Biología 2º Bachillerato - Tema 1: Componentes Químicos de la Célula PDF

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This document is a chapter on the chemical components of the cell in biology, focusing on the types and functions of chemical bonds. It describes intracellular and intermolecular bonds, particularly covalent and ionic bonds, offering examples of molecules. It is part of a 2nd-year high school biology course.

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Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol TEMA 1. LOS COMPONENTES QUÍMICOS DE LA CÉLULA 1.1. ENLACES QUÍMICOS EN BIOLOGÍA. La materia está formada por átomos que se unen mediante enlaces para formar estructuras más co...

Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol TEMA 1. LOS COMPONENTES QUÍMICOS DE LA CÉLULA 1.1. ENLACES QUÍMICOS EN BIOLOGÍA. La materia está formada por átomos que se unen mediante enlaces para formar estructuras más complejas, las moléculas, indispensables para el funcionamiento de los seres vivos. Una molécula se produce por la unión estable de dos o más átomos. La formación de los enlaces que existen entre los átomos que componen una molécula requiere menos energía que la necesaria para mantener los átomos separados. Para romper estos enlaces es necesario aplicar energía. Si se requiere una gran cantidad de energía para romper el enlace, el enlace se llama una unión fuerte. Si se requieren pequeñas cantidades de energía, el enlace es un enlace débil. Distinguimos dos tipos de enlaces: Enlaces intramoleculares: unen átomos de una misma molécula. Enlaces intermoleculares: unen unas moléculas con otras. Son más débiles que los intramoleculares. 1.1.1. ENLACES INTRAMOLECULARES: Se establecen entre los elementos que intervienen en la composición de cada molécula, y definen su identidad y sus propiedades químicas. Generalmente, los enlaces que forman las moléculas son enlaces fuertes. Sin embargo, las funciones de las moléculas dependerán de otros enlaces débiles (intermoleculares) que pueden romperse con facilidad. En las moléculas biológicas vamos a encontrar enlaces intramoleculares de dos tipos: covalente e iónico. A. Enlace covalente: El enlace covalente se produce entre átomos que tienen una electronegatividad similar y elevada: entre dos no metales. La electronegatividad es la capacidad de un átomo para atraer los electrones de un enlace. En este enlace, ninguno de los dos átomos cede electrones, sino que comparten pares de electrones de su capa más externa. Curso 2024-25 1.1 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol El enlace covalente es sencillo si se comparten 2 electrones (1 de cada átomo), doble si se comparten 4 electrones (2 de cada átomo), y triple si se comparten 6 electrones (3 de cada átomo). Hay dos tipos de enlace covalente: apolar y polar. A.1. Enlace covalente apolar: Cuando los átomos que comparten electrones son iguales, tienen la misma electronegatividad, atrayendo con la misma fuerza el par de electrones compartidos. Ejemplo: O2, H2, N2, etc. A.2. Enlace covalente polar: Cuando los átomos son diferentes, al tener distinta electronegatividad, atraerán con distinta fuerza a los electrones compartidos, atrayéndolos más fuertemente el elemento más electronegativo. Cuando se produce esto, se forma un dipolo, ya que hay polaridad eléctrica. La zona del átomo más electronegativo tendrá una carga parcial negativa, por tener mayor tendencia a atraer electrones. En la zona del átomo menos electronegativo, la carga parcial será positiva. Ejemplos de moléculas con enlace covalente polar son el H2O, el NH3 y el CH4. Curso 2024-25 1.2 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol B. Enlace iónico: El enlace iónico se produce entre átomos que tienen distinta electronegatividad: metales y no metales. El no metal, más electronegativo (F, Cl,…), con mucha capacidad para atraer y ganar electrones para completar su capa de valencia, se transformará en un ion negativo, un anión. El metal, menos electronegativo (Na, K, Ca,…), con mucha tendencia para perder electrones y adquirir la configuración más estable, se transformará en un catión. El enlace iónico es un tipo de fuerza intramolecular que da lugar a moléculas inorgánicas, como las sales minerales. Están formadas por la unión electrostática de iones de carga eléctrica opuesta. No forman verdaderas moléculas, sino agregados de aniones y cationes que dan lugar a redes cristalinas y forman sustancias sólidas y de punto de fusión elevado. Ejemplo de compuesto iónico es el cloruro de sodio. 1.1.2. ENLACES INTERMOLECULARES: Los enlaces intramoleculares por sí solos no explican la gran complejidad de macromoléculas como las proteínas. Existen además otras fuerzas intermoleculares, más débiles que los enlaces anteriores, que se pueden crear y romper con facilidad y resultan de las interacciones entre moléculas, o entre moléculas e iones. En estas interacciones, aunque individualmente son débiles, el resultado de todas ellas puede ser tanto o más fuerte que un enlace covalente y son responsables de sus propiedades físicas, como el estado físico en el que se encuentra una sustancia a temperatura ambiente, el punto de fusión y de ebullición, la solubilidad, etc. Curso 2024-25 1.3 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Entre estas fuerzas intermoleculares destacan las interacciones electrostáticas, las fuerzas de Van der Waals, los enlaces o puentes de hidrógeno y las interacciones hidrofóbicas. A. Interacciones electrostáticas: Son un tipo de enlaces iónicos que se establecen entre dos moléculas o entre dos regiones de una misma molécula que poseen grupos funcionales con carga eléctrica, como el carboxilo (R-COO-) y el amino (R-NH3+) presentes en los aminoácidos componentes de las proteínas; o bien entre iones y este tipo de moléculas que presentan cargas eléctricas. Estas interacciones pueden ser de atracción (entre cargas opuestas) o de repulsión (entre cargas iguales). B. Fuerzas de Van del Waals: Son interacciones débiles que se establecen entre moléculas orgánicas eléctricamente neutras pero que son capaces de formar dipolos. Estos se generan cuando los elementos que se unen mediante enlaces covalentes poseen diferente electronegatividad, de manera que el elemento más electronegativo atrae con más fuerza a los electrones que comparten. La consecuencia es que la molécula, aunque tiene una carga total neutra (posee el mismo número de protones y de electrones), presenta una distribución asimétrica de los electrones que participan en el enlace, lo que la convierte en una molécula dipolar: alrededor de la nube electrónica del átomo más electronegativo se concentra una densidad de carga negativa, mientras los núcleos del elemento menos electronegativo quedan desprovistos parcialmente de sus electrones, y manifiestan una densidad de carga positiva. C. Enlaces de hidrógeno: Es un tipo particular de fuerza de Van der Waals que se establece entre dos moléculas dipolares o entre regiones de una misma molécula que presentan grupos funcionales del tipo –OH y –NH, en los cuales los elementos más electronegativos suelen ser el O y el N y el menor electronegativo es el H. Curso 2024-25 1.4 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Estas interacciones intermoleculares son débiles pero más fuertes que las interacciones de Van der Waals normales. Esto implica que las sustancias que tienen enlaces de hidrógeno, tienen puntos de fusión y ebullición más altos de los esperados. Por esta razón, el agua a temperatura ambiente es un líquido y no un gas como el H2S. Como hemos visto, los dipolos se producen cuando la zona del átomo más electronegativo tiene una carga parcial negativa, por tener mayor tendencia a captar electrones, mientras que en la zona del átomo menos electronegativo, la carga parcial será positiva. Los puentes de hidrógeno se pueden establecer entre moléculas diferentes, como es el caso del agua, o entre regiones diferentes dentro de la misma molécula, como en el caso de las proteínas o los ácidos nucleicos, siendo responsable parcialmente de la estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria de las proteínas y ácidos nucleicos. D. Interacciones hidrofóbicas: Las moléculas que no son polares, como los hidrocarburos, cuando se alojan en un medio acuoso no pueden establecer puentes de hidrógeno con sus moléculas dipolares, por lo que interrumpen la estructura reticular del agua, que se reorganiza alrededor de cada molécula apolar y forma estructuras altamente organizadas con aspecto de jaulas. En el interior de cada jaula, las moléculas apolares, repelidas por el agua, incrementan su cohesión al aumentar las fuerzas que las mantienen juntas, lo que se denomina interacción hidrofóbica. Curso 2024-25 1.5 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol 1.2. LA BASE QUÍMICA DE LA VIDA: COMPONENTES INORGÁNICOS Y ORGÁNICOS. Si analizamos cada uno de los diferentes tipos de seres vivos, encontraremos que la materia viva está constituida por unos setenta elementos. Estos elementos que se encuentran en la materia viva se llaman bioelementos o elementos biogénicos (de bios, vida, y genos, origen). Estos biolementos se combinarán para dar lugar a las biomoléculas o principios inmediatos. 1.2.1. BIOELEMENTOS: Los bioelementos son los elementos químicos que forman parte de los seres vivos. Se pueden clasificar por su contribución a la masa total del organismo en tres grupos: los bioelementos primarios, los bioelementos secundarios y los oligoelementos. A. Bioelementos primarios: Son un grupo de seis elementos, que constituyen el 96 % del total de la materia viva. Son el oxígeno (O), el carbono (C), el hidrógeno (H), el nitrógeno (N), y en menor proporción, el fósforo (P) y el azufre (S). Si se compara la composición química de la materia viva (biosfera) con la de la atmósfera, hidrosfera y litosfera, que son las tres capas que ocupan los seres vivos, se pueden deducir las siguientes conclusiones: § En la biosfera encontraremos una elevada cantidad de de H y O porque la materia viva está constituida por agua en un porcentaje que varía entre un 65 % (organismos terrestres) a un 90 % (organismos acuáticos). Todas las reacciones químicas que se realizan en los seres vivos se desarrollan en agua, por lo que no es posible la existencia de materia viva sin agua. Todo esto indica que la vida se originó en el agua. § El resto de los bioelementos primarios (C, N, S y P) de la biosfera tampoco son tan abundantes en la atmósfera, hidrosfera o litosfera, por lo que se puede deducir que la materia viva no se ha formado a partir de los elementos más abundantes, sino a partir de aquellos (C, H, O, N, P y S) que gracias a sus propiedades son capaces de constituirla. Estas propiedades son: Curso 2024-25 1.6 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Su masa atómica es relativamente pequeña, lo que 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. El oxígeno y el nitrógeno son elementos muy electronegativos, por lo que al unirse covalentemente con otros átomos, con frecuencia dan lugar a moléculas dipolares. Como 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 resto de las propiedades no son comunes, por lo que se exponen a continuación por separado. Carbono: Es el esqueleto básico de todas las biomoléculas orgánicas y marca la diferencia entre la materia orgánica e inorgánica. Tiene cuatro electrones en su capa más externa y puede formar enlaces covalentes con otros carbonos, que le permiten constituir largas cadenas de átomos (macromoléculas). Estos enlaces pueden ser simples (C-C), dobles (C=C) o triples (C≡C). También puede unirse a los diferentes radicales formados por los otros elementos (- H, =O, -OH, -NH2, -SH, -H2PO4, etc.), por lo que posibilita un gran número de moléculas diferentes, que intervendrán en multitud de reacciones químicas, y, así, poder aprovechar la gran diversidad de elementos que hay en el entorno. Los cuatro enlaces covalentes forman, en el espacio, los vértices de un tetraedro imaginario, lo que permite la formación de estructuras tridimensionales, como la membrana plasmática u otros orgánulos. Curso 2024-25 1.7 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Hidrógeno: Junto con el carbono, es indispensable para formar la materia orgánica, que se define como la materia constituida básicamente por carbono e hidrógeno. Por ejemplo, algunos lípidos sólo están formados por átomos de carbono e hidrógeno. Igual que el petróleo y sus derivados (butano, gasolina, gasóleo, etc.), constituidos únicamente por carbono e hidrógeno, por lo que se les denomina hidrocarburos. El electrón que tiene el átomo de hidrógeno le permite unirse a cualquiera de los otros bioelementos primarios. El enlace covalente que se forma entre el hidrógeno y el carbono es lo suficientemente fuerte como para ser estable, pero no tanto como para impedir su rotura, y permitir así la síntesis de otras moléculas. Las moléculas formadas sólo por carbono e hidrógeno son covalentes apolares (insolubles en agua). Oxígeno: Es el bioelemento primario más electronegativo, por lo que cuando se enlaza con el hidrógeno, atrae a su único electrón originándose polos eléctricos. Por eso, los radicales -OH, -CHO y -COOH son radicales polares. Cuando estos radicales sustituyen a algunos hidrógenos de una cadena de carbonos e hidrógenos, como la glucosa (C6H12O6), originan moléculas solubles en líquidos polares como el agua. Por su electronegatividad, el oxígeno tiene gran capacidad para atraer electrones de otros átomos, quedando éstos oxidados. Como este proceso implica la rotura de enlaces y la liberación de una gran cantidad de energía, la reacción de los compuestos de carbono con el oxígeno, la llamada respiración aeróbica, es la forma más común de obtener energía. La otra vía, la fermentación, ha ido reduciéndose desde que las algas y las plantas, mediante la fotosíntesis, empezaron a enriquecer con oxígeno la atmósfera primitiva. La oxidación de los compuestos biológicos se realiza básicamente mediante la sustracción de hidrógenos a los átomos de carbono. El oxígeno (más electronegativo) atrae con más fuerza el electrón del hidrógeno que el carbono, por lo que consigue quitárselo. Así se forma agua (oxígeno más el hidrógeno) y se libera una gran cantidad de energía, que aprovechan los seres vivos. Como el átomo de carbono pasa de compartir un electrón con el hidrógeno, a compartir menos electrones con el oxígeno, experimenta una “pérdida” de electrones, es decir, se oxida: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energía Curso 2024-25 1.8 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Nitrógeno: El nitrógeno tiene una gran facilidad para formar compuestos tanto con el hidrógeno (NH3) como con el oxígeno (NO-), lo que permite, al pasar de una forma a la otra, la liberación de energía. Se encuentra en los aminoácidos (moléculas que constituyen las proteínas) formando los grupos amino (-NH2) y en las bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos. Aunque el nitrógeno es el gas más abundante en la atmósfera, muy pocos organismos son capaces de aprovecharlo. Prácticamente todo el nitrógeno es incorporado a la materia viva por las algas y las plantas, que lo absorben disuelto en forma de ion nitrato (NH3-). Azufre: Se encuentra en forma de radical sulfhidrilo (-SH) en determinados aminoácidos como la cisteína y la metionina. Estos radicales permiten establecer, entre dos aminoácidos próximos, unos enlaces covalentes fuertes denominados puentes disulfuro (-S-S-), que mantienen la estructura de las proteínas. Fósforo: Es muy importante porque forma enlaces ricos en energía. Al romperse el enlace que une dos grupos fosfato -PO3- ~ PO3- ~ PO32-, generalmente de una molécula denominada ATP (adenosín trifosfato), se libera la energía contenida en dicho enlace. En estos enlaces se almacena la energía liberada en otras reacciones, como las oxidaciones de la respiración. Además, el fósforo es muy importante porque forma parte de los ácidos nucleicos (ADN y ARN), de los fosfolípidos de la membrana plasmática y de los huesos de los vertebrados, y porque ayuda a mantener constante la acidez del medio interno del organismo. B. Bioelementos secundarios: Constituyen aproximadamente el 4 % de la materia viva. Son: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-. Aunque se encuentran en menor proporción que los primarios, son también imprescindibles para los seres vivos. En medio acuoso se encuentran siempre ionizados. Curso 2024-25 1.9 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Los bioelementos secundarios tienen diferentes funciones: § Los iones Na+, K+ y Cl-, los más abundantes en el medio interno y dentro 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. § Los iones Na+ y K+, intervienen en la transmisión del impulso nervioso. § El calcio, en forma de carbonato (CaCO3), constituye los caparazones de los moluscos y 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 forma parte de muchas enzimas (cofactor) y del pigmento clorofila. También interviene en muchas reacciones, como la síntesis y degradación del ATP, la replicación del ADN, la síntesis del ARN, etc. C. Oligoelementos: Los oligoelementos se encuentran en proporciones inferiores al 0,1 %, aunque son imprescindibles para los seres vivos. No es necesaria una gran cantidad de ellos, siendo suficiente una pequeña cantidad de ellos para que el organismo viva, pero la falta total provocaría su muerte. Algunos oligoelementos, como el Fe, el Cu, el Zn, el Mn, el I, el Ni y el Co, aparecen en la mayoría de los organismos y otros, como el Si, el F, el Cr, el Li, el B, el Mo y el Al, sólo están presentes en grupos concretos. Los oligoelementos son imprescindibles, pues desempeñan funciones esenciales en diferentes procesos bioquímicos y fisiológicos. Algunos de los oligoelementos más importantes son el Fe, Zn, Cu, Co, Mn, Li, Si, I y F. § El hierro es esencial para la síntesis de la hemoglobina de la sangre y la mioglobina, dos proteínas que se encargan de transportar 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, donde interviene con la hormona insulina en el control de la concentración de glucosa en sangre. § El cobre forma parte de la hemocianina, proteína transportadora de oxígeno en muchos invertebrados acuáticos. También hay cobre en algunas enzimas oxidasas. § El cobalto hace falta para sintetizar la vitamina B12 (cobalamina, vitamina antianémica), y algunas enzimas que regulan la fijación del nitrógeno. Curso 2024-25 1.10 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol § El manganeso actúa como factor de crecimiento y en los procesos fotosintéticos. Su escasez provoca el amarillamiento de las hojas. § El litio estimula la secreción de los neurotransmisores, por lo que se utiliza, en enfermos con depresiones endógenas, para favorecer la estabilidad del estado de ánimo. § El silicio forma parte de los caparazones de las diatomeas y da rigidez a los tallos de las gramíneas y de los equisetos. § El yodo es un componente de 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. 1.2.2. BIOMOLÉCULAS: Los bioelementos se unen entre sí para formar moléculas que llamaremos biomoléculas: Las moléculas que constituyen los seres vivos. Estas moléculas se han clasificado tradicionalmente en los diferentes principios inmediatos, llamados así porque podían extraerse de la materia viva con cierta facilidad, inmediatamente, por métodos físicos sencillos, como: evaporación, filtración, destilación, disolución, etc. Encontramos biomoléculas de dos tipos: orgánicas e inorgánicas. A. Biomoléculas orgánicas: Son compuestos orgánicos los compuestos de carbono. Esto es, aquellos en los que el átomo de carbono es un elemento esencial en la molécula y forma en ella la cadena básica a la que están unidos los demás elementos químicos. Los seres vivos contienen compuestos orgánicos. Son estos los que caracterizan a la materia viva, son exclusivos de los seres vivos. La gran variedad de compuestos orgánicos que contienen los seres vivos se clasifican en: Glúcidos o hidratos de carbono, Lípidos, Prótidos (proteínas) y Ácidos nucleicos. Las funciones que cumplen estos compuestos en los seres vivos son muy variadas: § Glúcidos y lípidos tienen esencialmente funciones energéticas y estructurales. Curso 2024-25 1.11 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol § Las proteínas: enzimáticas y estructurales. § Los ácidos nucleicos son los responsables de la información genética. B. Biomoléculas inorgánicas: Son aquellos compuestos que están formados por distintos elementos, pero en los que su componente principal no siempre es el carbono. Aparecen tanto en los seres vivos como en la materia inerte. Dentro de estas biomoléculas, encontramos el agua, las sales minerales, y gases como CO2. Curso 2024-25 1.12

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