BLOQUE I: LAS MOLÉCULAS DE LA VIDA

TEMA 1: BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS

1.- LOS BIOELEMENTOS

La materia viva presenta unas características y propiedades distintas a las de la materia inerte. Estas características y propiedades encuentran su origen en los átomos que conforman la materia viva. Los átomos que componen la materia viva se llaman bioelementos o elementos biogénicos.

De los 92 átomos naturales, tan solo 27 son bioelementos. Estos bioelementos se separan en grupos, atendiendo a la proporción en la que se presentan en los seres vivos.

Bioelementos % en la materia viva AtomosPrimarios 96% C,H,O,N.P,SSecundarios 3,9% Ca,Na,K,Cl,MgOligoelementos 0,1% Fe, I,Cu,Zn,Mn,Co,Ni,Si…..Los bioelementos mayoritarios no coinciden (salvo el oxígeno) con los elementos químicos másabundantesen la corteza terrestre (oxígeno, silicio, aluminio y hierro)

Bioelementos Primarios

Son los elementos más abundantes en los seres vivos.La mayor parte de las moléculas que componen los seres vivos tienen una base de carbono. Este elemento presenta una serie de propiedades que hacen que sea el idóneo para formar estas moléculas. Estas propiedades son las siguientes:1.- Forma enlaces covalentes, que son estables y acumulan mucha energía.2.- Puede formar enlaces, hasta con cuatro elementos distintos, lo que da variabilidad molecular.3.- Puede formar enlaces sencillos, dobles o triples.4.- Se puede unir a otros carbonos, formando largas cadenas.5.- Los compuestos, siendo estables, a la vez, pueden ser transformados por reacciones químicas, lo que permite las continuas transformaciones que sufre la vida.6.- El carbono unido al oxígeno forma compuestos gaseosos.

Todas estas propiedades derivan de su pequeño radio atómico y de la presencia de 4 electrones en su última capa.El Hidrógeno, el Oxígeno y el Nitrógeno también son capaces de unirse mediante enlaces covalentes estables. Forman parte de las cadenas de carbono que componen las moléculas de los seres vivos.

Bioelementos secundarios

Son elementos que se encuentran en menor proporción en losseresvivos, aunque desempeñan funciones muy importantes. El Calcio puede encontrarse formando parte de los huesos, conchas, caparazones o como elementos indispensable para la contracción muscular.

El Sodio y el Potasio son esenciales para la transmisión del impulso nervioso. Junto con el Cloro,contribuyen al mantenimiento de la cantidad de agua en los seres vivos.ElMagnesio forma parte de la estructura de la molécula de clorofila.

OligoelementosSe encuentran en una proporción muy baja en la materia viva pero son muy importantes también en los seresvivos. Así, el Hierro forma parte de la hemoglobina de la sangre; el Mn y el Zn forman parte de muchas enzimas; el Co forma parte de la vitamina B12, necesaria para sintetizar hemoglobina.

2.- LOS BIOMOLÉCULAS

Los bioelementos casi siempre se combinan entre sí para formar las moléculas que componen la materia viva. Estas moléculas reciben el nombre de Biomoléculas o Principios inmediatos. Desde el punto de vista químico las clasificamos en:

Biomoléculas inorgánicas: Tienen una estructura química sencilla, están presentes también en la materia inerte. Destacan el H2O, las sales minerales y algunos gases como el O2 y el CO2.Biomoléculas orgánicas: están formadas por cadenas de carbono y son los glúcidos, los lípidos , las proteínas y los ácidos nucleicos.

3.- BIOMOLÉCULASINORGÁNICAS

3.1.- EL AGUA

Se trata de la biomolécula más abundante en los seres vivos, representa alrededor del 70%, aunque esta % varía de unos seres vivos a otros y también de unos órganos a otros. En general, cuanta mayor cantidad de agua tiene un órgano mayor es su actividad vital. Esto se debe a que las reacciones vitales se producen en medio acuoso.

Estructura: El agua es una molécula formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno unidos por enlace covalente. La unión de estos elementos con diferente electronegatividad (afinidad del átomo para captar e-) proporciona unas características:

Es un molécula neutra, sin cargas, pero las diferentes electronegatividades de sus componentes (H y O) hacen que presente cierto grado de polaridad. El agua es una molécula polar con una nube de electrones alrededor del oxígeno donde se concentra la carga negativa, mientras los núcleos del hidrógeno quedan desprovistos parcialmente de sus electrones, manifestándose una carga positiva. Formando de esta forma un dipolo permanente. La molécula de gua forma un ángulo de 104,5º

Debido a su carácter bipolar, permite que se establezcan interacciones entre moléculas mediante puentes de hidrógeno, que unen la parte electropositiva de una molécula con la electronegativa de otra adyacente. De esta manera en estado sólido el agua establece el número máximo de puentes de hidrógeno, cuatro. Al aumentar la temperatura, disminuye el número de puentes, de forma que con la ebullición del agua a 100ºCno hay puentes de hidrógeno y las moléculas están individualizadas.

Propiedades y funciones del agua: El agua tiene propiedades especiales, derivadasde su estructura:

Alto calor específico: Son las calorías que debes suministrar a 1g de agua para elevar su temperatura un grado centígrado (de 15ºC a 16ºC). Por esta propiedad nuestro organismo absorbe mucho calor del entorno. Por esta razón el agua actúa como termorregulador en los seres vivos, distribuyendo el calor por el cuerpo.

Elevado calor de vaporización: son lascalorías que debo aportar a 1g para que el aguapase de estado líquido a estado gaseoso rompiéndose todos los puentes de H. Esto permite disminuir la temperatura del cuerpo por evaporación, por tanto al agua actúa también como termorregulador.

Estas dos propiedades hacen quela temperatura corporal se mantenga en un rango compatible con la vida.

Elevada tensión superficial: La tensión superficial es la fuerza que hay que ejercer para elevar una molécula desde el interior de un líquido hasta la superficie del mismo. Las moléculas de agua están muy cohesionadas por acción de los puentes de Hidrógeno. Como las moléculas de agua están tan juntas el agua es incompresible. Gracias a esta propiedad, el agua actúa como amortiguador entre estructuras que friccionan y evita

el rozamiento (líquido sinovial en las rodillas), permite a algunos animales caminar por el agua, el ascenso de la savia bruta desde la raíz hasta las hojaspor capilaridad, dar volumen a las células y también los seres vivos utilizan el agua como medio de transporte por su interior.

Bajo grado de disociación: la mayor parte de las moléculas de agua no están disociadas. Sólo un pequeño número de moléculas sufre disociación, generando iones positivos o hidrogeniones (H+) e iones negativos o hidroxilo (OH-).

Estos iones participan en muchas reacciones químicas en los seres vivos.

Mayor densidad del agua en estado líquido: En estado líquido, el agua es más densa que en estado sólido. La mayor densidad del agua se alcanza a los 4ºC, esto permite que el hielo flote en el agua, lo que hace posible la vida en los ecosistemas acuáticos.

Alta constante dieléctrica: la mayor parte de las moléculas de agua forman un dipolo, con un diferencial de carga positivo y un diferencial de carga negativo.

Disolvente polar universal: el agua debido a su elevada constante dieléctrica, es el mejor disolvente para todas aquellas moléculas polares. Sin embargo, moléculas apolares no se disuelven en el agua.

Disoluciones y dispersiones: Según el tamaño de las partículas dispersas en el agua se distinguen dos tipos de disoluciones: disoluciones verdaderas y dispersiones coloidales.

Disolucionesverdaderas: El tamaño de las moléculas de soluto es pequeño, por ello el aspecto de la disolución es igual que el del disolvente puro. Forman estas disoluciones las sales minerales y las moléculas orgánicas de baja masa molecular.

Disoluciones coloidales: El tamaño de las partículas de soluto es mucho mayor, como es el caso de las proteínas, los polisacáridos y los ácidos nucleicos. Las más frecuentes en los seres vivos están formadas por proteínas y forman parte del citoplasma de las células. Pueden presentarse en dos estados interconvertibles: sol y gel, según la cantidad de agua y por lo tanto su viscosidad. Cuando una disolución en estado de sol pierde agua pasa a estado de gel.

3.2.- LAS SALES MINERALES

Los organismos vivos también están formados por sales minerales, compuestos inorgánicos que pueden ser solubles o insolubles en agua. En el segundo caso, las sales se encuentran precipitadas y constituyen estructuras sólidas en los seres vivos, como esqueletos, caparazones, conchas. Lo más usual, es que las sales minerales aparezcan disueltas y disociadas en su iones: aniones o cationes. Entre los aniones y cationes más frecuentes se encuentran:

Aniones: Cl-, CO3-2, HCO3-, SO4-2, PO4

-3

Cationes: Na+, K+, Ca+2, Mg+2, Fe+2

Funciones de las sales minerales:

Las sales minerales desempeñan diversas funciones en los seresvivos:

Constituyen estructuras duras de sostén y protección. Los huesos, las conchas, los caparazones y las espículas de algunos organismos están formados por sales precipitadas, como fosfatos, carbonatos o sílice.

Funciones fisiológicas y bioquímicas. Muchos procesos biológicos sólo se pueden realizar con la intervención de determinados iones. Los iones realizan funciones concretas imprescindibles para la actividad vital. Es muy importante mantener las concentraciones iónicas en equilibrio, cualquier variación por exceso o por defecto, puede provocar importantes alteraciones. Así:Na+ - Transmisión del impulso nervioso y mantiene el equilibrio iónico y acuoso en el medio extracelular.K+- Contracción muscular y transmisión del impulso nervioso.Ca+2- Contracción muscular, coagulación de la sangre, transmisión sinápticaMg+2-Regula la contracción muscular, actúa como cofactor de algunas enzimas.

Mantenimiento de concentraciones osmóticas adecuadas.

Todos los medios líquidos biológicos, es decir, sangre, plasma intersticial..etc constituyen disoluciones de sales en agua de cuyo grado de concentración depende la estabilidad celular y la realización de algunas funciones fundamentales.Los procesos biológicos dependientes de la concentración de soluto (moléculas e iones9 en agua se denominan osmóticos. Cuando existen dos disoluciones de diferente concentración separadas por una membrana semipermeable que no deja pasar el soluto pero si el disolvente, se produce el paso del disolvente (agua en los medios celulares) desde la disolución más diluida (hipotónica o hipoosmótica) hacia la más concentrada (hipertónica o hiperosmótica) a través de la membrana.

Cuando el agua pasa a la disolución hipertónica esta se diluye, mientras que la disolución hipotónica se concentra al perderla. El proceso continua hasta que ambas disoluciones igualan su concentración, es decir se hacen isotónicas o isoosmóticas.

Como la membrana plasmática es semipermeable, es necesario mantener una concentración salina dentro de la célula igual a la del medio externo para que la célula no tenga pérdida ni ganancia neta de agua.

Si la concentración del medio intracelular es mayor que la del medio externo, la entrada excesiva de agua producirá un hinchamiento, conocido como turgencia celular, que puede provocar la rotura de la membrana y la muerte de la célula. Si por el contrario, la concentración en el medio interno es menor que en el medio externo, la célula pierde agua y disminuye su volumen, proceso que recibe el nombre de plasmólisis, que puede ocasionar también la muerte celular. Ambos procesos provocan la muerte en las células animales. En las células vegetales, la pared celular, al ser rígida, las protege de la turgencia, pero la plasmólisis si las afecta.

La diálisis es un proceso relacionado con la ósmosis. En este caso, además del agua, la membrana semipermeable permite el paso de los solutos de baja masa molecular desde la disolución donde se encuentren en mayor concentración hasta la que los contiene en menor concentración.

En realidad estas moléculas pasan por una simple difusión a favor de un gradiente de concentración: de esta forma, si se tiene una disolución de dos tipos de sustancias, una de ellas de alta masa molecular y la otra de baja, se puede conseguir una separación parcial de esta última.Para ello se dispone esta disolución en un recipiente separado, por medio de una membrana semipermeable, de otro que contiene agua destilada. El soluto de baja masa molecular se distribuye a través de la membrana hasta que se alcance la misma concentración en ambos recipientes. Por el contrario, la sustancia de alta masa molecular permanece por completo en el recipiente original.

La hemodiálisis es una técnica basada en este proceso y se aplica para eliminar moléculas tóxicas de la sangre (como la urea), en casos de insuficiencia renal grave, o sustancias tóxicas en caso de envenenamiento.

Mantenimiento de pH en estructuras y medios biológicos.Cuando se disuelve un ácido en agua, la concentración de H+ aumenta, y si es una base disminuye.Por lo tanto, en una disolución acuosa de un ácido existirán más iones H+ que OH-, mientras que en la disolución de una base se producirá el efecto contrario. Para expresar el grado de acidez de una disolución se utiliza el término pH, que se define como el logaritmo del inverso de la (H+).

Así, por ejemplo, el pH de una disolución cuya (H+) es de 10-5 será 5.Los valores de pH pueden oscilar entre 0 y 14, rango en el que un valor de pH=7 corresponde a disoluciones neutras; los valores inferiores a 7, a disoluciones ácidas; y los valores superiores, a disoluciones básicas.

Los líquidos biológicos intracelulares y extracelulares tienen un rango de acidez determinado. Cualquier variación de dicho valor altera la estructura y función de las proteínas.Sin embargo, en las reacciones bioquímicas se liberan con frecuencia pequeñas cantidades de ciertos ácidos. Para evitar las variaciones del pH que estos ácidos provocan intervienen los sistemas tampón o amortiguadores, buffer, compuestos por un ácido débil y su base conjugada. Los sistemas tampón actúan como aceptores o donantes de H+ para compensar el exceso o déficit de estos iones en el medio y mantener constante su pH.

Los Sistemas tampón biológicos más comunes son el tampón fosfato, constituido por H3PO4 y PO4

-3 y el tampón bicarbonato, formado por H2CO3 y HCO3-. El primero actúa intracelularmente y el segundo es extracelular. Algunas proteínas pueden actuar también como amortiguadores de los cambios de acidez dentro y fuera de las células.

ANEXO. BIOMOLÉCULAS ORGÁNICASAntes de comenzar el estudio de los tipos de biomoléculas orgánicas, veremos dos apartados para estudiar los tipos de enlaces en estas moléculas y los principales grupos funcionales que aparecen en las mismas.

Tipos de enlaces:

1.- Enlaces fuertes o covalentes. En estos enlaces se comparten electrones, un tipo especial de enlace covalente es cuando se unen dos azufres (S-S ), en cuyo caso se denomina puente disulfuro.

2.- Enlaces débiles. Son todos los demás enlaces. Estos enlaces tienen la ventaja, para los seres vivos, de formarse y romperse con mucha facilidad. Dentro de los enlaces débiles destacan:

Interacciones o fuerzas electrostáticas. Se producen entre cargas de distinto signo, por ejemplo entre iones. Este enlace es débil en los seres vivos debido a que el agua dificulta la atracción.

Puentes de hidrógeno.En este enlace un hidrógeno (H) se une covalentemente con un átomo electronegativo y a su vez mediante atracciones electrostáticas llamadas puentes de hidrógeno a otro átomo también electronegativo. Se da en el agua, en las proteínas, los acidos nucleicos.

Interacciones hidrofóbicas. Se producen entre grupos que huyen del agua, por lo que rechazan el agua que existía entre ellos y quedan más juntos.

Interacciones de Van der Waals. Son fuerzas electrostáticas muy débiles que se establecen entre grupos no cargados (no polares), pero que pueden polarizarse debido a la formación de dipolos instantáneos.

*Página 65 del libro ejemplos de enlaces

Grupos funcionales:

El carbono tiene valencia 4, por lo que pueden unirse muchos átomos mediante enlaces covalentes formando cadenas más o menos largas, e incluso ramificadas o cíclicas al cerrarse sobre sí mismas. Si a estas valencias libres se le unen átomos de hidrógeno, obtenemos los hidrocarburos. En los hidrocarburos, los hidrógenos (H) pueden ser sustituidos por distintos grupos funcionales.

Un grupo funcionales un átomo o conjunto de átomos unidos a una cadena carbonada. Son los responsables de las propiedades químicas y la reactividad de los compuestos orgánicos. Los principales grupos funcionales son:

Grupo hidroxilo o alcohol : ( - OH) Grupo carbonilo que puede funcionar como aldehído o como cetona. Como aldehído

se encuentra siempre en un carbono terminal ( - CHO ) y como cetona se encuentra en un carbono intermedio (- CO ) ó (- C = O ).

Grupo carboxilo que siempre se sitúa en un carbono terminal y se representa (- COOH) Amino que se representa (-NH2) y se sitúa también en un carbono terminal.