TEMA 2. LOS BIOELEMENTOS, EL AGUA Y LAS

TEMA 2. LOS BIOELEMENTOS, EL AGUA Y LAS SALES MINERALES
1.Los bioelementos
1.1 Bioelementos primarios (C,H,O,N,S,P). Propiedades
1.2 Bioelementos secundarios
2. Los principios inmediatos o biomoléculas
3. El agua. Estructura, propiedades y funciones
4. Las sales minerales . Tipos y funciones
5. Las disoluciones y las dispersiones coloidales
-----------------------------1. LOS BIOELEMENTOS
Si se hace un análisis químico de cada uno de los diferentes tipos de seres vivos, se
encuentra que la materia viva está constituida por unos setenta elementos, (casi la totalidad
de los elementos estables que existen en la Tierra, exceptuando los gases nobles).
Definición:Los elementos que se encuentran en la materia viva se llaman bioelementos o
elementos biogénicos (de bios, vida, y genos, origen).
Los bioelementos se pueden clasificar en primarios y secundarios:
Los bioelementos primarios. Se llaman primarios porque son indispensables para la
formación de las biomoléculas orgánicas (glúcidos. lípidos, proteínas y ácidos nucleicos).
Son un grupo de seis elementos, que constituyen el 96,2 % del Total de la materia viva. Son
el oxígeno (O), el carbono (C), el hidrogeno (H), el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el azufre
(S).
Los bioelementos secundarios: Son todos los bioelementos restantes. En este grupo se
pueden distinguir dos tipos:
•
Los indispensables, no pueden faltar porque son imprescindibles para la vida de la
célula, y que, en mayor o menor proporción, se encuentran en todos los seres vivos.
Son bioelementos secundarios indispensables el calcio (Ca), el sodio (Na), el potasio
(K), el magnesio (Mg), el cloro (Cl), el hierro (Ee), el silicio (Si), el cobre (Cu), el
manganeso (Mn), el boro (B), el flúor (F) y el yodo (I).
•
Los variables, que son los que si pueden faltar en algunos organismos. Son
bioelementos secundarios variables, por ejemplo, el bromo (Br), el cinc (Zn), el
1
titanio (Ti), el vanadio (V), y el plomo (Pb).
Otra clasificación de los bioelementos es la basada en su abundancia. Los que se encuentran
en proporciones inferiores al 0.1 % se denominan oligoelementos y el resto bioelementos
plásticos. No existe una relación directa entre abundancia y esencialidad.
Muchos bioelementos pueden ser, por ejemplo, oligoelementos, y a la vez ser
indispensables, debido a que su función no es estructural, sino catalizadora. Así, una
pequeña cantidad de ellos es suficiente para que el organismo viva, pero la falta total
provocaría su muerte.
1.1 Bioelementos primarios
Si se compara la composición atómica de la biosfera, con la composición de la
atmósfera, de la hidrosfera y de la litosfera, se pueden deducir las siguientes conclusiones:
Los altos porcentajes de H y O en la biosfera se deben a que la materia viva está
constituida por agua en un porcentaje que varía entre un 65% y un 90% . A su vez todas las
reacciones químicas que se realizan en los seres vivos se desarrollan en el medio acuoso. No
es posible la materia viva sin agua. Todo esto se relaciona con que la vida se originó en el
medio acuático.
Los porcentajes del resto de los bioelementos primarios (C, N, S y P) de la biosfera
son muy diferentes de los encontrados en la atmósfera, hidrosfera o litosfera, por lo que no
se puede deducir que la materia viva se haya formado a partir de los elementos más
abundantes, sino a partir solo de aquellos (C, H, O, N, P y S) que gracias a sus propiedades
son capaces de constituirla.
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Propiedades de los bioelementos primarios:
1.Masa atómica es relativamente pequeña, y su capa externa está incompleta y esto favorece
que al combinarse entre sí se establezcan enlaces covalentes estables. Cuanto menor es un
átomo, mayor es la tendencia del núcleo positivo a completar su último orbital con los
electrones que forman los enlaces, y, por tanto, más estables son dichos enlaces.
2.Dado que el oxígeno y el nitrógeno son elementos muy electronegativos, al establecer
enlaces covalentes con los otros tipos de átomos con frecuencia dan lugar a moléculas
dipolares. Dado que el agua también es dipolar, estos compuestos se disuelven bien en ella y
pueden reaccionar entre sí, haciendo posible los procesos bioquímicos imprescindibles para
la vida. El C, N y O pueden formar enlaces dobles o triples (posibilidad de formar
moléculas diferentes).
3.El C y el N, debido a su posición central en el Sistema Periódico presentan la misma
afinidad para unirse con el O que con el H, es decir, pueden pasar con facilidad del estado
oxidado (CO2, NO3H) al reducido (CH4, NH3).
4.Los bioelementos mayoritarios pueden incorporarse fácilmente a los seres vivos desde el
medio externo ya que se encuentra en moléculas que pueden ser captadas de manera sencilla
(CO2, H2O, nitratos). Este hecho asegura el intercambio constante de materia entre los
organismos vivos y su medio ambiente
5.Los compuestos orgánicos formados por estos átomos se hallan en estado reducido, y
reaccionan con el oxígeno para dar compuestos inorgánicos (CO2 y H2O), de baja energía.
La energía desprendida en las reacciones de oxidación se aprovecha para las funciones
vitales de los organismos.
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CARACTERÍSTICAS DE LOS BIOELEMENTOS PRIMARIOS
1.Tiene cuatro electrones en su periferia y puede formar enlaces covalentes estables
con otros carbonos.
2.Puede constituir largas cadenas de átomos (macromoléculas).
C
3.Los enlaces pueden ser simples (C—C), dobles (C=C) o triples (C≡C), Puede
unirse a otros elementos (-H, =0, -OH, -NH2. -SH, -H2PO4, etc.), formando un gran
número de moléculas diferentes, que posibilitan una gran variabilidad de reacciones
químicas.
4.Por otro lado, los cuatro enlaces covalentes forman un tetraedro imaginario. Esto
permite la formación de estructuras tridimensionales que permiten forman grandes
macromoléculas. Los enlaces de carbono son lo suficientemente fuerte para ser
estables, pero no tanto como para impedir que se rompan.
H
1.Es el otro elemento que resulta indispensable para formar la materia orgánica
(algunos lípidos sólo están constituidos por carbono e hidrógeno y el petróleo y sus
derivados (butano, gasolina, gasóleo, etc.) también están constituidos sólo por
carbono e hidrógeno).
2.El único electrón que posee el átomo de hidrógeno le permite formar un enlace con
cualquiera de los otros bioelementos primarios. Entre el hidrógeno y el carbono se
forma un enlace covalente lo suficientemente fuerte como para ser estable, pero no
tanto como para impedir su rotura, y posibilitar así la síntesis de otras moléculas.
3. Las que están formadas sólo por carbono e hidrógeno son covalentes apolares
(insolubles en agua)
1.Es el bioelemento primario más electronegativo. Por ello cuando se enlaza con el
hidrógeno atrae hacia sí el único electrón del hidrógeno originándose polos eléctricos.
Debido a esto, los radicales -OH, -CHO y -COOH son radicales polares.
O
2.Debido a su electronegatividad el oxígeno es idóneo para quitar electrones a otros
átomos, es decir, para oxidarlos. Este proceso comporta la rotura de enlaces y la
liberación de energía (la reacción de los compuestos de carbono con el oxígeno es la
forma más común de obtener energía).
3.La oxidación de los compuestos biológicos se realiza mediante la sustracción de
hidrógenos a los átomos de carbono. Como el oxígeno atrae hacia sí el electrón del
hidrógeno con más fuerza que el carbono, consigue quitárselo. De este modo se forma
agua y se libera una gran cantidad de energía, que aprovechan los seres vivos.
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N
S
1.Al igual que el carbono y el azufre, presenta una gran facilidad para formar
compuestos tanto con el hidrógeno (NH3) como con el oxígeno (NO3-), lo cual
permite, en el paso de una forma a la otra, la liberación de energía.
2.Principalmente se encuentra formando los grupos amino (—NH2) de los
aminoácidos (moléculas que constituyen las proteínas) y las bases nitrogenadas,
(componentes de los ácidos nucleicos).
3.Es de destacar que, pese a la gran abundancia de gas nitrógeno en la atmósfera, muy
pocos organismos son capaces de aprovecharlo. Prácticamente todo el nitrógeno es
incorporado al mundo vivo por las algas y las plantas, que lo absorben disuelto en
forma de ion nitrato (NO3-).
Básicamente se encuentra en forma de radical sulfhidrilo (—SH) en determinados
aminoácidos. Estos radicales permiten establecer, entre dos aminoácidos próximos,
unos enlaces covalentes fuertes denominados puentes disulfuro (-S-S-), que
mantienen la estructura de las proteínas.
Este elemento permite establecer enlaces ricos en energía. Al romperse el enlace que
une dos grupos fosfato —PO3-~PO3-~PO32-, generalmente de una molécula de ATP,
se libera al organismo la energía contenida en dicho enlace, (7,3 kcal/mol). En estos
enlaces se almacena la energía liberada en otras reacciones, como las oxidaciones de
la respiración.
P
Además, el fósforo interviene en la constitución de los ácidos nucleicos (ADN y
ARN), de los fosfolípidos de la membrana plasmática y de los huesos de los
vertebrados, y ayuda a mantener constante la acidez del medio interno del organismo.
1.2. Los bioelementos secundarios
Tienen diferentes funciones. Se puede distinguir entre los que son abundantes y los
oligoelementos.
Los más abundantes son el Na, K, Mg Cl y Ca.
Sus funciones son:
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1. Los iones Na+, K+ y Cl-, que son los iones más abundantes en los medios internos
y en el interior de las células, intervienen en el mantenimiento del grado de salinidad
y en el equilibrio de cargas eléctricas a un lado y otro de la membrana plasmática.
Los iones Na+ y K+, además, son fundamentales en la transmisión del impulso nervioso.
2. El calcio, en forma de carbonato (CaCO3), da lugar a los caparazones de los
moluscos y a los esqueletos de otros muchos animales y, como ion (Ca2+), actúa en
muchas reacciones, como los mecanismos de la contracción muscular, la
permeabilidad de las membranas celulares, la coagulación de la sangre, etc.
3. El magnesio es un componente de muchas enzimas y del pigmento clorofila.
También interviene en la síntesis y degradación del ATP, en la replicación del ADN y
en su estabilización, en la síntesis del ARN, etc
4. El hierro es necesario para sintetizar la hemoglobina de la sangre y la mioglobina,
dos transportadores de moléculas de oxígeno, y los citocromos, enzimas que
intervienen en la respiración celular.
5. El cobalto hace falta para sintetizar la vitamina B12 y algunas enzimas que regulan
la fijación del nitrógeno.
6. El manganeso actúa asociado a diversas enzimas degradativas de proteínas, como
factor de crecimiento, y en los procesos fotosintéticos. Su deficiencia origina por ello
amarillamiento de las hojas.
7. El silicio forma parte de las estructuras de las diatomeas y de los equisetos
2. LOS PRINCIPIOS INMEDIATOS O BIOMOLÉCULAS
Los elementos biogénicos se combinan entre sí para formar sustancias compuestas definidas.
Estos compuestos que se pueden aislar por medios puramente físicos como la disolución, la
filtración, la destilación, la centrifugación, etc. constituyen los llamados principios inmediatos.
Pueden ser:
• Inorgánicos (agua y sales minerales)
• Orgánicos (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos).
Los principios inmediatos también pueden ser simples o compuestos:
• Simples: Las moléculas están formadas por átomos del mismo tipo (02)
• Compuestos: Hay átomos de diferentes elementos (H2O, CO2).
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Funciones
Los principios inmediatos pueden tener función estructural, como las proteínas y las sales
minerales de los huesos, o los lípidos de las membranas plasmáticas; función energética, como las
grasas; y función biocatalizadora, es decir, aceleradora de las reacciones bioquímicas, como las
proteínas enzimáticas
2.1 Moléculas inorgánicas
El 02, el C02 y el N2 son tres sustancias gaseosas a temperatura ambiente.
• El 02 es necesario para la respiración aeróbica o un producto de excreción en la fotosíntesis.
• El C02 es un producto de excreción, eliminándose directamente a través de las membranas
celulares en los organismos unicelulares o en los pluricelulares de organización sencilla. Lo
captan de la atmósfera las algas y las plantas al realizar la fotosíntesis en sus cloroplastos.
• El N2 es prácticamente un gas inerte, y por ello los vegetales son incapaces de tomarlo de la
atmósfera; sólo algunas bacterias del suelo (por ejemplo, Clostridium pasteurianum) y otras
que son simbiontes de las raíces de las leguminosas (algunas especies del género Rhizobium)
son capaces de captarlo y aprovecharlo para sintetizar proteínas.
• El agua y las sales minerales, debido a sus características especiales, serán estudiados en el
apartado 3
3. EL AGUA . ESTRUCTURA, PROPIEDADES Y FUNCIONES
El agua es la sustancia química más abundante en la materia viva.
La cantidad presente en un organismo depende de la especie, de la edad del individuo y del
órgano.
•
•
•
Existe una relación directa entre contenido en agua y actividad fisiológica de un organismo:
Los más activos, como las reacciones bioquímicas se realizan en medio acuático, tienen más
cantidad de agua.
También tiene relación con el medio en el que se desenvuelve el organismo. Así, los
menores porcentajes se dan en seres con vida latente, como semillas, virus, etc., pero
también encontramos altos porcentajes de agua en seres como la medusa (95% de agua) pese
a su metabolismo poco intenso.
El contenido de agua de un organismo tiene que ser más o menos constante, con variaciones
inferiores al 10%. En caso contrario, se producen graves alteraciones (hidratación y
deshidratación) que sobre todo en el último caso pueden producir la muerte.
El agua se encuentra en la materia viva en tres formas:
1. Como agua circulante, por ejemplo, en la sangre, en la savia, etc. Se encarga
principalmente del transporte de sustancias.
2. Como agua intersticial, entre las células, a veces fuertemente adherida a la
sustancia intercelular (agua de imbibición), como sucede en el tejido conjuntivo.
3. Como agua intracelular, en el citosol y en el interior de los orgánulos celulares.
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En los seres humanos, el agua circulante supone el 8 % de su peso, el agua intersticial el 15
%, y el agua intracelular el 40 %
Los organismos pueden conseguir el agua directamente a partir del agua exterior o a partir
de otras biomoléculas mediante diferentes reacciones bioquímicas, es lo que se denomina «agua
metabólica» (en los camellos, la degradación de la grasa de la joroba produce agua y por ejemplo, a
partir de la oxidación de la glucosa, también aparece agua).
Estructura de la molécula del agua
Entre los dipolos del agua se establecen fuerzas de atracción llamadas puentes de hidrógeno,
formándose grupos de 3, 4 y hasta poco más de 9 moléculas.
Con ello se alcanzan pesos moleculares elevados y el H2O se comporta como un líquido.
Aunque son uniones débiles (30 veces más que los enlaces covalentes), el hecho de que alrededor
de cada molécula de agua se dispongan otras 4 moléculas unidas por puentes de H (dos puentes con
el oxígeno y uno con cada uno de los hidrógenos) permite que se forme en el agua (líquida o
sólida) una estructura reticular, responsable de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de
sus propiedades fisicoquímicas
El agua, a temperatura ambiente, es líquida, (otras moléculas de peso molecular parecido,
como el SO2, el CO2 o el NO2 son gases).
Este comportamiento físico se debe a que en la molécula de agua los dos electrones de los dos
hidrógenos están desplazados hacia el átomo de oxígeno, por lo que en la molécula aparece un polo
negativo, donde está el átomo de oxígeno, debido a la mayor densidad electrónica, y dos polos
positivos donde están los dos núcleos de hidrógeno, debido a la menor densidad electrónica. Las
moléculas de agua son dipolos.
La estabilidad del enlace disminuye al aumentar la temperatura, así, en el hielo, todas las
moléculas de agua están unidas por puentes de hidrógeno.
Todas las restantes propiedades del agua son, pues, consecuencia de ésta.
Estas agrupaciones duran fracciones de segundo (de 10-10 a 10-21 s), lo cual confiere al agua
todas sus propiedades de fluido. En la realidad, coexisten estos pequeños polímeros de agua con
moléculas aisladas que rellenan los huecos.
Propiedades del agua
1. Elevada fuerza de cohesión
2. Elevada tensión superficial
3. Elevada fuerza de adhesión (capilaridad).
4. Elevado calor específico.
5. Elevado calor de vaporización.
6. Alta conductividad.
7. Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido
8. Elevada constante dieléctrica.
9. Transparencia.
10. Bajo grado de ionización.
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1.- Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas, debida a los puentes de hidrógeno Ello
explica que el agua sea un líquido prácticamente incompresible, idóneo para dar volumen a
las células, provocar la turgencia de las plantas, constituir el esqueleto hidrostático de
anélidos y celentéreos, etc.
2.-Elevada tensión superficial, es decir, que su superficie opone una gran resistencia a
romperse, a que se separen sus moléculas. Esto permite que muchos organismos vivan asociados a
esa película superficial y que se desplacen sobre ella.
3.- Elevada fuerza de adhesión (capilaridad). El fenómeno de la capilaridad depende tanto
de la adhesión de las moléculas de agua a las paredes de los conductos como de la cohesión de las
moléculas de agua entre sí. Esta propiedad explica, por ejemplo, que la savia bruta ascienda por los
tubos capilares
4.- Elevado calor específico.
• El agua puede absorber grandes cantidades de calor, mientras que, proporcionalmente, su
temperatura sólo se eleva ligeramente.
• El agua emplea esta energía en romper los puentes de H.
• El agua se convierte en estabilizador térmico del organismo frente a los cambios bruscos de
temperatura del ambiente.
• Su temperatura desciende con más lentitud que la de otros líquidos a medida que va
liberando energía al enfriarse.
• Esta propiedad permite que el contenido acuoso de las células sirva de protección a las
sensibles moléculas orgánicas ante los cambios bruscos de temperatura.
• El calor que se desprende en los procesos metabólicos no se acumula en los lugares donde se
produce, sino que se difunde en el medio acuoso y se disipa finalmente hacia el medio
externo.
5.- Elevado calor de vaporización. Ello se debe a que para pasar del estado líquido al
gaseoso hay que romper todos los puentes de hidrógeno. Los seres vivos utilizan esta propiedad
para refrescarse al evaporarse el sudor.
6.- Alta conductividad. Debido a esta propiedad, el calor se distribuye fácilmente por toda la
masa de agua, lo que evita la acumulación de calor en un determinado punto del organismo.
7.- Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido . Ello explica que el hielo flote
en el agua y que forme una capa superficial termoaislante que permite la vida, bajo ella, en ríos,
mares y lagos. Si el hielo fuera más denso que el agua, acabaría helándose toda el agua. Esto se
explica por que los puentes de hidrógeno “congelados” mantienen las moléculas más separadas que
en el estado líquido.
8.- Elevada constante dieléctrica. Por tener moléculas dipolares, el agua es un gran medio
disolvente de compuestos iónicos, como las sales minerales, y de compuestos covalentes polares,
como los glúcidos. El proceso de disolución se debe a que las moléculas de agua, al ser polares, se
disponen alrededor de los grupos polares del soluto, llegando en el caso de los compuestos iónicos a
desdoblarlos en aniones y cationes, que quedan así rodeados por moléculas de agua. Este fenómeno
se denomina solvatación iónica.
Esta capacidad disolvente del agua y su abundancia en el medio natural explican que sea el vehículo
de transporte (captación de sales minerales por las plantas, por ejemplo) y el medio donde se
realizan todas las reacciones químicas del organismo (caso de la digestión de los alimentos)
9.- Transparencia. Debido a esta característica física del agua, es posible la vida de especies
fotosintéticas en el fondo de mares y ríos.
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10.- Bajo grado de ionización. De cada 551000000 de moléculas de agua, sólo una se
encuentra ionizada:
Por eso, la concentración de iones hidronio (H30+) e hidroxilo (OH-) es muy baja, concretamente 107
moles por litro ([H30+] = [OH-] = 10-7).
Dados los bajos niveles de H30+y de OH- , si al agua se le añade un ácido (se añade H30+) o
una base (se añade OH-), aunque sea en muy poca cantidad, estos niveles varían bruscamente
En los seres vivos existe siempre una cierta cantidad de hidrogeniones (H+) y de iones hidroxilo
(OH-) que proceden de:
• La disociación del agua que proporciona los dos iones:
• La disociación de cuerpos con función ácida que proporcionan H+:
ClH………………… Cl- + H+
• La disociación de cuerpos con básicos que proporcionan OH-:
NaOH ………………….. Na+ + OHPor lo tanto la acidez o alcalinidad del medio interno de un organismo dependerá de la
proporción en que se encuentren los dos iones. Así será:
• Neutro cuando [H+]=[OH-]
• Ácido cuando [H+]>[OH-]
• Alcalino cuando [H+]<[OH-].
• Para que los fenómenos vitales puedan desarrollarse con normalidad es necesario que la
concentración de H+, que se expresa en valores de pH sea más o menos constante y próxima
a la neutralidad, es decir, pH=7.
En las reacciones metabólicas se liberan productos tanto ácidos como básicos que varían la
neutralidad si no fuera porque los organismos disponen de unos mecanismos químicos que se
oponen automáticamente a las variaciones de pH.
Estos mecanismos se denominan sistemas amortiguadores o sistemas tampón, y en ellos
intervienen de forma fundamental las sales minerales.
Lo más corriente es que el pH tienda a desplazarse hacia el lado ácido por lo que los sistemas
tampón más importantes actúan evitando este desplazamiento. Un tampón está formado por una
mezcla de un ácido débil y una sal del mismo ácido; el más extendido es el formado por el ácido
carbónico (CO3H2) y el bicarbonato sódico (CO3HNa).
Supongamos que el organismo se ve sometido a un exceso de ácido clorhídrico que, en
consecuencia liberará protones que harán disminuir el pH. En este momento entra en
funcionamiento el sistema amortiguador y ocurre lo siguiente:
1.- La sal (bicarbonato sódico) reacciona con el ácido clorhídrico:
CO3HNa + ClH à NaCl + H2CO3
La sal que se forma (NaCl) es neutra y, aunque se disocie, no libera protones y, además, es
habitualmente expulsada por la orina.
2.- El ácido carbónico que se ha formado podría incrementar la acidez, pero rápidamente se
descompone en CO2, que se libera con la respiración, y agua que es neutra:
CO3H2 à CO2 + H2O
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En resumen, todos los hidrogeniones que podrían provocar un estado de acidez desaparecen
manteniéndose el estado de neutralidad.
Existen dos sistemas tampón en los organismos:
1. El tampón bicarbonato es común en los líquidos extracelulares, mantiene el pH en
valores próximos a 7,4, gracias al equilibrio entre el ión bicarbonato y el ácido
carbónico, que a su vez se disocia en dióxido de carbono y agua.
2. El tampón fosfato es la otra solución tampón, formada por el ión PO3-4 y H3PO4, y es
más común en los medios intracelulares.
Otra consecuencia de la capacidad de disociación del agua es que permite que actúe como reactivo
químico en las reacciones metabólicas de hidrólisis, introduciendo una molécula de agua:
A-B + H2O ………………. AH + BOH
El agua y los productos de ionización participan en las reacciones de hidrólisis (para dividir
grandes moléculas). El proceso inverso se llama condensación (moléculas sencillas se unen para
formar otras mayores) y origina o desprende moléculas de agua que se denominan agua metabólica
(camellos)
Funciones del agua
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Función disolvente de las sustancias.
Función bioquímica.
Función de transporte.
Función estructural.
Función mecánica amortiguadora.
Función termorreguladora.
1. Función disolvente de las sustancias. El agua es básica para la vida, ya que prácticamente
todas las reacciones biológicas tienen lugar en el medio acuoso.
2. Función bioquímica. El agua interviene en muchas reacciones químicas, por ejemplo, en la
hidrólisis (rotura de enlaces con intervención de agua) que se da durante la digestión de los
alimentos, como fuente de hidrógenos en la fotosíntesis, etc.
3. Función de transporte. El agua es el medio de transporte de las sustancias desde el exterior
al interior de los organismos y en el propio organismo, a veces con un gran trabajo como en
la ascensión de la savia bruta en los árboles
4. Función estructural. El volumen y forma de las células que carecen de membrana rígida se
mantienen gracias a la presión que ejerce el agua interna. Al perder agua, las células pierden
su turgencia natural, se arrugan y hasta pueden llegar a romperse (lisis).
5. Función mecánica amortiguadora. Por ejemplo, los vertebrados poseen en sus
articulaciones bolsas de líquido sinovial que evita el roce entre los huesos.
6. Función termorreguladora. Se debe a su elevado calor específico y a su elevado calor de
vaporización. Es un material idóneo para mantener constante la temperatura, absorbiendo el
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exceso de calor o cediendo energía si es necesario.
Por ejemplo, los animales, al sudar, expulsan agua, la cual, para evaporarse, toma calor del
cuerpo y, como consecuencia, éste se enfría.
4.SALES MINERALES
Las sustancias minerales se pueden encontrar en los seres vivos de tres formas:
precipitadas, disueltas o asociadas a sustancias orgánicas.
1.- Las sustancias minerales precipitadas constituyen estructuras sólidas, insolubles, con función
esquelética. Por ejemplo, el carbonato cálcico en las conchas de los moluscos, el fosfato cálcico,
Ca3(P04)2, y el carbonato cálcico que, depositados sobre el colágeno, constituyen los huesos, el
cuarzo (SiO2) en los exoesqueletos de las diatomeas y en las gramíneas, etc. Este tipo de sales
pueden asociarse a macromoléculas, generalmente de tipo proteico.
2.- Las sales minerales disueltas dan lugar a aniones y cationes. Los principales son:
Cationes: Na+ K+ Ca2+ y Mg2+.
Aniones: Cl-, S042-, PO43-, CO32-, HCO3- y NO3-.
Estos iones mantienen un grado de salinidad constante dentro del organismo, y ayudan a mantener
también constante su pH.
Cada ion desempeña funciones específicas y, a veces, antagónicas. Por ejemplo, el K+ aumenta la
turgencia de la célula, mientras que el Ca2+ la merma. Esto es debido a que el K+ favorece la
captación de moléculas de agua (inhibición) alrededor de las partículas coloidales citoplasmáticas,
mientras que el Ca2+ la dificulta.
Otro ejemplo es el corazón de la rana, que se para en sístole si hay exceso de Ca 2+, y en diástole si
el exceso es de K+. El Ca2+ y el K+ son iones antagónicos.
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El medio interno de los organismos presenta unas concentraciones iónicas constantes. Una
variación provoca alteraciones de la permeabilidad, excitabilidad y contractilidad de las células.
3.- Las sustancias minerales asociadas a moléculas orgánicas suelen encontrarse junto a
proteínas, como las fosfoproteínas, junto a lípidos (fosfolípidos) y con glúcidos (agar-agar)
Funciones de las sales minerales
Las principales funciones de las sales minerales disueltas son:
1. Estabilizar dispersiones coloidales.
2. Mantener un grado de salinidad en el medio interno. Este grado de salinidad debe
mantenerse constante.
3. Regulación del pH y constituir soluciones amortiguadoras. Se lleva a cabo por los sistemas
carbonato-bicarbonato (extracelular) , y también por el monofosfato-bifosfato. (intracelular)
Funciones específicas (de sales concretas)
1. Funciones catalíticas. Algunos iones, como el Cu+, Mn2+, Mg2+, Zn+,...actúan como
cofactores enzimáticos
2. Funciones osmóticas. Intervienen en los procesos relacionados con la distribución de agua
entre el interior celular y el medio donde vive esa célula, lo que ayuda al mantenimiento del
volumen celular.
3. Generar potenciales eléctricos. Los iones de 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.
5.DISOLUCIONES Y DISPERSIONES
En los seres vivos el estado líquido está constituido por dispersiones de muchos tipos de
moléculas dispersas o solutos y un solo tipo de fase dispersante o disolvente, que es el agua.
Los solutos pueden ser de bajo peso molecular como, por ejemplo, el cloruro sódico (PM
= 58,5) y la glucosa (PM = 180), o pueden ser de elevado peso molecular (se denominan
coloides), como, por ejemplo, las proteínas de tipo albúmina (PM entre 30 000 y 100 000).
Las dispersiones de solutos de bajo peso molecular se denominan disoluciones verdaderas
o simplemente disoluciones, y las de elevado peso molecular se denominan dispersiones coloidales
Disoluciones
Las propiedades de las disoluciones verdaderas que más interés tienen en Biología son la
difusión, la osmosis y la estabilidad del grado de acidez o pH.
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1. Difusión. Es la repartición homogénea de las partículas de un fluido (gas o líquido)
en el seno de otro, al ponerlos en contacto. Este proceso se debe al constante
movimiento en que se encuentran las partículas de líquidos y gases. La absorción o
disolución de oxígeno en el agua es un ejemplo de difusión.
2. Osmosis Es el paso del disolvente entre dos soluciones de diferente concentración a
través de una membrana semipermeable que impide el paso de las moléculas de
soluto.
El disolvente, que en los seres vivos es el agua, se mueve desde la disolución más
diluida a la más concentrada. Aparece un impulso de agua hacia la mas concentrada.
La membrana citoplasmática es una membrana semipermeable y da lugar a diferentes
respuestas frente a la presión osmótica del medio externo.
a. Si éste es isotónico respecto al medio interno celular, es decir, tiene la misma concentración,
la célula no se deforma.
b. Si el medio externo es hipotónico (menos concentrado), la célula se hinchará por entrada de
agua en su interior. Este fenómeno se llama turgencia y es observable, por ejemplo, en los
eritrocitos, añadiendo agua destilada a una gota de sangre.
c. Si el medio externo es hipertónico (más concentrado), la célula perderá agua y se arrugará,
dándose un fenómeno de plasmólisis que acaba con la rotura de la membrana. Esto sucede,
por ejemplo, en los eritrocitos, cuando se añade agua saturada de sal a una gota de sangre.
Los procesos de osmosis explican cómo las plantas consiguen absorber grandes cantidades
de agua del suelo, y por qué el agua del mar no sacia la sed, ya que al estar más concentrada
que el medio intracelular provoca la pérdida de agua en las células.
Dispersiones coloidales
1.
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La mayoría de los líquidos de los seres vivos son dispersiones coloidales, de ahí que sea tan
importante el estudio de sus propiedades. En estas soluciones, el tamaño de las partículas del
soluto es mucho mayor que en las soluciones verdaderas. Es el caso de polisacáridos,
proteínas y ácidos nucleicos. Sus principales propiedades son:
Efecto Tyndall
Movimiento browniano
Sedimentación
Elevada viscosidad
Elevada adsorción
Diálisis
Capacidad de presentarse en estado de gel
1. Efecto Tyndall
El tamaño de las partículas coloidales oscila entre una milimicra y 0,2 micras,
que es el límite de observación en el microscopio óptico. Así pues, las
dispersiones coloidales, al igual que las disoluciones verdaderas, son
transparentes y claras. Sin embargo, si se iluminan lateralmente y sobre fondo
oscuro, se observa una cierta opalescencia provocada por la reflexión de los
rayos luminosos. Es algo parecido a lo que ocurre cuando un rayo de luz ilumina
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el polvo en una habitación a oscuras. Si la iluminación es frontal, el polvo ya no
resulta apreciable.
2. Movimiento browniano.
Las moléculas de los coloides se mueven continuamente, impulsadas por el
movimiento browniano del agua (movimiento desordenado y continuo de vibración
que tienen las partículas en suspensión). Este movimiento aumenta las probabilidades
de encuentro de dos partículas reaccionantes
3. Sedimentación.
Las dispersiones coloidales son estables en condiciones normales, pero si se
someten a fuertes campos gravitatorios, se puede conseguir que sedimenten sus
partículas. Ello se realiza en las ultracentrifugadoras, que pueden alcanzar las 100000
revoluciones por minuto
4. Elevada viscosidad.
La viscosidad es la resistencia interna que presenta un líquido al movimiento
relativo de sus moléculas. Las dispersiones coloidales, dado el elevado tamaño de sus
moléculas, son muy viscosas.
5. Elevado poder adsorbente.
La adsorción es la atracción que ejerce la superficie de un sólido sobre las
moléculas de un líquido o de un gas. La misma cantidad de sustancia ejerce mayor
adsorción si se encuentra finamente dividida. Ejemplo biológico de adsorción son los
contactos «enzimas con sustratos»
6. Capacidad de presentarse en estado de gel. Las dispersiones coloidales pueden
presentar se en dos estados en forma de sol o estado líquido, y en forma de gel o
estado semisólido. La diferencia entre ambos estados es la cantidad de agua
presente. El sol tiene aspecto de líquido. El gel tiene aspecto semipastoso o
gelatinoso.
La transformación de sol en gel, y viceversa, está en relación con la síntesis o
con la despolimerización, respectivamente, de proteínas fibrilares y permite la
emisión de pseudópodos, y, por tanto, el movimiento ameboide y la fagocitosis
7. Diálisis: Es la separación de las partículas dispersas de elevado peso molecular
(coloides) de las de bajo peso molecular (cristaloides), gracias a una membrana
semipermeable cuyo tamaño de poro sólo deja pasar las moléculas pequeñas
(agua y cristaloides), pero no las grandes. Una aplicación clínica es la
hemodiálisis, que es la separación de la urea de la sangre de individuos con
deficiencia renal.
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