Bioelementos y principios inmediatos inorgánicos

1. Bioelementos y principios inmediatos inorgánicos.
Bioelementos.
En la composición de la materia viva se encuentran los elementos denominados
bioelementos o elementos biogénicos. Ninguno de ellos es exclusivo de la materia viva
ya que forman parte también, de la mineral, de tal manera que sólo un número
relativamente reducido de los elementos que se encuentran en la naturaleza entran a
formar parte de la materia viva. Los principales elementos biogénicos son: C, O, H, N,
S y P. Éstos forman parte de la materia viva en un porcentaje muy superior gracias a que
poseen dos propiedades fundamentales:
• Tienen un peso atómico bajo: C12, H1, O16, N14… Esto les permite formar
combinaciones muy complejas e inestables, por eso es muy útil para el continuo
construir y destruir de la materia a que se ve sometida a los seres vivos por su
metabolismo. Estos también son solubles en agua lo que favorece la importación
o eliminación de estos del organismo.
• Abundan en las capas más externas de la tierra, es decir, atmósfera, hidrosfera y
litosfera, que son las que se hallan más en contacto con los seres vivos. Esta
propiedad es importante ya que los seres vivos necesita formarse con elementos
que puedan conseguir fácilmente para disponer de ellos en cualquier momento.
Además de estos elementos existen en menor proporción los bioelementos secundarios:
K, Na, Ca, Mg y Cl.
La relación de proporción en que se encuentran estos bioelementos no está en relación
con su importancia biológica, pues algunos de ellos entran a formar parte de la materia
viva en cantidades insignificantes y desempeñan papeles de gran trascendencia, de tal
manera que su carencia provoca serios trastornos porque son indispensables para que los
fenómenos vitales se desarrollen con normalidad. A estos bioelementos se les denomina
oligoelementos y algunos de estos son:
• Hierro Fe: forma parte de la hemoglobina, pigmento rojo de la sangre de los
vertebrados. También forma parte de los citócromos. El Hierro apenas
eliminar del organismo y se utiliza varias veces cuando se destruyen los
compuestos de los que forma parte. Su carencia provoca anemia
• Cobre Cu: forma parte de la hemocianina, pigmento azul de la sangre de los
invertebrados, de papel semejante a la hemoglobina.
• Manganeso Mg: es básico para la síntesis de clorofila y actuar como
catalizador de reacciones metabólicas.
• Zinc Zn: importante como catalizador.
• Yodo I: elemento básico para la conformación de tiroxina, hormona
producida por la glándula tiroides cuya carencia provoca bocio.
• Cobalto Co: necesario para síntesis de vitamina B 12.
Los elementos biogénicos se encuentran, normalmente, como parte de sustancias
compuestas. Ésta se pueden aislar por medios puramente físicos como: la disolución,
filtración, destilación, centrifugación… Forma los llamados principios inmediatos ya
sean inorgánicos como las sales minerales, u orgánicos, como glúcidos, lípidos, prótidos
y ácidos nucleicos.
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2. El agua.
El agua es un principio inmediato inorgánico, es el más abundante en los seres vivos,
entre un 70% y un 75% de la media entre los distintos seres vivos. Por ejemplo la
medusa contiene un 95%, el hombre un 63% y los hongos un 80%, según:
• El tejido. A mayor actividad del tejido mayor porcentaje de agua: tejido nervioso
90%, muscular 75%, óseo 22% y adiposo 15%.
• La edad del ser vivo. Por ejemplo en los seres humanos el porcentaje de agua en
un feto es del 94% y va disminuyendo con la edad.
El agua se adquiere al beber, con los alimentos y como resultado de reacciones
bioquímicas, en este caso se llama agua metabólica:
C6H12O6 + 6O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP
En el organismo el agua se encuentra como agua circulante, agua intersticial y agua
celular.
2.1. Estructura interna de la molécula de agua.
La molécula de agua está formada por la unión de un átomo de oxígeno y dos de
hidrógeno mediante un enlace covalente, esto le da una configuración más estable. El O
comparte cada uno de sus dos electrones con el hidrógeno y este comparte su único
electrón con el oxígeno
El oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y atrae con más fuerza los
electrones de éste, esto provoca un reparto desigual de las cargas lo que hace que la
molécula de agua se comporte como un dipolo eléctrico.
─
0,96 Å
OXÍGENO
105º
┼
HIDRÓGENO
┼
Entre los átomos de oxígeno de una molécula y los de hidrógeno de otra se forman
unos enlaces llamados puentes de hidrógeno, son enlaces débiles pero le dan una
propiedad muy importante, que se mantenga en estado líquido.
Por ejemplo la molécula de CO2 tiene un peso molecular de 44uma y es un gas y la
molécula H2O es líquida teniendo un peso molecular menor 14uma, esto es así por los
puentes de hidrógeno.
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2.2. Propiedades del agua.
•
•
•
•
•
•
•
Elevada fuerza de cohesión. Es la fuerza de atracción que tienen las moléculas
de agua entre sí, viene dada por los puentes de hidrógeno.
Incompresible. No se puede comprimir por eso da turgencia y volumen a las
células, en también algunos animales como los celentéreos y los anélidos sus
esqueletos están formados por agua.
Elevada tensión superficial (adhesión). El agua no se divide sino que animales
y plantas quedan unidos a su superficie.
Capilaridad. Se extiende a través de capilares, esta propiedad depende de la
cohesión y la adhesión (atracción entre moléculas de agua y otras sustancias).
Elevado calor específico. Para aumentar 1Cº la temperatura de 1Kg de agua es
necesaria más energía ya que una parte de esta energía se usa para romper los
puentes de hidrógeno y el reto para el movimiento de sus moléculas, por eso
retrasa el incremento de la agitación térmica. esto tiene mucha importancia en
los seres vivos ya que aumenta y disminuye lentamente su temperatura, es un
estabilizador térmico.
Elevado calor de vaporización. La agitación térmica se dificulta ya que tiene
que romper primero los puentes de hidrógeno por eso se evapora con más calor
y lentamente.
Gran capacidad como disolvente. Debido a al polaridad de la molécula, ésta es
muy disolvente tanto con sustancias iónicas como con sustancias polares.
o Sustancias iónicas. son sustancias formadas por átomos cargados
positiva o negativamente. El agua entra en contacto con estas sustancias
y rompe o debilita sus enlaces entonces los iones se separan y el agua los
rodea; el oxígeno los iones positivos y el hidrógeno los negativos. A esto
se le denomina solvatación.
o Sustancias polares. Es estas sustancias se distingue un polo positivo y
otro negativo y se produce una atracción ente estos polos y el agua,
algunos puentes de hidrógeno se las moléculas de agua se rompen y el
agua forman estos puentes con estas sustancias.
3. Las sales minerales.
3.1. Propiedades e importancia biológica.
En todas las clases de seres vivos se encuentran determinadas cantidades de sales
minerales. Se clasifican según su solubilidad.
• Las sustancias salinas, insolubles en agua. Forman estructuras sólidas que
tienen una función protectora y de sostén que están muy extendidas entre los
seres vivos :
o Los crustáceos y moluscos tienen un caparazón de carbonato cálcico
CaCO3
o Las diatomeas tienen fóstula de sílice SiO2 (óxido de silicio IV)
o El esqueleto de los vertebrados esta formado por una parte mineral
formada por la asociación de carbonatos, fosfatos… y los dientes por
CaF2
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•
Las sales minerales solubles. Se encuentran disociadas en iones responsables
de la actividad biológica. Las principales son:
o Cationes (+). Na+, K+, Mg+, Ca+2, Fe+2, CH4+ (amonio).
o Aniones (─). Cl-, fosfatos (PO-34, PO4H-2, PO4H2- ), sulfatos (SO4-2 …),
nitratos, carbonatos (CO3-2, HCO3- …)
3.2. Funciones de las sales.
A. Regulación de los fenómenos osmóticos.
Ósmosis. Es el paso a través de una membrana semipermeable de disolvente pero no
soluto. Se llama presión osmótica a la diferencia entre las dos presiones.
Cuanto mayor es la presión osmótica más rápido pasa el disolvente.
ÓSMOSIS DE CÉLULA VEGETAL
ENDOSMOSIS
Medio hipotónico
EXOSMOSIS
Medio hipertónico
La pared celular impide que
estalle pero la célula muera
por turgencia.
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Ósmosis de célula animal (eritrocito)
En un medio isotónico en eritrocito es normal.
ENDOSMOSIS
M. hipotónico
EXOSMOSIS
M. hipertónico
Muere por turgencia
Muere por plasmolisis
B. Regulación del pH
El pH se halla con la siguiente fórmula:
[
[ ]]
pH = − log H +
Cuando hay un exceso de H+, es ácido y cuando hay un exceso de OH- se dice que es
básico.
2H2O
H2O
H3O+ + OHH+ + OH-
La escala del pH va desde 0, el más ácido, hasta en 7 el más básico.
Para que las funciones vitales se realicen con normalidad es necesaria que la
concentración de H+ sea más o menos constante y próxima el pH=7.
Sin embargo en las reacciones que tiene lugar mediante el metabolismo se están
liberando productos ácidos y básicos que tienden a variar la neutralidad y que influyen
el las actividades enzimáticas, la actividad hormonal… para evitarlo los organismos
tienen unos medios químicos que se oponen automáticamente a las variaciones del pH
a estos se les denominan sistemas amortiguadores o sistemas tampón y en ellos
invierten de forma fundamental las sales minerales y el agua, lo más probable es que el
pH varíe hacia el medio ácido.
Estos sistemas están formados por ácidos débiles y la sal de este ácido. Algunos
ejemplos son:
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Agujetas.
NaHCO3
Ácido láctico
El Na se intercambia con el H del grupo hidroxilo.
H2CO3
Lactato sódico (neutro)
Ácido débil
Líquido extracelular, estómago.
NaHCO3
Sal
NaCl
+
H2CO3
sal neutra
ácido
=aCl: es un sal neutra ya que se disocia y no se liberan protones, es habitual
expulsarlo por la orina.
H2CO3: es ácido carbónico, es un ácido débil y se descompone en CO2, que se va en
la respiración y H2O.
Todos los H que podían causar un estado de acidez desaparecen manteniéndose un
estado de neutralidad.
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Acción específica de los cationes
Depende de la naturaleza del catión, en general regulan actividades del organismo, unas
veces para favorecer y otras para reprimirlas.
Un catión aislado puede producir toxicidad pero se comprensa con la presencia de otros
cationes. Ejemplos:
• K+: Elevan la turgencia de las células favoreciendo la captación de agua.
• Ca+2: disminuyen la turgencia impidiendo la captación de agua. Por eso se dice
que Ca+2 y K+ son antagónicos.
• Poe ejemplo el corazón de la rana con un exceso de Ca+2 muere por sístole
(contracción) y un exceso de K+ y Na+ muere por diástole (relajación) por eso un
equilibrio entre los dos cationes permite el buen funcionamiento del corazón de
la rana.
• También el Na+ y k + mediante la bomba de sodio-potasio, regulan la difusión
del impulso nervioso y la difusión de iones a través de la membrana.
• El Na+ regula las reacciones ácido-base.
• El Fe+2,+3 Forman parte de la hemoglobina.
• Mg en la clorofila.
4. Biomoléculas.
Junto con las sales minerales y el agua las biomoléculas son los componentes
principales de la materia viva. Son principios inmediatos orgánicos, es decir que se
pueden separar por procedimientos físicos (filtración, centrifugación…) y pueden ser:
•
Simples: formadas por un solo tipo de átomos. O2, C2 …
•
compuestas: Formadas por átomos distintos:
o Inorgánicas: H2O, CO2 y sales minerales.
o Orgánicas: Glúcidos, lípidos, ácidos nucleicos y proteínas
Composición.
Están compuestos por C e H. el carbono tiene las siguientes características:
• Es ligero, sus átomos son pequeños porque atraen los electrones con fuerza y los
enlaces son fuertes.
• En su nivel de energía tiene 4 electrones y forma enlaces simples (C─C─C ) dobles
( C=C ) o triples ( C ≡ C ) pero con enlaces covalentes que son más estables.
• Pueden formar largas cadenas de carbono, estas pueden ser:
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Cadenas de carbono
Cadenas lineales
Ramificadas
'o ramificadas
Cadenas cíclicas
Algunos compuestos de carbono pueden ser:
• Metano CH4
•
Etano CH3─CH3
•
Propano CH3─CH2─CH3
•
Butano CH3─CH2─CH2─CH3
Estos compuestos con los diferentes grupos funcionales:
ALCOHOL
(PROPANOL)
ALDEHÍDO
(PROPANAL)
CETONA
(PROPANONA)
CARBOXILO
(ÁCIDO PROPANOICO)
AMINA
(PROPANOAMINA)
AMIDA
(PROPANOAMIDA)
NH2
OH
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Iomería.
Los compuestos isómeros tienen la misma fórmula empírica y distinta fórmula
desarrollada (algún grupo funcional con colocación diferente). Pueden ser:
•
Isomería estructural: La diferencia entre los isómeros se producen entre un
solo plano. Afecta a la disposición de carbonos en la cadena lineal, los
dobles enlaces, tipo grupo funcional y el lugar donde se sitúan.
•
Isomería espacial o esteroisómeros: en este caso la diferencia afecta a la
estructura tridimensional de las moléculas. Pueden ser:
o Isomería geométrica: es frecuente en estructuras con dobles enlaces
entre carbonos.
FORMA CIS
FORMA TRANS
o Isomería óptica: es la capacidad de ciertas sustancias para desviar la luz
polarizada. Los esteroisómeros ópticos, son la misma sustancia y con las
mismas propiedades, requieren tener un carbono anomérico y estar en
disolución.
Si desvía la luz polarizada a la derecha son dextrógiras y se
identifica con +
Si desvía la luz polarizada a la izquierda son levógiros y se
identifican con –
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5. Glúcidos.
•
•
•
•
•
•
•
Están formados por C, H y O.
Son la principales biomoléculas, las más abundantes en la naturaleza y
forman la reserva energética más rápida.
Están formadas por cadenas de 3 a 7 átomos de C
Uno de los átomos de carbono es un grupo carbonilo:
o Aldehído: ─COH
o Cetona: ─CO─
o El resto de los grupos funcionales con hidroxilos ─OH
Por los hidroxilos se dice que son polihidroxicetonas o polihidroxialdehídos,
es decir, polialcoholes.
Los polialcoholes se unen entre ellos formando polímeros, el enlace que une
estos polialcoholes se llama O-glucosídico.
Los glúcidos se clasifican en: osas y ósidos
osas o monosacáridos
triosas
tetrosas
pentosas
hexosas
heptosas
gliceraldehído
eritrosa
ribosa
glucosa
heptulosa
dihidroxicetona
treosa
desoxiribosa
maltosa
eritrulosa
ribulosa
galactosa
fructosa
ósidos
holósidos
heterósidos
Formados sólo por monosacáridos.
Formados por monosacáridos
y otras sustancias.
oligosacáridos (2-10)
polisacáridos (+10)
disacáridos trisacáridos monopolisacáridos heteropolisacáridos
se repite el mismo
monosacárido
se repiten 2 o más
monosacáridos
calobiosa
almidón
pectina
lactosa
glucógeno
agar-agar
sacarosa
celulosa
controitina
quitina
mucopolisacáridos
maltosa
rafinosa
Poseen una parte glucídica y
otra de diferente naturaleza
hemicelulosa
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5.1 Osas o monosacáridos.
Triosas.
Son cadenas de carbono formadas por tres átomos de carbono. Las más importantes son:
D- GLICERALDEHÍDO
D-HIDROXICETO=A
Terrosas
Son las cadenas de carbono formadas por cuatro átomos de carbono. Las más
importantes son: Treosa, Tetrosa y Eritrulosa
La eritrosa y la teosa son efímeras en C-2, es decir dos sustancias son efímeras cuando
tiene la misma fórmula empírica y semidesarrollada pero en la desarrollada varía la
colocación de algún grupo funcional (OH)
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Pentosas.
Son las cadenas de carbono formadas por la unión de cinco átomos de carbono. Las
más importantes son:
D-RIBOSA
D-DESOXIRRIBOSA
D-RIBULOSA
La ribosa en el componente más importante del ARN mientra que la desoxirribosa, a la
que le falta un oxígeno en el carbono 2, es el componente importante del ADN.
Hexosas.
Son las cadenas de carbono formadas por la unión de seis átomos de carbono. Todas las
hexosas tienen la misma fórmula molecular (C6H12O6). Las más importantes son:
.
ALDOSAS
D-GLUCOSA
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D-MA=OSA
CETOSAS
D-GALACTOSA
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D-FRUCTOSA
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Sustancias derivadas de los monosacáridos.
POLIALCOHOLES POR REDUCCIÓ=
D-GLUCOSA
SORBITOL
DEOXIAZÚCARES POR REDUCCIÓ=
D-RIBOSA
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D-DESOXIRIBOSA
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GLUCOÁCIDOS POR OXIDACIÓ'
GLUCOSA
ÁCIDO URÓ=ICO
De la glucosa derivan estas dos
sustancias
Se le añade a la glucosa en
el C-6 un grupo carboxilo
ÁCIDO ASCÓRBICO
Vitamina C
COOH
AMI=OGLÚCIDOS
CH2OH
La β-D-glucosa pasa aserglucosamina
La β-D-glucosa forma parte del:
O
H
OH
H
OH
H
OH
H
•
N-Acetílglucosamina
•
N-Acetílmuramico
β─glucosamina
H
N
H
Enlace
N-glucosídico
H
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5.1.
disacáridos.
Están formados por dos monosacáridos. Para formarse necesitan reaccionar dos grupos
hidroxilo uno de cada monosacárido, participan el carbono 1(aldosas) ó 2 (cetosas) y el
4 del otro.
El enlace es un puente de oxígeno y en esta reacción se desprende una molécula de H2O
el puente de oxígeno se llama o-glucosídico ó o-glicosídico.
También en la naturaleza se deshacen los disacáridos, es decir, se rompen los
disacáridos.
La reacción inversa se llama hidrólisis ya que se necesita una molécula de H2O
Los disacáridos son dulces, solubles en agua y son fácilmente cristalizables (sólidos).
La función del disacárido es la de obtener energía, gracias a la hidrólisis se convierten
en monosacáridos y estos sirve para conseguir energía mediante la respiración celular.
Los disacáridos más frecuentes son:
•
Lactosa: glucosa (β) 1+ 4galactosa (β).
•
Sacarosa: glucosa (α)1+ 2fructosa (β). (remolacha, caña de azúcar).
•
Maltosa: glucosa(α)1 + 4glucosa(α)
•
Celobiosa: glucosa(β)1+4 glucosa(β)
•
Isomaltosa: glucosa(α)1 + 6glucosa(α)
H
Reductora
Monocarbonílica
OH
ISOMALTOSA
α─D─glucopiranisil1─6α─D─glucopiranosa
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β─D─galactopiranosil1─6α─D─glucopiranosa.
Reductora
Monocarbonílica
No reductora
Dicarbonílica
α─D─glucopiranosil1─2 β─D─fructofuranosido.
Monocarbonílica
Reductora
α─D─glucopiranisil1─4α─D─glucopiranosa.
Monocarbonílica.
Reductora.
β─D─glucopiranosil1─4β─D─glucopiranosa
CELOBIOSA
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5.2.Heteropolisacáridos.
Son sustancias que por hidrólisis nos dan varios tipos de monosacáridos o derivados de
estos. Su importancia biológica:
•
•
•
•
•
•
•
•
La pared celular bacteriana: mureína N-acetílmurámico
Pared celulósica de las células vegetales. Pectina en la ciruela y cereza
Taponar heridas en los vegetales. Goma arábiga
Agar-agar en las algas rodófitas. En microscopía para alimentar a los microbios
en las siembras.
Matriz extracelular de las células animales. Actina, ceramídas, forman parte del
líquido sinovial, del humor vítreo, y del cristalino.
Dan forma y rigidez a las células.
En organismos pluricelulares forman el cemento intercelular como la
condroitina que forma los cartílagos.
Sustancias con secreción de diversas funciones como la heparina que impide la
coagulación de la sangre abunda en la sustancia intercelular principalmente del
hígado y del plumón.
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