BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS

I.E.S. VALLE DEL ANDARAX
(Canjáyar)
Departamento de Ciencias de la Naturaleza
BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS
1. Introducción.
2. Bioelementos:
a) B. Primarios:
- La idoneidad del carbono.
b) B. Secundarios.
c) Oligoelementos.
3. Biomoléculas.
a) Inorgánicas:
Agua:
-
Características.
-
Solubles en agua.
Estructura química.
Propiedades físico-químicas.
Funciones biológicas.
Las sales minerales:
Insolubles en agua.
Asociadas a otras moléculas.
b) Orgánicas: Glúcidos, Lípidos, Proteínas y Ácidos Nucleicos.
(Se estudiarán más adelante)
4. El estado líquido:
a) Las disoluciones. Propiedades:
- Difusión.
- Ósmosis.
- La estabilidad del pH: sistemas tampón o amortiguadores.
b) Las dispersiones coloidales: características.
ooooooooooOOOOOOOOOOoooooooooo
1. INTRODUCCIÓN
Un análisis químico de los elementos constituyentes de todos los seres vivos
conocidos revelaría que casi todos ellos están formados, cualitativa y cuantitativamente,
por los mismos elementos químicos.
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La distinción entre lo vivo y lo inanimado, entre la vida y lo que carece de ella, no
resulta tan tajante, pues sabemos que los elementos constitutivos de la materia viva no
son exclusivos de ella, ya que son los mismos que se encuentran en la materia inerte
que abunda en la superficie de nuestro planeta.
Entonces ¿por qué la selección natural escogió ciertos elementos como
componentes mayoritarios de los organismos vivos, mientras que otros fueron
desechados o tomados sólo como minoritarios? La composición de la Tierra marcó un
límite sobre los elementos disponibles para formar la materia viva y, puesto que la vida
surgió en el seno de los mares primitivos, muchos de los elementos químicos esenciales
para la vida fueron seleccionados en función de dos características: su comportamiento
en el medio acuoso y la reactividad de los átomos.
1. En cuanto a su comportamiento en medio acuoso, fueron determinantes algunas
características, como: si eran insolubles o no; el número de cargas eléctricas que
manifestaban en forma iónica; el efecto que ejercen sobre la viscosidad de las
disoluciones acuosas, etc.
2. En cuanto a la reactividad de los átomos y los tipos de enlaces que se pudieron
establecer para construir moléculas orgánicas, también fue determinante, debido
a que las propiedades de la materia, viva o inerte, dependen de las características
físico-químicas de ésta: átomos que la forman, tipo de enlaces que presentan,
tamaño y forma de las moléculas, etc.
2. BIOELEMENTOS.
Actualmente se han identificado más de 70 elementos químicos (casi todos
estables, excepto los gases nobles), que intervienen en cantidades variables, algunos de
ellos en cantidades infinitesimales, en la composición de los organismos vivos, aunque
no todos ellos son esenciales para la totalidad de los seres vivos.
A estos elementos químicos se les denomina bioelementos o elementos
biogénicos, ya que a partir de ellos se forman las moléculas indispensables para la
vida, llamadas biomoléculas o principios inmediatos.
Los podemos clasificar en tres categorías:
1. Elementos Biogénicos Primarios.
2. Elementos Biogénicos Secundarios.
3. Oligoelementos.
Bioelementos Primarios
Son indispensables para la formación de las biomoléculas orgánicas presentes
en todos los seres vivos.
Este grupo constituye el 95% del total de la materia viva y lo forman cuatro
elementos: O (oxígeno), C (carbono), H (hidrógeno) y N (nitrógeno).
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Tienen una masa atómica pequeña, lo que favorece que al combinarse entre sí
se establezcan enlaces covalentes estables (cuanto menor es la masa de un átomo,
mayor es la tendencia del núcleo a completar su último orbital con los electrones que
forman los enlaces –electrones de valencia-; por tanto, más estables serán dichos
enlaces.
Los seres vivos van a obtener del medio en el que se encuentran los elementos
químicos que forman sus moléculas. El oxígeno y el nitrógeno son elementos que se
disuelven bien en agua y pueden reaccionar entre sí. Comparando los porcentajes de
estos elementos en la biosfera con los de la atmósfera, hidrosfera y litosfera,
observamos lo siguiente:
a) El nitrógeno es abundante en la atmósfera y escaso en la biosfera (debido a que
es un gas inerte que no reacciona químicamente con otras sustancias y pocos
organismos pueden aprovecharlo para sintetizar sus propias moléculas).
b) El oxígeno (33%) y el hidrógeno (66%) son muy abundantes en la hidrosfera.
c) En la biosfera el oxígeno (62%) y el hidrógeno (10%) se presentan en altos
porcentajes, ya que los seres vivos están formados básicamente por agua.
Estos cuatro elementos
primarios se consideran indispensables para la
formación de glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Las propiedades físicoquímicas que los hacen tan adecuados para la vida son, de forma resumida, las
siguientes:
1. Forman entre ellos con facilidad enlaces covalentes, compartiendo pares de
electrones, debido a que presentan sus capas electrónicas externas incompletas.
2. El carbono, nitrógeno y oxígeno pueden compartir más de un par de
electrones, formando dobles y triples enlaces, dotándolos de gran versatilidad
para el enlace químico.
3. Son los elementos más ligeros con capacidad para formar enlaces covalentes,
por lo que dichos enlaces son muy estables, ya que los electrones compartidos
en la formación de los enlaces se hallan muy cerca del núcleo, ejerciendo éste
una gran fuerza de atracción por ellos.
4. Es muy significativa la capacidad del carbono para formar enlaces estables C-C,
llegando a formar largas cadenas lineales (alifáticas), ramificadas, anillos, etc.,
así como para unirse a otros elementos químicos, aumentando la posibilidad de
formar nuevos grupos funcionales (aldehído –CHO-, cetona –CO-, alcohol –
CHOH-, ácido –COOH-, amina –NH2-, etc.) que originan compuestos orgánicos
muy diversos.
5. A causa de la configuración tetraédrica de los enlaces del carbono, los distintos
tipos de moléculas orgánicas tienen estructuras tridimensionales diferentes.
6. Los compuestos formados por estos átomos en los organismos vivos se hallan
en estado muy reducido (CO2, H2O, etc.), de manera que la energía desprendida
en estas oxidaciones es aprovechada para realizar las funciones vitales de los
organismos.
7. Debido a la alta electronegatividad del oxígeno y del nitrógeno, muchas
biomoléculas son polares (=con carga) y, con ello, solubles en agua, requisito
imprescindible para que tengan lugar las reacciones biológicas fundamentales de
la actividad vital.
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8. Estos bioelementos pueden incorporarse fácilmente a los seres vivos desde el
medio ambiente, ya que se encuentran en moléculas que pueden ser captadas
de manera sencilla (CO2, H2O, nitratos, etc.). Este hecho asegura el intercambio
constante de materia entre los organismos vivos y su medio ambiente.
9. El oxígeno y el nitrógeno son elementos electronegativos y, al establecerse
enlaces covalentes con el hidrógeno o entre sí, dan lugar a moléculas dipolares,
como H2O y NH3. Por otro lado, cada uno de ellos tiene una importancia capital
en los organismos: el oxígeno es el componente mayoritario, ya que forma el
agua, junto al hidrógeno; el nitrógeno se encuentra formando los grupos
amino (-NH2) de los aminoácidos y de las bases nitrogenadas de los ácidos
nucleicos;
LA IDONEIDAD DEL CARBONO
La vida es fundamentalmente agua, pues fue en ella donde se originó; pero
también contiene carbono en grandes cantidades. Como el carbono y el silicio
pertenecen al mismo grupo del sistema periódico (grupo IV A), cabría esperar un
comportamiento químico similar, pero ¿por qué resultó elegido el carbono y no el silicio,
que es 146 veces más abundante que aquél en la corteza terrestre y presenta
propiedades físico-químicas semejantes?
Los motivos por los que ha prevalecido el carbono, entre otros, son los
siguientes:
1º.- El carbono posee número atómico Z=6 y, por ello, su configuración
electrónica es: 1s2 2s2 2p2. En principio, sólo dispone de dos electrones desapareados,
por lo que su valencia sería II. Sin embargo, desaparea un electrón del orbital 2s2, que
pasa a ocupar el orbital 2pZ, pasando ahora a tener el
máximo de electrones desapareados (que ocuparían los
orbitales 2s1 2px1 2p1y 2p1z).
Entre el orbital 2s1 y los tres orbitales 2p se van a
formar cuatro orbitales híbridos sp3, que van a quedar
orientados hacia los cuatro vértices de un tetraedro
imaginario. Con ello, el átomo de carbono va a adquirir
valencia IV, lo que le permitirá formar hasta cuatro enlaces
covalentes simples, distribuidos tetraédricamente, al
aceptar electrones para compartir con otros átomos sus
cuatro orbitales enlazantes (un orbital s y tres suborbitales
p)
2º.- Los enlaces entre los átomos de carbono pueden ser simples (C-C), dobles
(C=C) y triples (C≡C) y permiten construir
cadenas más o menos largas, lineales o
ramificadas, y anillos cíclicos (aromáticos,
heterociclos, etc.)
que
constituyen
los
esqueletos carbonados de una variedad
inmensa de moléculas orgánicas.
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Además, a causa de la configuración tetraédrica de sus orbitales, se pueden
conseguir moléculas con estructuras tridimensionales diferentes, de gran importancia en
la función biológica que desempeñan: la unión específica de los anticuerpos a
determinados antígenos, de los enzimas a sus correspondientes sustratos, de los
receptores de membrana a ciertas hormonas, etc.
3º.- El silicio, aunque también tiene valencia IV y puede formar cadenas,
establece enlaces Si-Si más débiles e inestables que los del carbono. Desde el punto de
vista biológico, los enlaces deber ser suficientemente energéticos para poder formar
moléculas resistentes, pero lo suficientemente débiles para que puedan romperse en las
reacciones bioquímicas, y poder así obtener la energía que contienen.
4º.- Las distintas combinaciones del carbono con otros elementos, como el
oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno, etc., permiten la aparición de una gran variedad de
grupos funcionales químicos que dan lugar a las diferentes
familias de sustancias orgánicas (hidrocarburos, alcoholes,
aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, aminas, amidas,
ésteres, etc.) Estos grupos van a dotar a las moléculas
orgánicas de propiedades y capacidad reactiva específicas, lo
que aumentará las posibilidades de creación de nuevas
moléculas orgánicas por reacción entre los distintos grupos.
5º.- Conviene destacar que el CO2, compuesto de gran importancia biológica,
es anormalmente estable, soluble en agua y permanece en
estado gaseoso (indispensable para que pueda ser usado en
la fotosíntesis); sin embargo, un compuesto análogo que se
forma con el silicio, el SiO2 (la sílice), es sólida, insoluble en
agua y, por tanto, de difícil captación por los sistemas
biológicos que incorporasen silicio en lugar de carbono en las
condiciones ambientales de la Tierra primitiva y con un
mecanismo similar al fotosintético.
La disposición tetraédrica de los enlaces de carbono
y la presencia de determinados grupos funcionales en las
biomoléculas, hacen que los átomos se distribuyan en el
espacio ocupando posiciones definidas por los distintos tipos
de enlaces, de forma que cada molécula adopta una
conformación espacial determinada, siendo precisamente
dicha conformación la responsable de su actividad biológica.
Principales grupos
funcionales químicos
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Bioelementos Secundarios
Los encontramos formando parte de todos los seres vivos, si bien, en conjunto,
no superan el 4’5% del peso total del organismo.
Los principales son:
a) El sodio (Na), el potasio (K) y el cloro (Cl) se encuentran disueltos en los
medios internos y en el interior de las células, formando los iones Na+, K+ y Cl-.
Contribuyen a mantener el grado de salinidad dentro de las células y el equilibrio de
cargas eléctricas a uno y otro lado de la membrana. Además el Na+ y el K+ son
fundamentales en la transmisión del impulso nervioso.
b) El calcio (Ca), en forma de carbonato cálcico (CaCO3) constituye los
caparazones de los moluscos y los esqueletos de otros muchos organismos y, como ión
calcio (Ca++) actúa en muchas reacciones, como en el mecanismo de contracción
muscular, la coagulación sanguínea, la permeabilidad de las membranas celulares, en la
transmisión del impulso nervioso o estabilizando el huso mitótico durante la división
celular, entre otras.
c) El magnesio (Mg), 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, así como en la síntesis del ARN.
d) El azufre (S) se encuentra como radical sulfhidrilo (-SH) en muchas
proteínas, formando los enlaces disulfuro que colaboran en el mantenimiento de la
estructura de éstas (cisteína y metionina)
También está presente en vitaminas del complejo B y en la coenzima A.
d) El fósforo (P) constituye los grupos fosfato (-PO43-), imprescindibles para
formar el ATP así como los fosfolípidos de las membranas celulares. Por otro lado, es
parte integrante de los nucleótidos que forman parte de los ácidos nucleicos y de
sustancias de gran importancia biológica, como las coenzimas NAD+, NADP+, etc.
Oligoelementos
Se denominan así al conjunto de elementos químicos que están presentes en
los organismos en proporciones reducidísimas (en conjunto, no representan más allá del
0’5% del peso total del organismo). Tanto su carencia como su exceso pueden producir
graves trastornos en los seres vivos.
Se han podido aislar unos 60 oligoelementos en los seres vivos, pero solo 14
pueden considerarse comunes para gran parte de ellos, recibiendo el nombre de
oligoelementos esenciales: hierro (Fe), manganeso (Mn), cobre (Cu), cinc (Zn), flúor
(F), yodo (I), boro (B), silicio (Si), vanadio (V), cromo (Cr), cobalto (Co), selenio (Se),
molibdeno (Mo) y litio (Li).
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a) El hierro, como ión Fe2+ forma parte de la composición de la hemoglobina y
de la mioglobina, dos transportadores de moléculas de oxígeno, y de los citocromos
(enzimas que intervienen en la respiración celular en las mitocondrias). También es
fundamental para la síntesis de la clorofila e interviene como catalizador en muchas
reacciones químicas.
b) El manganeso, interviene en la fotólisis del agua durante el proceso de
fotosíntesis y además actúa asociado a diversas enzimas degradativas de proteínas y
como factor de crecimiento.
c) El cobre, es el componente fundamental de la hemocianina, pigmento
respiratorio de muchos invertebrados acuáticos y de algunas enzimas oxidadas.
d) El cinc, es abundante en el cerebro, en los órganos sexuales y en el
páncreas. La insulina puede formar un complejo con el cinc que mejora la solubilidad de
esta hormona en las células pancreáticas.
e) El flúor, es necesario para constituir el esmalte de los dientes y de los
huesos.
f) El yodo, participa en la formación de la hormona tiroxina del tiroides,
responsable del regular el ritmo del metabolismo energético. Su falta provoca el bocio
endémico, el cretinismo, etc.
g) El silicio, forma parte de los caparazones de las diatomeas y da rigidez a
los tallos de las gramíneas y de los equisetos; proporciona, además, resistencia y
elasticidad al tejido conjuntivo, cabello, piel, uñas, etc.
h) El cromo, interviene, junto con la insulina, en el mantenimiento de la
tolerancia normal a la glucosa. Su carencia en el agua potable incide en el aumento de la
diabetes juvenil. Protege de la arteriosclerosis y de las cardiopatías coronarias.
i) El cobalto, forma parte de la vitamina B12 (cianocobalamina), necesaria
para la síntesis de la hemoglobina y la formación de los eritrocitos; su carencia produce
anemia. También es necesario para los microorganismos fijadores de nitrógeno.
j) El litio, es un estabilizador del estado de ánimo (se emplea en el
tratamiento de algunas psicosis maniaco-depresivas), pues actúa sobre los
neurotransmisores y la permeabilidad celular. Se ha comprobado que las poblaciones
que consumen agua potable con un contenido de litio de unos 10 µg/litro, son menos
agresivas.
3. BIOMOLÉCULAS.
Los elementos biogénicos se combinan entre sí para formar moléculas que
aparecen siempre en la materia viva, y que pueden aislarse e identificarse mediante
técnicas o procedimientos físicos, como la centrifugación, la filtración, diálisis,
electroforesis, cristalización, cromatografía, etc.
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Estas sustancias, inorgánicas u orgánicas, que forman parte de los seres vivos
se denominan biomoléculas o principios inmediatos, y se clasifican en dos grupos:
a) Principios inmediatos inorgánicos: agua, sales minerales, dióxido de carbono,
oxígeno, etc.
b) Principios inmediatos orgánicos: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
FUNCIONES DE LAS BIOMOLÉCULAS
Pueden tener distintos tipos de funciones; entre ellas destacan:
• Estructural; como las proteínas y las sales minerales de los huesos o los lípidos de
las membranas plasmáticas.
• Energética; como las grasas.
• Biocatalizadora; es decir, aceleradora de las reacciones bioquímicas, como las
enzimas.
Además, el oxígeno (O2), el dióxido de carbono (CO2) y el nitrógeno (N2) realizan
funciones específicas:
- El oxígeno interviene en la respiración aerobia, tanto en las bacterias aeróbicas
como en las mitocondrias de las células animales y vegetales.
- El dióxido de carbono desprendido en la respiración aerobia como producto de
excreción, lo captan del medio las algas y las plantas al realizar la fotosíntesis en
los cloroplastos.
- El nitrógeno es un gas inerte. Sólo algunas bacterias del suelo (gén. Clostridium)
y otras simbiontes de las raíces de las leguminosas (como algunas especies del
gén. Rhizobium) son capaces de captarlo y aprovecharlo para sintetizar proteínas.
BIOMOLÉCULAS
SIMPLES
(con átomos del mismo
elemento)
Oxígeno molecular (O2)
Nitrógeno molecular (N2)
INORGÁNICAS
AGUA, DIÓXIDO DE
SALES MINERALES.
CARBONO,
GLÚCIDOS (C, H y O)
COMPUESTAS
(con átomos de elementos
diferentes)
ORGÁNICAS
LÍPIDOS (C, H y pequeñas
cantidades de O)
(formadas por
polímeros de carbono
PROTEÍNAS (C, H, O, N y S)
e hidrógeno)
ÁC. NUCLEICOS (C, H, O, N y P)
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EL AGUA
a) CARACTERÍSTICAS
Se trata de una sustancia simple y extraña; puede ser considerada con razón
el líquido de la vida. Sus moléculas no sólo fueron el soporte de donde surgió la vida,
sino que, con toda probabilidad, participaron activamente en las reacciones químicas que
formaron agregados más complejos a partir de moléculas orgánicas sencillas.
Por otro lado, es la sustancia más abundante en la materia viva (en el
embrión humano supone hasta el 93% de su masa y en los adultos el 63%), aunque el
porcentaje varía según el tejido (en la dentina de los dientes están en un 10% y en los
huesos supone un 22%).
Cuanta mayor actividad presente un organismo, mayor será su contenido en
agua (por ello, los porcentajes más bajos aparecen en estructuras de vida latente, como
las semillas).
El agua aparece en la materia viva en tres formas diferentes:
a) Agua circulante, como por ejemplo en la sangre, la savia, etc.
b) Agua intersticial, entre las células. Suele estar fuertemente adherida a la
sustancia intercelular formando el agua de imbibición, como sucede en el tejido
conjuntivo.
c) Agua intracelular, en el citosol y en el interior de los orgánulos celulares.
En las personas, el agua circulante representa el 8% de su masa; el agua
intersticial el 15%; y el agua intracelular el 40%.
En general, los organismos obtienen el agua directamente del exterior, pero
también la pueden obtener a partir del agua metabólica, formada a partir de otras
biomoléculas mediante reacciones bioquímicas, como por ejemplo a partir de la
oxidación de la glucosa:
C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + energía (ATP)
b) ESTRUCTURA QUÍMICA
Orbitales enlazantes
Orbitales sp3 del oxígeno
El extraño comportamiento de la molécula de agua se
debe a
la
disposición tetraédrica de los orbitales sp3 del átomo de
oxígeno que forma parte de su molécula; éste determina un
ángulo entre los dos átomo de hidrógeno H-O-H de
aproximadamente 104’5º; por otro lado, debido a la mayor
electronegatividad del oxígeno respecto al hidrógeno, atraerá
con más fuerza a los electrones de éstos.
(La configuración electrónica del oxígeno es 1s2 2s2 2p4 , de tal forma que
entre el orbital 2s y los tres orbitales 2p se pueden formar cuatro orbitales
híbridos sp3 orientados tetraédricamente, de los cuales sólo dos son orbitales
enlazantes –los que están unidos a los hidrógenos-.
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En la molécula de agua, el átomo de oxígeno forma dos enlaces covalentes con dos átomos de
hidrógeno, solapándose los dos orbitales enlazantes sp3 del oxígeno con los orbitales 1s de cada hidrógeno,
de manera que en cada enlace se comparten dos electrones –uno de cada átomo-.
La consecuencia de esta conformación espacial es que la molécula de agua,
aunque tiene una carga total neutra, presenta una distribución asimétrica de sus
electrones, lo que la convierte en una molécula polar: alrededor del oxígeno se
concentra una densidad de carga negativa doble (δ
δ=), mientras que los núcleos de los
hidrógenos quedan “desnudos”, desprovistos de sus electrones y, por tanto, con una
densidad de carga positiva (δ
δ+).
Puente de hidrógeno
Esta peculiaridad química la convierten en una molécula dipolar o dipolo (un
polo positivo –representado por los átomos de hidrógeno- y uno negativo –donde se
localiza el oxígeno-).
Este marcado carácter bipolar de las moléculas de agua permite que se
produzcan interacciones con otras moléculas polares o con iones (aniones y cationes).
Entre las propias moléculas de agua se establecen interacciones que pertenecen a un
tipo de uniones químicas débiles denominadas puentes de hidrógeno (1/20 más
débiles que los enlaces covalentes), donde la carga parcial negativa del oxígeno de una
molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los
átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes, de forma que una molécula de
agua puede participar hasta en cuatro puentes de hidrógeno a la vez.
2
3
1
4
4
Estos dipolos pueden llegar a originar
polímeros de 3, 4 y hasta poco más de 9 moléculas. Con esto se logra una masa
molecular elevada y el agua se comportará como un líquido. Estas agrupaciones, que
duran fracciones de segundo, permiten que se formen en el seno del agua (líquida o
sólida) una estructura perfectamente ordenada de tipo reticular, responsable en gran
parte de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de todas sus propiedades
físico-químicas.
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c) PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS
Del mismo modo que la configuración electrónica del carbono fue responsable
de su idoneidad para formar parte de los compuestos orgánicos y justificó su selección
como elemento fundamental de la materia viva, las propiedades físico-químicas del
agua, derivadas de su peculiar estructura molecular, también determinan su función
biológica. Durante la evolución de la vida, los organismos se han ido adaptando al
ambiente acuoso y han desarrollado sistemas que les permiten aprovechar todas y cada
una de las propiedades del agua.
1º.- Elevada fuerza de cohesión entre las moléculas.
Debida a los enlaces de hidrógeno que se establecen entre ellas. Ser un fluido
dentro de un amplio margen de temperatura hace que sea un líquido casi incompresible,
que proporciona volumen a las células, turgencia a las plantas y constituye el esqueleto
hidrostático de anélidos, pólipos, medusas, etc.
2º.- Elevada fuerza de adhesión.
Las moléculas de agua presentan una alta capacidad de adherirse a las
paredes de los conductos de pequeño diámetro (=capilares), ascendiendo en contra de
la gravedad, lo que se conoce como capilaridad. Este fenómeno depende, tanto de la
adhesión de las moléculas de agua a las paredes, como de la cohesión de estas
moléculas entre sí. Esto permite que la savia bruta pueda ascender por los vasos
xilemáticos en los vegetales.
3º.- Elevada tensión superficial.
Es decir, su superficie opone resistencia a romperse, lo cual posibilita que
algunos organismos vivan asociados a esta
película de agua (ej. Numerosos tipos de
insectos, como los del gén. Gerris -los
zapateros-)
En el interior de una masa de
agua, las moléculas se cohesionan entre sí
mediante puentes de hidrógeno y las
fuerzas se compensan; sin embargo, las
moléculas situadas bajo la superficie
únicamente están sometidas a la acción de
las moléculas del agua del interior al no
existir fuerzas de cohesión con las
moléculas de aire, formando una especie
de “cama elástica”.
4º.- Elevado calor específico.
El calor específico es el calor necesario para elevar la temperatura de una
sustancia. El agua tiene un calor específico alto, debido a que para elevar su
temperatura (y, por tanto, el grado de agitación de sus moléculas) hay que romper
muchos de los enlaces que hay entre ellas, lo que implica que hay que aplicar mucha
energía calorífica.
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Por este motivo, el agua es un buen estabilizador térmico del organismo frente
a los cambios bruscos de temperatura del ambiente.
5º.- Elevado calor de vaporización.
Para pasar del estado líquido al estado gaseoso hace falta romper todos los
enlaces de hidrógeno, y para ello se necesita mucha energía. Esto hace que el agua sea
una buena sustancia refrigerante del organismo, ya que permite absorber mucha
energía calorífica antes de convertirse en vapor.
6º.- Densidad más alta en estado líquido que en estado sólido.
El agua permanece líquida en un amplio margen de temperaturas, entre 0º C y
100º C, que son las más aptas para los procesos biológicos.
Pero ¿qué ocurre cuando se enfría por debajo de los 0º C? Las
moléculas de agua en estado sólido establecen cada una
cuatro puentes de hidrógeno, mientras que en estado líquido
establecen una media de 3’4 puentes de hidrógeno/molécula
de agua. Por ello, la estructura del hielo forma un retículo que
ocupa más espacio y es menos denso que el agua líquida.
Cuando el agua se enfría, se contrae su volumen, pero al
alcanzar los 4ºC cesa esa contracción y su estructura se dilata
hasta transformarse en un retículo de hielo en el punto de
congelación (0º C).
Esto explica que el hielo flote sobre el agua y que
forme una capa superficial termoaislante que posibilita la vida
bajo el hielo en ríos, lagos y mares, ya que mientras en la superficie puede haber -40º C
a -50º C, el agua de la superficie transformada en hielo mantiene constante su
temperatura a 0º C, y el agua del fondo queda protegida térmicamente del exterior, y
pude alcanzar los 4º-5º C, que son suficientes para la supervivencia de ciertas especies.
7º.- Elevada constante dieléctrica.
Una forma de medir la capacidad de una sustancia para disolver compuestos
iónicos consiste en calcular el valor de su constante dieléctrica; ésta indica la fuerza con
la que las moléculas de un disolvente (en este caso el agua) mantiene separados a los
iones de carga opuesta, a pesar de la atracción que exista entre ellos, y permitiendo así
que el compuesto iónico permanezca disuelto; por ello, a mayor constante
dieléctrica, mayor poder disolvente. En el caso del agua este valor es de 80 a una
temperatura de 20º C, mientras que la del etanol es de 24.
En el caso del agua, por tener
moléculas dipolares, resulta ser un
gran disolvente de compuestos
iónicos (como las sales minerales) y
de compuestos covalentes polares
(como los glúcidos).
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El proceso de disolución se debe a que las moléculas de agua, al ser polares
(dipolares), se disponen alrededor de los grupos polares (=con carga) de los solutos,
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 o
hidratación iónica.
Esta alta capacidad disolvente y su abundancia en el medio natural explican
que sea el vehículo de transporte y el medio donde se llevan a cabo todas las reacciones
químicas del organismo (ej. La digestión de los alimentos).
8º.- Bajo grado de ionización.
Solo una de cada 10.000.000 de moléculas de agua se encuentra ionizada
(H2O H+ + OH-), lo cual explica que la concentración de protones (H+) y de iones
hidroxilo (OH-) sea tan baja, de tan solo 10-7 moles/L. Debido a los bajos niveles de
iones, si se añade un ácido (que produce H+) o una base (que produce OH-), aunque sea
en poca cantidad, esos niveles variarían bruscamente.
El agua y sus productos de ionización participan en una serie de reacciones
biológicas importantes, entre las que destacan las reacciones de hidrólisis y el proceso
inverso, la condensación [moléculas sencillas se unen para formar otras más complejas,
en cuyo proceso se desprende agua (=agua metabólica)].
Y como [H+] = [OH-], entonces:
[H+]2 = 10-14 √[H+]2 = √10-14 [H+] = 10-7 ; [OH-]=10-7
d) FUNCIONES BIOLÓGICAS.
El agua, gracias a sus características particulares, inherentes a su estructura,
realiza en los organismos las siguientes funciones biológicas imprescindibles para el
mantenimiento de la vida:
1ª.- Función disolvente.
La molécula de agua, por solvatación o hidratación iónica, facilita la disociación de
las sales en forma de cationes y aniones que se rodean por dipolos de agua. El agua es
un buen disolvente de los compuestos iónicos (como las sales minerales) y de los
compuestos covalentes polares (como muchos glúcidos y proteínas). Esto hace que sea
el medio en el que se realizan casi todas las reacciones biológicas.
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2ª.- Función bioquímica.
El agua interviene en numerosas reacciones químicas, como en la hidrólisis (se
rompen enlaces químicos con la intervención del agua –ej. Digestión de los alimentos-) o
en la fotosíntesis (actuando como fuente o dador de hidrógenos).
3ª.- Función de transporte.
El agua es el medio de transporte de muchas sustancias, desde el exterior al
interior de los organismos, así como en el propio organismo (ej. Ascensión de la savia
bruta en los árboles).
4ª.- Función estructural.
Las células que carecen de una pared de secreción rígida mantienen su volumen y
su forma gracias a la presión que ejerce el agua interna. Cuando las células pierden
agua, pierden la turgencia natural, se arrugan e incluso se llega a formar un espacio
entre el citoplasma y la membrana por plasmólisis.
5ª.- Función de amortiguador mecánico.
Los vertebrados, por ejemplo, tienen en las articulaciones móviles bolsas de líquido
sinovial que evita el rozamiento de los huesos.
6ª.- Función termorreguladora.
Derivada de su alto calor específico y su elevado calor de vaporización. Por ejemplo,
los animales cuando sudan expulsan agua, que al evaporarse toma calor del cuerpo y,
como consecuencia, se enfría.
LAS SALES MINERALES
Además del agua y de los gases atmosféricos, existen otros principios
inmediatos inorgánicos como son las sales minerales. En función de su solubilidad en
agua podemos encontrarlas de tres formas en los seres vivos:
a) Sales precipitadas.
b) Sales disueltas.
c) Sales asociadas a moléculas orgánicas.
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SALES MINERALES PRECIPITADAS
Forman estructuras sólidas, insolubles, con función esquelética. Por ejemplo el
carbonato cálcico de los caparazones de los crustáceos y los moluscos (CaCO3); el
fosfato de calcio Ca3(PO4)2 y el carbonato de calcio, que depositados sobre el colágeno,
constituyen los huesos; la sílice (SiO2) de los exoesqueletos de las diatomeas (grupo de
algas microscópicas) y los radiolarios (pertenecientes al grupo de los protozoos).
También en algunos animales existen acúmulos de minerales con muy distintas
misiones, como, por ejemplo, los otolitos del oído interno, que son cristales de
carbonato cálcico que intervienen en el mantenimiento del equilibrio, o las partículas de
magnetita (óxido de hierro) presentes en numerosas especies (palomas mensajeras,
abejas, delfines, tortugas, etc.) y que, al parecer, usan como brújula interna para
orientarse en sus desplazamientos.
SALES MINERALES DISUELTAS
Las sustancias minerales al disolverse dan lugar a aniones y cationes.
a) Los aniones más frecuentes en la materia viva son: Cl-, SO42-, PO43-, CO32-, HCO3y NO3-.
b) Los cationes más abundantes son: Na+, K+, Ca2+, Cu2+, Zn+, Fe2+ y Mg2+.
Estos iones mantienen constante el grado de salinidad dentro del organismo y
también ayudan a mantener constante el grado de acidez (pH). Los fluidos biológicos,
que están formados básicamente por agua, mantienen constante su grado de acidez
pese a la adición de ácidos o bases. Este fenómeno se denomina “efecto amortiguador,
buffer o tampón”, y las disoluciones en las que tienen lugar se denominan “disoluciones
amortiguadoras”.
El medio interno de los organismos presenta unas concentraciones iónicas
constantes. Una variación en éstas provoca alteraciones de la permeabilidad, la
excitabilidad y la contractibilidad de las células.
La presencia de sales en el medio interno celular determina que se verifique la
entrada o salida de agua a través de la membrana, debido a la tendencia a igualar la
salinidad interna y externa, regulando así la presión osmótica y el volumen celular.
Los iones del interior celular son distintos de los del exterior; por eso, a ambos
lados de la membrana existe una diferencia de cargas eléctricas, generándose el llamado
potencial eléctrico de membrana, imprescindibles en los procesos de sinapsis
neuronales.
Por otro lado, cada ión ejerce funciones específicas y, en algunos casos,
antagónicas. Por ejemplo, el ión K+ aumenta la turgencia de las células, mientras que el
ión Ca2+ la disminuye. Esto se debe a que el ión K+ favorece la imbibición, es decir, la
captación de moléculas de agua alrededor de las partículas citoplasmáticas, mientras
que el Ca2+ la dificulta.
Algunos compuestos realizan una función tamponadora o amortiguadora de los
niveles internos de pH; este papel lo realizan los sistemas carbonato-bicarbonato (CO32—
HCO3-) y monofosfato-bifosfato (H2PO4— - HPO42-).
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IONES
Na+
K
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PROCESOS EN LOS QUE INTERVIENEN
Mantenimiento del equilibrio iónico y acuoso en el medio extracelular.
Transmisión de la corriente nerviosa.
Contracción muscular.
Regulación de la actividad cardiaca.
Transmisión de la corriente nerviosa.
+
Ca++
Mg++
Coagulación de la sangre.
Mineralización de estructuras esqueléticas.
Contracción muscular.
Regulación de la actividad cardiaca.
Transmisión sináptica.
Activador y cofactor de enzimas.
Regulador de la contracción muscular y de la transmisión de la corriente nerviosa.
Constituyente de los ribosomas funcionales.
Activador y cofactor de algunas enzimas.
SALES MINERALES ASOCIADAS A MOLÉCULAS ORGÁNICAS
Suelen hallarse junto a proteínas, formando fosfoproteínas o a lípidos, formando
fosfolípidos. También puede haber iones formando parte de otras moléculas orgánicas
como el hierro de la hemoglobina, el magnesio en la clorofila, los fosfatos en los ácidos
nucleicos, los fosfolípidos y el ATP, el cobalto en la vitamina B12, el yodo en las
hormonas tiroideas y el azufre en algunos aminoácidos como la cisteína y la metionina.
4. EL ESTADO LÍQUIDO.
En los seres vivos, el estado líquido está constituido por diversos tipos de
moléculas que forman la fase dispersa o soluto y un solo tipo de fase dispersante o
disolvente que es el agua.
Según el tamaño de las partículas de la fase dispersa se puede realizar la
siguiente clasificación:
1º.- Disoluciones: Si el tamaño de las partículas dispersas es menor de 5 nm. Se
considera una mezcla homogénea de sustancias puras donde las partículas disueltas son
iones, moléculas aisladas o agrupaciones muy pequeñas de estos componentes, que no
sedimentan.
2º.- Dispersión coloidal: Si el tamaño de las partículas dispersas está entre 5
nm- 200 nm (=0’2 µm, que es el límite de resolución con el microscopio óptico). Se trata
de una mezcla en la que las partículas tampoco sedimentan, pero reflejan y refractan la
luz sobre ellas; además, no pueden atravesar las membranas biológicas, que solo son
permeables al disolvente.
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LAS DISOLUCIONES
Las disoluciones verdaderas son las dispersiones en un líquido de un sólido de
bajo peso molecular. Por ejemplo, la disolución en agua de glucosa o de cloruro sódico,
que, una vez disuelto, da iones.
Las disoluciones verdaderas no sedimentan por ultracentrifugación, son vacías
ópticamente (no produce ni reflexiones ni refracciones de la luz) y sus partículas
dispersas (solutos) no son ni absorbentes ni diferenciables por electroforesis.
Las propiedades de las disoluciones verdaderas que más interés tienen en
Biología son:
a) La difusión.
b) La ósmosis.
c) La estabilidad del pH.
La difusión
Es la repartición homogénea de las partículas de un fluido (gas o líquido) en el
seno de otro fluido al ponerlos en contacto. Este proceso se debe al movimiento
constante en que se encuentran las partículas de ambos fluidos. Por ejemplo, la
absorción de oxígeno por parte del agua, o la humidificación del aire.
Cuando ambos tipos de partículas estén separadas por una membrana, el
movimiento de estas partículas se realizará siempre
desde la zona con mayor concentración a la zona con
menor concentración, hasta que dicha concentración se
equilibre a uno y otro lado de la membrana.
El proceso descrito se denomina también difusión
simple.
La ósmosis
Es el proceso físico consistente en el paso del disolvente (agua, en la mayoría de
las veces) a través de una membrana semipermeable que separa a dos disoluciones con
diferentes concentraciones. Este paso de disolvente se produce desde la disolución más
diluida a la más concentrada, y hasta que ambas disoluciones alcancen el equilibrio,
momento en el que ambas concentraciones de igualan. La presión osmótica se define
como la presión que sería necesaria aplicar para detener el flujo de agua a través de la
membrana semipermeable.
Este proceso tiene una gran importancia en muchos procesos biológicos, ya que
las membranas celulares son semipermeables (dejan pasar el disolvente pero no a todas
las partículas de soluto) y según sea la concentración del medio externo, da lugar a
diferentes respuestas por parte de las células:
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• En un medio externo isotónico respecto
al medio interno celular, es decir, que
tienen la misma concentración, la célula
no se deforma.
• En un medio externo hipertónico (más
concentrado que el medio interno), la
célula pierde agua y se arruga. A este
fenómeno se le llama plasmólisis (crenación en el caso de los eritrocitos).
• En un medio externo hipotónico (menos concentrado que el medio interno), la
célula se hincha porque entra agua al interior, llegando incluso a estallar si no
disponen de una pared celular rígida como la de los vegetales. A este fenómeno se
le llama turgencia (hemólisis en el caso de los eritrocitos).
El agua del mar no sacia la sed, ya que, al estar más concentrada que el medio
interno, provoca en las células la pérdida de agua (proceso de plasmólisis) y su posterior
destrucción.
La estabilidad del pH
Los fluidos biológicos intracelulares y extracelulares mantienen constante el pH de
su medio interno. El control biológico del pH de las células y los fluidos corporales es
vital en todos los aspectos del metabolismo y de las actividades celulares. La mayoría de
los procesos biológicos son dependientes del pH, un pequeño cambio en el pH supondría
un gran cambio en dicho proceso.
Si el pH variara, muchas reacciones químicas cambiarían el sentido de la reacción
y gran parte de las enzimas precipitarían. Por ejemplo, el plasma sanguíneo humano
tiene un pH cercano a 7’4. Si fallan los mecanismos de regulación del pH (como sucede
en los casos de diabetes, en la que el incremento de ácidos metabólicos produce
acidosis), el pH puede descender a 6’8, lo que conlleva lesiones celulares importantes y
hasta la muerte del individuo.
Para evitar las variaciones de pH, intervienen sales minerales disueltas, que
forman las denominadas disoluciones tampón o amortiguadoras, compuestas por un
ácido débil y su base conjugada. Estos sistemas tampón actúan como aceptores o
dadores de H+ para compensar el exceso o déficit de estos iones en el medio y mantener
constante su pH.
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En los sistemas biológicos los más comunes son:
1.- Sistema tampón fosfato. Este sistema actúa en el interior de la célula.
Está formado por los iones dihidrógeno fosfato (H2PO4-) y monohidrógeno fosfato
(HPO4 ) que están en equilibrio. Este sistema mantiene el pH interno celular constante
en 7’2, y está interrelacionado con los fosfatos orgánicos, como el ATP.
2-
Si en la célula aumentara la acidez, es decir, la
concentración de H+, la reacción se desplazaría
hacia la izquierda; y si disminuyera, lo haría hacia
la derecha.
Acidifica
H2PO4-
HPO42- + H+
Neutraliza
2.- Sistema tampón bicarbonato. Este sistema actúa en el exterior de la célula.
Formado por iones monohidrógeno carbonato (HCO3-) y ácido carbónico (H2CO3)
en equilibrio.
El ácido carbónico (H2CO3) es muy inestable y
enseguida se descompone en dióxido de
carbono y agua. Por ejemplo, en acidosis de la
sangre, que supondría un exceso de H+, el ión
bicarbonato (HCO3-) se uniría a estos iones de
H+ y daría ácido carbónico, que rápidamente se
descompondría en dióxido de carbono y agua.
Neutraliza
H+ + HCO3-
H2CO3 ⇔ CO2 + H2O
Acidifica
Algunas proteínas pueden actuar también como amortiguadores de los cambios de
acidez dentro y fuera de las células.
LAS DISPERSIONES COLOIDALES
Son disoluciones en las que los solutos son de elevado peso molecular; son, pues,
transparentes y claras, pero vistas al trasluz se observa cierta opalescencia, debido al
destello que emiten estas partículas al reflejarse la luz sobre ellas.
Las dispersiones coloidales son estables, es decir, no sedimentan aunque pase
mucho tiempo.
Las dispersiones coloidales, por otro lado, pueden presentarse en dos estados:
a) Forma de gel o estado semisólido.
b) Forma de sol o estado líquido (el estudiado hasta ahora).
El material que hay en la periferia de la célula (=ectoplasma) está en forma de
gel, mientras que el citosol interno (=endoplasma), está en forma de sol. El paso de
ectoplasma a forma de sol permite la emisión de prolongaciones (=pseudópodos) y, por
tanto, el movimiento ameboide y la fagocitosis.
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