Biología 2º Bachillerato PDF

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BAXX5124_FR prue 19/5/09 12:09 Página 1 Biología 2 bachillerato Avance de edic ión Mariano García Gregorio Josep Furió Egea Mª Ángeles García Papí BAXX5124_FR prue 19/5/09 12:09 Página 2 Biología 2 bachillerato ©ES PROPIEDAD Mariano García Gregorio Josep Furió Egea Mª Ángeles García Papí Editorial ECIR, S.A. Fotografía:Archivo ECIR / Istockphoto / Fotolia / Age Fotostock. Diseño de interior: Diseño gráfico ECIR Edición: Editorial ECIR Impresión: Industrias gráficas Ecir (IGE) Ilustraciones: Diseño gráfico ECIR / Alfandech. Diseño e ilustración cubierta: Valverde e Iborra / Diseño gráfico ECIR Villa de Madrid, 60 - 46988 - P. I. Fuente del Jarro - PATERNA (Valencia) Tels: 96 132 36 25 - 96 132 36 55 - Móvil: 677 431 115 - Fax: 96 132 36 05 E-mail: [email protected] - http://www.ecir.com BAXX5124_FR prue 19/5/09 12:09 Página 1 A las alumnas y los alumnos: presentación Los estudiantes de 2º de Bachillerato que cursáis la asignatura de Biología os plan- teáis el futuro con objetivos diferentes: algunos continuaréis vuestros estudios en alguna carrera relacionada con las Ciencias de la Vida. Para otros, éste será el último curso en que tendréis un contacto académico con esta materia. Finalmente, algunos os integraréis próximamente en la vida laboral. Es muy probable, además, que todos o casi todos realicéis las pruebas de acceso a la Universidad u otras prue- bas selectivas. El libro que tenéis en vuestras manos ha sido planificado y realizado como un ins- trumento de trabajo eficaz y seguro que os ayudará a llevar vuestros objetivos a buen fín. El libro consta de 4 bloques de contenidos desglosados en 19 temas con una selec- ción rigurosa y actualizada de contenidos. Acompañando a este texto encontraréis: Actividades de lápiz y papel , que os plantearán problemas interesan- tes, basados en la materia objeto de estudio, que deberéis trabajar indivi- dualmente o en grupo, según el criterio de vuestros profesores. Al final de cada tema hay tres secciones: Resumen gráfico y textual de los contenidos del tema. Actividades de autoevaluación con tres niveles de dificultad: elemental , media y avanzada. Documentos de ampliación, que tratan sobre las relaciones Ciencia-Técnica- Sociedad y también sobre cuestiones científicas menos conocidas y relacio- nadas con el tema. El libro del alumno viene acompañado de un Cuaderno de Investigaciones y Téc- nicas, que comprende dos tipos de actividades: 1. Técnicas: actividades prácticas en las que se plantea el objetivo, el material y los métodos para realizarlas y que tienen como finalidad familiarizarnos con el manejo de los instrumentos y las técnicas de laboratorio, la recogida y clasificación de datos experimentales y la elaboración de informes. 2. Investigaciones: plantea la búsqueda experimental de la solución a un problema cuyo diseño y realización –excepción hecha de algunas sugerencias– se os ofrecen enteramente a vosotros. Hechas las aclaraciones, concluimos esta presentación con la confianza de que este libro sea para vosotros un buen compañero y una ayuda eficaz y atractiva en esta etapa de vuestra formación científica y humana. BAXX5124_FR prue 19/5/09 12:09 Página 2 I. LAS MOLÉCULAS DE LA VIDA 1 BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS  Los elementos de la vida  Las biomoléculas  El agua  Las sales minerales 2 LOS GLÚCIDOS  Concepto de glúcido y clasificación  Monosacáridos  Oligosacáridos  Polisacáridos  Disacáridos 3 LOS LÍPIDOS  Los lípidos: propiedades generales  Ácidos grasos  Triacilglicéridos  Ceras  Lípidos de membrana  Lípidos sin ácidos grasos 4 LAS PROTEÍNAS  Los aminoácidos  La carga eléctrica de los aminoácidos  Las proteínas: concepto y estructura  Proteínas conjugadas o heteroproteínas  Aminoácidos proteicos y aminoácidos no proteicos  Clasificación de las proteínas  Los péptidos  Propiedades de interés de las proteínas 5 NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS  Nucleósidos y nucleótidos  Nucleótidos de interés biológico  Estructura del RNA  Estructura del DNA  Coenzimas derivados de nucleótidos  Variaciones de la estructura del DNA  Polinucleótidos. Ácidos nucleicos  La cromatina  Funciones de los ácidos nucleicos BAXX5124_FR prue 19/5/09 12:09 Página 3 II. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN CELULAR 6 INTRODUCCIÓN A LA CÉLULA  Teoría celular: Introducción histórica  Métodos de estudio morfológicos de la célula  Estudio bioquímico de la célula  Tipos de organización celular  Introducción al estudio de la célula eucariótica  El paso de las células procarióticas a las eucarióticas  Diferencias entre células procarióticas y eucarióticas 7 LA ENVOLTURA CELULAR  La membrana plasmática  Especializaciones de la membrana plasmática:  Transporte de macromoléculas y partículas  Glicocáliz o cubierta celular  Uniones intercelulares  Pared celular  Transporte de pequeñas moléculas a través de la membrana 8 CITOSOL Y CITOESQUELETO  Citosol  Citoesqueleto  Microtúbulos  Cilios y flagelos  Filamentos de actina  Centrosoma: centro organizador de microtúbulos  Filamentos intermedios 9 RIBOSOMAS Y SISTEMAS DE ENDOMEMBRANAS  Ribosomas  Retículo endoplasmático  Complejo de Golgi  Lisosomas  Vacuolas  Peroxisomas 10 ORGÁNULOS ENERGÉTICOS  Mitocondrias  Cloroplastos  Autonomía de mitocondrias y cloroplastos 11 NÚCLEO. MITOSIS Y MEIOSIS  El núcleo  Citocinesis  La cromatina y los cromosomas  La meiosis  El ciclo celular  Los ciclos vitales  La mitosis BAXX5124_FR prue 19/5/09 12:09 Página 4 III. METABOLISMO Y AUTOPERPETUACIÓN 12 INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO. ATP Y ENZIMAS  Concepto de metabolismo  El adenosín trifosfato o ATP  Características de las reacciones metabólicas  Coenzimas de oxidación-reducción  Organismos autótrofos y heterótrofos  Vitaminas  Las enzimas 13 RESPIRACIÓN Y FOTOSÍNTESIS  Respiración aerobia  Anabolismo  Catabolismo de glúcidos  Fotosíntesis  Catabolismo de lípidos  Fase lumínica de la fotosíntesis. Fotofosforilación  Catabolismo de proteínas  Fase oscura. El ciclo de Calvin  Catabolismo anaeróbico  Quimiosíntesis 14 LAS LEYES DE LA HERENCIA  Conceptos básicos de herencia biológica  Herencia y sexo  Las leyes de Mendel  Herencia ligada al sexo  Ejemplos de la herencia mendeliana  Carácteres influidos por el sexo  Ligamiento y recombinación cromosómicos 15 LOS GENES Y SU FUNCIÓN  La replicación semiconservativa del DNA  El mecanismo d ela traducción  El mecanismo de la replicación  Regulación de la expresión del mensaje genético  La expresión del mensaje genético  Los genes y los caracteres del organismo  El mecanismo de la transcripción 16 MUTACIONES Y MANIPULACIONES GENÉTICAS  Concepto de mutación  Algunos fenómenos naturales resultado de las mutaciones  Mutaciones cariotípicas  Las mutaciones y la evolución de los seres vivos  Mutaciones cromosómicas  Mutaciones experimentales  El mecanismo de la transcripción  Los DNA recombinantes y la ingeniería genética  Frecuencia de las mutaciones naturales  Manipulaciones genéticas en eucariotas BAXX5124_FR prue 19/5/09 12:09 Página 5 IV. MICROBIOLOGÍA Y AUTOCONSERVACIÓN 17 BIOLOGÍA DE LOS MICROORGANISMOS  Los microorganismos y la microbiología  Los virus  Las bacterias  La reproducción y la recombinación genética en las bacterias  Otros microorganismos procarióticos 18 MICROBIOLOGÍA APLICADA  Modos de vida de los microorganismos  Microorganismos autótrofos y biosfera  Los microorganismos del suelo  Los microorganismos patógenos  Los microorganismos y los alimentos  Otras aplicaciones industriales de los microorganismos 19 EL SISTEMA INMUNITARIO  Concepto de inmunidad. Las defensas del organismo  Defensas innatas externas: barreras físicas y químicas  Defensas innatas internas: respuesta inflamatoria  Células y órganos del sistema inmunitario  Inmunidad adquirida o específica: la respuesta inmunitaria  El reconocimiento del antígeno por los linfocitos B y T  Desarrollo de los linfocitos: selección clonal  Dos respuestas inmunitarias: humoral y celular  Inmunidad natural frente a la infección  Inmunidad inducida artificialmente  Alergia y anfilaxia  Autoinmunidad  Inmunodeficiencia BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 6 1 BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 7 La materia viva está formada por elementos químicos que se encuentran también en nuestro planeta y en otros astros, si bien en proporciones diferentes. La investigación astrofísica nos ha permitido conocer los procesos que han generado los diferentes elementos químicos: El hidrógeno, el más abundante del universo, se originó en el Big Bang. Más tarde, formadas las estrellas, otros elementos se fueron fabricando en ellas. Las estrellas masivas pueden sintetizar mediante el proceso de fusión nuclear, elementos como oxí- geno, carbono, nitrógeno y otros más pesados. Cuando se obtiene el hierro como producto de fusión la estrella sufre una explosión cataclísmica -supernova- y lanza al espacio interestelar gran parte de su materia. Las altas energías producidas en la explosión llevan a la síntesis de nuevos ele- mentos. La enorme nebulosa que originó nuestro Sistema Solar, además de una masa mucho mayor de hidrógeno y ele- mentos ligeros, contenía una cantidad significativa de ele- mentos más pesados, presumiblemente procedentes de la explosión de supernovas anteriores. Desde sus orígenes, la vida en nuestro planeta utilizó algunos de esos elementos para construir sus estructuras y para poder funcionar. Por ser parte integrante de la materia viva se conocen con el nombre de bioelementos. Sus combinaciones moleculares se denominan biomoléculas. 1 Los elementos de la vida 2 Las biomoléculas 3 El agua 4 Las sales minerales Resumen Actividades Documento Polvo de estrellas BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 8 1 LOS ELEMENTOS DE LA VIDA Una de las características de la vida es su composición elemental. El análisis químico revela que de los 92 ele- mentos naturales, unos 27 son esenciales para los diferen- tes seres vivos si bien sólo 16 son comunes a todos ellos. Se denominan elementos biogénicos o bioelementos a aquellos elementos químicos que forman parte de los seres vivos. En la figura 1.1 se representa el porcentaje en masa de los elementos más abundantes en los seres vivos, en la cor- teza terrestre y en el planeta globalmente. Al comparar las tres gráficas podemos llegar a algunas conclusiones: Aunque todos los elementos que constituyen los seres vivos se encuentran en el planeta Tierra, la proporción que mantienen en ellos es muy diferente de la del núcleo e incluso de la de la corteza, en cuyo límite superior se desarrolla la vida. Ello se debe a que los seres vivos son entes selectivos que han utilizado aquellos elementos Fig. 1.2. Correlación entre la abundancia de bioelementos en el mar y en el ser humano (J. Peretó). más idóneos para sus estructuras y funciones, no los más abundantes. La abundancia no es sinónimo de disponibilidad. El Al envueltas fluidas de la Tierra: la atmósfera y la hidrosfe- es un elemento muy abundante en la corteza terrestre ra. La figura 1.2 nos muestra que hay buena correlación pero difícil de obtener en forma soluble, como lo habrían entre la abundancia de elementos en el mar y en el ser podido utilizar los seres vivos. Es lógico pensar que la vida humano. además de necesitar elementos idóneos tuvo que tenerlos Atendiendo a su abundancia en la materia viva y al disponibles. Algunos de los elementos más abundantes papel que desempeñan en ella, podemos clasificar los de la vida (C, H, O, N) se obtienen fácilmente en las bioelementos en tres categorías (fig 1.3): Los elementos más abundantes El elemento más abundante en el de la corteza terrestre son los Uno de los elementos más abundantes planeta considerado globalmente componentes de los silicatos de la vida es el carbono que, si bien es el hierro (Fe), que constituye (oxígeno, silicio, alumnio, hierro, abunda en el Universo, es minoritario su voluminoso núcleo. calcio y sodio). en las capas minerales del planeta Fig. 1.1. Diagramas de la composición química (%) de la Tierra en su conjunto, de la corteza terrestre y de los seres vivos. 8 Tema 1 Bioelementos y biomoléculas orgánicas BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 9 Los elementos marcados en color rojo (bioelementos princi- pales) constituyen algo más del 97% de la materia viva. Los elementos marcados Los elementos marcados en en color naranja color verde, llamados oligoele- (bioelementos secundarios) mentos, representan algo menos forman alrededor del 2,5% del 0,5% de la materia prima. de la materia viva. Fig. 1.3. Localización de los bioelementos en la tabla periódica.  Bioelementos principales: C, H, O, N, P y S Las propiedades físicoquímicas que los hacen tan ade- cuados para la vida son las siguientes: Los elementos carbono, hidrógeno y oxígeno for- man parte de todas las biomoléculas orgánicas. 1. Forman entre ellos con facilidad enlaces covalentes, compartiendo pares de electrones. El nitrógeno es un componente fundamental de las proteínas, ácidos nucleicos, nucleótidos, clorofila, hemo- 2. Pueden compartir más de un par de electrones, for- globina y numerosos glúcidos y lípidos. Estos cuatro ele- mando enlaces dobles o triples, lo cual les dota de una mentos forman el 95 % de la materia viva. gran versatilidad para formar compuestos químicos diferentes. El azufre se halla en dos aminoácidos (cisteína y metio- nina) presentes en casi todas las proteínas. También está 3. La estabilidad de un enlace covalente es mayor cuanto en otras sustancias de interés biológico, como vitaminas menor es masa atómica de los átomos que lo forman. del complejo B y en la Coenzima A. Los bioelementos principales son los elementos más ligeros con capacidad de formar enlaces covalentes, El fósforo es parte integrante de los nucleótidos, com- por lo que dichos enlaces son muy estables. puestos que forman parte de los ácidos nucleicos y de sus- tancias de gran interés biológico, como muchas coenzimas 4. A causa de la configuración tetraédrica de los enlaces (NAD+, NADP+, etc.). También forma parte de los fosfolípi- del carbono, los diferentes tipos de moléculas orgáni- dos, sustancias fundamentales en la constitución de las cas tienen estructuras tridimensionales diferentes. Ello membranas celulares y de los fosfatos, sales minerales da lugar a la existencia de estereoisómeros que los abundantes en los seres vivos. seres vivos diferencian y seleccionan. (Fig 1.4 a). I. Las moléculas de la vida 9 BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 10 5. Es particularmente significativa la capacidad del car-  Bioelementos secundarios: Ca, Mg, Na, bono para formar enlaces estables carbono-carbono, K, Cl. llegando a formar largas cadenas carbonadas lineales, Los encontramos formando parte esencial de todos los ramificadas, anillos, etc., así como para unirse a otros seres vivos, si bien en conjunto no superan, generalmen- elementos químicos, aumentando la posibilidad de te, el 2,5 % del peso total del organismo. crear nuevos grupos funcionales (aldehído, cetona, alcohol, ácido, amina, etc.) que originan compuestos El calcio (aproximadamente 2% del total, más abun- orgánicos muy diversos (fig 1.4 b). dante que el fósforo y que el azufre) forma parte del car- bonato cálcico (CaCO3), que es el componente principal a Los cuatro orbitales elec- de las estructuras esqueléticas de muchos animales. En trónicos del carbono expli- forma iónica estabiliza muchas estructuras celulares, can su valencia cuatro. como el huso mitótico (fig. 1.5), e interviene en muchos procesos fisiológicos, como la contracción muscular y la coagulación de la sangre. El Ca2+ estabiliza el huso mitótico. b Fig. 1.5. La apertura y cierre de los estomas está regulada por el K+ Fig. 1.6. Fig. 1.4. a) Estructura tetraédrica del carbono; b) Representación El magnesio forma parte de la molécula de clorofila, y de la estructura tridimensional de una cadena carbonada. en forma iónica actúa como catalizador, junto con enzi- mas, en muchas reacciones químicas de los organismos. 6. Los compuestos formados por C, H, O y N en los orga- También es un estabilizador de los ribosomas, de la mem- nismos vivos se hallan en estado reducido. Como el brana plasmática y de los ácidos nucleicos. oxígeno es muy abundante en la superficie del plane- Sodio, potasio y cloro forman parte, como iones, de ta, los compuestos tienden a oxidarse para formar las sales minerales disueltas en el agua de los organismos. compuestos de baja energía, como el dióxido de car- Intervienen directamente en muchos procesos fisiológi- bono y el agua. La energía desprendida en esas oxida- cos, como la transmisión del impulso nervioso. El potasio ciones es aprovechada para las funciones vitales de los regula la apertura y el cierre de los estomas de las hojas organismos. (fig. 1.6). 10 Tema 1 Bioelementos y biomoléculas orgánicas BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 11  Oligoelementos El cobre forma parte (junto con el hierro) de una enzima, la citocromooxidasa que interviene en el trans- La palabra deriva del griego oligos que significa esca- porte de electrones en la respiración. so. Se denomina de esta forma al conjunto de elementos químicos que están presentes en los organismos en El iodo es necesario para la síntesis de la hormona pequeñas proporciones (en conjunto, no representan más tiroidea de los vertebrados. allá del 0,5 % del peso total del organismo). Tanto su défi- El flúor forma parte del esmalte dentario y de los cit como su exceso pueden producir graves trastornos en huesos. los seres vivos. El silicio proporciona resistencia al tejido conjuntivo, y forma parte del óxido de silicio que constituye el El que un determinado elemento químico aparez- esqueleto de muchas plantas, como las gramíneas y los ca, en proporciones traza, formando parte de un ser equisetos, y el caparazón de muchos microorganismos, vivo no basta para caracterizarlo como un oligoele- como las diatomeas (fig. 1.7). mento: podría muy bien tratarse de una contamina- ción ambiental procedente del medio (agua, aire, tie- rra, alimentos...). La categoría de oligoelemento se reserva para aquellos elementos que, aunque se encuentran en proporciones muy pequeñas, forman parte esencial de alguna actividad fisiológica del organismo considera- do, de forma que su presencia sea necesaria para el desarrollo normal de la vida del ser vivo en cuestión. Lo exiguo de su proporción hace que, con frecuen- cia, la investigación de qué elementos pertenecen o no a esta categoría sea difícil. Se han podido aislar varias decenas de oligoelementos en los seres vivos, pero solamente 5 de ellos (Mn, Fe, Co, Cu y Zn) existen en todos los seres vivos por lo que se denominan oligoelementos universales. Otros oligoele- mentos (B, F, Si, V, Cr, Ni, Cr, As, Se, Mo, Sn, I) sólo están presentes en determinados grupos de organismos. Entre las funciones que desempeñan algunos de estos elementos, podemos destacar las siguientes: Fig. 1.7. El SiO2 forma el caparazón de las diatomeas. El hierro es fundamental para la síntesis de clorofila; interviene en los procesos de transporte electrónico en la respiración y la fotosíntesis y forma parte de proteínas como la hemoglobina – pigmento rojo de los hematíes – Actividades que actúa como transportador de oxígeno. a) ¿Cuáles son los oligoelementos universales? ¿Por qué se El manganeso es un activador de muchas enzimas; denominan así? interviene en la fotólisis del agua durante el proceso de b) ¿Qué características comunes presentan los bioelemen- fotosíntesis en las plantas. tos primarios? ¿Y los bioelementos secundarios? ¿Y los oligoelementos? El cobalto forma parte de la vitamina B12 necesaria c) El As es un veneno violento para las personas. Sin embar- para la síntesis de la hemoglobina. También es necesario go viene en nuestra lista de oligoelementos. ¿Cómo se para los microorganismos fijadores del nitrógeno y para puede explicar esta aparente contradicción? muchos otros. d) ¿Qué elemento es más importante para el mantenimiento El zinc es un componente esencial de un centenar de de la vida de un mamífero, el C o el Co? ¿Por qué? enzimas diferentes, como las polimerasas del DNA y del e) Busca en la red la función biológica y algunos organismos RNA y otras que catalizan procesos de oxidación – reduc- en los que aparecen los siguientes oligoelementos: niquel, ción. arsénico, cromo y vanadio. I. Las moléculas de la vida 11 BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 12 2 LAS BIOMOLÉCULAS 3 EL AGUA Los bioelementos no están generalmente en forma La vida, depende de la presencia de agua: impregna libre dentro del organismo, sino que se agrupan en molé- todas las partes de la célula, constituye el medio en el que culas más o menos grandes, denominadas biomoléculas, se realiza el transporte de los nutrientes, las reacciones que constituyen los sillares arquitectónicos básicos para la del metabolismo y la transferencia de energía química. construcción de la compleja estructura de los seres vivos. El agua es el componente mayoritario de los seres Las biomoléculas se denominan también con el nom- vivos, si bien el porcentaje de agua no es el mismo en bre clásico de principios inmediatos, nombre en desuso, todos ellos, ni en las diferentes partes de un mismo ser que hace referencia al hecho de que se trata de sustancias (tabla II). que pueden obtenerse en el laboratorio, a partir de los organismos, de forma inmediata cuando se aplican técni- cas de análisis físico: trituración, disolución, filtración, decantación, cromatografía, electroforesis, etc. En la actualidad es más utilizado el término biomolécula. Entre las biomoléculas hay sustancias tan distintas entre sí como el agua y el DNA, por lo que conviene cons- truir una clasificación que facilite su estudio. La más utili- zada es la siguiente: Biomoléculas inorgánicas, presentes también en la materia inerte: agua; sales minerales; gases. Biomoléculas orgánicas, exclusivas de los seres vivos: glúcidos; lípidos; proteínas; ácidos nucleicos. La tabla I muestra la abundancia y la diversidad de bio- moléculas en una célula procariótica, la bacteria Escherichia coli. Actividades a) ¿Cuál es la sustancia que mayor número de moléculas diferentes presenta en la bacteria E. coli? ¿Por qué? b) El CaCO3 tiene un átomo de carbono en su molécula. ¿Es una biomolécula orgánica o inorgánica? c) ¿Por qué hay, en E. coli, más moléculas de RNA que pro- teínas? Tabla II. Porcentaje de agua en diferentes órganos y organismos. 12 Tema 1 Bioelementos y biomoléculas orgánicas BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 13 El contenido en agua de los seres vivos está en fun- una distribución de cargas asimétrica. Aunque la molé- ción de la actividad metabólica que desarrollan las célu- cula de agua es plana, los pares de electrones (enlaza- las. Así, las esporas y semillas, que están en estado de dos y no enlazados) de la molécula se disponen en el vida latente contienen un 10 % de agua; el tejido ner- espacio formando un tetraedro. vioso, que presenta una gran actividad, tiene un 86 %. En los seres vivos o en las partes de los mismos que Una molécula de agua puede formar cuatro contienen estructuras minerales u orgánicas densas la puentes de hidrógeno, proporción es más pequeña: el tejido óseo contiene que en el caso del hielo sólo un 22% de agua. son permanentes. El porcentaje de agua varía también a lo largo de la vida de los organismos: el ser humano tiene en la infan- cia un 78%, y en la ancianidad un 60%.  Estructura de la molécula del agua La molécula del agua está formada por dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno mediante sendos enlaces covalentes. El átomo de oxígeno tiene dos pares de electrones no enlazantes que se repelen entre ellos. Es además muy electronegativo por lo que atrae hacia sí los electrones compartidos con el hidróge- no. Todo ello genera en el hidrógeno una densidad de carga positiva (δ +) y en el oxígeno una densidad de carga negativa (δ -). Esta estructura de cargas se deno- mina dipolo permanente. Por ello decimos que el agua es una sustancia polar (fig 3.1). Fig. 3.2 Puentes de hidrógeno con otras moléculas de agua. Así, aunque la molécula de agua es neutra (tiene el mismo numero de protones y de electrones), presenta La naturaleza polar de las moléculas de agua hace que el oxígeno de una molécula (δ-), pueda interaccio- nar con el hidrógeno de otra (δ+), estableciendo lo que La molécula de agua es plana pero sus se denomina enlace o puente de hidrógeno. Este enlace orbitales electrónicos, enlazantes y no es débil en comparación con un enlace covalente o ióni- enlazantes, se disponen en el espacio formando un tetraedro. co, lo que implica que puede formarse y deshacerse con cierta facilidad (debilidad que a veces se puede com- a b – pensar por la formación de gran cantidad de enlaces). La estructura tetraédrica en la distribución electróni- ca hace que una molécula de agua pueda formar hasta cuatro puentes de hidrógeno (fig 3.2). Actividades a) Estudia la tabla II y justifica la diferencia porcen- c tual en las siguientes parejas: 1) Medusa – Hombre adulto; 2) Diente – Cerebro. 3) Feto humano- Hombre adulto. 4) Alga- Liquen. b) ¿Tiene sentido que los científicos espaciales investiguen la presencia de agua en otros mun- dos? ¿Por qué? b) ¿Cómo te explicas que siendo el agua una Fig. 3.1. a) Estructura de la molécula del agua; b y c) representa- molécula plana, el hielo tenga estructura tetraé- ciones habituales de la molécula de agua. drica? I. Las moléculas de la vida 13 BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 14  Propiedades físicoquímicas del agua: Regulación de la temperatura importancia para la vida El agua presenta un elevado calor específico: la absor- ción (o el desprendimiento) de 1 cal por 1 g de agua El agua es una sustancia tan próxima que es fácil aumenta (o disminuye) 1 ºC su temperatura. pasar por alto sus extraordinarias propiedades fisicoquí- micas. Ello se debe a que el calor que absorbe el agua se emplea para romper los puentes de hidrógeno entre las Densidad en estado sólido moléculas antes que para aumentar la velocidad de las mis- El hielo flota sobre el agua líquida. A medida que el mas (a mayor temperatura, mayor velocidad de las partícu- agua líquida se enfría, se contrae y su densidad aumen- las). Por lo mismo, cuando la temperatura del agua cae ta. Al llegar a 4 ºC alcanza su máxima densidad. A par- levemente se forman muchos enlaces de hidrógeno adicio- tir de aquí si seguimos enfriando su densidad se mantie- nales y se libera mucha energía en forma de calor. ne prácticamente constante pero cuando se llega a 0 ºC Por ello, mares, ríos y lagos, almacenan mucha energía y solidifica, la densidad disminuye bruscamente, “el calorífica en verano (variación estacional) y durante el día hielo se expande”: el agua en estado sólido es menos (variación diurna) sin que cambie mucho su temperatura y densa que el agua líquida. la liberan cuando la temperatura de aire es más baja. Los Esta propiedad se debe (fig 3.3 a y b) a que, en esta- organismos, compuestos en gran parte de agua, pueden do líquido, se forman y destruyen continuamente los resistir los cambios de la temperatura exterior sin apenas puentes de hidrógeno (a temperatura ambiente cada cambiar la temperatura propia. molécula forma un promedio de 3’4 puentes de hidró- El agua posee un elevado calor de vaporización. Pasar geno). Estos enlaces confieren al agua una estructura 1 g de agua de líquido a vapor requiere mucha energía, de red dinámica empaquetada, sin posiciones fijas en 580 calorías, puesto que para ello han de romperse todos las moléculas (el empaquetamiento es máximo a 4 ºC). los puentes de hidrógeno que mantienen a las moléculas En estado sólido cada molécula de agua forma cuatro en estado líquido (fig 3.3 c). Al contrario, la condensación puentes de hidrógeno con otras tantas moléculas de de 1 g de vapor a líquido, devuelve 580 calorías. agua, que mantienen posiciones fijas en una estructura La evaporación del agua de los mares y la condensación cristalina tridimensional más expandida y, por lo tanto, del vapor de agua contribuyen a regular el clima del plane- menos densa. ta. También los seres vivos terrestres refrigeran su super- La flotabilidad del hielo sobre el agua en mares, ficie mediante el mecanismo de evaporación. lagos y ríos, es crucial para la vida en esos medios. Si el Gracias a sus elevados calor específico y calor de vapori- hielo fuese más denso se hundiría y se acumularía en el zación el agua es un regulador térmico global y para los fondo haciendo imposible la vida acuática. seres vivos individualmente considerados. Agua en estado sólido (hielo) Agua en estado líquido Agua en estado gaseoso a b c Fig. 3.3. Representación molecular de los estados físicos del agua. 14 Tema 1 Bioelementos y biomoléculas orgánicas BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 15 Capacidad disolvente a b c Fig. 3.4. El agua disuelve: a) compuestos iónicos y b) compuestos polares; c) algunos grupos polares y no polares de los compuestos orgánicos Los solutos cambian algunas propiedades del agua: El agua es un disolvente muy versátil, mejor que la disminuyen el punto de congelación y aumentan el punto mayoría de otros disolventes usuales. de ebullición y la presión osmótica. Determinados líqui- Disuelve a la mayor parte de los compuestos iónicos, dos orgánicos como el líquido sinovial que actúa de lubri- lo que se debe a su naturaleza polar. Cuando colocamos cante en las articulaciones son disoluciones acuosas, cuya una sustancia iónica, p. e., un cristal de NaCl en agua, los viscosidad está modificada. iones Na+ y Cl- situados en la superficie del sólido son Determinadas sustancias, como la celulosa, tienen gru- expuestos al disolvente. Las regiones de oxigeno de las pos polares pero, por su gran tamaño molecular, aunque moléculas de agua cargadas negativamente interaccio- retienen agua no se disuelven en ella. Se denominan sus- nan con los cationes Na+. Las regiones de hidrógeno car- tancias hidrófilas en contraposición a las que poseen gru- gadas positivamente interaccionan con los aniones Cl-. pos no polares que se llaman hidrófobas (fig. 3.4 c). Los iones salinos son separados del cristal y rodeados cada uno de ellos por moléculas de agua formando una capa Actividades de hidratación. Esta situación se repite y puede llevar a la total disolución del cristal (fig 3.4 a). a) ¿Por qué no se hielan los líquidos corporales de los peces cuando nadan en agua a temperaturas próximas a El agua tambien disuelve a sustancias covalentes pola- – 0’5 ºC? ¿Se podrían beber esas aguas? res como glúcidos, alcoholes, aldehidos, cetonas, aminas y b El alcohol se disuelve muy bien en agua, pero la gasolina amidas. En estos casos es la capacidad del agua para for- no. ¿Cómo te explicas que siendo ambas sustancias com- mar puentes de hidrógeno con algunos grupos de esos puestos orgánicos y combustibles de alto poder calorífico compuestos (fig 3.4 b y c) lo que causa la disolución. tengan un comportamiento tan diferente? Algunas moléculas, como las proteínas, se disuelven c) Generalmente, antes de llover hace más frío que después. en agua debido a que poseen grupos polares y grupos ¿Tiene explicación este fenómeno? iónicos. d) ¿A qué se denomina capa de hidratación? I. Las moléculas de la vida 15 BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 16 Cohesión y tensión superficial Determinadas sustancias, al disolverse en agua, pue- Los puentes de hidrógeno mantienen unidas las den alterar la concentración de hidrogeniones, y enton- moléculas de agua. Continuamente se están formando y ces se utilizan los términos de acidez y alcalinidad. Una deshaciendo de manera que en cualquier instante la disolución acuosa es ácida cuando la concentración de mayor parte de las moléculas de agua se hallan unidas hidrogeniones es mayor de 10-7 moles/litro; es alcalina por dichos enlaces. Debido a ello el agua líquida tiene cuando la concentración de hidrogeniones es menor de una gran cohesión interna. No obstante como la dura- 10-7 moles/litro, y es neutra cuando la concentración de ción media de un enlace de hidrógeno es tan sólo del hidrogeniones es 10-7 moles/litro. orden de 10 -9 s, el agua no es viscosa sino muy fluida. Para simplificar los cálculos y las notaciones, Gracias a la cohesión y la adhesión a las paredes de Sörensen ideó expresar dichas concentraciones utilizan- los finos tubos leñosos, el agua puede ascender desde do logaritmos, y así definió el pH como el logaritmo las raíces de las plantas hasta la copa de los árboles, sin cambiado de signo de la concentración de hidrogenio- que la columna de agua se rompa. La cohesión explica nes. Según esto: también las propiedades del agua como elemento – disolución neutra: pH = 7 estructural en el relleno de células y órganos complejos. – disolución ácida: pH < 7 La tensión superficial mide la dificultad para exten- – disolución alcalina o básica: pH > 7 der o romper la superficie de un líquido. El agua tiene La escala de pH es logarítmica. Por ejemplo: una tensión superficial muy alta. Gracias a los puentes de hidrógeno las moléculas de agua superficiales se pH = 3 significa que [H+]= 0’001 mol/litro. mantienen unidas entre ellas y con otras que están pH = 4 significa que [H+]= 0’000 1 mol/litro. debajo. Ello hace que su superficie se comporte como si pH = 5 significa que [H+]= 0’000 01 mol/litro. estuviera recubierta por una película, por lo que muchos Por tanto una disolución a pH = 3 contiene 10 veces insectos y animales pequeños pueden mantenerse o más hidrogeniones que una a pH = 4, y ésta 10 veces más caminar sobre su superficie. que otra a pH = 5.  Disociación del agua En la (fig. 3.5) se señala el pH de algunas disoluciones presentes en los seres vivos y de otras de uso frecuente El agua se disocia en iones lo que hace que en reali- en la vida diaria. En general, hay que decir que los pro- dad el agua pura sea una mezcla de tres especies en cesos bioquímicos se desarrollan a valores de pH próxi- equilibrio químico: agua sin disociar (H2O), protones mos a la neutralidad. hidratados (H3O+), e iones hidroxilo (OH-): H 2O H+ + OH– (por comodidad escribiremos Actividades H+ en lugar de H3O+). Esta disociación es muy débil. El producto iónico Kw a) Al iluminar un cloroplasto, el pH de los tilacoides pasa de pH = 7 a pH = 5. ¿Cuánto ha variado la concentración de a 25 °C es: iones hidrógeno por litro? Kw = [H+][OH–] = 1,0·10–14 [H+]=[OH–]=10-7 b) Bebo un zumo de tomate pH = 4 y al cabo de poco tiempo Este producto iónico es constante, lo cual significa de mezclarse con el jugo estomacal el pH = 2? ¿Cuánto ha que un incremento en la concentración de uno de los variado la concentración de iones hidrógeno por litro? iones supondría una disminución en la concentración del c) Compara el caso a y el b. ¿Es igual la variación? otro, para mantener constante el producto mencionado. aumento de la acidez aumento de la basicidad 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 zumo de vinagre zumo de leche agua de mar limón tomate sangre detergentes amoníaco sosa cáustica fluidos humana casero lejía musculares saliva interior humana celular orina humana contenido del estómago humano Fig. 3.5. 1616 Tema 1 Bioelementos y biomoléculas orgánicas BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 17 4 LAS SALES MINERALES Los organismos presentan en su composición muchas sales minerales, unas sólidas y otras disueltas, que cons- tituyen un pequeño porcentaje del total. Las sales minerales sólidas tienen una función princi- palmente esquelética o de sostén, como el carbonato cálcico, CaCO3, que forma el caparazón de gasterópo- dos y bivalvos, de corales y muchos protozoos, impreg- na el caparazón de los crustáceos, etc.; el fosfato cálci- co, Ca3(PO4)2, constituye la materia mineral de los hue- sos de los vertebrados. Aunque no es una sal, la sílice (SiO2) desempeña una Fig. 4.1. Variación del pH en un tampón de ácido acético- función semejante: impregna y endurece los tallos de acetato. muchas plantas, como gramíneas y equisetos, y forma el caparazón de muchos microorganismos. A una solución de ácido acético 0,1 M, se le añaden Las sales minerales disueltas aportan diferentes progresivamente gotas de una solución de NaOH 0,1 M. iones que intervienen en numerosas reacciones del En la curva se representa el valor del pH de la solución metabolismo. Además contribuyen a regular el pH y el conforme aumenta la concentración de hidroxilos. Se equilibrio osmótico. Entre los iones más abundantes, señala en cada extremo de la curva el predominio del podemos destacar: ácido disociado o sin disociar, y al valor de pH = 4,76, hay la misma cantidad de ácido disociado como sin aniones: sulfato (SO42–), bicarbonato (HCO3– ), fosfa- disociar. En torno a este punto, los cambios de concen- tos (HPO42–, H2PO4–), nitrato (NO3–) y cloruro (Cl–). tración de hidroxilos apenas influyen en el cambio de cationes: Na+, K+, Ca2+ y Mg2+. pH de la disolución. A esta región se le denomina región tamponante (fig. 4.1).  Regulación del pH El mantenimiento de la vida requiere que el pH de los Si aumenta la concentración de hidrogeniones en el fluidos celulares y orgánicos se mantenga dentro de cier- medio por cualquier proceso químico, el equilibrio se des- tos límites, ya que de lo contrario, podría producirse un plaza a la derecha, y se elimina el exceso de dióxido de cambio de estructura de muchas biomoléculas y la altera- carbono producido. Si por el contrario disminuye la con- ción de muchas reacciones químicas. Para ello, en las solu- centración de hidrogeniones del medio, el equilibrio se ciones acuosas de los seres vivos están presentes los llama- desplaza a la izquierda, para lo cual se toma dióxido de dos sistemas tampón o amortiguadores de pH, formados carbono del medio. por disoluciones de ácidos débiles y de su correspondien- te base conjugada. El tampón fosfato se encuentra en los líquidos intrace- lulares, y mantiene el pH en torno a 6,86 debido al equi- La adición de pequeñas cantidades de H+ o de OH– a librio: uno de estos sistemas no produce cambios de pH en un cierto intervalo. Ello se debe a que el ácido neutraliza los HPO42– + H+ H2PO4– iones OH– y la base los H+. Entre los tampones más comunes en los seres vivos, podemos citar el tampón bicarbonato y el tampón fosfato. Actividades El tampón bicarbonato es común en los líquidos inter- celulares. Mantiene el pH en valores próximos a 7,4 gra- a) ¿Por qué es importante que los fluidos biológicos manten- cias al equilibrio entre el ión bicarbonato y el ácido carbó- gan su pH dentro de ciertos límites? nico, que a su vez se disocia en dióxido de carbono y b) Indica cómo reacciona el tampón fosfato: a) cuando se agua: añade un ácido; b) cuando se añade una base; c) cuando se añade una sustancia a pH = 7; cuando se añade agua HCO3– + H+ H2CO3 CO2 + H2O de mar; cuando se añade agua pura. I. Las moléculas de la vida 17 BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 18  Propiedades de las dispersiones La difusión puede ocurrir también a través de una membrana si ésta es lo suficientemente permeable como Los líquidos presentes en el interior de los seres vivos para que la puedan atravesar las partículas del soluto (fig son dispersiones de diversas sustancias en el seno del agua. 4.2). Así se realizan los intercambios de gases y de algu- Si las partículas dispersas son de tamaño inferior a nos nutrientes entre la célula y su entorno (fig. 4.3). 10-7 cm se habla de dispersiones moleculares o disolu- ciones verdaderas. Están formadas por sales minerales o por moléculas orgánicas pequeñas, como los azúcares y los aminoácidos. El O2 entra por El CO2 sale de Cuando las partículas dispersas están comprendidas difusión en la la célula por entre 10–5 cm y 10–7 cm se habla de dispersiones coloida- célula difusión les, formadas principalmente por sustancias orgánicas, como las proteínas, los ácidos nucleicos y los polisacáridos. Las dispersiones coloidales concentradas reciben el nombre de geles, y las diluidas se llaman soles. Existen también dispersiones coloidales hidrófobas, en las que las partículas dispersas no son afines al agua; pero estas dispersiones no son estables, sino que las partículas dispersas tienden a reunirse y formar una fase separada del agua. Las dispersiones hidrófobas pueden estabilizarse for- mando las llamadas emulsiones cuando actúan sustancias que impiden la unión entre partículas dispersas. Así están presentes las grasas en la leche, y son algunas proteínas las Fig. 4.3. Difusión de gases entre la célula y el medio. que estabilizan la emulsión. Las partículas dispersas pueden provocar tres fenóme- La diálisis es una difusión selectiva que separa uno o nos en relación con su movimiento en el seno del agua: la varios solutos de una disolución a través de una membra- difusión, la diálisis y la ósmosis. na cuya permeabilidad solamente permite el paso de las La difusión es el fenómeno por el cual las moléculas de partículas más pequeñas. (fig. 4.4). un soluto se mueven continuamente en todas direcciones tendiendo a distribuirse uniformemente en el seno del Quedan retenidas las sustancias agua hasta ocupar todo el espacio disponible. cuyo diámetro es mayor que el de los poros de la membrana Las moléculas se mueven desde las zonas de mayor a menor concentración hasta que ésta sea la misma en todo el espacio de difusión. El diámetro de los poros de la membrana debe ser igual o mayor que el tamaño de las partículas. Fig. 4.4. Diálisis. La diálisis de la sangre o hemodiálisis sustituye a la fil- tración renal en las personas en las que ésta no funciona utilizando membranas artificiales. Se elimina así de la san- gre urea y otros metabolitos y se mantienen las molécu- las más grandes como las proteínas plasmáticas Fig. 4.2. Difusión a través de una membrana. 18 Tema 1 Bioelementos y biomoléculas orgánicas BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 19 La ósmosis (fig. 4.5) es el fenómeno por el cual tien- a de a igualarse la concentración de dos disoluciones sepa- radas por una membrana semipermeable (es decir, que permite el paso de las moléculas de agua pero no las del soluto). Las moléculas de agua se mueven desde las zonas de mayor concentración de agua (agua pura o disoluciones diluidas) a las zonas donde la concentración de agua es menor (disoluciones concentradas, en las que las moléculas de el agua están ligadas a las partículas de soluto) El flujo de agua a través de la membrana es por consiguiente asimétrico: pasa de la disolución diluida a la concentrada. El diámetro del poro sólo permite el paso del agua. b c Fig. 4.6. Comportamiento de las células frente a la presión osmótica: a) célula vegetal; b) glóbulos rojos; c) célula eucariótica sin pared. Fig. 4.5. Ósmosis. a) Si el medio externo es hipertónico, el agua tenderá a La cantidad de agua que atraviesa una membrana salir de la célula. Las células animales pierden agua y semipermeable depende de la concentración de partícu- se contraen. En las células vegetales, la vacuola y el las disueltas a uno y otro lado, y no de su naturaleza. citoplasma se contraen y la membrana plasmática se La ósmosis genera una diferencia de contenido en separa de la rígida pared celular, fenómeno que reci- agua a un lado y otro de la membrana, lo cual provoca be el nombre de plasmólisis (fig. 4.7). En ambos casos, una presión sobre la misma que recibe el nombre de pre- una pérdida excesiva de agua puede producir la muer- sión osmótica. Dicha presión equivale a la debería apli- te celular. carse sobre la membrana para neutralizar el flujo osmó- tico. a b Cuando dos disoluciones se hallan separadas por una membrana semipermeable, se denomina hipertónica a aquella disolución que está más concentrada, pues es la que generará más presión sobre la membrana; se deno- mina hipotónica a la solución más diluida, pues generará menos presión sobre la membrana; si las dos disoluciones tienen la misma concentración, se denominan isotónicas. Fenómenos osmóticos Las membranas celulares funcionan como si fueran semipermeables; por tanto, el fenómeno de ósmosis puede provocar intercambios de agua entre el interior y el exterior de la célula. El resultado de dichos intercam- bios depende de la concentración de la disolución acuosa presente en el medio externo (fig. 4.6). Fig. 4.7. Plasmólisis: a) célula normal; b) célula plasmolizada. I. Las moléculas de la vida 19 BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 20 b) Si el medio externo es hipotónico, el agua tenderá a entrar en la célula, y ésta se hinchará, fenómeno que, en las células vegetales, recibe el nombre de turgescencia. Las células sin pared, expulsan iones para rebajar la pre- sión osmótica interna aunque en algunos casos pueden llegar a reventar (fig. 4.6 b y c). En las células vegetales, la vacuola se hincha y presiona al citoplasma contra la pared celular. Sin embargo, no llega a reventar debido a que la fuerte pared celular que la contiene es algo elás- tica y puede estirarse un poco pero no se rompe. Cuando la pared ya no puede estirarse más, impide que siga entrando agua y la célula deja de hincharse (fig. 4.6 a). Fig. 4.9. Dionaea muscípula. c) Si el medio externo es isotónico entra y sale la misma cantidad de agua (fig. 4.6 a y b). Las raíces absorben agua cuando las disoluciones del Muchos fenómenos biológicos se deben a la ósmosis: suelo son hipotónicas respecto del citoplasma de las células de la planta. En caso contrario, el agua sale de Los protozoos de agua dulce tienen vacuolas contrác- la planta y ésta acaba secándose. tiles para bombear continuamente al exterior el exceso de agua que absorben por ósmosis (fig. 4.8). Vía A Parte del agua fluye a través de las células por ósmosis. La mayoría de las sales minerales penetran a través de las a células por transporte b activo. Vía B La mayor parte del agua y algunos minerales pasan por difusión a tra- vés de las paredes celu- Fig. 4.8. Vacuolas contráctiles (a y b) en un paramecio. lares y de los espacios intercelulares Algunos movimientos en las plantas, como el cierre rapidísimo de la trampa de la planta carnívora Venus Fig. 4.10. Vías de penetración del agua y las sales minera- les en la raíz. atrapamoscas (Dionaea muscípula) (fig. 4.9), se pro- ducen al perder agua las células turgentes que la mantienen abierta. El contacto con el insecto hace Otros mecanismos de transporte de agua y nutrien- que esas células eliminen potasio al exterior lo que tes son la difusión facilitada y el transporte activo. produce la salida de agua por ósmosis y la caída de la Ambos procesos serán ampliamente estudiados en el turgescencia. Un fenómeno semejante cierra las tema 7 hojas de las mimosas cuando son rozadas. Actividades a) Los colirios son medicamentos que se aplican depositando gotitas sobre la superficie del ojo. El prospecto nos indica que se trata de una disolución isotónica (isosmótica). ¿Es importante ese dato o realmente lo único importante es el principio activo (la sus- tancia que cura) contenido en el colirio. b) ¿Es lo mismo una diálisis que una filtración? ¿En que se parecen? ¿En qué se diferencian? c) ¿Por qué no se puede regar con agua del mar? d) ¿Por qué no explotan las células de una planta cuando se riegan con agua dulce que es claramente hipotónica con respecto al citoplasma celular? 2020 Tema 1 Bioelementos y biomoléculas orgánicas BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 21 Bioelementos y biomoléculas inorgánicas Resumen I. Las moléculas de la vida 21 BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 22 1 Define los siguientes conceptos: diálisis, presión osmó- 9 Al alcanzar la menopausia se produce con frecuencia tica, oligoelemento, biomolécula, tampón, plasmolisis, en las mujeres una dolencia denominada osteoporo- turgescencia, amortiguador de pH. sis. Para diagnosticarla y tratarla se utiliza una técnica denominada densitometría ósea. 2 Indica cuales de los siguientes cationes y aniones for- a) ¿Qué bioelemento está implicado en el proceso de man parte de la materia viva: Na+, K+, Fr+, Fe2+, Zn2+, la osteoporosis? H+, Ag+, Hg2+ ,Sn4+, SO42-, NO3-, H2 PO4-, H2SbO4-, HCO3-, HNO2-, CO32-, MnO4+. b) ¿Qué mide la densitometría? 3 Establece parejas de número-letra entre los siguientes 10 Tenemos dos recipientes A y B separados entre si por bioelementos y sus funciones. una membrana semipermeable. En ellos colocaremos Actividades diferentes disoluciones. Indica el sentido del flujo del Bioelemento Función agua en cada caso. a. Forma parte de la molécula de la clorofila, es 1. C A B metálico. b. Forma parte de todas las proteinas y en forma Agua Agua 2. P iónica lo toman las plantas. Agua NaNO3 (0,1M) c. Se encuentra en la estructura del DNA y en un 3. Zn sistema tampón. Glucosa (0,1M) NaNO3 (0,05M) d. Es un cofactor de enzimas de oxidación reduc- 4. Mg Glucosa (90 g/L) NaNO3 (73 g/L) ción. e. Interviene en los procesos de transporte elec- 5. N trónico, en la respiración y en la fotosíntesis. Pm de la glucosa = 180. Pm del Na NO3 = 73 f. Se encuentra en todas las biomoléculas orgáni- 6. Fe 11 Explica por qué flota el hielo sobre el agua. ¿Qué conse- cas y en algunas inorgánicas. 7. Co g. Forma parte de la vitamina B12 cuencias tiene para el desarrollo de la vida en los eco- sistemas acuáticos? Describe el proceso. 4 ¿Por qué hay tanta diferencia en el % de composición 12 Señala si son verdaderas o falsas las siguientes afirma- elemental entre la corteza terrestre y los seres vivos? ciones, explicando por qué? a) El agua tiene en su molécula un dipolo permanente. 5 ¿Por qué decimos que la molécula de agua es eléctri- camente neutra? ¿Cómo se establece el dipolo perma- b) El agua disuelve a sustancias polares y no polares. nente en la molécula de agua? c) El agua disuelve a sustancias iónicas y polares, pero no a las no polares. 6 Generalmente afirmamos que la vida se desarrolla en torno a valores de pH neutros. ¿Es cierto esto siempre d) El agua es un disolvente apolar que disuelve a las y en todos los casos? Cita algunos ejemplos que con- sustancias apolares. firmen tu respuesta. 13 Una de las propiedades del agua que cambia cuando se 7 Desde la antigüedad se conservan los alimentos dis- disuelve en ella un soluto es la presión de vapor: poniéndolos en disoluciones muy concentradas de sal a) ¿Aumenta o disminuye? (salmueras, salazones) o de azúcar (compotas mer- b) ¿Cuál es la explicación? meladas). 14 Justifica basándote en la estructura electrónica espacial a) ¿Tiene esto algo que ver con lo que hemos estudia- del agua (T), en la existencia de un dipolo permanen- do en el tema? te en la molécula (DP), o en ambas (A), las siguientes b) ¿Cultivarías algún microorganismo (bacteria, proto- propiedades fisico químicas del agua: zoo, hongo) en un medio muy salado o muy azuca- a) Capacidad de disolver sustancias iónicas. rado ¿Por qué? b) Capacidad de disolver sustancias polares. c) Mayor densidad en estado sólido. 8 ¿Qué ocurre en la sangre cuando aumenta la concen- tración de CO2? ¿En qué circunstancias fisiológicas d) Alto calor específico. puede darse este proceso? ¿A qué se denomina acido- e) Elevado calor de vaporización. sis sanguínea? 22 Tema 1 Bioelementos y biomoléculas orgánicas BAXX5124_01 19/5/09 11:58 Página 23 Polvo de estrellas Se denomina nucleosíntesis al tanto que existe desde que existen exteriores son expulsadas por conjunto de procesos por el que se las estrellas, si bien a nosotros nos intenso viento estelar y mediante forman los diferentes átomos que afecta la que se produjo antes de la explosiones que generan una forman la materia. No hay ni hubo formación del sistema solar, en nebulosa planetaria. una nucleosíntesis especial para estrellas de primera y segunda En estrellas muy masivas, la los bioelementos, si bien los proce- generación (el Sol es de tercera). temperatura del núcleo va aumen- sos que dan lugar a los diferentes Las estrellas se forman por con- tando hasta alcanzar la de fusión- Ampliación átomos pueden ser diferentes. densación de vastas nebulosas en nuclear del C. Este proceso puede El Sistema Solar, en donde las que el hidrógeno es el compo- continuar de manera que la estre- nació y se desarrolló la vida que nente mayoritario. La contracción lla adquiere una estructura de conocemos, se formó a partir de gravitatoria hace aumentar la tem- capas concéntricas, en donde se una enorme nube cósmica muy peratura de la nebulosa. Cuando se sintetizan elementos cada vez más rica en hidrógeno en la que ya exis- alcanza valores del orden del 107 K pesados. tían los demás elementos químicos comienza la reacción nuclear naturales y entre ellos los bioele- por la que el hidrógeno se mentos. Por tanto la nucleosíntesis fusiona en helio. Todas las de nuestra materia se había produ- estrellas comienzan así. Lo cido con anterioridad. ¿Cuándo? que sucede después depende ¿Dónde? de la masa de la estrella que La investigación astrofísica a su vez condiciona su tempe- reconoce cuatro escenarios para la ratura y los procesos nuclea- nucleosíntesis: 1) el Big Bang; 2) res que se desarrollan (Tabla las estrellas; 3) Las explosiones I). estelares; 4) Los rayos cósmicos Estrellas semejantes a 1. Nucleosíntesis primordial: nues- nuestro Sol transforman len- tro universo surge a partir de una tamente su H en He (ciclo gran explosión (Big Bang) hace protón-protón) que se va acu- unos 13 500 millones de años y su mulando en su núcleo. (A partir Algunos átomos como el Co comienzo supone el comienzo de la 1,5 masas solares cada vez cobra pueden sintetizarse en esta fase materia, el tiempo y el espacio. En más importancia la fusión de H a por captura de neutrones lentos. los tres primeros minutos se for- He mediante un proceso denomi- 3. Las explosiones estelares. man el H y el He (y también nado ciclo CNO que produce N). La Cuando se llega al Fe el proceso pequeñas trazas de Li y Be) que compresión gravitatoria hace cesa, el núcleo de Fe no puede llenan el Universo y se expanden aumentar la temperatura hasta fusionarse para compensar la con- con el. alcanzar el punto de fusión nuclear tracción gravitatoria, se produce su 2. Nucleosíntesis estelar. Se produ- del He para originar C y O que se ruptura (fotodisociación), las capas ce en las estrellas a lo largo de su van acumulando en el núcleo. La estelares caen sobre el núcleo y la vida debida, principalmente, a la estrella pulsa y se expande conver- estrella explota convertida en fusión nuclear. Es un proceso por tida en una gigante roja. Las capas supernova tipo II. Se produce un intensísimo bombardeo de neutro- Combustible Productos de Tª del núcleo Masa mínima de la nes (rápidos) capaz de generar Proceso nuclear nuclear fusión (K) estrella (Sol=1) Fusión del muchos elementos pesados Cr, Fe, H He 2·107 0,1 hidrógeno Ni, I, Se, etc… que son repartidos Fusión del helio He C, O 2·108 1 por el espacio junto con los otros Fusión del componentes de la estrella sinteti- C O, Ne, Na, Mg 8·108 1,4 carbón zados en etapas anteriores. Fotodisociación del neon Ne O, Mg 1,5·109 5 4. Rayos cósmicos. Su interac- Fusión del ción con la materia interestelar da O S, P, Si, Mg 2·109 10 oxígeno lugar a numerosos elementos Fusión del silicio Si Ni, Co, Fe 3·109 20 entre ellos el boro, B. I. Las moléculas de la vida 23 BAXX5124_03 19/5/09 11:59 Página 24 3 LOS LÍPIDOS BAXX5124_03 19/5/09 11:59 Página 25 Los lípidos biológicos constituyen un grupo químicamen- te heterogéneo cuya característica común es la insolubilidad en agua. También sus propiedades y funciones son diversas. La investigación de su papel en la constitución de membranas biológicas nos aporta una visión dinámica, más allá del mero soporte estructural que tradicionalmente se les atribuía. Así por ejemplo, la función de las membranas celulares gliales en los procesos de refuerzo del aprendizaje constituye un campo fascinante en las fronteras de la Ciencia. Muchas hormonas y vitaminas se encuadran dentro de este grupo de compuestos, que también abarca aromas esenciales vegetales, de tanta importancia en la evolución. En los animales y en algunos órganos vegetales constitu- yen potentes depósitos de energía química. Los cetáceos son capaces de almacenar toneladas de lípidos que utilizan como depósito energético y tambien como elemento de control de su flotabilidad. Por desgracia esta abundancia los ha focalizado como objetos de deseo y ha desencadenado cacerías atroces que han generado catástrofes en la salud ecológica de los mares. 1 Los lípidos: propiedades generales 2 Ácidos grasos 3 Triacilglicéridos 4 Ceras 5 Lípidos de membrana 6 Lípidos sin ácidos grasos Resumen Actividades Documento La sustancia blanca BAXX5124_03 19/5/09 11:59 Página 26 LOS LÍPIDOS: PROPIEDADES 1 GENERALES 2 ÁCIDOS GRASOS Los lípidos son un grupo de moléculas orgánicas for- Los ácidos grasos son los componentes característicos madas por carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O), de muchos lípidos y rara vez se encuentran libres en las aunque los de mayor complejidad llevan también células. Químicamente son ácidos carboxílicos de cadena nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). larga, que suelen tener un número par de átomos de car- bono, generalmente entre 12 y 24, siendo los más abun- Desde el punto de vista químico son muy heterogé- dantes los que tienen 16 y 18 carbonos (tabla I). neos, si bien tienen en común las siguientes propieda- des físicas: Las cadenas de los ácidos grasos pueden ser: saturadas (sin dobles enlaces) o insaturadas (con uno o más dobles a) son insolubles en agua enlaces) (fig. 2.1). En los ácidos grasos saturados las cade- b) son solubles en disolventes orgánicos (no polares) nas hidrocarbonadas son rectas. En los insaturados los como benceno, éter, cloroformo, etc. dobles enlaces producen codos, con cambios de dirección c) son muy poco densos. (fig. 2.1). Todas las cadenas de los ácidos grasos forman Los lípidos se hallan en todos los organismos, aun- entre sí enlaces débiles de van der Waals entre los grupos que en proporciones muy variables de unos a otros e —CH2—. incluso entre los diversos tejidos del mismo organismo. Son los constituyentes básicos de determinadas semi- a b llas y frutos oleaginosos (soja, pipas, aceitunas, etc.), de ciertos tejidos animales (como el adiposo), etc. Los lípidos se pueden clasificar de muchas formas según el criterio que se utilice para ello (composición química, función biológica, posiblidad o no de formar sales –jabones– etc.) (fig. 1.1). De acuerdo con su composición química, los lípidos pueden clasificarse en: 1. Ácidos grasos. Son ácidos carboxílicos con cadenas de 4 a 36 átomos de carbono. Generalmente siem- pre tienen número par. Forman parte de muchos lípidos pero rara vez se encuentran libres. 2. Triacilglicéridos. Son ésteres del glicerol y de tres ácidos grasos. Son biomoléculas de reserva energé- tica. 3. Ceras. Son ésteres de un alcohol con un ácido graso, ambos de cadena larga. Actúan como cubierta pro- tectora en animales y plantas, y también como sus- tancias de reserva. 4. Fosfoglicéridos. Son ésteres de glicerina, dos ácidos grasos y un grupo fosfato al que se une habitual- mente otro compuesto polar. Son componentes de las membranas celulares. Fig. 2.1. a) Fórmula estructural del ácido esteárico (satura- do). b) Fórmula