1. ¿Por qué el carbono es el elemento base de las moléculas de los seres vi­vos?




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título1. ¿Por qué el carbono es el elemento base de las moléculas de los seres vi­vos?
fecha de publicación10.01.2016
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Tema 1: La materia viva.

1. ¿Por qué el carbono es el elemento base de las moléculas de los seres vi­vos?

Por que las características del átomo de carbono permiten la formación de una inmensa variedad de moléculas con propiedades distintas.

a) Forma con facilidad enlaces covalentes fuertes y estables, lo que confiere gran estabilidad a las moléculas de los seres vivos.

b) Los átomos de carbono se pueden unir entre ellos formando largas cadenas, moléculas ramificadas, e incluso, cíclicas, lo que permite construir moléculas variadas y complejas.

c) El carbono presenta cuatro orbitales enlazantes dispuestos en forma de tetrae­dro a los que pueden unirse hasta cuatro átomos o grupos funcionales diferen­tes. Esto permite la formación de gran cantidad de moléculas tridimensionales con propiedades diferentes.

d) Los átomos de carbono forman dobles y triples enlaces entre sí y con el oxíge­no y el nitrógeno, produciéndose un aumento de las variantes moleculares.

2. Define el concepto de oligoelemento y señala algún ejemplo.

Los oligoelementos son aquellos elementos químicos que están 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 concentración producen in­toxicaciones. Se conocen alrededor de 60 oligoelementos, entre los que se en­cuentran el Fe, Mn, Co.

El hierro (Fe). Es un componente de los grupos hemo de las moléculas transportadoras de oxígeno (mioglobina y hemoglobina). Además es un cofactor de enzimas mitocondriales transportadoras de electrones.

El manganeso (Mn). Actúa como catalizador en muchas reacciones químicas. Participa en la fotolisis del agua durante la fotosíntesis.

El cobre (Cu). Actúa como cofactor de muchos enzimas.

3. Realiza una clasificación de los bioelementos y de las biomoléculas, indi­cando las características de cada grupo.

Los bioelementos son los elementos químicos que constituyen las moléculas de los seres vivos. De todos los elementos conocidos, se han identificado como bioelementos unos 70, aunque sólo son comunes a todos los seres vivos alrededor de veinticinco.

Los bioelementos se clasifican en tres grupos:

a) Bioelementos primarios. Constituyen las moléculas de los seres vivos y re­presentan el 99% de la masa de las células. Son el C, H, O y N y, en menor proporción el S y el P.

b) Bioelementos secundarios. Aparecen generalmente en forma iónica, y son, el Na+, Ca++, K+, Mg++, Cl-., también formando parte de biomoléculas. Se encuentran presentes en el medio celular en pe­queñas cantidades.

c) Oligoelementos. Son aquellos elementos químicos que están 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 concentración produ­cen intoxicaciones. Se conocen alrededor de 60 oligoelementos, entre los que se encuentran el Fe, Cu, Zn, Mn, Co, etc.

Las biomoléculas son las moléculas que constituyen a los seres vivos. Antes fue­ron llamadas principios inmediatos ya que son compuestos o grupos de com­puestos que se obtienen a partir de una muestra biológica por métodos exclusi­vamente físicos, tales como centrifugación, diálisis, filtración...

Se distinguen dos tipos de biomoléculas:

- Inorgánicas. No son exclusivas de los seres vivos, y son el agua y las sales mi­nerales.

- Orgánicas. Son exclusivas de los seres vivos. Son los glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos.

4. Define enlace por puente de hidrógeno.

El enlace por puente de hidrógeno es un enlace que se establece entre las cargas parciales negativas situadas sobre el oxígeno de una molécula de agua y las cargas parciales positivas situadas sobre los hidrógenos de otras moléculas situadas cerca.

5. Explica a qué se debe la naturaleza polar del agua.

El agua es una molécula formada por la unión de un átomo de oxígeno con dos áto­mos de hidrógeno. Su naturaleza polar se debe a que el átomo de oxígeno presenta una masa mayor que los átomos de hidrógeno, por lo que es más electronegativo. Este hecho provoca que los electrones compartidos en los enlaces se sitúen más cer­ca del oxígeno que de los hidrógenos, generándose dos cargas parciales negativas en la zona del oxígeno y una carga parcial positiva en cada uno de los hidrógenos.

Aunque la molécula agua presenta una carga neta neutra, es una molécula polar.
6. Define molécula hidrófoba y molécula Anfipática.

Las moléculas hidrófobas son moléculas apolares que no pueden establecer enla­ces por puente de hidrógeno con el agua.

Las moléculas anfipáficas son moléculas en las que se diferencian dos zonas: una polar hidrófila, capaz de formar puentes de hidrógeno con el agua; y otra, hidró­foba, incapaz de formarlos.

7. Explica la naturaleza dipolar y la estructura reticular del agua.

El agua es una molécula formada por la unión de un átomo de oxígeno con dos átomos de hidrógeno. Su naturaleza dipolar se debe a que el átomo de oxí­geno presenta una masa mayor que los átomos de hidrógeno, por lo que es más electronegativo. Este hecho provoca que los electrones compartidos en los enlaces se sitúen más cerca del oxígeno que de los hidrógenos, generándose dos cargas parciales negativas en la zona del oxígeno y una carga parcial posi­tiva en cada uno de los hidrógenos.

Aunque la molécula agua presenta una carga neta neutra, es una molécula di­polar.

Debido a la separación de cargas, las moléculas de agua pueden atraerse entre sí por fuerzas electrostáticas entre las cargas parciales negativas situadas sobre el oxígeno de una molécula, y las cargas parciales positivas, situadas sobre los hidrógenos de otras. Este tipo de atracción electrostática se llama enlace por puentes de hidrógeno. Cada molécula de agua puede formar teóricamente enlaces de hidrógeno con cuatro moléculas vecinas. Estos enlaces se forman y se destruyen continuamente lo que hace que el agua a temperatura ambiente sea un líquido que presenta una elevada cohesión interna, baja viscosidad y elevada reactividad química.

8. Relaciona la naturaleza dipolar del agua con las siguientes funciones:

- Medio de transporte de sustancias.

- Amortiguador térmico.

- Efecto refrigerante.

Las moléculas de agua pueden atraerse entre sí por fuerzas electrostáticas entre las cargas parciales negativas situadas sobre el oxígeno de una molécula, y las cargas parciales positivas, situadas sobre los hidrógenos de otras. Este tipo de atracción electrostática se llama enlace por puentes de hidrógeno. Además, las moléculas de agua pueden establecer enlaces de hidrógeno con cualquier molécula polar o que presente cargas. De la naturaleza dipolar otorga al agua un conjunto de propiedades físico-químicas especiales de las que derivan sus funciones biológicas.

Medio de transporte de sustancias

Esta función deriva de la capacidad disolvente del agua, que es capaz de disolver más sustancias que cualquier otro líquido conocido (disolvente universal). Esto es posible gracias a la polaridad de la molécula de agua, que permite establecer interacciones electros­táticas entre sus cargas positivas y negativas con cualquier compuesto iónico y con moléculas que presentan grupos polares.

Los compuestos que se disuelven en el agua son:

- Compuestos iónicos como las sales minerales, se disuelven gracias a las atracciones electrostáticas que se establecen entre los dipolos del agua y los iones de la sal.

- Moléculas polares (con grupos carbonilos, hidroxilos, carboxilo...). Se disuel­ven con facilidad estableciendo puentes de H entre el agua y los grupos fun­cionales de las moléculas.

- Moléculas anfipáticas (con grupos polares y 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.

Amortiguador térmico

El agua actúa como amortiguador térmico en los seres vivos debido a que pre­senta un elevado calor específico, es decir, es capaz de absorber gran cantidad de calor sin que aumente apreciablemente su temperatura. El aumento de la tem­peratura de un cuerpo se produce cuando se aumenta la energía cinética de sus moléculas, es decir, su movimiento. En el caso del agua los puentes de hidrógeno restringen el movimiento de sus moléculas por lo que parte del calor requerido para aumentar su temperatura se utiliza en romper cierto número de puentes de hidrógeno que las mantienen juntas. Por tanto, solo una pequeña parte de la energía calorífica está disponible para elevar la temperatura.

Esta propiedad permite que la temperatura del organismo permanezca relativa­mente constante aunque fluctúe la temperatura ambiental.

Efecto refrigerante

La acción refrigerante del agua se debe a que presenta un elevado calor de vapo­rización que es el número de calorías necesarias para convertir 1 gramo de un lí­quido, que se encuentra en su punto de ebullición, en gas. En el caso del agua este calor es muy elevado debido a la naturaleza dipolar de sus moléculas, ya que la energía (el calor) necesaria para romper los puentes de hidrógeno y que las moléculas pasen de la superficie del líquido al aire (paso de líquido a vapor) es muy elevada.

La evaporación de agua desde la superficie corporal elimina el exceso de calor y estabiliza la temperatura.

9. ¿En qué formas se encuentran las sales minerales en los seres vivos? ¿Cuá­les son sus funciones?

Las sales minerales se encuentran en los seres vivos en dos formas:

- Forma sólida o precipitada. Actúan originando formas esqueléticas y de sos­tén. Por ejemplo el C03Ca participa en la formación de los esqueletos de mo­luscos, crustáceos, corales y vertebrados. El fosfato cálcico endurece los huesos de los vertebrados. La sílice forma el caparazón de algunos microorganismos como las diatomeas e impregna tallos de algunas plantas como las gramíneas.

- En disolución: se encuentran en forma iónica, siendo los principales iones:

- Aniones: Bicarbonato (HCO3-), fosfatos (HPO42- y H2PO4-), cloruro (Cl-), nitrato (NO3-), sulfato (S043-).

- Cationes: Na+, K+, Ca2+, Mg2+.

Entre las funciones de las sales en disolución destacan:

- Actúan como sistemas tampón controlando las variaciones del pH. - Mantienen el equilibrio osmótico.

- Modifican las propiedades disolventes del agua.

- Contribuyen a estabilizar los coloides.

- Presentan acciones específicas participando en un gran número de procesos fi­siológicos como la activación de enzimas, la transmisión del impulso, la con­tracción muscular, la creación de potenciales de membrana, la coagulación san­guínea, etc.

10. Contesta a las preguntas siguientes relacionadas con el pH:

a) ¿Qué es el pH?

b) ¿Qué pH tiene una disolución cuya [H3O+] = 10-3 M?

c) ¿Es una disolución ácida o básica?

d) ¿Cuál es la [OH-]?

a) El pH se define como el logaritmo con signo negativo de la concentración de [H3O+] en unidades de moles por litro.

pH= - log [H3O+]

b) Sustituyendo en la fórmula, pH = 3

c) Es una disolución ácida.

d) [OH-] = 10-11, ya que el producto iónico del agua es una constante.

Kw= [H3O+]x[OH-] = 10-14

11. Enumera algunas propiedades fisicoquímicas del agua y relaciónalas con sus funciones biológicas.

Las propiedades físicas y químicas del agua se deben a su carácter polar que le permite establecer puentes de hidrógeno. Sus propiedades son:

- Gran poder disolvente. Capaz de disolver compuestos iónicos o moléculas polares así como de dispersar moléculas anfipáticas. Esto le permite actuar co­mo medio de transporte interno y como disolvente en los intercambios del or­ganismo con el medio externo.

- Reactividad química. Las reacciones del metabolismo tienen lugar en medio acuoso. Además el agua interviene como reactivo en muchas de estas reaccio­nes (como las reacciones de hidrólisis).

- Alto calor específico. Tiene un elevado calor específico, lo que le permite ac­tuar como amortiguador térmico.

- Calor de vaporización alto. La evaporación del agua líquida absorbe mucho calor; esto le permite actuar como mecanismo refrigerante.

- Densidad. Es más densa en estado líquido que en estado sólido, de forma que los lagos y el mar se hielan solo en la superficie.

- Tensión superficial elevada. Forma una especie de película superficial que permite el desplazamiento de insectos sobre ella.

- Capilaridad. Propiedad que favorece el ascenso de la savia gracias a su poder de adhesión.

- Formar hidroesqueletos, por su alta incompresibilidad debido a su cohesión interna.

12. a) Define el término enlace de hidrógeno.

b) ¿Cuáles de los siguientes compuestos pueden formar puentes de hidró­geno?

a) En estos enlaces, el átomo de hidrógeno es atraído por dos átomos diferentes generalmente O y N, cuya electronegatividad es mayor.

b) Pueden formar puentes de hidrógeno aquellos compuestos que presentan áto­mos de hidrógeno unidos a elementos electro negativos, como O y N, con otros que presenten elementos electronegativos a su vez con densidades de carga negativas.

El compuesto 1 podría establecer puentes de hidrógeno con su grupo C=O, pe­ro no con otra molécula igual que él, sino con un compuesto que tenga gru­pos O-H o N-H, como el agua.

El compuesto 2 podría establecer puentes de hidrógeno con su grupo C=O y con su grupo N-H, por lo que los puede establecer con otra molécula del mis­mo compuesto o con otros compuestos como el agua.

El compuesto 3 podría establecer puentes de hidrógeno con el par de electro­nes sin compartir de su átomo de N con otras moléculas como el agua.

El compuesto 4 podría establecer puentes de hidrógeno con su grupo O-H y con los pares de electrones del oxígeno.

13. ¿Son diferentes el proceso de ósmosis y el proceso de diálisis? Explica por qué.

Ambos procesos se producen por efecto de la acción de membranas semiper­meables. En la ósmosis, se produce el paso del agua a través de la membrana e impide el paso de solutos, y en la diálisis la membrana permite el paso, además del agua, a sales e iones.

Las membranas celulares se comportan como membranas semipermeables por lo que, cuando se encuentran en un medio de una concentración diferente a la in­tracelular, pueden sufrir los efectos de la presión osmótica. La membrana celular también se puede comportar como una membrana de diálisis que permite el intercambio de sustancias iónicas (moléculas pequeñas) entre el medio intracelular y extracelular pero impide la salida de macromoléculas.

14. Define bioelemento y oligoelemento. Cita las principales funciones de las sales minerales.

Los bioelementos son los elementos químicos que forman la materia de los se­res vivos.

Los oligoelementos son bioelementos que aparecen en cantidades escasísimas en los seres vivos pero que son imprescindibles para su buen funcionamiento. Algunos tienen función catalítica al actuar de cofactores de algunas enzimas. Su deficiencia produce enfermedades carenciales.

Las sales minerales se encuentran en los seres vivos en dos formas:

- En forma sólida o precipitada, dando origen a formas esqueléticas y de sostén. Así, por ejemplo, el carbonato cálcico participa en la formación de los es­queletos de moluscos, crustáceos, corales y vertebrados; el fosfato cálcico en­durece los huesos de los vertebrados y la sílice forma el caparazón de algunos microorganismos como las diatomeas e impregna los tallos de las gramíneas.

- En disolución, se encuentran ionizados como aniones o como cationes. Entre las funciones de las sales minerales en disolución podemos destacar:

- Actúan como sistemas tampón controlando las variaciones del pH.

- Mantienen el equilibrio osmótico.

- Modifican las propiedades disolventes del agua.

- Contribuyen a estabilizar los coloides.

- Realizan acciones específicas participando en un gran número de procesos fisio­lógicos (activación de enzimas, transmisión del impulso nervioso, contracción muscular, creación de potenciales de membrana, coagulación sanguínea, etc.).
15. Al añadir un ácido a una disolución de cloruro sódico se produce un gran descenso en el valor del pH. Sin embargo, si se añade la misma cantidad de ácido al plasma sanguíneo apenas cambia el pH. Propón una explica­ción para este hecho.

El pH del plasma sanguíneo es 7,4. Los amortiguadores del pH mantienen el pH constante por su tendencia a combinarse con los iones H+, eliminándolos así de la solución cuando la concentración de iones H+ se eleva y liberándolos cuando desciende. En el plasma sanguíneo hay sales minerales con efecto tampón que amortiguan los cambios de pH del medio. El principal sistema amortiguador en el torrente sanguíneo humano es el par ácido-base H2CO3/HCO3-. El H2C03 se diso­cia en H+ e iones HCO3-. Si la sangre se carga con un exceso elevado de ácido o base, el sistema amortiguador fallará, pero en condiciones normales es capaz de ajustarse de forma rápida y continua a las constantes y pequeñas adiciones de ácido o base que se producen de forma normal en los fluidos corporales.

16. ¿Cuál sería la respuesta de una célula animal a un incremento de la con­centración salina en el medio extracelular? ¿Y a una disminución?

Si se somete a una célula animal a un incremento de la concentración salina en el medio extracelular (medio hiperosmótico o hipertónico), el agua tiende a salir por ósmosis, produciéndose la plasmólisis: la célula se arruga por pérdida de agua (retracción) y puede llegar a producirse la muerte celular.

Si se somete a una disminución de la concentración salina en el medio extracelu­lar (medio hipoosmótico o hipotónico), se produce la entrada de agua en la célula por ósmo­sis, pudiendo llegar a estallar por lisis celular (hemólisis en los glóbulos rojos).

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