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Bioelementos y biomoléculas inorgánicas TEMA 1 BIOELEMENTOS ¿Qué son? Elementos que forman parte de los seres vivos y que se les llama bioelementos o elementos biogénicos. A las moléculas resultantes de la unión de dos o más átomos del mismo bioelemento o de distintos bioelementos, se les llama bio...

Bioelementos y biomoléculas inorgánicas TEMA 1 BIOELEMENTOS ¿Qué son? Elementos que forman parte de los seres vivos y que se les llama bioelementos o elementos biogénicos. A las moléculas resultantes de la unión de dos o más átomos del mismo bioelemento o de distintos bioelementos, se les llama biomoléculas o principios inmediatos. 95% de la materia viva. Son: carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P), y azufre (S); son los componentes de las biomoléculas orgánicas: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Capas electrónicas externas incompletas → de este modo se pueden unir a otros átomos Bioelementos por medio de enlaces covalentes dar lugar a las biomoléculas, primarios Número atómico bajo → electrones compartidos cercanos al núcleo → mayor estabilidad Se incorporan fácilmente desde el medio externo.  CARBONO 4 electrones en la última capa → forma cuatro enlaces covalentes → regla del octeto. Gracias a esto forma enlaces como los siguientes: Sus cuatro enlaces se dirigen a los vértices de un tetraedro → posibilita la formación de muchos tipos moleculares. Los enlaces simples permiten giros y los dobles o triples no lo permiten → moléculas con diferente grado de movilidad. La unión del carbono con otros átomos como el oxígeno, el nitrógeno, etc. permite la aparición de una variedad de “grupos funcionales” dando lugar a compuestos diferentes como alcoholes, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, aminas... HIDRÓGENO Forma un enlace con cualquiera de los otros bioelementos primarios. Entre el H y el C se forma un enlace covalente lo suficientemente fuerte como para ser estable y generar largas cadenas. También forma parte del agua. Las moléculas que están formadas sólo por C e H son apolares (insolubles en agua).  OXÍGENO Es el bioelemento primario más electronegativo. Cuando se enlaza con el H atrae hacia él el único electrón del hidrógeno originándose polos de diferente carga en la molécula. Debido a esto, los grupos funcionales –OH (hidroxilo), -CHO (carbonilo), y COOH (carboxilo) son grupos polares y solubles en agua. NITRÓGENO Presenta una gran facilidad para formar compuestos tanto con el H (NH3) como con el O (NO3). Forma los grupos amino (-NH2) de los aminoácidos (moléculas que constituyen las proteínas) y las bases nitrogenadas, componentes de los ácidos nucleicos. AZÚFRE Básicamente se encuentra en forma de un radical sulfhidrilo (-SH) en determinados aminoácidos. Forman puentes disulfuro que mantiene la estructura de las proteínas. Responsable de la actividad catalítica de algunas enzimas. FÓSFORO Forma parte de los grupos fosfatos (al ionizarse el ácido fosfórico). Los enlaces entre los grupos fosfato almacenen gran cantidad de energía, en una molécula llamada ATP. Forma parte de los ácidos nucleicos (ADN y ARN), de los fosfolípidos de las membranas celulares y ayuda a mantener a la constante de acidez del medio interno del organismo. Bioelementos Ca 2+ 4.5% Na+, K+, Cl- Mg 2+ secundarios El sodio, el potasio y el cloro, se encuentran como iones disueltos en el agua de los organismos. Intervienen procesos como la transmisión del impulso nervioso. El calcio, componente de las estructuras esqueléticas (caparazones, huesos, conchas, etc) en forma de carbonatos CO3 -2. Como ión Ca +2 participa en procesos como la contracción muscular o el impulso nervioso. El magnesio (Mg +2) es un componente de muchas enzimas y del pigmento de la clorofila. También participa en la replicación del ADN y síntesis de ARN. Oligoelementos 0.5 % Fe, F, Co, Si, Cr El hierro es necesario para sintetizar la hemoglobina de la sangre, proteína que transporta el oxígeno. El flúor forma parte del esmalte de los dientes, y presente también los huesos, etc. El cobalto es un componente de la vitamina B12, necesaria para la síntesis de la hemoglobina. El silicio proporciona resistencia y elasticidad al tejido conjuntivo, cabello, piel, uñas, etc. El cromo interviene junto con la insulina en el mantenimiento del nivel normal de la glucosa. ENLACES INTRAMOLECULARES E INTERMOLECULARES  Enlaces iónicos Entre elementos de electronegatividad muy diferente (metal / no metal) → Cesión de electrones. → Unión entre iones de cargas opuestas gracias a la atracción electrostática. Intramoleculares Se forman redes cristalinas Uniones fuertes: sustancias iónicas no solubles. Uniones débiles: sustancias iónicas solubles en medio acuoso. apolar Enlaces covalentes Se comparten electrones. Uniones muy fuertes entre no metales. Apolares: Puros: entre mismos elementos → no hay diferencia de electronegatividad. → sustancias apolares → H2 ; O2 ; N2 Simple: entre elementos diferentes → diferencia de polar electronegatividad no muy elevada (p.e. C y H) → sustancias apolares → metano, butano,… Covalente Polar: entre elementos diferentes → gran diferencia de electronegatividad (p.e. H y O) → agua, amoniaco,…  Intermoleculares Puentes de H Interacción entre la región negativa de una molécula y la positiva (H) de otra debido a su proximidad. → Los enlaces de hidrógeno son débiles y tienen un tiempo de vida muy corto. Se rompen y se vuelven a formar con gran facilidad. Hidrógeno está unido a elementos como F, O y N, es decir, a elementos muy electronegativos Responsables de la estructura de las proteínas y de la unión de las dos cadenas de la doble hélice del ADN. Fuerzas de Van der Waals Entre moléculas polares y apolares. Son fuerzas muy débiles. Al aproximarse una molécula polar a otra apolar, induce dipolos instantáneos y atracciones breves. Interacción Hidrofóbica Se producen al aproximarse grupos o moléculas apolares, excluyendo de esta forma al agua (fosfolípidos de membranas) Este fenómeno produce micelas y bicapas lipídicas, por ejemplo. BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS: EL AGUA EL AGUA: CARACTERÍSTICAS Es una molécula polar. La electronegatividad del oxígeno es mayor que la del hidrógeno. Se comporta como un dipolo eléctrico. Por su carácter polar, las moléculas de agua próximas tienden a asociarse→ la zona cargada negativamente de una de ellas es atraída por la zona con carga positiva de otra → se establecen puentes de hidrógeno → sustancia muy cohesiva.  EL AGUA: PROPIEDADES ❖ DISOLVENTE CASI UNIVERSAL Actúa disociando compuestos iónicos. También como disolvente al establecer enlaces de hidrógeno con otras moléculas que contienen grupos funcionales polares como los alcoholes, aldehídos o cetonas. Según su relación con el agua al ser disueltas, las sustancias se clasifican en: Sustancias polares o hidrófilas: Son moléculas como sales minerales y las moléculas orgánicas con grupos funcionales polares (hidroxilo, carbonilo, carboxilo) que se disuelven en el agua. Sustancias apolares o hidrófobas: Moléculas o grupos funcionales de moléculas que no se disuelven en agua. Para evitar los dipolos del agua se asocian unos con otros y quedan unidos por fuerzas llamadas interacciones hidrofóbicas. Sustancias anfipáticas: Poseen grupos hidrofóbicos e hidrofílicos como (proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicos y algunos lípidos). Se pliegan, de manera que los grupos polares se sitúan hacia el exterior en contacto con las moléculas de agua, mientras que los grupos hidrofóbicos se sitúan hacia el interior.  EL AGUA: PROPIEDADES Líquido casi incompresible, Los puentes de hidrógeno ELEVADA FUERZA DE COHESIÓN manteniendo su volumen mantienen unidas a las ENTRE LAS MOLÉCULAS constante, aunque se apliquen moléculas de agua. fuertes presiones. Capacidad de adherirse a otras moléculas, Responsable del como las de las paredes del fenómeno de la capilaridad → ELEVADA FUERZA DE ADHESIÓN conductos o recipiente que lo importante para el xilema contiene. Los puentes de H vegetal. facilitan está adherencia. Responsable de la mayoría de las Su superficie opone gran deformaciones de las resistencia a romperse debido ELEVADA TENSIÓN SUPERFICIAL a la elevada cohesión de sus células y permite que muchos organismos moléculas. vivan asociados a esa película superficial.  Al enfriarse se contrae su volumen, como otras Impide la congelación de toda MENOR DENSIDAD DEL sustancias, pero al alcanzar los 4º C cesa la la columna de agua, resultando HIELO RESPECTO AL AGUA contracción y los enlaces de hidrógeno forman vital para la existencia de vida LÍQUIDA un retículo que ocupa un mayor volumen que marina. en estado líquido. Para elevar su temperatura, es decir, aumentar el El agua es buen estabilizador ELEVADO CALOR grado de agitación de sus moléculas, hay que térmico del organismo → ESPECÍFICO ( y por lo tanto romper muchos de los enlaces de hidrógeno que absorbe gran cantidad de calor de vaporización) hay entre ellas. sin elevar su temperatura. Por convenio, en vez de hablar Solo un reducido número de moléculas de agua de concentración de H3O+, se están disociadas en iones H+ y OH-. Esta baja BAJO GRADO DE IONIZACIÓN habla de concentración de H+. concentración de iones implica que, al añadir al La concentración de H+ se agua una base (OH-) o un ácido (H+), estas conoce como pH. En el agua es concentraciones variarán bruscamente. → hace casi neutra (7), lo que es vital que el pH varíe fácilmente. para la vida.  EL AGUA: FUNCIONES EN LOS SERES VIVOS ❖ DISOLUCIÓN Y TRANSPORTE Es en ella donde ocurren las reacciones del metabolismo. Para que dos sustancias reaccionen deben estar disueltas en el mismo medio. Al ser un buen disolvente, se transporta en ella nutrientes y productos de desecho ❖ FUNCIÓN ESTRUCTURAL La elevada fuerza de cohesión de las moléculas genera una presión de agua en el interior de las células que permite a las que carecen de pared celular, mantener su volumen y forma. Funciona como esqueleto hidrostático. ❖ FUNCIÓN TERMORREGULADORA Por su elevado calor específico → excelente amortiguador térmico y evita cambios bruscos de temperatura en el organismo. Al sudar se expulsa agua que toma calor del cuerpo y este se enfría. Su elevada conductividad térmica permite la distribución rápida del calor corporal. ❖ FUNCIÓN MECÁNICA AMORTIGUADORA Al ser un líquido incompresible por su elevada cohesión molecular → actúa como amortiguador en las articulaciones de los animales vertebrados (líquido sinovial) y evita golpes (líquido cefalorraquídeo). ❖ FUNCIÓN AISLANTE EN HÁBITATS MARINOS FRÍOS Mayor densidad del agua en estado líquido permite que el hielo flote sobre el agua, y se forme una capa superficial termoaislante que posibilita la vida bajo el hielo ❖ FUNCIÓN CAPILAR La adhesión y la cohesión son las responsables del fenómeno de capilaridad por el que asciende la savia bruta en las plantas. BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS: LAS SALES MINERALES  SUS FORMAS HABITUALES PRECIPITADAS Forman esqueletos o caparazones. Las más habituales DISUELTAS Disociadas en sus cationes o aniones Cloruros, fosfatos y bicarbonatos ASOCIADAS A junto a proteínas, como los fosfoproteínas. SUSTANCIAS junto a lípidos, como los fosfolípidos. ORGÁNICAS junto a glúcidos, como en el agar-agar. FUNCIONES DE LAS SALES Mantener salinidad Estructural Catalítica Regulación del pH (fenómenos osmóticos, etc.) Estructuras de Factores Se ionizan en mayor Mantienen sostén coenzimáticos que o menor medida concentraciones que Estructuras de activan o inhiben ayudando a afectan a la entrada protección algunas enzimas controlar las o salida de agua variaciones de pH (ósmosis) Su concentración en el medio actúa sobre la transmisión del impulso nervioso, contracción celular,…  Regulación del pH en medios biológicos El pH mide la concentración de iones H+. Su fórmula es –log [H+]. Así es que si en una La actividad biológica en el medio celular se produce a valores disolución [H+]= 10-3 moles/litro, el pH es 3. de pH al 7 ( ph neutro). Las sales actúan como sustancias tampones o amortiguadoras, impidiendo que los valores del pH se alejen del rango de tolerancia para la vida. Algunas sales pueden liberar o tomar protones (H+) del medio donde se encuentran y regulan, así, su pH. Dos ejemplos son el tampón bicarbonato, en el medio extracelular y el tampón fosfato en el medio intracelular: tampón bicarbonato tampón fosfato medio extracelular medio intracelular Medio ácido, el Si aumenta la acidez, la equilibrio hacia la reacción se desplaza a la izquierda, absorbiendo izquierda, disminuyendo asi el exceso de protones y, la concentracion de si es basico, protones y disminuyendo el hacia la derecha pH. liberandose protones.  Regulación de los fenómenos osmóticos La presencia de sales minerales disueltas genera fenómenos osmóticos. La ósmosis consiste en el paso del disolvente (agua) a través de una membrana semipermeable, que impide el paso de solutos, entre dos disoluciones de diferente concentración.. El disolvente pasa a favor de gradiente, es decir, de la disolución con mayor cantidad de agua (de baja concentración) a la de menor cantidad de agua (de alta concentración). Dos disoluciones entre sí pueden ser: isotónicas: disoluciones que poseen la misma concentración. anisotónicas hipotónica: Es la disolución de menor concentración de entre dos que están en contacto hipertónica: Es la disolución de mayor concentración de entre dos que están en contacto A este fenómeno se asocian procesos celulares como los siguientes: Si la concentración de solutos del medio intracelular es mayor que la del medio extracelular, entrará agua en la célula. Se producirá un hinchamiento de la célula o turgencia celular. En las células animales puede producir una lisis o rotura. En las vegetales y bacterias, la pared celular impide esta rotura. Si la concentración de solutos del medio intracelular es menor que la del medio extracelular, saldrá agua de la célula. Disminuye el volumen celular, las células se arrugan y se produce un fenómeno que se denomina plasmólisis o crenación (esta última en los eritrocitos) OTROS PROCESOS RELACIONADOS CON LA CONCENTRACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN DIFUSIÓN: Se trata de la distribución homogénea de las partículas de soluto en un disolvente al entrar en contacto. Se trata de la distribución homogénea de las partículas de soluto en un disolvente al entrar en contacto. puede darse a través de una membrana permeable que permita el paso de solutos y disolventes. En este caso, las moléculas de soluto y disolvente atraviesan la membrana de forma pasiva y a favor de gradiente de concentración → mecanismo de transporte pasivo. DIÁLISIS: Consiste en separar partículas de alto peso molecular (llamadas coloides) de las de bajo peso molecular (cristales) → útil para eliminar de la sangre cristales de urea en un proceso de hemodiálisis (pasan de la sangre a un líquido de diálisis a través de una membrana semipermeable)