Bioelementos. Funciones

Son los elementos químicos que constituyen la materia viva. Son los elementos químicos que se obtiene a partir del análisis químico de la materia viva.

Existen aproximadamente 70 de los cuales sólo 16 son comunes en los seres vivos.

Podemos clasificarlos en:

Mayoritarios: se encuentran en mayor proporción en la materia viva: C, H, O, N, S, P. Constituyen el 96% de la materia viva. Son indispensables para la síntesis de las biomoléculas orgánicas.

Minoritarios: se encuentran en menos proporción en la materia viva. Hay muchos que son indispensables (se encuentran en todos los seres vivos) y otros que son variables (no se encuentran en todos los organismos) Pb, Ti, Cu…

Oligoelementos: se encuentran en una proporción en la materia viva inferior a 0.1%. Pueden ser indispensables o variables. También llamados elementos. La mayoría son indispensables por su función.

Funciones de los mayoritarios:

Biosíntesis de biomoléculas: por eso se llaman bioelementos plásticos (porque forman estructuras) C, H, O son lo más abundantes porque todos los elementos tiene estos bioelementos.

El azufre (S) aparece en algunas proteínas. Forma parte de la coenzima A, componente de los aminoácidos cisterna y metonina, y vitaminas del grupo B.

El fósforo (P) aparece en los nucleótidos como ADN, ARN, ATP, y en coenzimas y fosfolípidos.

Funciones:

Na+, K+, Cl- : Crean gradientes iónicos (diferencia de concentración iónica en las células) que se utilizarán para:

La conducción del impulso nervioso

El equilibrio osmótico

La neutralización de las cargas de las macromoléculas

El Na+ y el K+ favorecen la captación de agua y por lo tanto a la turgencia.

Fe++: Forma parte de la hemoglobina (Hb). Es fundamental en la síntesis de la clorofila.

También encontramos Fe++ en los citocromos (enzimas respiratorias que se encuentran en las mitocondrias)

Mg++: forma parte (junto al Ca++ y P) de los huesos y los dientes.

Permite la unión de las dos subunidades mitocondriales.

Interfiere también en el equilibrio neuromuscular y neurovegetativo.

Aumenta las defensas contra el estrés, el frío y los traumatismos.

Estabiliza la doble hélice de ADN.

Forma parte de la clorofila.

Interviene en la síntesis y degradación del ATP (molécula que almacena energía)

Se utiliza para la síntesis del ARN.

Zn++: forma parte de muchas enzimas, ayudándolas en su comportamiento.

Lo encontramos en el cerebro, órganos sexuales y en el páncreas asociado a la insulina (rebaja los niveles de glucosa en sangre)

I: lo encontramos en la tiroxina.

Co: es indispensable para sintetizar la vitamina B12.

Es indispensable para sintetizar la hemoglobina.

F: lo encontramos en el esmalte de los dientes, es indispensable para la síntesis de los huesos.

Li: aumenta la secreción de neurotransmisores.

Favorece y estabiliza el estado de ánimo.

Ca++: está relacionado con la liberación de neurotransmisores en la sinapsis.

Interviene en las contracciones musculares y en las secreciones glandulares. Interviene en la coagulación de la sangre. Estabiliza muchas estructuras celulares como el huso mitótico.

También interviene en la regulación de la actividad cardiaca.

Al: actúa sobre el SNC aumentando su actividad cerebral.

Regula el sueño.

Favorece la osificación de los cartílagos en los niños durante el desarrollo embrionario.

Aumenta los mecanismos de óxido - regulación del metabolismo.

Cr: lo encontramos en coenzimas de las oxidasas.

También aparece en la hemocianina (sangre de los invertebrados)

Mn: interviene en la fotólisis del agua durante la fotosíntesis.

Biomoléculas. Funciones

Son moléculas resultantes de la combinación de bioelementos entre sí.

Son las moléculas sin alterar que obtenemos al analizar físicamente la materia viva.

Métodos de análisis físicos: evaporación, cristalización, electroforesis, filtración, destilación, diálisis, centrifugación, cromatografía, espectrografía…

Pueden ser inorgánicas: agua, sales minerales (aniones - o cationes +) y gases

Pueden ser orgánicas: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

1.3 Biomoléculas inorgánicas

AGUA:

Es el componente más abundante en los seres vivos. Es indispensable para la vida. Su proporción depende del organismo, la edad y de los tejidos. Parece ser que existe una proporción directa entre el agua y la función que desempeñe (actividad fisiológica)

Tiene 2 átomos de hidrógeno y 1 de oxígemo.

El oxígeno es muy electronegativo y comparte 2 electrones con el hidrógeno que tiene carga positiva.

El agua es una molécula bipolar, esto permite que se establezcan puentes de hidrógeno con moléculas adyacentes, por ello el agua es líquida a temperatura ambiente.

Es líquida a temperatura ambiente, aunque debería ser un gas por su bajo peso molecular.

La estructura del agua está formada por polímeros de 4 a 5 moléculas de agua. Aumenta su peso y por ello es líquida.

Es la única sustancia que en estado sólido es menos densa que en estado líquido

Es muy fluida debido también a los puentes de hidrógeno y por ser una molécula bipolar.

Propiedades:

Elevada fuerza de cohesión interna, es incompresible, el agua da volumen y turgencia. Garcias a esta propiedad el agua puede realizar funciones estructurales, de trasporte y mecánico - amortiguadora.

Elevada tensión superficial (es la resistencia que opone la superficie del agua a romperse). Gran fuerza de adhesión. Es la causa de que se puedan formar deformaciones celulares. Es la causante de la mayoría de movimientos plasmáticos.

Elevado calor específico (calor que hay que comunicar a un gramo de una molécula para que eleve su temperatura un 1º)

Actúa como estabilizador térmico.

Permite que exista vida en el agua.

Amortigua los cambios de temperatura en el interior de los seres vivos.

Elevado calor de vaporización: para pasar de líquido a gas necesita mucha energía, debido a sus fuertes puentes de hidrógeno entre sus polímeros. Permite que tenga una función de regulador térmico y refrigerante.

Menos densidad en estado sólido que en estado líquido.

Elevado momento bipolar: gran fuerza en sus cargas. Separa los iones de las sales minerales con la fuerza de sus cargas, solo se unen de nuevo cuando el agua se evapora. Es un gran disolvente de sustancias iónicas.

Disuelve moléculas iónicas.

Disuelve moléculas con átomos electronegativos. (puentes de hid´rogeno)

Es el medio donde se desarrollan las funciones biológicas, tiene funciones bioquímicas cuando actúa como reactivo en muchas funciones de nuestro catabolismo.

Bajo grado de ionización. Sólo una molécula entre 551000000 es iónica.

Es muy difícil deshacer el agua en iones.

La concentración de los dos iones en que se descompone el agua es idéntica.

A 25ºC las moléculas que se encuentran ionizadas es de 10-14 moléculas por litro.

[H+] = [OH-] = 10-7

Kw, hace referencia a la cantidad de iones que se encuentran en el agua.

El agua es neutra.

Si H+ acidez. El agua es neutra porque [H+] = [OH-]

Si OH- basicidad

pH= -log [H+] pH del agua = 7 = - log [10-7]

pH=1 [H+] > [OH-] ácido

pH=7 [H+] = [OH-] neutro

pH=14 [H+] < [OH-] básico

La adición de pequeñas cantidades de iones o protones varía los niveles de pH.

El agua y sus productos intervienen en reacciones químicas biológicas:

Iónica: produce hidrólisis

Agua: hidrataciones o disoluciones

Tiene función bioquímica actúa como reactivo en reacciones químicas biológicas.

Funciones biológicas del agua son:

Función disolvente: es consecuencia de su elevado momento bipolar. Es básica para la vida. Gran disolvente de compuestos covalentes iónicos pequeños (glucosa…)

Función de transporte: consecuencia de que el agua sea líquida a temperatura ambiente y muy fluida.

Función estructural: debido a su elevada tensión superficial y a la fuerza de cohesión interna.

Función mecánico - reguladora: debido a su elevada cohesión interna y a su viscosidad al disolver diversas sustancias (que le dan mayor viscosidad) líquido sinovial y líquido amniótico.

Función termorreguladora: debido al elevado calor específico y al elevado calor de vaporización. El agua es la responsable de mantener la temperatura en el organismo y regularla.

Sales minerales

Moléculas inorgánicas que se ionizan y disuelven fácilmente en el agua.

En los seres vivos las encontramos precipitadas (sólido) o disueltas.

Precipitadas: formando estructuras sólidas. Tienen función esquelética. Son insolubles al agua. Ej: huesos (carbonatos y fosfatos cálcico - magnésicos), caparazones y conchas (carbonatos cálcicos) y diatomeas (caparazón de las algas)

Disueltas: en forma de aniones y cationes

Aniones: Cl-, NO3-, HCO3-, CO3-…

Cationes: Na+, Ca++, Mg++, K+…

Funciones

Contribuyen a mantener el grado de salinidad constante del medio interno (mantener el equilibrio iónico)

Actúan como disoluciones amortiguadoras de los cambios de pH (soluciones tampón)(reguladoras de pH)

Otras sales minerales desempeñan funciones específicas. Ej: transmisión del impulso nervioso, contracción muscular, secreción glandular…

Cualquier variación en el equilibrio iónico de las células, daría lugar a alteraciones en las funciones celulares (permeabilidad selectiva, excitabilidad, contractibilidad…)

La condición de equilibrio en el medio interno en cuanto a concentraciones iónicas constantes (pH, temperatura…), en cuanto a composición química y propiedades físico-químicas recibe el nombre de homeóstasis condición de equilibrio del medio interno.

Gases

Considerados como componentes de los seres vivos (bioelementos) ya que la mayoría vive en el medio aéreo o cercano a este.

Los gases que intervienen en el metabolismo son:

Oxígeno (Resp. Aeróbia)

CO2 (Fotosíntesis)

Gases inertes nitrógeno: reblandece el oxígeno. Flotación diferencia de concentración de nitrógeno y oxígeno.

Venenos (CO, HN-)

El medio interno. Dispersiones acuosas. Propiedades.

En el medio interno se realizan todas las reacciones químicas, en un medio acuoso.

Plasma sanguíneo Constantes en composición química

Plasma intersticial y propiedades fisico-químicas =

Citosol (líq. Intracelular) Homeóstasis

Se comporta como una dispersión o sistema disperso

Dispersante: agua (mayor cantidad)

Fase dispersa o soluto

Mol. Orgánicas (azúcares, proteínas, lípidos…)

Mol. Inorgánicas (sales minerales…)

Clasificación de las dispersiones del medio interno

Según el tamaño de la fase dispersa, distinguimos:

Dispersiones moleculares o disoluciones verdaderas: cuando la fase dispersa posee bajo peso molecular (sales minerales en forma iónica Cl- y Na+; moléculas orgánicas pequeñas glucosa)

Características:

Muy estables

Solo se separan las dos fases por evaporación

Son transparentes

Dispersiones coloidales o coloides: la fase dispersa tiene elevado peso molecular. Representada en el medio interno por macromoléculas (proteínas y polisacáridos) o por micelas (partícula resultante de la unión de mini partículas que se unen al ser rodeadas y oprimidas por los polímeros del agua) lípidos.

Características:

Las dos fases se separan por ultra centrifugación, sedimentando sus partículas.

Son calaras, parecen transparentes, pero al trasluz se observa opalescencia y/o turbidez (efecto Tyndall)

Aspecto de sol o gel (se diferencia en como están dispersas las moléculas, el sol es más líquido (las moléculas están más separadas), el gel tiene las moléculas mas juntas (recogen agua) el cambio de sol a gel se produce como variación de temperatura, concentración, pH… estos cambios están relacionados con la elasticidad, viscosidad…

Tipos:

Se clasifican según:

La naturaleza de la fase dispersa:

Suspensiones: fase dispersa sólida. (proteínas y polisacáridos)

Emulsiones: fase dispersa líquida (lípidos)

La afinidad de la fase dispersa por el agua:

Hidrófila: la fase dispersa tiene afinidad por el agua (proteínas). Precipitarán cuando eliminen la capa de solvatación por evaporación intensa o adición a moléculas que tienen más afinidad por el agua (ácidos). (la capa de solvatación es la capa de agua que rodea la molécula). Son muy estables.

Hidrófoba: la fase dispersa no tiene afinidad por el agua (emulsiones) (lípidos). Son inestables, pero se estabilizan gracias a los estabilizadores o emulsionantes (tienen una parte hidrófila y otra que tiene afinidad por el lípido) mantienen la emulsión. Las proteínas actúan como emulsionante de los lípidos (Ej: la caseína de la leche). Las lipoproteínas del plasma son emulsionantes. La membrana hoptógena es la capa externa de los emulsionantes. Las sales filiales también son emulsionantes, emulsionan las grasas en el intestino para que las lipasas actúen más rápidamente en la absorción del alimento.

Propiedades de las dispersiones con interés biológico

Difusión: proceso por el cual ciertas moléculas tienden a repartirse en el medio fluído (agua o gas). Hace reparto equitativo. Tiene lugar ya que las partículas de líquidos o gases están en movimiento. Se realiza a través de una membrana permeable.

Ejemplo biológico: Intercambio de gases, intercambio de sustancias entre la célula y el medio externo.

Diálisis: proceso por el cual pueden separse los solutos dependiendo de su peso molecular. La membrana de diálisis separa las moléculas de bajo peso molecular de las que tienen mayor peso molecular.

Ejemplo biológico: los riónes filtración renal.

La membrana de hemodiálisis no tiene permeabilidad selectiva ya que es artificial.

Ósmosis: es un proceso por el cual se igualan las concentraciones de dos disoluciones que estén separadas por una membrana semipermeable (sólo deja pasar el agua desde dónde la disolución está más diluida (- concentración hipotónica) a la más concentrada (+ concentración hipertónica) para intentar equilibrar las concentraciones (isotónicas)

Dentro y fuera de la célula debe haber la misma concentración.

Mecanismos de regulación osmótica:

Cuando una célula se encuentra en un medio hipertónico desprende agua del Citosol al exterior, la célula sacaría toda el agua deshidratándose. Se produciría la muerte de la célula o plasmólisis por deshidratación.

Cuando la célula muy concentrada se encuentra en un medio hipotónico tiende a absorber agua, produciéndose una muerte por turgencia (reventaría la célula)

Adsorción: proceso por el cual las partículas de una sustancia se adhieren a la superficie de otra. A mayor superficie, mayor adsorción.

Ejemplo biológico: Unión enzima-sustrato, unión antígeno.anticuerpo, receptores de membrana

Viscosidad: proceso que hace referencia a las disoluciones y dispersiones. Es la resistencia o desplazamiento de las moléculas en una dispersión. Aumenta con el paso de sol a gel.

Sedimentación: propiedad típica de las dispersiones coloidales. Las partículas de la fase dispersa se sedimentan por ultra centrifugación. Sirve para saber su peso molecular dependiendo del tiempo que tarda en sedimentar

Swelberg (S) tiempo que tarda en sedimentar

Ejemplo biológico: los ribosomas tardan 80 s en sedimentar.

Electroforesis: transporte de partículas coloidales debido a la acción de un campo electromagnético. Se usa para separar proteínas de distinta carga, dirigiéndose al cátodo - o al ánodo +)

Regulación osmótica y regulación de pH: para que los fenómenos vitales se desarrollen con normalidad es necesario que el pH sea constante y próximo a la neutralidad (pH intercelular = +- 6.8, pH extracelular = +- 7.4)

El pH no puede cambiar bruscamente ya que cambiaria la estructura de las biomoléculas y alteraría las reacciones bioquímicas.

Las variaciones de pH influyen en:

Actividad enzimática

Actividad hormonal

Distribución de iones dentro y fuera de la célula.

En el organismo se producen continuamente protones procedentes del catabolismo de las proteínas (aumento de protones implica aumento de acidez) también del ácido láctico, del ácido carbónico (procedente del CO2 de la respiración)

Este exceso de protones variaría el nivel de pH normal si no fuera por los mecanismos para regular el pH (neutralizar el exceso)

Los sistemas tampón: es una mezcla en equilibrio de un ácido débil y una sal del mismo ácido (mezcla en equilibrio de la forma disociada y no disociada de un ácido débil) cuando un ácido se encuentra con su sal no se disocia mientras que la sal si. En estos casos actúa como dador y/o aceptor de protones.

Los sistemas tampón se basan en las propiedades de los ácidos débiles.

Se divide en:

Sma tampón extracelular: regula el pH del medio extracelular (sangre y plasma intersticial). El pH tiene que estar +- en 7.4. es el sistema de los bicarbonatos (equilibrio entre la forma disociada y no disociada del ácido carbónico y Na+)

Sma tampón intracelular: mezcla en equilibrio del monohidrógeno y el dihidrógeno fosfato con iones de Na+. Es el sistema de los fosfatos. Mezcla en equilibrio de la forma disociada y no disociada del ácido fosfórico.