Bioelementos y Agua

BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS INORGÁNICASINORGÁNICAS

1. Los elementos de la vida2. Las biomoléculas3. El agua4. Las sales minerales

LOS ELEMENTOS DE LA VIDALos ss.vv. (seres vivos) están constituidos por materia y, por tanto, por elementos químicos.De los 92 elementos naturales, unos 27 son esenciales para todos los ss.vv, si bien sólo 16 son comunes a todos ellos.

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De acuerdo con su abundancia en los ss.vv.,

clasificamos los bioelementos en tres

categorías:

-Bioelementos principales [ > 97% ]-Bioelementos secundarios [aprox. 2,5 %]-Oligoelementos [< 0,5 %]

Bioelementos principales [ > 97% ]

C

H

O

N

P

S

Carbono

Hidrógeno

Oxígeno

Nitrógeno

Fósforo

Azufre


C

H

O

N

P

S

Carbono

Hidrógeno

Oxígeno

Nitrógeno

Fósforo

Azufre

Forman parte de todas las biomoléculas orgánicas

Constituyen el 95 % de la materia

viva (Y también de moléculas inorgánicas como el H2O, etc.)


C

H

O

N

P

S

Carbono

Hidrógeno

Oxígeno

Nitrógeno

Fósforo

Azufre



viva

•Aminoácidos (=> y proteínas)•Ácidos nucleicos (ADN y ARN)•Nucleótidos (como el ATP)•Clorofila•Hemoglobina•Muchos glúcidos y lípidos•etc.

Forma parte de

(Y también de moléculas inorgánicas como el H2O, etc.)


C

H

O

N

P

S

Carbono

Hidrógeno

Oxígeno

Nitrógeno

Fósforo

Azufre



viva


Forma parte de

•Nucleótidos•Coenzimas•Fosfolípidos•etc.

•Moléculas inorgánicascomo fosfatos y salesminerales

Forma parte

de



C

H

O

N

P

S

Carbono

Hidrógeno

Oxígeno

Nitrógeno

Fósforo

Azufre



viva


Forma parte de

•Cisteína y metionina (dos aminoácidos presentes en casi todas las proteínas).•Otras moléculas orgánicas (p.ej. Vitaminas B, CoenzimaA,…)

•Nucleótidos•Coenzimas•Fosfolípidos•etc.

•Moléculas inorgánicascomo fosfatos y salesminerales

Forma parte

de

Forma parte de


Bioelementos principales [ > 97% ] C H O N P SPropiedades físicoquímicas que los hacen tan adecuados para la vida:

-Forman entre ellos con facilidad enlaces covalentes, compartiendo pares de electrones.

-Pueden compartir más de un par de electrones => pueden formar enlaces dobles y triples => pueden formarmuchos tipos de moléculas diferentes.

-Son los elementos más ligeros con capacidad de formar enlaces covalentes muy estables (cuanto menor es la masa atómica mayor es la estabilidad del enlace).

-Debido a la configuración tetraédrica de los enlaces del carbono, los diferentes tipos de moléculas orgánicas tienen estructuras tridimensionales diferentes.

Bioelementos principales [ > 97% ] C H O N P S

-Los enlaces carbono-carbono son muy estables, formando largas cadenas lineales, ramificadas, en anillo… También el C forma con facilidad enlaces estables con otros elementos, dando lugar a grupos funcionales (carboxilo, aldehido, cetona…). Todo ello contribuye a la enorme diversidad de moléculas orgánicas.

-C, H, O y N se hallan en los ss.vv. en estado reducido. Al oxidarse, gracias al O2 del aire, desprenden energía. Esta energía es aprovechada por los ss.vv.

Bioelementos secundarios [ 2,5 % ] Ca Mg Na K Cl

Ca

Forma parte del carbonato cálcico (CaCO3)que es el componente principal de las estructuras esqueléticas de muchos animales.En forma iónica (Ca 2+ ) estabiliza muchas estructuras celulares, como el huso mitótico, en interviene en muchos procesos fisiológicos, como la contracción muscular y la coagulación de la sangre.

Mg

Forma parte de la molécula de clorofila. En forma iónica actúa como catalizador, junto con enzimas, en muchas reacciones químicas de los organismos. También estabiliza la membrana celular, los ácidos nucleicos y los ribosomas.

Na

K

Cl

Forman parte, como iones, de las sales minerales disueltas en el agua de los organismos. Intervienen directamente en muchos procesos fisiológicos, como la transmisión del impulso nervioso. El K regula la apertura y cierre de los estomas de las hojas.

Oligoelementos [ < 0,5 % ] Mn Fe Co Cu Zn I F Si etc

[ del griego oligos = escaso]

Tanto su déficit como su exceso pueden producir graves trastornos en los ss.vv.

Mn Fe Co Cu Zn Son los oligoelementos universales(presentes en todos los ss.vv.)

I F Si

V CrB

Se

Mo

Sólo se encuentran en algunos grupos de ss.vv.

etc

Algunos ejemplos de las funciones que desempeñan:

Fe: Interviene en los procesos de respiración celular y de fotosíntesis. Forma parte de la hemoglobina.

Mn: Activador de muchas enzimas. Indispensable para la fotosíntesis.

Co: Forma parte de la vitamina B12, necesaria para la síntesis de la hemoglobina.

Zn: Esencial para la formación de muchas enzimas de gran importancia.

LAS BIOMOLÉCULASTambién se denominan “principios inmediatos”

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- Biomoléculas inorgánicas

- Biomoléculas orgánicas

H2OSales mineralesGases

DisueltasPrecipitadas (no disueltas)

GlúcidosLípidosProteínasÁcidos NucleicosOtras

Un ejemplo: abundancia y diversidad de biomoléculas en la bacteria Escherichia coli, una célula procariota.

BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS - I

Agua

©José Luis Sánchez Guillén

Composición química de una célula tipo

El agua: un líquido extraño

Importancia cuantitativa: Es la sustancia más abundante en la

biosfera y el componente mayoritario de los seres vivos: entre el 65 y el 95% del peso de la mayor parte de las formas vivas es agua.

Esta agua se distribuye de la siguiente forma:

– 2/3 agua intracelular– 1/3 agua extracelular (intercelular –plasma- y

líquidos circulantes –savia, sangre)


El contenido de agua depende de:– La especie. Los

organismos acuáticos tienen valores cercanos al 90 %; las especies que viven en zonas desérticas tienen contenidos en agua bajos.

El agua:un líquido extraño

El contenido en agua disminuye con la edad

– La edad.

El agua:un líquido extraño

El contenido en agua aumenta con la actividad metabólica

– El tipo de tejido u órgano.

Plasma sanguíneo

Piel

Tejido conjuntivo

Dientes 10%

60%

72%

92%


Importancia cualitativa: El agua EN ESTADO LÍQUIDO fue el soporte donde

surgió la vida y dónde se desarrollan los procesos biológicos.

La evolución ha venido condicionada por la necesidad de los seres vivos de mantener un entorno acuoso (medio interno)

Las biomoléculas tienden a interaccionar con el agua


Si disminuye el contenido en agua por debajo de un valor crítico, las actividades vitales se detienen.


La cantidad de agua debe mantenerse constante en cualquier estado fisiológico

Como el oxígeno es más electronegativo que la del hidrógeno, los pares de electrones compartidos se ven atraídos con más fuerza el núcleo por el núcleo del oxígeno que por el del hidrógeno

Naturaleza molecular del agua

El agua es un dipolo eléctrico

Se crea así una asimetría eléctrica que genera cargas eléctricas parciales:

- positivas, en los hidrógenos

- negativas, en el oxígeno


Ese carácter dipolar permite que se formen puentes de hidrógeno entre cargas parciales opuestas.

Los puentes de hidrógeno que forma el agua son enlaces muy débiles pero muy numerosos: cada molécula de agua se rodea de otras cuatro molécula unidas por puentes de hidrógeno

El agua presenta alta cohesividad


El agua presenta alta cohesividad

La vida media de los puentes de hidrógeno es muy breve (10-11 s).

Sin embargo, los enlaces de hidrógeno se rompen y se forman de manera constante, lo que mantiene las interacciones y permite que las moléculas de agua se unan con una fuerza considerable.

El agua: propiedades físicas

El agua tiene unas extraordinarias propiedades físicas y químicas que van a ser responsables de su importancia biológica.

– Disolvente universal– Líquida a T ambiente– Incompresible– Elevada fuerza de cohesión: capilaridad – Elevada tensión superficial– Gran calor específico – Elevado calor de vaporización

El agua: propiedades físicas

Capacidad disolvente del agua


Debido a la polaridad de su molécula, el agua se interpone entre los iones de las redes cristalinas de los compuestos iónicos, lo que origina una disminución importante de la atracción entre ellos y provoca su separación y, en definitiva, su disolución


A la fuerza con la que las moléculas de un disolvente mantienen separados a los iones de carga opuesta se le llama constante dieléctrica. En el agua, a de 20 ºC, vale 80; es decir, los aniones y los cationes se atraen con una fuerza 80 veces menor en el seno del agua que fuera de ella

Disolución de sustancias polares

Moléculashidrofóbicas

Moléculas anfipáticas

Moléculas anfipáticas: Membranas

Micelas y liposomas

Micela

Propiedades del agua:Líquida a T ambiente

La elevada fuerza de cohesión entre

sus moléculas permite que el

agua se mantenga líquida a

temperaturas no extremas.

Gracias a esta propiedad, el agua

actúa como vehículo de transporte

en el interior de un organismo vivo

y como medio lubricante en las

estructuras de movimiento.

Propiedades del agua:Incompresibilidad

Debido también al elevado grado de

cohesión entre sus moléculas, el

volumen del agua líquida no disminuye

apreciablemente aunque se apliquen

presiones muy altas. Esta propiedad

determina las deformaciones

citoplasmáticas y permite que el agua

actúe como esqueleto hidrostático en

las células vegetales.

Propiedades del agua:Gran fuerza de adhesión

El alto grado de cohesión molecular,

combinado con la adhesión a la

superficie de otras estructuras (debida

a su polaridad), permite que el agua

pueda ascender a lo largo de

conductos estrechos. Esta propiedad

denominada capilaridad resulta

fundamental para el ascenso de la

savia bruta por los tubos del xilema en

los vegetales.

• En el interior de una masa de agua, las

moléculas se cohesionan entre sí mediante

puentes de hidrógeno en todas las

direcciones del espacio, por lo que las

fuerzas se compensan.

• Sin embargo, las moléculas de agua

situadas en la superficie únicamente están

sometidas a la acción de las moléculas de

agua del interior del líquido al no existir

fuerzas de cohesión con las moléculas del

aire.

Elevada tensión superficial

Interior

• Se origina de esta forma una fuerza

neta dirigida hacia el interior del líquido,

que se denomina tensión superficial y

permite que la superficie libre del agua

se comporte como una membrana

elástica tensa.

• Esta propiedad es la causa de la

mayoría de las deformaciones celulares

y de los movimientos citoplasmáticos.

Dilatación anómala

• Cuando un líquido se congela, aumenta su densidad, pues el grado de empaquetamiento molecular es mayor.

• Sin embargo, cuando la temperatura del agua desciende por debajo de 4 °C, sus moléculas se acercan tanto que cada una de ellas puede formar enlaces de hidrógeno con otras cuatro moléculas, formándose una red espacial estable que ocupa más volumen que el agua líquida, por lo que el hielo es menos denso y flota en ella

Líquido normal

Agua

Dilatación anómala

• Este hecho tiene una importante consecuencia biológica:

cuando se produce un enfriamiento del agua de los mares y ríos, la superficie se congela pero el fondo permanece líquido porque la capa de hielo superficial actúa como aislante térmico, lo cual permite la supervivencia de los organismos acuáticos durante el invierno.

Elevados calor específico y de vaporización

• El agua puede absorber grandes cantidades de "calor" que utiliza para romper los p.de h. por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. • Análogamente ocurre para evaporar el agua , primero hay que romper los puentes y posteriormente dotar a las moléculas de agua de la suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la gaseosa. Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 calorías, a una temperatura de 20º C.


Esta propiedad hace que el agua tenga función de amortiguación térmica:

• La temperatura corporal debe mantenerse estable entre ciertos límites para evitar la alteración de muchas biomoléculas y para que las reacciones biológicas se realicen correctamente. La existencia de un alto porcentaje de agua facilita la estabilidad térmica.

• Además, en los organismos acuáticos, contribuye a crear un ambiente con pocas fluctuaciones térmicas.


Esta propiedad hace que el agua tenga función de amortiguación térmica:

• Al evaporarse agua, tomando energía térmica del medio se provoca el enfriamiento del conjunto.

Basta con que se evaporen 2 g de agua para compensar la elevación de temperatura que se produciría al aplicar 1 kcal a 11 g de agua.

Propiedades químicas: baja ionización

El agua puede ionizarse originando dos

iones, H3O+ y HO-, con carga opuesta, en

igual concentración (Los iones H3O+

(Hidronio)suelen representarse simplemente como H+).

Propiedades químicas: baja ionización

• La concentración de moléculas ionizadas en el agua pura es muy baja: a 25 °C es de 1014 mol/L y, por tanto, [H+] = [HO-] = 10-7. Sin embargo, cuando se disuelve un ácido en agua, la [H+] aumenta, y si es una base, disminuye.

• Para expresar el grado de acidez de una disolución se utiliza el término pH, que se define como el logaritmo del inverso de la [H+].

• Los líquidos biológicos han de mantenerse a pH “fisiológicos” para que no se altere la funcionalidad de las proteínas.

• Cualquier variación de dicho valor altera la estructura y función de las proteínas.

• En las reacciones bioquímicas se liberan con frecuencia pequeñas cantidades de estos ácidos.

• Para amortiguar estas variaciones de pH existen los sistemas tampóntampón

El agua : reactivo químico

El agua y sus productos de ionización participan en una serie de reacciones biológicas importantes:

Hidrólisis: una molécula de agua lleva a cabo la rotura de una molécula orgánica, como sucede, por ejemplo, durante los procesos digestivos y en otros procesos metabólicos.

El proceso inverso a la hidrólisis se denomina condensación (moléculas sencillas se unen para obtener otras mayores), el cual origina moléculas de agua que se denominan «agua metabólica».

En la fotólisis del agua, durante la fotosíntesis oxigénica, el agua actúa como agente reductor proporcionando electrones e hidrógenos para generar materia orgánica.

Agua metabólica

En el camello,

mediante la

degradación oxidativa

de la grasa se obtiene

1,1 g de agua a partir

de cada gramo de

grasa metabolizada.

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