La base química de la vida: componentes orgánicos e inorgánicos. El agua y las sales minerales

TEMA 1 LA BASE QUÍMICA DE LA VIDA: COMPONENTES ORGÁNICOS E INORGÁNICOS. EL AGUA Y LAS SALES MINERALES 1. LA BASE QUÍMICA DE LA VIDA: COMPONENTES ORGÁNICOS E INORGÁNICOS. El examen espectroscópico de las estrellas y galaxias ha permitido comprobar que todo el universo está formado por los mismos elementos químicos, agrupados de muy distintas proporciones. Los seres vivos también están constituidos por los mismos elementos que el resto del cosmos: no existen átomos exclusivos de lo viviente. 1.1. Bioelementos: Los bioelementos o elementos biogénicos son los que forman parte de los seres vivos aunque en proporciones muy variables. Se han identificado algo más de 70 bioelementos que se encuentran formando parte de la materia viva en muy distintas proporciones a las que se encuentran en la materia inerte. 1.1.1. Clasificación de los bioelementos: a) Elementos biogénicos mayoritarios: son los que se encuentran siempre en la materia viva. A su vez se pueden distinguir: Elementos biogénicos primarios: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y fósforo. Constituyen los componentes esenciales con los que se construye la materia viva para formar las biomoléculas o principios inmediatos. Elementos biogénicos secundarios: magnesio, calcio, potasio, sodio y cloro. Son elementos menos abundantes en la materia viva pero desempeñan funciones vitales en la fisiología celular. b) Oligoelementos esenciales: son esenciales para la vida, pero se encuentran en la materia viva en cantidades muy pequeñas que no superan el 0,1%. Estos son: hierro, manganeso, cobre, zinc, flúor, yodo, boro, silicio, vanadio, cromo, cobalto, selenio, molibdeno y estaño. c) Oligoelementos no esenciales: este grupo lo forman el resto de los elementos químicos que aún no siendo esenciales para todos los organismos, a menudo desempeñan importantes funciones. 1.1.2. Características de los bioelementos: Son abundantes en la biosfera Presentan masa molecular pequeña y pueden compartir electrones de sus capas más externas, por lo que pueden formar enlaces covalentes estables. Los compuestos que forman los bioelementos primarios muestran generalmente una clara polaridad, lo que facilita su disolución en el agua. El átomo de carbono posee cuatro electrones de valencia lo que le permite formar cuatro enlaces covalentes muy estables. 1.2.3. Principios inmediatos o biomoléculas Los principios inmediatos están formados por la combinación de los bioelementos. Existen seis grupos de principios inmediatos: las sales minerales, agua, glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. 2. EL AGUA El agua es la molécula más abundante en la materia viva. La cantidad de agua en los seres vivos oscila entre un 20% en tejidos óseos hasta un 85% en determinadas células. El contenido en agua es superior en células embrionarias y va disminuyendo con el envejecimiento celular. El agua es el disolvente biológico por excelencia y es el medio en el que ocurren la mayoría de las reacciones metabólicas. Los organismos pueden obtener el agua directamente de medio ambiente (agua exógena) o generarla a partir de otras moléculas orgánicas mediante diferentes reacciones bioquímicas (agua endógena o metabólica). 2.1. Características del agua. L a molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno unidos por enlaces covalentes simples. Es eléctricamente neutra, aunque sus átomos tienen diferentes valores de electronegatividad. 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 genera un exceso de carga negativa sobre el oxígeno y un exceso de carga positiva sobre los hidrógenos. Esta distribución espacial de cargas eléctricas se define como momento bipolar y da lugar a una molécula caracterizada por la ausencia de carga neta en la que se establece un dipolo y que adquiere carácter polar. Debido a su carácter polar, las moléculas de agua pueden interaccionar entre sí, mediante atracciones electrostáticas estableciendo puentes de hidrógeno. Así cada molécula de agua puede formar hasta cuatro enlaces de hidrógeno con otras moléculas de agua o con otras moléculas polares o iones. A pesar de la relativa debilidad de los enlaces de hidrógeno su presencia confiere una estructura interna al agua que permite explicar algunas de sus características más importantes. Por ejemplo que sea un fluido en estado líquido a temperatura ambiente o que posea un calor de vaporización superior al que cabría esperar en moléculas covalentes con similar masa molecular. La estabilidad de los enlaces de hidrógeno disminuye al aumentar la temperatura, pero en el caso del agua a 100ºC todavía están presentes. 2.2. Propiedades del agua: Elevada tensión molecular. El hecho de ser un fluido dentro de un amplio margen de temperaturas permite al agua dar volumen a las células, turgencia a las plantas e incluso actuar como esqueleto hidrostático en algunos invertebrados. También explica las deformaciones celulares del citoplasma y la función mecánica amortiguadora que ejerce en las articulaciones de los animales vertebrados constituyendo el líquido sinovial de las articulaciones. Elevada tensión superficial. las moléculas de la superficie del agua experimentan fuerzas de atracción netas hacia el interior del líquido. Esto favorece que dicha superficie oponga una gran resistencia a ser traspasada y origina una película superficial que permite por ejemplo, el desplazamiento sobre ella de algunos organismos. Elevada fuerza de adhesión. Las moléculas de agua tienen gran capacidad para ascender por capilaridad a través de conductos de pequeño diámetro. Fuerza de adhesión Elevado calor específico. Las moléculas de agua pueden absorber gran cantidad de calor sin elevar notablemente su temperatura ya que parte de la energía es empleada en romper los enlaces de hidrógeno. Esta propiedad explica su capacidad termorreguladora manteniendo constante la temperatura interna de los organismos. 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 los efectos térmicos del exterior lo que permite la supervivencia de muchas especies. Elevado calor de vaporización. Cuando el agua pasa de estado líquido a gaseoso necesita absorber mucho calor para romper los puentes de hidrógeno. De esta manera 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 pérdida de agua. E levada capacidad disolvente. Las moléculas de agua debido a su carácter polar tienden a disminuir las atracciones electrostáticas entre los iones de las sales y otros compuestos iónicos, facilitando su disociación en forma de aniones y cationes, rodeándolos por dipolos de agua que impiden su unión. Este fenómeno se conoce como solvatación iónica. Esta tendencia del agua viene determinada por su constante dieléctrica elevada que favorece la disolución de las redes cristalinas. El agua puede manifestar también su acción como disolvente mediante el establecimiento de enlaces de hidrógeno con otras moléculas que contiene grupos funcionales polares, como alcoholes, aldehídos o cetonas provocando su dispersión o disolución. Bajo grado de ionización. En el agua líquida existe una pequeñísima cantidad de moléculas ionizadas. En los líquidos biológicos el agua posee sales minerales y proteínas ionizadas que contrarrestan dicho efecto, luego son soluciones tamponadoras. La concentración de protones en disoluciones acuosas mide el pH. Ionización del agua Ión Ión Hidroxilo hidróxido Permite regular la presión osmótica celular ya que las moléculas de agua pueden traspasar la membrana celular (semipermeable) a favor de gradiente de concentración. 3. SALES MINERALES Las sales minerales son moléculas inorgánicas presentes en todos los seres vivos que se encuentran disueltas o en estado sólido (precipitadas) y que también pueden asociarse con otras moléculas orgánicas. 3.1. Sales minerales disueltas: Son las sales solubles en agua, se encuentran disociadas en sus iones y forman parte de los medios intra y extracelulares. Aniones: cloruros, fosfatos, fosfatos monoácidos, carbonatos, bicarbonatos y nitratos Cationes: sodio, calcio, magnesio, hierro y potasio. 3.1.1. Funciones de las sales en disolución: Las sales minerales hidrosolubles, a través de sus iones, cumplen diversas funciones de tipo general, colaborando en el mantenimiento de la homeostasis o de tipo específico, que dependen del sistema biológico en el que se encuentran. Además pueden asociarse con otras moléculas orgánicas como lípidos, proteínas o glúcidos. Algunas funciones generales son: Mantener el grado de salinidad de los organismos. Las concentraciones iónicas de sales minerales se mantienen constantes, dentro de unos ciertos límites, en los distintos organismo. Regular la actividad enzimática. La presencia de determinados iones activa o inhibe reacciones metabólicas, 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 del 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 los del 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. Regular el pH. La actividad biológica en el medio interno celular se produce a un determinado valor de pH. Las reacciones químicas que se verifican en los organismo 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. 3.2. Sales minerales precipitadas Las sales minerales insolubles en la materia viva se encuentran en estado sólido. En cada organismo se forman diversos cristales de una o varias especies minerales con formas y tamaños específicos. Las sales minerales precipitadas que se encuentran en los seres vivos presentan diferencias importantes con respecto a las que se encuentran en la materia inorgánica. Se pueden asociar 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 los silicatos, carbonatos y fosfatos de calcio y magnesio. 3.2.1. Funciones de las sales precipitadas: Las sales minerales precipitadas tienen principalmente la función de formar estructuras de protección y sostén. Carbonato cálcico Forma parte de los caparazones de protozoos marinos (foraminíferos) Constituye el esqueleto externo de los corales, forma las conchas de los moluscos e impregna el exoesqueleto de algunos artrópodos. Confiere rigidez a la estructura de algunas esponjas y forma estructuras como las espinas de los erizos de mar En vertebrados, endurece huesos y dientes. También constituye los otolitos, (cristales del oído interno que permiten el equilibrio) Silicatos Endurecen estructuras de sostén de algunos vegetales como gramíneas y equisetos. Forman parte de los caparazones de protección que presentan algunos microorganismos como los radiolarios y diatomeas. Constituyen las espículas de algunas esponjas. Fosfato cálcico Forma parte de la matriz mineral que componen los tejidos óseos en vertebrados.

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