Clase 1 introducción aspectos fisico-quimicos de los seres vivos

UNIDAD 1. INTRODUCCIÓN A LA BIOLOGÍA

MOLECULARGENERALIDADES DE LAS BASES QUÍMICAS Y

FÍSICAS DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS

Biología Molecular y GenéticaBiotecnología ambiental

ÍNDICE

1. Generalidades

2. Bioelementos

Clasificación de los bioelementos1. Clasificación de los bioelementos

3. Biomoléculas

1. El agua

2. Las sales minerales

Generalidades

� Seres Vivos están hechos de compuestos químicos y organizados en células

� Los elementos químicos que forman la materia son: Bioelementos → BiomoléculasBioelementos → Biomoléculas

� Biomoléculas inorgánicas: Agua y Sales Minerales y gases

� Biomoléculas orgánicas: Glucosa, Colesterol, etc…

� Todos los compuestos orgánicos están formados por C y H, y la mayoría contienen además O y N.

Generalidades

� El Carbono presenta enlaces covalentes que permiten infinidad de combinaciones.

� Monómeros (100-1000daltons) → Polímeros o macromoléculas (alto peso molecular).

Las Moléculas orgánicas se engloban principalmente en: � Las Moléculas orgánicas se engloban principalmente en: Glúcidos, Lípidos, Proteínas y Ác. Nucleicos

� Biocatalizadores: Enzimas y Vitaminas

� Todos los SV presentan los mismos componentes moleculares básicos

� A lo largo de la evolución las distintas especies se han provisto de un conjunto particular de proteínas a partir de sus Genes

BIOELEMENTOS

� Son los elementos constituyentes de los seres vivos.

� Los seres vivos seleccionamos y tomamos del mediolos elementos que forman parte de nuestra materia,y no los más abundantes.y no los más abundantes.

Elementosmayoritarios en la corteza terrestre

Elementos mayoritarios enlos seres vivos

O C

Si H

Al O

Fe N

P

S

Clasificación:

BIOELEMENTOS

� Hay 70 bioelementos (25 de los cuales son comunes entodos los seres vivos)

� Los bioelementos se clasifican según la proporción en laque se encuentran en los seres vivos.

Clasificación: Bioelementos 1arios o Mayoritarios: C, H, O, N, P, S (97%)

Bioelementos 2arios : Cl, Na, K, Mg y Ca (2%)

Oligoelementos: o elementos traza (Porcentajes menores del 0,1%)Fe, Mn, Cu, F, I, Si, Zn, Ni, Co, Li, Al, etc. (1%)

BIOELEMENTOS PRIMARIOS

� Son � C, H, O, N, P y S

� Componentes fundamentales de las biomoléculas.

� Se encuentran en todos los seres vivos.

� Propiedades generales:� Propiedades generales:

� Capas electrónicas externas incompletas ⇒ enlaces covalente ⇒ biomoléculas

� Bajo nº atómico ⇒ estabilidad

� Electronegatividad del O y N ⇒ solubilidad

� ↑ Accesibilidad (CO2 , H2O, nitratos, etc.)

� Propiedades específicas del carbono

� Hibridación sp3 ⇒ valencia 4 ⇒ Estructura tetraédrica



� Enlaces covalentes con otros C u otros elementos.

� Variedad de cadenas carbonatadas estables (lineales, cíclicas, ramificadas) ⇒ ↑ variedad de moléculas orgánicas.

� Hibridación sp2, sp ⇒ formación de dobles y triples enlaces� Hibridación sp2, sp ⇒ formación de dobles y triples enlaces

� Gran variedad de grupos funcionales (Enlaces covalentes con O, N, H y S.

� Aunque es escaso en la corteza terrestre sus características hacen que en el se base la química de los SV.

�↑↑ variedad de moléculas orgánicas polifuncionales.

� Los grupos funcionales del C aparecen como consecuencia de reacciones de oxidación-reducción

� Son responsables de la reactividad y propiedades químicas de los compuestos orgánicos.


químicas de los compuestos orgánicos.

� Brindan una nomenclatura sistemática poderosa para denominar a los compuestos orgánicos.

� Los grupos funcionales se asocian siempre con enlaces covalentes al resto de la molécula.

GRUPOS FUNCIONALES


� HIDRÓGENO: Se une al Carbono por enlace covalente formando largas cadenas hidrocarbonadas. Reacciones de oxidación-reducción

� OXÍGENO: Es el más electronegativo (más polar) y el másabundante. Reacciones de oxidación-reducción.abundante. Reacciones de oxidación-reducción.

� NITRÓGENO: Forma los grupos amino (-NH2) de los aminoácidosy por lo tanto está presente en las proteínas, apareciendotambién en las bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos.

� AZUFRE: Forma el radical sulfhidrilo (-SH) en muchas proteínas.También está presente en Vitaminas y Enzimas.

� FÓSFORO: forma los grupos fosfatos (-PO4)-3 que forma partedel ATP , fosfolípidos, etc. También está presente en estructurasesqueléticas y ác. nucleicos.

BIOELEMENTOS SECUNDARIOS

� Se encuentran en los seres vivos en una proporciónmayor al 0,1%.

� Cl, Na, K, Mg y Ca (2%)

� Forman parte de todos los seres vivos.

� Son necesarios para la vida de la célula

OLIGOELEMENTOS ó ELM. TRAZA

� Se encuentran en proporciones inferiores al 0,1%.

� No todos forman parte de los seres vivos.

� Son necesarios para el metabolismo celular.

� Fe, Mn, Cu, F, I, Si, Zn, Ni, Co, Li, Al, etc. (1%)� Fe, Mn, Cu, F, I, Si, Zn, Ni, Co, Li, Al, etc. (1%)

BIOMOLÉCULAS

� Formadas por la unión de varios bioelementos.

� También se llaman Principios Inmediatos (se pueden separar por medios físicos sin romper las moléculas)

� Se clasifican en:� Se clasifican en:

BIOMOLÉCULAS

Inorgánicas

Agua Sales Minerales

Orgánicas

Glúcidos Lípidos Proteínas Ácidos Nucleicos

EL AGUA

� El agua es la sustancia más abundante en la cortezaterrestre y en la materia viva, y es imprescindible paralos seres vivos.

PORCENTAJE MEDIO DE AGUA EN ALGUNOS ORGANISMOS

Algas 93-98%Algas 93-98%

Medusas 95-97%

Planta del tabaco 92%

Hongos 80%

Cangrejo de río 77%

Ser humano 63%

Pino 47%

Semillas de cereales 10%

EL AGUA

� La cantidad de agua en los seres vivos depende de tres factores:

� La especie:� Sp. acuáticas > Sp. de medios áridos

� Medusa (98 %) vs. Semilla (10 %)

� La edad del individuo� Organismos jóvenes > Organismos de + edad

� Feto de 4 meses (94%) vs. 65 años (56%)

� El tipo de tejido u órgano� Tejidos con ↑ actividad metabólica > tejidos inertes

� Plasma sanguíneo (92 %) vs. Dientes (10 %)

EL AGUA

� El agua se encuentra en los seres vivos en 3 formas distintas:

� AGUA CIRCULANTE: en la sangre, en la savia, etc.

� AGUA INTERSTICIAL: entre las células, fuertemente

adherida a la sustancia intercelular.

� AGUA INTRACELULAR: en el citosol y en el interior de

los orgánulos celulares. (mayoritariamente)

EL AGUA: Estructura TETRAÉDRICA

� Hibridación sp3 del O ⇒ TETRAEDRO

� Electronegatividad del O ⇒ TETRAEDRO IRREGULAR⇒ ASIMETRÍA ELECTRICA ⇒ CARÁCTER DIPOLAR

Los electrones compartidos se ven atraídos con más fuerza por los

protones del oxígeno

EL AGUA: Estructura

TETRAÉDRICA IRREGULARCARÁCTER DIPOLAR ⇒ Puentes de Hidrógeno

ELECTRONEGATIVIDAD: medida de la fuerza de atracción que ejerce un átomo sobre los electrones de otro en un enlace covalente.

EL AGUA: Estructura

� Entre los dipolos se establecen un tipo de enlacesdenominados enlace o puente de Hidrógeno.

EL AGUA: Estructura

� Los puentes de hidrógeno son más débiles que losenlaces covalentes o los iónicos, pero se rompen yse forman de manera constante, lo cual confiere ala molécula de agua una gran cohesión interna.la molécula de agua una gran cohesión interna.

� Estados :• Gaseoso 0%• Sólido 100% (4 Puentes de H)• Líquido 85% (3,4 Puentes de H)

EL AGUA: Propiedades e importancia biológica

� Las propiedades del agua derivan de LA PRESENCIA DE PUENTES DE H Y ESTOS DE LA ESTRUCTURA DEL AGUA1. Cohesividad ⇒ Estado líquido a Tª ambiente ⇒ Transporte y

EstructuralEstructural

2. Poder disolvente : K = 80 ⇒ “Disolvente universal”

3. ↑↑↑↑ calor específico ⇒ función termorreguladora

4. ↑↑↑↑ calor de vaporización ⇒ función termorreguladora

5. Disociable en iones H + y OH-⇒ Reactividad : hidrólisis y condensación

Cohesividad: Estado líquido del agua a temperatura ambiente

� La elevada fuerza de cohesión entre las moléculasde agua (Puentes de hidrógeno) permite que elagua se mantenga líquida a Tª ambiente.

� Esto permite al agua actuar como vehículo de� Esto permite al agua actuar como vehículo detransporte en el interior de un organismo y comomedio lubricante en las estructuras de movimiento.

� Esto permite que sea el agua el componenteprincipal del citosol y del interior de los orgánuloscelulares.

Cohesividad: Líquido prácticamente incompresible

� Gracias al elevado grado de cohesión entre lasmoléculas de agua, el volumen del agua líquida nodisminuye apreciablemente aunque se apliquenpresiones muy altas.

� Esto determina las deformaciones citoplasmáticas ypermite que el agua actúe como esqueletohidrostático en las células vegetales.

Poder disolvente del agua

Poder disolvente : K = 80 ⇒ “Disolvente universal”

a) Sustancias polares (hidrofílicas ) ⇒disoluciones verdaderasdisoluciones verdaderas

b) Sustancias apolares (hidrofóbicas ) ⇒Insolubilidad

c) Sustancias apolares con pequeño grupo polar (anfipáticas ) ⇒ dispersiones Coloidales (SOL y GEL)

d) Emulsiones estables: disolvente (H2O), soluto (ej.grasas), emulgente (ej. proteína)


Poder disolvente : K = 80 ⇒ “D isolvente universal”Sustancias polares (hidrofílicas ) ⇒ disoluciones verdaderas

http://www.bionova.org.es/animbio/anim/aguadisol.swf

Sustancias apolares (hidrofóbicas ) ⇒ InsolubilidadSu disposición dependerá de la densidad la sustancia

considerada

1º Emulsión inestable2º flota (insoluble)

1º Emulsión inestable2º precipita (insoluble)


2º flota (insoluble) 2º precipita (insoluble)


� DISOLUCIONES COLOIDALES: Sustancias apolares con pequeño grupo polar (anfipáticas ) ⇒ dispersiones Coloidales

� Las disoluciones coloidales pueden aparecer en dos estados distintos;� SOL� SOL

� GEL

SOL GEL

- (H2O)

+ (H2O)


� EMULSIONES ESTABLES:

� Formadas por dos líquidos inmiscibles: 1de ellos (fase dispersa) forma pequeñas gotitas dispersas en el otro (fase dispersante).

� Emulsiones biológicas:� Fase dispersa: lípidos insolubles (ej. triglicéridos, colesterol)

� Fase dispersante: agua

� La estabilidad de las emulsiones se consigue gracias a otras moléculas que mantienen las gotitas de la fase dispersa separada (ej. proteínas, fosfolípidos, sales biliares, jabón)

� Ejemplos; leche, mayonesa

� CALOR ESPECÍFICO: cantidad de calor que es necesario comunicar a 1 gramo de sustancia para aumentar su temperatura 1ªC.

� El agua tiene un calor específico alto, porque para

Elevado calor específico: Función termorreguladora

� El agua tiene un calor específico alto, porque para elevar su temperatura, hay que romper muchos de los enlaces que hay entre ellas, lo que implica que hace falta suministrar mucho calor.

� Por ello, el agua es un buen estabilizador térmico del organismo frente a los cambios bruscos de temperatura del medio.

Elevado calor de vaporización: Función termorreguladora

� Para pasar del estado líquido al gaseoso hace falta romper todos los puentes de hidrógeno, para lo cual se necesita mucha energía.

� Esto hace que el agua sea una buena sustancia � Esto hace que el agua sea una buena sustancia refrigerante en el organismo.

� El agua que se evapora en la superficie de un ser vivo absorbe calor del organismo, actuando como regulador térmico.

� La capacidad refrigerante de sudor y pulmones está basada en este hecho.

Disociable en iones H + y OH-⇒ Reactividad

� Hidrólisis

� Polímero + H2O “n” monómeros

� Condensación

� “n” monómeros Polímero + (n-1) H2O � “n” monómeros Polímero + (n-1) H2O

Hidrólisis

A – B A – OH + B – H

Condensación

FUNCIONES DEL AGUA

� Función metabólica: Es el medio en el que se producen la mayoría de lasreacciones metabólicas, puesto que las sustancias para que reaccionen tienenque estar disueltas. Además en muchas de estas reacciones el agua actúacomo reactivo como por ejemplo en las reacciones de hidrólisis que ocurren enla digestión. Igualmente es la fuente de hidrógenos en la fotosíntesis vegetal.

� Función transportadora: El agua actúa como vehículo transportador de� Función transportadora: El agua actúa como vehículo transportador desustancias por el interior del organismo y entre el exterior y el interior delmismo, debido a que es líquida y es un excelente disolvente, las sustancias sontransportadas disueltas en ella.

� Función estructural: Debido a la elevada fuerza de cohesión da forma a lascélulas que carecen de membrana rígida regulando los cambios ydeformaciones del citoplasma.

� Función termorreguladora: Debido al elevado calor específico y al elevadocalor de vaporización, regula la Tª del organismo amortiguando lasvariaciones bruscas de la Tª externa y ayuda a mantener constante la Tª delcuerpo en los animales homeotermos o endotermos.

EL AGUA: PropiedadesIonización del agua

� El agua pura se comporta como un electrolito débil y se encuentra en parte disociada en iones H+ y OH- según la siguiente ecuación:

H2O → H+ + OH-

� En el agua la disociación es muy débil, esto significa que la mayor parte del agua se encuentra como H2O sin disociar y solo una pequeña parte está disociada.disociada.

� El producto de las concentraciones de los iones H+ y OH- es constante y se denomina producto iónico, en el agua a 25ºC es:

[H+].[OH-] = 10-14

� En el agua pura por cada H+ que se forma, se forma un OH- lo que hace que la concentración de ambos iones sea la misma.

[H+] = [OH-] = 10-7

� Si aumenta la concentración de uno de los iones disminuye la del otro para mantener constante el producto.

EL AGUA: PropiedadesIonización del agua. Concepto de pH

� Si aumenta la concentración de uno de los iones disminuye la del otro para mantener constante el producto.

� Hay sustancias que al disolverse en el agua, aumentan la concentración de hidrogeniones, se denominan ácidos. Otras por el contrario disminuyen la concentración de hidrogeniones se denominan bases.

� La acidez de una disolución viene determinada por la [H+], Sorensen ideo la escala � La acidez de una disolución viene determinada por la [H ], Sorensen ideo la escala de pH para expresar la concentración de hidrogeniones de una disolución y por lo tanto la acidez.

El pH = - log [H+]. El valor oscila 0 y 14.

� Si el pH de una disolución es 7 como ocurre en el agua pura, dicha disolución es neutra. H+ = OH-

� Si el pH es < 7 ,la disolución es ácida. H+ > OH- .

� Si el pH es > 7, la disolución es básica. H+< OH-.

� La escala de pH es logarítmica, es decir que si aumenta o disminuye en una unidad significa que la concentración de H+ se hará 10 veces menor o mayor.

http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/propertiesofwater/water.html

http://www.youtube.com/watch?v=x8J-Jbu_W6M&feature=related

SALES MINERALES

� Son moléculas inorgánicas que están presentes en la materia viva en pequeña cantidad.

� Se pueden encontrar de varias formas:

� Precipitadas: Carbonatos, fosfatos, etc.� Precipitadas: Carbonatos, fosfatos, etc.

� Disueltas

� Aniones: Cl- ,CO32- ,HCO3

- ,PO43- etc

� Cationes: K+ ,Na+ ,Ca2+ , Mg+2 etc

� Asociadas a moléculas orgánicas: Fe, P, etc.

Funciones de las SALES MINERALES:Regulación de los procesos osmóticos

o OSMOSIS y presión osmótica

o Turgescencia y plasmolisis ⇒plasmolisis ⇒Importancia biológica:

� Absorción (raíces) � Adaptaciones (plantas

halófitas)� Homeostasis

SALES MINERALES: Presión osmótica

� Presión osmótica (π) sería la presión que habría que hacer para detenerel flujo de agua a través de la membrana semipermeable debido a laósmosis.


Video resumen ósmosis: http://www.youtube.com/watch?v=oONjIH39uUw

DIFUSIÓN, ÓSMOSIS y DIÁLISIS

� Membrana semipermeable

� De la + diluida

� De la + concentrada a la + diluida

DIFUSIÓN DIÁLISISOSMOSIS

� Membrana permeable o s/m

De la + � De la + diluida a la + concentrada

� Solo pasa agua

+ diluida

� Pasa el agua y moléculas de soluto de bajo peso molecular

� De la + concentrada a la + diluida

� Pasa agua y solutos

Funciones de las sales minerales

Los fenómenos vitales se producen a un pH próximo al neutro, cambios bruscos de pH impedirían algunas reacciones químicas.

Regulación del pH: Regulación del pH: �Sistemas amortiguadores o Sistemas tampón

�H2PO4- / HPO4

2 – intracelular �H2CO3/ HCO3

- extracelular

Están formados por un ácido débil/una sal del mismo

El pH afecta a la actividad enzimática

Ejemplo de Sistema Tampón

� El pH de la sangre permanece constante a 7,4

� Si se acidifica la sangre el tampón carbonato se desplaza a la derecha y aumenta el CO2

� Si aumenta el pH sanguíneo el equilibrio se desplaza � Si aumenta el pH sanguíneo el equilibrio se desplaza a la izquierda y el CO2 se disuelve en la sangre.

H CO3- + H+ ↔ CO3H2 ↔ CO2+ H2O

TEST DE REPASO

Generalidades de las bases químicas y Físicas de los procesos biológicos

� El paso de agua desde una solución menos concentrada a una más concentrada a través de una membrana semipermeable se denomina...

� La hemolisis (rotura) de los eritrocitos al colocarlos en agua destilada es un ejemplo de:

A. Difusión

B. Ósmosis

C. Plasmólisis

D. Turgencia

� Indica cómo se formará el puente de Hidrógeno entre las dos moléculas de agua

http://www.educa.madrid.org/portal/c/portal/layout?p_l_id=2288.193&c=an

� Los enlaces de H en el agua...

A. Son inestables en el agua en fase sólida

B. se rompen con facilidad al aumentar la B. se rompen con facilidad al aumentar la

temperatura

C. se rompen por debajo de los 0ºC.

D. son estables cuando el agua hierve

E. son muy estables

� El paso del agua y no de las partículas disueltas en ella, sólo se produce en el caso de la...

A. Diálisis

B. en ninguno de los casos anteriores

C. Difusión

D. Ósmosis

E. en todos los casos anteriores

� Una de las siguientes funciones NO lo es del agua

A. esquelética

B. Termorreguladora

C. Aporte de H y O

D. disolvente

E. medio de transporte

� El agua tiene carácter de reactivo químico porque es...

A. capaz de hidrolizar a otras sustancias.

B. el disolvente universal.

C. termorreguladora

D. el medio donde se producen las reacciones

metabólicas.

E. un vehículo de transporte de otras sustancias.

� Al introducir un alga marina en agua dulce se produce...

A.un arrugamiento por exósmosis

B. una inmersión celular.

C. un hinchamiento por exósmosis

D. un proceso de turgencia.

E. su plasmolisis.

� Dibuja 5 moléculas de agua unidas

por puentes de hidrógeno.

� ¿Qué importancia biológica tienen los puentes de � ¿Qué importancia biológica tienen los puentes de hidrógeno?

� Comenta brevemente las propiedades físico-químicas del agua que justifiquen la importancia de esta molécula en los seres vivos.

� Explica el concepto de <<puente de hidrógeno>> e indica mediante un dibujo cómo se forman estos en el caso del agua. ¿Qué repercusiones tienen estos en las propiedades físicas y químicas del agua? ¿En qué forma afectan estos a los seres vivos? Razona la respuesta.vivos? Razona la respuesta.

� ¿Qué es un sistema tampón? Pon un ejemplo e indica cómo actúa

� Sabiendo que el principal tampón intracelular es el tampón fosfato monobásico/dibásico. Explica qué ocurriría si en el interior de la célula se produjera una sobreproducción de protones.

� Diferencia claramente los procesos de ósmosis, diálisis y difusión.

DIFUSIÓN, ÓSMOSIS y DIÁLISIS

DIFUSIÓN DIÁLISISOSMOSIS

� Para observar el proceso de ósmosis, tres muestras de sangre humana son sometidas a una prueba de laboratorio:� Si se añade agua destilada a una de las muestras, indica que

les sucede a los glóbulos rojos y por qué:les sucede a los glóbulos rojos y por qué:

� Si se añade una solución saturada de sal a otra de las muestras, indica que aspecto presentan los glóbulos rojos al microscopio, cómo se denomina este fenómeno y explica cómo se produce:

� Si a la tercera muestra se le añade una solución isotónica explica si se alteraría la forma y función del glóbulo rojo:

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