Tema 1: Bioelementos y biomoléculas. Biomoléculas inorgánicas

Tema 1: Bioelementos y biomoléculas.
Biomoléculas inorgánicas
1. Características fundamentales de los seres vivos
 Todos los seres vivos realizan tres funciones: nutrición, relación y reproducción.
 Los seres vivos deben su estructura a la información biológica contenida en los genes, y estos pasan de un
ser vivo a sus descendientes.
 Mantienen más o menos constante su medio interno, aún cuando el medio externo sea variable (homeostasis).
 Son seres complejos, de niveles de organización desde el nivel atómico al nivel de ecosistema.
2. Elementos biogénicos
De todos los elementos que se encuentran en la naturaleza sólo 27 forman parte de los seres vivos, estos son los
bioelementos.
Atendiendo a su abundancia y no a su importancia, se pueden clasificar en tres grandes grupos:
 Elementos plásticos primarios: que son carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P)
y azufre (S). Son los más abundantes, representando algo más del 96% del peso de cualquier organismo.
 Elementos secundarios indispensables: son sodio (Na), potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg) y cloro (Cl).
Constituyen aproximadamente el 3% del peso de los seres vivos. Tienen, sobre todo, función estructural
y reguladora.
 Oligoelementos o elementos traza: son, entre los metales, hierro (Fe), cobre (Cu), cobalto (Co), molibdeno (Mo), cinc (Zn), manganeso (Mn) y vanadio (V), y entre los no metálicos, flúor (F), bromo (Br), yodo
(I). Son necesarios para el funcionamiento de la maquinaria celular y se encuentran en cantidades generalmente inferiores al 0,1%, y representan menos del 1% del total.
2.1. Función de los bioelementos
Los bioelementos son esenciales para la formación de las moléculas orgánicas de la materia viva.
Las funciones de los bioelementos primarios son:
 Carbono, hidrógeno y oxígeno: son los componentes principales de la materia viva, puesto que están presentes en todas las moléculas orgánicas.
 Nitrógeno: es constituyente de las proteínas y de los ácidos nucleicos.
 Azufre: se encuentra en dos aminoácidos (cisteína y metionina), presentes en todas las proteínas.
También se encuentra en algunas sustancias como el coenzima A.
 Fósforo: forma parte de los nucleótidos, compuestos que forman los ácidos nucleicos. También forman parte de coenzimas y otras moléculas como fosfolípidos, sustancias fundamentales de las
membranas celulares. Además, forman parte de los fosfatos, sales minerales abundantes en los seres vivos.
Las funciones de los bioelementos secundarios son:
 Magnesio: forma parte de la clorofila, y en forma iónica actúa como catalizador, junto con los 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 en el fluido intersticial.
Los oligoelementos, a pesar de sus escasas proporciones en los seres vivos, son necesarios para el funcionamiento de la célula. La mayoría de las veces van asociados a enzimas, por lo que son imprescindibles. Las funciones
de los oligoelementos son:
 Hierro: es fundamental para la síntesis de clorofila y actúa como catalizador en reacciones químicas, formando parte de los citocromos que intervienen en la respiración celular. Además, forman parte de la
hemoglobina, que interviene en el transporte de oxígeno.
 Cobalto: forma parte de la vitamina B12, necesaria para la síntesis de hemoglobina.
 Molibdeno: forma parte de las enzimas vegetales que actúan en la reducción de los nitratos por parte de
las plantas.
 Zinc: actúa como catalizador en muchas reacciones químicas del organismo.
 Manganeso: interviene en la fotolisis del agua, durante el proceso de fotosíntesis en las plantas.
 Silicio: proporciona resistencia al tejido conjuntivo, endurece tejidos vegetales, como en las gramíneas, y
en las algas, como las diatomeas.
 Cromo: interviene junto a la insulina en la regulación de glucosa en sangre.
 Litio: actúa sobre neurotransmisores y la permeabilidad celular. En dosis adecuadas puede prevenir estados de depresiones.
 Flúor: forma parte del esmalte dentario y de los huesos.
 Yodo: necesario para la síntesis de la tiroxina, hormona que interviene en el metabolismo.
2.2. Características de los bioelementos primarios. Propiedades fisicoquímicas del
carbono.
Es curioso que una materia tan compleja como la que forma los seres vivos esté compuesta por sólo una veintena de elementos y que sean 4 de ellos los que suponen el 99%. Estos elementos son los más adecuados para la
constitución de los seres vivos por sus principales propiedades:
 Su masa molecular es comparativamente pequeña.
 Pueden compartir los electrones de sus capas más externas, lo que les permite formar enlaces covalentes
estables entre sí y con otros átomos.
 Carbono, nitrógeno y oxígeno pueden compartir más de un par de electrones formando enlaces dobles y
triples.
o El átomo de carbono posee cuatro electrones en su capa más externa, que le permiten formar cuatro enlaces covalentes muy estables dirigidos hacia los vértices de un hipotético tetraedro. La posibilidad de unirse a otros elementos o a otros átomos similares, por medio de enlaces simples,
dobles o triples, origina estructuras complejas, como cadenas lineales y ramificadas y anillos, al
mismo tiempo que introduce conformaciones tridimensionales en las moléculas, de vital importancia para la realización de las funciones de los seres vivos.
o El carbono se puede combinar con otros muchos elementos químicos, lo que origina una gran variedad de grupos funcionales.
La razón por la que es el carbono y no el silicio el que fue “elegido” por la vida aún teniendo ambos propiedades
similares y siendo el silicio mucho más abundante en la corteza terrestre es porque:
 El CO2 es gaseoso y soluble en agua. Estas dos propiedades son indispensables para la fotosíntesis. El SiO2
es sólido e insoluble en agua y tremendamente resistente. Los enlaces deben ser suficientemente energéticos y a la vez débiles, para que las moléculas se puedan transformar y tengan lugar las distintas
reacciones químicas que se producen en los seres vivos.
 El silicio también tiene 4 electrones de valencia, por lo que puede formar cadenas Si―Si. Sin embargo, estas son muy débiles y más inestables que las C―C.
3. Biomoléculas
Las biomoléculas son el resultado de la unión de átomos de los distintos bioelementos. También se les llama
principios inmediatos, porque se pueden aislar por medios exclusivamente físicos (filtración, centrifugación, destilación, etc.)
Las biomoléculas se clasifican en:
 Biomoléculas inorgánicas: son el agua y las sales minerales. Son moléculas sencillas, pequeñas y que contienen poca energía.
 Biomoléculas orgánicas: son los glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. Todas contienen
carbono, son grandes y complejas y contienen mucha energía.
La mayoría de las biomoléculas son macromoléculas formadas por la unión de subunidades más pequeñas. Cada
una de estas subunidades se llama monómero y la unión de monómeros da lugar a polímeros (macromoléculas).
Así, los monómeros que forman las proteínas son los aminoácidos, y los que forman los ácidos nucleicos se llaman
nucleótidos.
El que las biomoléculas estén formadas por la unión de unos pocos tipos de monómeros obedece a la necesidad
de economía celular: se puede formar una gran variedad de moléculas complejas si estas resultan de la combinación de unos pocos tipos de estructuras simples.
3.1. El enlace químico en los sistemas biológicos
La mayoría de las sustancias que existen en la naturaleza son sustancias compuestas formadas por átomos unidos mediante enlaces químicos.
Existen dos tipos de enlaces básicos entre átomos:
 Enlace iónico: se da entre átomos con electronegatividades muy diferentes. Uno de los átomos del enlace
tiende a perder un electrón que capta el otro átomo. Así, el átomo que pierde el electrón se convierte
en un ión positivo o catión, mientras que el átomo que gana el electrón se convierte en un ión negativo
o anión.
 Enlace covalente: se forma entre átomos que comparten uno o más pares de electrones, cuya electronegatividad puede ser igual o parecida. Si la electronegatividad es igual, los átomos atraen los
electrones más o menos por igual, y se forman moléculas apolares (O2, N2, H2). Si la electronegatividad es parecida, un átomo atrae los electrones más que el otro y esto da lugar a la formación de
moléculas polares (H2O).
Además de estos, las biomoléculas pueden unirse entre sí por enlaces intermoleculares, que son:
 Puente de hidrógeno: es un tipo de enlace intermolecular que se establece entre un H, que se encuentre unido covalentemente a un átomo de O, N o F en una molécula, y un átomo de O, N o F, de
otra molécula. Una molécula de agua puede establecer hasta cuatro puentes de hidrógeno.
 Interacciones iónicas o electrostáticas: son debidas a la atracción entre moléculas que poseen un grupo
funcional cargado eléctricamente. Se dan en las proteínas.
 Interacciones hidrofóbicas: se deben a que las moléculas no polares (que repelen el agua) en un medio
acuoso tienden a agruparse. Del mismo modo, las moléculas polares también tienden a asociarse. De este modo en las macromoléculas, las porciones no polares tienden a agruparse por un lado y las porciones polares lo hacen por otro. Esto ocurre con los lípidos constituyentes de las membranas celulares.
 Fuerzas de Van der Waals: son fuerzas inespecíficas que surgen del movimiento de los electrones en los
átomos, lo que origina dipolos instantáneos. Son importantes en la unión de enzima-sustrato y de
subunidades proteicas.
Contenido en agua de diferentes
partes del cuerpo humano
4. El agua en los seres vivos
El agua es el principal componente de los seres vivos y sin ella es imposible
la vida. La proporción de agua en los seres vivos varía de unos a otros siendo
más abundante en los tejidos más jóvenes y en los de mayor actividad. Así, en
la especie humana varía desde el 70% en las etapas juveniles hasta el 63% en el
adulto.
Cerebro (sustancia gris)
84%
Músculos
83%
Pulmón
70%
Tejido adiposo
30%
Tejido óseo
20%
Marfil dentario
10%
4.1. Estructura de la molécula de agua
Por la disposición de los enlaces que mantienen unidos los
átomos de hidrógeno y oxígeno, el agua es un dipolo eléctrico
(molécula polar). Por esta razón las moléculas de agua se unen
entre sí por puentes de hidrógeno. Una molécula de agua puede
formar hasta 4 puentes de hidrógeno.
Puentes de
hidrógeno
4.2. Propiedades del agua
El carácter bipolar confiere al agua algunas de sus propiedades más características:
 Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas: es debida numerosos puentes de hidrógeno que se establecen entre sus moléculas. Esto determina:
o Que el agua sea un líquido incompresible, lo que a su vez determina que el agua actúe como esqueleto hidrostático (función estructural) de células u organismos como plantas herbáceas, anélidos,
celentéreos, etc.
o Que el agua tenga una elevada tensión superficial, es decir, su superficie opone una gran resistencia
a romperse. Esto permite que muchos organismos vivan asociados a esa película superficial.
 Alto calor específico: el calor específico es la cantidad de calor que hay que suministrar a 1 gramo de sustancia para elevar su temperatura 1 °C. En el caso del agua el calor específico es de 1 caloría, que es un
valor relativamente alto. Así pues, el agua es capaz de absorber o desprender grandes cantidades de calor sin sufrir grandes variaciones de temperatura.
 Alta conductividad: facilita la distribución de calor por toda la masa de agua.
 Alto calor de vaporización: el calor de vaporización es el calor necesario para que una sustancia pase al
estado gaseoso. En el caso del agua, este valor alcanza las 539,5 cal/g. Este valor es elevado y se debe a
que hay que romper todos los puentes de hidrógeno para que el agua se vaporice.
 Elevada fuerza de adhesión: las moléculas de agua tienen gran tendencia a adherirse a las paredes de los
conductos de pequeño diámetro, ascendiendo en contra de la gravedad. Este fenómeno se llama capilaridad, y contribuye a la ascensión de la savia bruta por los vasos leñosos. La capilaridad o función de
transporte se debe tanto a la cohesión de las moléculas de agua entre si, como de la adhesión entre las
moléculas de agua y los conductos capilares.
 Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido: al flotar el hielo sobre el agua forma una capa
termoaislante que impide que se congele el agua inferior. Esto permite la vida en los ríos, mares, lagos,
etc. de las zonas frías.
 Elevada capacidad disolvente y dispersante: el agua es un disolvente universal, es el que disuelve mayor
número de sustancias distintas, tanto orgánicas como inorgánicas. Esta propiedad puede que sea la más
importante para la vida, y se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras moléculas que presenten grupos polares (OH―, NH2―, etc.) o compuestos iónicos (fenómenos de solvatación
iónica).
o Proceso de solvatación:
4.3. Funciones biológicas del agua
 Vehículo de transporte de sustancias: debido a su poder disolvente y dispersante, puede trasportar sustancias de un punto a otro de los organismos (sangre y savia).
 Función disolvente: es fundamental para la vida, ya que prácticamente todas las reacciones químicas tienen lugar en medio acuoso.
 Función bioquímica: el agua interviene en muchas reacciones químicas. Ejemplo: como fuente de H en la
fotosíntesis, reacciones de hidrólisis, etc.
 Función estructural: gracias al fenómeno de turgencia, por el cual el volumen y la forma de las células que
carecen de membrana rígida se mantienen gracias a la presión que ejerce el agua interna.
 Función mecánica amortiguadora. Ejemplo líquido amniótico, sinovial, etc.
 Función termorregulador: se debe a su alto calor específico y su elevado calor de vaporización. Ejemplo:
el sudor. Las reacciones que se producen en los seres vivos tienden a producir grandes cantidades de calor pero esto no conlleva variaciones en la temperatura debido a la gran cantidad de agua que contiene
la materia viva y que puede absorber dicho calor.
5. Las sales minerales en los seres vivos
En todos los seres vivos, se encuentran siempre determinadas cantidades de sales minerales. Se clasifican
según su solubilidad en agua.
 Las sustancias salinas insolubles en agua forman estructuras sólidas que suelen cumplir funciones de
protección y sostén y que están muy extendidas en todos los seres vivos. Los crustáceos y los moluscos presentan caparazones de carbonato cálcico (CaCO3), mientras que en las diatomeas son de
sílice (SiO2). El esqueleto interno de los vertebrados presenta una parte mineral formada por la asociación de varios componentes minerales, sobre todo carbonato y fosfato cálcico (Ca 3(PO4)2). Además, el esmalte de los dientes presenta fluoruro cálcico (CaF2).
 Las sales minerales solubles en agua, éstas se encuentran disociadas en sus iones correspondientes,
que son los responsables de su actividad biológica. Los iones minerales realiza, sobre todo, funcio-
nes reguladoras, destacando la regulación de la contracción muscular, del pH, de la transmisión del impulso nervioso y de los procesos osmóticos. Los principales iones son:
o Cationes: Na+, K+, Mg2+, Ca2+ y amonio (NH4+).
o Aniones: Cl-, fosfatos (PO43-, PO4H2-), sulfato (SO42-), nitrato (NO3-) y carbonatos (CO32-, CO3H-).
5.1. Regulación de los fenómenos osmóticos
Cuando dos disoluciones salinas se ponen en contacto, el soluto y el disolvente se intercambian de distinto modo según sea la membrana que los separe. Cuando la membrana que las separa es semipermeable (llamada así
porque permite el paso de agua pero no del soluto disuelto
en ella) las dos disoluciones tienden a equilibrar sus concentraciones y, como el soluto no puede atravesar la membrana, es el agua de la disolución más diluida la que va pasando a la más concentrada. Este trasiego de agua cesa
cuando ambas disoluciones adquieren la misma concentración. La disolución más concentrada recibe el nombre de
hipertónica respecto a la menos concentrada, que es la
hipotónica. En el momento del equilibrio se dice que las dos
disoluciones son isotónicas.
Este fenómeno se conoce como ósmosis y el paso del agua a través de la membrana semipermeable genera una
presión llamada presión osmótica. Esta será mayor cuanto mayor sea la diferencia en la concentración de las dos
disoluciones. Los seres vivos mantienen en sus células una presión osmótica constante gracias a las sales minerales,
fenómeno llamado homoósmia, y son muy sensibles a las variaciones de la misma, lo cual acarrea serios trastornos.
Por esta razón, toda disolución que se ponga en contacto directo con las células de un organismo debe ser isotónica con respecto a la disolución salina de su interior, ya que las membranas celulares se comportan como semipermeables.
Existen dos ejemplos típicos que demuestran la importancia de los fenómenos osmóticos en el mantenimiento
de la integridad celular:
 Las células vegetales poseen una gran vacuola que comprime el citoplasma
contra la pared celular. Al ponerlas en contacto con una solución salina hipertónica respecto del líquido de la vacuola, el agua de ésta fluye hacia el
exterior de la célula y, como consecuencia, la vacuola se reduce de tamaño arrastrando al citoplasma,
que puede llegar a separarse de la pared celular. Este fenómeno se denomina plasmólisis. Por el contrario, si la solución que se pone en contacto con la célula es hipotónica, la corriente de agua se establece
hacia el interior, comprimiendo el citoplasma contra la pared celular. Este caso se llama turgencia.
 Repitiendo la misma experiencia con una célula animal, como por ejemplo glóbulos rojos, como carecen
de pared celular vegetal, al ponerlos en
Entra agua
en la célula
contacto con una solución hipertónica,
disminuyen de volumen y se arrugan al saHemolisis
lir agua al exterior. Si los ponemos en conSolución
hipotónica
tacto con una solución hipotónica, el agua
pasa al interior y el glóbulo rojo se dilata,
Equilibrio
Solución
pudiendo llegar a estallar rompiéndose su
isotónica
membrana. Este caso extremo se llama Glóbulo
rojo
Retracción
hemolisis.
Solución
hipertónica
Sale agua
de la célula
5.2. Regulación del equilibrio ácido-base
En los seres vivos existe siempre una cierta cantidad de hidrogeniones (H+) y de hidroxiliones (OH-) que proceden de:
 La disociación del agua que proporciona los dos iones.
2H2O ↔ HO- + H3O+
 La disociación de cuerpos con función ácida que proporcionan H+.
ClH ↔ Cl- + H+
 La disociación de cuerpos con función básica que proporcionan OH-.
NaOH ↔ Na+ + OHLos hidrogeniones tienen carácter ácido, mientras que los hidroxiliones lo tienen alcalino. Por 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-] y 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.
Sin embargo, en las reacciones que tienen lugar durante el metabolismo se están liberando productos tanto ácidos como básicos que tenderán a variar dicha 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 (H2CO3) y el bicarbonato sódico (NaHCO3).
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:
»La sal (bicarbonato sódico) reacciona con el ácido clorhídrico: La sal que se forma (NaCl) es neutra y,
aunque se disocie, no libera protones y, además, es habitualmente expulsada por la orina.
Na HCO3 + HCl
NaCl + H2CO3
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.
H2CO3
CO2 + H2O
6. Estados físicos de la materia en los seres vivos
En los seres vivos, la materia se presenta en tres estados:
 Estado sólido: en este estado aparecen las sustancias que se encuentran en estructuras esqueléticas y de
protección (estructuras duras): huesos, conchas, plumas, pelos, etc. Estas estructuras están formadas
por sales minerales inorgánicas o materia orgánica (quitina, queratina, celulosa…).
 Estado gaseoso: son los gases que intervienen en el metabolismo celular (CO2, O2) y los que son inertes
(N2).
 Estado líquido: formando por sustancias dispersas o disueltas en agua. Los solutos de bajo peso molecular, tales como sales minerales o moléculas orgánicas pequeñas (glucosa, aminoácidos) forman disoluciones verdaderas. Los de elevado peso molecular (polisacáridos, proteínas) se encuentran como dispersiones o soluciones coloidales.
6.1. Estudio de las dispersiones coloidales
Los solutos de elevado peso molecular, con un tamaño de partícula entre 10-4 y 10-6 mm se denominan partículas coloidales o coloides. Se presentan en un estado más o menos gelatinoso. Este estado hace que las dispersiones
coloidales presenten una serie de propiedades muy características, que son de gran importancia para los seres vivos ya que muchos de los líquidos de estos son dispersiones coloidales.
De entre las propiedades de las dispersiones coloidales cabe destacar la capacidad de presentarse en estado de
sol o de gel. Esto es que a veces la dispersión se presenta en un estado más fluido (sol) o más gelatinoso (gel) según
que las partículas de la dispersión estén más o menos separadas. El paso de un estado a otro está en función del
grado de hidratación.
La dispersión coloidal recibe el nombre genérico de sol y así se encuentra en el citoplasma del interior de la célula, mientras que en la periferia se encuentra en estado de gel. En esta zona se experimentan cambios reversibles de
gel y sol, en todas las células, que se aprecian de manera evidente en las amebas durante la emisión de pseudópodos, que provocan el movimiento ameboide.