UD1. Bioelementos y Biomoléculas. El Agua y las Sales Minerales PDF 23-24

UD 1: BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS. EL AGUA Y LAS SALES MINERALES 1.- BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS 1.1.- Bioelementos Primarios o Plásticos 1.2.- Bioelementos Secundarios u Oligoelementos 1.3.- Biomoléculas 2.- EL AGUA 2.1.- Estructura Mo...

UD 1: BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS. EL AGUA Y LAS SALES MINERALES 1.- BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS 1.1.- Bioelementos Primarios o Plásticos 1.2.- Bioelementos Secundarios u Oligoelementos 1.3.- Biomoléculas 2.- EL AGUA 2.1.- Estructura Molecular del Agua 2.2.- Propiedades del Agua 3.-LAS SALES MINERALES 3.1.- Sales Minerales Disueltas 3.2.- Funciones de las Sales Minerales Disueltas 3.3.- Sales Minerales Precipitadas 4.- LA OSMOSIS  1.- BIOELEMENTOS, OLIGOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS Se denominan bioelementos y oligoelementos a aquellos elementos químicos que forman parte de los seres vivos. Atendiendo a su abundancia, y no a su importancia, los clasificamos en: 1.1.- BIOELEMENTOS Son los elementos del sistema periódico que están presentes siempre en la materia viva. Estos a su vez pueden ser: a. Bioelementos Primarios Los elementos primarios forman parte del 95 % de la materia viva y son: C, H, N, O, P y S. Las propiedades físico – químicas que los hacen tan adecuados para la formación de la materia viva son: a. Se unen entre ellos formando enlaces covalentes (fuertes), además, como son pequeños, los electrones compartidos quedan cerca de los núcleos formando moléculas muy estables. b. Todos menos el H, pueden enlazarse con 2 o más átomos lo que permite la formación de las macromoléculas características de los seres vivos. c. El Carbono, elemento básico estructurador de la materia viva, tiene la capacidad de formar enlaces carbono – carbono, ya sean estos lineales, ramificados, cíclicos o mixtos. Además, su fuente natural es el CO2, que se encuentra en estado gaseoso, siendo fácilmente asimilable. 1 José Fco Marín Salinas  b. Bioelementos Secundarios Los elementos secundarios se encuentran en la materia viva en cantidades menos abundantes, entorno al 4,5 %, son el magnesio, calcio, potasio, sodio y cloro. Suelen tener funciones reguladoras vitales para las células. 1.2.- OLIGOELEMENTOS Son elementos que se necesitan en muy pequeña cantidad, estos pueden ser: a. Oligoelementos esenciales Se encuentran en los seres vivos en cantidades que no superan el 0,1 %. Están presentes en todos los seres vivos y son esenciales para la vida, llevando a cabo funciones reguladoras en el organismo. Son el manganeso, hierro, cobre, zinc, flúor, yodo, boro, silicio, vanadio, cromo, cobalto, selenio, molibdeno y estaño. b. Oligoelementos no esenciales No están presenten en todos los seres vivos y en los que están desempeñan funciones muy importantes. ¡ 1.3.- BIOMOLÉCULAS O PRINCIPIOS INMEDIATOS Se forman por la unión de los bioelementos mediante distintos tipos de enlaces, predominando los covalentes. Se denominan principios inmediatos ya que se pueden obtener de la materia viva por procedimientos físicos (evaporación, diálisis, cristalización....). Se pueden clasificar en: Inorgánicas → Agua y Sales Minerales Orgánicas → Glúcidos, Lípidos, Proteínas y Ácidos Nucleicos 2 José Fco Marín Salinas  2.- EL AGUA El agua es la molécula más abundante de los seres vivos, constituyendo entre el 20 - 85 % (20 % en tejido óseo y hasta 90 % en tejido cerebral) de los tejidos de los seres vivos. 2.1.- ESTRUCTURA MOLECULAR DEL AGUA La molécula del agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos mediante enlaces covalentes. Es eléctricamente neutra, aunque el átomo de oxígeno es más electronegativo que el de hidrógeno, por lo que los electrones de los enlaces entre estos dos átomos están desplazados hacia el oxígeno. Este desplazamiento da lugar a un exceso de carga negativa sobre el átomo de oxígeno y un exceso de carga positiva sobre los átomos de hidrógeno, este exceso recibe el nombre de densidad de carga. Debido a esta distribución de cargas eléctricas, se establece lo que se define como momento dipolar que da lugar a una molécula que se caracteriza por la ausencia de carga neta en la que se establece un dipolo y que adquiere un carácter polar. O δ- δ = densidad de carga δ+ δ+ H Enlace covalente Aunque es eléctricamente neutra, la molécula de agua tiene carácter polar debido a un exceso de carga negativa sobre el átomo de oxígeno. 3 José Fco Marín Salinas  Debido a su carácter polar las moléculas de agua se unen entre sí mediante puentes de hidrógeno, cada átomo de oxígeno de carga negativa ejerce atracción sobre una de las cargas positivas de un hidrógeno de otra molécula de agua, así cada molécula de agua puede formar hasta cuatro enlaces de hidrógeno. Debido a su polaridad, las moléculas de agua establecen enlaces de hidrógeno entre ellas. δ+ Enlaces de hidrógeno δ- δ+ 2.2.- PROPIEDADES DEL AGUA Las propiedades del agua están íntimamente relacionadas con su estructura molecular y le permiten la realización de funciones biológicas imprescindibles para el mantenimiento de la vida. 1. Elevada Cohesión Molecular → la elevada cohesión entre las moléculas del agua mediante puentes de hidrógeno le permite ser un fluido con un amplio margen de temperatura. Esto permite también que sea un líquido incompresible, ya que mantiene su volumen constante. Esto permite al agua dar volumen a las células, turgencia a las plantas e incluso actuar como esqueleto hidrostático en algunos animales invertebrados. También explica las deformaciones que experimentan algunas estructuras celulares, como el citoplasma, y la función mecánica amortiguadora que ejercen en las articulaciones de los animales vertebrados, constituyendo el líquido sinovial que evita el contacto entre los huesos. 4 José Fco Marín Salinas 2. Elevada Tensión Superficial → las moléculas de la superficie del agua experimentan fuerzas de atracción hacia el interior del líquido, lo cual hace que la superficie del agua oponga gran resistencia a ser traspasada, originando una “película superficial”, lo cual permite, por ejemplo, el desplazamiento sobre ella de algunos organismos o que algunos objetos de materiales más densos que el agua floten (alfileres, láminas de metal finas, etc.). 3. Elevada Fuerza de Adhesión → las moléculas de agua tienen Vidrio Capilar de vidrio gran capacidad de adherirse a las paredes de conductos de diámetros pequeños, ascendiendo en contra de la acción de la gravedad. Este fenómeno se conoce con el nombre de capilaridad y Moléculas contribuye, por ejemplo, a la Las fuerzas de adhesión entre las moléculas ascensión de la savia bruta a de agua y el vidrio, son mayores que las de las moléculas de agua entre sí. Por esto el líquido asciende por las paredes del capilar. través de los vasos leñosos. 4. Elevado Calor Específico → el agua puede absorber gran cantidad de calor sin elevar por ello de forma notable su temperatura, ya que parte de esta energía es empleada en romper los puentes de hidrógeno. Esta propiedad explica su función termorreguladora, manteniendo constante la temperatura interna de los seres vivos. 5. Densidad → El agua en estado líquido es más densa que en estado sólido. Esta propiedad permite la vida acuática en climas fríos, ya que al descender la temperatura se forma una capa de hielo en la superficie, que flota y protege al agua líquida que queda bajo ella de 5 José Fco Marín Salinas  los efectos térmicos del exterior, lo que permite la supervivencia de muchas especies. 6. Elevado Calor de Vaporización → cuando el agua pasa de estado líquido a estado gaseoso necesita absorber mucho calor para romper todos los enlaces de hidrógeno. Cuando el agua se evapora en la superficie de un ser vivo, absorbe calor del organismo actuando como regulador térmico. Gracias a esta propiedad se puede eliminar gran cantidad de calor con poca perdida de agua. 7. Elevada Capacidad Disolvente → las moléculas de agua, debido a su carácter polar, tienden a disminuir las atracciones entre los iones de sales facilitando su disociación en forma de cationes y aniones, al rodearlos por dipolos de agua que impiden su unión. Este fenómeno se conoce como solvatación iónica. Cristal de NaCl Iones solvatados Na+ Cl - Molécula de agua El agua puede manifestar también su acción como disolvente mediante el establecimiento de puentes de hidrógeno con otras moléculas que contienen grupos funcionales polares, como alcoholes, aldehídos o cetonas, provocando su dispersión o disolución. El agua es el principal disolvente biológico, permite el transporte de sustancias en el interior de los seres vivos y su intercambio con el 6 José Fco Marín Salinas  medio exterior, facilitando el aporte de sustancias nutritivas y la eliminación de productos de desecho. Otra importante función biológica derivada de esta propiedad es constituir el medio en el que se realizan la mayoría de las reacciones químicas, y además, intervenir en la reacción, con en el caso de las hidrólisis. 8. Bajo Grado de Ionización → en el agua existe una pequeñísima cantidad de moléculas ionizadas: 2 H2O ↔ H3O+ + OH- El producto de las concentraciones de los iones (H3O+ y OH-) es constante, y se denomina producto iónico. Su valor para el agua pura a 25 ºC es: Kw = [H3O+] · [OH-] = 1 · 10-14 - En el agua pura la concentración de iones H3O+ y OH- es la misma e igual a 1 · 10-7 - En una disolución acuosa el producto iónico también se mantiene constante, pero la proporción de iones es variable. Por lo tanto, las disoluciones acuosas pueden ser: Neutras → si la concentración de iones H3O+ y OH- es igual Ácidas → si la concentración de iones H3O+ es mayor que la de OH- Básicas → si la concentración de iones OH- es mayor que la de H3O+ 7 José Fco Marín Salinas  Una disolución será ácida o básica según su pH, y éste dependerá de la concentración de H3O+ de la disolución, que dependerá de la siguiente función: pH = - log [H3O+] - Si la disolución es neutra → pH = -log [H3O+] = -log 10-7 = 7 - Si la disolución es ácida → pH < 7 - Si la disolución es básica → pH > 7 3.- LAS SALES MINERALES Las sales minerales son moléculas inorgánicas presentes en todos los seres vivos y se pueden encontrar disueltas, precipitadas o asociadas a moléculas orgánicas. 3.1.- SALES MINERALES DISUELTAS Son las sales minerales solubles en agua, se encuentran disociadas en sus iones y forman parte de los medios intracelulares y extracelulares. Las sales minerales disueltas pueden ser: Aniones → con carga negativa, los más frecuentes en la materia viva son los cloruros, los fosfatos, los carbonatos, los bicarbonatos y los nitratos. Cationes → con carga positiva, los más abundantes en la materia viva son el sodio, el calcio, el magnesio, el hierro y el potasio. Las sales minerales cumplen diversas funciones de tipo general, colaborando en el mantenimiento de la homeostasis o equilibrio del medio interno, o de tipo específico, que dependen del sistema biológico en el que se encuentran. Además, pueden asociarse a moléculas orgánicas, como lípidos, proteínas o glúcidos. 8 José Fco Marín Salinas  Algunas de las funciones generales de las sales solubles son: Mantener el grado de salinidad en los organismos Regular la actividad enzimática → la presencia de determinados iones activa o inhibe reacciones bioquímicas, asociándose a la sustancia reaccionante o a las enzimas. Regular la presión osmótica y el volumen celular → la presencia de sales en el medio interno celular es determinante para que se verifique la entrada o salida de agua a través de la membrana. Los medios con alta concentración salina son hipertónicos con respecto a los que tienen una concentración salina menor, e hipotónicos en el caso contrario. Si el medio interno es hipertónico con respecto al exterior se producirá entrada de agua, que ocasionará aumento de volumen celular; si la concentración iónica en el interior es menor, se producirá el efecto contrario. Generar potenciales eléctricos → los iones que se encuentran en el interior de las células no son los mismos que se encuentran en el medio externo, por esto, a ambos lados de la membrana existe una diferencia de cargas eléctricas. Esta irregular distribución de iones provoca la existencia de un potencial de membrana que ejerce una fuerza sobre cualquier molécula con carga eléctrica. Regulación del pH → las reacciones químicas que tienen lugar en los organismos producen variaciones del pH y algunas sales minerales disueltas contribuyen a disminuir estas variaciones, manteniendo el pH constante. Las disoluciones de sales que tienen esta función se denominan tampones o disoluciones amortiguadoras. Las disoluciones amortiguadoras más importantes son: el sistema tampón fosfato en el medio intracelular y el sistema tampón bicarbonato en el medio extracelular. 9 José Fco Marín Salinas  FUNCIONES GENERALES Mantener el grado de salinidad en los organismos. Regular la actividad enzimática. Regular la presión osmótica y el volumen celular. Generar potenciales eléctricos. FUNCIONES ESPECÍFICAS DE ALGUNAS SALES MINERALES SODIO POTASIO Transmisión del impulso nervioso CLORO CALCIO Contracción muscular y coagulación sanguínea HIERRO Transporte de oxígeno CINC Cofactor enzimático, modulador en la neurotransmisión MANGANESO Fotosíntesis (fotólisis del agua) IONES ASOCIADOS A MOLÉCULAS ORGÁNICAS HIERRO Hemoglobina MAGNESIO Clorofila FOSFATO Ácidos nucleicos, fosfolípidos, ATP COBALTO Vitamina B12 IODO Hormonas tiroideas AZUFRE Cisteína y metionina (aminoácidos) 10 José Fco Marín Salinas  3.1.- SALES MINERALES PRECIPITADAS En cada organismo se forman diversos cristales de una o varias sales minerales con formas y tamaños específicos. Las sales minerales precipitadas que se encuentran en los seres vivos asociadas a macromoléculas, generalmente de tipo proteico, con las que interaccionan a través de grupos iónicos comunes y regulan el crecimiento de los cristales. Los cristales más abundantes en los organismos son de silicatos, carbonatos y fosfatos, estos últimos de calcio y magnesio. La principal función es formar estructuras de protección o sostén. CARBONATO CÁLCICO Caparazones de protozoos marinos. Esqueletos externos y conchas. Espinas. Huesos, dientes y otolitos. SILICATOS FOSFATO CÁLCICO Matriz mineral de los tejidos óseos. Estructuras de sostén de algunos vegetales. Caparazones de protección. Espículas. 11 José Fco Marín Salinas  4.- LA OSMOSIS La ósmosis es un fenómeno en el que se produce el paso o difusión de un disolvente a través de una membrana semipermeable (permite el paso de disolvente pero no de solutos) desde una disolución más diluida a otra más concentrada. Los medios acuosos separados por membranas semipermeables pueden tener diferentes concentraciones, y se denominan: Hipertónicos → los que tienen una elevada concentración de solutos con respecto a otros en los que la concentración es inferior. Hipotónicos → los que contienen una concentración de solutos baja con respecto a otros que la tienen mayor. Las moléculas de agua difunden desde los medios hipotónicos hacia los hipertónicos provocando un aumento de la presión sobre la cara de la membrana del compartimento hipotónico, denominada presión osmótica. Como consecuencia del proceso osmótico se puede alcanzar el equilibrio, igualándose las concentraciones, y entonces los medios serán isotónicos. Permite el paso de disolventes pero no de Membrana semipermeable Membrana semipermeable BAJA ALTA CONCENTRACIÓ CONCENTRACIÓ Medio hipotónico Medio hipertónico Medios isotónicos Presión osmótica Presión osmótica Igual presión osmótica. El disolvente atraviesa la membrana hasta igualar las concentraciones en 12 José Fco Marín Salinas  Las membranas celulares son semipermeables MEDIO HIPERTÓNICO Células El agua sale de la célula. Células animales vegetales sufren Disminuye el CRENACIÓN, sufren volumen celular PLASMÓLISIS proceso por el La membrana Aumenta la cual se plasmática se presión osmótica produce separa de la en el interior deshidratación pared celular celular MEDIO HIPOTÓNICO Células El agua entra en la Células vegetales sufren célula. animales sufren TURGENCIA. Aumenta el HEMÓLISIS. La célula se volumen celular La célula se hincha hasta el Disminuye la hincha hasta límite de la presión osmótica que llega a pared celular en el interior producirse su rotura (estallido celular) 13 José Fco Marín Salinas