bases biologicas de la vida 2015
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COLEGIO PADRE SEGUNDO FAMILIAR CANO TEMA Nº 5 DE BIOLOGÍA BASES BIOLÓGICAS DE LA VIDA I TRIMESTRE Docente: Nuribell García Barría OBJETIVO DE APRENDIZAJE: Valora la importancia de los compuestos orgánicos e inorgánicos en el funcionamiento adecuado del organismo, para conservar la salud. MATERIA Y ENERGÍA Los seres vivos necesitan un aporte continuo de materia y energía para la realización de los procesos vitales. Para que ocurran las reacciones químicas dentro de los seres vivos consideramos a la materia y la energía completamente distintas entre sí: la materia está representada por el material físico del universo; la energía es la capacidad de realizar un trabajo, generalmente manifestada por piezas de materia en movimiento de un lugar a otro. La energía puede existir de diversas formas y convertirse de una forma a otra. Las dos tipos principales de energía son la energía cinética y la potencial. La energía cinética es la energía del movimiento; incluye no solo el movimiento de objetos grandes, sino también en otras formas de movimiento, como la energía eléctrica (movimiento de electrones) y el calor (movimientos de átomos y moléculas). La energía potencial es energía almacenada que puede liberarse como energía cinética bajo condiciones adecuadas. Ejemplo: los alimentos que usted ingiere contienen energía potencial química y algunos se convierten en energía de movimiento y calor cuando corre. ESTRUCTURA DE LA MATERIA Los seres vivos al igual que la materia inerte están compuestos por átomos y moléculas, que interactúan entre si y que se rigen por las leyes de la Química y de la Física. Un átomo es la unidad más pequeña de un elemento que conserva las propiedades de dicho elemento. El átomo se caracteriza por tener un núcleo central y una envoltura electrónica. En el núcleo encontramos los protones y neutrones, y en la envoltura los electrones. Un elemento: está formado por la misma clase de átomos; es una sustancia con propiedades específicas que puede romperse y convertirse en diferentes sustancias mediante reacciones químicas ordinarias, los elementos son los ladrillos de toda la materia viva e inerte. Un compuesto es una sustancia formada de proporciones precisas de dos o más elementos, unidos en un patrón geométrico específico. Ejemplo: el agua consta de una parte de oxígeno y dos de hidrógeno, con un orden preciso. Una mezcla está integrada por dos o más compuestos o elementos en proporciones variables. Ejemplo: una lata de refresco contiene, entre otras cosas, agua, azúcar y cantidades variables de dióxido de carbono. A. BIOELEMENTOS: Elementos de la vida En la materia viva el nivel de organización más sencillo es el de bioelementos, presentes en los seres vivos. Ellos se han clasificado en Bioelementos primarios, bioelementos secundarios y oligoelementos. Bioelementos primarios (SPONCH): son indispensables para formar las biomoléculas orgánicas (carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos). Comprenden el 96 % de la materia viva. Estos elementos son también conocidos como elementos biogenésicos u organoelementos. Las propiedades físico-químicas que los hacen idóneos son las siguientes: Forman entre ellos enlaces covalentes, este tipo de enlace consiste en que los electrones de dos átomos diferentes son compartidos y así se mantienen unidos por la atracción de los dos núcleos. Pueden ser de dos tipos: Covalente no polar: los electrones son repartidos de modo equitativo entre los átomos participantes, por lo tanto, no se produce ninguna carga eléctrica (electronegatividad) dentro de la molécula. Covalente polar: en este tipo de enlace, la electronegatividad de los átomos que forman la molécula es diferente, lo que hace que los electrones compartidos sean atraídos con mayor fuerza hacia un elemento que el otro. Enlace iónico: en este tipo de enlace hay una transferencia total de electrones más externos de un átomo a otro. El C, N, y O, pueden compartir más de un par de electrones, formando enlaces dobles y triples, lo cual denota su versatilidad para el enlace químico. Por su configuración tetraédrica de los enlaces de carbono, los diferentes tipos de moléculas orgánicas tienen estructuras tridimensionales diferentes; la cual es responsable de la actividad biológica. BIOELEMENTOS PRIMARIOS S P O N C H FUNCIÓN Forma parte de la mayoría de las proteínas, también se encuentra en dos aminoácidos(cisteína y metionina) y en algunas sustancias como la Coenzima A. Forma parte de los ácidos nucleicos, de las coenzimas y de otras moléculas como fosfolípidos; forma parte también de los fosfatos, sales minerales abundantes en los seres vivos. Necesario en la respiración celular; forma parte del agua y de los principales compuestos orgánicos Forma parte de las proteínas. Forma el esqueleto de las moléculas orgánicas. Forma parte del agua; presente en gran parte de los compuestos orgánicos. Bioelementos secundarios (Na, K, Mg, Ca): abarcan el 4% del protoplasma, participan en importantes funciones celulares como: la conducción del impulso nervioso, la contracción muscular, el movimiento celular y la regulación del funcionamiento de las enzimas. Bioelementos secundarios Función Catión importante en el equilibrio del agua en el cuerpo; Na indispensable en la conducción de los impulsos nerviosos y la contracción muscular. Catión más importante en el interior de las células, K necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular. Forma parte de la molécula de clorofila, y en forma iónica actúa como catalizador, junto con las enzimas, en Mg muchas reacciones químicas. Necesario para la sangre y los tejidos. Componente estructural de huesos y dientes. Importante Ca en la contracción muscular, la conducción del impulso nervioso y la coagulación de la sangre. Oligoelementos: son aquellos bioelementos que se encuentran en el protoplasma en proporciones inferiores al 0.1%. Algunos de ellos son el Fe, Cu, F, Zn, B, I, Se. Aún en concentraciones tan bajas, son indispensables para el correcto funcionamiento de las células. Por ejemplo: el átomo de hierro (Fe) que contiene la hemoglobina, es fundamental para que la hemoglobina (es una proteína) transporte oxígeno en la sangre. El Yodo (I) es un importante constituyente de las hormonas tiroideas y el Zinc (Zn) regula la actividad de algunas enzimas. Oligoelementos Función Constituyente de la hemoglobina y mioglobina; Fe presentes en ciertas enzimas. F Forma parte del esmalte dentario y de los huesos. I Componente de la hormona tiroides. De todos los elementos naturales solo cerca de 25 son esenciales para la materia viva; y son conocidos como macroelementos. Alrededor del 98% de la masa que compone un organismo está formada por 6 elementos principales: Carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). En la materia viva también hay elementos en cantidades bien pequeñas, llamados microelementos o elementos trazas, entre ellos están: zinc (Zn), calcio (Ca), cobre (Cu), flúor (F), manganeso (Mn), cobalto (Co). Cuando los bioelementos se combinan, dan origen a compuestos orgánicos e inorgánicos importantes para la vida. B. BIOMOLÉCULAS. Las moléculas biológicas o biomoléculas se clasifican en simples o compuestas. Las biomoléculas simples están constituidas por átomos del mismo elemento. Ejemplo O2. Las biomoléculas compuestas: Son compuestos químicos, por los que están formadas por átomos de distintos elementos. Pueden se Inorgánicas (H2O, CO2, fosfato de calcio) u Orgánicas (carbohidratos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos). Es importante resaltar que los químicos han clasificado a las moléculas en orgánicas e inorgánica desde hace mucho tiempo. La palabra “orgánica” originalmente significaba que estas moléculas podían fabricarse sólo dentro de los seres vivos (biosíntesis). Sin embargo en la actualidad los químicos orgánicos pueden sintetizar varias de estas moléculas en los laboratorios. La definición moderna de molécula orgánica ha cambiado y se define ahora como: “Cualquier molécula que contenga tanto carbono como hidrógeno. Las moléculas inorgánicas comprenden: “El bióxido de carbono (CO2) y todas las moléculas que no contienen carbono. Tomando en cuenta los criterios enunciados para clasificar los compuestos químicos en orgánicos u inorgánicos, se puede afirmar que los carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos son orgánicos (contienen C, H, O principalmente). Y por ser encontrados en los seres vivos a estas moléculas también se les llama biomoléculas. 1. MOLÉCULAS INORGÁNICAS DE IMPORTANCIA BIOLÓGICA: 1.1 EL AGUA: es la molécula más abundante en los seres vivos; está presente en el 70% del total de la materia viva, presente en líquidos como la sangre, linfa, líquido intersticial, en el medio celular, en las articulaciones o como moléculas asociadas a otras. Estructura del Agua La molécula de agua está formada por 1 átomo de oxígeno y 2 de hidrógeno unidos por dos enlaces covalentes. El oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y atrae con más fuerza los electrones de cada enlace. Propiedades extraordinarias del agua: Es una molécula polar: una molécula es polar cuando uno de los extremos de los que está compuesta se encuentra cargado positivamente, y el otro cargado de forma negativa. El agua es una molécula polar debido a que alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa (es más electronegativo), mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desnudos desprovistos de sus electrones y manifiestan por lo tanto una densidad de carga positiva. Debido a esto la molécula se comporta como un dipolo. Así se establecen interacciones dipolo dipolo entre las propias moléculas de agua, formándose enlaces o puentes de hidrógeno (la carga negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes). Lo que le permite servir como medio de transporte y facilitar las reacciones químicas en los organismos. Tensión superficial alta: También las moléculas de agua tienden a permanecer unidas por los puentes de hidrógeno, por lo que el agua tiene una cohesión elevada, esto provoca tensión superficial (tendencia de la superficie a resistir que se rompa). Permitiendo que los cuerpos pequeños floten en el agua. Es resistente a los cambios de temperatura: esta propiedad esta relacionada con los puentes de hidrógeno que se forman entre las moléculas de agua. El agua puede absorber grandes cantidades de calor que utiliza para romper los puentes de hidrógeno por lo que la temperatura se eleva muy lentamente; permitiendo que los seres vivos que viven cerca de ellos sobrevivan. Esta condición también permite que el citoplasma acuoso sirva de protección ante los cambios de temperatura, manteniendo la temperatura constante. Se expande cuando se congela: Esta propiedad como las anteriores tiene que ver con los puentes de hidrógeno; una molécula de agua líquida tendrá 3 de los 4 posibles puentes de hidrógeno, debido a que las moléculas en el líquido están en constante movimiento; mientras que en el hielo las moléculas formarán los 4 posibles puentes de hidrógeno porque las moléculas en un sólido se mantienen en su lugar, por lo tanto, el hielo es menos denso que el líquido. Es por esto que los icebergs flotan en el océano y de que el hielo flota en una bebida. Condición que ayuda a la formación de los suelos. El hecho de que el agua alcance una densidad máxima a aproximadamente 4ºC, hace que los cuerpos de agua se congelen primero por la parte superior. Es el disolvente universal: esta propiedad, tal vez la más importante para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias que pueden presentar grupos polares o con carga iónica. La mayoría de las sustancias se pueden disolver en ella; el agua es un solvente muy bueno, es capaz de disolver una gran cantidad de sustancias, nutrientes, especialmente la sal y gases como el oxígeno y el bióxido de carbono. Al disolver una amplia variedad de moléculas, las sustancias acuosas dentro de una célula proporcionan un medio adecuado para las incontables reacciones químicas fundamentales para la vida en la Tierra. Favorece la disociación de muchas moléculas formadoras de iones. En el caso de las disoluciones iónicas, los iones de las sales son atraídos por los dipolos del agua, quedando atrapados y recubiertos de moléculas de agua en forma de iones hidratados o solvatados. Las cuales participan en la regulación de propiedades biológicas como la contracción muscular, la permeabilidad y la transmisión de impulsos nerviosos. La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones; es el medio donde ourren la reacciones del metabolismo y sirve de medio de transporte. Presenta capilaridad: propiedad relacionada con los puentes de hidrógeno que se establecen entre el agua y otras moléculas polares; lo cual forma una elevada fuerza de adhesión a la superficie de otras estructuras (debido a su polaridad) y junto a la fuerza de cohesión, son responsables del fenómeno llamado capilaridad (que permite que el agua suba por conductos estrechos). A este fenómeno se debe en parte la ascensión de la savia bruta desde las raíces hasta las hojas, a través de los vasos leñosos y que las plantas pueden tomar agua del suelo. Alto calor de vaporización: también los puentes de hidrógeno son los responsables de esta propiedad. Para evaporar el agua, primero hay que romper los puentes de hidrógeno y posteriormente dotar a las moléculas de agua de suficiente energía cinética para pasar de la fase liquida a la gaseosa; como todo líquido, el agua absorbe calor al evaporarse. Cuando se evapora a través de la piel, disminuye la temperatura del organismo. Y contribuye a la termorregulación (regula la temperatura de los seres vivos). Lubricante: el agua evita el desgaste de los sitios de rozamiento de los órganos con movimiento, como sucede en las articulaciones. Sin duda alguna el agua dentro de los seres vivos es de gran importancia, ya que participa en reacciones químicas como: la respiración, la fotosíntesis y reacciones de hidrólisis y síntesis de compuestos orgánicos. Funciones del agua: 1. Soporte o medio donde ocurren las reacciones metabólicas. 2. Amortiguador térmico. 3. Transporte de sustancias. 4. Lubricante: amortiguadora del roce entre órganos. 5. Favorece la circulación y turgencia. 6. Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos. 7. Puede intervenir como reactivo en reacciones del metabolismo, aportando hidrogeniones o hidroxilos al medio. Disociación del Agua El pH de una solución es la medida de la concentración de iones de hidrógeno: Aunque generalmente el agua se considera un compuesto estable, las moléculas de agua individuales ganan, pierden y cambian átomos de hidrógeno constantemente. Como resultado casi 2 de cada mil millones de moléculas de aguas está ionizada, o sea separada en iones hidrógeno (H + ) y iones hidroxilo (OH-). El agua pura contiene concentraciones iguales de iones hidrógeno (H + ) y iones hidroxilo (OH-). Si la concentración de iones hidrógeno (H + ) es mayor que la de iones hidroxilo (OH-) entonces la solución es ácida. Pero si la concentración de iones hidroxilo (OH -) es mayor que la de iones hidrógeno (H +) entonces la solución es básica. El grado de acidez se expresa en la escala de pH, la cual va de 0 a 14. Un pH menor de 7 es ácido, 7 es neutro y mayor de 7 es básico. Se puede medir usando un potenciómetro, cintas de papel indicador. En la mayoría de los mamíferos , tanto el citoplasma celular como los líquidos que bañan las células son casi neutros (pH de 7,3 – 7,4 aproximadamente) los pequeños aumentos o disminuciones de pH pueden ocasionar cambios drásticos, tanto en la estructura, como en la función, lo que ocasiona la muerte de las células o de los organismos completos. Algunos ácidos orgánicos presentes en los seres vivos deben sus propiedades al grupo carboxilo (-COOH), ya que este al disolverse en agua, produce hidrogeniones. Recuerda que los compuestos orgánicos que contienen grupos carboxilos son dadores del ión hidrógeno (se encuentran en proteínas y grasas). Los compuestos orgánicos que presentan grupos aminos (-NH2 ) forman las bases más importantes en los seres vivos. Tanto el grupo carboxilo como amino forma parte de los aminoácidos (unidades estructurales de las proteínas). Por lo que una proteína que se encuentra en solución, resiste cambios de alcalinidad o acidez y por tanto, desempeña una función de amortiguador biológico. Los organismos vivos no soportan variaciones del pH mayor de unas décimas de unidad y por eso se han desarrollado a lo largo de la evolución sistemas tampón o buffer (que consisten en un par acido-base conjugada que actúa como dador y aceptor de protones), que mantienen el pH constante mediante mecanismos homeostáticos. En los seres vivos también encontramos ácidos inorgánicos importantes como el HCl que ejerce una función importante en el proceso de digestión. En el hombre el pH de la sangre es aproximadamente de 7,4 y debe mantenerse dentro de estos límites, ya que si llega a acidificarse demasiado, se puede llegar a un estado de coma y la muerte. La alcalinidad excesiva da por resultado una sobreexcitación del sistema nervioso y hasta convulsiones. Hay amortiguadores biológicos como el formado por el ácido carbónico (H2CO3) y el ión bicarbonato que juegan un papel importante en la sangre y mantienen el pH constante. Ósmosis Osmosis y Presión osmótica: Ósmosis es un tipo de difusión pasiva caracterizada por el paso del agua (disolvente) a través de la membrana semipermeable desde la solución más diluida (hipotónica), a la más concentrada (hipertónica), este trasiego continuará hasta que las dos soluciones tengan la misma concentración (isotónicas o isoosmóticas). Se entiende por presión osmótica la presión que sería necesaria para detener el flujo de agua a través de la membrana semipermeable. La membrana plasmática de la célula puede considerarse como semipermeable, y por ello las células deben permanecer en equilibrio osmótico con los líquidos que las bañan. Cuando las concentraciones de los fluidos extracelulares e intracelulares son igual, ambas disoluciones son isotónicas Si los líquidos extracelulares aumentan su concentración de solutos se hacen hipertónicos respecto a la célula, y ésta pierde agua, se deshidrata y mueren (plasmólisis). Si los medios extracelulares se diluyen, se hacen hipotónicos respecto a la célula, el agua tiende a entrar y las células se hinchan, se vuelven turgentes, llegando incluso a estallar. La difusión y la diálisis Los líquidos presentes en los organismos son dispersiones de diversas sustancias en el agua. Según el tamaño de las partículas se formarán dispersiones moleculares o disoluciones verdaderas como ocurre con las que se forman con las sales minerales o por sustancias orgánicas de moléculas pequeñas, como los azúcares o aminoácidos. Las partículas dispersas pueden provocar además de ósmosis, estos otros dos movimientos: La diálisis puede atravesar la membrana además del disolvente, moléculas de bajo peso molecular y éstas pasan atravesando la membrana desde la solución más concentrada a la más diluida. Es el fundamento de la hemodiálisis que intenta sustituir la filtración renal deteriorada. La difusión fenómeno por el cual las moléculas disueltas tienden a distribuirse uniformemente en el agua. Así se realizan los intercambios de gases y de algunos nutrientes entre la célula y el medio en el que vive. 1.2 SALES MINERALES: Son sustancias indispensables para el funcionamiento de los organismos químicos. Las sales pueden disociarse en iones positivos (cationes), iones negativos (aniones) cuando se disuelve en agua. Las sales minerales precipitadas forman cuerpos sólidos en los seres vivos, como los huesos en los vertebrados y el caparazón en los moluscos. En función a su solubilidad en agua se distinguen dos tipos: A. Sales insolubles en agua Forman estructuras solidad, que suelen tener función de sostén o protectora. En el esqueleto interno de vertebrados: fosfatos, cloruros, carbonato de calcio. En caparazones de carbonato de calcio de crustáceos y moluscos. B. Sales solubles en agua Funciones catalíticas: Cu+, Mn2+, Mg2+, Zn+, actúan como cofactores enzimáticos. Funciones osmóticas: intervienen en procesos relacionados con la distribución de agua entre el interior celular y el medio que rodea la célula. Los iones Na, K, Cl y Ca, participan en la generación de gradientes electroquímicos, imprescindibles en el mantenimiento del potencial de membrana y del potencial de acción y en la sinapsis neuronal. Función tamponadora: se lleva a cabo por los sistemas carbonato-bicarbonato, y también por el monofosfatobifosfato. PRINCIPALES IONES CATIONES ANIONES Sodio (Na+) Cloruro (Cl-1) Potasio (K+) Bicarbonato (HCO3)-1 +2 Calcio (Ca ) Fosfato (PO4)-3 +2 Magnesio (Mg ) Sulfato (SO4)-2 IONES IMPORTANTES Magnesio Manganeso Cobalto Fósforo Sodio Potasio Calcio Potasio Sodio Calcio Fósforo Fósforo FUNCIONES QUE REALIZAN Estimulan la unión catalítica de muchas enzimas. Permite que los impulsos nerviosos actúen. Ayudan a la contracción normal de los músculos. Participan en la constitución de los huesos y dientes. Intervienen en la formación de moléculas como el ATP y los ácidos nucleicos.
