Biología 2º Bach Tema 1: Bioelementos y biomoléculas inorgánicas PDF

IES LA PATACONA BIOLOGIA 2º BACH Tema 1 TEMA 1. BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS 1. LOS ELEMENTOS...

IES LA PATACONA BIOLOGIA 2º BACH Tema 1 TEMA 1. BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS 1. LOS ELEMENTOS DE LA VIDA 2. LAS BIOMOLÉCULAS 3. EL AGUA 4. LAS SALES MINERALES 1. LOS ELEMENTOS DE LA VIDA Todos los seres vivos están formados por elementos químicos. De los 92 elementos naturales, 27 son esenciales para los seres vivos y 16 son comunes a todos ellos. Definimos: Bioelementos: Son los elementos químicos que forman la materia viva (seres vivos). - Se encuentran también en la Tierra y otros astros pero en proporciones diferentes. - Los seres vivos han utilizado aquellos que: o Son más adecuados para poder formar sus estructuras y realizar sus funciones. o Son fácilmente disponibles (se pueden obtener fácilmente de las capas fluidas: atmosfera, hidrosfera). Biomoléculas o Principios inmediatos: son las moléculas formadas por enlaces químicos entre bioelementos. BIOELEMENTOS (elementos biogénicos). Según la proporción en que aparecen se pueden clasificar en: Bioelementos primarios: Elementos mayoritarios. Representan el 97 % de la masa. Son: C, H, O, N, S, P Bioelementos secundarios: Representan el 2,5-3 %. Son: Ca, K, Mg, Na, Cl Oligoelementos: Se encuentran en proporciones muy bajas, inferiores a 0,1 %, pero son indispensables. Su déficit o su exceso puede provocar graves trastornos. Oligoelementos universales (existen en todos los seres vivos): Mn, Fe, Co, Cu y Zn. Bioelementos primarios:  C, H, O: forman parte de todas las biomoléculas esenciales. N  Componente fundamental de proteínas, ác. nucleicos, clorofila, hemoglobina y muchos glúcidos y lípidos. S  Se halla en dos aminoácidos (cisteína y metionina) presentes en casi todas las proteínas, en vitaminas y en la Coenzima A. P  Se halla en los nucleótidos, en muchas coenzimas, en los fosfolípidos (constituyentes de todas las membranas celulares), y en los fosfatos de las sales minerales abundantes en los seres vivos. Bioelementos secundarios: Ca  Carbonato cálcico (CaCO3): esqueletos animales.  Ion Ca2+: estabiliza el huso mitótico, interviene en contracción muscular y coagulación de 1 Profesora: Mª Teresa Gil IES LA PATACONA BIOLOGIA 2º BACH Tema 1 la sangre. Mg  Forma parte de la molécula de clorofila :  En forma iónica actúa como catalizador  Estabilizador de los ribosomas, la membrana plasmática y los ác. nucleicos Na,  Como iones forman parte de las sales minerales disueltas en el organismo K y  Intervienen en muchos procesos fisiológicos: transmisión del impulso nervioso. Cl  K: regula la apertura y cierre de estomas. Oligoelementos: Fe Síntesis de clorofila Procesos de transporte electrónico en respiración y fotosíntesis. Forma parte de la hemoglobina. Mn Activador de muchos enzimas Interviene en la fotolisis del agua durante la fotosíntesis. Co Forma parte de la vitamina B12 necesaria para síntesis de hemoglobina. Necesario para los microorganismos fijadores del N. Zn Componente esencial de muchas enzimas Cu Junto con el Fe forma parte de la enzima citocromooxidasa (interviene en el transporte de electrones en la respiración). I Síntesis de la hormona tiroidea de vertebrados F Forma parte del esmalte dentario y de los huesos. Si Proporciona resistencia al tejido conjuntivo Forma parte del SiO2: esqueleto de plantas (gramíneas y equisetos) y caparazón de muchos microorganismos (diatomeas). La vida está basada en el átomo de carbono. Estos bioelementos presentan unas propiedades fisicoquímicas que los hacen muy adecuados para la vida y en especial el Carbono:  Tiene 4 electrones en su última capa dirigidos hacia los 4 vértices de un tetraedro.  Puede formar entre sí enlaces covalentes (comparten electrones) muy estables.  Eso le permite formar gran variedad de estructuras tridimensionales:  Los enlaces pueden ser sencillos, dobles o triples.  Puede formar largas cadenas lineales, ramificadas, anillos etc.  También puede unirse con otros elementos químicos: crea grupos funcionales que originan compuestos orgánicos muy diversos.  Permite la existencia de esteroisómeros: compuestos que tienen la misma fórmula empírica pero diferente colocación de sus átomos en el espacio, lo que les confiere propiedades diferentes.  Los compuestos formados por C, H, O, N (se hallan en estado reducido) tienden a oxidarse (perder e-) para formar compuestos de baja energía (CO 2, H2O) liberando energía que es aprovechada para realizar las funciones vitales del organismo.  Generalmente los compuestos formados con estos elementos presenta una clara polaridad facilitando su disolución en el agua. 2 Profesora: Mª Teresa Gil IES LA PATACONA BIOLOGIA 2º BACH Tema 1 2. LAS BIOMOLÉCULAS Moléculas formadas por enlaces químicos entre bioelementos. Son las moléculas que forman los seres vivos. Se denominaban también principios inmediatos: substancias que pueden obtenerse en laboratorio, a partir de los organismos, de forma inmediata al aplicar técnicas de análisis físico: trituración, disolución, filtración, decantación, cromatografía, electroforesis, etc. (que no cambian la composición molecular). ➔ Biomoléculas inorgánicas: Moléculas simples que también están en la materia orgánica. Son: agua y sales minerales. ➔ Biomoléculas orgánicas: Moléculas complejas exclusivas de los seres vivos. Son: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. 3. EL AGUA - Es la molécula más abundante de los seres vivos. - Constituye el 65 % del peso de los organismos. - El % puede variar según: o Especies: organismos acuáticos tiene más agua o Actividad metabólica: esporas y semillas tienen un 10%, tejido nervioso (gran actividad) un 86% o Tipo de tejido: cuanto más compleja es su función mayor es su contenido en agua (estructuras minerales o densas menor % = tejido óseo 22%) o Edad del individuo: con el tiempo las estructuras se deshidratan (infancia 78% - ancianos 60%) ➔ Estructura de la molécula del agua Está formada por dos átomos de H unidos a un átomo de O por enlaces covalentes. El átomo de O tiene dos pares de e- no enlazantes que se repelen entre ellos. Además es muy electronegativo por lo que atrae hacia si los e- compartidos con el H. 3 Profesora: Mª Teresa Gil IES LA PATACONA BIOLOGIA 2º BACH Tema 1 Todo ello genera: - En el H una densidad de carga positiva (δ +) y en el O una densidad de carga negativa (δ -). Aunque el agua es neutra presenta una distribución de cargas asimétrica que se denomina dipolo permanente. Por ello decimos que el agua es una sustancia polar. - La naturaleza polar del agua hace que el O de una molécula (δ -) pueda interaccionar con el H de otra (δ+), estableciendo lo que se denomina enlace o puente de H. - Este enlace es débil en comparación con un enlace covalente o iónico. Puede formarse y deshacerse con facilidad aunque esta debilidad puede compensarse con la formación de gran cantidad de enlaces. - Los pares de e- (enlazados y no enlazados) se disponen en el espacio formando un tetraedro (ángulo de 104,5º entre los H). Esta distribución hace que una molécula de agua pueda formar hasta 4 puentes de H. ➔ Propiedades del agua: derivan de su estructura molecular y la hacen indispensable para la vida. Menor densidad en estado sólido: Alcanza su máxima densidad (1g/cm3) a los 4ºC, por lo que en estado sólido (0º C) es menos densa que en estado líquido → El hielo flota sobre el agua líquida. En estado líquido: se forman y destruyen continuamente los puentes de H. Presenta una estructura en red dinámica → sus moléculas no ocupan posiciones fijas En estado sólido: cada molécula forma 4 puentes de H con otras tantas. Presenta una estructura cristalina tridimensional → sus moléculas ocupan posiciones fijas. Es una estructura más expandida (más volumen) y por tanto menos densa. La flotabilidad del hielo en agua líquida es crucial para la vida en ellos. Si el hielo fuera más denso se hundiría y se acumularía en el fondo haciendo imposible la vida acuática en lugares de climas fríos. Gran capacidad disolvente: El agua es un buen disolvente y por tanto, el medio de transporte de muchas sustancias. La capacidad disolvente facilita las reacciones vitales, ya que todas la reacciones metabólicas tienen lugar en un medio acuoso. Gracias a su naturaleza polar, disuelve: o Muchos compuestos iónicos: El O cargado (-) interacciona con los cationes (+) y el H cargado (+) interacciona con los aniones (-). 4 Profesora: Mª Teresa Gil IES LA PATACONA BIOLOGIA 2º BACH Tema 1  En una sal, los iones son separados del cristal y rodeados cada uno de ellos por moléculas de agua formando una capa de hidratación. Esta situación puede llevar a la disolución total del cristal. o Sustancias covalentes polares (glúcidos, aldehídos, cetonas, aminas y amidas). Es debido a que el agua puede formar puentes de H con algunos grupos de esos compuestos.  Determinadas sustancias, como la celulosa, tienen grupos polares, pero por su gran tamaño, aunque retienen agua, no se disuelven en ella. Se denominan sustancias hidrófilas aquellas que presentan grupos polares y sustancias hidrófobas a las que poseen grupos no polares. Regulación de la temperatura: Presenta un elevado calor específico (cantidad de calorías que hay que suministrar a 1g de agua para elevar su Tª 1ºC). El agua tarda mucho en calentarse y mucho en enfriarse. El calor que absorbe el agua se emplea en romper los puentes de H antes que para aumentar su Tª. Por lo mismo, cuando la Tª del agua disminuye se forman muchos puentes de H y se libera energía en forma de calor. Por ello: o Mares, ríos y lagos, almacenan mucha energía calorífica en verano y durante el día sin que cambie mucho su Tª y la liberan cuando la Tª del aire es más baja (invierno, noche). o Seres vivos (compuestos en gran parte por agua) pueden resistir los cambios de Tª exterior sin apenas cambiar la Tª propia. (amortigua cambios bruscos de Tª) También presenta un elevado calor de vaporización: pasar 1g de agua de líquido a vapor requiere mucha energía ya que han de romperse todos los puentes de H. o La evaporación del agua en mares y la condensación del vapor de agua contribuyen a regular el clima del planeta. o También los seres vivos refrigeran su superficie mediante la evaporación. En resumen, gracias a su elevado calor específico y su elevado calor de vaporización el agua es un regulador térmico global (clima del planeta) y para los seres vivos. ➔ Cohesión interna El agua líquida presenta una gran cohesión interna gracias a los puentes de H. Además las moléculas de agua presentan una gran adhesión a las paredes de tubos muy finos (capilaridad) Esto explica: o el agua puede ascender desde las raíces de las plantas hasta la copa de los árboles, sin que la columna de agua se rompa. o el agua sirve como elemento estructural de relleno en células y órganos complejos.  Tensión superficial - Mide la dificultad para extender o romper la superficie de un líquido. - El agua tiene una tensión superficial muy alta. - Gracias a los puentes de H las moléculas de agua superficiales se mantienen unidas entre ellas y con otras que están debajo. Su superficie se comporta como si estuviera recubierta por una película, por lo que muchos insectos y animales pequeños pueden mantenerse o caminar sobre ella. 5 Profesora: Mª Teresa Gil IES LA PATACONA BIOLOGIA 2º BACH Tema 1 Propiedades del agua Importancia para la vida - Menor densidad en estado sólido - Permite la vida acuática en lugares fríos - Gran poder disolvente - Medio de transporte de sustancias - Gran reactividad química (hidrólisis) - Lugar donde ocurren las reacciones metabólicas - Elevado calor específico - Regula la temperatura corporal y del planeta - Elevado calor de vaporización - Refrigerante - Elevada cohesión interna y adhesión - Capilaridad / estructura de relleno en células y - Elevada tensión superficial órganos - Pequeños animales pueden mantenerse sobre ella. Disociación del agua El agua se disocia en iones. En realidad el agua pura es una mezcla de 3 especies en equilibrio químico: agua sin disociar (H2O), protones hidratados (hidrogeniones o ion hidronio) (H 3O+) e iones hidroxilo (OH-). 2 H2O  H3O+ + OH- H2O  H+ + OH- Esta disociación es muy débil. El producto iónico a 25ºC es: Kw = [H+] [OH-] = 1,0 · 10-14 = [H+] = [OH-] = 10-7 moles/litro Este producto iónico es constante. Un incremento en la concentración de uno de los iones implicaría una disminución en la concentración del otro, para mantener así constante el producto. Determinadas sustancias, al disolverse en el agua, pueden alterar la concentración de hidrogeniones, y entonces se utilizan los términos acidez y alcalinidad. - Una disolución acuosa es ácida cuando [H3O+] es mayor de 10-7 moles/litro. - Una disolución acuosa es alcalina cuando [H3O+] es menor de 10-7 moles/litro. - Una disolución acuosa es neutra cuando [H3O+] es 10-7 moles/litro. Para simplificar los cálculos Sörensen ideó expresar dichas concentraciones utilizando logaritmos. Así definió el pH = - log [H3O+] = - log [H+]. Según esto: - Disolución neutra: pH = 7 - Disolución ácida: pH < 7 - Disolución alcalina o básica: pH > 7 En general, los procesos bioquímicos se desarrollan a valores de pH próximos a la neutralidad. 4. LAS SALES MINERALES - En forma sólida: Función principal esquelética o de sostén o Carbonato de calcio CaCO3: caparazones de gasterópodos y bivalvos, corales y muchos protozoos; impregna caparazones de crustáceos. o Fosfato cálcico Ca3 (PO4)2: huesos de vertebrados. o Sílice (SiO2): no es una sal pero desempeña una función semejante: impregna y endurece tallos de muchas plantas y forma el caparazón de muchos microorganismos. - En disolución: originan cationes (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) y aniones (Cl-, CO32-, PO42) Desempeñan funciones reguladoras: 6 Profesora: Mª Teresa Gil IES LA PATACONA BIOLOGIA 2º BACH Tema 1  Intervienen en todos los procesos fisiológicos: o Na+ y K+: transmisión del impulso nervioso o Ca2+: contracción muscular y coagulación de la sangre o Mg2+: biosíntesis de proteínas  Regulan el pH: los procesos vitales ocurren con normalidad en un pH casi neutro  Regulan procesos osmóticos: controlan la entrada y salida de agua a través de membranas celulares para mantener el equilibrio hídrico. Regulación del pH El pH del medio interno debe mantenerse dentro de ciertos límites, ya que de lo contrario, podría producirse cambios en las estructuras de muchas biomoléculas y alteración de muchas reacciones químicas. Para ello en las disoluciones acuosas de los seres vivos están presentes los sistemas tampón o amortiguadores de pH, formados por disoluciones de ácidos débiles y su correspondiente base conjugada. La adición de pequeñas cantidades de H+ o de OH- a uno de estos sistemas no produce cambios de pH en un intervalo (región tamponante). Es decir, regulan el pH del medio. Ello se debe a que el ácido neutraliza los iones OH - y la base los H+. (Ácido: dador de protones, Base: aceptor de protones) La alteración del pH del medio se contrarresta con el desplazamiento del equilibrio entre estas dos especies. Tampones más comunes en los seres vivos: Tampón bicarbonato: Es un excelente amortiguador de ácidos en medio extracelular. Mantienen el pH en sangre que oscila entre 7,40 (sangre arterial) y 7,35 (sangre venosa). Lo hace gracias al equilibrio siguiente: HCO3- + H+  H2CO3  CO2 + H2O En el plasma sanguíneo el CO 2 procedente del metabolismo celular se combina con el agua de manera reversible y origina H2CO3, ácido débil que también puede disociarse en iones. Si aumenta la concentración de H+ en el medio el equilibrio se desplaza hacia la derecha, y se elimina al exterior el exceso de CO2 producido. Si por el contrario disminuye la concentración de H+ del medio, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, para lo cual se toma CO2 del medio. Tampón fosfato: Mantiene el pH en torno a 6,86 gracias al equilibrio siguiente: HPO42- + H+  H2PO4- (HPO42- + H3O+  H2PO4- + H2O) Su capacidad amortiguadora es baja comparada con la del tampón bicarbonato. Pero es un buen amortiguador del pH en medio intracelular teniendo en cuenta las elevadas cantidades de fosfato que hay en el interior de las células. Propiedades de las dispersiones Los líquidos presentes en los seres vivos son dispersiones de sustancias en agua. Se habla de: 7 Profesora: Mª Teresa Gil IES LA PATACONA BIOLOGIA 2º BACH Tema 1 - Disoluciones verdaderas (o dispersiones moleculares): o Tamaño de las partículas dispersas: inferior a 10-7 cm. o Están formadas por: sales minerales o moléculas orgánicas pequeñas (azúcares o aminoácidos). - Dispersiones coloidales (o coloides): o Tamaño de las partículas dispersas: entre 10-5 y 10-7. o Están formadas por proteínas, ácidos nucleicos y polisacáridos. o Dispersiones coloidales concentradas se llaman geles y diluidas se llaman soles. - Dispersiones coloidales hidrófobas: o Las partículas dispersas no son afines al agua. No son estables por lo que tienden a reunirse y formar una fase separada del agua. o Pueden estabilizarse formando emulsiones si actúan sustancias que impiden la unión entre las partículas dispersas. Así están presentes las grasas en la leche (algunas proteínas estabilizan la emulsión). Las partículas dispersas (solutos) pueden provocar 3 fenómenos:  Difusión: fenómeno por el cual las moléculas de soluto se mueven continuamente en todas direcciones tendiendo a distribuirse uniformemente en el agua hasta ocupar todo el espacio disponible. Las moléculas se mueven desde la zona de mayor concentración a menor concentración hasta alcanzar el equilibrio. Difusión a través de una membrana: el diámetro de los poros de la membrana debe ser igual o mayor que el tamaño de las partículas. Así se realizan los intercambios de gases y algunos nutrientes entre la célula y su entorno.  Diálisis: es una difusión selectiva que separa una o varios solutos a través de una membrana cuya permeabilidad solo permite el paso de las partículas más pequeñas. La diálisis en sangre o hemodiálisis sustituye a la filtración renal en las personas en las que ésta no funciona. Se elimina urea y otros metabolitos y se mantienen moléculas más grandes como las proteínas plasmáticas.  Ósmosis: fenómeno por el cual tiende a igualarse la concentración de dos disoluciones separadas por una membrana semipermeable, permitiendo el paso de las moléculas de agua pero no las de soluto. Las moléculas de agua se mueven desde la zona de mayor concentración de agua (disoluciones diluidas) a las zonas donde la concentración de agua es menor (disoluciones concentradas). La ósmosis genera una diferencia de contenido de agua a un lado y otro de la membrana, lo cual provoca una presión sobre la misma llamada presión osmótica. Cuando dos disoluciones se hallan separadas por una membrana semipermeable se denomina: o Hipertónica: a la disolución más concentrada (es la que genera más presión) o Hipotónica: a la disolución más diluida o Isotónicas: si las dos disoluciones tienen la misma concentración. Las membranas celulares se comportan como semipermeables:  Si el medio externo es hipertónico: el agua tenderá a salir de la célula. o En células animales: pierden agua y se contraen (disminuye el volumen celular). Plasmólisis 8 Profesora: Mª Teresa Gil IES LA PATACONA BIOLOGIA 2º BACH Tema 1 o En células vegetales: la vacuola y el citoplasma se contraen y la membrana plasmática se separa de la rígida pared celular. o En ambos casos una pérdida excesiva de agua puede provocar la muerte celular.  Si el medio externo es hipotónico: el agua tenderá a entrar en la célula. o En células animales: se hinchará (aumenta el volumen celular) y en algunos casos puede llegar a reventar (hemolisis) o En células vegetales: la vacuola se hincha y presiona al citoplasma contra la pared celular, fenómeno denominado turgescencia (o turgencia). No puede reventar debido a la fuerte pared celular. Si no puede estirarse más deja de hincharse.  Si el medio externo es isotónico: entra y sale la misma cantidad de agua o no se produce intercambio de agua. Fenómenos biológicos debidos a la ósmosis: - Los protozoos de agua dulce tienen vacuolas contráctiles para bombear continuamente al exterior el exceso de agua que absorben por ósmosis. - Movimientos de las plantas: el cierre de algunas plantas carnívoras se produce al perder agua las células turgentes que la mantienen abierta. El contacto con un insecto hace que estas células eliminen K al exterior, lo que produce la salida de agua por ósmosis. Un fenómeno semejante cierra las hojas de las mimosas cuando son rozadas. - Las raíces absorben agua cuando las disoluciones del suelo son hipotónicas respecto a las del citoplasma (hipertónico) de las células. En caso contrario, el agua sale y la planta se seca. 9 Profesora: Mª Teresa Gil