Corteza terrestre Cuerpo humano

BIOELEMENTOS
Introducción:
Los elementos que constituyen la materia viva se llaman elementos biogénicos o
bioelementos. Pese a recibir este
nombre, no hay ningún elemento
químico exclusivo de la materia viva,
todos los elemento que forman la
Corteza terrestre % Cuerpo humano %
materia orgánica han sido
incorporados a ella desde la corteza
terrestre, donde son relativamente
O
47
H
63
abundantes.
Si
28
O
25,5
Al
7,9
C
9.5
Fe
4,5
N
1,4
Ca
3,5
Ca
Na
2,5
P
0,22
K
2,5
Cl
0,08
Mg
2,2
K
0,06
Ti
0,46
S
0,05
H
0,22
Na
0,03
C
0,19
Mg
0,01
0,31
Abundancia relativa de los elementos
químicos principales en la corteza terrestre y
en el cuerpo humano, en porcentaje del
número total de átomos
Desde el origen de la vida y a
lo largo de toda la evolución, los
sistemas biológicos han ido
incorporando y formando materia
orgánica con los elementos químicos
más idóneos para formar unas
estructuras biológicas estables, pero
con gran capacidad de reacción. Se
podría definir al ser vivo como un
sistema material limitado
espacialmente, que intercambia
continuamente materia y energía con
el medio que le rodea con el fin de
autorreplicarse.
Para que los sistemas
biológicos sea estables en las
condiciones físico-químicas en los
que se desarrolla la vida en la Tierra,
los elementos que componen esta
materia deben tener unas cualidades
peculiares que después veremos.
En la tabla se puede comparar las diferencias de concentración de los elementos
en la corteza y en el cuerpo humano. Los elementos más abundantes en la corteza son el
Oxígeno y el Silicio, sin embargo en la materia orgánica los elementos más abundantes
son el Hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno, en el cuerpo humano no hay silicio y en
el conjunto de la biosfera hay muy poco.
El carbono es el elemento de los seres vivos más parecido al silicio por su
configuración electrónica, ambos tienen cuatro electrones en su última capa y los dos
pueden formar cuatro enlaces covalentes, la diferencia entre ellos es su radio atómico, el
carbono al ser más pequeño forma enlaces más estables y aunque en la corteza es
relativamente poco abundante, se concentra en la biosfera más que el silicio.
Otro aspecto a comparar de la tabla es la concentración de oxígeno e hidrógeno; el
hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, sin embargo está poco
concentrado en la corteza y bastante concentrado en la biosfera, por el contrario el
oxígeno es más abundante en la corteza y menos en la biosfera, se podría decir que la
materia orgánica es en su conjunto más reducida y la corteza terrestre más oxidada. A lo
largo del curso veremos como las reacciones de oxidoreducción son las utilizadas en los
seres vivos para obtener energía, cuanto más reducida sea una molécula más energía
interna tiene acumulada.
Clasificación de los bioelementos
Los elementos biogénicos se clasifican según su abundancia en:
Organógenos ( constituyen el 99% de la materia viva) :
Primarios: H,O,C,N.
Secundarios: P,S, Na, K, Ca, Mg, Cl.
Oligoelementos (Se concentran en los seres vivos en partes por millón (constituyen
el 1% de la materia viva) Zn, Al,I,Cu,B, Mg, Co, V, Mo, Si, Sn, Ni, Cr, F, Se.
Los oligoelementos son elementos muy poco concentrados, pero indispensables
para los seres vivos, suelen participar en la formación de enzimas de forma específica o
producen gradientes eléctricos o de concentración y no pueden ser sustituidos por otros
parecidos. Los primeros de la lista son indispensables para todos los seres vivos, otros
solo son indispensables solo para determinado grupo biológico.
El Ca forma esqueletos y es indispensable para el mecanismo de contracción
muscular.
El Na y K producen las diferencias de concentración salinas y eléctricas entre el
interior y el exterior de las membranas regulando entre otros fenómenos el impulso
nervioso y los movimientos del corazón.
El Fe es indispensable como cofactor de la hemoglobina.
El Mg forma la clorofila y es indispensable en la formación de las proteínas.
El Cu es indispensable para la formación de la hemocianina (pigmento de igual
función que la hemoglobina) en los artrópodos.
El B es indispensable para la formación de savia elaborada en el floema de los
vegetales.
El I para formar hormona tiroxina en los vertebrados.
Propiedades de los bioelementos organógenos.
Aunque ya hemos dicho algo al comentar la gráfica, vamos a resumir las
características que hacen idóneos a los bioelementos organógenos. El Carbono tiene
posibilidad de formar cuatro enlaces covalentes y el Nitrógeno tres, además como son
elementos de poco radio atómico, los enlaces son muy estables. El carbono es capaz de
enlazarse con otros átomos de carbono para formar cadenas y ciclos y sus enlaces
pueden ser dobles o triples entre dos átomos. Son los elementos que proporcionan
estabilidad a la materia orgánica.
El Hidrógeno es el elemento más electropositivo del sistema periódico, se
desprende con facilidad de su electrón. el oxígeno por el contrario es, después del flúor,
el más electro negativo, el núcleo atrae fuertemente a sus electrones y a los de los
átomos con los que se enlaza covalentemente. Estos dos elementos son los que forman
los radicales de las cadenas de carbono, estos radicales confieren gran reactividad a las
moléculas orgánicas.
Las moléculas orgánicas pueden mantener la cadena de carbono estable pero
transformarse unas en otras al reaccionar sus radicales.
Los radicales más comunes en química orgánica son:
C
O
C
H
Aldehido
C
C O
Cetona
O
H
H
Alcohol
hidroxilo
O
O
H
C
N
H
ácido
Amina
cet
El azufre y el fósforo son elementos de la tercera fila del sistema periódico, tienen
completas sus capas electrónicas 1 y 2 y les faltan tres electrones al fósforo y dos al
azufre para completar su orbital "p" de la tercera capa, por lo tanto pueden formar tres y
dos enlaces covalentes respectivamente, como el nitrógeno y el oxígeno, elementos que
se encuentran encima de ellos en el sistema periódico, la diferencia está en que el fósforo
y el azufre tienen mayor radio atómico, por lo que sus enlaces son menos estables, se
pueden romper y formar con facilidad, esta propiedad es ventajosa para los seres vivos
ya que las moléculas que contienen P y S se forman fácilmente acumulando la energía de
una reacción y se rompen en otro lugar de la célula cuando esta energía es necesaria,
son intercambiadores de energía, las moléculas más importantes son el ATP y la
Coenzima A que posee azufre en su composición.
BIOMOLÉCULAS
Los átomos de los elementos que hemos visto hasta ahora no se encuentran
aislados, se encuentran formando moléculas.
Se puede clasificar las moléculas que forman los seres vivos en dos grupos:
Moléculas inorgánica son las que pueden formarse tanto en el interior de los
seres vivos como en el ambiente. Son el agua, las sales minerales y los gases.
Moléculas orgánicas son las que solo se forman de forma natural en el interior de
los seres vivos, aunque pueden actualmente ser fabricadas también en laboratorios.
SALES MINERALES.
Las sales minerales se pueden encontrar en los organismos de dos formas;
precipitadas o disueltas, cuando una sal se disuelve normalmente se disocian los iones
que la componen.
Cuando las sales minerales se encuentran precipitadas en los organismos forman
esqueletos como el CaCO3 que forma junto con proteínas el esqueleto de los moluscos y
el Ca10(PO4)6(OH)2 que forma los huesos.
Cuando las sales minerales están disueltas, sus iones juntos o por separado,
participan en reacciones metabólicas, forman parte de cofactores de enzimas, regulan el
volumen celular por procesos osmóticos, regulan los mecanismos eléctricos de las
membranas (impulso nervioso y movimientos del corazón entre otros) y regulan los
valores de pH en los fluidos de los seres vivos.
Los fenómenos osmóticos y la regulación del pH son procesos en los que
interviene la concentración de sales y de agua y que veremos con más detalle por
separado una vez estudiada la estructura y las funciones del agua.
AGUA
necesita hidratarse cuando desarrolla su
actividad.
El agua es la molécula más abundante
en los seres vivos. El 70% en peso de
todos los organismos es agua, por
término medio. Quizás sea la
biomolécula más importante para la vida,
en la tabla se compara el porcentaje de
agua de diferentes órganos y tejidos, se
puede observar como la cantidad de
agua presente en un órgano está en
relación directa con su actividad
metabólica; la madera tiene función de
sostén pero no es un tejido vivo, por el
contrario las hojas son los órganos más
activos de los vegetales, en animales la
relación hueso-tejido nervioso es similar.
Es de destacar la poca cantidad de agua
que tienen los órganos o estructuras de
resistencia, esporas y semillas, mientras
un ser vivo está en fase de resistencia
frente al ambiente, disminuye su
actividad metabólica al mínimo pero
Madera................60
Hojas ................80
Frutos muy maduros ...95
Semillas oleaginosas
(cacahuete) .......... 5
Hueso.................20
Tejido nervioso.......85
Medusa ...............95
Porcentaje de agua
en diferentes órganos y tejidos.
Estructura y propiedades físico-químicas del agua.
Todas las propiedades del agua se derivan
de la naturaleza dipolar de su molécula. El oxígeno
tiene en su última capa electrónica cuatro orbitales
híbridos sp dispuestos formando un tetraedro, en
esos cuatro orbitales tiene cuatro electrones y le
faltan 2 para completar la capa, para formar el
agua, en dos de estos cuatro orbitales se forman
enlaces covalentes con dos átomos de hidrógeno
que quedan formando un ángulo de 104,5º; Como
el oxígeno es muy electronegativo y el hidrógeno
muy electropositivo los diez electrones que tiene la
molécula de agua se encuentran con mayor
probabilidad rodeando al oxígeno, de forma que en
los dos orbitales sp no enlazados del oxígeno hay
una densidad de carga negativa y en los átomos de
hidrógeno una densidad de carga positiva.
Esta estructura hace que entre un polo parcialmente positivo de una molécula y
otro parcialmente negativo de otra se pueda formar una atracción electrostática débil que
llamamos puentes de hidrógeno. La presencia de estos puentes de hidrógeno entre las
moléculas de agua hace que el agua tenga propiedades fisicoquímicas muy diferentes de
otros hidruros de no metales como el SH2, CH4, NH3 que no presentan polaridad en sus
moléculas.
Propiedades:
Alto calor específico. se necesita mucho más calor para aumentar la temperatura
del agua un grado que para aumentar la temperatura de otros compuestos ya que el calor
aplicado se gasta en romper los enlaces de hidrógeno además de provocar la vibración
de las moléculas.
Alto calor de vaporización y de fusión. El fundamento teórico es el mismo, el
calor de vaporización es el necesario para romper la cohesión entre las moléculas y
separarlas para convertirlas en vapor. En moléculas cuya cohesión es debida a fuerzas
débiles de Van der Vals hace falta menos energía que para separar moléculas unidas por
puentes de hidrógeno.
Alta cohesión. Es una medida de la atracción entre las moléculas y aparte de sus
funciones en el organismo se puede observar el fenómeno de la cohesión al dejar caer
una gota de agua y una de alcohol por ejemplo; la gota de agua es más grande ya que no
caerá hasta que el peso de la gota venza la fuerza de cohesión entre las moléculas de
agua que caen y las que se quedan en el grifo o en el frasco que utilicemos, sin embargo
la gota de alcohol caerá mucho antes y será más pequeña porque el alcohol tiene menor
cohesión.
Bajo grado de disociación. "A causa de la pequeña masa del átomo de hidrógeno,
y dado que su único electrón se halla fuertemente retenido por el átomo de oxígeno, hay
una tendencia limitada del ión de hidrógeno a disociarse del átomo de oxígeno, al que se
halla unido covalentemente en una molécula de agua y a <saltar> al átomo de oxígeno de
una molécula adyacente a la cual se halla unido por enlace de hidrógeno, suponiendo
que la energía interna de la molécula sea favorable. En esta reacción se produce el ión
hidronio H3O+ y el ión hidroxilo OH-. En un litro de agua pura a 25ºC, en un momento
dado existen solamente 1 X 10-7 moles de iones H3O+..." Bioquímica. LEHNINGER. 2ª
ED.
Por convención se emplea el ión H+ en lugar del ión hidrónio al hablar de la
disociación del agua.
Aunque el grado de disociación del agua es muy bajo, es muy importante
conocerlo ya que la concentración de iones H+ en una disolución determina su pH, que
es uno de los factores fisicoquímicos que más influyen en los seres vivo.
Se define pH como el -log [H+], es una forma convencional de saber la
concentración evitando potencias negativas de 10.
En el agua pura el pH es 7, pero la concentración de H+ puede variar según
añadamos uno u otro producto que libere protones o hidroxilos según la formula de la
H  OH 
constante de equilibrio de la reacción de disociación del agua K 
, como la
H 2O
concentración del agua (55,5moles/litro) es muy elevada comparada con la concentración
de sus iones disociados y no cambia apreciablemente al disociarse en mayor o menor
medida, se desprecia. Por tanto la constante de equilibrio es sustituida por una constante
global llamada producto de ionización del agua (Kw=[H+] [OH-]) cuyo valor es 1 X 10-14.
Elevada constante dieléctrica. Es una media de la resistencia que pone un líquido
a la atracción de dos iones de distinto signo disueltos en el. Cuanto mayor sea la
constante dieléctrica mayor será la capacidad de disolver sustancias unidas por enlaces
iónicos o fuerzas electrostáticas, como las sales, ya que se debilitan estos enlaces.
Menor densidad en estado sólido que en líquido. Debido a que en estado sólido
los enlaces de hidrógeno se distribuyen geométricamente y son muy estables y en estado
líquido son más inestables (una millonésima de segundo) las moléculas en estado líquido
están más juntas, unas de otras, que en estado sólido. Propiedad esta que hace que en
las grandes masas de agua como lagos y océanos, en el fondo se mantenga siempre la
misma temperatura, 4ºC ya que es la temperatura a la que el agua es más densa, si se
calienta por cualquier motivo, asciende al perder densidad y si se enfría también.
FUNCIONES DEL AGUA EN LOS SERES VIVOS.
todas las funciones del agua en los seres vivos se derivan de sus propiedades
fisicoquímicas, en los textos suelen poner a la vez las propiedades fisicoquímicas y la
función del agua en los seres vivos relacionada con cada una de ellas, yo he preferido
separarlo para que quede clara la diferencia entre propiedad puramente fisicoquímica de
la función puramente biológica.
Se puede decir que la función más importante del agua es servir de disolvente en
las reacciones que se producen en un ser vivo, recordad que cuanto más porcentaje de
agua en un tejido más activo es metabólicamente. El agua es el mejor disolvente en la
tierra gracias a su elevada constante dieléctrica y a que se encuentra líquida en un gran
rango de temperatura debido a su alto calor específico.
El agua es buen disolvente de las sustancias iónicas y polares y dispersante de
sustancias apolares.
Además de su función como disolvente, el agua actúa, en determinadas
reacciones, también como reactivo generalmente disociándose y reaccionando los iones
por separado.
Debido a su alto calor específico actúa como amortiguador térmico, absorbiendo
el calor desprendido en las reacciones sin que se eleve la temperatura de las células,
impidiendo así que se desnaturalicen las enzimas. A nivel de individuos el agua funciona
de refrigerante al absorber calor cuando se evapora tanto en la transpiración de los
vegetales como en la sudoración animal.
El agua actúa como esqueleto hídrico en algunos organismos manteniendo la
forma de las células y facilitando sus movimiento debido a la cohesión de sus moléculas y
a su fluidez.
FENÓMENOS OSMóTICOS Y SISTEMAS TAMPÓN.
Los fenómenos osmóticos y el equilibrio iónico de una disolución son procesos
que atañen al agua como disolvente y a las sales minerales como solutos, por eso los
estudiamos ahora una vez estudiado los dos tipos de biomoléculas. Hay que destacar
que todo lo que se diga sobre solutos refiriéndose a sales minerales, vale también para
cualquier molécula orgánica soluble en agua como son los aminoácidos, los nucleótidos y
los glúcidos de pequeño tamaño. La presión osmótica no es un fenómeno que produzcan
las sales minerales por ser sales, sino por ser solubles, cualquier sustancia soluble
produce presión osmótica, aunque siempre se explican los fenómenos osmóticos
después de las sales minerales.
De la misma manera, no solo se comportan como sistemas tampón las sales
minerales, cualquier molécula que se pueda disociar (aminoácidos principalmente) puede
ser un tampón biológico.
Presión osmótica. Cualquier ión o molécula soluble, cuando se disuelve tiende a
hidratarse, rodearse de la mayor cantidad posible de moléculas de agua, eso hace que
las moléculas tiendan expontáneamente a difundir por la disolución hasta repartirse
uniformemente por ella.
Cuando dos disoluciones de diferente concentración están separadas por una
membrana semipermeable que deja pasar agua pero no soluto (las membranas
biológicas son semipermeables, dejan pasar el agua a mucha más velocidad que
cualquier soluto) la disolución más concentrada ejerce una atracción sobre las moléculas
de agua de la más diluida hasta que las dos disoluciones equilibren su concentración, si
no hay otra fuerza que lo impida, a esta atracción se le llama presión osmótica.
El nombre de presión osmótica (la presión es una fuerza por unidad de
superficie) para designar la atracción de unas moléculas de soluto hacia las moléculas de
agua es debido a la investigación de este fenómeno en el osmómetro, el osmómetro es
en esencia dos vasos comunicantes separados por una membrana semipermeable. Al
colocar una disolución en uno de ellos y agua pura en otro, de forma que las columnas de
los vasos comunicantes tengan el mismo nivel, el soluto atraerá al agua que pasará del
vaso menos concentrado hasta el más concentrado, produciendo una diferencia de nivel
en los dos vasos. El agua dejará de pasar de un vaso a otro cuando la atracción
producida por el soluto sea equivalente a la presión que ejerce la columna de líquido que
hay entre los dos niveles.
Se llaman disoluciones isotónicas a las que ejercen la misma presión osmótica,
cuando dos disoluciones se comparan, la de menor presión osmótica se llama hipotónica
(menos concentrada) y la de mayor presión osmótica hipertónica.
Equilibrio iónico. Regulación del pH
Como ya sabéis de cursos anteriores las proteínas se desnaturalizan cuando hay
cambios bruscos de pH, en los temas siguientes veremos las causa. Ahora vamos a
estudiar por qué se producen los cambios de pH y como los regulan los organismos.
Según Brönsted y Lowry, un ácido es una molécula donadora de protones y una
base una molécula aceptora de protones. Cada ácido tiene una afinidad diferente por sus
protones. Los ácidos fuertes son las moléculas que tienen poca afinidad por sus protones
y los desprenden fácilmente en contacto con el agua. Los ácidos débiles son moléculas
con afinidad media o alta por sus protones y los desprenden según sean las condiciones
del medio. Si en la disolución hay ya muchos protones (pH bajo) el ácido débil se
disociará muy poco. Si en la disolución hay muy pocos protones el ácido débil tenderá a
desprenderse de los suyos para aumentar la concentración en la disolución. Cuando un
ácido se desprende de un protón se convierte en un anión, este anión tendrá una relativa
afinidad por los protones, luego es una base. El equilibrio de la reacción de un ácido
depende de la tendencia del ácido a disociarse y la tendencia de la base a captar un
protón. AH  A- + H+ , En los ácidos fuertes la reacción se desplaza mucho a la
derecha, en las bases fuertes mucho a la izquierda. En los ácidos y bases débiles la
A H 
reacción estará definida por su constante de equilibrio: K 
.
AH
Operando con esta ecuación, tomando antilogaritmos llegamos a la siguiente
ecuación:
 logK   log
A H 
; al hablar de pH lo habíamos definido como el antilogaritmo
AH
de la concentración de protones, ahora definimos pK como antilogaritmo de la constante
A
de equilibrio y la formula nos queda pK  pH  log
, si conocemos la constante de
AH
equilibrio o su pK se pueden conocer las concentraciones de ácido y base conjugada en
cada momento a medida que cambiamos el pH.
Al trabajar con esta fórmula se puede deducir que cuando el pH de la disolución es
menor que el pK del ácido (-log [A-]/[AH] tiene que ser un número positivo,
por
tanto [A-]/[AH] tiene que ser menor que 1) la concentración del ácido será mayor que la
de la base en la disolución, cuando el pH del medio sea mayor que el pK de la disolución
la concentración de la base será mayor que la del ácido y cuando el pH sea igual al pK
las dos concentraciones serán iguales.
Con estos razonamientos se han realizado las curvas de valoración que tenéis en
la gráfica de la página siguiente, en esta gráfica se representan las curvas de valoración
de tres ácidos; el acético, el fosfato y el amonio, las curvas de valoración son semejantes,
la diferencia entre ellos es su pK, el acético es el más fuerte de los tres, a pH 6 está
completamente disociado y hace falta rebajar el pH de la disolución hasta 2 para tenerlo
completamente sin disociar, sin embargo el amonio es el ácido más débil, a pH 6 todavía
no se disocia, desprende sus protones cuando el pH de la disolución es muy alto. (a la
inversa, el amoniaco es la base más fuerte, si echamos amoniaco en agua neutra captará
protones y se convertirá en amonio)
Sistemas tampón
Lo interesante de estas curvas de valoración es que cuando tenemos una
disolución de pH próximo al pK del ácido, podemos añadir protones o hidroxilos a
la disolución y serán absorbidos por la base o por el ácido sin que cambie
apreciablemente el pH de la disolución ya que en ese punto hay la misma
concentración de moléculas del ácido y de la base.
En los sistemas biológicos es importante que el pH no varíe, los tampones
naturales son el par (H2PO4)-/(HPO4)2- cuya pK es 7,2, cuando una reacción metabólica
produce protones el fosfato 2- los absorbe y cuando una reacción consume protones, el
fosfato 1- los desprende.
En la sangre el tampón es el ácido carbónico H2CO3 cuya pK es 3,77, sin
embargo actúa como tampón a pH próximo a 7. Esto es debido a que se encuentra en
equilibrio con el CO2 disuelto en la sangre según la reacción:
CO2 + H2O <==> H2CO3
Si se liberan protones a la sangre el carbonato absorbe protones y se transforma en
carbónico, este se descompone en CO2 y agua y el dióxido de carbono se expulsa por los
pulmones.
Al contrario si se retiran protones de la sangre el carbónico se disocia y al disminuir
su concentración el CO2 producido en el metabolismo y desprendido por las células no se
expulsa y se transforma en carbónico, de esta manera la regulación del pH de la sangre
depende del sistema tampón carbónico/carbonato pero también del ritmo de ventilación
pulmonar.