TEMA 1 BIOELEMENTOS BIOMOLECULAS INORGÁNICAS 1. 2. 3. 4. INTRODUCCIÓN LA BASE QUÍMICA DE LA VIDA BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS COMPUESTOS INORGÁNICOS a. EL AGUA b. LAS SALES MINERALES 1.- INTRODUCCIÓN Los seres vivos están compuestos principalmente por C, H, O y N; y en menor proporción por P y S. La química orgánica se basa en enlazar átomos de carbono formando macromoléculas bastante estables y la vida es el resultado de la organización de estas macromoléculas. Teniendo en cuenta que los elementos mayoritarios del Universo son helio e hidrógeno, cabe preguntarse por qué aparecen otros elementos en la composición de los seres vivos. La respuesta radica en la formación de la Tierra y el posterior origen de la vida. Si aceptamos que la vida surgió en el agua, los elementos que se seleccionaron tenían que cumplir dos características: Ser solubles en agua Ser capaces de formar enlaces más o menos estables con otros 2.- LA BASE QUÍMICA DE LA VIDA BIOELEMENTOS A. Concepto: Se denominan elementos biogénicos o bioelementos a aquellos elementos químicos que forman parte de los seres vivos. B. Razones de la abundancia del C (20%), H (9.5%), O (62%) y N (2,5%) en los seres vivos: Son fácilmente incorporados desde la biosfera. Forman entre ellos enlaces covalentes, compartiendo electrones El carbono, nitrógeno y oxígeno, pueden compartir más de un par de electrones, formando enlaces dobles y triples, lo cual les dota de una gran versatilidad para el enlace químico Son los elementos más ligeros con capacidad de formar enlace covalente, por lo que dichos enlaces son muy estables. Debido a la configuración tetraédrica de los enlaces del carbono, los diferentes tipos de moléculas orgánicas tienen estructuras tridimensionales diferentes. Esta conformación espacial es responsable de la actividad biológica. Las combinaciones del carbono con otros elementos, como el oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno, etc. permiten la aparición de una gran variedad de grupos funcionales que dan lugar a las diferentes familias de sustancias orgánicas. Estos presentan características físicas y químicas diferentes, y dan a las moléculas orgánicas propiedades específicas, lo que aumenta las posibilidades de creación de nuevas moléculas orgánicas por reacción entre los diferentes grupos. Grupos Funcionales Hidrófilos Carboxilo - COOH Hidroxilo o Alcohol - OH Carbonilo >C=O Amino -NH2 Imino > NH Sulfihidrilo -SH Grupos Funcionales Hidrófobos Radical Alquílico -CH2-R Radical etilénico -CH = R Radical fenilo - C6H5 Los grupos funcionales polares son solubles en agua o hidrófilos. Los no polares son insolubles o hidrófobos. El Si, a pesar de compartir muchas características con el carbono, sólo aparece en los seres vivos en cantidades mínimas C. Clasificación 1. Elementos mayoritarios: Presentes en porcentajes superiores al 0.1% y aparecen en todos los seres vivos. a. Bioelementos primarios (C, H, O, N) - Principales constituyentes de las biomoléculas. En conjunto 95% de la materia viva. b. Bioelementos secundarios (S, P, Na, K, Ca, Mg, Cl) - En conjunto 4,5% de la materia viva. Azufre: Se encuentra en dos aminoácidos (cisteína y metionina), presentes en todas las proteínas. También en algunas sustancias como el Coenzima A. Fósforo: Forma parte de los nucleótidos, compuestos que forman los ácidos nucleicos. Forman parte de coenzimas y otras moléculas como fosfolípidos, sustancias fundamentales de las membranas celulares. También forma parte de los fosfatos, sales minerales abundantes en los seres vivos. Magnesio: Forma parte de la molécula de clorofila, y en forma iónica actúa como catalizador, junto con las enzimas, en muchas reacciones químicas del organismo. Calcio: Forma parte de los carbonatos de calcio de estructuras esqueléticas. En forma iónica interviene en la contracción muscular, coagulación sanguínea y transmisión del impulso nervioso. Sodio: Catión abundante en el medio extracelular; necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular. Potasio: Catión más abundante en el interior de las células; necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular. Cloro: Anión más frecuente; necesario para mantener el balance de agua en la sangre y fluido intersticial. 2. Oligoelementos Presentes en porcentajes inferiores al 0,1%, no son los mismos en todos los seres vivos. Son indispensables para el desarrollo armónico del organismo. Se han aislado unos 60 oligoelementos en los seres vivos, pero solamente 14 de ellos pueden considerarse comunes para casi todos. Universales, es decir presentes en todos los seres vivos (Mn, Fe, Co, Cu y Zn), otros oligoelementos (B, F, Si, V, Cr, As, Se, Mo, Sn, I) Hierro: Fundamental para la síntesis de clorofila, catalizador en reacciones químicas y formando parte de citocromos que intervienen en la respiración celular, y en la hemoglobina que interviene en el transporte de oxígeno. Manganeso Interviene en la fotolisis del agua, durante el proceso de fotosíntesis en las plantas. Iodo: Necesario para la síntesis de la tiroxina, hormona que interviene en el metabolismo en vertebrados. Flúor: Forma parte del esmalte dentario y de los huesos. Cobalto: Forma parte de la vitamina B12, necesaria para la síntesis de hemoglobina, organismos fijadores del N y para muchos otros Silicio: Proporciona resistencia al tejido conjuntivo, endurece tejidos vegetales como en las gramíneas y equisetos, y el caparazón de muchos microorganismos, como diatomeas. Cromo: Interviene junto a la insulina en la regulación de glucosa en sangre. Zinc: Actúa como catalizador en muchas reacciones del organismo, polimerasas del DNA y del RNA y otras reacciones redox. Litio: Actúa sobre neurotransmisores y la permeabilidad celular. En dosis adecuada puede prevenir estados de depresiones. Molibdeno: Forma parte de las enzimas vegetales que actúan en la reducción de los nitratos por parte de las plantas. Cobre: forma parte, junto con el Fe, de un enzima, la citocromooxidasa que interviene en el transporte de electrones en la respiración. II.BIOMOLÉCULAS A. Concepto Denominadas también principios inmediatos, son aquellas moléculas que forman parte de los seres vivos. B. Biomoléculas inorgánicas 1. El agua El agua - 60- 90% de la materia viva. Su abundancia depende de la especie, la edad y la actividad fisiológica del tejido. Aparece en el interior de las células, en el líquido tisular y en los líquidos circulantes. La molécula de H2O: formada por 2 H + 1 O unidos covalentemente formando un ángulo α= 104,5º Tiene carga neutra: p+= e- Es una molécula polar: el núcleo de O arrastra e- fuera del núcleo del H (electronegatividad 0 > electronegatividad H )forma un dipolo permanente Las moléculas de H2O se unen entre sí mediante puentes de hidrogeno - 1 molécula de H2O forma 4 puentes de H (2 el átomo de O, 2 los átomos de H) El enlace es muy débil, vida media es del orden de 10-9s, cuando uno se rompe se forma otro, el agua no es viscosa es muy fluida. PERMITE AGUA LÍQUIDA A Tª AMBIENTE a) Propiedades y funciones biológicas: 1- Elevada cohesión molecular: la unión de las moléculas por puentes de H permite que sea un fluido dentro de un amplio margen. 2- Elevada Fuerza de Adhesión - las moléculas de agua tienen capilaridad: ascienden en contra de gravedad por los conductos de diámetro pequeño Fatracción (H2O-vídrio> Fatracción (H2O-H2O) - Imbibición: penetración capilar de moléculas de H2O en determinados materiales que hace que se hinchen (madera y gelatina) p.e germinación de semillas 3- Elevada Tensión Superficial: en un determinado volumen de H2O, la superficie tiene mayor resistencia a ser traspasada debido a la cohesión entre sus moléculas. (las moléculas de la superficie tienen F de atracción neta hacia el interior del líquido) 4- Elevado Calor Específico Calor específico: calor necesario (absorba o desprenda) para que una sustancia aumente o disminuya su temperatura. 1 caloría= cantidad de Q que aumenta 1º C 1 g de H2O Se debe a que ese calor produce la rotura de los puentes de H, entre las moléculas y queda poca Energía Calorífica para mover las moléculas de H2O (aumentar su velocidad), lo mismo que al disminuir se forman puentes de hidrogeno adicionales y se libera energía en forma de calor. CONSECUENCIAS BIOLÓGICAS El agua se calienta y enfría más lentamente (organismos acuáticos tienen ambientes más estables) Función termorreguladora (el agua de los organismos mantiene su Tcte 5- Elevado Calor de Vaporización El agua necesita aumentar el Q para romper todos los puentes de H, cuando el agua se evapora, las moléculas que escapan llevan Q, la condensación devuelve las 580 calorías. EFECTO REFRIGERANTE (los organismos “descargan” el exceso de Q) Tanto la evaporación como la condensación del agua de los mares contribuyen a la regulación del clima. Los seres vivos terrestres refrigeran su superficie gracias a la evaporación. 6- Densidad La densidad del agua líquida es mayor que la densidad del agua líquida, el agua solida forma un retículo que ocupa más volumen. T AGUA < 4ºC, las moléculas se separan para mantener el máximo número de puentes de H en una estructura estable. En estado líquido, se forman y se destruyen continuamente puentes e hidrogeno, confiriéndole una estructura de red dinámica empaquetada, sin posiciones fijas en las moléculas. En estado sólido forma 4 puentes de hidrogeno y mantiene las posiciones fijas, una estructura cristalina tridimensional más expandida y por tanto con menor densidad T agua =0, se forma retículo Consecuencias: Permite la vida bajo el hielo Protege de efectos térmicos del exterior 7- Elevada Constante Dieléctrica El agua tiende a disminuir las atracciones entre cationes y aniones, SOLVATACIÓN IÓNICA Favorece la disolución de las redes cristalinas, DISOLVENTE UNIVERSAL Debido al carácter dipolar de las moléculas de H2O 8-Bajo grado de ionización El agua líquida tiene una pequeña cantidad de moléculas ionizadas (disociadas en iones) La fórmula de disociación es 2 H2O H3O++ OHProducto iónico KW: producto de las concentraciones de los iones en agua pura a 25ºC En función de las concentraciones de los iones las disoluciones acuosas pueden ser neutras, acidas o básicas IMPORTANCIA BIOLÓGICA DEL AGUA (consecuencia de sus propiedades): 1- Principal disolvente biológico (disocia compuestos iónicos y moléculas con grupos funcionales polares alcoholes, aldehídos y cetonas) 2- Función metabólica es el medio en el que se realizan la mayoría de las reacciones bioquímicas 3- Función estructural, la elevada cohesión entre sus moléculas permite dar volumen a las células turgencia a plantas, esqueleto hidrostático de invertebrados… 4- Función mecánica amortiguadora, p.ejemplo el líquido sinovial entre las articulaciones 5- Función de transporte la elevada capacidad disolvente permite el transporte de sustancias en los organismos. La capacidad contribuye a la ascensión de la savia bruta 6- Función termorreguladora el calor especifico mantiene constante la T interna de los organismos, el elevado calor de vaporización explica la refrigeración de organismo cuando sudamos 7- Permite la vida acuática en climas fríos la mayor densidad en estado líquido explica la formación de una capa de hielo en la superficie que protege de los efectos térmicos del exterior. 2- SALES MINERALES Suponen el 10% en peso. Podemos encontrarlas de tres formas: A- DISUELTAS - Solubles en agua - Se encuentran en medio intra y extracelulares, disociadas en sus iones. - Los más frecuentes: ANIONES Cl-, PO 43-, HPO 42- , CO 32,HCO 3-,NO 3- CATIONES Na+, K+ ,Ca2+, Mg 2+, Fe3+, Fe2+ FUNCIONES a) Colaboran en el mantenimiento de la HOMEOSTASIS (medio interno estable) b) Mantener el grado de salinidad de los organismos c) Regular la actividad enzimática (iones activan/inhiben las r.qcas) d) Regular el volumen celular[𝑠𝑎𝑙𝑒𝑠]ext y [sales ] int determinan las entradas/salidas de agua: medio hipotónico y medio hipertónico e) Estabilizar dispersiones coloidales, mantener el grado de hidratación y la suspensión de las partículas coloidales f) Generar potenciales eléctricos, iones a ambos lados de los lados de la membrana celular generan diferencia de carga (potencial eléctrico de membrana) g) Regular el pH, diminución variaciones de pH- SISTEMAS TAMPON SISTEMAS TAMPON En los seres vivos es necesario mantener la homeostasis, el pH de sus fluidos no debe cambiar por que cambian las estructuras y dejarían de ser funcionales. Los sistemas tampón son disoluciones que contribuyen a mantener el pH de los organismos constante cuando se añade un ácido o una base. - ACIDAS: la sustancia disuelta libera H+ - BASICAS: la sustancia disuelta libera OH¿Cómo funcionan?, son formas disociadas y no disociadas de un ácido débil (dador de H+) y su base conjugada (aceptor de H+), que mantiene el pH cte por tendencia a combinarse con iones H+ Ejemplos: tampón fosfato y tampón bicarbonato Tampón bicarbonato: común en los líquidos intercelulares. Mantiene el pH próximo a 7,4, gracias al equilibrio entre ion bicarbonato y el ácido carbónico que se disocia en dióxido de carbono y agua. Tampón fosfato: se encuentra en los líquidos intracelulares y mantiene el pH en torno a 6,86. B- ASOCIADAS Son sales minerales que se unen a otras moléculas orgánicas para formar determinadas moléculas. El ión y la molécula orgánica no realizan esa función por separado Ejemplos: Hb, fotosíntesis, C- PRECIPITADAS Sólidas Estructuras de sostén y protección - CaCO3 (huesos y dientes vertebrados, espinas de erizos de mar, exoesqueleto de corales, exoesqueleto de artrópodos - Silicatos: caparazones de microorganismos, estructuras de sostén de vegetales, huesos de vertebrados. D- CARÁCTER COLOIDAL DE LA MATERIA VIVA El 90 % de la materia viva se encuentra en estado coloidal (macromolecular) entre 10-5 y 10-7, siendo el agua el medio en que se encuentran dispersas estas partículas. Las disoluciones verdaderas (sistemas dispersos) son dispersiones en un líquido de un sólido de bajo peso molecular 10-7(osas, aa, sales minerales, etc.). En estos casos hay una mezcla íntima y total de las partículas con el agua, se dice que las partículas son hidrófilas. Las partículas (moléculas) se llaman hidrófobas cuando no se mezclan de manera íntima y total de las partículas con el agua; no consiguen lograr una dispersión por ser insolubles. Las disoluciones coloidales son aquellas que tienen partículas dispersas con un tamaño comprendido entre 1nm y 10nm, y son difusibles a través de membranas permeables. (1nm = 10-9 m = 1milimicra). (Proteínas, ácidos nucleicos y polisacáridos) Las partículas coloidales pueden ser de dos clases: a) Micelas: son agrupaciones de muchas moléculas pequeñas que se aglutinan mediante uniones débiles (coloide micelar). b) Macromoléculas: moléculas de 0,2 – 1 milimicras o mas (coloide macromolecular). Las particular coloidales muestran una elevada capacidad de absorción, favoreciendo la atracción entre moléculas que han de reaccionar en los procesos celulares (ejemplo: enzima –sustrato) Las moléculas coloidales, por otro lado, se mueven continuamente, impulsadas por el movimiento browniano del agua (Una partícula suficientemente pequeña como un grano de polen, inmersa en un líquido, presenta un movimiento aleatorio, observado primeramente por el botánico Brown en el siglo XIX. El movimiento browniano puede explicarse a escala molecular por una serie de colisiones en una dimensión en la cual, pequeñas partículas (denominadas térmicas) experimentan choques con una partícula mayor)...Este movimiento aumenta la probabilidad de encuentro entre las moléculas reaccionantes. Los coloides pueden presentar dos estados: 1. Estado de sol: Es el estado coloidal propiamente dicho, donde las partículas del coloide están libres. Se presentan de forma fluida, de modo que las partículas, al dispersarse por el medio (agua), forman un sistema con características de verdaderas disoluciones; es decir, son coloides diluidos (plasma sanguíneo) y ofrecen un aspecto claramente líquido. 2. Estado de gel: en este caso el coloide ha perdido el agua y las partículas flotan, es decir se aglomeran formando redes que tratan de aprisionar el agua que queda. Presentan un aspecto gelatinosos, son coloides concentrados (masa cerebral, tegumentos). El cambio de un estado a otro es reversible, en principio, y está condicionado por factores ambientales del medio (pH, temperatura, concentración de sales). Es decir, las condiciones del medio determinan el que un coloide sea sol o gel. En general puede ocurrir: a)Que un sol pase a gel (gelificación o floculación): Por la simple adición de electrolitos, por aumento de la temperatura, por pérdida de agua o por un brusco cambio de pH. En este caso, las partículas tienden a coalescer, es decir, a formar acervos (agregados). Si la variación de estos factores ambientales es muy persistente o sobrepasa ciertos límites se produce un fenómeno de coagulación, que ya es irreversible; en este caso se habla de desnaturalización del coloide (caso de gelificación extrema). b) Que un gel pase a sol, por la pérdida de electrolitos, por descenso de la temperatura o por adición de agua. Existen dispersiones coloidales hidrófobas que pueden estabilizarse formando las emulsiones cuando actúan sustancias que impiden la unión entre partículas dispersas. Por ejemplo las grasas en la leche, Por otro lado, hay tres fenómenos ligados al movimiento de las partículas disueltas en el agua, y son los siguientes: 1)Difusión: Proceso por el cual ciertas moléculas tienden a repartirse homogéneamente en los medios fluidos. Las moléculas se mueven desde zonas de mayor concentración a menor hasta que ésta sea la misma en todo el espacio Puede ocurrir también a través de las membranas plasmáticas, permitiendo, por ejemplo, el intercambio de gases entre el exterior y el interior de una célula. 2)Diálisis: Se realiza a través de una membrana semipermeable cuyo tamaño de poro permite el paso de pequeñas moléculas y, con ello, la separación de las macromoléculas. La membrana celular actúa así selectivamente al impedir la salida de las partículas coloidales más grandes (proteínas, polisacáridos, enzimas, etc.) y permitir, sin embargo, el intercambio de sales y solutos de pequeño tamaño. Hemodiálisis, se elimina así de la sangre urea y otros metabolitos y se mantienen las moléculas más grandes como las proteínas plasmáticas. 3)Osmosis: Ya hemos hablado de ello, y se diferencia de los procesos anteriores en que es el disolvente (agua), exclusivamente, el que atraviesa la membrana semipermeable para igualar concentraciones. OSMORREGULACION- regulación Posmótica La osmosis genera una diferencia de contenido entre un lado y otro de la membrana, provocando una presión que se denomina Presión osmótica, esta presión equivale a la que tendría que aplicarse sobre la membrana para neutralizar el flujo osmótico. Podemos encontrar Hipertónica, isotónica e hipotónica FENÓMENOS OSMOTICOS Las membranas celulares funcionan como si fueran semipermeables, esto provoca intercambios entre el exterior y el interior de la célula, dependiendo de la concentración de las disoluciones externas a.Hipertónico: el agua tiende a salir de la célula. Las células pierden agua y se contraen, en las células vegetales produce la plasmólisis (la membrana plasmática se separa de la pared celular), se puede producir la muerte celular. b. Hipotónico, el agua tiende a entrar y se hincha, en las células vegetales se llama turgescencia. Las células sin pared expulsan iones para rebajar la presión incluso puede reventar. En las vegetales no suele reventar ya que la pared es algo elástica. c. Isotónico entra y sale la misma cantidad. PROCESOS DEBIDOS A LA OSMOSIS Los protozoos de agua dulce tienen vacuolas contráctiles para bombear continuamente al exterior el exceso de agua que absorben por ósmosis. Algunos movimientos de las plantas (plantas carnívoras), se producen al perder agua las células turgentes que la mantienen abiertas. Al depositarse el insecto las células eliminan potasio al exterior se produce la salida de agua por osmosis y caída de turgescencia. Las raíces absorben agua cuando las disoluciones del suelo son hipotónicas respecto del citoplasma de las células de las plantas, en caso contrario el agua sale y se seca. Otros mecanismos son la difusión facilitada y el transporte activo.