LOS BIOELEMENTOS

I. E. S. Santa Mª de Alarcos
Departamento de Ciencias Naturales
Biología
2º Bachillerato
LOS BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS
1. Los bioelementos
Son los elementos químicos que forman parte de la materia viva. Son unos 70.
Se clasifican en:
BIOELEMENTOS PRIMARIOS: C, H, O, P, N, S.
Son los que forman las biomoléculas, y reciben el nombre de
bioelementos plásticos. Representan el 95%.
BIOELEMENTOS SECUNDARIOS:
Representan el 5% en la materia viva y pueden ser:
Indispensables o esenciales: Siempre aparecen en los seres vivos
como:
Na, K, Mg, Ca, F, Cl, I, Fe, Si, Mn, Cu, B, Zn, V, Cr, Co, Se,
Mo y Sn.
Variables: Pueden faltar. Algunos son: Br, Ti, Pt, Al, etc.
Cuando el % en un organismo es menor del 0,1% reciben el nombre de
oligoelementos. El Fe, Mn, Cu, Zn y Co, se han encontrado en todos los
seres vivos por lo que reciben el nombre de OLIGOELEMENTOS
UNIVERSALES.
Todos los bioelementos fueron seleccionados porque tienen propiedades que son
interesentes para los seres vivos, como:
1. En general son bastante abundantes y fáciles de incorporar.
2. Su masa atómica es pequeña y por lo tanto cuando se unen forman enlaces muy
estables.
3. El H y el O forman la molécula de agua que es la más abundante en los seres
vivos.
4. Los iones metálicos como el Fe o el Mg son capaces de captar y ceder
electrones por lo que son idóneos en las reacciones de transferencia de electrones
como en la fotosíntesis o la respiración celular. El Fe se encuentra en la
hemoglobina y citocromos y el Mg en la clorofila.
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2 Fe++
NAD+ + 2 e-
2 Fe+++ + 2 e-
+ 2 H+
NADH + H+
5. El O en un aceptor de electrones muy fuerte, produciendo compuestos muy
estables por oxidación y proporcionando mucha energía a los seres vivos.
NADH + H+
NAD+ + 2 e- + 2 H+
½ O2 + 2 e- + 2 H+
H2O
6. El O y el N forman compuestos polares que son solubles en agua, en donde se
van a producir todas las reacciones químicas.
7. El S forma enlaces disulfuro (-S--S-) que mantienen la estructura de muchas
moléculas. Se encuentra en los aminoácidos cisteína y metionina así como en el
coenzima A.
8. El P forma enlaces fácilmente hidrolizables y ricos en energía como en el ATP.
Además interviene en la formación de las moléculas de ADN y ARN en forma de
ácido fosfórico, en lípidos formadores de membranas así como en forma de sales
de fosfato en huesos.
9. El N en forma de NH2 interviene en la formación de los aminoácidos y bases
nitrogenadas.
10. El Na, K y Cl en sus formas ionizadas, mantienen la salinidad de los medios
internos mediante los fenómenos osmóticos y permiten el impulso nervioso.
11. El Ca, forma los huesos junto al P y también es necesario para procesos como
la contracción muscular y la coagulación sanguínea.
12. En general los oligoelementos realizan funciones catalíticas como:
Fe: transporte de oxígeno en la sangre.
I: forma parte de la hormona tiroxina que controla en metabolismo celular
y la temperatura corporal.
Co: forma parte de la vitamina B12, necesaria en la eritropoyesis.
F: en el esmalte de los dientes.
Si: Resistencia y endurecimiento de tejidos.
Li: Actúa sobre neurotransmisores y la permeabilidad celular. En dosis
adecuada puede prevenir estados de depresiones.
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13. El C tiene cuatro electrones en su última capa pudiendo formar enlaces
covalentes muy estables, tanto simples como dobles y triples, originando
estructuras tridimensionales de vital importancia para los seres vivos.
Aunque el Si también tiene cuatro electrones los enlaces que forma Si --Si, son
muy inestables y los --Si--O--Si--O--Si-- (Siliconas) son casi indestructibles; Los
compuestos que forma el carbono con otros elementos son solubles en agua y los del
silicio no; el CO2 es un gas expulsado por la respiración y utilizado por las plantas,
mientras el SiO2 es la sílice o pedernal.
Las combinaciones del carbono con otros elementos, como el oxígeno, el
hidrógeno, el nitrógeno, etc., permiten la aparición de una gran variedad de grupos
funcionales que dan lugar a las diferentes familias de sustancias orgánicas. Estos
presentan características físicas y químicas diferentes, y dan a las moléculas orgánicas
propiedades específicas, lo que aumenta las posibilidades de creación de nuevas moléculas
orgánicas por reacción entre los diferentes grupos.
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2. Las biomoléculas
Los las biomoléculas que forman parte de los seres vivos. Pueden ser inorgánicas,
aquellas que también se pueden encontrar fuera de los seres vivos y las orgánicas que sólo
se encuentran en los seres vivos.
2.1. Las biomoléculas inorgánicas
Son el agua, las sales minerales y los gases.
2.1.1. El agua
El agua es una molécula simple, con un comportamiento que se escapa de lo normal.
Se encuentra en la Tierra en sus tres estados. Podemos considerarla como la molécula de
la vida, ya que es la sustancia más abundante en los seres vivos y medio en el que surgió la
vida.
Posee unas propiedades físicas y químicas características que van a permitir unas
funciones extraordinarias para los seres vivos.
Estructura:
La molécula de agua está formada por dos átomos de H unidos a un átomo de O
por medio de dos enlaces covalentes. La disposición tetraédrica de los orbitales sp3 del
oxígeno determina un ángulo de 105 º entre los enlaces de los dos hidrógenos, además el
oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y atrae con más fuerza a los electrones
de cada enlace.
El resultado es que la molécula de agua aunque tiene una carga total neutra (igual
número de protones que de electrones), presenta una distribución asimétrica de sus
electrones, lo que la convierte en una molécula polar, alrededor del oxígeno se concentra
una densidad de carga negativa, mientras que los núcleos de hidrógeno quedan
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desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una
densidad de carga positiva.
Por eso en la práctica la molécula de agua se comporta como un dipolo
Así se establecen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua,
formándose enlaces o puentes de hidrógeno, la carga parcial negativa del oxígeno de una
molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos
de hidrógeno de otras moléculas adyacentes.
Aunque son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua
se dispongan otras cuatro molécula unidas por puentes de hidrógeno permite que se forme
en el agua (líquida o sólida) una estructura polimérica y reticular, responsable en gran
parte de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades físicoquímicas.
Propiedades:
A mayor cantidad de agua, mayor actividad de los tejidos.
El punto de fusión es de 0º C y el de ebullición es de 100 º C.
Tiene un alto calor específico y de vaporización.
Elevada fuerza de cohesión, con moléculas muy unidas, siendo un líquido casi
incompresible.
Su tensión superficial y fuerza de adhesión es muy alta.
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Bajo grado de ionización.
Producto iónico del agua
Este producto iónico es constante. Como en el agua pura la concentración de
hidrogeniones y de hidroxilos es la misma, significa que la concentración de
hidrogeniones es de 1 x 10 -7. Para simplificar los cálculos Sorensen ideó expresar dichas
concentraciones utilizando logaritmos, y así definió el pH como el logaritmo cambiado de
signo de la concentración de hidrogeniones. Según esto:
disolución neutra pH = 7
disolución ácida pH < 7
disolución básica pH > 7
En general hay que decir que la vida se desarrolla a valores de pH próximos a la
neutralidad.
pH de algunas sustancias
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En estado sólido es menos densa, por lo que el hielo flota.
Gran poder de disolución de las sustancias polares
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Funciones biológicas del agua:
Disolvente universal de las sustancias polares
Medio en el que se realizan las reacciones químicas.
Transporte de sustancias en disolución y por movimiento capilar.
Da volumen y forma a las células dando lugar al esqueleto hidrostático.
Amortigua los golpes y lubricante.
Termorreguladora.
Permite la vida en las regiones polares y zonas acuáticas de elevadas altitudes.
Puede intervenir como reactivo aportando hidrogeniones e hidroxilos.
2.1.2. Las sales minerales
En los seres vivos pueden encontrarse de tres formas:
Sólidas: formando parte de esqueletos, huesos, caparazones, etc.
Asociadas a otras moléculas: Como el hierro en la hemoglobina.
Disueltas: En forma de aniones y cationes. Estas realizan las siguientes funciones:
 Mantienen la salinidad del medio interno mediante los fenómenos
osmóticos.
Si tenemos dos disoluciones acuosas de distinta concentración separadas por una
membrana semipermeable (deja pasar el disolvente pero no el soluto), se produce el
fenómeno de la ósmosis que sería un tipo de difusión pasiva caracterizada por el paso del
agua (disolvente) a través de la membrana semipermeable desde la solución más diluida
(hipotónica) a la más concentrada (hipertónica), este trasiego continuará hasta que las dos
soluciones tengan la misma concentración (isotónicas).
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Figura 11
Y se entiende por presión osmótica la presión que sería necesaria para detener el
flujo de agua a través de la membrana semipermeable.
La membrana plasmática de la célula puede considerarse como semipermeable, y
por ello las células deben permanecer en equilibrio osmótico con los líquidos que las
bañan.
Cuando las concentraciones de los fluidos extracelulares e intracelulares son
iguales, ambas disoluciones son isotónicas.
Si los líquidos extracelulares aumentan su concentración de solutos se hacer
hipertónicos respecto a la célula, y ésta pierde agua, se deshidrata y mueren (plasmólisis).
Y si por el contrario los medios extracelulares se diluyen, se hacen hipotónicos
respecto a la célula, el agua tiende a entrar y las células se hinchan, se vuelven turgentes
(turgescencia), llegando incluso a estallar (lisis).
Los líquidos presentes en los organismos son dispersiones de diversas sustancias
en el seno del agua. Según el tamaño de las partículas se formarán dispersiones
moleculares o disoluciones verdaderas como ocurre con las que se forman con las sales
minerales o por sustancias orgánicas de moléculas pequeñas, como los azúcares o
aminoácidos.
Las partículas dispersas pueden provocar además del movimiento de ósmosis,
estos otros dos:
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La diálisis. En este caso pueden
atravesar la membrana además del disolvente,
moléculas de bajo peso molecular y éstas
pasan atravesando la membrana desde la
solución más concentrada a la más diluida.
(Figura 13). Es el fundamento de la
hemodiálisis que intenta sustituir la filtración
renal deteriorada.
La difusión sería el fenómeno por el
cual las moléculas disueltas tienden a
distribuirse uniformemente en el seno del
agua. Puede ocurrir también a través de una
membrana si es lo suficientemente permeable.
Así se realizan los intercambios de
gases y de algunos nutrientes entre la célula y
el medio en el que vive.
 Amortiguan el pH de las disoluciones.
Los organismos vivos no soportan variaciones del pH mayores de unas décimas
de unidad y por eso han desarrollado a lo largo de la evolución sistemas de tampón o
buffer, que mantienen el pH constante mediante mecanismos homeostáticos.
Los sistemas tampón consisten en un par ácido-base conjugada que actúan como
dador y aceptor de protones respectivamente.
El tampón bicarbonato es común en los líquidos intercelulares, 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:
Si aumenta la concentración de hidrogeniones en el medio por cualquier proceso
químico, el equilibrio se desplaza a la derecha y se elimina al exterior el exceso de CO 2
producido. Si por el contrario disminuye la concentración de hidrogeniones del medio, el
equilibrio se desplaza a la izquierda, para lo cual se toma CO2 del medio exterior.
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 Estabilizan las dispersiones coloidales.
Micelas de grasa estabilizadas por un jabón,
que impide que se unan debido a la repulsión de las cargas negativas
Además ahora el agua ya puede unirse mediante puentes de hidrógeno
 Funciones específicas: Contracción muscular y transmisión del impulso
nervioso.
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