TEMA 1: LA BASE QUÍMICA DE LA VIDA: COMPONENTES INORGÁNICOS EL AGUA Y LAS SALES MINERALES 1.-LOS BIOELEMENTOS Son los átomos (elementos químicos), que forman parte de los seres vivos. Se pueden diferenciar dos tipos; primarios y secundarios.
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1.1.- BIOELEMENTOS PRIMARIOS Son los elementos fundamentales que forman la base de todas las biomoléculas, por lo que suelen ser los elementos mayoritarios en los seres vivos. Son el carbo carbono, no, el hidró hidrógen geno, o, oxíge oxígeno no,, nitró nitróge geno no,, azufr azufre e y fósfor fósforo. o. C,H, C,H,O, O,N, N,S,P S,P..
a) Carbono: Tiene cuatro electrones en su periferia, por lo que puede formar enla enlace cess dirig irigid ido os hac hacia los los cuatr uatro o vérti értice cess de un tetra etraed edrro imag imagiinari nario. o. Los Los enla enlace cess C-C son estables y permiten formar cadenas lineales o ramificadas y anillos, que constituyen los esqueletos de muchas moléculas. Los enlaces C-H, C=O y C-N con consti stituye tuyen n una una seri serie e de fun funcio ciones nes con con prop propie ied dade ades dife diferrente entes, s, que que multi ultipl plic ican an la diversidad diversidad molecular molecular..
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lemento to muy muy electr electrone onega gativ tivo, o, se b) Oxígeno: Elemen encu encuen entr tra a en toda todass las las biom biomol oléc écul ulas as orgá orgáni nica cass y form forma a dist distin into toss grup grupos os func funcio iona nale less form forman ando do alco alcoho hole les, s, aldeh aldehido idos, s, ácidos ácidos,, etc. etc.
Fundam amen enta tall comp compon onen ente te de prot proteí eína nass y de ácid ácidos os nucl nuclei eico cos, s, casi casi c) Nitrógeno: Fund siempre formando grupos amino. También en importante componente de sales mine minera rales les (nitr (nitrato atos, s, etc) etc)
d) Azufr Azufre: e: Es menos abundante que los anteriores, se encuentra en sales mine minera rale les, s, en prot proteí eína nass y algu alguno noss otro otross comp compue uest stos os orgá orgáni nico cos. s.
e) Fósforo: Es componente fundamental de los ácidos nucleicos, de algunas molé molécu cula lass espe especi cial ales es como como el ATP, TP, y de sale saless mine minera rale les. s. siderar una molécula cula de rellen leno, ya que se encue cuentr ntra f) Hidrógeno: Se puede consid 3 en toda todass las las moléc olécul ulas as orgá orgáni nica cass y en las las inor inorgá gáni nica cass reduc educid idas as..
1.2.- BIOELEMENTOS SECUNDARIOS Son menos abundantes que los anteriores, forman parte de muchas de las moléculas inorgánicas que se entran en los seres s eres vivos y puntualmente de algunas orgánicas. No quiere decir esto que no sean fundamentales para la vida de la mayoría de los seres vivos. Algunas son esenciales en unos seres vivos y no en otros. Ej: El hierro es fundamental en muchos animales y no en la mayoría de las plantas. Algunos e jemplos son: sa les minerales Na+ , fundamental en mantener Sodio: Formando parte de las sales el equilibrio osmótico. También También es fundamental f undamental en la transmisión transmisi ón del impulso nervioso. Potasio: Igual que el sodio. Es algo más tóxico para nuestro organismo, por lo que se elimina de forma f orma especial por el aparato excretor. equilib rio osmótico. Cloro: También interviene en el equilibrio Magnesio: Forma parte de muchas enzimas y es fundamental al formar parte De la clorofila de las plantas. Hierro: forma parte de la hemoglobina humana. Por lo que su carencia provoca Anemia. Se acumula en el hígado. Iodo: forma parte de la hormona tiroidea. Cuando a un bioelemento secundario se necesita necesi ta en una proporción muy pequeña, se le denomina oligoelemento. 4
Ej: Busca al menos 3 bioelementos secundarios más indicando que función
concreta tienen en los seres vivos. ( o en una especie concreta).
2.-PRINCIPIOS INMEDIATOS O BIOMOLÉCULAS Son las moléculas que forman parte de los l os seres vivos. Se distinguen dis tinguen dos tipos principales: -Biomoléculas inorgánicas: Son las que forman parte de los seres vivos y también de la materia inerte. Son, el agua, las sustancias minerales y el CO2. -Biomoléculas orgánicas: Son exclusivas de los seres vivos, se encuentran únicamente en los seres vivos ya que son sintetizadas por ellos mismos. Son los glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. Todos Todos ellos ell os tienen como átomo fundamental el carbono.
El carbón, el petróleo, el papel, la madera, los plásticos, etc, son sustancias
formadas por moléculas orgánicas y no son seres vivos. ¿Cuál es la causa? 5
3.-EL AGUA
Es la sustancia química más abundante en la materia viva. En el hombre
representa entre el 60 y 70% de su peso, en las algas un 95% y en el embrión un 94%. Una prueba clara de su importancia es que dentro de un mismo individuo, los órganos con mayor actividad vital, tienen una mayor cantidad de agua, y en la misma especie tienen mayor cantidad de agua los individuos jóvenes que los adultos y ancianos.
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El agua se encuentra en la materia viva en tres lugares: Agua circulante, agua
inter intersti sticia ciall y agua agua intra intrace celul lular ar.. 3.1.-CARACTERÍSTICAS .1.-CARACTERÍST ICAS
FUNDAMEN FUN DAMENT TALES DEL AGUA: AGUA:
La molécula de agua está formada por dos átomos de H unidos a un átomo de O por medio de dos enlaces covalentes. El oxí geno geno es más electronegativo que el hidr ógeno 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 ox í íg geno e no se concentra una densidad de carga negativa , mientras que los núcleos de hidr ógeno quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifi estan, por tanto, una densidad de carga positiva. Por eso en la práctica la molécula de agua se comporta como un dipolo
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Así se esta stablecen cen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua, formándose enlaces o puentes de hidrógeno, la car carga parcial negat gativa iva del oxíg xígeno de una molécula e jerce erce atra atracc cció ión n ele electro ctrosstáti tática ca sobr sobre e las las car cargas gas par parcia ciales les posi posittivas ivas de los los átom átomos os de hidr hidróg ógen eno o de otra otrass molé molécu cula lass adya adyace cent ntes es.. Aunque son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se disp dispon ong gan otr otras cua cuatro tro molé olécula cula unid unida as por pue puente ntes de hidró idróge geno no perm permitite e que que se for forme en el agua (líq líquida o sóli sólid da) una estructura de tipo reticular , respo sponsab sable en gra gran parte de su com comport portam amie ient nto o anóm anómal alo o y de la pecu peculiliar arid idad ad de sus sus prop propie ieda dade dess fisi fisico coqu quím ímic icas as..
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a) Elevada fuerza de cohesión y adhesión: Se trata de la fuerza con la que están unidas las moléculas de agua entre sí (cohesión) , o entre ellas y la superficie de contacto (adhesión). Gracias a la cohesión tenemos propiedades de los seres s eres vivos en los que el agua hace una función fu nción de esqueleto hidrostático, o de protección. Y gracias a la adhesión se pueden realizar reali zar fenómenos como la capilaridad o la unión de varios te jidos (e j: líquido pleural).
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b) Elevado calor específico: También esta propiedad está en relación con los puentes de hidrógeno que se forman entre las moléculas de agua. El agua puede absorber grandes cantidades de "calor" que utiliza para romper los puen puente tess de hidr hidróg ógen eno, o, por por lo que que la tem tempera peratu tura ra se elev eleva a muy lent lentam amen ente te.. sto perm permitite e que que los los sere seress vivos ivos,, for formado ados pri princip ncipa almen lmentte por por agua agua,, mante anteng nga an Esto más fácilme lmente la temperatura con constan tante. También, que pue puedan vivir ivir en medi edios acuá acuátitico coss que que var varían poco poco su tem tempera peratu turra . Para que el agua líqu líquiida cam cambie de esta stado c) Elevado calor de vaporización: vaporización: Par a gas, el calor que hay que aplicar es muy elevado. De esta forma el agua puede actuar como refrigerante aprovechando el calor que puede estar en exce exceso so para ara evap evapor orar ar agua gua (sud (sudor or,, tran transp spir ira ació ción, etc) etc) ³pa ³para evap evapor orar ar un gram gramo o de agua a 20ºC se necesitan 540 kcal´.
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d) Buen Buen cond conduc ucto torr térm térmic ico: o: También es importante esto para la term termor orre regul gulac ació ión. n. Sobre Sobreto todo do en los los organ organis ismo moss endot endoter ermo moss (de (de temp temper eratu atura ra constante). estructura ura química ica, los los e) Mayor densidad líquido que sólido: Se debe a la est puentes de hidrógeno hacen que las moléculas de agua en estado líquido estén más cerca de lo que estarían en caso contrario. Hace que el hielo pued pueda a flot flotar ar enci encim ma del del agua agua líqu líquid ida. a.
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g) Elevada constante dieléctrica: Hace que sea un buen disolvente de compue compuesto stoss iónico iónicos. s. El agua gua per permite ite que que se prod produz uzca canm nmul ultititu tud d de reacc eaccio ione ness quím químic icas as e incl inclus uso o part partic icip ipa a en ella ellass ³rea ³reacc ccio ione ness de hidr hidról ólis isis is´´
h)
Bajo grado de ionización: Esto provoca que el agua no tenga capacidad tamp tampón ón.. Cam Cambia bia brus brusca came ment nte e su pH. pH.
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4.-SUSTANCIAS
MINERALES
La mayor parte de las veces se encuentran como sales, por lo que también pode podemo moss llama llamarl rlas as sales sales miner minerale ales. s. Se pued pueden en enco encont ntra rarr de 3 for formas dife difere rent ntes es: 4.1.-Sales minerales precipitadas
Las sustan sustancia cias s miner minerale ales s precip precipita itada dass, constituyen estructuras sólidas, insol insolub ubles les,, con con funció función n esque esquelét lética ica.. -El carbo arbona nato to cálci álcico co: Forma parte de los caparazones de moluscos e impregna el esquelet leto de los ins insectos. Confie fiere rigid gidez a la est estructura de algu lgunas espo spon jas. ndurec ece e los los hues huesos os y dien diente tess en verte ertebr brad ados os.. Endur -Los -Los sili silica cato toss: Endurecen estructuras de sostén de algunos vegetales. Forman caparazones de algunos microorganismos, como las diatomeas. Forman las espí espícu cula lass de algu alguna nass espo espon n jas. -El fosfato cálcico: Forma la matriz mineral que forma el esqueleto de los vertebrados. 14
4.2.-Sales .2.-Sales minerale mineraless
disueltas disueltas
lugar a anion iones y catio tiones. Los princi incipa palles son: Las sales minerales disueltas dan lug -Cationes: Na+, K+, Ca2+ y Mg2+. -Aniones: Cl-, SO42-,PO43-,CO32-,HCO3- y NO3-. Las Las func funcio ione ness prin princi cipa pale less de esta estass sale saless mine minera rale less disu disuel elta tass son son: important ante, par para el buen Mantener el grado de salinidad en los organismos: Es imp funcionamiento general de cualquier ser vivo, que se mantengan más o menos consta stantes las las concen centraci acione ones de sales tanto en el inte nterior de las las cél células las, com como en líqu líquid idos os com como la sang sangrre, etc. etc. lguna as sales les int intervienen como omo activ ctiva adores o Regular la actividad enzimática: Algun inhib inhibido idore ress de la activ activida idad d meta metabó bólic lica. a. gular la presión osmótica y el volumen celular : De la concentración de sales Regul depende la entrada o salida de agua y su presión, por lo que las sales controlan esta. Generar potenciales eléctricos. Al disociarse en iones y estos poseer carga eléctrica, cuando están separados dos medios diferentes se puede generar una difer ferencia de potenci encia al. Por e jemplo en las células nerviosas hay una diferencia de pote potenc ncia iall que que se alte altera ra con con el impu impuls lso o ner nervios vioso. o. fecto tampón y Regular el pH: Las sales minerales en disolución pueden tener efec hacer que no cambie el pH de forma brusca, lo que es muy importante en todos los flui fluido doss org orgáni ánicos. cos. ³Ej: un cambio de pH de menos de 1 punto en la sangre puede provocarnos la muerte´ . Lo realizan las sales minerales procedentes de ácidos 15 débiles.
4.3.-Sust .-Sustanc ancia iass
asocia asociadas das a sustanc sustancias ias orgáni orgánicas cas
En algunos casos los átomos procedentes de sales minerales se asocian a macromoléculas como a proteínas, por e jemplo, el hierro a la hemoglobina, el
cobal balto a la vita itamina B12 o el magnesio a la clorofila.
5.-FENÓMENOS FÍSICOS IMPORTANTES IMPORTANTES 5.1-. Ósmosis y presión osmótica Si tene tenem mos dos diso disolu luccion iones acuo acuosa sass de dist distiinta nta con concen centració ación n sepa separradas adas por una membrana semipermeable (de ja pasar el disolvente pero no el sol u uto t o ), se produce el fenómeno de la ósmosis que sería un tipo de di difu fusi sión ón pa pasiv siva a caracterizada por el paso del agua ( disolvente ) a través de la membrana semiper meable desde la solución má s dilu id id a ( hipotónica ) a la má s hipertónica)), este trasiego continuará hasta que las dos concentr ad a (hipertónica solu soluci cion one es teng tengan an la mism misma a conc concen entr trac ació ión n ( isotónicas o isoo isoosm smót ótic icas as ).
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Y se entiende por presión osmótica la presió sión que sería necesa cesarria para detener el flu flu jo de agua agua a trav través és de la membr embran ana a sem semiper iperm meabl eable. e. La mem membra brana na pla plasmá smátic tica a de la cél célula puede consid siderarse como semiper meable, y por ello ello las las célu célula lass debe deben n perm perman anec ecer er en equili brio osmótico con con los los líq líquid uidos que las las bañan. an.
Cuando hay un desequilibrio en la presión osmótica dentro y fuera de una célula se produce la entrada o salida de agua. Según se trate de una célula animal (glóbulo ro jo como modelo), o una vegetal tendremos los siguientes casos:
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CELULA VEGETA VE GETAL L
a) Medio edio iso isotó tóni nico co
b) Medio hipotónico
Turgencia c) Medio hipertónico
Plasmólisis 18
CÉLULA ANIMAL
lisis
Arruga miento
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Los Los orga organi nism smos os inte intent ntan an mant manten ener er la osmo osmola lari rida dad d con con estr estrat ateg egia iass como como: Los peces de agua dulce obtienen el agua por ósmosis, por lo que no beben agua. Los
de agua salada tienen que beber agua para com compensar la pérdida ida de esta por ósmosis, eliminan el exceso de sales por la orina y las agallas.
Las plantas obtienen agua por las raíces al ser hipertónicas las células de la raíz en
relaci lació ón al suelo elo.
Los mamíferos pierden sales por el sudor o la orina, y obtienen el agua por ósmosis
desd desde e el inte intest stin ino. o. 20
Vacuolas
Actúan pulsátiles. compen compensan sando do los los dese desequ quililib ibri rios os osmó osmótitico coss de estos m.o. que pueden tolerar así pequeños cambios ios de salin linidad en el agua en el que viven.
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5.2.-Dispersiones 5.2.-Dispersiones coloidales: Son un tipo especial de disoluciones dis oluciones en las que las moléculas molécula s disueltas son de gran tamaño (macromoléculas). La mayoría de los fluidos f luidos que componenen los seres vivos son dispersiones coloidales. ll ama fase dispersante y el cuerpo disuelto fase En estas el disolvente (agua) se llama dispersa. La fase dispersa puede estar formada por macromoléculas macromolécula s (pm>10000) o por micelas (con junto de macromoléculas rodeadas de agua). Se suelen suel en formar micelas cuando la fase dispersa son moléculas molécula s hidrófobas (gotas de grasa). Una dispersión coloidal se puede presentar en dos estados: Estado de Sol: De aspecto fluido, con gran abundancia de fase dispersante
(agua) Estado de Gel: Aspecto gelatinoso, con poca cantidad de fase dispersante. Algunas propiedades de las dispersiones coloidales son:
a) Poca estabilidad: Cuando la fase dispersa se desestabiliza al no rodearse de agua, precipita (sedimentación). Si el precipitado es en forma f orma de copos se llama ll ama coagulación, si son trozos grandes floculación. 22
b) Gran Gran adsorc adsorción ión:: Las partículas de las dispersiones coloidales se unen fácilmente a la superficie de otras o de un sólido. Ej:Enzimas al sustrato, anti anticue cuerp rpos os al antí antíge geno no,, etc. etc. Las disper persion sione es colo oloida idales les muest uestrran opa opalesc lesce encia ncia (pue pueden den c) Efecto Tyndall: Las observarse pequeñas sombras al atravesarlas la luz). No ocurre lo mismo con las disol disoluc ucio ione ness verd verdad ader eras as que que son tran transpa spare rente ntes. s. d) Diá Diális lisis is:: Podemos separar una dispersión coloidal con una membrana per permeabl eable e que que de je pasar sar las sust ustancia cias disu isuelt eltas (solu soluttos pequeños) y no la fas fase dispersa (moléculas grandes). La hemodiálisis consiste en hacer esto con la sangre de un paciente cuyo riñón no funciona bien. De esta forma se eliminan sale saless y toxi toxina nass de las las sang sangre re y se manti antien enen en prot proteí eína nas, s, hor hormonas onas,, célu célula las, s, etc. etc.
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odemos sep separar molécu lécullas grandes de la fase fase dispersa de un e) Electroforesis: Electroforesis: Pode colo coloid ide e cua cuando ndo esto stos teng tengan an carg carga a eléc eléctr tric ica a media ediant nte e dos polo poloss (cáto cátodo do y áno ánodo) do), estas moléculas se dirigirán a uno de los dos polos y avanzarán a mayor velocidad cuanto mayor sea su carga y menor su tamaño. De esta manera pode podemo moss sepa separa rarr prot proteí eína nass y otra otrass molé molécu cula lass orgá orgáni nica cas. s.
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5.3.-La difusión: Las moléculas disueltas en agua o cualquier cualqui er otro disolvente tienden a repartirse de forma homogenea por todo el líquido. (Cuando una membrana es permeable para una sustancia determinada, esta la atraviesa por difusión, difusi ón, a excepción del agua que lo hace por ósmosis).
5.4.-Algunos .-Algunos grupos funcionales importantes importantes en las biomoléculas:
Hidroxilo
Carbonilo
Carbonilo
Carboxilo
Éster
Am ino
Fosfato
Alcohol
Cetona
Aldehido
Ácido
Éster
Am ina
Éster fosfórico
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