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Tema 1:
Bioelementos
1.1. Propiedades de los
bioelementos
El carbono
Las moléculas que forman parte de los seres vivos se denominan biomoléculas. Los elementos presentes en la biomoléculas se llaman bioelementos (existen unos 70 diferentes). Los bioelementos que se encuentran en mayor proporción son C , H , O , N , P y S. La razón por la que el C, H, O, N, P y S son los bioelementos mayoritarios reside en las propiedades que presentan: Los seis elementos tienen las capas electrónicas externas incompletas. Esto permite la formación de enlaces covalentes y dan lugar a las biomoléculas que constituirán las estructuras biológicas. Poseen un nº atómico bajo, por lo que los electrones compartidos en la formación de los enlaces se hallan próximos al núcleo y las moléculas originadas son estables. Puesto que el O y el N son elementos electronegativos, muchas moléculas son polares, por lo que son solubles en agua (imprescindible para que tengan lugar las reacciones biológicas). Los bioelementos mayoritarios pueden incorporarse a los seres vivos desde el medio externo, ya que se encuentran en moléculas (CO 2 , H 2 O,…) que pueden ser captadas de manera sencilla. El carbono es abundante en la atmósfera en forma de CO 2 pero es escaso en la corteza terrestre. Sin embargo, los seres vivos tenemos grandes proporciones de carbono formando el esqueleto de nuestras biomoléculas. Presenta una serie de propiedades : Forma enlaces covalentes, que son estables y acumulan mucha energía. Puede formar enlaces, hasta con cuatro elementos distintos, lo que da variabilidad molecular: cuatro orbitales híbridos sp3 orientados a los vértices de un tetraedro. Puede formar enlaces sencillos, dobles o triples. Se puede unir a otros carbonos, formando largas cadenas con gran variedad de grupos funcionales y anillos cíclicos. Los compuestos, siendo estables, a la vez, pueden ser transformados por reacciones químicas. La estructura tetraédrica de sus orbitales los compuestos de carbono tienen diferentes configuraciones tridimensionales (lineales, cíclicas etc.), importantes para sus funciones biológicas. El carbono unido al oxígeno forma compuestos gaseosos como CO2, muy estable y soluble en agua, lo que favorece el intercambio de dicha molécula entre la célula y el medio. Esto es importante para ser utilizado en la fotosíntesis.
1.2. Clasificación de los bioelementos
2. Enlaces
3. Biomoléculas
3.1. El agua
Funciones en el organismo de algunos bioelementos: Carbono : función estructural. Azufre : forma parte de algunos aminoácidos y está presente en casi todas las proteínas. Cloro : participa en la transmisión del impulso nervioso. Hierro : forma parte de la hemoglobina, encargada del transporte de oxígeno. Todas las biomoléculas pueden incluirse en dos grandes grupos: biomoléculas inorgánicas (como ciertos gases, el agua y las sales minerales) y biomoléculas orgánicas , exclusivas de los seres vivos. El agua es un componente muy importante de los seres vivos, pues es la molécula que se encuentra en mayor proporción en todos los organismos. La cantidad de agua presente en los seres vivos depende de tres factores: Tipo de tejido u órgano. Dado que las reacciones químicas tienen lugar en medios acuosos, los tejidos con una gran actividad bioquímica contienen una proporción de agua mayor. Por ello, las estructuras esqueléticas de los animales (que constituyen los órganos de sostén del individuo) poseen los porcentajes más bajos. Edad del individuo. Los organismos jóvenes contienen mayor proporción de agua que los individuos de más edad. Especie. Los organismos acuáticos contienen un porcentaje muy elevado de agua, mientras que los valores más bajos correspondes a especies adaptadas a condiciones de desecación. EBAU
BIOELEMENTOS
MAYORITARIOS
Secundarios, 4.5%
Mg, Ca, K, Na, Cl. (con
funciones fisiológicas)
OLIGOELEMENT
OS, <0.1%
Primarios, 95%
C, H, O, N, P, S » Forman las
biomoléculas
No Esenciales o variables
Si, B, Al, F, I... (hasta
completar los 70)
Esenciales (en todos los
seres vivos)
Fe, Mn, Cu, Zn, Co.
EBAU
Propiedades y funciones del
agua
El agua posee unas propiedades características, derivadas de su estructura, que le confieren una importancia extraordinaria para la existencia y el desarrollo de la vida en nuestro planeta. Poder disolvente del agua Debido a la polaridad de su molécula, el agua se puede interponer entre los iones de las redes cristalinas de los compuestos iónicos, provocar su separación y, por tanto, su disolución. El agua también puede formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas no iónicas, pero que tienen grupos polares, y causar su disolución. Dado que las moléculas deben encontrarse disueltas en un medio líquido para reaccionar entre sí, el agua desempeña un papel fundamental como medio donde tienen lugar reacciones bioquímicas características de la actividad vital. Hay tres tipos de sustancias: o Sustancias que se disuelven en medios acuosos → Hidrofílicas o Sustancias que NO se disuelven en medios acuosos → Hidrofóbicas o Sustancias que se disuelven en medios acuosos y disolventes orgánicos → → Anfipáticas Estado líquido del agua a temperatura ambiente La elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas permite que el agua se mantenga líquida a temperaturas no extremas. Gracias a esta propiedad, el agua actúa como vehículo de transporte en el interior de un organismo vivo y como medio lubricante en las estructuras de movimiento. Esto no ocurre con otras moléculas químicamente relacionadas, como NH3 o H2S, que se encuentran en estado gaseoso a temperatura ambiente. Líquido prácticamente incompresible Debido también al elevado grado de cohesión entre sus moléculas, el volumen del agua líquida no disminuye apreciablemente aunque se apliquen presiones muy altas. Esta propiedad determina las deformaciones citoplasmáticas y permite que el agua actúe como esqueleto hidrostático en las células vegetales. Capilaridad La unión entre moléculas de agua mediante enlaces de hidrógeno les confiere un grado de cohesión muy alto, que, combinado con la adhesión a la superficie de otras estructuras (debido a su polaridad), permite que el agua pueda ascender a lo largo de conductos estrechos. Esta propiedad resulta fundamental para el ascenso de la savia bruta por el xilema de los vegetales.
Elevada tensión superficial En el interior de una masa de agua, las moléculas se cohesionan entre sí mediante puentes de hidrógeno en todas las direcciones del espacio, por lo que las fuerzas se compensan. Sin embargo, las moléculas situadas en la superficie únicamente estás sometidas a la acción de moléculas del interior del líquido. Se origina de esta forma una fuerza neta dirigida hacia el interior del líquido, que se denomina tensión superficial y permite que la superficie libre de agua se comporte como una membrana elástica tensa. Elevado calor específico. Cantidad de calor necesaria para aumentar en 1°C la temperatura de 1g de agua. Cuando se aplica calor al agua, parte de esta energía se emplea en romper los enlaces de hidrógeno y no en elevar su temperatura. Para una cantidad de calor determinada la temperatura del agua asciende más lentamente (desciende también más lentamente al perder calor) que en otros líquidos, lo cual hace posible que los organismos acuáticos puedan vivir en un ambiente con pocas variaciones de temperatura. Los organismos terrestres también se benefician de esta amortiguación térmica gracias a la gran cantidad de agua que contienen. La temperatura corporal debe mantenerse estable en ciertos límites para evitar la alteración de mucha biomoléculas y para que las reacciones biológicas se realicen correctamente. La existencia de un alto porcentaje de agua facilita la estabilidad térmica. Elevado calor de vaporización Para pasar de estado líquido al gaseoso es necesario que los enlaces de hidrógeno se rompan, lo cual requiere un aporte considerable de energía. La extensión de una película de agua sobre una superficie bilógica provoca su refrigeración, ya que al evaporarse tomando energía del medio provoca el enfriamiento del conjunto (por ejemplo, el sudor). Menor densidad del hielo que del agua líquida Cuando un líquido cualquiera se congela, aumenta su densidad, pues el grado de empaquetamiento molecular es mayor. Sin embargo, cuando la temperatura del agua desciende por debajo de los 4°C, sus moléculas se acercan tanto que cada una de ellas puede formar enlaces de hidrógenos con otras cuatro moléculas, y cuando la temperatura alcanza los 0°C, se forma un retículo espacial estable que ocupa más volumen que el agua líquida, por lo que el hielo es menos denso y flota en ella. Este hecho tiene una importante consecuencia biológica: cuando se produce un enfriamiento del agua de los mares y ríos, la superficie se congela pero el fondo permanece líquido porque la capa de hielo superficial actúa como aislante térmico, lo cual permite la supervivencia de los organismos acuáticos durante el invierno.
Funciones de las sales EBAU
minerales
esqueletos, caparazones, o depósitos diversos. Lo más usual, sin embargo, es que aparezcan disueltas y disociadas en sus iones. Entre los aniones y cationes más frecuentes: ANIONES Cl-, CO 3 2-, HCO 3 - CATIONES Na+, K+, Ca2+ Algunos cationes pueden aparecer también asociados a determinadas moléculas orgánicas (proteínas), como el ion ferroso, que interviene en el transporte de oxígeno asociado a la hemoglobina. Función estructural Los huesos, las conchas, los caparazones y las espículas de algunos organismos están formados por sales precipitadas, como fosfatos, carbonatos e incluso sílice. Funciones fisiológicas y bioquímicas Muchos procesos biológicos solo se pueden realizar con la intervención de determinados iones. IONES PROCESOS EN LOS QUE INTERVIENEN Na+^ Equilibrio iónico y acuoso en el medio extracelular. Transmisión de la corriente nerviosa. K+^ Contracción muscular. Transmisión de la corriente nerviosa. Ca2+^ Coagulación de la sangre. Contracción muscular. Transmisión sináptica. Mg2+^ Regulador de la contracción muscular y de la transmisión de la corriente nerviosa. Constituyente de los ribosomas funcionales. Activador y cofactor de algunas enzimas. Los iones realizan funciones biológicas concretas imprescindibles para la actividad vital. De ahí la necesidad de que las concentraciones iónicas se mantengan en un equilibrio constante. Cualquier variación de dicho equilibrio puede provocar importantes alteraciones. Mantenimiento de concentraciones osmóticas adecuadas. Todos los medios líquidos biológicos (sangre, líquido cefalorraquídeo,…) constituyen disoluciones de sales en agua de cuyo grado de concentración depende la estabilidad celular y la realización de algunas funciones elementales. Cuando existen dos disoluciones de diferente concentración separadas por una membrana semipermeable se produce el paso del disolvente (agua en los medios celulares) desde la disolución más diluida ( hipotónica ) hacia la más concentrada ( hipertónica ).
Sistemas tampón biológicos
Cuando el agua pasa a la disolución más hipertónica, esta se diluye, mientras que la disolución hipotónica se concentra al perderla. El proceso continúa hasta que ambas disoluciones igualan su concentración, es decir, se hacen isotónicas. Como la membrana plasmática es semipermeable, es necesario mantener una concentración salina dentro de la célula igual a la del medio externo para que la célula no tenga pérdida ni ganancia de agua. Si la concentración del medio intracelular es mayor que la del medio externo, la entrada excesiva de agua producirá un hinchamiento, conocido como turgencia celular , que puede provocar la rotura de la membrana t la muerte de la célula. Si, por el contrario, la concentración del medio interno es menor que en el medio externo, la célula pierde agua y disminuye su volumen, proceso que recibe el nombre de plasmólisis (puede provocar la muerte celular). La diálisis es un proceso relacionado con la ósmosis. En este caso, además del agua, la membrana semipermeable permite el paso de los solutos de baja masa molecular desde la disolución más concentrada hasta la más diluida. En realidad estas moléculas pasan por una simple difusión a favor de gradiente de concentración. Mantenimiento del pH en estructuras y medios biológicos Para expresar el grado de acidez de una disolución se utiliza el término pH. Los valores de pH pueden oscilar entre 0 y 14, rango en el que un valor de pH= corresponde con disoluciones neutra ; los valores inferiores a 7, a disoluciones ácidas ; y los valores superiores, a disoluciones básicas. Los líquidos biológicos intracelulares y extracelulares tienen un grado de acidez determinado. Cualquier variación de dicho valor altera la estructura y función de las proteínas. Sin embargo, en las reacciones bioquímicas se liberan con frecuencia pequeñas cantidades de ciertos ácidos. Para evitar las variaciones del pH que estos ácidos provocarían intervienen los llamados sistemas tampón. Los sistemas tampón actúan como aceptores o donantes de H+^ para compensar el exceso o el déficit de estos iones en el medio y mantener constante su pH. Tampón bicarbonato. Mantiene el pH extracelular. CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 ↔ HCO 3 -^ + H+ pH sangre = 7,4 (regulado intervalo de 7,35 – 7,45). Si pH < 7,4 → Acidosis Causa: exceso de ácidos tisulares, hipoventilación / Consecuencia: ↑CO 2 sangre → depresión SNC, coma, muerte (exceso de CO 2 se elimina en pulmones).
