La Base Físico-Química de la Vida

• Características de los Seres Vivos

• Complejidad

• Misma composición

• Misma organización (células) Uniformidad

• Mismo funcionamiento (nutrición, relación y reproducción)

• Mismos mecanismos homeostáticos

• Diversidad

La definición de ser vivo es; todo ser muy complejo, con una gran uniformidad y que además tiene diversidad.

• Unidad Química

Todos los seres vivos están formados por los mismos elementos químicos y las mismas moléculas. Aunque hay elementos que los hay también en la materia inerte, en los seres vivos participan en ellos en cantidades diferentes y establecen enlaces químicos distintos que dan lugar a biomoléculas características de los organismos, llamadas por ello orgánicas (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos). Otras biomoleculas son inorgánicas (agua, sales minerales, y otros gases como el CO2 o el O) y se encuentran en ambas materias.

Los elementos que forman a los seres vivos son los bioelementos (H, C, N, O y en menor proporción P y S)

Los elementos pueden ser monómeros (como por ejemplo aminoácidos) o polímeros (como por ejemplo proteínas)

• Unidad de Organización

Todos los seres vivos están formados por una o millones de unidades llamadas células, que se consideran como la unidad vital, dotada de todas las características propias de un ser vivo.

Célula: unidad mas pequeña estructural (le da estructura) y fisiológica (hace que funcionen) de un ser vivos y que es capaz de cumplir las tres funciones.

Hay dos tipos de células:

• Procariota: posee en su interior un material genético formado por ácido desoxirribonucleico (ADN) que no esta rodeado de membranas que lo aíslen del resto de la célula. No tienen núcleo definido.

• Eucariota: posee un material genético muy complejo formado por ADN unido a proteínas, que esta rodeado por una membrana formando el núcleo, independiente del resto de la célula. El material genético se organiza en cromosomas, en el citoplasma hay una seria de estructuras complejas (mitocondrias, retículos, etc.)

A la vez hay dos tipos de eucariota, animal y vegetal, la cual contiene una pared rígida de celulosa y contiene orgánulos cargados de clorofila y cloroplastos que no aparecen en la animal.

Existen seres unicelulares, es decir con una sola célula que puede ser tanto Procariota como eucariota. Los otros seres son pluricelulares, con millones de células.

• Unidad Funcional

Todos los seres vivos tienen capacidad para llevar a cabo tres tipos de funciones: nutrición, relación y reproducción.

• Nutrición: capacidad de intercambiar y expulsar materia y fabricar energía.

Para ello se producen las reacciones de metabolismo (en el interior de la célula), el metabolismo puede ser de dos tipos: anabolismo (que transforman las moléculas sencillas en complejas, utilizando en ese cambio energía (dada por el catabolismo)) y catabolismo (fabrica energía que se usa en el anabolismo y transforma moléculas complejas en simples).

Hay dos tipos de nutrición:

-Autótrofa: Transforma la molécula inorgánica en orgánica, a través de la fotosíntesis o la quimiosintesis (bacterias). Solo tienen esta nutrición las plantas.

- Heterótrofa: Transforman la materia orgánica en otra materia orgánica. La realizan los animales, hongos, etc.

• Relación: función que consiste en captar estímulos y elaborar la respuesta.

En los animales superiores los encargados de captar estímulos son los órganos de los sentidos y el sistema de coordinación elaboran las respuestas, a través de los músculos y las glándulas.

• Reproducción: capacidad de perpetuarse a través de las generaciones.

Hay dos tipos:

-Asexual: no intervienen los gametos, no gasta energía, los individuos resultantes son clónicos solo varían por mutación como las bacterias, participa un solo individuo y es frecuente en unicelulares.

- Sexual: intervienen los gametos, gasta mucha energía, hay mucha diversidad debido al intercambio de genes, participan dos individuos y es frecuente en pluricelulares.

• Otras características de lo Vivo

• Herencia

A través de la reproducción se transmiten los caracteres morfológicos, fisiológicos y de comportamiento, de una generación a la siguiente.

• Crecimiento

Proceso por el cual los seres vivos, tras la reproducción, aumentan la masa.

• Desarrollo

Proceso que normalmente acompaña al crecimiento en los seres pluricelulares con reproducción sexual, y por el que, conforme aumenta el numero de células, estas se van diferenciando en grupos especializados.

• Adaptación

Es consecuencia de la selección natural. Según las características que tenga un individuo sobrevivirá o no.

• Evolución

Conjunto de cambios que han sufrido los seres vivos a través de la herencia y a lo largo del tiempo.

• Niveles de Organización

1. Molecular (partículas subatómicas, átomos, moléculas simples (aminoácidos), moléculas complejas (proteínas), complejos supramoleculares (virus, núcleo proteínas), orgánulos)

2. Celular

Tejidos células con igual función

Órganos: Corazón

3. Orgánico Aparatos y Sistema: Digestivo

Organismo: una persona

4. Población, misma especie que vive en un mismo lugar

5. Ecosistema, formado por el Biotopo (lugar) y Biocenosis (Especies) y las relaciones entre ambos.

6. Biosfera

El todo no es la suma de las partes, sino que es la suma de las propiedades del anterior mas unas nuevas que se crean, denominadas propiedades emergentes.

Bioelementos

Los bioelementos son elementos presentes en los seres vivos, también en la materia inerte pero en combinación distinta.

Hay tres tipos de bioelementos, primarios, secundarios y oligoelementos.

-Primarios o plásticos: Es el que esta en mayor porcentaje en los seres vivos, forman el 96% del peso y son C, H, O, N y en menor porcentaje el azufre y fósforo.

- Secundarios: ocupan un porcentaje del 3% en todos los seres vivos y son fósforo, azufre, sodio, potasio, calcio magnesio y cloro.

• Oligoelementos: ocupan el porcentaje menor un 1% y solo como máximo de cada elemento puede haber un 0,1%. Los elementos se clasifican en tres grupos, metálicos (Fe, Cu, Co, Mo, Zn, Mn y V), no metálicos (F, Br y I) y (Si) semimetálicos.

Elementos	Nº Atómico	Sistemas inertes (%)	Sistemas vivos (%)	Seres Humanos (%)
C	6	0.18	15.335	19.37
O	8	50.02	70.2	62.81
Al	13	7.30	0.002	0.001
Si	14	25.80	0.006	Omisible
Fe	26	4.18	0.004	0.005

• Propiedades Físico-químicas del Carbono

Peso atómico bajo, por lo que pueden compartir sus electrones con otros átomos y formar enlaces covalentes estables.

Es soluble en agua, ya que en el mecanismo de selección también intervino la solubilidad.

Tienen configuración tetraédrica con cuatro valencias que pueden unirse a tros carbonos mediante enlaces covalentes simples, dobles o triples.

Los átomos de carbono se unen fácilmente con el H, O, N y S. Esto permite introducir en las moléculas orgánicas diferentes grupos funcionales, es decir, grupos de átomos que confieren propiedades concretas a las moléculas que los poseen.

Principales grupos funcionales de las biomoléculas orgánicas
Grupo funcional	Estructura		Familia
Hidroxilo	-OH		Alcoholes
Carbonilo			Aldehídos
					Cetonas
Carboxilo			Ácidos Orgánicos
Ester			Ésteres
Amino			Aminas
Éter			Éteres

Todas las moléculas orgánicas llevan C, pero no todas las que llevan C son orgánicas como por ejemplo el CO2.

• ¿Por qué el Silicio no?

Aunque el silicio es más abundante en la litosfera que el carbono y como él posee 4 electrones en su última capa que puede compartir con otros átomos, los seres vivos no han seleccionado el silicio porque el resto de sus características son tan opuestas a la del carbono que hacen imposible la vida.

• Las uniones de dos silicios son muy inestables y fácilmente mutables.

• Las siliconas (uniones de Si-O) son tan estables que son imposibles de romper, lo que dificulta la capacidad de reacción.

• El Silicio combinado con el oxígeno (Sílice) es un compuesto sólido por lo que es insoluble en agua.

• El silicio no forma enlaces dobles ni triples lo que limita el número de compuestos que se pueden formar.

• Su radio de enlace es mayor y forma por tanto enlaces débiles e inestables que se rompen fácilmente.

• Función de los bioelementos primarios y secundarios

El H, C y O son los elementos básicos en la estructura de todos los seres vivos.

El N, participa en la construcción de proteínas y ácidos nucleicos.

El F, es necesario para la formación de los ácidos nucleicos, y por otra parte, como establece enlaces débiles, ricos en energía, interviene en los procesos de transferencia de energía. Aunque la mayor parte se encuentra como sales minerales sólidas en las estructuras esqueléticas.

El S, es un constituyente de la mayoría de las proteínas, aunque también se halla como anión mineral.

El resto de los bioelementos secundarios se encuentran en el interior de las células y en el medio interno como sales disociadas en iones. Son necesarios para el equilibrio osmótico de la célula, sin el no hay vida posible.

El Na, K, y Cl participan en el mantenimiento del grado de salinidad. Además el Na y K son fundamentales en la transmisión del impulso nervioso.

El Ca, actúa por una parte como elemento plástico, participando en la constitución de estructuras esqueléticas, y por otra, en forma iónica, en la contracción muscular, la coagulación sanguínea, etc.

El Mg, es imprescindible para la acción catálica de muchas enzimas. En las plantas es un constituyente de la clorofila.

El O2, es un elemento muy electronegativo, es decir, al formar un enlace covalente atrae hacia sí con mucha fuerza a los electrones del enlace que comparte con el hidrógeno, formando enlaces estables y participa en el proceso de oxidación que da la energía a los seres vivos.

Biomoléculas

Los átomos de los diferentes elementos biogénicos se combinan entre si para formar las moléculas constituyentes de la materia viva, denominadas biomoléculas.

Hay dos tipos de biomoléculas:

• Inorgánicas: agua, sales minerales y algunos gases (CO2, O3…) se obtienen a partir de seres vivos e inertes. No tienen esqueletos de carbono.

• Orgánicas: glúcidos, ácidos nucleicos, lípidos y proteínas. Se obtienen solo de seres vivos y alimentos. Están formados por esqueletos de carbono.

El Agua en los seres vivos

• Estructura del Agua

Sin agua no hay vida, ya que es el principal componente de los seres vivos y es tan importante para la vida que cualquier organismo desprovisto de ella muere. Normalmente el agua suele ocupar el 75% del cuerpo.

Los órganos con mayor actividad son los que más agua tienen y los que menos actividad menos agua.

Contenido en agua de diferentes partes del cuerpo humano

Algas ……………………………………………………………. 90% Embrión ………………………………………………………… 89% Cerebro (Sustancia gris) …………………………………………84% Músculos ………………………………………………………... 83% Pulmón………………………………………………………….. 70% Tejido adiposo …………………………………………………... 30% Tejido óseo ……………………………………………………... 20% Marfil dentario …………………………………………………… 10%

Según la situación en la que se encuentre se distinguen tres tipos:

• Circundante: se desplaza a través del organismo y es utilizada para el transporte de sustancias.

• Ambición: se encuentra empapando los materiales citoplasmáticos, unida débilmente a los materiales biológicos de los que se separa por desecación a 100ºC.

• Ligada: retenida en combinaciones diversas en el interior de las células, no desaparece por desecación.

Cantidad de agua que entra en el organismo

• Líquida 1200ml/día

• Comida 1000ml/día 2500ml/día

• Metabolismo Celular 300ml/día

Cantidad de agua que sale del organismo Equilibrado

• Orina 1500ml/día

• Sudor y transpiración 50ml/día 2500ml/día

• Respiración 350ml/día

• Heces 150ml/día

Comportamiento bipolar

La molécula de agua esta constituida por un átomo de oxigeno y dos de hidrogeno, unidos por enlace covalente, y adopta una forma en V. Los electrones compartidos por el oxigeno e hidrogeno son atraídos mas fuertemente por el oxigeno que por el hidrogeno, pues tienen diferente electronegatividad, con lo que, aunque la molécula en conjunto es eléctricamente neutra, el átomo de oxígeno tiene cierta carga negativa y los átomos de hidrogeno cierta carga positiva. Esto hace que el agua sea un dipolo eléctrico y por ello las moléculas de agua próximas tienden a asociarse por puentes de hidrogeno. Se pueden formar grupos de hasta nueve moléculas, que duran fracciones de segundo.

Este carácter bipolar provoca las siguientes propiedades:

• Elevada capacidad disolvente y dispersante

Elevada constante dieléctrica

Disuelve a:

-Sales (Solvatación)

Los iones que constituyen la sal, están fuerte mente atraídos a través de atracciones electroestáticas, la salubridad se produce porque los dipolos del agua se oponen a esa unión y atraen fuertemente a los iones.

• Moléculas Orgánicas Ionizadas

Poseen grupos funcionales polares, como por ejemplo los que poseen grupos amino o carboxilo, los cuales tienden a ionizarse por interacción con el agua

R-NH2 R-NH3+

R-COOH R-COO- + H+

• Compuestos orgánicos neutros

No se ionizan. Poseen grupos funcionales polares, como los grupos hidroxilo y los grupos carbonilo. Su salubridad se debe a la tendencia del agua a establecer enlaces de hidrógeno con dichos grupos funcionales.

• Sustancias antipáticas

Son aquellas que contienen a la vez grupos hidrófobos y grupos hidrófilos. Como por ejemplo los ácidos grasos.

Los ácidos grasos al entrar en contacto con el agua forman micelas, al disponerse las colas hacia el interior y las cabezas al exterior.

Funciones de esta propiedad

• Facilita el intercambio de materia entre la célula y el medio, ya que son la sustancias disueltas las que pueden pasar, en uno y otro sentido, a través de las membranas celulares.

• Es vehículo de transporte de sustancias entre distintos puntos del organismo, como ocurre con las sustancias que transportan la sangre y la savia, ya que tienen gran contenido de agua.

• Es medio de reacción, pues la mayoría de las biomoleculas están disueltas en el agua y, de ese modo, reaccionan entre sí.

• Elevada fuerza de cohesión

Se debe a los puentes de hidrogeno que es lo que permite que se mantengan fuertemente unidas a las moléculas, haciendo el agua un liquido casi incompresible.

Funciones

• El agua proporciona volumen a las células, turgencia a las plantas y sirve como esqueleto hidrostático de ciertos animales invertebrados como por ejemplo los anélidos.

• Elevada fuerza de adhesión

La adherencia es la fuerza de atracción entre superficies de cuerpos diferentes.

Funciones

• Facilita el ascenso de la savia bruta por los vasos leñosos del xilema.

• Elevada tensión superficial

En la superficie de contacto con otro medio forma una película bastante resistente.

La propiedad se debe a que las fuerzas de cohesión entre las moléculas de la superficie no se equilibran, a diferencia de lo que ocurre con las moléculas del interior cuya resultante es nula, sino que se origina una fuerza dirigida hacia el interior del liquido y perpendicular al a superficie, que hace que en esta zona la cohesión sea mayor.

Funciones

• Facilita el desplazamiento por la superficie de algunos organismos.

• Alto calor específico

El calor específico es la cantidad de calor que hay que suministrar a 1 gramo de una sustancia para que su temperatura se eleve 1ºC. En el caso del agua es de 1 caloría y es un valor relativamente alto. Esto permite que el agua absorba o libere grandes cantidades de calor sin que haya grandes variaciones en su temperatura.

Funciones

• El agua actúa como amortiguador de los cambios térmicos bruscos.

• Alta conductividad

Facilita la distribución del calor por toda la masa de agua.

Funciones

• Evita la acumulación del calor en un determinado punto del organismo.

• Alto calor de vaporización

En el caso del agua, el calor de vaporización asciende a 539,5 cal/g, es bastante elevado ya que es necesario romper los puentes de hidrogeno. Esto supone la refrigeración del organismo.

Funciones

• El alto calor especifico, la alta conductividad y el alto calor de evaporación hacen que el agua sea un excelente agente regulador de la temperatura. Y mantiene la temperatura constante en los seres homeostáticos.

• Capacidad de disociación

El agua se puede disociar en los iones H+ y OH -. La rotura de una molécula de agua recibe el nombre de hidrólisis.

A - C + H2O (H+, OH -) AH + BOH

Funciones

• Puede actuar como reactivo químico

• Coeficiente de dilatación negativo

Cuando se eleva la temperatura de cualquier sustancia aumenta su volumen y en consecuencia disminuye su densidad. En el agua, el intervalo de 0ºC a 4ºC, ocurre lo contrario, ya que el coeficiente de dilatación en dicho intervalo es negativo. Ello hace que tenga el mínimo volumen y por lo tanto mayor densidad a los 4ºC.

Funciones

• Hace posible la vida bajo el hielo

• Transparencia

Facilita la penetración de los rayos solares, al menos hasta ciertas profundidades, de gran importancia para que los seres acuáticos hagan la fotosíntesis.

Funciones

• Permite la vida de los vegetales y consecuentemente de otros organismos en las aguas.

Las Sales Minerales en los Seres Vivos

En todos los seres vivos tanto animales como vegetales, existen siempre determinadas cantidades de sales minerales, que se encuentran de dos formas:

• En algunos casos en estado sólido, formando parte de estructuras esqueléticas. Por ejemplo, el fosfato de calcio en los huesos, el carbonato de calcio en las conchas, o la sílice en los caparazones de algas diatomeas y radiolarios, espículas de esponjas silíceas, y tallos de gramíneas y cola de caballos (equisetos).

• En su mayoría en disolución, es decir, sus moléculas se hayan en forma de iones y tienen una característica muy singular: su metabolismo se diferencia del de los demás componentes de la materia viva en que no pueden ser ni producidas ni degradadas. Entre ellas destacan por su importancia:

- Aniones: cloruros, fosfatos, hidrógeno carbonato, nitratos y sulfatos.

- Cationes: Na+, K+, Ca++ y Mg++

• Propiedades de las sales disociadas (disueltas)

• Regulación de los procesos osmóticos

Cuando dos soluciones de diferente concentración se ponen en contacto, por difusión el soluto pasa de la más concentrada a la más diluida y el disolvente pasa en sentido contrario, hasta que ambas concentraciones se igualan.

Pero si dichas soluciones se separan por una membrana semipermeable que solo deja pasar el disolvente pero no las sustancias, únicamente pasara el disolvente de la mas diluida o hipotónica a la más concentrada o hipertónica. Este proceso denominado ósmosis, continuara hasta que las soluciones tengan la misma concentración, es decir, que sean isotónicas.

En las células al ocurrir este proceso puede pasar dos cosas o que la célula muera por plasmólisis, es decir que el medio de la célula es hipertónico y la célula hipotónica, por lo que libera disolvente para diluir el exterior, pero al hacerlo lo libera todo y se queda seca, por lo que muere, la otra opción es que el medio sea hipotónico y la célula hipertónica la célula muere por hemólisis ya que deja entrar disolvente en su interior y termina explotando. En el caso de las células vegetales se da la turgescencia en lugar de la hemólisis, ya que al tener la pared la vacuola central no tiene espacio para introducir disolvente y revienta.

Por tanto, la ósmosis es un proceso de difusión a través de una membrana semipermeable, en la que sólo pasa el disolvente, no las sustancias disueltas.

• Regulación del pH

pH= - log [H+]

En los líquidos orgánicos existen siempre unas ciertas cantidades de iones H+ (hidrogeniones) y OH - (hidroxilos) que proceden de la disociación del agua

(H2O H+ y OH - ) y de sustancias ácidas y básicas. Los primeros tienen carácter ácido y los segundos básicos. Por ello, la acidez o basicidad de un medio, que se mide en unidades de pH, dependerá e la proporción entre dichos iones:

• [H+] = [OH _ ] pH neutro = 7

• [H+] > [OH _ ] pH ácido < 7

• [H+] < [OH _ ] pH básico >

El ión H+ no existe como tal en la disociación del agua, en realidad es H3O+, sin embargo se puede y se suele poner H+.

Para que funcione todo bien lo mejor es que tengan un pH neutro o cercano a el. Sin embargo, como resultado de las reaccione metabólicas, continuamente se están produciendo sustancias ácidas o básicas que hacen varia el pH. Para evitarlo, el organismo dispone de ciertos mecanismos químicos (sistemas amortiguadores o tampón). Que evita el cambio pH, constituidos por ácido débil y una sal del mismo ácido. Existen sistemas tampón, pero uno de los más importantes es el formado por el ácido carbónico (H2CO3) y el hidrógeno carbonato de sodio (NaHCo3).

Si en el organismo se producen sustancias ácidas en exceso, éstas se ionizarán y los hidrogeniones producirían un aumento de la ácidez:

HAA- + H+

Para que esto no ocurra el hidrógeno carbonato del sistema tampón reacciona con la sustancia ácida:

HA + NaHCo3 NaA + H2CO3

Se produce una sal neutra, que en el caso de que hubiera exceso es fácil de eliminar por la orina, y ácido carbónico que se disuelve y forma CO2 y H2O.

Con todo esto se logra que el ácido no suelte los hidrogeniones y no baje el pH.

Cuando se producen demasiadas sustancias básicas, al ionizarse originan hidroxilos que harían variar el pH hacia la basicidad:

BOH B+ + OH-

Para oponerse a este cambio, el ácido carbónico del sistema amortiguador reacciona:

BOH + H2CO3 BHCO3 + H2O

El agua y la sal son neutras y el exceso se elimina en el medio

Así, los sistemas tampón se oponen automáticamente a los cambios de pH y se mantiene la neutralidad de los líquidos orgánicos. En los medios extracelulares es el hidrógeno carbonato y sus sales, y en el medio intracelular, el tampón más importante es el fosfórico y sus sales.

• Acción Específica de los cationes

Los cationes ejercen varias funciones que dependen del tipo de catión y que no pueden ser sustituidos por otros, por eso se dice que son específicos.

Por ejemplo el Na+ y K+ intervienen en el impulso nervioso y el Ca++ en la contracción muscular.

Además algunos tienen la característica de ser antagónico, es decir, contrario a la acción de algún otro catión.

Por ejemplo el K+ aumenta la turgencia de las células y el Ca++ disminuye la turgencia de las células por lo que ambos han de estar equilibrados.

El Na+ y K+ paralizan el corazón en la diástole y el Ca++ lo hace en la sístole.

Conclusión

Cualquier líquido (soluciones fisiológicas) decen de ser:

• Isotónico

• pH entorno al neutro

• Composición catiónica equilibrada, debe de tener determinado cationes en una determinada proporción.

Las soluciones fisiológicas son por ejemplo el líquido de Ringer (para anfibios), líquido de Tyroide (para mamíferos).