BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS. AGUA Y SALES MINERALES

1.1. Introducción.

La materia viva está constituida por unos 70 de los 92 elementos químicos que existen en la Tierra, aunque sólo unos 24 están presentes en todos los seres vivos; el resto, sólo en determinados grupos de organismos.

A los 70 se les denomina elementos biogénicos o bioelementos y, según la proporción en que se encuentran en la materia viva, se clasifican en tres grupos: los bioelementos primarios, los bioelementos secundarios y los oligoelementos.

Todos los bioelementos están en la corteza terrestre, pero la proporción de los elementos químicos mayoritarios de la corteza (por orden de abundancia: O, Si, Al, Fe y Ca) no se corresponde con la de los bioelementos en la materia viva, salvo el oxígeno (H, O, C, N, P, S).

1.2. Importancia del carbono. Propiedades fisicoquímicas.

El carbono desempeña un papel fundamental en la materia viva debido a las propiedades fisicoquímicas que posee:

1) Posee un número atómico 6. En principio, sólo tiene dos electrones desapareados, por lo que tendría valencia II. Sin embargo, desaparea un electrón del orbital 2s2 que pasa a ocupar el 2pz, con lo cual se forman cuatro orbitales híbridos sp3 con otros tantos electrones desapareados, orientados según los vértices de un tetraedro y con la posibilidad, por tanto, de establecer cuatro enlaces covalentes.

2) Los enlaces entre carbonos (simples, dobles o triples) permiten construir cadenas largas, lineales o ramificadas, y anillos cíclicos, que constituyen los esqueletos carbonados de una gran variedad de moléculas orgánicas. Además, pueden formar, debido a la orientación tetraédrica de los enlaces, estructuras tridimensionales diversas, que son de gran importancia en la función biológica que desempeñan: unión de anticuerpos, unión enzima-sustrato, receptores de membrana, etc.

3) Los átomos de carbono pueden formar enlaces covalentes con otros átomos distintos como el oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno, etc., dando lugar a una gran variedad de grupos funcionales (alcoholes, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, aminas, etc.) que pueden reaccionar entre sí, constituyendo la base química de la actividad de los seres vivos.

4) El silicio, aunque también posee valencia IV y puede formar cadenas, establece enlaces Si-Si que son más débiles e inestables que los enlaces de las cadenas carbonadas debido al mayor tamaño del átomo de silicio, que tira con enorme fuerza de sus electrones. Por tanto, este elemento no aparece en la misma proporción en la materia viva.

1.3. Los átomos que constituyen la vida: elementos biogénicos. Oligoelementos.

1.3.1. Elementos biogénicos primarios o bioelementos mayoritarios.

Entran a formar parte de la materia viva en una proporción muy alta. Son C, H, O, N, P y S, que constituyen un 99% del peso total y son los componentes fundamentales de las biomoléculas. Las razones de este alto porcentaje son varias:

- Forman entre ellos con facilidad enlaces covalentes, compartiendo pares de electrones.

- Poseen un peso atómico bajo, por lo que los e- son poco atraídos por el núcleo, lo que permite compartirlos más fácilmente con otros elementos.

- El oxígeno y el nitrógeno son electronegativos, por lo que su presencia en las moléculas orgánicas implica que éstas sean polares, requisito indispensable para que tengan lugar las reacciones biológicas de la célula.

- Gracias a la forma en que se encuentran los elementos mayoritarios en la corteza (CO2, H2O, nitratos, etc.) los hace fácilmente asimilables por los seres vivos.

1.3.2. Bioelementos secundarios.

Son Mg, Ca, Na, K y Cl. Forman parte de todos los seres vivos aunque en conjunto no superan, generalmente, el 1% de la masa total del organismo.

1.3.3. Oligoelementos.

Se encuentran en cantidades insignificantes, inferiores al 0,1% de la masa total de los seres vivos; pero son tan importantes como los anteriores, ya que su carencia puede provocar serios trastornos en el individuo. De los 60, sólo 14 de ellos pueden considerarse comunes para la mayoría (oligoelementos esenciales).

1.4. Biomoléculas.

1.4.1. Características de las biomoléculas.

Los bioelementos y oligoelementos no suelen encontrarse en estado libre sino que se combinan entre sí para formar moléculas definidas; se denominan también principios inmediatos. Se clasifican en orgánicas e inorgánicas.

Las biomoléculas orgánicas se clasifican a su vez en glúcidos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y biocatalizadores (vitaminas, enzimas y hormonas); los principios inmediatos inorgánicos, en dos: agua y sales minerales.

1.4.2. Los enlaces de las biomoléculas.

Son varios los tipos de enlace que intervienen en la formación de biomoléculas. Si atendemos a su fuerza de cohesión, tenemos:

Enlace covalente. Dos elementos químicos comparten electrones de valencia formando enlaces covalentes sencillos, dobles o triples. Un enlace covalente polar es el que se establece entre átomos de diferente electronegatividad: el más electronegativo atrae con más fuerza los electrones compartidos creándose una distribución asimétrica de la carga formándose un dipolo (O-H, N-H, C=O, etc.).

Enlace iónico. Se establece entre elementos químicos de muy diferente electronegatividad. El enlace más electronegativo capta uno o varios electrones del otro, quedando con carga negativa (anión); mientras que el menos electronegativo queda con carga positiva (catión).

Puente de hidrógeno. Un átomo de hidrógeno unido a un elemento muy electronegativo interacciona con un par de electrones no compartidos de otro átomo electronegativo y pequeño.

Interacciones apolares. Se forman entre las porciones apolares de las moléculas que tienden a unirse entre si (fosfolípidos de las membranas).

Interacciones electrostáticas. Se producen entre radicales de distinta carga, pertenecientes a dos moléculas diferentes.

Fuerzas de Van der Waals. Interacciones muy débiles e inespecíficas (sustrato + enzima) que tienen lugar entre átomos debido a las variaciones de las nubes de electrones.

1.4.3. Grupos funcionales.

Son las combinaciones de átomos más comunes en la materia orgánica: alcohol (-O-H), aldehído (R-HC=O), ácido (R-COOH), cetona (R-R'C=O), amina R-NH2, éster -ácido ­­+ alcohol (R-CO-O-R')-, amida -ácido + amino- (R'-RN-CO-R'').

1.4.4. Las funciones de las biomoléculas.

Energética. Moléculas que se oxidan para obtener la energía contenida en sus enlaces.

De reserva o almacén. Se guardan para obtener energía en otro momento.

Estructural. Forman estructuras como membranas celulares, esqueletos, etc.

Reguladora. Intervienen en ciertas actividades celulares (facilita reacciones metabólicas, la absorción de moléculas, etc.).

2.1. Introducción.

Es la sustancia química más abundante en la materia viva, llegando a alcanzar el 75% por término medio. En el ser humano representa el 63% de su peso.

La cantidad de agua presente en los seres vivos depende de tres factores: la especie (los organismos acuáticos tienen mayor porcentaje de agua que los terrestres), edad del individuo (los jóvenes tienen mayor proporción de agua) y el tipo de tejido u órgano (los tejidos con mayor actividad bioquímica poseen mayor proporción de agua).

El agua se encuentra en la materia viva en varias formas:

1) Como agua circulante libre: por ejemplo, en la sangre.

2) Como agua intersticial, entre las células, a veces fuertemente adherida a la sustancia intercelular (agua de inhibición), difícil de extraer, como sucede en el tejido conjuntivo.

3) Como agua intracelular, en el citosol y en el interior de los orgánulos celulares.

4) Como agua combinada. No es extraíble por desecación. Se libera durante las reacciones químicas.

2.2. Estructura.

La molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. Cada átomo de hidrógeno comparte un par de electrones con el oxígeno.

La configuración electrónica del oxígeno permite la formación de cuatro orbitales híbridos sp3 orientados aproximadamente según los vértices de un tetraedro, de los cuales sólo dos son orbitales enlazantes. En la molécula de agua, el átomo de oxígeno forma dos enlaces covalentes con dos átomos de hidrógeno, de manera que en cada enlace se comparten dos electrones (uno de cada átomo).

Pero, al ser la electronegatividad del oxígeno mayor que la del hidrógeno, los pares de electrones compartidos se ven atraídos con más fuerza por el núcleo del oxígeno que por el del hidrógeno, con lo cual existe un exceso de carga negativa (δ-) en esa situación, mientras que en la zona correspondiente a los enlaces con los átomos de hidrógeno, se origina una cierta carga positiva (δ+), formándose así un dipolo eléctrico.

Esta polaridad favorece la cohesión entre las moléculas de agua mediante el establecimiento de enlaces o puentes de hidrógeno. También puede formar enlaces por puentes de hidrógeno con otras moléculas polares distintas del agua.

2.3. Propiedades físico-químicas y funciones biológicas.

El agua posee propiedades inherentes a su propia estructura y a su capacidad de establecer puentes de hidrógeno, que le permiten la realización de funciones biológicas imprescindibles para el mantenimiento de la vida. Estas propiedades son:

1) Elevada cohesión molecular.

- Gracias a la existencia de los puentes de hidrógeno las moléculas forman una estructura compacta, por lo que el agua es un líquido prácticamente incompresible, idóneo para dar volumen a las células, lo que le confiere una función estructural.

- También explica la cohesión entre sus moléculas, la elevada tensión superficial, es decir, que su superficie oponga una gran resistencia a romperse lo que permite, por ejemplo, el desplazamiento sobre ella de algunos insectos.

- La capilaridad o facilidad para el ascenso del agua por el interior de conductos estrechos como los conductos del xilema, está relacionada también con la elevada cohesión entre las moléculas de agua y entre éstas y las paredes del conducto (adhesión molecular).

2) Elevada constante dieléctrica. Facilita la disolución de sustancias en ella al favorecer la ionización de las mismas.

El agua, debido a su naturaleza dipolar tiene función disolvente y de transporte de sustancias, tanto orgánicas como inorgánicas:

- La mayoría de sales cristalizadas se disuelven con facilidad en el agua. La disolución se produce porque los dipolos del agua se oponen a las uniones electrostáticas entre los iones positivos y negativos que forman la sal debido a su elevada constante dieléctrica. El fenómeno se denomina solvatación.

- Los compuestos orgánicos ionizables se disuelven también por la misma razón.

- Los compuestos orgánicos neutros se disuelven en agua por la tendencia de ésta a formar enlaces de hidrógeno con dichos grupos funcionales.

- Además, aunque no disuelve, sí dispersa sustancias anfipáticas, que son aquellas que contienen a la vez grupos hidrófobos (repelen el agua) y grupos hidrófilos (tienen apetencia por el agua).

- Incluso moléculas de gran tamaño (macromoléculas) como las proteínas que forman dispersiones coloidales y pasan de sol (diluida) a gel (concentrada).

3) Elevado calor específico. El calor específico es la cantidad de calor que es necesario suministrar a un gramo de una sustancia para aumentar 1ºC su temperatura. Así, cuando se aplica calor al agua, parte de la energía comunicada se emplea en romper los puentes de hidrógeno. Por tanto, se necesita mucho calor para elevar su temperatura, lo que la convierte en estabilizador o regulador térmico del organismo frente a los cambios bruscos de temperatura.

4) Elevado calor de vaporización. Cuando el agua pasa de estado líquido a estado gaseoso necesita absorber mucho calor para romper todos los enlaces de hidrógeno. Cuando el agua se evapora en la superficie de un ser vivo, absorbe calor del organismo actuando como refrigerante. Gracias a esta propiedad se puede eliminar gran cantidad de calor con poca pérdida de agua.

5) Menor densidad del agua sólida. La densidad máxima del agua se alcanza a 4ºC. Frente a lo que ocurre con la mayoría de las sustancias, el agua posee una densidad menor en estado sólido, por lo que el hielo flota en el agua. Esto permite que se congele la superficie de lagos y ríos, pero bajo la superficie el agua permanezca líquida permitiendo así la supervivencia de los organismos acuáticos durante el invierno. Si el hielo fuera más denso que el agua, acabaría helándose toda la masa de agua.

6) Capacidad de ionización
. En el agua líquida existe una pequeña cantidad de moléculas ionizadas disociadas en sus iones

2H2O ↔ H3O+ + OH-.

La ionización se produce cuando un átomo de hidrógeno de una de ellas se une mediante un enlace covalente al átomo de oxígeno de otra molécula a la que estaba unida por un puente de hidrógeno.

El agua interviene directamente como reactivo químico en algunos procesos bioquímicos.

2.4. Disoluciones acuosas de sales minerales.

2.4.1. Introducción.

En todos los seres vivos, tanto animales como vegetales, se encuentran siempre determinadas cantidades de sales minerales de tres maneras diferentes:

1) Precipitadas, en estado sólido, formando piezas duras.

2) En forma de iones, unidas a moléculas orgánicas.

3) Disueltas en agua formando aniones y cationes.

2.4.2. Funciones de las sales minerales.

Función estructural. Las sales minerales en estado sólido forman parte de una gran variedad de estructuras rígidas de los seres vivos: huesos de vertebrados y conchas de moluscos (carbonato cálcico), cubiertas de diatomeas (sílice), etc.

También están formadas por sales minerales ciertas inclusiones de la membrana, citoplasma y pared de algunas células vegetales.

Funciones fisiológicas y bioquímicas. Los cationes que se liberan cuando una sal se disocia desempeñan una función específica en el ser vivo, que depende de la propia naturaleza del catión. En ocasiones, los cationes regulan la actividad de ciertos órganos, acelerándola o inhibiéndola. A veces incluso dos cationes pueden ejercer acciones antagónicas o contrarias, por lo que han de estar en una proporción adecuada para mantener el equilibrio metabólico. Así, Na+, K+, Ca2+, ejercen de forma separada una acción paralizante sobre el corazón. Ahora bien, mientras los cationes monovalentes (K+ y Na+) lo paralizan en diástole, los iones bivalentes (Ca2+) lo paralizan en sístole: existe un antagonismo entre ellos. Pues bien, sólo cuando se encuentran en proporciones adecuadas, el corazón late normalmente.

Regulación osmótica.
Cuando separamos dos soluciones salinas de diferente concentración mediante una membrana semipermeable que sólo permite el paso de agua pero no de los iones salinos disueltos en ella, las dos soluciones tienden a equilibrar sus concentraciones y, como los iones no pueden atravesar la membrana, es el agua de la solución más diluida la que va pasando a la solución más concentrada, cesando dicho trasiego cuando ambas soluciones adquieren la misma concentración (o tiendan a alcanzarla).

Mediante el osmómetro se puede poner de manifiesto que los fenómenos osmóticos desarrollan una presión denominada presión osmótica, que depende de la concentración de las dos soluciones salinas. Cuanto mayor es la diferencia de concentraciones, mayor es la presión osmótica.

Dos soluciones son isotónicas cuando tienen la misma concentración salina. Cuando dos soluciones tienen diferente concentración, se dice que la de mayor salinidad es hipertónica respecto de la otra, que es hipotónica respecto de la primera.

Cuando dos compartimentos están separados por una membrana (membrana de diálisis renal) que permite el paso de agua y de iones pero es impermeable a moléculas grandes se traspasa agua e iones difusibles hacia el compartimento con el coloide.

En los seres vivos existe siempre una cierta cantidad de iones H+ y de iones OH- que tienen diversa procedencia:

1) De la disociación del agua. H2O -----> OH- + H+

2) De la disociación de ácidos. HCl -----> Cl- + H+

3) De la disociación de bases. NaOH -----> Na+ + OH-

Para que los fenómenos vitales puedan desarrollarse con normalidad es necesario que la concentración de protones sea más o menos constante y próxima a la neutralidad (pH = 7).

Pero en el metabolismo se están liberando continuamente ácidos y bases que tienden a variar la neutralidad. A esto se oponen ciertos mecanismos de los organismos, los denominados sistemas amortiguadores o soluciones tampón en los cuales intervienen las sales minerales que, de este modo, desempeñan un papel fundamental en la regulación del equilibrio ácido-base, es decir, del pH.

En el medio intracelular interviene el sistema tampón fosfato (H2PO4- / HPO42-) y en el medio extracelular, el sistema tampón bicarbonato (HCO3- / H2CO3).

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