arterial es de 7,42 y el de la sangre venosa es de 7,36. Así:
- Cuando el pH de la sangre baja de 7,35 → Acidemia
- Cuando el pH de la sangre sube de 7,45 → Alcalemia Estos son términos analíticos, y no deben confundirse con los términos clínicos de: ● Acidosis: término clínico que indica un trastorno caracterizado por la disminución generalizada del pH en el organismo, que puede llegar a producir acidemia. La acidosis aumenta el gasto cardíaco y la presión arterial. ● Alcalosis: término clínico que indica un trastorno caracterizado por el aumento generalizado del pH en el organismo, que puede llegar a producir alcalemia. La alcalosis produce vasoconstricción de pequeñas arterias y puede provocar arritmias. Tanto la acidosis como la alcalosis pueden ocurrir por causas metabólicas o respiratorias, pero si están compensadas → estos pacientes pueden presentar un pH sanguíneo normal. La determinación de los valores de CO2 y HCO3-, nos dará la clave para el diagnóstico. Soluciones amortiguadoras de pH, tampones o buffers Son disoluciones que, tras añadir pequeñas cantidades de ácido o base, son capaces de

TAMPÓN FOSFATO

Junto a las proteínas celulares, es el sistema amortiguador fisiológico más importante a nivel intracelular. El ácido fosfórico tiene tres protones disociables (meta, orto y piro), pudiendo establecer tres equilibrios, cada uno con su constante de disociación (Ka) que, en condiciones estándar (pH 7 y 25oC), presentan 3 pKa diferentes: Sin embargo, teniendo en cuenta la fuerza iónica del plasma, la célula solo puede usar como sistema amortiguador el par de la 2a ionización del fosfato, formada por los iones: dihidrógeno fosfato (H2PO4-) / (HPO42-) monohidrógeno fosfato. En condiciones fisiológicas (pH 7.4 y Ta 37oC), este par presenta un pKa = 6, Aplicando la Ec. de Henderson-Hasselbalch: 7,4 = 6,8 + log [HPO42-]/[H2PO4-]; [HPO42-]/[H2PO4-] = 4 Es decir, a pH fisiológico (7,4), la concentración de la sal[HPO42-] es 4 veces superior (80%) a la del ácido [H2PO4-] (20%). A nivel extracelular (plasma) la [HPO42-] es baja (~1- 2 mEq/L) teniendo escasa capacidad amortiguadora, comparada con otros tampones como el bicarbonato. En cambio, a nivel intracelular sus concentraciones son muy elevadas (~ mEq/L), convirtiéndolo en un tampón eficaz para amortiguar los cambios de pH intracelulares. TAMPÓN PROTEÍNAS Las proteínas: Los aá y prot poseen grupos ionizables: - NH3+ (amino) y - COO- (carboxilo), por ello son moléculas anfóteras, cuya carga dependerá del pH del medio. Así, en un medio muy básico, los aá estarán cargados (-), mientras que en un medio ácido estarán cargados (+). Por tanto, son amortiguadores muy interesantes a nivel tisular. La hemoglobina (Hb), es una hemoproteína muy abundante en la sangre (15 % del vol. total sanguíneo), muy rica en His cuyo pI ≈ 7, siendo un amortiguador fisiológico muy eficiente. Pero además, su poder amortiguador se hace excepcional porque el pKa de su grupo funcional imidazol (lugar de unión al hierro del grupo hemo), se modifica en función de que la Hb esté unida al O2 (HbO2 ) o no (Hb). El tampón Hb utiliza el par: HHbO2= HbO2- / HHb Hb- + H+ OxiHb (HbO2 ): Desoxi Hb (Hb): Es decir, la OxiHb (HbO2 ) es un ácido más fuerte que la desoxiHb (Hb) porque su pKa es menor. Si el pH interno del eritrocito es 7,4 y aplicamos la Ec. de Henderson-Hasselbalch:  En la oxiHb, el 80% estará en forma disociada (HbO2-) y el 20% en forma reducida, no disociada (HHbO2).  En la desoxiHb, en cambio, el 80% estará en forma reducida (HHb) no disociada, y el 20% en forma disociada (Hb- ). Todo ello hace de la Hb un amortiguador muy eficaz, al ser capaz de modificar su pKa simplemente liberando O2 , soportando así grandes cambios en la proporción [sal]/[ácido], impidiendo que se produzcan cambios en el pH del medio.

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TAMPÓN FOSFATO