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1 TEMA I. BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS

TEMA 1. BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS. ÍNDICE.

1. CONCEPTOS DE BIOELEMENTO Y BIOMOLÉCULA.

2. CLASIFICACIÓN DE LOS BIOELEMENTOS.

2.1. Bioelementos primarios. C, H, O, N, P y S

Bioelementos secundarios, Na2+, K+, Ca2+, Mg2+ y Cl-,

2.3. Oligoelementos. Fe, Cu, Zn, Mn.

3. BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS.

3.1. Agua.

A) Estructura: dipolo, p. d. h., agrupación oscilante. B) Características.

− Gran poder disolvente: solvatación iónica, cte. dieléctrica. − Elevada fuerza de cohesión

• Líquido incompresible.

• Elevada tensión superficial. • Capilaridad.

- Elevado calor específico. Termorregulación.

− Elevado calor de vaporización. Termorregulación.

− Mayor densidad en estado líquido que sólido. − Bajo grado de ionización. Sistemas tampón.

C) Funciones.

- Disolvente universal.

− Bioquímica. Soporte de reacciones biológicas. Hidrólisis. − Transportadora.

− Estructural.

− Mecánica amortiguadora.

− Termorreguladora.

3.2. Sales minerales.

A) Tipos. Precipitadas, disueltas y asociadas a sustancias orgánicas. B) Funciones,

− Estructuras de sostén y protectoras.

− Mantenimiento de las concentraciones osmóticas.

− Mantenimiento del pH. Sistemas tampón.

• Fosfato.

• Bicarbonato − Funciones específicas. Transmisión nerviosa, contracción muscular, etc.




TEMA I. BIOLELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS

En su origen, todos los elementos existentes en el Universo, incluidos los que conforman la

vida (y nuestro cuerpo), fueron creados en reacciones nucleares estelares. Una vez generados

debieron de pasar varios miles de millones de años hasta que apareció la vida.

Es ésta una curiosa forma organizada de determinados elementos (pocos, del total), llamados

bioelementos (bio=vida), para formar moléculas únicas (las orgánicas) llamadas biomoléculas.

1. CONCEPTO DE BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS.

- Bioelemento: todo aquel elemento que forma parte de la materia viva.

- Biomolécula: toda molécula conformadora de la materia viva. Dependiendo de que sean

exclusivas o no se la materia viva distinguimos entre biomoléculas orgánicas e inorgánicas

respectivamente.

2. CLASIFICACIÓN DE LOS BIOELEMENTOS.

De los 92 elementos que existen naturalmente, solo unos pocos son los constituyentes de la

vida. De éstos, solo 6 conforman el 99% de todos los tejidos vivos.

- Bioelementos primarios: C, H, O, N y en menor proporción P y S.

- Bioelementos secundarios: en bastante menor proporción que los anteriores. Na, K, Ca, Mg

y Cl.

- Oligoelementos: son aquellos bioelementos que se encuentran en una proporción inferior

al 0,1%, pero que resultan imprescindibles para los seres vivos, pues desempeñan funciones

esenciales en diferentes procesos fisiológicos y bioquímicos. Fe, Cu, Zn, I, Mn.

3. BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS.

3.1. AGUA.

Es la sustancia más abundante de la materia viva. Los menores porcentajes de agua se dan

en seres con vida latente, como semillas, esporas o virus; mientras que los organismos acuáticos

presentan los más elevados (97% en las medusas o en las algas). Su porcentaje suele reducirse

a más edad del individuo. Puede encontrarse en tres formas:

- Agua circulante: en la sangre, la savia, etc.

- Agua intersticial: entre las células.

- Agua intracelular: en el citosol y en el interior de los orgánulos celulares.

Tiene una enorme importancia biológica, derivada del hecho de que las reacciones biológicas

se llevan a cabo en un medio acuoso.

A. Estructura del agua. *Imágenes

En la molécula de agua, los dos electrones de los dos hidrógenos están desplazados hacia el

átomo de oxígeno, como consecuencia de la diferente electronegatividad existente entre

ambos. Esto genera una carga parcial negativa en la zona del oxígeno (con mayor densidad

electrónica) y una carga parcial en cada hidrógeno (donde predominan las cargas positivas).




Dibujo del dipolo de la molécula de agua

Estructura del agua líquida con asociación entre

moléculas por puentes de hidrógeno. Cada

molécula puede asociarse hasta con 4 mediante

puentes de hidrógeno, pero la continua ruptura y

reorganización de los p.d.h. impide que haya 4

enlaces constantes (esto solo se da en el hielo,

estado sólido), sino que se habla de una media de

3,5 p.d.h. por molécula en esta AGRUPACIÓN

OSCILANTE.

De este modo, si varias moléculas de agua se encuentran, tenderán a formar los conocidos

puentes de hidrógeno, por atracción entre las zonas positivas y las negativas de cada dipolo.

Cualquier puente de hidrógeno (pdh) es significativamente más débil que un enlace

covalente o iónico, de modo que resulta un enlace muy inestable; tanto que la vida media de

cada pdh en el agua líquida a 25ºC es 1/100.0001000.000 seg. (1 cienmilmillonésima de

segundo). Pero, cuando uno se rompe, se forma otro (agrupación oscilante) de modo que siguen

siendo muchísimos los puentes de hidrógeno existentes en cada instante teniendo en su

conjunto una fuerza considerable y permitiendo el estado líquido del agua a temperaturas

ordinarias, a diferencia de otras moléculas similares como el CO2, y condicionando muchas de

sus peculiares características.

B. Características del agua. (Todas derivadas de los puentes de hidrógeno, salvo la primera).

B.1. Gran poder disolvente

Se debe a la polaridad de la molécula de agua, que se interponen 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 (en aniones y cationes rodeados por moléculas de agua).

Este proceso se conoce como solvatación iónica. *Imágenes

Lógicamente, las sustancias apolares (como las grasas) no podrán ser disueltas en agua, pero

en general, es capaz de disolver un elevadísimo número de sustancias. Esta propiedad, unida a




su abundancia, hacen del agua el disolvente universal, siendo un gran medio de transporte, así

como soporte de todas las reacciones químicas orgánicas.

La constante dieléctrica indica la capacidad de disolvente de una sustancia, y se mide

haciendo pasar una corriente eléctrica por su seno, de modo que a mayor soluto contenga a una

determinada temperatura, mayor será el paso de la electricidad.

- Constante dielectrica del agua a 20 grados centígrados igual a 80.

- Constante dielectrica del etanol a 20 grados centígrados igual a 24.

- Constante dielectrica del hexano a 20 grados centígrados igual a 1,9.

B.2. Elevada fuerza de cohesión, lo que supone a su vez:

- Líquido prácticamente incompresible. Idóneo para dar forma a las células, formar un

esqueleto hidrostático en anélidos, provocar la turgencia de las plantas, etc.

- Elevada tensión superficial. De modo que la superficie del agua (cuyas moléculas

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, originándose una fuerza neta

dirigida hacia el interior del líquido) se comporta como una membrana elástica tensa.

Esto permite que muchos organismos (Zapatero) vivan asociados a esta tensión

superficial. *Imágenes

- Capilaridad. Que depende tanto de la adhesión de las moléculas de agua a las paredes

del tubo como a la cuestión de las moléculas de agua entre sí, permitiendo que la

columna de agua no se rompa. Importante para la ascensión de la savia por los tubos

capilares.

B.3. Elevado calor específico.

Cuando se aplica calor al agua, parte de la energía comunicada se emplea en romper enlaces

de hidrógeno, y no en elevar su temperatura. De este modo, hay que comunicar bastante

cantidad de calor a un gramo de agua para elevar su temperatura un grado centígrado; de hecho,

la definición de calor específico reza: cantidad de energía calorífica que debe de ser suministrada

a una sustancia para elevar su temperatura 1 grado centígrado.

Así el agua tarda más tiempo en calentarse (y también más tiempo en enfriarse) qué otros

líquidos, por lo que es un excelente termorregulador. De hecho, la benignidad de las

temperaturas en las costas se debe a esto.

Como los organismos tienen una gran cantidad de agua, se está facilitando su estabilidad

térmica.

B.4. Elevado calor de vaporización.

Esto es debido a que para pasar del estado líquido al gaseoso se tienen que romper los

puentes de hidrógeno, lo que requiere un gran aporte de energía (que se toma del entorno). Así,

la evaporación del agua hace que la temperatura ambiente disminuya.

Aprovechando esta característica, el sudor de los humanos y el jadeo en los perros son

excelentes mecanismos refrigerantes, ya que el sudor o la saliva se evaporan tomando la energía

del cuerpo en el que se encuentran (y enfriándolo).




B.5. Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido.

De hecho, la mayor densidad del agua se presenta a 4 grados centígrados. Esto determina la

existencia del polo norte (pues se trata de una enorme isla de hielo, sin tierra debajo), icebergs

y que, cuando un lago se hiela, la primera capa que se forma sea aislante de la masa de agua

interior respecto a la fría atmósfera, permitiendo la vida de las especies acuáticas durante el

invierno. ¿Sabías que sin esta peculiaridad toda la Tierra estaría congelada?

B.6. Bajo grado de ionización.

Solo una molécula de cada 551x106 se encuentra ionizada.

H2O → H+ + OH-

Aunque como los protones se hayan como iones hidronio, la reacción es:

2H2O → H3O+ + OH-

De este modo, la concentración de iones hidronio e hidroxilo es muy baja:

[H3O+] = [OH-]= 10-7 mol/L

Debido a esto, si se añade agua a un ácido o una base, aunque sea en muy poca cantidad,

dichas concentraciones varían bruscamente, lo que sería muy perjudicial para la vida, por lo que

se han desarrollado los sistemas tampón, que estudiaremos más adelante.

C. Funciones del agua.

A. Función disolvente. Básica para la vida, ya que prácticamente todas las reacciones

biológicas tienen lugar en el estado líquido del medio acuoso.

B. Función bioquímica. El agua interviene directamente en algunas importantes

reacciones, como es la hidrólisis o rotura de enlaces con intervención del agua. La

reacción contraria se llama condensación, y algunos animales, como los dromedarios,

pueden obtener agua metabólica a partir de la grasa de su giba: 1,1 gramo de agua por

1 gramo de grasa.

La hidrólisis, por su lado, es muy importante por ejemplo en la digestión de alimentos o

como fuente de hidrógeno en la fotosíntesis.

C. Función de transporte. Tanto dentro del propio organismo como en los flujos de entrada

y salida.

D. Función estructural. El volumen y forma de las células (sobre todo si carecen de pared

rígida) se mantienen gracias a la presión que ejerce el agua interna.

E. Función mecánica amortiguadora. Los vertebrados poseen en sus articulaciones bolsas

de líquido sinovial que evita el roce entre los huesos.

F. Función termorreguladora. Como el sudor ya comentado.




3.2. LAS SALES MINERALES

Las sustancias minerales podemos encontrarlas en los seres vivos de tres formas:

- Precipitadas. constituyen estructuras sólidas, insolubles, con función esquelética. Es el

caso del carbonato cálcico en las conchas de los moluscos o en los huesos (junto con el

fosfato cálcico), el cuarzo en los caparazones (frústulas) de diatomeas, en las gramíneas,

etc.

- Disueltas. Dan lugar a aniones y cationes, siendo los principales:

o Aniones: Cl-, SO42-, PO4

3-, CO32-, HCO3

-, NO3

o Cationes: Na+, K+, Ca2+, Mg2+

En el medio interno, los organismos presentan unas concentraciones iónicas

constantes. Una variación en dichas concentraciones provoca alteraciones en la

permeabilidad, excitabilidad y contractilidad de las células, por lo que es de vital

importancia mantener el equilibrio (homeostasis). Por ello, cuando se introducen

soluciones en un organismo (soluciones fisiológicas), o mantener órganos vivos en ellas,

deben cumplir estrictamente con dichas concentraciones.

- Asociadas a sustancias orgánicas. Suelen encontrarse junto a proteínas (fosfoproteínas),

lípidos (fosfolípidos) o glúcidos (agar-agar).

A. Funciones de las sales minerales

- Constitución de estructuras de sostén y protectoras duras, como ya hemos comentado.

- Mantenimiento de concentraciones osmóticas adecuadas. Recordemos en qué consiste el

fenómeno de osmosis: *Imágenes

Es el paso de un disolvente, a través de una membrana semipermeable (que no permite el

paso de soluto, pero sí el del disolvente) entre dos soluciones de diferente concentración,

desde la menos concentrada (hipotónica) a la más concentrada (hipertónica).

Cuando la célula, cuya membrana es semipermeable, se encuentra en un medio hipertónico,

pierde agua, arrugándose y pudiendo llegar a romperse su membrana (plasmólisis).

Cuando la célula se halla en un medio hipotónico se hinchará (turgencia).

C. Mantenimiento del pH en estructuras y medios biológicos. Bien, en primer lugar

recordemos que es el pH:

Se define como el logaritmo cambiado de signo de la concentración de iones hidronio.

pH= -log[H3o+]

Los valores de pH oscilan entre el 0 y el 14, de modo que:

[H3o+] < 10-7 moles H3o+/L → pH>7 (DISOLUCIÓN BÁSICA)

[H3o+] = 10-7 moles H3o+/L → Ph=7 (DISOLUCIÓN NEUTRA)

[H3o+] > 10-7 moles H3o+/L → Ph<7 (DISOLUCIÓN ÁCIDA)

NOTA: 10-7 moles/L de H3o+ es la concentración de dichos iones en agua pura.




Como os podéis imaginar, es importantísimo mantener un pH constante, de lo cual se ocupan

determinados iones, que conforman dos sistemas tampón principales:

1. Sistema tampón fosfato, qué mantiene el medio intracelular en un pH igual a 7, 2,

basándose en el equilibrio de reacción: fórmula de la reacción

sí en las células aumentan los ácidos, la reacción se desplazaría hacia la izquierda para

mantener el equilibrio de la reacción, mientras que si disminuyen (o aumentan las bases) lo haría

hacia la derecha. De este modo se amortiguan las variaciones.

2. Sistema tampón bicarbonato coma que controla el pH sanguíneo.

Fórmula.

Ante una acidosis en sangre, la reacción se desplaza hacia la derecha, generando ácido

carbónico que, al ser muy inestable, inmediatamente se descompone en agua y dióxido de

carbono, pudiendo el dióxido de carbono ser eliminado en la respiración y viceversa.

D. Funciones específicas.

Por ejemplo, el ion ferroso (fe2+) es necesario para sintetizar hemoglobina, el ion yodo es

imprescindible en la hormona tiroidea, los iones de sodio y potasio para la transmisión nerviosa,

el ion calcio en la contracción muscular y coagulación sanguínea, etc.

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