Tema 2 . Los bioelementos, el agua y las sales

Tema 2 . Los bioelementos, el agua y las
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sales minerales
• 1. Los bioelementos
– 1.1 Bioelementos primarios (C,H,O,N,S,P). Propiedades
– 1.2 Bioelementos secundarios
• 2. Los principios inmediatos o biomoléculas
• 3. El agua . Propiedades del agua
• 4. Las sales minerales . Tipos, funciones
• 5. Las disoluciones y las dispersiones coloidales
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1. Bioelementos
Si se hace un análisis químico de cada uno de los diferentes tipos de seres
vivos, se encuentra que la materia viva está constituida por unos setenta
elementos, (casi la totalidad de los elementos estables que existen en la Tierra,
exceptuando los gases nobles).
Estos elementos que se encuentran en la materia viva se llaman bioelementos
o elementos biogénicos (de bios, vida, y genos, origen).
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Los bioelementos se pueden clasificar en dos grupos: los bioelementos
primarios y los bioelementos secundarios.
Los bioelementos primarios. Se llaman primarios porque son
indispensables para la formación de las biomoléculas orgánicas (glúcidos.
lípidos, proteínas y ácidos nucleicos).
Son un grupo de seis elementos, que constituyen el 96,2 % del Total de la
materia viva. Son el oxígeno (O), el carbono (C), el hidrogeno (H), el
nitrógeno (N), el fósforo (P) y el azufre (S).
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Los bioelementos secundarios: Son todos los bioelementos restantes. En
este grupo se pueden distinguir dos tipos:
•Los indispensables, no pueden faltar porque son imprescindibles para la vida
de la célula, y que, en mayor o menor proporción, se encuentran en todos los
seres vivos. Son bioelementos secundarios indispensables el calcio (Ca), el
sodio (Na), el potasio (K), el magnesio (Mg), el cloro (Cl), el hierro (Ee), el
silicio (Si), el cobre (Cu), el manganeso (Mn), el boro (B), el flúor (F) y el yodo
(I).
•Los variables, que son los que si pueden faltar en algunos organismos. Son
bioelementos secundarios variables, por ejemplo, el bromo (Br), el cinc (Zn),
el titanio (Ti), el vanadio (V), y el plomo (Pb).
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Otra clasificación de los bioelementos es la basada en su abundancia. Los que se
encuentran en proporciones inferiores al 0.1 % se denominan oligoelementos y el
resto bioelementos plásticos. No existe una relación directa entre abundancia y
esencialidad.
Muchos bioelementos pueden ser, por ejemplo, oligoelementos, y a la vez ser
indispensables, debido a que su función no es estructural, sino catalizadora. Así,
una pequeña cantidad de ellos es suficiente para que el organismo viva, pero la
falta total provocaría su muerte.
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1.1 Bioelementos primarios
Si se compara la composición atómica de la biosfera, con la composición de la
atmósfera, de la hidrosfera y de la litosfera, se pueden deducir las siguientes
conclusiones:
•Los altos porcentajes de H y O en la biosfera se deben a que la materia viva está
constituida por agua en un porcentaje que varía entre un 65% y un 90% . A su
vez todas las reacciones químicas que se realizan en los seres vivos se
desarrollan en el medio acuoso. No es posible la materia viva sin agua. Todo esto
se relaciona con que la vida se originó en el medio acuático.
•Los porcentajes del resto de los bioelementos primarios (C, N, S y P) de la biosfera
son muy diferentes de los encontrados en la atmósfera, hidrosfera o litosfera, por
lo que no se puede deducir que la materia viva se haya formado a partir de los
elementos más abundantes, sino a partir solo de aquellos (C, H, O, N, P y S) que
gracias a sus propiedades son capaces de constituirla.
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Propiedades de los bioelementos primarios
1. Masa atómica es relativamente pequeña, y su capa externa está incompleta y
esto favorece que al combinarse entre sí se establezcan enlaces covalentes
estables. Cuanto menor es un átomo, mayor es la tendencia del núcleo
positivo a completar su último orbital con los electrones que forman los
enlaces, y, por tanto, más estables son dichos enlaces.
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2. Dado que el oxígeno y el nitrógeno son elementos muy electronegativos, al
establecer enlaces covalentes con los otros tipos de átomos con frecuencia
dan lugar a moléculas dipolares. Dado que el agua también es dipolar, estos
compuestos se disuelven bien en ella y pueden reaccionar entre sí, haciendo
posible los procesos bioquímicos imprescindibles para la vida. El C, N y O
pueden formar enlaces dobles o triples (posibilidad de formar moléculas
diferentes).
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3. El C y el N, debido a su posición central en el Sistema Periódico presentan la
misma afinidad para unirse con el O que con el H, es decir, pueden pasar con
facilidad del estado oxidado (CO2, NO3H) al reducido (CH4, NH3).
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4. Los bioelementos mayoritarios pueden incorporarse fácilmente a los seres
vivos desde el medio externo ya que se encuentra en moléculas que pueden
ser captadas de manera sencilla (CO2, H2O, nitratos). Este hecho asegura el
intercambio constante de materia entre los organismos vivos y su medio
ambiente
H2O
O2
CO2
ATMÓSFERA
HIDRÓSFERA
Seres vivos
GEOSFERA
nitratos
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5. Los compuestos orgánicos formados por estos átomos se hallan en estado
reducido, y reaccionan con el oxígeno para dar compuestos inorgánicos (CO2 y
H2O), de baja energía. La energía desprendida en las reacciones de oxidación
se aprovecha para las funciones vitales de los organismos.
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El carbono
1. Tiene cuatro electrones en su periferia y puede formar enlaces covalentes estables
con otros carbonos.
2. Puede constituir largas cadenas de átomos (macromoléculas).
3. Los enlaces pueden ser simples (C—C), dobles (C=C) o triples (C≡C), Puede unirse
a otros elementos (-H, =0, -OH, -NH2. -SH, -H2PO4, etc.), formando un gran
número de moléculas diferentes, que posibilitan una gran variabilidad de
reacciones químicas.
4. Por otro lado, los cuatro enlaces covalentes forman un tetraedro imaginario. Esto
permite la formación de estructuras tridimensionales que permiten forman
grandes macromoléculas. Los enlaces de carbono son lo suficientemente fuerte
para ser estables, pero no tanto como para impedir que se rompan.
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El hidrógeno
1. Es el otro elemento que resulta indispensable para formar la materia orgánica
(algunos lípidos sólo están constituidos por carbono e hidrógeno y el petróleo y sus
derivados (butano, gasolina, gasóleo, etc.) también están constituidos sólo por
carbono e hidrógeno).
2. El único electrón que posee el átomo de hidrogeno le permite formar un enlace con
cualquiera de los otros bioelementos primarios. Entre el hidrógeno y el carbono se
forma un enlace covalente lo suficientemente fuerte como para ser estable, pero no
tanto como para impedir su rotura, y posibilitar así la síntesis de otras moléculas.
3. Las que están formadas sólo por carbono e hidrógeno son covalentes apolares
(insolubles en agua).
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El oxígeno
1. Es el bioelemento primario más electronegativo. Por ello cuando se enlaza con el
hidrógeno atrae hacia sí el único electrón del hidrógeno originándose polos
eléctricos. Debido a esto, los radicales -OH, -CHO y -COOH son radicales polares.
2. Debido a su electronegatividad el oxígeno es idóneo para quitar electrones a otros
átomos, es decir, para oxidarlos. Este proceso comporta la rotura de enlaces y la
liberación de energía (la reacción de los compuestos de carbono con el oxígeno es
la forma más común de obtener energía).
3. La oxidación de los compuestos biológicos se realiza mediante la sustracción de
hidrógenos a los átomos de carbono. Como el oxígeno atrae hacia sí el electrón del
hidrógeno con más fuerza que el carbono, consigue quitárselo. De este modo se
forma agua y se libera una gran cantidad de energía, que aprovechan los seres
vivos.
C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + energía
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El nitrógeno
1. Al igual que el carbono y el azufre, presenta una gran facilidad para formar
compuestos tanto con el hidrógeno (NH3) como con el oxígeno (NO3-), lo cual
permite, en el paso de una forma a la otra, la liberación de energía.
2. Principalmente se encuentra formando los grupos amino (—NH2) de los
aminoácidos (moléculas que constituyen las proteínas) y las bases nitrogenadas,
(componentes de los ácidos nucleicos).
3. Es de destacar que, pese a la gran abundancia de gas nitrógeno en la atmósfera,
muy pocos organismos son capaces de aprovecharlo. Prácticamente todo el
nitrógeno es incorporado al mundo vivo por las algas y las plantas, que lo
absorben disuelto en forma de ion nitrato (NO3-).
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El azufre
Básicamente se encuentra en forma de radical sulfhidrilo (—SH) en determinados
aminoácidos. Estos radicales permiten establecer, entre dos aminoácidos próximos,
unos enlaces covalentes fuertes denominados puentes disulfuro (-S-S-), que
mantienen la estructura de las proteínas.
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El azufre
Básicamente se encuentra en forma de radical sulfhidrilo (—SH) en determinados
aminoácidos. Estos radicales permiten establecer, entre dos aminoácidos próximos,
unos enlaces covalentes fuertes denominados puentes disulfuro (-S-S-), que
mantienen la estructura de las proteínas.
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El fósforo
Este elemento permite establecer enlaces ricos en energía. Al romperse el enlace que
une dos grupos fosfato —PO3-~PO3-~PO32-, generalmente de una molécula de ATP, se
libera al organismo la energía contenida en dicho enlace, (7,3 kcal/mol). En estos
enlaces se almacena la energía liberada en otras reacciones, como las oxidaciones de
la respiración.
Además, el fósforo interviene en la constitución de los ácidos nucleicos (ADN y ARN),
de los fosfolípidos de la membrana plasmática y de los huesos de los vertebrados, y
ayuda a mantener constante la acidez del medio interno del organismo.
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1.2Los bioelementos secundarios
Tienen diferentes funciones. Se puede distinguir entre los que son abundantes y los
oligoelementos.
Los más abundantes son el Na, K, Mg Cl y Ca.
Sus funciones son:
1.Los iones Na+, K+ y Cl-, que son los iones más abundantes en los medios internos y
en el interior de las células, intervienen en el mantenimiento del grado de salinidad y
en el equilibrio de cargas eléctricas a un lado y otro de la membrana plasmática.
2.Los iones Na+ y K+, además, son fundamentales en la transmisión del impulso
nervioso.
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El calcio, en forma de carbonato (CaCO3), da lugar a
los caparazones de los moluscos y a los esqueletos
de otros muchos animales y, como ion (Ca2+),
actúa en muchas reacciones, como los mecanismos
de la contracción muscular, la permeabilidad de las
membranas celulares, la coagulación de la sangre,
etc.
El magnesio es un componente de
muchas enzimas y del pigmento clorofila.
También interviene en la síntesis y
degradación del ATP, en la replicación del
ADN y en su estabilización, en la síntesis
del ARN, etc.
Entre los oligoelementos cabe citar, por la importancia de sus funciones, el Fe, Zn,
Cu, Co, Mn, Li, Si, I y F.
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El hierro es necesario para sintetizar la
hemoglobina de la sangre y la mioglobina, dos
transportadores de moléculas de oxígeno, y los
citocromos, enzimas que intervienen en la
respiración celular.
El cinc es abundante en el cerebro, en los órganos
sexuales y en el páncreas. En este último se asocia a la
acción de la hormona insulina para el control de la
concentración del azúcar en sangre.
El cobre se requiere para formar la hemocianina,
pigmento respiratorio de muchos invertebrados
acuáticos, y para algunas enzimas oxidasas.
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El cobalto hace falta para sintetizar la vitamina B12 y
algunas enzimas que regulan la fijación del nitrógeno.
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El manganeso actúa asociado a diversas enzimas
degradativas de proteínas, como factor de
crecimiento, y en los procesos fotosintéticos. Su
deficiencia origina por ello amarillamiento de las
hojas.
El litio actúa incrementando la secreción de los
neurotransmisores y favorece la estabilidad del
estado de ánimo en enfermos de depresiones
endógenas.
El silicio forma parte de los caparazones de las
diatomeas y da rigidez a los tallos de las
gramíneas y de los equisetos.
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El yodo es necesario para formar la hormona
tiroidea, responsable del ritmo del metabolismo
energético. Su falta provoca el bocio.
El flúor se encuentra en el esmalte de
los dientes y en los huesos. Su
carencia favorece la caries de los
dientes.
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2. Los principios inmediatos o
biomoléculas
Los elementos biogénicos se combinan entre sí para formar sustancias compuestas
definidas.
Estos compuestos que se pueden aislar por medios puramente físicos como la
disolución, la filtración, la destilación, la centrifugación, etc. constituyen los llamados
principios inmediatos.
Pueden ser:
•Inorgánicos (agua y sales minerales)
•Orgánicos (glúcidos, lípidos, prótidos y ácidos nucleicos).
Los principios inmediatos también pueden ser simples o compuestos:
•Simples: Las moléculas están formadas por átomos del mismo tipo (02)
•Compuestos: Hay átomos de diferentes elementos (H2O, CO2).
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Funciones
Los principios inmediatos pueden tener función estructural, como las proteínas y las
sales minerales de los huesos, o los lípidos de las membranas plasmáticas; función
energética, como las grasas; y función biocatalizadora, es decir, aceleradora de las
reacciones bioquímicas, como las proteínas enzimáticas.
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Principios inmediatos inorgánicos
El 02, el C02 y el N2 son tres sustancias gaseosas a temperatura ambiente.
•El 02 es necesario para la respiración aeróbica o un producto de excreción en la
fotosíntesis.
•El C02 es un producto de excreción, eliminándose directamente a través de las
membranas celulares en los organismos unicelulares o en los pluricelulares de
organización sencilla. Lo captan de la atmósfera las algas y las plantas al realizar la
fotosíntesis en sus cloroplastos.
•El N2 es prácticamente un gas inerte, y por ello los vegetales son incapaces de
tomarlo de la atmósfera; sólo algunas bacterias del suelo (por ejemplo, Clostridium
pasteurianum) y otras que son simbiontes de las raíces de las leguminosas (algunas
especies del género Rhizobium) son capaces de captarlo y aprovecharlo para
sintetizar proteínas.
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3. El agua
El agua es la sustancia química más abundante en la materia viva.
La cantidad presente en un organismo depende de la especie, de la edad del
individuo y del órgano.
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CUADRO RESUMEN DE LAS
•Existe una relación directa entre contenido en agua y actividad fisiológica de un
BIOMOLÉCULAS
organismo: Los más activos,
como las reacciones bioquímicas se realizan en medio
acuático, tienen más cantidad de agua.
•También tiene relación con el medio en el que se desenvuelve el organismo. Así, los
Agua
B Inorgánicas
menores porcentajes
se dan en seres con vida latente, como semillas, virus, etc., pero
Sales minerales
I
también encontramos
altos porcentajes de agua en seres como la medusa (95% de
agua) peseO
a su metabolismo poco intenso.
M
Monosacáridos
Glúcidos
O de agua de un organismo tieneÓsidos
•El contenido
que ser más o menos constante, con
variacionesL inferiores al 10%. En caso contrario, se producen graves alteraciones
Saponificables
(hidrataciónÉ y deshidratación) que
sobre todo en el último caso pueden producir la
Lípidos
Insaponificables
muerte. C Orgánicas
Holoproteínas
U
Proteínas
Heteroproteínas
L
A
Ácidos
ARN
S
nucleicos ADN
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El agua se encuentra en la materia viva en tres formas:
1. Como agua circulante, por ejemplo, en la sangre, en la savia, etc. Se encarga
principalmente del transporte de sustancias.
2. Como agua intersticial, entre las células, a veces fuertemente adherida a la
sustancia intercelular (agua de imbibición), como sucede en el tejido
conjuntivo.
3. Como agua intracelular, en el citosol y en el interior de los orgánulos
celulares.
En los seres humanos, el agua circulante supone el 8 % de su peso, el agua intersticial
el 15 %, y el agua intracelular el 40 %
Agua
intersticial
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Los organismos pueden conseguir el agua
directamente a partir del agua exterior o a
partir de otras biomoléculas mediante
diferentes reacciones bioquímicas, es lo que se
denomina «agua metabólica» (en los camellos,
la degradación de la grasa de la joroba produce
agua y por ejemplo, a partir de la oxidación de
la glucosa, también aparece agua).
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Entre los dipolos del agua se establecen fuerzas de atracción llamadas puentes de
hidrógeno, formándose grupos de 3, 4 y hasta poco más de 9 moléculas.
Con ello se alcanzan pesos moleculares elevados y el H2O se comporta como un
líquido. Aunque son uniones débiles (30 veces más que los enlaces covalentes), el
hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras 4 moléculas
unidas por puentes de H (dos puentes con el oxígeno y uno con cada uno de los
hidrógenos) permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura
reticular, responsable de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus
propiedades fisicoquímicas.
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
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El agua, a temperatura ambiente, es líquida, (otras
moléculas de peso molecular parecido, como el SO2, el CO2
o el NO2 son gases).
Este comportamiento físico se debe a que en la molécula de
agua los dos electrones de los dos hidrógenos están
desplazados hacia el átomo de oxígeno, por lo que en la
molécula aparece un polo negativo, donde está el átomo de
oxígeno, debido a la mayor densidad electrónica, y dos
polos positivos donde están los dos núcleos de hidrógeno,
debido a la menor densidad electrónica. Las moléculas de
agua son dipolos.
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La estabilidad del
enlace
disminuye
al
aumentar
la
temperatura, así, en el hielo, todas
las moléculas de agua están
unidas por puentes de hidrógeno.
Todas las restantes propiedades
del agua son, pues, consecuencia
de ésta.
Estas agrupaciones duran fracciones de segundo
(de 10-10 a 10-21 s), lo cual confiere al agua todas
sus propiedades de fluido. En la realidad,
coexisten estos pequeños polímeros de agua
con moléculas aisladas que rellenan los huecos.
Animación de la polaridad del agua y puentes de hidrógeno
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Propiedades del agua
1. Elevada fuerza de cohesión
2. Elevada tensión superficial
3. Elevada fuerza de adhesión (capilaridad).
4. Elevado calor específico.
5. Elevado calor de vaporización.
6. Alta conductividad.
7. Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido
8. Elevada constante dieléctrica.
9. Transparencia.
10. Bajo grado de ionización.
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1.- Elevada fuerza de cohesión entre sus
moléculas, debida a los puentes de hidrógeno
Ello explica que el agua sea un líquido
prácticamente incompresible, idóneo para dar
volumen a las células, provocar la turgencia de
las plantas, constituir el esqueleto hidrostático
de anélidos y celentéreos, etc.
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2.- Elevada tensión superficial, es decir, que su superficie opone una gran
resistencia a romperse, a que se separen sus moléculas. Esto permite que muchos
organismos vivan asociados a esa película superficial y que se desplacen sobre ella.
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3.- Elevada fuerza de adhesión (capilaridad). El fenómeno de la capilaridad depende
tanto de la adhesión de las moléculas de agua a las paredes de los conductos como de
la cohesión de las moléculas de agua entre sí. Esta propiedad explica, por ejemplo,
que la savia bruta ascienda por los tubos capilares
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4.- Elevado calor específico.
•El agua puede absorber grandes cantidades de calor,
proporcionalmente, su temperatura sólo se eleva ligeramente.
mientras
que,
•El agua emplea esta energía en romper los puentes de H.
•El agua se convierte en estabilizador térmico del organismo frente a los cambios
bruscos de temperatura del ambiente.
•Su temperatura desciende con más lentitud que la de otros líquidos a medida que va
liberando energía al enfriarse.
•Esta propiedad permite que el contenido acuoso de las células sirva de protección a
las sensibles moléculas orgánicas ante los cambios bruscos de temperatura.
•El calor que se desprende en los procesos metabólicos no se acumula en los lugares
donde se produce, sino que se difunde en el medio acuoso y se disipa finalmente hacia
el medio externo.
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5.- Elevado calor de vaporización. Ello se debe
a que para pasar del estado líquido al gaseoso
hay que romper todos los puentes de
hidrógeno. Los seres vivos utilizan esta
propiedad para refrescarse al evaporarse el
sudor.
El jadeo de los
animales es otra
forma de refrescarse
6.- Alta conductividad. Debido a esta propiedad, el calor se
distribuye fácilmente por toda la masa de agua, lo que evita
la acumulación de calor en un determinado punto del
organismo.
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7.- Mayor densidad en estado líquido que en
estado sólido . Ello explica que el hielo flote en
el agua y que forme una capa superficial
termoaislante que permite la vida, bajo ella, en
ríos, mares y lagos. Si el hielo fuera más denso
que el agua, acabaría helándose toda el agua.
Esto se explica por que los puentes de
hidrógeno “congelados” mantienen las
moléculas más separadas que en el estado
líquido.
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8.- Elevada constante dieléctrica. Por tener moléculas dipolares, el agua es un
gran medio disolvente de compuestos iónicos, como las sales minerales, y de
compuestos covalentes polares, como los glúcidos. El proceso de disolución se
debe a que las moléculas de agua, al ser polares, se disponen alrededor de los
grupos polares del soluto, llegando en el caso de los compuestos iónicos a
desdoblarlos en aniones y cationes, que quedan así rodeados por moléculas de
agua. Este fenómeno se denomina solvatación iónica.
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Esta capacidad disolvente del agua y su
abundancia en el medio natural explican que
sea el vehículo de transporte (captación de
sales minerales por las plantas, por ejemplo) y
el medio donde se realizan todas las
reacciones químicas del organismo (caso de la
digestión de los alimentos)
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9.- Transparencia. Debido a esta característica física del agua, es posible la vida de
especies fotosintéticas en el fondo de mares y ríos.
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10.- Bajo grado de ionización. De cada 551000000 de moléculas de agua, sólo una
se encuentra ionizada:
Por eso, la concentración de iones hidronio (H30+) e hidroxilo (OH-) es muy baja,
concretamente 10-7 moles por litro ([H30+] = [OH-] = 10-7).
Dados los bajos niveles de H30+y de OH- , si al agua se le añade un ácido (se añade
H30+) o una base (se añade OH-), aunque sea en muy poca cantidad, estos niveles
varían bruscamente.
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En los seres vivos existe siempre una cierta cantidad de hidrogeniones (H+) y de iones
hidroxilo (OH-) que proceden de:
•La disociación del agua que proporciona los dos iones:
•La disociación de cuerpos con función ácida que proporcionan H+:
ClH Cl- + H+
•La disociación de cuerpos con básicos que proporcionan OH-:
NaOH  Na+ + OH-
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
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Por lo tanto la acidez o alcalinidad del medio interno de un organismo dependerá de
la proporción en que se encuentren los dos iones. Así será:
•Neutro cuando [H+]=[OH-]
•Ácido cuando [H+]>[OH-]
•Alcalino cuando [H+]<[OH-].
6
Para que los fenómenos vitales puedan
desarrollarse con normalidad es necesario que
la concentración de H+, que se expresa en
valores de pH sea más o menos constante y
próxima a la neutralidad, es decir, pH=7.
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7
8
Acido
Base
H+
OH-
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En las reacciones metabólicas se liberan productos tanto ácidos como básicos que varían
la neutralidad si no fuera porque los organismos disponen de unos mecanismos químicos
que se oponen automáticamente a las variaciones de pH.
Estos mecanismos se denominan sistemas amortiguadores o sistemas tampón, y en ellos
intervienen de forma fundamental las sales minerales.
Lo más corriente es que el pH tienda a
desplazarse hacia el lado ácido por lo que los
sistemas tampón más importantes actúan
evitando este desplazamiento. Un tampón está
formado por una mezcla de un ácido débil y
una sal del mismo ácido; el más extendido es
el formado por el ácido carbónico (CO3H2) y el
bicarbonato sódico (CO3HNa).
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
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Supongamos que el organismo se ve sometido a un exceso de ácido clorhídrico que,
en consecuencia liberará protones que harán disminuir el pH. En este momento entra
en funcionamiento el sistema amortiguador y ocurre lo siguiente:
1.- La sal (bicarbonato sódico) reacciona con el ácido clorhídrico:
CO3HNa + ClH  NaCl + H2CO3
La sal que se forma (NaCl) es neutra y, aunque se disocie, no libera protones y,
además, es habitualmente expulsada por la orina.
2.- El ácido carbónico que se ha formado podría incrementar la acidez, pero
rápidamente se descompone en CO-2, que se libera con la respiración, y agua que es
neutra:
CO3H2  CO2 + H2O
En resumen, todos los hidrogeniones que podrían provocar un estado de acidez
desaparecen manteniéndose el estado de neutralidad.
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
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El tampón bicarbonato es común en los líquidos extracelulares, mantiene el pH en
valores próximos a 7,4, gracias al equilibrio entre el ión bicarbonato y el ácido
carbónico, que a su vez se disocia en dióxido de carbono y agua.
El tampón fosfato es la otra solución tampón, formada por el ión PO3-4 y H3PO4, y es
más común en los medios intracelulares.
Otra consecuencia de la capacidad de disociación del agua es que permite que actúe
como reactivo químico en las reacciones metabólicas de hidrólisis, introduciendo una
molécula de agua:
A-B + H2O  AH + BOH
El agua y los productos de ionización participan en las reacciones de hidrólisis (para
dividir grandes moléculas). El proceso inverso se llama condensación (moléculas
sencillas se unen para formar otras mayores) y origina o desprende moléculas de
agua que se denominan agua metabólica (camellos)
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
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Funciones del agua
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Función disolvente de las sustancias.
Función bioquímica.
Función de transporte.
Función estructural.
Función mecánica amortiguadora.
Función termorreguladora.
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
56
1. Función disolvente de las sustancias. El agua es básica para la vida, ya
que prácticamente todas las reacciones biológicas tienen lugar en el
medio acuoso.
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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2. Función bioquímica. El agua interviene en muchas reacciones químicas,
por ejemplo, en la hidrólisis (rotura de enlaces con intervención de agua)
que se da durante la digestión de los alimentos, como fuente de
hidrógenos en la fotosíntesis, etc.
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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3. Función de transporte. El agua es el
medio de transporte de las sustancias
desde el exterior al interior de los
organismos y en el propio organismo, a
veces con un gran trabajo como en la
ascensión de la savia bruta en los
árboles.
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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4. Función estructural. El volumen y forma de las células que carecen de
membrana rígida se mantienen gracias a la presión que ejerce el agua
interna. Al perder agua, las células pierden su turgencia natural, se
arrugan y hasta pueden llegar a romperse (lisis).
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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Presión de turgencia
Las paredes celulares rígidas de células vegetales, algas, bacterias y hongos hacen
posible que esos organismos vivan sin reventar en un medio externo muy diluido, que
contenga una concentración muy baja de solutos.
Las células son hipertónicas respecto al medio. El agua tiende llenar sus vacuolas
centrales y se hincha, acumulando presión, llamada presión de turgencia, contra las
paredes celulares rígidas de celulosa. La pared celular puede estirarse muy poco, y se
alcanza un estado de equilibrio cuando su resistencia impide que la célula se hinche
más.
La presión de turgencia es un factor importante en el sostén del cuerpo de las plantas
herbáceas. Por este motivo, una flor se marchita cuando la presión de turgencia de
sus células disminuye (las células han sufrido plasmólisis) por falta de agua.
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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5. Función mecánica amortiguadora. Por ejemplo, los vertebrados poseen
en sus articulaciones bolsas de líquido sinovial que evita el roce entre los
huesos.
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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4. Función termorreguladora. Se debe a su elevado calor específico y a su
elevado calor de vaporización. Es un material idóneo para mantener
constante la temperatura, absorbiendo el exceso de calor o cediendo
energía si es necesario.
• Por ejemplo, los animales, al sudar,
expulsan agua, la cual, para
evaporarse, toma calor del cuerpo y,
como consecuencia, éste se enfría.
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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FUNCIONES BIOLÓGICAS DEL AGUA
PROPIEDAD
DEBIDA A
FUNCIÓN BIOLÓGICA
Líquida a Tª
ambiente
Los puentes de hidrógeno mantienen a las
moléculas unidas
Medio de transporte en el
organismo y medio lubricante
Alto calor de
vaporización
La energía calorífica debe ser tan alta que
rompa los puentes de hidrógeno.
Alto calor específico
Para elevar su Tª ha de absorber mucho
calor, para romper los puentes de H.
Función termorreguladora: ayuda
a mantener constante la
temperatura corporal de los
animales homeotermos.
Elevada tensión
superficial
Las moléculas superficiales están
fuertemente unidas a las del interior, pero no
a las externas de aire.
Causa de deformaciones
celulares y de los movimientos
citoplasmáticos
Es un excelente
disolvente
La mayoría de las sustancias polares se
disuelven en ella al formar puentes de
hidrógeno.
Transporte de sustancias y de
que en su seno se den todas las
reacciones metabólicas
Alta cohesión y
adhesión
Los puentes de hidrógeno mantienen juntas
las moléculas de agua
Mantiene forma y volumen de las
células; permite cambios y
deformaciones del citoplasma y
el ascenso de la savia bruta
Más densa líquida que
sólida
Los puentes de hidrógeno “congelados”
mantienen las moléculas más separadas
Mares y ríos se hielan sólo en su
superficie
Capacidad de
disociación iónica
El agua pura es capaz de disociarse en iones
Aporta H+ y OH- en reacciones
bioquímicas,
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4. Sales minerales
Las sustancias minerales se pueden encontrar en los seres vivos de tres formas:
precipitadas, disueltas o asociadas a sustancias orgánicas.
1.- Las sustancias minerales precipitadas constituyen estructuras sólidas, insolubles,
con función esquelética. Por ejemplo, el carbonato cálcico en las conchas de los
moluscos, el fosfato cálcico, Ca3(P04)2, y el carbonato cálcico que, depositados sobre el
colágeno, constituyen los huesos, el cuarzo (SiO2) en los exoesqueletos de las
diatomeas y en las gramíneas, etc. Este tipo de sales pueden asociarse a
macromoléculas, generalmente de tipo proteico.
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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2.- Las sales minerales disueltas dan lugar a aniones y cationes. Los principales son:
Cationes: Na+ K+ Ca2+ y Mg2+.
Aniones: Cl-, S042-, PO43-, CO32-, HCO3- y NO3-.
Estos iones mantienen un grado de salinidad constante dentro del organismo, y
ayudan a mantener también constante su pH.
Cada ion desempeña funciones específicas y, a veces, antagónicas. Por ejemplo, el K+
aumenta la turgencia de la célula, mientras que el Ca2+ la merma. Esto es debido a
que el K+ favorece la captación de moléculas de agua (inhibición) alrededor de las
partículas coloidales citoplasmáticas, mientras que el Ca2+ la dificulta.
Otro ejemplo es el corazón de la rana, que se para en sístole si hay exceso de Ca2+, y
en diástole si el exceso es de K+. El Ca2+ y el K+ son iones antagónicos.
El medio interno de los organismos presenta unas concentraciones iónicas
constantes. Una variación provoca alteraciones de la permeabilidad, excitabilidad y
contractilidad de las células.
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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3.- Las sustancias minerales asociadas a moléculas orgánicas suelen encontrarse
junto a proteínas, como las fosfoproteínas, junto a lípidos (fosfolípidos) y con glúcidos
(agar-agar)
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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Funciones de las sales minerales
Las principales funciones de las sales minerales disueltas son:
1.Estabilizar dispersiones coloidales.
2.Mantener un grado de salinidad en el medio interno. Este grado de
salinidad debe mantenerse constante.
3.Regulación del pH y constituir soluciones amortiguadoras. Se lleva a cabo
por los sistemas carbonato-bicarbonato (extracelular) , y también por el
monofosfato-bifosfato. (intracelular)
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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Funciones específicas
1.
Funciones catalíticas. Algunos iones, como el Cu+, Mn2+, Mg2+,
Zn+,...actúan como cofactores enzimáticos
2.
Funciones osmóticas. Intervienen en los procesos relacionados con la
distribución de agua entre el interior celular y el medio donde vive esa
célula, lo que ayuda al mantenimiento del volumen celular.
3.
Generar potenciales eléctricos. Los iones de Na, K, Cl y Ca, participan en
la generación de gradientes electroquímicos, imprescindibles en el
mantenimiento del potencial de membrana y del potencial de acción y
en la sinapsis neuronal.
Regulación del volumen celular
4.
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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5. DISOLUCIONES Y DISPERSIONES
En los seres vivos el estado líquido está constituido por dispersiones de muchos
tipos de moléculas dispersas o solutos y un solo tipo de fase dispersante o
disolvente, que es el agua.
Los solutos pueden ser de bajo peso molecular como, por ejemplo, el cloruro
sódico (PM = 58,5) y la glucosa (PM = 180), o pueden ser de elevado peso
molecular (se denominan coloides), como, por ejemplo, las proteínas de tipo
albúmina (PM entre 30 000 y 100 000).
Las dispersiones de solutos de bajo peso molecular se denominan disoluciones
verdaderas o simplemente disoluciones, y las de elevado peso molecular se
denominan dispersiones coloidales
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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Las propiedades de las disoluciones verdaderas
Las propiedades de las disoluciones verdaderas que más interés tienen en Biología
son la difusión, la osmosis y la estabilidad del grado de acidez o pH.
Difusión. Es la repartición homogénea de las partículas de un fluido (gas o líquido)
en el seno de otro, al ponerlos en contacto. Este proceso se debe al constante
movimiento en que se encuentran las partículas de líquidos y gases. La absorción
o disolución de oxígeno en el agua es un ejemplo de difusión.
Animación de la difusión
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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Osmosis Es el paso del disolvente entre dos soluciones de diferente concentración a
través de una membrana semipermeable que impide el paso de las moléculas de
soluto.
El disolvente, que en los seres vivos es el agua, se mueve desde la disolución más
diluida a la más concentrada. Aparece un impulso de agua hacia la mas concentrada.
La membrana citoplasmática es una membrana semipermeable y da lugar a
diferentes respuestas frente a la presión osmótica del medio externo.
1.Si éste es isotónico respecto al medio interno celular, es decir, tiene la misma
concentración, la célula no se deforma.
2.Si el medio externo es hipotónico (menos concentrado), la célula se hinchará por
entrada de agua en su interior. Este fenómeno se llama turgencia y es observable,
por ejemplo, en los eritrocitos, añadiendo agua destilada a una gota de sangre.
3.Si el medio externo es hipertónico (más concentrado), la célula perderá agua y se
arrugará, dándose un fenómeno de plasmólisis que acaba con la rotura de la
membrana. Esto sucede, por ejemplo, en los eritrocitos, cuando se añade agua
saturada de sal a una gota de sangre.
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
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Los procesos de osmosis explican cómo las plantas consiguen absorber grandes
cantidades de agua del suelo, y por qué el agua del mar no sacia la sed, ya que al
estar más concentrada que el medio intracelular provoca la pérdida de agua en las
células.
Animación de ósmosis
Otras animaciones relacionadas:
http://www.consumer.es/web/es/medio_ambiente/urbano/2006/05/25/152370.php
http://www2.nl.edu/jste/osmosis.htm
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
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Las propiedades de las dispersiones coloidales
La mayoría de los líquidos de los seres vivos son dispersiones coloidales, de ahí que
sea tan importante el estudio de sus propiedades. En estas soluciones, el tamaño de
las partículas del soluto es mucho mayor que en las soluciones verdaderas. Es el caso
de polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos. Sus principales propiedades son:
1.Efecto Tyndall
2.Movimiento browniano
3.Sedimentación
4.Elevada viscosidad
5.Elevada adsorción
6.Diálisis
7.Capacidad de presentarse en estado de gel
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
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Efecto Tyndall.
El tamaño de las partículas coloidales oscila entre una milimicra y 0,2 micras, que es el
límite de observación en el microscopio óptico. Así pues, las dispersiones coloidales, al
igual que las disoluciones verdaderas, son transparentes y claras. Sin embargo, si se
iluminan lateralmente y sobre fondo oscuro, se observa una cierta opalescencia
provocada por la reflexión de los rayos luminosos. Es algo parecido a lo que ocurre
cuando un rayo de luz ilumina el polvo en una habitación a oscuras. Si la iluminación
es frontal, el polvo ya no resulta apreciable.
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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Movimiento browniano.
Las moléculas de los coloides se mueven
continuamente, impulsadas por el movimiento
browniano del agua (movimiento desordenado
y continuo de vibración que tienen las
partículas en suspensión). Este movimiento
aumenta las probabilidades de encuentro de
dos partículas reaccionantes.
Sedimentación.
Las dispersiones coloidales son estables en
condiciones normales, pero si se someten a
fuertes campos gravitatorios, se puede
conseguir que sedimenten sus partículas. Ello
se realiza en las ultracentrifugadoras, que
pueden alcanzar las 100000 revoluciones por
minuto.
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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Elevada viscosidad.
La viscosidad es la resistencia interna que presenta un líquido al movimiento relativo
de sus moléculas. Las dispersiones coloidales, dado el elevado tamaño de sus
moléculas, son muy viscosas.
Elevado poder adsorbente.
La adsorción es la atracción que ejerce la superficie de un sólido sobre las moléculas
de un líquido o de un gas. La misma cantidad de sustancia ejerce mayor adsorción si
se encuentra finamente dividida. Ejemplo biológico de adsorción son los contactos
«enzimas con sustratos»
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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Capacidad de presentarse en estado de gel. Las dispersiones coloidales pueden
presentar se en dos estados en forma de sol o estado líquido, y en forma de gel o
estado semisólido. La diferencia entre ambos estados es la cantidad de agua presente.
El sol tiene aspecto de líquido. El gel tiene aspecto semipastoso o gelatinoso.
La transformación de sol en gel, y viceversa, está en relación con la síntesis o con la
despolimerización, respectivamente, de proteínas fibrilares y permite la emisión de
pseudópodos, y, por tanto, el movimiento ameboide y la fagocitosis
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
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Diálisis: Es la separación de las partículas dispersas de elevado peso
molecular (coloides) de las de bajo peso molecular (cristaloides), gracias a
una membrana semipermeable cuyo tamaño de poro sólo deja pasar las
moléculas pequeñas (agua y cristaloides), pero no las grandes. Una
aplicación clínica es la hemodiálisis, que es la separación de la urea de la
sangre de individuos con deficiencia renal.
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
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Electroforesis: Es el transporte de las partículas coloidales gracias a la acción de un
campo eléctrico a través de un gel. Generalmente se utiliza para separar las distintas
proteínas que se extraen juntas en un tejido. La velocidad es mayor cuanto más alta
sea su carga eléctrica global y cuanto menor sea su tamaño (peso molecular). Se
suelen utilizar geles de almidón o de poliacrilamida.
Tema 2. Los bioelementos, el agua y las sales
minerales
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