Se denominan elementos biogénicos o bioelementos a aquellos elementos químicos que forman parte de los seres vivos






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BLOQUE 1. LA BASE MOLECULAR Y FISICO-QUÍMICA DE LA VIDA.


Tema 1.-Bioelementos y biomoléculas.


  1. Bioelementos:




    1. Concepto:


Se denominan elementos biogénicos o bioelementos a aquellos elementos químicos que forman parte de los seres vivos.
Los elementos de la vida Todos los seres vivos están constituidos, cualitativa y cuantitativamente por los mismos elementos químicos. De todos los elementos que se hallan en la corteza terrestre, sólo unos 25 son componentes de los seres vivos. La vida, pues, se ha desarrollado a partir de una combinación de unos elementos químicos concretos que poseen unas propiedades físico-químicas idóneas para el establecimiento los procesos químicos que se desarrollan en los seres vivos.


    1. Clasificación:





Atendiendo a su abundancia (no a su importancia) se pueden clasificar de la siguiente forma:
1. Elementos mayoritarios

- Están presentes en porcentajes superiores al 0,1 % y aparecen en todos los seres vivos.

a. Bioelementos primarios (C, H, O, N /// P, S)

  • Principales constituyentes de las biomoléculas. En conjunto 95% de la materia viva (C 20 %, H 9.5%, O 62 % y N 2,5 %).


Las propiedades físico-químicas generales que los hacen idóneos son las siguientes:


  1. Forman entre ellos enlaces covalentes, compartiendo electrones.




  1. El carbono, nitrógeno y oxígeno, pueden compartir más de un par de electrones, formando enlaces dobles y triples, lo cual les dota de una gran versatilidad para el enlace químico.




  1. Son los elementos más ligeros con capacidad de formar enlace covalente, por lo que dichos enlaces son muy estables.


Las particularidades del elemento químico carbono hace de éste la piedra angular de la estructura morfológica y fisiológica de la vida.


  1. A causa configuración tetraédrica de los enlaces del carbono, los diferentes tipos de moléculas orgánicas tienen estructuras tridimensionales diferentes. Las enormes posibilidades de conformación espacial de las moléculas orgánicas permiten la complejidad de estructuras y procesos metabólicos y fisiológicos de los seres vivos.






  1. Las combinaciones del carbono con otros elementos, como el oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno, etc., permiten la aparición de una gran variedad de grupos funcionales que dan lugar a las diferentes familias de sustancias orgánicas. Estos presentan características físicas y químicas diferentes, y dan a las moléculas orgánicas propiedades específicas, lo que aumenta las posibilidades de creación de nuevas moléculas orgánicas por reacción entre los diferentes grupos.



  1. Los enlaces entre los átomos de carbono pueden ser simples (C - C), dobles (C = C) o triples lo que permite que puedan formarse cadenas más o menos largas, lineales, ramificadas y anillos.


b. Bioelementos secundarios (Na, K, Ca, Mg, Cl). En conjunto suponen menos del 4,5% de la materia viva.
Azufre: Se encuentra en dos aminoácidos (cisteína y metionina) presentes en todas las proteínas. También en algunas sustancias como el Coenzima A
Fósforo: Forma parte de los nucleótidos, compuestos que forman los ácidos nucléicos. Forman parte de coenzimas y otras moléculas como fosfolípidos, sustancias fundamentales de las membranas celulares. También forma parte de los fosfatos, sales minerales abundantes en los seres vivos.
Magnesio: Forma parte de la molécula de clorofila, y en forma iónica actúa como catalizador, junto con las enzimas en muchas reacciones químicas del organismo.
Calcio: Forma parte de los carbonatos de calcio de estructuras esqueléticas. En forma iónica interviene en la contracción muscular, coagulación sanguínea y transmisión del impulso nervioso.
Sodio: Catión abundante en el medio extracelular; necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular

Potasio: Catión más abundante en el interior de las células; necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular
Cloro: Anión más frecuente; necesario para mantener el balance de agua en la sangre y fluido intersticial


  1. Oligoelementos: (Fe, Mn, I, F, Co, Si, Cr, Zn, Li, Mo)


Presentes en porcentajes inferiores al 0,1%, no son los mismos en todos los seres vivos. Son indispensables para el desarrollo armónico del organismo.

Se han aislado unos 60 oligoelementos en los seres vivos, pero solamente 14 de ellos pueden considerarse comunes para casi todos y estos son: hierro, manganeso, cobre, zinc, flúor, iodo, boro, silicio, vanadio, cromo, cobalto, selenio, molibdeno y estaño. Las principales funciones en las que están implicados son:
Hierro: Fundamental para la síntesis de clorofila, catalizador en reacciones químicas y formando parte de citocromos que intervienen en la respiración celular, y en la hemoglobina que interviene en el transporte de oxígeno
Manganeso: Interviene en la fotolisis del agua, durante el proceso de fotosíntesis en las plantas
Yodo: Necesario para la síntesis de la tiroxina, hormona que interviene en el metabolismo
Flúor: Forma parte del esmalte dentario y de los huesos
Cobalto: Forma parte de la vitamina B12, necesaria para la síntesis de hemoglobina
Silicio: Proporciona resistencia al tejido conjuntivo, endurece tejidos vegetales como en las gramíneas
Cromo: Interviene junto a la insulina en la regulación de glucosa en sangre.
Zinc: Actúa como catalizador en muchas reacciones del organismo
Litio: Actúa sobre neurotransmisores y la permeabilidad celular. En dosis adecuada puede prevenir estados de depresiones.
Molibdeno: Forma parte de las enzimas vegetales que actúan en la reducción de los nitratos por parte de las plantas


  1. Biomoléculas:




    1. Concepto


Los bioelementos se unen entre sí para formar moléculas que llamaremos biomolécula, o sea, las moléculas que constituyen los seres vivos. Las biomoléculas o principios inmediatos, son las moléculas que forman parte de los seres vivos.

Las biomoléculas, para poder ser estudiadas, deben ser extraídas de los seres vivos mediante procedimientos físicos, nunca químicos, ya que si así fuera, su estructura molecular se alteraría. Los procedimientos físicos son la filtración, la diálisis, la cristalización, la centrifugación, la cromatografía y la electroforesis. Las moléculas que forman parte de los seres vivos se han clasificado tradicionalmente en los diferentes principios inmediatos, llamados así porque podían extraerse de la materia viva con cierta facilidad, inmediatamente, por métodos físicos sencillos como los anteriores.
VER PRESENTACIÓN TEMA 2: “LA MATERIA VIVA Y SU ESTUDIO”


    1. Clasificación


Los diferentes grupos de principios inmediatos o biomoléculas se clasifican tradicionalmente según la naturaleza química (basada en la presencia o no de estructuras carbonadas):


  • Inorgánicas: Las biomoléculas inorgánicas están presentes tanto en la materia viva como en la no viva.




    • Agua

    • Gases (CO2, O2)

    • Sales minerales (aniones como el fosfato HPO4, bicarbonato HCO4- o cationes como el amonio NH4+).




  • Orgánicas: sólo las encontramos en los seres vivos pues solo son sintetizadas por ellos. Todas tienen una estructura fundamentada en la unión de carbonos.




    • Glúcidos (glucosa, glucógeno, almidón).

    • Lípidos (ácidos grasos, triglicéridos, colesterol, fosfolípidos, glucolípidos)

    • Prótidos o proteínas (enzimas, hormonas, hemoglobina, inmuniglobulinas, etc)

    • Ácidos nucleicos (ADN, ARN)

    • Metabolitos intermediarios (ácido pirúvico, ácido láctico, ácido cítrico, etc)


Muchas de la biomoléculas son de gran tamaño, denominándose macromoléculas, como las proteínas, los ácidos nucleicos y algunos polisacáridos. En definitiva son polímeros, es decir, moléculas formadas por la unión de moléculas más sencillas llamadas monómeros.


POLÍMERO

MONÓMERO

ÁCIDO NUCLEICO

NUCLEOTIDO

PROTEÍNA

AMINOÁCIDO

POLISACÁRIDO

MONOSACÁRIDO


Según el grado de complejidad estructural las biomoléculas también se pueden clasificar como:


  • Precursoras: moléculas de bajo peso molecular, como el agua, dióxido de carbono o amoniaco.

  • Intermediarios metabólicos: que posteriormente se transformarán en otros compuestos como el oxalacetato, piruvato o citrato.

  • Unidades estructurales: que son las unidades constitutivas de las macromoléculas (los monómeros del cuadro anterior) como los monosacáridos (en celulosa o almidón), aminoácidos (en polipéptidos y proteínas) o nucleótidos (en ácidos nucleicos).

  • Macromoléculas: unidades de alto peso molecular como los anteriormente citados.

  1. El agua:




    1. Estructura molecular


El agua es la sustancia más abundante en los seres vivos. Aunque conviene matizar esta afirmación: una semilla, puede tener sólo un 20% de agua y el tejido llamado “dentina” presente en nuestros dientes cuenta con apenas un 10% de agua. En el extremo opuesto en las algas puede representar el 95% de su peso, lo mismo que en el cerebro humano.
En general existe una relación directa entre la actividad metabólica del tejido u organismo en cuestión y su contenido en agua: a mayor actividad fisiológica, más agua.
En la especie humana puede representar en torno a un 70% del peso de un adulto. Una persona que pese 70 Kg tendrá en su interior no menos de 49 Kg de agua.
El interior de las células no es otra cosa que una gran dispersión coloidal en base acuosa (ver punto 5 de este mismo tema).

Composición química:


El agua está formada por dos átomos de hidrógeno (H) y un átomo de oxígeno (O) unidos mediante sendos enlaces covalentes, de manera que la molécula tiene una forma triangular plana. Es decir los átomos de hidrógeno y oxígeno están separados entre sí aproximadamente 0,96 Angstroms (más o menos un nanómetro – una milmillonésima de metro) y el ángulo que forman sus líneas de enlace es de unos 104,45 grados.




Además el agua se comporta como un dipolo, es decir tiene dos regiones con una cierta carga eléctrica. Una de ellas es positiva y la otra negativa.

El hecho de que el agua sea un dipolo se debe a que el hidrógeno y el oxígeno son átomos muy distintos desde el punto de vista de la electronegatividad. Es esta una propiedad atómica que indica la forma (y la fuerza) en que un átomo atrae hacia sí los electrones que comparte con otro en un enlace covalente.




En el caso del agua, el oxígeno es un átomo muy electronegativo. El hidrógeno es un átomo muy poco electronegativo. Los electrones que comparten en los dos enlaces covalentes que presenta la molécula de agua están “desplazados” hacia la región ocupada por el oxígeno. Esto implica que esa zona tenga un poco más (un diferencial) de carga negativa, mientras que los hidrógenos tienen diferenciales de carga positiva.

Decimos que tiene diferenciales de carga para resaltar que el agua NO es una molécula cargada eléctricamente.
El agua NO ES UN IÓN.

El agua es una molécula polar.
Esta polaridad es fundamental para entender las propiedades del agua, su comportamiento y su importancia dentro de los seres vivos.


    1. Propiedades que se derivan de su poder disolvente y de su elevado calor específico.


De acuerdo con su forma se deriva que el agua es un dipolo.

Esto quiere decir que presenta una región, la del oxígeno, con una ligera carga negativa (diferencial de carga negativa) y otra zona, la de los hidrógenos, con una diferencial de carga positiva. De esta propiedad química se derivan sus propiedades bioquímicas más importantes.
Propiedades químicas del agua:

  • Enlaces por puentes de hidrógeno: Entre las moléculas de agua se establece un tipo de enlace intermolecular débil: el enlace por puentes de hidrógeno. Un enlace por puentes de hidrógeno se establece necesariamente entre un átomo con un diferencial de carga negativo y otro con diferencial de carga positivo. Estos átomos pueden estar en diferentes moléculas como en el caso que nos ocupa, o ser parte de una misma gran molécula, como a menudo sucede en las proteínas. En el caso del agua podemos decir que una molécula de agua puede unirse con hasta otras cuatro moléculas diferentes de agua, si bien estas uniones son de muy corta duración en el tiempo; los enlaces de hidrógeno se forman y destruyen de manera muy rápida: la duración de cada uno de ellos en el agua líquida viene a ser del orden de 10 –10 a 10 –21 segundos. Pueden por eso formarse grupos de 3, 4 y hasta 9 moléculas de agua. Con ello se alcanzan pesos moleculares relativamente altos que son la causa de que el agua sea líquida a temperatura ambiente y tenga todas las propiedades típicas de un fluido.







  • Elevada constante dieléctrica. Al ser un dipolo el agua se convierte en el gran disolvente universal: compuestos iónicos y polares se disuelven fácilmente en agua. Su elevada constante dieléctrica permite la disociación de la mayoría de las sales inorgánicas en su seno (Figura de la izquierda) y permite que las disoluciones puedan conducir la electricidad (Figuras de la derecha: efecto de la presencia de iones sobre la conductividad eléctrica.)



Algunas constantes dieléctricas





disolvente

constante dieléctrica (e a 25ºC)

disolvente

constante dieléctrica (e a 25ºC)

Agua

79

dimetilsulfóxido

47

ácido fórmico

59

acetonitrilo

38

metanol

33

acetona

21

etanol

25

dietiléter

4,3

ácido acético

6

benceno

2,3

Propiedades físicas del agua:


  • Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas: debido a los puentes de hidrógeno que se establecen las moléculas de agua permanecen unidas entre sí de forma más intensa que en otros compuestos similares.Tal y como se observa en el diagrama de fases (Figura inferior izquierda), el agua tiene un punto de ebullición muy elevado (100ºC, a 1 atmósfera de presión), teniendo en cuenta su tamaño. El comportamiento del H2O se aleja del de los demás hidruros formados con los elementos del grupo VI de la Tabla Periódica (Figura inferior derecha, puntos de color púrpura): extrapolando los datos de la gráfica de la figura inferior derecha (línea de puntos de color rojo) ¡ el agua herviría a -80ºC! Este comportamiento se debe al gran número de puentes de hidrógeno que forman sus moléculas.





Diagrama de fases del agua
Puntos de ebullición de los hidruros del grupo VI




Por el mismo motivo, su punto de congelación (0ºC) es mayor de lo esperado.
El amplio margen de temperaturas en que permanece en fase líquida (entre 0ºC y 100º C) proporciona variadas posibilidades de vida, desde los organismos psicrófilos, que pueden vivir a temperaturas próximas a 0º C hasta los termófilos, que viven a 70-80º C.


  • El agua es un líquido prácticamente incompresible: no es fácil reducir su volumen mediante presión, pues las moléculas de agua están enlazadas entre sí manteniendo unas distancias intermoleculares más o menos fijas. Por ello muchos organismos usan agua para fabricar sus esqueletos hidrostáticos, como los anélidos y celentéreos.




  • Elevada tensión superficial: su superficie opone gran resistencia a romperse, lo que permite que muchos organismos puedan “andar” sobre el agua y vivan asociados a esa película superficial.




  • Capilaridad: ascenso de la columna de agua a través de tubos de diámetro capilar, fenómeno que depende de la capacidad de adhesión de las moléculas de agua a las paredes de los conductos capilares y de la cohesión de las moléculas de agua entre sí. Las plantas utilizan esta propiedad para la ascensión de la sabia bruta por el xilema.




  • Elevado calor específico y de vaporización: Su calor específico y calor de vaporización elevados permiten que el calor liberado en reacciones bioquímicas exotérmicas sea fácilmente absorbido y/o eliminado con pequeña variación de la temperatura del individuo.





    • Elevado calor específico: Hace falta mucha energía para elevar su temperatura. El aumento de la temperatura supone aumentar la energía cinética de las partículas pero se ve dificultado por los puentes de hidrógeno. Esto convierte al agua en un buen aislante térmico.




    • Elevado calor de vaporización: debido a que para pasar al estado vapor parte de la energía suministrada se emplea no solamente en aumentar su velocidad cinética sino también en romper los enlaces de puentes de hidrógeno.




  • Mayor densidad en estado liquido que en estado sólido: el hielo flota en el agua. El estado cristalino de las moléculas de agua configura una estructura con mayores huecos entre ellas que el ocupado por el mismo número de moléculas en su unión fugaz no cristalina en estado líquido. Esto significa que en la fórmula de la densidad el volumen aumenta manteniendo el mismo número de moléculas con lo que el cociente disminuye. El agua en estado sólido tiene menor densidad que en estado líquido (Atención: máxima densidad a 3,89ºC).







    1. Funciones biológicas del agua


Como consecuencia de las propiedades inherentes a su estructura, el agua realiza funciones biológicas imprescindibles para el mantenimiento de la vida.


      1. Disolvente: el agua es el principal disolvente biológico: El agua, además de disociar compuestos iónicos, puede manifestar también su acción como disolvente mediante el establecimiento de enlaces de hidrógeno con otras moléculas que contienen grupos funcionales polares, como alcoholes, aldehídos o cetonas, provocando su dispersión o disolución.




      1. Bioquímica: El agua constituye el medio en el que se realizan la mayoría de las reacciones bioquímicas; en ocasiones, además, interviene de forma activa en la reacción, como en el caso de la hidrólisis.




      1. Estructural: La elevada cohesión de las moléculas 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.




      1. Termorreguladora: El elevado calor específico del agua permite mantener constante la temperatura interna de los seres vivos. El elevado calor de vaporización explica la disminución de temperatura que experimenta un organismo cuando el agua se evapora en la superficie de un ser vivo.




      1. Mecánica amortiguadora: El ser un líquido incompresible le permite ejercer esta función en las articulaciones de los animales vertebrados, constituyendo el líquido sinovial que evita el contacto entre los huesos.




      1. Transporte: La elevada capacidad disolvente del agua permite el transporte de sustancias en el interior de los seres vivos y su intercambio con el medio externo, facilitando el aporte de sustancias nutritivas y la eliminación de productos de desecho. La capilaridad contribuye a la ascensión de la savia bruta a través de los vasos leñosos.




      1. Permite la vida acuática en climas fríos: Su mayor densidad en estado líquido explica que al descender la temperatura, se forma una capa de hielo en la superficie, que flota y protege de los efectos térmicos del exterior al agua líquida que queda debajo; este hecho permite la supervivencia de muchas especies.


  1. La materia viva como dispersión coloidal:




    1. Concepto de disolución verdadera y dispersión coloidal.


La molécula más abundante en estado líquido, presente en todos los seres vivos, es el agua. Debido a su gran poder disolvente, se encuentra en el interior de los seres vivos formando disoluciones de diversos solutos.

Según el tamaño de las partículas dispersas en el agua se distinguen dos tipos de disoluciones:


  • Disoluciones verdaderas: en ellas el tamaño de las moléculas del soluto es pequeño, debido a esto el aspecto de la disolución es muy similar al del disolvente.


Una disolución es una mezcla homogénea de composición variable. Sus componentes reciben el nombre de Soluto (compuesto que se disuelve) y Disolvente (compuesto en el que se disuelve el soluto).

Poseen unas propiedades llamadas coligativas, propiedades que dependen exclusivamente de la concentración de la disolución, y no de la naturaleza de sus componentes.
Forman disoluciones verdaderas las sales minerales y las moléculas orgánicas de bajo peso molecular.
Son propiedades coligativas:


    • Descenso de la presión de vapor. Ley de Raoult: desciende con respecto a la del disolvente puro.




    • Descenso crioscópico y ascenso ebulloscópico: el punto de congelación desciende y el de ebullición aumenta, proporcionalmente con la concentración.




    • Presión osmótica: la presión osmótica de una disolución es directamente proporcional a su molaridad.




  • Disoluciones coloidales: en estas disoluciones el tamaño de las partículas de soluto es mucho mayor que en el caso anterior, así entre ellas encontramos proteínas, polisacáridos y ácidos nucleicos.


La diferencia entre solución y coloide radica en el tamaño de las partículas en disolución, cuando esta comprendido entre 0,2u y 0,001u se trata de una dispersión coloidal, y si es menor que 0,001u se puede hablar propiamente de solución.
En el caso de las dispersiones coloidales se habla de fase dispersa y de medio de dispersión, conceptos equivalentes a los del soluto y disolvente usados en el caso de las disoluciones.
La importancia de las disoluciones coloidales radica en que participan en procesos vitales muy importantes. Las disoluciones coloidales poseen unas propiedades características, entre las que podemos destacar las siguientes:


    • Elevada viscosidad (resistencia a fluir que ofrece un líquido), responsable del aspecto del citoplasma celular.




    • Capacidad de adsorción, es decir, la adherencia a determinadas estructuras y superficies. Esta propiedad favorece las reacciones entre los componentes celulares, ya que aumenta el contacto entre ellos.




    • Efecto Tyndall: las disoluciones coloidales muestran un aspecto turbio cuando se observan al trasluz, debido a la reflexión de la luz sobre las partículas.


Las disoluciones coloidales pueden aparecer en dos estadios diferentes,
denominados sol y gel, la diferencia entre ambos reside en la cantidad de agua
presente, y por tanto, en su grado de viscosidad. Los dos estados son
interconvertibles, así cuando una disolución en estado de sol pierde parte del agua que contiene se transforma en una disolución gel, y de forma contraria, es decir, si gana agua se produce el proceso inverso, por tanto el proceso es reversible y depende de factores como el pH, la temperatura, la presión y la concentración de soluto.
Las disoluciones coloidales en estado gel desempeñan un papel fundamental en el mantenimiento de la humedad de ciertas estructuras, como es el caso del mucus del aparato respiratorio.
El citosol es el principal compartimento fluido de la célula dentro del cual los diferentes orgánulos celulares residen y donde tiene lugar la mayoría del metabolismo.
Las propiedades coloidales de la célula, como las transformaciones básicas de SOL-GEL; de “Sol “ (una Solución líquida del citosol más fluida) a “Gel” (un citosol más rígido, sólido y gelatinoso) son básicas para determinadas actividades básicas celulares commo la cyclosis, locomoción ameboide, formación del huso, citocinesis o procesos sinápticos con liberación de vesículas con neurotransmisores.
Las transformaciones Sol-Gel que pueden ocurrir rápidamente (hasta 40 ciclos Sol-gel por segundo) dependen fundamentalmente de los componentes del citosol, y es causado principalmente por las reacciones controladas de ensamblaje y desensamblaje (remodelamiento dinámico) de elementos del citoesqueleto (embebido en el citosol) principalmente microfilamentos de Actina y microtúbulos y de las asociaciones contráctiles Actina-Miosina.

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