BIOLOGÍA 2º BACHILLERATO 1. BASE FISICO QUÍMICA DE LA VIDA (2) Clara Benhamú

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BIOELEMENTOS Se denomina elementos biogénicos o bioelementos a aquellos elementos químicos que forman parte de los seres vivos.

De todos los elementos que se hallan en la corteza terrestre, sólo unos 25 son componentes de los seres vivos.

Todos los seres vivos están constituidos, cualitativa y cuantitativamente por los mismos elementos químicos.

Atendiendo a su abundancia (no importancia) se pueden agrupar en tres categorías:

Bioelementos % en la materia viva

Primarios O, C, H, N, P, S 96,2%

Secundarios Ca, Na, K, Cl, I, Mg, Fe 3,9%

Oligoelementos Cu, Zn, Mn, Co, Mo, Ni, Si... 0,1%

Bioelementos primarios: Constituyen algo más del 95% de la masa total

de la materia viva y son indispensables para la formación de las biomoléculas orgánicas (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos).

Son, por orden de abundancia: O, C, H, N, P y S.

Las propiedades físico-químicas que los hacen idóneos son las siguientes:

1. Forman entre ellos enlaces covalentes estables.

2. A causa de la configuración tetraédrica de los enlaces del carbono (fig. 1), los diferentes tipos de moléculas orgánicas tienen estructuras tridimensionales diferentes.

3. 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 (hidroxilo, carbonilo, carboxilo, amino, etc.) 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.

4. Los enlaces entre los átomos de carbono pueden ser simples, dobles o triples

y las cadenas hidrocarbonadas se pueden replegar de muchas formas diferentes.

Fig. 1

PROGRAMACIÓN:

BLOQUE I. ¿CUÁL ES LA COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS? LAS MOLÉCULAS DE LA VIDA

Base físico-química 1. Composición de los seres vivos: bioelementos y biomoléculas. 2. El agua. 2.1. Estructura. 2.2. Propiedades fisico-químicas. 2.3. Funciones biológicas. 2.4. Disoluciones acuosas de sales minerales. 3. Glúcidos. 3.1. Concepto y clasificación. 3.2. Monosacáridos: estructura y funciones. 3.3. Enlace glucosídico. Disacáridos y polisacáridos. 4. Lípidos. 4.1. Concepto y clasificación. 4.2. Ácidos grasos: estructura y propiedades. 4.3. Triacilglicéridos y fosfolípidos: estructura, propiedades y funciones. 4.4. Carotenoides y esteroides: propiedades y funciones. 5. Proteínas. 5.1. Concepto e importancia biológica. 5.2. Aminoácidos. Enlace peptídico. 5.3. Estructura de las proteínas. 5.4. Funciones de las proteínas. 6. Enzimas. 6.1. Concepto y estructura. 6.2. Mecanismo de acción y cinética enzimática. 6.3. Regulación de la actividad enzimática: temperatura, pH, inhibidores. 7. Ácidos nucleicos. 7.1. Concepto e importancia biológica. 7.2. Nucleótidos. Enlace fosfodiéster. Funciones de los nucleótidos. 7.3. Tipos de ácidos nucleicos. Estructura y funciones

1. COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS: BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS

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Bioelementos secundarios: Constituyen la parte de materia viva restante que no está formada por

los bioelementos primarios (algo menos del 5% del total). Pueden encontrarse en las Biomoléculas orgánicas o en las inorgánicas.

Según su importancia se dividen en:

Indispensables: son esenciales para la vida de la célula y están presentes en todos los seres vivos: Fe, Ca, Na, K, I, Cl y Mg.

Variables: Están presentes sólo en algunos seres vivos: Br, Zn, Cu, etc.

Según su abundancia, independientemente de que sean indispensables o variables, se denomina oligoelementos a aquellos bioelementos secundarios cuya proporción es inferior al 0,1%. Algunos oligoelementos, a pesar de encontrarse en proporciones ínfimas, tienen funciones biológicas muy importantes, por ejemplo:

Fe Forma parte de citocromos que intervienen en la respiración celular, y de la hemoglobina y mioglobina que intervienen en el transporte de oxígeno.

Mn Interviene en la fotolisis del agua, durante el proceso de fotosíntesis en las plantas.

I Necesario para la síntesis de la tiroxina, hormona que interviene en el metabolismo

F Necesario para la formación del esmalte dentario y de los huesos.

Co Forma parte de la vitamina B12, necesaria para la síntesis de hemoglobina.

Si Forma el caparazón de las diatomeas, endurece los tejidos de algunos vegetales como las gramíneas.

Li Actúa sobre los neurotransmisores y la permeabilidad celular. En dosis adecuada puede prevenir estados de depresiones.

BIOMOLÉCULAS

Son las moléculas que forman la materia viva. Están formadas por combinaciones de los bioelementos.

También reciben el nombre de “principios inmediatos” porque se pueden extraer de la materia viva

mediante procedimientos físicos sencillos como centrifugación, cristalización, destilación, diálisis,

electroforesis, evaporación y filtración.

Las biomoléculas se clasifican atendiendo a su composición en:

Biomoléculas inorgánicas: son las que no están formadas por cadenas de carbono, como son

el agua, las sales minerales o los gases (O2, CO2, N2).

Biomoléculas orgánicas: están formadas por cadenas de carbono y se denominan glúcidos,

lípidos, prótidos y ácidos nucleicos.

Las biomoléculas orgánicas, atendiendo a la longitud y complejidad de su cadena, se pueden clasificar como monómeros o polímeros. Los monómeros son moléculas pequeñas, unidades moleculares que forman parte de una molécula mayor. Los polímeros son agrupaciones de monómeros, iguales o distintos, que componen una molécula de mayor tamaño.

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FUNCIONES DE LAS BIOMOLÉCULAS

Las distintas Biomoléculas desempeñan diferentes funciones en los seres vivos, de las cuales podemos destacar las siguientes:

FUNCIÓN ESTRUCTURAL: la desempeñan aquellas moléculas que forman parte de diferentes estructuras a nivel celular o a nivel orgánico. Por ejemplo, el colágeno y las sales minerales de los huesos, los fosfolípidos de las membranas celulares, la quitina de los exoesqueletos de los artrópodos, etc.

FUNCIÓN ENERGÉTICA: es la que realizan aquellas moléculas (glucosa, grasas, etc.) que son catabolizadas para obtener energía en forma de ATP. Las moléculas como el almidón y el glucógeno, que almacenan glucosa, se dice que tienen función de RESERVA ENERGÉTICA.

FUNCIÓN BIOCATALIZADORA: consiste en intervenir catalizando las reacciones biológicas. Esta función la realizan las enzimas. También se considera que son biocatalizadores las vitaminas y las hormonas.

El agua puede ser considerada como el líquido de la vida. Es el componente mayoritario de los seres vivos, de cuya masa constituye entre el 65% y el 95%.

Podemos encontrar el agua en la materia viva en tres formas diferentes:

AGUA CIRCULANTE, por ejemplo en la savia, la sangre, la linfa, etc.

AGUA INTERSTICIAL, formando parte de la sustancia intercelular que rellena los espacios entre las células de la mayoría de los tejidos.

AGUA INTRACELULAR, tanto en el citosol como en los orgánulos celulares.

2.1. ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DE AGUA

La molécula de agua está formada por dos átomos de H unidos a un átomo de O por medio de dos enlaces

covalentes. La disposición a de los orbitales del oxígeno determina un ángulo entre los enlaces H-O-H de,

aproximadamente, 105o.

Por otra parte, como el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace. El resultado es que la molécula de agua, aunque tiene una carga total neutra, (igual número de protones que de electrones), presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una molécula polar, puesto que alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa, mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva.

Por eso, en la práctica la molécula de agua se comporta como un dipolo.

2. EL AGUA

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Debido a su carácter dipolar, las moléculas de agua establecen entre sí puentes de hidrógeno, enlaces que

mantienen una elevada fuerza de cohesión, motivo por el cual el agua es líquida

a temperatura ambiente y no gaseosa como correspondería a su composición.

Aunque son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras cuatro moléculas unidas por puentes de hidrógeno permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura de tipo reticular, responsable, en gran parte, de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades fisicoquímicas.

2.2. PROPIEDADES DE LA MOLÉCULA DE AGUA

Elevada fuerza de cohesión: Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua unidas, formando una estructura reticular que la convierte en un líquido casi incompresible, que proporciona volumen a las células, turgencia a las plantas y puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrostático.

Elevada fuerza de adhesión: Esta fuerza está también en relación con los puentes de hidrógeno que se establecen entre las moléculas de agua y otras moléculas polares y es responsable, junto con la cohesión del llamado fenómeno de la capilaridad que interviene en el ascenso de la savia bruta desde las raíces hasta las hojas, a través de los vasos leñosos.

Elevada tensión superficial: La elevada cohesión hace que la superficie de agua en la zona de contacto con el aire oponga resistencia a romperse, proporcionando una especie de lámina elástica en la que viven y por la que se desplazan numerosos organismos.

Elevado calor específico: Para aumentar la temperatura del agua un grado centígrado es necesario comunicarle mucha energía para poder romper los puentes de hidrógeno que se generan entre sus moléculas. Esta propiedad hace del agua un gran estabilizador térmico.

Elevado calor de vaporización: Para evaporar el agua, hay que romper los puentes de hidrógeno y dotar a las moléculas de suficiente energía cinética para pasar de líquido a gas. Por ello, el agua que se evapora sobre la superficie de un ser vivo, como el sudor, absorbe gran cantidad de calor, ayudando a su termorregulación.

Elevada constante dieléctrica: A esta propiedad se debe la capacidad del agua para disolver sustancias que presenten grupos polares o tengan carga iónica (alcoholes, azúcares con grupos -OH, aminoácidos y muchas proteínas). También las moléculas de agua pueden disolver sales, que se disocian formando iones que quedan rodeados y separados por capas de dipolos de agua que se disponen a su alrededor, fenómeno denominado solvatación iónica.

Bajo grado de ionización: La mayor parte de las moléculas de agua no están disociadas. En el agua pura, a 25ºC, sólo una molécula de cada 10.000.000, generando iones positivos (H+) e iones negativos (OH-) está disociada, por lo que la concentración de H+ es de 10-7. Por esto, el pH del agua pura es igual a 7.

Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido: Esto es debido a que los puentes de hidrógeno que unen las moléculas de agua en el hielo forman una red que ocupa mayor volumen que en el agua líquida. Por ello, el hielo flota en el agua, formando una capa sólida termoaislante que permite la vida en los lagos, ríos y mares cuya superficie permanece congelada.

Zapateros sobre el agua

Focas bajo el hielo

SOLVATACIÓN IÓNICA

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2.3. FUNCIONES BIOLÓGICAS DEL AGUA

Gracias a sus especiales propiedades, el agua realiza numerosas funciones en los seres vivos. Las más importantes son:

Disolvente: el agua, debido a su elevada constante dieléctrica, es el mejor disolvente para todas aquellas moléculas polares. Sin embargo las moléculas apolares no se disuelven en agua.

Reactivo: el agua interviene en numerosas reacciones como, por ejemplo, las reacciones de hidrólisis.

Estructural: por su elevada cohesión molecular, el agua confiere estructura, volumen y resistencia.

Transporte: por ser un buen disolvente, debido a su elevada constante dieléctrica, y gracias a la capilaridad, los seres vivos utilizan el agua como medio de transporte por su interior.

Amortiguación mecánica: debido a su elevada cohesión molecular, el agua sirve como lubricante entre estructuras que friccionan y evita el rozamiento.

Termorreguladora: al tener un alto calor específico y un alto calor de vaporización el agua es un material idóneo para mantener constante la temperatura, absorbiendo el exceso de calor o cediendo energía si es necesario. Además, al ser más densa en estado líquido que en estado sólido, el hielo funciona como aislante térmico de las masas de agua cubiertas por él.

2.3. DISOLUCIONES ACUOSAS DE SALES MINERALES

Las sales minerales se pueden encontrar en los seres vivos de tres formas:

Asociadas a moléculas orgánicas: Algunas sales, como los fosfatos, se unen a proteínas, formando fosfoproteínas o se unen a lípidos, formando fosfolípidos.

Precipitadas: Constituyendo estructuras sólidas insolubles con función esquelética, como el carbonato de calcio (Ca CO3) de las conchas de los moluscos y de los huesos, o el fosfato de calcio Ca3 (PO4)2 de los huesos.

Disueltas: Las sales solubles, al disolverse en agua, dan lugar a aniones (Cl-, SO42-, PO4

3-, CO32-, HCO3- y NO3-)

y cationes (Na+, K+, Ca2+, y Mg2+). El medio interno de los organismos presenta unas concentraciones iónicas constantes de las que depende la permeabilidad de las membranas celulares, la excitabilidad y la contractilidad de las células.

Las disoluciones acuosas de sales minerales presentan tres propiedades que son de gran importancia en los procesos biológicos:

DIFUSIÓN: Es el paso de moléculas de soluto desde una disolución más concentrada hacia otra más diluida, de modo que los solutos se reparten uniformemente hasta igualar las concentraciones. Esto sólo es posible cuando ambas disoluciones están en contacto directo o separadas por una membrana permeable para los solutos.

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ÓSMOSIS: Es el paso de moléculas de agua desde una disolución más diluida (hipotónica) hacia otra

más concentrada (hipertónica) a través de una membrana semipermeable que no permita el paso de

moléculas de soluto. El proceso se detiene cuando se igualan las concentraciones a ambos lados de

la membrana y ambas disoluciones resultan isotónicas.

La ósmosis condiciona el volumen de las células, ya que la membrana celular es semipermeable, por

lo que, dependiendo de la concentración salina del citosol con respecto al medio que rodea a la

célula, entrará o saldrá agua, produciéndose los fenómenos conocidos como turgencia (aumento del

volumen celular por la entrada de agua) o plasmólisis (disminución del volumen celular por pérdida

de agua).

ESTABILIDAD DEL pH: El pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una disolución. pH significa potencial de hidrógeno, e indica la concentración de iones hidronio [H3O]+ presentes en determinadas disoluciones.

En disolución acuosa, la escala de pH varía de 0 a 14: Son ácidas las disoluciones con pH menor que 7 y alcalinas las de pH superior a 7. Si el disolvente es agua, el pH = 7 indica neutralidad de la disolución.

Las reacciones biológicas son catalizadas por enzimas, cuya actividad depende del pH, por ello, cualquier pequeña variación del pH puede tener como consecuencia una gran alteración.

Para evitar variaciones del pH, intervienen las sales minerales disueltas que constituyen las denominadas disoluciones tampón o amortiguadoras del pH. Estas disoluciones se componen de un

ácido débil y su base conjugada, pudiendo actuar como aceptores o dadores de H+, de modo que se compensan así las pequeñas variaciones en la concentración de estos iones.

Los sistemas tampón más comunes son:

Tampón fosfato, constituido por H2PO4- y HPO4

2- en equilibrio. Estos iones se transforman uno

en el otro y viceversa, liberando H+ cuando su concentración ha disminuido o captando H+ cuando su concentración ha aumentado. Es decir, acidifican un medio que empieza a alcalinizarse o alcalinizan un medio que empieza a acidificarse.

Tampón bicarbonato, formado por iones HCO3- y ácido carbónico (H2CO3) en equilibrio.