1 .- Qu propiedades presenta el tomo de carbono que le permiten ser el elemento qumico bsico en la constitucin de las molculas de los seres vivos? Solucin: Las caractersticas del tomo de carbono son: - Forma con facilidad enlaces covalentes fuertes y estables, lo que confiere gran estabilidad a las molculas de los seres vivos. - Los tomos de carbono se pueden unir entre s formando largas cadenas, molculas ramificadas, e, incluso, cclicas, lo que permite construir molculas variadas y complejas. - El carbono presenta cuatro orbitales enlazantes dispuestos en forma de tetraedro a los que pueden unirse hasta cuatro tomos o grupos funcionales diferentes. Esto permite la formacin de gran cantidad de molculas tridimensionales con propiedades diferentes. - Los tomos de carbono forman dobles y triples enlaces entre s y con el oxgeno y el nitrgeno, producindose un aumento de las variantes moleculares. - Las caractersticas del tomo de carbono permiten la formacin de una inmensa variedad de molculas con estructuras y propiedades distintas. La gran variabilidad y complejidad que muestran los seres vivos es consecuencia de este hecho.2 .- Qu son las biomolculas o principios inmediatos?; qu tipos conoces? Solucin: Las biomolculas son las molculas que constituyen a los seres vivos. Anteriormente se las llamaba principios inmediatos, ya que son compuestos o grupos de compuestos que se obtienen a partir de una muestra biolgica por mtodos exclusivamente fsicos, tales como centrifugacin, dilisis, filtracin... Se distinguen dos tipos de biomolculas: Inorgnicas. No son exclusivas de los seres vivos, y son el agua y las sales minerales. Orgnicas. Son exclusivas de los seres vivos. Son los glcidos, los lpidos, las protenas y los cidos nucleicos.3 .- Cules son los principales tampones que actan en los seres vivos? Solucin: Entre los principales tampones que actan en los seres vivos, podemos citar dos: - El tampn fosfato, que acta en el medio intracelular y tiene una zona de capacidad de tamponamiento alrededor de valores de pH de 6,86. Su actividad es debida al equilibrio entre el fosfato monobsico y el fosfato dibsico. - Tampn bicarbonato: acta en los lquidos extracelulares como la sangre. Su actividad se presenta en torno a valores de pH de 7,4. Su funcionamiento se basa en el equilibrio existente entre el ion bicarbonato y el cido carbnico, que, a su vez, puede disociarse en CO2 y H2O.4 .- Qu es la smosis? Define los conceptos de membrana semipermeable y de disolucin hipoosmtica, hiperosmtica e isoosmtica. Solucin: La smosis es un fenmeno mediante el cual dos disoluciones de distinta concentracin y que se encuentran separadas por una membrana semipermeable tienden a igualar sus concentraciones por el paso de agua desde la solucin ms diluida hacia la ms concentrada. Membrana semipermeable: es aquella que permite el paso del agua, pero no el de las sustancias disueltas en ella (solutos). Disoluciones isoosmticas: son dos disoluciones que presentan la misma concentracin. Disolucin hipoosmtica e hiperosmtica. Una disolucin hipoosmtica es aquella que presenta menor concentracin frente a otra llamada hiperosmtica.5 .- Estudia los siguientes diagramas e indica las principales diferencias entre la composicin de la corteza terrestre y el cuerpo humano. Solucin: En los diagramas se observa que la composicin de la corteza terrestre presenta grandes diferencias con la de un ser vivo como es el hombre. - Los elementos ms abundantes de la corteza son O, Si, Al y Fe, mientras que el 99% de la masa del cuerpo humano est formada por C, H, O y N. nicamente el oxgeno es un elemento mayoritario en ambas muestras. - Es importante sealar el hecho de que el carbono, que es la base de las molculas de los seres vivos, es un elemento muy minoritario en la corteza terrestre, mientras que un elemento con caractersticas semejantes a l, como es el silicio, es uno de los compuestos ms abundantes. - El Al y el Fe son elementos muy abundantes en la corteza terrestre (7,9% y 4,5%, respectivamente), pero aparecen en la composicin de los seres vivos como elementos traza. La comparacin entre la composicin de la corteza terrestre, el lugar donde se desarrolla la vida, y la del hombre nos lleva a pensar que la evolucin qumica seleccion aquellos elementos qumicos que presentan unas caractersticas idneas para constituir las molculas de los seres vivos. Aquellos elementos capaces de dar lugar a una gran variedad de molculas estables y complejas.6 .- Qu es una macromolcula? Realiza una tabla de las principales macromolculas presentes en los seres vivos, indicando los monmeros que las originan. Solucin: Las macromolculas son polmeros formados en reacciones de polimerizacin por la unin de molculas ms sencillas, llamadas monmeros o eslabones estructurales. Las macromolculas, a su vez, pueden despolimerizarse, obtenindose los correspondientes monmeros. 7 .- Qu es una reaccin de hidrlisis?; de qu forma puede actuar el agua como reactivo qumico? Solucin: La hidrlisis es una reaccin qumica que consiste en la ruptura de enlaces moleculares mediante la incorporacin de una molcula de agua. En la hidrlisis, el agua acta de forma disociada, proporcionando a la reaccin los iones H+ y OH- necesarios. El agua acta como reactivo qumico de dos formas: - Como agua disociada, proporcionando los H+ y OH- necesarios para las reacciones de hidrlisis. - En reacciones de xido-reduccin, facilitando O2 y H2 , como ocurre, por ejemplo, en la fotosntesis, que utiliza el H2O como ltimo dador de electrones y desprende oxgeno.8 .- Qu es la escala de pH? Si el pH de una disolucin aumenta un punto, cmo vara la concentracin de H+? Solucin: El agua se comporta como un electrlito dbil en el que una pequea cantidad de molculas se encuentran disociadas segn la ecuacin: H2O ? H+ + OH- A 25 ?C el equilibrio que se establece es el siguiente: [H+] [OH- ] = 1,0 10-14 que es una constante llamada producto inico del agua. De este valor se deduce que: [H+] = [OH- ] = 1,0 10-7 Cuando el agua contiene sustancias disueltas, el equilibrio vara, de tal modo que si la [H+] aumenta, la [OH-] disminuye, y viceversa. As, una disolucin donde la [H+] = 10-7 es una disolucin neutra; si la [H+] > 10-7, es cida, y si [H+] < 10-7, es alcalina o bsica. Para simplificar el clculo, se ha definido la escala de pH, que expresa la [H+] utilizando logaritmos. El pH se define como el logaritmo negativo de la concentracin de H+: pH = -log [H+] Si el pH = 7, la disolucin es neutra; un valor de pH < 7 indica una disolucin cida, y un pH > 7, bsica. Como la escala de pH es logartmica, el aumento de un punto en su valor supone una disminucin de diez veces en la concentracin de H+.9 .- Qu consecuencias tendra para un organismo la prdida del equilibrio inico? Solucin: El mantenimiento del equilibrio inico es fundamental para el correcto funcionamiento de los seres vivos. La prdida de este equilibrio puede conducir a graves alteraciones, como son: - La generacin de fenmenos osmticos en las clulas que pueden conducir a la muerte celular. - La eliminacin de la accin antagnica que realizan algunos cationes para regular la actividad de rganos como el corazn. En general, este antagonismo se ejerce entre un catin monovalente que realiza una accin que es contrarrestada por uno divalente. - La prdida de solubilidad de algunas protenas, ya que las sales minerales modifican las propiedades disolventes del agua. - Se veran afectadas otras acciones especficas controladas por las sales minerales, como la actividad de muchas enzimas, la transmisin del impulso nervioso, la contraccin muscular, etc.10 .- Indica la funcin y el grupo al que pertenecen los siguientes bioelementos:Fe, C, Ca, Na y P. Solucin: Hierro (Fe). Se incluye en los oligoelementos. Es un componente de los grupos hemo de las molculas que transportan o almacenan oxgeno (hemoglobina y mioglobina). Adems, es un cofactor de enzimas mitocondriales transportadoras de electrones. Carbono (C). Es un bioelemento primario. Es el constituyente bsico de las molculas de los seres vivos. Calcio (Ca). Pertenece a los bioelementos secundarios. En forma inica, participa en la contraccin muscular, en la coagulacin sangunea y en la transmisin del impulso nervioso. Como CaCO3, forma estructuras esquelticas. Sodio (Na). Bioelemento secundario. Participa en la creacin de los gradientes de membrana, imprescindibles para la transmisin del impulso nervioso. Mantiene el equilibrio osmtico y neutraliza las cargas de las macromolculas. Fsforo (P). Es un bioelemento primario. Est presente en muchas molculas biolgicas como los fosfolpidos, los cidos nucleicos o el ATP (donde forma enlaces ricos en energa). En forma de fosfatos, aparece en esqueletos y dientes, y tiene accin tamponadora.11 .- Qu son las interacciones hidrofbicas? Cul es su importancia biolgica? Solucin: Las interacciones hidrofbicas se producen entre grupos apolares o hidrfobos que tienden a agruparse entre s para evitar el contacto con el agua. Tienen gran importancia biolgica, ya que son las responsables de la formacin de las membranas biolgicas y del plegamiento de muchas protenas. Las membranas biolgicas estn constituidas por molculas anfipticas (fosfolpidos). Estas forman bicapas, situando sus grupos polares en contacto con el agua y las cadenas hidrfobas enfrentadas entre s para evitar el contacto con el agua. Son tambin las responsables del plegamiento de muchas protenas, macromolculas formadas por la unin de aminocidos. Algunos aminocidos presentan grupos hidrfobos que repelen el agua e interaccionan con otros similares, provocando el plegamiento especfico de la protena.12 .- Con cuntas molculas vecinas puede enlazar una molcula de agua? Justifica la respuesta. Solucin: El carcter dipolar de la molcula de agua permite que, potencialmente, pueda establecer enlaces de hidrgeno con otras cuatro molculas de agua. Cada uno de los hidrgenos de una molcula puede establecer interacciones con las cargas parciales negativas de los oxgenos de otras dos molculas, mientras que las dos cargas negativas del tomo de oxgeno pueden enlazar con las cargas parciales positivas de los tomos de hidrgeno de otras dos. En el agua lquida, los puentes de hidrgeno se forman y se destruyen continuamente, estableciendo cada molcula de agua un promedio de 3,4 enlaces con sus vecinas. En el hielo, cada molcula forma el nmero mximo de enlaces (cuatro) originando una estructura reticular regular.13 .- Qu es una disolucin amortiguadora o tampn?; cmo acta? Solucin: Los sistemas amortiguadores, tampn o buffer son soluciones acuosas de cidos dbiles que neutralizan las variaciones de pH de un medio aunque se aadan cantidades apreciables de un cido o de una base. Los sistemas amortiguadores se basan en las propiedades de los cidos dbiles, que son aquellos que no se disocian totalmente en disoluciones acuosas, y que, a determinados valores de pH, actan como cidos o como bases, es decir, ceden protones al medio o los aceptan. Cuando en el medio existe un exceso de H+, el tampn acta como base y los acepta, y, cuando se produce un exceso de OH- acta como un cido, liberando protones que los neutralizan. La capacidad de amortiguacin del tampn se produce en torno a un valor de pH prximo al pK del cido. El pK es la constante de ionizacin, y se corresponde con un valor de pH en el que existe la misma cantidad de cido en estado disociado y sin disociar. Cada cido dbil tiene un pK caracterstico, y, por tanto, actan como amortiguadores a diferentes valores de pH.14 .- En qu formas pueden encontrarse las sales minerales en los seres vivos? Qu funciones realizan en cada caso? Solucin: Las sales minerales se encuentran en los seres vivos en dos formas: - Forma slida o precipitada. Actan originando formas esquelticas y de sostn. Por ejemplo, el CaCO3 participa en la formacin de los esqueletos de moluscos, crustceos, corales y vertebrados. El fosfato clcico endurece los huesos de los vertebrados. La slice forma el caparazn de algunos microorganismos como las diatomeas e impregna tallos de algunas plantas como las gramneas. - En disolucin se encuentran en forma inica, siendo los principales iones: Entre las funciones de las sales en disolucin destacan: - Actan como sistemas tampn controlando las variaciones del pH. - Mantienen el equilibrio osmtico. - Modifican las propiedades disolventes del agua. - Contribuyen a estabilizar los coloides. - Presentan acciones especficas participando en un gran nmero de procesos fisiolgicos, como la activacin de enzimas, la transmisin del impulso, la contraccin muscular, la creacin de potenciales de membrana, la coagulacin sangunea, etc.15 .- Qu son los bioelementos?, cmo se clasifican? Solucin: Los bioelementos son los elementos qumicos que constituyen las molculas de los seres vivos. De todos los elementos conocidos, se han identificado como bioelementos unos setenta, aunque solo son comunes a todos los seres vivos alrededor de veinticinco. Los bioelementos se clasifican en tres grupos: - Bioelementos primarios. Constituyen las molculas de los seres vivos y representan el 99% de la masa de las clulas. Son el C, el H, el O y el N y, en menor proporcin, el S y el P. - Bioelementos secundarios. Aparecen generalmente en forma inica, y son el Na+, el Ca2+, el K+, el Mg2+ y el Cl-. Se encuentran presentes en el medio celular en pequeas cantidades, incluso en proporciones por debajo del 0,1%. - Oligoelementos. Son aquellos elementos qumicos que estn presentes en los seres vivos de forma vestigial (por debajo del 0,1%), pero cuya presencia es fundamental para permitir su buen funcionamiento. Su ausencia suele provocar enfermedades carenciales, aunque si superan una cierta concentracin producen intoxicaciones. Se conocen alrededor de sesenta oligoelementos, entre los que se encuentran el Fe, el Cu, el Zn, el Mn, el Co, el I...16 .- Por qu decimos que el agua es un dipolo? Cules son las consecuencias de su estructura dipolar? Solucin: El agua es una molcula formada por la unin de un tomo de oxgeno con dos tomos de hidrgeno. Su naturaleza dipolar se debe a que el tomo de oxgeno es ms electronegativo que el hidrgeno. Este hecho provoca que los electrones compartidos en los enlaces se siten ms cerca del oxgeno que de los hidrgenos, generndose dos cargas parciales negativas en la zona del oxgeno y una carga parcial positiva en cada uno de los hidrgenos. Aunque la molcula de agua presenta una carga neta neutra, es una molcula dipolar. Debido a la separacin de cargas, las molculas de agua pueden atraerse entre s por fuerzas electrostticas entre las cargas parciales negativas situadas sobre el oxgeno de una molcula y las cargas parciales positivas situadas sobre los hidrgenos de otras. Este tipo de atraccin electrosttica se llama enlace por puentes de hidrgeno. Cada molcula de agua puede formar, tericamente, enlaces de hidrgeno con cuatro molculas vecinas. Estos enlaces se forman y se destruyen continuamente, lo que hace que el agua a temperatura ambiente sea un lquido que presenta una elevada cohesin interna, baja viscosidad y elevada reactividad qumica. Se dispone de tres disoluciones que presentan las siguientes concentraciones de H+: - Disolucin 1: [H+] = 1,0 10-7 - Disolucin 2: [H+] = 1,0 10-2 - Disolucin 3: [H+] = 1,0 10-917 .- Indica si las disoluciones son cidas, bsicas o neutras; la concentracin de OH-, y el valor del pH de cada disolucin. Solucin: Disolucin 1: Neutra. [OH- ] = 1,0 10-7 pH = 7. Disolucin 2: cida. [OH- ] = 1,0 10-12 pH = 2. Disolucin 3: Bsica. [OH- ] = 1,0 10-5 pH = 918 .- Qu es un oligoelemento? Seala tres ejemplos y explica su funcin. Solucin: Los oligoelementos son aquellos elementos qumicos que estn presentes en los seres vivos de forma vestigial (por debajo del 0,1%), pero su presencia es fundamental para permitir su buen funcionamiento. Su ausencia suele provocar enfermedades carenciales, aunque si superan una cierta concentracin producen intoxicaciones. Se conocen alrededor de sesenta oligoelementos, entre los que se encuentran el Fe, el Mn, el Co. - Hierro (Fe). Es un componente de los grupos hemo de las molculas transportadoras de oxgeno (mioglobina y hemoglobina). Adems, es un cofactor de enzimas mitocondriales transportadoras de electrones. - Manganeso (Mn). Acta como catalizador en muchas reacciones qumicas. Participa en la fotlisis del agua durante la fotosntesis. - Cobalto (Co). Forma parte de la vitamina B12, que es necesaria para la sntesis de la hemoglobina.19 .- Adems de los enlaces covalentes que mantienen unidos los tomos de las molculas orgnicas, qu otros tipos de interacciones moleculares se establecen entre ellas? Solucin: En las molculas orgnicas se produce otro tipo de enlaces no covalentes que mantienen la estructura de ciertas molculas complejas o que asocian unas molculas a otras. Estas interacciones son las siguientes: - Enlaces o puentes de hidrgeno. Se forman entre un tomo de hidrgeno que est unido covalentemente a un tomo electronegativo y otro tomo electronegativo. En este caso, el hidrgeno es atrado por dos tomos diferentes. Estabilizan la estructura tridimensional de las protenas y de los cidos nucleicos. - Interacciones electrostticas. Se produce cuando un grupo funcional que presenta carga inica (+) o (-) es atrado por otro de carga opuesta. Tambin se llaman enlaces inicos. - Interacciones hidrofbicas. Se producen entre grupos apolares o hidrfobos que tienden a agruparse entre s para evitar el contacto con el agua. Son las responsables de la formacin de las membranas biolgicas y del plegamiento de muchas protenas. - Fuerzas de Van der Waals: son interacciones muy dbiles e inespecficas que se producen entre dos tomos que se encuentran a una distancia superior a un valor mnimo, por debajo del cual se produce repulsin entre sus nubes de electrones. Debido a su debilidad, son importantes cuando se suman muchas de estas interacciones entre dos molculas. Participan en las uniones enzima-sustrato y antgeno-anticuerpo.20 .- Por qu se dice que el agua es el disolvente universal? Solucin: El agua es el disolvente universal porque es capaz de disolver ms sustancias que cualquier otro lquido conocido. Esto es posible gracias a la polaridad de la molcula de agua, que permite establecer interacciones electrostticas entre sus cargas positivas y negativas con cualquier compuesto inico y con molculas que presentan grupos polares. Los compuestos que se disuelven en el agua son: - Compuestos inicos como las sales minerales. Se disuelven gracias a la atracciones electrostticas que se establecen entre los dipolos del agua y los iones de la sal. - Molculas polares (con grupos carbonilos, hidroxilos, carboxilo...). Se disuelven con facilidad estableciendo puentes de hidrgeno entre el agua y los grupos funcionales de las molculas. - Molculas anfipticas (con grupos polares y grupos no polares). Se dispersan en el agua formando micelas, quedando los grupos polares en contacto con el agua, y los apolares, hacia el interior de la micela. El tampn bicarbonato controla las variaciones de pH de la sangre. Explica cmo acta ante un aumento en la concentracin de H+ y ante una disminucin de dicha concentracin. El tampn bicarbonato presenta su actividad en torno a valores de pH de 7,4. Su funcionamiento se basa en el equilibrio existente entre el ion bicarbonato y el cido carbnico, que, a su vez, puede disociarse en CO2 y H2O. - Cuando se produce un aumento en la concentracin de H+ en la sangre, es decir, se produce acidificacin, el equilibrio del tampn bicarbonato se desplaza hacia la derecha aumentando la cantidad de cido carbnico (H2CO3). Este se disocia en CO2 y H2O, eliminndose el exceso de CO2 al exterior. - Si se produce una disminucin de la concentracin de H+, el medio se alcaliniza, el equilibrio se desplaza a la izquierda, para lo cual debe incorporarse CO2 del exterior que al combinarse con el H2O repara las prdidas de H2CO3. La concentracin salina del protoplasma de los glbulos rojos es, aproximadamente, de0,3 M. Qu sucedera si introdujramos glbulos rojos en agua destilada?, y si los introdujramos en una disolucin cuya concentracin fuera0,7 M? Las membranas de los glbulos rojos, al igual que todas las membranas biolgicas, se comportan como membranas semipermeables. Por tanto, al introducir glbulos rojos en disoluciones de diferente concentracin, sufrirn fenmenos osmticos. - En el caso del agua destilada, los glbulos rojos se encuentran en una disolucin hipoosmtica respecto a la concentracin de su citoplasma. La consecuencia ser la entrada de agua a la clula para intentar equilibrar las concentraciones. Esta entrada de agua provocar que la clula estalle. - En una disolucin0,9 Mla clula se encuentra en un medio hiperosmtico, por lo que el agua tiende a salir al medio extracelular. La clula se arrugar (retraccin), pudiendo llegar a producirse la muerte celular.