TEMA 1 bioelementos y biomoleculas inorganicas

TEMA 1
BIOELEMENTOS
BIOMOLECULAS INORGÁNICAS
1.
2.
3.
4.
INTRODUCCIÓN
LA BASE QUÍMICA DE LA VIDA
BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS
COMPUESTOS INORGÁNICOS
a. EL AGUA
b. LAS SALES MINERALES
1.- INTRODUCCIÓN
Los seres vivos están compuestos principalmente por C, H, O y N; y en
menor proporción por P y S.
La química orgánica se basa en enlazar átomos de carbono formando
macromoléculas bastante estables y la vida es el resultado de la
organización de estas macromoléculas.
Teniendo en cuenta que los elementos mayoritarios del Universo son helio
e hidrógeno, cabe preguntarse por qué aparecen otros elementos en la
composición de los seres vivos. La respuesta radica en la formación de la
Tierra y el posterior origen de la vida. Si aceptamos que la vida surgió en el
agua, los elementos que se seleccionaron tenían que cumplir dos
características:
 Ser solubles en agua
 Ser capaces de formar enlaces más o menos estables con otros
2.- LA BASE QUÍMICA DE LA VIDA
BIOELEMENTOS
A. Concepto:
Se denominan elementos biogénicos o bioelementos a aquellos elementos
químicos que forman parte de los seres vivos.
B. Razones de la abundancia del C (20%), H (9.5%), O (62%) y N (2,5%) en
los seres vivos:
 Son fácilmente incorporados desde la biosfera.
 Forman entre ellos enlaces covalentes, compartiendo electrones
 El carbono, nitrógeno y oxígeno, pueden compartir más de un par
de electrones, formando enlaces dobles y triples, lo cual les dota de
una gran versatilidad para el enlace químico
 Son los elementos más ligeros con capacidad de formar enlace
covalente, por lo que dichos enlaces son muy estables.
 Debido a la configuración tetraédrica de los enlaces del carbono, los
diferentes tipos de moléculas orgánicas tienen estructuras
tridimensionales diferentes. Esta conformación espacial es
responsable de la actividad biológica.
 Las combinaciones del carbono con otros elementos, como el
oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno, etc. permiten la aparición de
una gran variedad de grupos funcionales que dan lugar a las
diferentes familias de sustancias orgánicas. Estos presentan
características físicas y químicas diferentes, y dan a las moléculas
orgánicas propiedades específicas, lo que aumenta las posibilidades
de creación de nuevas moléculas orgánicas por reacción entre los
diferentes grupos.
Grupos Funcionales Hidrófilos
Carboxilo
- COOH
Hidroxilo o Alcohol
- OH
Carbonilo
>C=O
Amino
-NH2
Imino
> NH
Sulfihidrilo
-SH
Grupos Funcionales Hidrófobos
Radical Alquílico -CH2-R
Radical etilénico -CH = R
Radical fenilo
- C6H5
Los grupos funcionales polares son solubles en agua o hidrófilos.
Los no polares son insolubles o hidrófobos.
 El Si, a pesar de compartir muchas características con el carbono,
sólo aparece en los seres vivos en cantidades mínimas
C. Clasificación
1. Elementos mayoritarios:
 Presentes en porcentajes superiores al 0.1% y aparecen en todos los
seres vivos.
a. Bioelementos primarios (C, H, O, N)
- Principales constituyentes de las biomoléculas. En
conjunto 95% de la materia viva.
b. Bioelementos secundarios (S, P, Na, K, Ca, Mg, Cl)
- En conjunto 4,5% de la materia viva.
Azufre: Se encuentra en dos aminoácidos (cisteína y metionina), presentes
en todas las proteínas. También en algunas sustancias como el Coenzima
A.
Fósforo: Forma parte de los nucleótidos, compuestos que forman los
ácidos nucleicos. Forman parte de coenzimas y otras moléculas como
fosfolípidos, sustancias fundamentales de las membranas celulares.
También forma parte de los fosfatos, sales minerales abundantes en los
seres vivos.
Magnesio: Forma parte de la molécula de clorofila, y en forma iónica
actúa como catalizador, junto con las enzimas, en muchas reacciones
químicas del organismo.
Calcio: Forma parte de los carbonatos de calcio de estructuras
esqueléticas. En forma iónica interviene en la contracción muscular,
coagulación sanguínea y transmisión del impulso nervioso.
Sodio: Catión abundante en el medio extracelular; necesario para la
conducción nerviosa y la contracción muscular.
Potasio: Catión más abundante en el interior de las células; necesario para
la conducción nerviosa y la contracción muscular.
Cloro: Anión más frecuente; necesario para mantener el balance de agua
en la sangre y fluido intersticial.
2. Oligoelementos
 Presentes en porcentajes inferiores al 0,1%, no son los mismos en
todos los seres vivos. Son indispensables para el desarrollo
armónico del organismo.
 Se han aislado unos 60 oligoelementos en los seres vivos, pero
solamente 14 de ellos pueden considerarse comunes para casi
todos. Universales, es decir presentes en todos los seres vivos (Mn,
Fe, Co, Cu y Zn), otros oligoelementos (B, F, Si, V, Cr, As, Se, Mo, Sn,
I)
Hierro: Fundamental para la síntesis de clorofila, catalizador en reacciones
químicas y formando parte de citocromos que intervienen en la
respiración celular, y en la hemoglobina que interviene en el transporte de
oxígeno.
Manganeso Interviene en la fotolisis del agua, durante el proceso de
fotosíntesis en las plantas.
Iodo: Necesario para la síntesis de la tiroxina, hormona que interviene en
el metabolismo en vertebrados.
Flúor: Forma parte del esmalte dentario y de los huesos.
Cobalto: Forma parte de la vitamina B12, necesaria para la síntesis de
hemoglobina, organismos fijadores del N y para muchos otros
Silicio: Proporciona resistencia al tejido conjuntivo, endurece tejidos
vegetales como en las gramíneas y equisetos, y el caparazón de muchos
microorganismos, como diatomeas.
Cromo: Interviene junto a la insulina en la regulación de glucosa en
sangre.
Zinc: Actúa como catalizador en muchas reacciones del organismo,
polimerasas del DNA y del RNA y otras reacciones redox.
Litio: Actúa sobre neurotransmisores y la permeabilidad celular. En dosis
adecuada puede prevenir estados de depresiones.
Molibdeno: Forma parte de las enzimas vegetales que actúan en la
reducción de los nitratos por parte de las plantas.
Cobre: forma parte, junto con el Fe, de un enzima, la citocromooxidasa
que interviene en el transporte de electrones en la respiración.
II.BIOMOLÉCULAS
A. Concepto
 Denominadas también principios inmediatos, son aquellas
moléculas que forman parte de los seres vivos.
B. Biomoléculas inorgánicas
1. El agua
El agua - 60- 90% de la materia viva. Su abundancia depende de la especie,
la edad y la actividad fisiológica del tejido. Aparece en el interior de las
células, en el líquido tisular y en los líquidos circulantes.
La molécula de H2O:
 formada por 2 H + 1 O unidos covalentemente formando un ángulo
α= 104,5º
 Tiene carga neutra: p+= e- Es una molécula polar: el núcleo de O arrastra e- fuera del núcleo
del H (electronegatividad 0 > electronegatividad H )forma un
dipolo permanente
 Las moléculas de H2O se unen entre sí mediante puentes de
hidrogeno
- 1 molécula de H2O forma 4 puentes de H (2 el átomo de O,
2 los átomos de H)
El enlace es muy débil, vida media es del orden de 10-9s, cuando uno se
rompe se forma otro, el agua no es viscosa es muy fluida. PERMITE AGUA
LÍQUIDA A Tª AMBIENTE
a) Propiedades y funciones biológicas:
1- Elevada cohesión molecular: la unión de las moléculas por puentes
de H permite que sea un fluido dentro de un amplio margen.
2- Elevada Fuerza de Adhesión
- las moléculas de agua tienen capilaridad: ascienden en contra de
gravedad por los conductos de diámetro pequeño
Fatracción (H2O-vídrio> Fatracción (H2O-H2O)
- Imbibición: penetración capilar de moléculas de H2O en
determinados materiales que hace que se hinchen (madera y
gelatina)
p.e germinación de semillas
3- Elevada Tensión Superficial: en un determinado volumen de H2O, la
superficie tiene mayor resistencia a ser traspasada debido a la
cohesión entre sus moléculas. (las moléculas de la superficie tienen
F de atracción neta hacia el interior del líquido)
4- Elevado Calor Específico
Calor específico: calor necesario (absorba o desprenda) para que
una sustancia aumente o disminuya su temperatura.
1 caloría= cantidad de Q que aumenta 1º C 1 g de H2O
Se debe a que ese calor produce la rotura de los puentes de H,
entre las moléculas y queda poca Energía Calorífica para mover las
moléculas de H2O (aumentar su velocidad), lo mismo que al
disminuir se forman puentes de hidrogeno adicionales y se libera
energía en forma de calor.
CONSECUENCIAS BIOLÓGICAS
El agua se calienta y enfría más lentamente (organismos acuáticos
tienen ambientes más estables)
Función termorreguladora (el agua de los organismos mantiene su
Tcte
5- Elevado Calor de Vaporización
El agua necesita aumentar el Q para romper todos los puentes de H,
cuando el agua se evapora, las moléculas que escapan llevan Q, la
condensación devuelve las 580 calorías. EFECTO REFRIGERANTE (los
organismos “descargan” el exceso de Q)
Tanto la evaporación como la condensación del agua de los mares
contribuyen a la regulación del clima. Los seres vivos terrestres
refrigeran su superficie gracias a la evaporación.
6- Densidad
La densidad del agua líquida es mayor que la densidad del agua
líquida, el agua solida forma un retículo que ocupa más volumen.
T AGUA < 4ºC, las moléculas se separan para mantener el máximo
número de puentes de H en una estructura estable.
En estado líquido, se forman y se destruyen continuamente puentes
e hidrogeno, confiriéndole una estructura de red dinámica
empaquetada, sin posiciones fijas en las moléculas. En estado sólido
forma 4 puentes de hidrogeno y mantiene las posiciones fijas, una
estructura cristalina tridimensional más expandida y por tanto con
menor densidad
T agua =0, se forma retículo
Consecuencias:
Permite la vida bajo el hielo
Protege de efectos térmicos del exterior
7- Elevada Constante Dieléctrica
El agua tiende a disminuir las atracciones entre cationes y aniones,
SOLVATACIÓN IÓNICA
Favorece la disolución de las redes cristalinas, DISOLVENTE
UNIVERSAL
Debido al carácter dipolar de las moléculas de H2O
8-Bajo grado de ionización
El agua líquida tiene una pequeña cantidad de moléculas ionizadas
(disociadas en iones)
La fórmula de disociación es 2 H2O
H3O++ OHProducto iónico KW: producto de las concentraciones de los iones
en agua pura a 25ºC
En función de las concentraciones de los iones las disoluciones
acuosas pueden ser neutras, acidas o básicas
IMPORTANCIA BIOLÓGICA DEL AGUA (consecuencia de sus
propiedades):
1- Principal disolvente biológico (disocia compuestos iónicos y
moléculas con grupos funcionales polares alcoholes, aldehídos y
cetonas)
2- Función metabólica es el medio en el que se realizan la mayoría
de las reacciones bioquímicas
3- Función estructural, la elevada cohesión entre sus moléculas
permite dar volumen a las células turgencia a plantas, esqueleto
hidrostático de invertebrados…
4- Función mecánica amortiguadora, p.ejemplo el líquido sinovial
entre las articulaciones
5- Función de transporte la elevada capacidad disolvente permite el
transporte de sustancias en los organismos. La capacidad
contribuye a la ascensión de la savia bruta
6- Función termorreguladora el calor especifico mantiene
constante la T interna de los organismos, el elevado calor de
vaporización explica la refrigeración de organismo cuando
sudamos
7- Permite la vida acuática en climas fríos la mayor densidad en
estado líquido explica la formación de una capa de hielo en la
superficie que protege de los efectos térmicos del exterior.
2- SALES MINERALES
Suponen el 10% en peso. Podemos encontrarlas de tres formas:
A- DISUELTAS
- Solubles en agua
- Se encuentran en medio intra y extracelulares, disociadas
en sus iones.
- Los más frecuentes:
ANIONES
Cl-, PO 43-, HPO 42- , CO 32,HCO 3-,NO 3-
CATIONES
Na+, K+ ,Ca2+, Mg 2+, Fe3+,
Fe2+
FUNCIONES
a) Colaboran en el mantenimiento de la HOMEOSTASIS (medio
interno estable)
b) Mantener el grado de salinidad de los organismos
c) Regular la actividad enzimática (iones activan/inhiben las
r.qcas)
d) Regular el volumen celular[𝑠𝑎𝑙𝑒𝑠]ext y [sales ] int determinan
las entradas/salidas de agua: medio hipotónico y medio
hipertónico
e) Estabilizar dispersiones coloidales, mantener el grado de
hidratación y la suspensión de las partículas coloidales
f) Generar potenciales eléctricos, iones a ambos lados de los
lados de la membrana celular generan diferencia de carga
(potencial eléctrico de membrana)
g) Regular el pH, diminución variaciones de pH- SISTEMAS
TAMPON
SISTEMAS TAMPON
En los seres vivos es necesario mantener la homeostasis, el pH de sus
fluidos no debe cambiar por que cambian las estructuras y dejarían de ser
funcionales.
Los sistemas tampón son disoluciones que contribuyen a mantener el pH
de los organismos constante cuando se añade un ácido o una base.
- ACIDAS: la sustancia disuelta libera H+
- BASICAS: la sustancia disuelta libera OH¿Cómo funcionan?, son formas disociadas y no disociadas de un ácido
débil (dador de H+) y su base conjugada (aceptor de H+), que mantiene el
pH cte por tendencia a combinarse con iones H+
Ejemplos: tampón fosfato y tampón bicarbonato
Tampón bicarbonato: común en los líquidos intercelulares. Mantiene el
pH próximo a 7,4, gracias al equilibrio entre ion bicarbonato y el ácido
carbónico que se disocia en dióxido de carbono y agua.
Tampón fosfato: se encuentra en los líquidos intracelulares y mantiene el
pH en torno a 6,86.
B- ASOCIADAS
Son sales minerales que se unen a otras moléculas orgánicas para
formar determinadas moléculas.
El ión y la molécula orgánica no realizan esa función por separado
Ejemplos: Hb, fotosíntesis,
C- PRECIPITADAS
Sólidas
Estructuras de sostén y protección
- CaCO3 (huesos y dientes vertebrados, espinas de erizos de
mar, exoesqueleto de corales, exoesqueleto de artrópodos
- Silicatos: caparazones de microorganismos, estructuras de
sostén de vegetales, huesos de vertebrados.
D- CARÁCTER COLOIDAL DE LA MATERIA VIVA
El 90 % de la materia viva se encuentra en estado coloidal
(macromolecular) entre 10-5 y 10-7, siendo el agua el medio en que se
encuentran dispersas estas partículas.
Las disoluciones verdaderas (sistemas dispersos) son dispersiones en un
líquido de un sólido de bajo peso molecular 10-7(osas, aa, sales minerales,
etc.). En estos casos hay una mezcla íntima y total de las partículas con el
agua, se dice que las partículas son hidrófilas.
Las partículas (moléculas) se llaman hidrófobas cuando no se mezclan de
manera íntima y total de las partículas con el agua; no consiguen lograr
una dispersión por ser insolubles.
Las disoluciones coloidales son aquellas que tienen partículas dispersas con
un tamaño comprendido entre 1nm y 10nm, y son difusibles a través de
membranas permeables. (1nm = 10-9 m = 1milimicra). (Proteínas, ácidos
nucleicos y polisacáridos)
Las partículas coloidales pueden ser de dos clases:
a) Micelas: son agrupaciones de muchas moléculas pequeñas que se
aglutinan mediante uniones débiles (coloide micelar).
b) Macromoléculas: moléculas de 0,2 – 1 milimicras o mas (coloide
macromolecular).
Las particular coloidales muestran una elevada capacidad de absorción,
favoreciendo la atracción entre moléculas que han de reaccionar en los
procesos celulares (ejemplo: enzima –sustrato)
Las moléculas coloidales, por otro lado, se mueven continuamente,
impulsadas por el movimiento browniano del agua (Una partícula suficientemente
pequeña como un grano de polen, inmersa en un líquido, presenta un movimiento aleatorio,
observado primeramente por el botánico Brown en el siglo XIX. El movimiento browniano puede
explicarse a escala molecular por una serie de colisiones en una dimensión en la cual, pequeñas
partículas (denominadas térmicas) experimentan choques con una partícula mayor)...Este
movimiento aumenta la probabilidad de encuentro entre las moléculas
reaccionantes.
Los coloides pueden presentar dos estados:
1. Estado de sol: Es el estado coloidal propiamente dicho, donde las
partículas del coloide están libres.
Se presentan de forma fluida, de modo que las partículas, al
dispersarse por el medio (agua), forman un sistema con
características de verdaderas disoluciones; es decir, son coloides
diluidos (plasma sanguíneo) y ofrecen un aspecto claramente líquido.
2. Estado de gel: en este caso el coloide ha perdido el agua y las
partículas flotan, es decir se aglomeran formando redes que tratan
de aprisionar el agua que queda.
Presentan un aspecto gelatinosos, son coloides concentrados (masa
cerebral, tegumentos).
El cambio de un estado a otro es reversible, en principio, y está condicionado por
factores ambientales del medio (pH, temperatura, concentración de sales). Es
decir, las condiciones del medio determinan el que un coloide sea sol o gel.
En general puede ocurrir:
a)Que un sol pase a gel (gelificación o floculación):
Por la simple adición de electrolitos, por aumento de la temperatura, por
pérdida de agua o por un brusco cambio de pH.
En este caso, las partículas tienden a coalescer, es decir, a formar acervos
(agregados).
Si la variación de estos factores ambientales es muy persistente o sobrepasa
ciertos límites se produce un fenómeno de coagulación, que ya es
irreversible; en este caso se habla de desnaturalización del coloide (caso de
gelificación extrema).
b) Que un gel pase a sol, por la pérdida de electrolitos, por descenso de la
temperatura o por adición de agua.
Existen dispersiones coloidales hidrófobas que pueden estabilizarse formando
las emulsiones cuando actúan sustancias que impiden la unión entre partículas
dispersas. Por ejemplo las grasas en la leche,
Por otro lado, hay tres fenómenos ligados al movimiento de las partículas
disueltas en el agua, y son los siguientes:
1)Difusión:
Proceso por el cual ciertas moléculas tienden a repartirse homogéneamente en
los medios fluidos.
Las moléculas se mueven desde zonas de mayor concentración a menor hasta
que ésta sea la misma en todo el espacio
Puede ocurrir también a través de las membranas plasmáticas, permitiendo,
por ejemplo, el intercambio de gases entre el exterior y el interior de una célula.
2)Diálisis:
Se realiza a través de una membrana semipermeable cuyo tamaño de poro
permite el paso de pequeñas moléculas y, con ello, la separación de las
macromoléculas.
La membrana celular actúa así selectivamente al impedir la salida de las
partículas coloidales más grandes (proteínas, polisacáridos, enzimas, etc.) y
permitir, sin embargo, el intercambio de sales y solutos de pequeño tamaño.
Hemodiálisis, se elimina así de la sangre urea y otros metabolitos y se
mantienen las moléculas más grandes como las proteínas plasmáticas.
3)Osmosis:
Ya hemos hablado de ello, y se diferencia de los procesos anteriores en que es
el disolvente (agua), exclusivamente, el que atraviesa la membrana
semipermeable para igualar concentraciones.
OSMORREGULACION- regulación Posmótica
La osmosis genera una diferencia de contenido entre un lado y otro de la
membrana, provocando una presión que se denomina Presión osmótica, esta
presión equivale a la que tendría que aplicarse sobre la membrana para
neutralizar el flujo osmótico.
Podemos encontrar Hipertónica, isotónica e hipotónica
FENÓMENOS OSMOTICOS
Las membranas celulares funcionan como si fueran semipermeables, esto
provoca intercambios entre el exterior y el interior de la célula, dependiendo
de la concentración de las disoluciones externas
a.Hipertónico: el agua tiende a salir de la célula. Las células pierden agua y
se contraen, en las células vegetales produce la plasmólisis (la membrana
plasmática se separa de la pared celular), se puede producir la muerte
celular.
b. Hipotónico, el agua tiende a entrar y se hincha, en las células vegetales
se llama turgescencia. Las células sin pared expulsan iones para rebajar
la presión incluso puede reventar. En las vegetales no suele reventar ya
que la pared es algo elástica.
c. Isotónico entra y sale la misma cantidad.
PROCESOS DEBIDOS A LA OSMOSIS
 Los protozoos de agua dulce tienen vacuolas contráctiles para bombear
continuamente al exterior el exceso de agua que absorben por ósmosis.
 Algunos movimientos de las plantas (plantas carnívoras), se producen al
perder agua las células turgentes que la mantienen abiertas. Al
depositarse el insecto las células eliminan potasio al exterior se produce
la salida de agua por osmosis y caída de turgescencia.
 Las raíces absorben agua cuando las disoluciones del suelo son hipotónicas
respecto del citoplasma de las células de las plantas, en caso contrario el
agua sale y se seca.
 Otros mecanismos son la difusión facilitada y el transporte activo.