TEMA 1: BIOELEMENTOS Y BIOMOLECULAS - tras

TEMA 1: BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS. BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS
1. Composición química de la materia viva: bioelementos y biomoléculas.
1.1 Bioelementos.
1.2 Biomoléculas.
2. Biomoléculas inorgánicas: el agua.
2.1 Estructura del agua.
2.2 Propiedades y funciones biológicas del agua.
2.3 Ionización del agua y escala de pH.
3. Biomoléculas inorgánicas: las sales minerales.
3.1 Funciones de las sales minerales.
1. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA MATERIA VIVA: BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS.
La materia en todos los estados (sólida, líquida y gaseosa) y formas (inerte y viva) está
compuesta por átomos, los cuales se unen para formar moléculas.
Ahora bien, ¿cuáles son los elementos químicos presentes en los seres vivos? ¿Son los mismos
que existen en la materia inerte? ¿Qué tipo de moléculas forman?
1.1 BIOELEMENTOS.
Cuando se realiza un análisis químico de la materia viva se identifican una serie de elementos
químicos que se denominan bioelementos o elementos biogénicos ("originan la vida"). Son 70
elementos, 25 de los cuales están presentes en todos los seres vivos y el resto sólo aparecen en
determinados grupos.
Según la proporción en que se encuentran en la materia viva se clasifican en:
. Bioelementos primarios o mayoritarios. (*)
Son 6 elementos (C,H,O,N,P y S) que se encuentran en mayor proporción (99%) en los seres
vivos. Son los componentes fundamentales de las biomoléculas.
. Bioelementos secundarios.
Son elementos que se encuentran en menor proporción que los anteriores. Hay 5 que están
presentes en todos los seres vivos: Mg, Ca, K, Na y Cl.
- Mg: forma parte de la clorofila e interviene en la actividad enzimática.
- Ca: componente de huesos y caparazones, interviene en la contracción muscular, en la
coagulación de la sangre, ...
- K, Na, y Cl: intervienen en la transmisión del impulso nervioso y en el mantenimiento
del equilibrio osmótico.
. Oligoelementos.
Como su propio nombre indica ("oligo" = escaso), son elementos que se encuentran en
cantidades pequeñísimas (inferior al 0,1%), aunque no por ello son menos importantes, pues su
carencia puede ocasionar graves trastornos. Algunos son: Fe, Mn, Cu, I, F, Zn, ...
- Fe: forma parte de la hemoglobina (pigmento de la sangre).
- Mn: necesario para que las plantas sinteticen clorofila.
- Cu: forma parte de la hemocianina (pigmento de la sangre de algunos invertebrados).
- I: necesario para la formación de las hormonas del tiroides. Su falta provoca el bocio.
- F: forma parte del esmalte de los dientes.
- Zn: cofactor de algunas enzimas.
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* Los bioelementos mayoritarios no coinciden (excepto el oxígeno) con los elementos químicos más abundantes en la
corteza terrestre ( O, Si, Al y Fe son los elementos más comunes en la composición del planeta). La razón de que los bioelementos
mayoritarios sean el C, el H, el O, el N, el P y el S, reside en las propiedades que presentan:
- Poseen un número atómico bajo, por lo que los electrones compartidos al formarse enlaces covalentes se hallan
próximos al núcleo y por lo tanto las moléculas originadas son más estables.
- Dado que el oxígeno y el nitrógeno son elementos electronegativos, muchas biomoléculas son polares y por ello
solubles en agua, requisito imprescindible para que tengan lugar las reacciones biológicas.
En cuanto al átomo de carbono tiene 4 electrones en su capa externa, con lo cual puede formar 4 enlaces covalentes
estables con otro átomo. Puede unirse con otros átomos de carbono formando largas cadena con enlaces simples (C-C), dobles
(C=C) o triples (C≡C). Aunque también los átomos de C pueden unirse a otros átomos distintos, dando lugar a grupos funcionales
(-OH, -NH2, ...) y originando así un gran número de moléculas diferentes.
1.2 BIOMOLÉCULAS O PRINCIPIOS INMEDIATOS.
Los elementos biogénicos rara vez se encuentran en estado libre, generalmente, se combinan
entre sí mediante enlaces químicos para, dar lugar a moléculas que aparecen siempre en los seres vivos.
A estas moléculas se les denomina biomoléculas o principios inmediatos, y se clasifican en dos
grupos:
. Biomoléculas inorgánicas: agua y sales minerales.
. Biomoléculas orgánicas (exclusivas de los seres vivos): glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos
nucleicos.
2. BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS: EL AGUA.
El agua es el componente más abundante de los seres vivos. Representa aproximadamente el
70%, aunque dicho porcentaje varía de unos organismos a otros.
El contenido en agua de un ser vivo varía también en función de diversos factores, por ejemplo la
edad (mientras más joven más agua contiene), el tipo de tejido (la corteza cerebral 86%, el tejido óseo
22%, ...), etc.
2.1 ESTRUCTURA DEL AGUA.
La molécula de agua está formada por dos átomos de H y uno de O unidos mediante un enlace
covalente (par de electrones compartidos).
Sin embargo, como el átomo de O es más electronegativo que el de H, los pares de electrones
compartidos son atraidos con más fuerza por el núcleo del O, consiguiendo que estos pares de
electrones estén más cerca del O. Esto da lugar a la aparición de dos zonas con cargas distintas en la
molécula de agua, positiva en los hidrógenos y negativa en el oxígeno. Por esta razón la molécula de
agua tiene carácter dipolar, se dice que es un dipolo.
La estructura dipolar de la molécula de agua hace que varias de ellas puedan unirse entre sí
mediante atracciones electrostáticas entre la parte negativa de una molécula y la parte positiva de otra
molécula de agua vecina, formándose entre ambas un enlace denominado "puente de hidrógeno".
Cada molécula de agua puede establecer 4 puentes de H con otras tantas moléculas (dos con
cada uno de los átomos de H y otros 2 con cada átomo de O). Igualmente puede formar enlaces de
hidrógeno con otras moléculas polares (alcohol, ...) o con iones.
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Al unirse muchas moléculas de agua mediante puentes de H se consigue que el agua alcance un
elevado peso molecular y que sea líquida a temperatura ambiente, en vez de ser un gas como por
ejemplo el CO2 que tiene un peso molecular similar.
2.2 PROPIEDADES Y FUNCIONES BIOLÓGICAS DEL AGUA.
El agua posee unas propiedades características, derivadas de
su estructura, que permiten la existencia de la vida en nuestro planeta.
- Elevada capacidad disolvente.
El agua es el líquido que más sustancias disuelve debido a la
capacidad que tiene de formar puentes de H con gran cantidad de
sustancias distintas:
. Con los compuestos iónicos, como las sales, el agua se
interpone entre los iones originando una disminución
importante de la atracción entre ellos, provocando su
separación, y en definitiva, su disolución.
. También puede formar puentes de H con otras moléculas no
iónicas, pero que tienen grupos polares (como los grupos -OH
de los alcoholes y azúcares, grupos -NH2 de las proteínas,
etc.), y causar también su disolución.
La capacidad disolvente del agua es la responsable de dos
importantes funciones:
. El agua es el medio en el que transcurren la mayoría de las
reacciones del metabolismo.
. El agua es el medio de transporte de numerosas sustancias
disueltas (nutrientes y productos de desecho) de un lugar a
otro del organismo. La sangre en los animales y la savia en
las plantas, están formadas fundamentalmente por agua.
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- Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas.
Los puentes de H mantienen a las moléculas de agua fuertemente unidas, esto convierte al agua
en un líquido prácticamente incompresible, idóneo para dar volumen a las células y turgencia
(consistencia) a las plantas.
- Elevada tensión superficial.
En el interior del agua, las moléculas se unen unas con otras mediante puentes de H, en todas
las direcciones del espacio, por lo que las fuerzas se compensan. Sin embargo, las moléculas situadas
en la superficie del agua experimentan fuerzas de atracción únicamente hacia el interior del líquido. De
esta forma se origina una fuerza dirigida hacia el interior del agua, que se denomina tensión superficial y
hace que la superficie libre del agua se comporte como una membrana elástica tensa, que opone una
gran resistencia a ser traspasada, y que permite, por ejemplo, el desplazamiento sobre ella de algunos
organismos. Esta propiedad es también la responsable de las deformaciones celulares.
- Elevada fuerza de adhesión.
Las moléculas de agua, debido a su polaridad, tienen una gran capacidad de adherirse a las
paredes de conductos estrechos ascendiendo, en contra de la gravedad. Este fenómeno se conoce con
el nombre de capilaridad y contribuye a la ascensión de la savia bruta por los vasos leñosos.
- Elevado calor específico.
El agua puede absorber gran cantidad de calor sin elevar mucho su temperatura, ya que parte de
la energía se emplea en romper los enlaces de H. Del mismo modo para enfriarse necesita más tiempo
que otros líquidos.
Esta propiedad explica su función termorreguladora, manteniendo constante la temperatura
interna de los seres vivos.
- Elevado calor de vaporización.
Debido a que primero hay que romper todos los puentes de H, para que 1 g de agua a
temperatura ambiente (20º C) se evapore, hace falta mucho calor (540 cal).
Esta propiedad del agua es aprovechada por algunos animales para disminuir su temperatura
corporal mediante la evaporación de agua en la superficie del cuerpo (sudoración).
- Menor densidad del hielo que del agua líquida.
Cuando un líquido se congela, aumenta su densidad. Sin embargo, cuando la temperatura del
agua desciende por debajo de 4º C, aumenta el volumen del agua hasta transformarse en hielo a los 0º
C. Por ello el hielo es menos denso que el agua líquida y flota en ella. Gracias a esta anomalía del agua,
los lagos, ríos y mares sólo se congelan en la superficie, actuando la capa de hielo como aislante térmico
que permite la vida en el agua líquida que hay debajo.
2.3 IONIZACIÓN DEL AGUA Y ESCALA DE PH.
Algunas moléculas de agua sufren un proceso de ionización cuando un átomo de H de una de
ellas se une, mediante un enlace covalente, al átomo de O de otra molécula a la que estaba unida por un
puente de H.
H
H
H
H ||||| O
------> H
+
H O+
O
H <-----O H
2H2O
----->
<-----
HO-
+
H3O+
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H3O+,
Se obtienen así dos iones HO- y H3O+, con carga opuesta, y en igual concentración (los iones
por convenio, suelen representarse simplemente como H+).
En el agua líquida siempre existe una pequeñísima cantidad de moléculas ionizadas.
El producto de las concentraciones de los iones H+ y OH- es constante, y se denomina producto
iónico. Su valor para el agua pura a 25º C es:
Kw = [H+] . [OH- ] = 10-14
. En el agua pura la concentración de iones H+ y OH- es la misma e igual a 10-7.
. En una disolución acuosa el producto iónico también se mantiene constante, pero la proporción
de iones es variable. Así en una disolución acuosa de un ácido existirán más H + que OH-,
mientras que en la disolución de una base se producirá el efecto contrario. Las disoluciones
acuosas pueden ser:
- Neutras, si la concentración de iones H+ y OH- es igual.
- Ácidas, si la concentración de iones H+ es mayor que la de
OH-.
- Básicas, si la concentración de iones OH- es mayor que la
de H+.
El grado de alcalinidad o acidez se expresa mediante la escala de pH.
Esta escala fue ideada con el fin de evitar cálculos con números muy
pequeños que indican la baja concentración de iones H+. Se define pH como el
logaritmo del inverso de la [H+]:
1
pH = log ---- = - log [H+]
[H+]
El pH de la mayoría de las células se acerca a la neutralidad, oscilando
entre 7,2 y 7,4. Los seres vivos no soportan variaciones de pH mayores de
unas décimas, ya que influyen en el funcionamiento de las enzimas.
3. BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS: LAS SALES MINERALES.
Las sales minerales son moléculas inorgánicas presentes en todos los seres vivos. Según sean
solubles o insolubles en agua, las sales se clasifican en disueltas y precipitadas.
- Sales minerales precipitadas.
Forman parte de estructuras protectoras (conchas de moluscos) o de sostén (esqueletos internos
de vertebrados). Como es el caso del carbonato y el fosfato cálcico. También la sílice (SiO2) se deposita
formando caparazones silíceos de radiolarios y diatomeas.
- Sales minerales disueltas.
Lo más usual es que las sales minerales aparezcan disueltas y disociadas en sus iones (aniones
y cationes), formando parte de los medios intracelulares y extracelulares.
. Entre los aniones más frecuentes en la materia viva se encuentran: los cloruros [Cl - ], los
carbonatos [CO32- ], los bicarbonatos [HCO3- ], los fosfatos [PO43- ], los sulfatos [SO42- ] y los
nitratos [NO3- ].
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. Los principales cationes son: el sodio [Na+], el potasio [K+], el calcio [Ca2+], el magnesio [Mg2+],
el hierro [Fe2+ y Fe3+] y el cobre [Cu+ y Cu2+].
3.1 FUNCIONES DE LAS SALES MINERALES.
. Las sales minerales precipitadas forman parte de estructuras protectoras y de sostén.
. Las sales minerales disueltas desempeñan diversas funciones en los seres vivos:
- Regulan la presión osmótica y el volumen celular.
Si tenemos dos disoluciones A y B de distinta concentración separadas por una membrana
semipermeable (deja pasar el agua pero no las sustancias disueltas en ella), la ósmosis es el fenómeno
por el cual el agua pasa a través de la membrana semipermeable desde la disolución menos concentrada
(hipotónica) hacia la más concentrada (hipertónica) hasta igualar la concentración de ambas disoluciones
(isotónicas).
A
B
|________|________|
|
|
|
| [+] |----- [-]
|
|________|________|
A
B
|__________|_________|
|
|
|
|
[=]
|
[=]
|
|__________ | _______ _|
Para evitar el paso de agua sería necesario aplicar una presión , denominada presión osmótica.
Cuanto mayor sea la diferencia entre ambas concentraciones, mayor será la presión osmótica.
Como la membrana plasmática de la célula es semipermeable, es necesario mantener una
concentración salina dentro de la célula igual a la del medio externo para que ésta no pierda ni gane
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 y la muerte de la célula (en las células vegetales la pared celular lo impide). Si por el contrario,
la concentración en el medio interno es menor que en el medio externo, la célula pierde agua y disminuye
su volumen, proceso que recibe el nombre de plasmólisis y puede ocasionar también la muerte celular.
- Regulan el pH.
La actividad biológica en el interior de la célula se produce a un pH neutro o cercano a la
neutralidad. Pero las reacciones químicas del metabolismo liberan constantemente productos ácidos (H+)
y básicos (OH-) que producen variaciones del pH, que afectarían a las proteinas. Para evitarlo los seres
vivos han desarrollado unos sistemas tampón o amortiguadores del pH, en los cuales intervienen las
sales minerales disueltas.
Un sistema tampón está formado por un ácido débil y una sal del mismo ácido, que actúan como
aceptores o dadores de H+ para compensar el exceso o el déficit de estos iones en el medio y así
mantener constante su pH.
Los sistemas tampón más importantes son:
. El constituido por ácido carbónico [H2CO3] y bicarbonato [HCO3- ].
. El compuesto por ácido fosfórico [H3PO4] y fosfato [PO43- ].
El primero actúa en el medio extracelular y el segundo en el intracelular.
Un ejemplo del sistema tampón utilizado por el organismo para amortiguar un exceso de acidez
en el plasma sanguíneo es el del ácido carbónico y el bicarbonato sódico. Este sistema se pone en
funcionamiento cuando en el plasma aumenta la cantidad de HCl que se disocia (en Cl- y H+) liberando
gran cantidad de iones H+, los cuales provocarían un descenso del pH. Sin embargo el pH no varía
gracias a la actuación del sistema tampón:
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Tema 1. Biomoléculas inorgánicas
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HCO3- + H+ -----------> H2CO3 ----------> CO2 + H2O
El ácido débil (H2CO3) se convierte en CO2 (se elimina en la respiración) y H2O.
- Funciones específicas de algunas sales minerales.
Los diferentes cationes que se liberan al disociarse las sales minerales ejercen acciones
específicas. En el siguiente cuadro se describen brevemente los más importantes:
Cationes
Procesos en los que intervienen
Na+
Transmisión del impulso nervioso
K+
Transmisión del impulso nervioso
Contracción muscular
Regulación de la actividad cardíaca
Ca2+
Coagulación de la sangre
Contracción muscular
Regulación de la actividad cardíaca
Fe2+
Necesario para la síntesis de hemoglobina
Mg2+
Forma parte de la clorofila
ACTIVIDADES
1.- ¿Es correcto afirmar que la cantidad en que se encuentra un elemento biogénico en el organismo refleja su
importancia biológica? Cita algún ejemplo que demuestre tu respuesta.
2.- El agua de la materia viva se encuentra en constante renovación, esto implica aporte y eliminación de modo
continuo. Explica cómo se realiza el aporte y cómo la eliminación.
3.- Explica las razones por las que consideramos el agua como disolvente universal. ¿Por qué es tan importante
esta función en los seres vivos?
4.- Relaciona la densidad del agua con su importancia para el mantenimiento de la vida.
5.- ¿Qué es el calor de vaporización? ¿Qué es el calor específico? ¿Cuál es el valor de este último en el caso del
agua?
6.- Una persona adulta que realiza un trabajo de fuerza, puede llegar a perder por transpiración hasta 1,6 litros
de agua por hora. Calcula la cantidad de calor que se disipa al cabo de una hora gracias a esa transpiración,
suponiendo que todo el sudor se evapora por completo.
7.- Vierte agua en un plato y deposita con cuidado una aguja o una hoja de afeitar sobre la superficie. ¿Qué
observas? ¿A qué es debido?
8.- Indica si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:
a) Las sales minerales son moléculas inorgánicas que se ionizan en el medio acuoso.
b) Las moléculas de agua se unen por enlaces de hidrógeno.
c) El agua alcanza su máxima densidad al convertirse en hielo.
d) Las sales minerales solubles aportan energía a las células.
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9.- La concentración de cloruro sódico en la sangre es de 0,9 g/100 ml. Explica razonadamente qué ocurriría si
se colocaran hematíes humanos en:
a) Agua destilada.
b) Una solución salina (3g/100 ml).
c) Una solución salina (9g/100 ml).
d) Una solución salina (9g/l).
10.- ¿Qué proceso se desencadenaría si en la sangre se llegara a un pH 8? Explica mediante las reacciones
correspondientes cómo se podría restablecer el pH óptimo.
11.- Al iluminar unos cloroplastos el pH de los tilacoides ha pasado de 7 a 5. ¿Cómo ha variado la concentración
de H+?
12.- ¿Qué cantidad de iones H+ hay en 1 litro de agua pura?
13.- Corrige el siguiente texto: " El carbono, el oxígeno, el hidrógeno y el nitrógeno son oligoelementos de bajo
peso atómico, lo que les impide formar enlaces covalentes. Son elementos escasos en las capas más externas de
la Tierra y los compuestos químicos que forman no se disuelven bien en agua".
14.- ¿Por qué una forma de conservar los alimentos es cubrirlos de sal (bacalao, anchoas, jamón, ...)?
15.- ¿Cómo actúa el tampón bicarbonato frente a una subida y a una bajada de pH?
16.- ¿A qué se denomina soluciones isotónicas? ¿Qué ocurriría si introdujésemos hematíes en una disolución
hipotónica? ¿Y en una hipertónica?
EJERCICIOS SELECTIVIDAD
17.- Cuando cogemos trozos de hojas de lechuga, los cubrimos con un paño húmedo y los guardamos en un
frigorífico a 4ºC, permanecen turgentes durante mucho tiempo. Sin embargo, cuando aliñamos, con aceite, sal y
vinagre, los trozos de lechuga para hacer una ensalada rápidamente pierden la turgencia y se arrugan, aún
cuando la guardemos en el frigorífico a 4ºC. Explique razonadamente por qué las hojas de lechuga pierden su
turgencia al aliñarlas y la mantienen en ausencia del aliñado.
18.- Un sistema de conservación de alimentos muy utilizado desde antiguo, consiste en añadir una considerable
cantidad de sal al alimento (salazón) para preservarlo del ataque de microorganismos que puedan alterarlo.
Explique este hecho de forma razonada. (Junio-2003. Opción A)
19.- ¿Por qué una célula animal muere en un medio hipotónico y sin embargo una célula vegetal no? Dé una
explicación razonada de este hecho. (Junio-2003. Opción B)
20.- Describa la estructura de la molécula del agua. Enumere cuatro propiedades físico-químicas del agua y
relaciónelas con sus funciones biológicas. (Septiembre-2003- Opción A)
21.- Justifique las consecuencias que puede tener para las células una diferencia de concentración química entre
el medio intracelular y el extracelular.
22.- Defina biolelemento y biomoléculas. Cite cuatro ejemplos de bioelementos y cuatro de biomoléculas e
indique la importancia biológica de cada uno de los ejemplos. (Junio 2004- Opción A)
23.- ¿Cuál sería la respuesta de una célula animal a un incremento de la concentración salina en el medio
extracelular? ¿Y a una disminución de la concentración salina? Razona las repuestas. (Junio 2004- Opción B)
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