COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS

BLOQUE I: LAS MOLÉCULAS DE LA VIDA
BIOLOGÍA
COLEGIO ECOS
2º BACHILLERATO
Bioelementos y biomoléculas. El agua.
1.- Composición de los seres vivos: bioelementos y
biomoléculas.
2.- El agua.
2.1.- Estructura.
2.2.- Propiedades físico-químicas.
2.3.- Funciones biológicas.
2.4.- Disoluciones acuosas de sales minerales.
3.- Bibliografía.
4.- Preguntas de selectividad.
1.- Composición de los seres vivos: bioelementos y biomoléculas.
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Gotas de agua
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Existen alrededor de unos 100 elementos estables diferentes en la naturaleza, pero solo unos cuantos1 de los
mismos forman parte de los seres vivos y de éstos, el 96% corresponden sólo a cuatro de ellos: carbono (C),
oxígeno (O), hidrógeno (H) y nitrógeno (N). Además hay otros elementos también muy importantes – potasio (K),
calcio (Ca), fósforo (P), sodio (Na), magnesio (Mg), cloro (Cl) y azufre (S) – que junto a los cuatro anteriores
constituyen alrededor del 99,9% de los elementos integrantes de la materia viva, recibiendo el nombre de
macroelementos.
El aproximadamente 0,1% restante lo integra otros elementos que a pesar de su baja concentración, son
imprescindibles para el funcionamiento del ser vivo por desempeñar funciones muy importantes. Tales ejemplos
serían: yodo (I), cobre (Cu), manganeso (Mn), cinc (Zn), flúor (Fl), cobalto (Co), etc. Se les denominan
oligoelementos. Muchos oligoelementos son tóxicos en concentraciones más elevadas a las necesarias.
Todos los macroelementos están presentes en todos los seres vivos, no sucediendo lo mismo con los
oligoelementos. Además, puede ocurrir que un determinado elemento sea oligoelemento para un organismo y
macroelemento para otros.
De acuerdo con su abundancia/proporción en la que se encuentren, se dividen en:
a)
Bioelementos primarios. Constituyen el 96-99% de la materia viva y son los componentes esenciales
con los que se construyen las biomoléculas. Son: carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N),
azufre (S) y fósforo (P).
Carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno, poseen una propiedad común: forman con facilidad enlaces
covalentes estables y fuertes mediante reparto de pares de electrones.
Merece especial atención el carbono por:
formar largas cadenas carbonadas que servirán de
esqueleto para construir grandes biomoléculas.
se une por cuatro enlaces covalentes distribuidos en
forma de tetraedro, lo que da lugar a variadas
estructuras tridimensionales.
capacidad para formar enlaces covalentes simples,
dobles o triples con otros carbonos, dando lugar a la
aparición de esqueletos lineales o cíclicos muy
polimorfos que permiten una ingente variedad de
moléculas orgánicas distintas.
se pueden formar dobles o triples enlaces con el
oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno y el azufre; con lo
que puede introducir muchos grupos funcionales en la estructura de las moléculas orgánicas.
El azufre se encuentra en dos aminoácidos (cisteína y metionina), presentes en todas las proteínas.
También en algunas sustancias como el coenzima A.
El fósforo forma parte de los nucleótidos, de coenzimas y otras moléculas como fosfolípidos. También
constituye parte de un tipo de sales minerales (fosfatos).
b)
Bioelementos secundarios. Están presentes en el medio celular en pequeñas cantidades: 1-4% de la
materia viva. A pesar de su baja presencia son esenciales para el buen funcionamiento de los seres vivos.
Destacamos:
-
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.
Los bioelementos o elementos biogénicos son los elementos químicos presentes en la naturaleza que forman parte de los
seres vivos. Se han identificado alrededor de 70 bioelementos, aunque no todos están presentes en todos los seres vivos, ni
aparecen en las mismas proporciones. Solamente 22 bioelementos son componentes esenciales de la materia viva.
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-
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.
-
Magnesio. Forma parte de la molécula de clorofila, y en forma iónica actúa como catalizador, en
muchas reacciones químicas del organismo.
-
Cloro. Anión más frecuente; necesario para mantener el balance de agua en la sangre y fluido
intersticial
c) Oligoelementos. Son esenciales para la vida, pero se encuentran en la materia viva en cantidades muy
pequeñas que no superan el 0,1%. Estos son:
-
Hierro. Catalizador en reacciones químicas y formando parte de la hemoglobina que interviene en
el transporte de oxígeno.
-
Manganeso. Interviene en la fotólisis del agua, durante el proceso de fotosíntesis en las plantas.
-
Yodo. Necesario para la síntesis de la hormona tiroxina.
-
Flúor. Forma parte del esmalte dentario y de los huesos.
-
Cobalto. Forma parte de la vitamina B12, necesaria para la síntesis de hemoglobina.
Las biomoléculas o principios inmediatos están formados por la combinación de bioelementos por medio de
enlaces químicos. Serían pues las moléculas y los iones que integran la materia viva. Han sido clasificadas en dos
grandes grupos:
a)
Inorgánicas. Los bioelementos que intervienen en su formación se unen por medio de enlaces iónicos.
No son exclusivas de los seres vivos, es decir, forman parte tanto de los seres vivos como de los seres
inertes. Son el agua y las sales minerales.
b)
Orgánicas. Los bioelementos se unen a través de enlaces covalentes. Exclusivas de los seres vivos y
por lo tanto es necesario que los organismos las sinteticen. A éste grupo pertenecen los glúcidos,
lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
2.- El agua.
El agua es la biomolécula más abundante en los seres vivos. Es una sustancia inorgánica imprescindible para
la vida. El término medio de agua en las células es del orden del 75-85%. En las células puede presentarse como
agua ligada, unida a proteínas y a otras moléculas cargadas, o bien como agua libre. Se distribuye en el organismo
en medios intracelulares e intercelulares, o en fluidos circulares como la sangre y la linfa.
El papel primordial del agua en el metabolismo de los seres vivos se debe a sus excepcionales propiedades
físicas y químicas, derivadas de su estructura molecular.
2.1.- Estructura.
La molécula del agua está formada por dos átomos de
hidrógeno y uno de oxígeno unidos por enlaces covalentes
simples. Los enlaces no se disponen en línea recta, sino en
triángulo formando un ángulo de 104,5º. El átomo de oxígeno,
muy electronegativo, atrae a los electrones compartidos en los
enlaces de tal manera que se produce una cierta carga parcial negativa. Al otro lado de la molécula se sitúan
los hidrógenos, que presentan una carga parcial positiva. Dicho exceso de carga negativa y carga positiva,
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recibe el nombre de densidad de carga. La molécula
de agua es, por lo tanto, un dipolo eléctrico, aunque
su carga neta sea neutra.
Debido a su carácter dipolar, las
moléculas de agua pueden interaccionar entre sí,
mediante atracciones electrostáticas, estableciendo
enlaces o puentes de hidrógeno. Cada molécula de
agua puede unirse teóricamente con otras cuatro
moléculas de agua, estableciendo dos puentes de
hidrógeno por las cargas parciales negativas del
oxígeno, y un puente de hidrógeno por cada una de
las cargas parciales positivas de los hidrógenos.
Igualmente, pueden formar puentes de hidrógeno con
otras moléculas polares o iones.
2.2.- Propiedades físico-químicas.
Las propiedades físicas y químicas del agua derivan de la polaridad y de la cohesión de sus
moléculas. Las más importantes son:
1.- Gran poder disolvente. La polaridad y la capacidad
de formar puentes de hidrógeno hacen del agua una
molécula muy reactiva. Es un magnífico disolvente de las
moléculas polares. La causa está en que el agua debilita
las fuerzas electrostáticas y los puentes de hidrógeno
entre las moléculas polares al competir con ellas. Esto
es debido a que posee una constante dieléctrica
extraordinariamente elevada (80).
2.- Alto calor específico. El calor específico del agua es muy elevado y hace posible que el agua sea
un amortiguador térmico, o sea, grandes variaciones de calor suponen menores variaciones de la
temperatura, ya que parte de la energía es empleada en romper los enlaces de hidrógeno.
3.- Elevado calor de vaporización. Cuando el agua pasa de estado líquido a estado gaseoso necesita
absorber mucho calor para romper todos los enlaces de hidrógeno. Cuando el agua se vapora en
la superficie de un ser vivo, absorbe calor del organismo actuando como regulador térmico.
4.- Elevada cohesión molecular. El hecho de ser un fluido dentro de un amplio margen de temperatura
permite al agua dar volumen a las células, turgencia a las plantas, actuar como esqueleto
hidrostático en algunos invertebrados, explica las deformaciones que sufren algunas estructuras
celulares y función mecánica amortiguadora constituyendo el líquido sinovial.
5.- Elevada tensión superficial. En la superficie de contacto con otro medio, la cohesión entre las
moléculas de agua es mayor, lo que proporciona una especie de película superficial.
6.- Densidad. El agua en estado líquido es más densa que en estado sólido. En estado sólido el
agua presenta todos sus posibles puentes de hidrógeno (4), formando un retículo que ocupa mayor
volumen, por lo que es menos denso.
7.- Elevada fuerza de adhesión. Las moléculas de agua
tienen gran capacidad de adherirse a las paredes de
conductos de diámetros pequeños, ascendiendo en contra
de la acción de la gravedad. Este fenómeno se conoce como
capilaridad.
8.- Bajo grado de ionización. Hay una tendencia limitada del
ión hidrógeno a disociarse del átomo de oxígeno al que se
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halla unido covalentemente en una molécula de agua y a “saltar” al átomo de oxígeno de la
molécula adyacente a la cual se ha unido por enlace de hidrógeno. En esta reacción se producen
iones H3O+ y OH-:
Las disoluciones acuosas pueden ser:
 Neutras, si la concentración de iones H3O+ y
OH- es igual.
 Ácidas, si la concentración de iones H3O+ es
mayor que la de OH-.
 Básicas, si la concentración de iones OH- es
mayor que la de H3O+.
2.3.- Funciones biológicas.
1.- Disolvente universal. Las moléculas de agua, debido a su carácter dipolar, tienden a disminuir las
atracciones entre los iones de las sales y otros compuestos iónicos, facilitando su disociación en forma
de cationes y aniones y rodeándolos por dipolos de agua que impiden su unión. Este fenómeno se
conoce como solvatación iónica.
2.- Amortiguador térmico. Mantiene constante la temperatura interna de los seres vivos. Se puede
eliminar gran cantidad de calor con poca pérdida de agua.
3.- Transporte. Permite el transporte de sustancias en el interior de los seres vivos y su intercambio con
el medio externo, facilitando el aporte de sustancias nutritivas y la eliminación de productos de desecho.
4.- Mecánica. Su reducida viscosidad hace que actúe como lubricante amortiguando el roce entre
articulaciones y entre órganos.
5.- Estructural. El volumen y forma de las células que carecen de capas rígidas se mantienen gracias
al contenido de agua.
6.- Bioquímica. Constituye el medio en el que se realizan la mayoría de las reacciones bioquímicas, y
en ocasiones, además, interviene de forma activa en las reacciones de hidrólisis.
7.- Excretora. Los productos tóxicos son eliminados en medios acuosos rebajando su toxicidad.
8.- Vida en los polos. La capa de hielo, menos densa, ejerce de película manteniendo una columna de
temperatura en el agua superior a los 0 ºC.
Propiedades fisicoquímicas
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Funciones biológicas
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Constante dieléctrica elevada
Disolvente universal
Transporte de sustancias
Bioquímica
Elevado calor específico
Termorreguladora
Elevado calor de vaporización
Termorreguladora
Elevada cohesión molecular
Estructural (volumen celular, turgencia,
deformaciones citoplasmáticas, esqueleto
hidrostático) y mecánica (amortiguadora)
Elevada tensión superficial
Desplazamiento por superficie acuática (zapatero)
Elevada fuerza de adhesión
Transporte: capilaridad
Máxima densidad en estado líquido Presencia de vida en los polos
Bajo grado de ionización
Tampón: estabilidad del pH en el medio orgánico
3.- Disoluciones acuosas de sales minerales.
Las sales minerales son moléculas inorgánicas presentes en todos los seres vivos que se encuentran
disueltas o en estado sólido y que también se pueden asociar a otras moléculas orgánicas.
Las sales minerales disueltas son solubles en agua; se encuentran disociadas en sus iones y forman parte de
los medios internos, intracelulares y extracelulares:

Los aniones (carga negativa) más frecuentes son: cloruros (Cl-), fosfatos (PO4-3), carbonatos (CO3-2),
bicarbonatos (HCO3-) y nitratos (NO3-).

Los cationes (carga positiva) más abundantes son: sodio (Na+), calcio (Ca+2), magnesio (Mg+2), hierro
(Fe+2 y Fe+3) y potasio (K+).
Las sales minerales insolubles en la materia se encuentran en estado sólido. En cada organismo se forman
diversos cristales de composición, forma y tamaño específicos. Las sales precipitadas se pueden asociar a
macromoléculas con las que interaccionan a través de grupos iónicos comunes y regulan el crecimiento de los
cristales.
Sus funciones biológicas son:
1.
Mantener el grado de salinidad en los organismos. Las concentraciones iónicas de sales minerales se
mantienen constantes, dentro de ciertos límites, en los distintos organismos. Las sales mantienen el grado
de hidratación y determinan el estado eléctrico del protoplasma.
2.
Regular la actividad enzimática. La presencia de determinados iones activa o inhibe reacciones
bioquímicas catalizadas por enzimas.
3.
Generar potenciales eléctricos. Los iones que se encuentran en el interior de las células no son los
mismos que los del medio externo por esto, a ambos lados de la membrana, existe una diferencia de
cargas eléctricas. Esta irregular distribución de iones provoca la existencia de un potencial de membrana
que ejerce una fuerza sobre cualquier molécula con carga eléctrica.
4.
Regulación del pH. La actividad biológica en el medio interno celular se produce a un determinado valor
de pH. Las reacciones químicas que se verifican en los organismos producen variaciones en el pH y
algunas sales minerales disueltas contribuyen a disminuir estas variaciones, manteniendo constante el pH.
Las disoluciones de sales que tienen esta función se denominan tampones, buffer o disoluciones
amortiguadoras. Están compuestos por un ácido débil y su base conjugada. Actúan como aceptores o
dadores de [H+] para compensar el exceso o déficit de estos iones en el medio y mantener constante el
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pH. Las más importantes son: el sistema tampón fosfato [H2PO4- / HPO4-2] y el sistema tampón
bicarbonato [HCO3- / H2CO3].
5.
Intervienen en el equilibrio osmótico. En
disolución acuosa, las sales participan en la
concentración de los medios extracelular e
intracelular, fenómeno denominado acción osmótica.
En un medio acuoso, los iones o partículas en
dispersión se diseminan por toda la masa líquida por
simple difusión física. Entre dos medios de diferente
concentración, separados por una membrana
semipermeable se produce el proceso de ósmosis:
como el soluto no puede atravesar la barrera, el agua
pasa a la parte más concentrada, llegando a provocar
una diferencia de presión, la presión osmótica.
La disolución más concentrada se denomina
hipertónica, la menos concentrada recibe el nombre
de hipotónica, y cuando dos disoluciones tienen igual concentración se denominan isotónicas. Como el
medio interno celular suele tener diferente concentración que el entorno, el fenómeno osmótico tiene gran
importancia biológica.
 Si se somete la célula a una disolución muy diluida (medio hipotónico), respecto a ella, se produce la
entrada masiva de agua hacia el interior de la célula, lo que ocasiona un aumento del volumen celular y
una disminución de la presión osmótica en el interior celular. Si la célula es vegetal se hincha
ligeramente, ya que la pared celular equilibra la presión osmótica: turgencia celular. Sin embargo, si la
célula es animal puede llegar a estallar: lisis osmótica.
 Al introducir una célula en una disolución muy concentrada (medio hipertónico), el agua tiende a salir
de la célula con lo cual disminuye su volumen y aumenta la presión osmótica en el interior celular. Se
va a producir el fenómeno de plasmólisis: la célula se arruga por pérdida de agua pudiendo producir la
muerte celular.
6.
Formar estructuras de protección o sostén. Por ejemplo el carbonato cálcico endurece huesos y
dientes; el fosfato cálcico forma parte de la matriz mineral del tejido óseo; y los silicatos constituyen las
espículas de algunas esponjas.
NOTA: Las cinco primeras funciones corresponden a las sales minerales disueltas y la última función a las
sales minerales precipitadas.
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3.- Bibliografía.

LEHNINGER. Bioquímica. 1978.

STRYER. “BIOQUÍMICA”. Editorial REVERTÉ. 1995.

Mª PEINADO y colaboradores. Biología celular. 1994.

J. ALCAMÍ y colaboradores. “BIOLOGÍA 2”. Editorial SM. 2009.

CARLOS PULIDO y colaboradores. “BIOLOGÍA 2”. Editorial ANAYA. 2003.
4.- Preguntas de selectividad.
1.- 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.
2.- Describa la estructura de la molécula del agua. Enumere cuatro propiedades físico-químicas del agua y
relaciónelas con sus funciones biológicas.
3.- Las células vegetales son capaces de soportar mayores variaciones en la presión osmótica del medio que
las células animales. Justifique esta afirmación.
4.- Defina el término bioelemento y enumere cuatro de ellos, explicando brevemente su importancia biológica.
Destaque las propiedades físico-químicas del carbono.
5.- La hoja de una planta al sol está generalmente más fresca que las piedras vecinas. ¿Qué propiedades
físico-químicas del agua explotan las plantas para conseguirlo? ¿Gastan energía en ello? Razone la
respuesta.
6.- 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.
7.- En las zonas polares, donde las temperaturas son muy bajas, ¿cómo es posible que los ecosistemas
marinos se mantengan con vida en las épocas de temperatura más baja? Razone la respuesta.
8.- La inclusión de glóbulos rojos en un medio hipotónico se utiliza como paso previo para obtener membranas
celulares puras. Dé una explicación razonada del porqué de este procedimiento.
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