la base fisicoquimica de la vida

TEMA 1. BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS.

Tema 1.-Bioelementos y biomoléculas.1.- Bioelementos: Concepto y Clasificación.2.- Biomoléculas: Concepto y Clasificación.3.- El agua: Estructura molecular y propiedades que se derivan de su poder disolvente y de su elevado calor específico. Funciones biológicas del agua (función disolvente, estructural, bioquímica, termorreguladora)4.- La materia viva como dispersión coloidal. Concepto de disolución verdadera y dispersión coloidal. Concepto de coloides. Propiedades de las disoluciones verdaderas. Difusión, osmosis y diálisis (consultar relación de prácticas obligatorias, nº 1).5.- Las sales minerales en los seres vivos. Funciones estructural, osmótica y tamponadora.

Los seres vivos, están constituidos de compuestos químicos basados en su mayor parte en el elemento carbono.De todos los elementos químicos, el carbono es incomparable en cuanto a su capacidad para formar moléculas grandes, complejas y diversas y esta diversidad molecular ha hecho posible la diversidad de organismos que evolucionaron sobre la Tierra.

LA IMPORTANCIA DEL CARBONO PARA LA VIDA .

Las propiedades emergentes

surgen a partir de la

organización de la materia en organismos

vivos.

Cuando un átomo de carbono forma enlaces covalentes simples, la disposición de sus cuatro orbitales híbridos determina que los enlaces formen un ángulo que los sitúa en las esquinas de un tetraedro imaginario.

En las moléculas con aun más carbonos, cada grupo de un carbono unido a otros cuatro átomos tienen forma tetraédrica.

Pero cuando dos átomos de carbono están unidos por un doble enlace, todos los enlaces alrededor de esos carbonos se encuentran en el mismo plano. Ejemplo el eteno, es una molécula plana.

Metano.

Etano

Etileno

CARBONO

LengthEthane Propane

Butane 2-methylpropane(commonly called isobutane)

Branching

Double bonds

Rings

1-Butene 2-Butene

Cyclohexane Benzene

LONGITUD

RAMIFICADO

DOBLES ENLACES

ANILLOS

Diagramas de órbitas electrónicas que muestran las valencias de los principaleselementos de las moléculas orgánicas.La valencia es el número de enlaces covalentes que puede formar un átomo.generalmente es igual al número de electrones requerido para completar la órbita de electrones más externa.

Bioelementos o elementos biogénicos son los elementos químicos que constituyen los seres vivos, a partir de ellos se forman las moléculas indispensables para la vida, llamadas biomolecular o principios inmediatos.

PRIMARIOS SECUNDARIOS OLIGOELEMENTOS O ELEMENTOS VESTIGIALES

C Na+ ESENCIALES EN TODOS LOS ORGANISMOS

H K+ Fe, Cu, Zn, Mn y CoN Ca++O Cl- NO ESENCIALES EN

TODOS LOS ORGANISMOS

S Mg++ F, I, Si, Li, P

Con los actuales métodos de investigación se han identificado más de 70 elementos químicos (casi todos los elementos estables, excepto los gases nobles) que intervienen en cantidades variables, a veces infinitesimales, en la composición de los organismos, aunque no todos ellos son esenciales para la totalidad de los seres vivos. Se denominan elementos biogénicos o bioelementos porque a partir de ellos se forman las moléculas indispensables para a vida, llamadas biomoléculas o principios inmediatos.Bioelementos primarios: C, H, O, N, S y P.

PRINCIPALES GRUPOS FUNCIONALES DE LAS BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS

Grupo funcional Estructura Familia

Hidroxilo Alcoholes

Carbonilo Aldehídos

Cetonas

Carboxilo Ácidos orgánicos

Éster Ésteres

Éter Éter

Amino Aminas

Amida Amidas

Tiol Tioles

Se denominan elementos biogénicos primarios y constituyen los ladrillos de la materia viva, porque con ellos se construyen las biomoléculas o principios inmediatos (orgánicos e inorgánicos) presentes en todos los seres vivos.Representan algo más del 96% del peso de cualquier organismo.Las propiedades fisco-químicas que los hacen idóneos son las siguientes:Sus átomos son de peso atómico bajo, por lo que pueden compartir los electrones con otros átomos y formar entre ellos enlaces covalentes estables. Los átomos de carbono establecen fácilmente enlaces con el hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre. Esto permite introducir en las moléculas orgánicas diferentes grupos funcionales, es decir, grupos de átomos que confieren propiedades concretas a las moléculas que los poseen.

Las propiedades distintivas de una molécula orgánica depende no solo de la disposición de su esqueleto de carbono, sino también de los componentes moleculares unidos a ese esqueleto.

Cada grupo funcional se comporta de forma constante en cada molécula orgánica y el número y la disposición de los grupos ayuda a conferir a cada molécula sus propiedades únicas.

En un grupo hidroxiloUn átomo de hidrógeno está unido a

un átomo de oxígeno, el cuala su vez está unido a una molécula

orgánica

Nombre de los compuestosALCOHOLES

ETANOLAlcohol presente en las

bebidas alcohólicas

Es polar como resultado del átomo de oxígeno

Electronegativo que arrastra electrones hacia sí mismo

Atrae moléculas de agua, lo que ayuda a disolver compuestos orgánicos

como los azúcares

El grupo carbonilo se compone de un átomo de

carbono unido a un átomo de oxígeno mediante un doble

enlace

Cetonas, el grupo carbonilo estadentro del esqueleto de carbono

Aldehídos, el grupo carbonilo está en el extremo del esqueleto de carbono

Acetona

PROPANAL

Una cetona y un aldehído pueden ser isómeros estructurales

son diferentes propiedades,como es el caso de la acetona y el

propanal

ACETONA

Cuando un átomo de oxígeno estáunido mediante un doble enlace

a un átomo de carbono que también está

unido a un grupo hidroxilo, todo el conjunto se llama grupo carboxilo

Ácidos carboxílicos o ácidos orgánicos

Ácido acético, le proporciona al vinagre

el gusto agrio

Propiedades ácidas fuente de iones hidrógenoEl enlace covalente entre el oxígeno y el hidrógenoEs tan polar que los iones hidrógeno tienden a disociarse de forma reversible

En las células se encuentra en forma iónica, grupo

carboxilato

El grupo amino se compone de un átomo de nitrógeno unido a dos

átomos de hidrógenoy al esqueleto de carbono

AMINAS

Debido a que también tiene un grupo carboxilo, es un

aminoácido

Actúa como base, puede captar un protón de la solución

circundante

El grupo sulfhídrilo se compone de un átomo de azufre unido a un átomo de hidrógeno Tioles

Dos grupos sulfhídrilos pueden interactuarpara ayudar a estabilizar la estructura

proteica

En el grupo fosfato un átomo de fósforo está unido

a cuatro átomos de oxígeno, un oxígeno está unido al esqueleto de carbono, dos

oxígenos llevan carga negativa

Fosfatos orgánicos

Forma un anión de la molécula de la que forma parte

Puede transferir energía entre moléculas orgánicas

BIOELEMENTOS MAYORITARIOS

Carbono(C)

Forma el esqueleto de las moléculas orgánicas, puede formar cuatro enlaces con otros tantos átomos. Forma enlaces covalentes estables con otros carbonos originando largas cadenas de átomo con enlaces simples, doble o triples.

Con los diferentes radicales formados por otros elementos es posible un gran número de moléculas diferentes.

Oxígeno(O)

Es el bioelemento primario más electronegativo, siendo idóneo para quitar electrones a otros átomo, es decir, para oxidarlos.

Este proceso comporta rotura de enlaces y liberación de una gran cantidad de energía, la reacción de los compuestos de carbono con el oxígeno, la respiración aeróbica forma más común de obtener energía. Presente en la mayor parte de los compuestos orgánicos, componente de la molécula del agua.

Hidrógeno(H)

Presente en la mayor parte de los compuestos orgánicos; componente del agua, el ión hidrógeno (H+) participa en algunas transferencias de energía. El único electrón que posee le permite formar un enlace con cualquiera de los otros bioelementos primarios

Nitrógeno(N)

Componente de todas las proteínas, grupo amino( -NH2) y los ácidos nucleicos, bases nitrogenadas de los nucleótidos. Componente de la clorofila.

Azufre(S)

Básicamente se encuentra en forma de radical sulfhídrilo (-SH) en determinados aminoácidos. Estos radicales permiten establecer, entre los aminoácidos próximos, unos enlaces covalentes fuertes, puentes disulfuro, (-S-S-) que mantienen la estructura de las proteínas.

Fósforo(P)

Componente de los ácidos nucleicos y de los fosfolípidos de las membranas; importante en las reacciones de transferencia de energía. Componente estructural de huesos.

Bioelementos secundarios.- Mg, Ca, Na, K, Cl.Los encontramos formando parte de todos los seres vivos, si bien en conjunto no superan, generalmente, el 4% en masa

del total del organismo.

BIOELEMENTOS SECUNDARIOS

Calcio(Ca2+)

Componente estructural de huesos y dientes; el ión calcio (Ca2+) es importante en contracción muscular, conducción de impulsos nerviosos y coagulación sanguínea; presente en la pared celular vegetal..

Magnesio(Mg2+)

Es un componente de muchas enzimas y del pigmento clorofila. También interviene en forma iónica como cofactor en la síntesis y degradación del ATP, en la replicación del ADN y en su estabilización, en la síntesis de ARN.

Sodio(Na+)

Catión abundante en el medio extracelular; necesario par la conducción nerviosa y la contracción muscular. Junto con el sodio y el cloro intervienen en el distribución de cargas eléctricas a ambos lados de la membrana plasmática (potencial de membrana).

Potasio (K+)

Catión más abundante en el interior de las células; necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular. Regula la apertura y el cierre de los estomas de las hojas.

Cloro(Cl-)

Anión más frecuente; necesario para mantener el equilibrio hídrico en la sangre y fluido intersticial.

OLIGOELEMENTOS

Hierro Fundamental para la síntesis de clorofila, actúa como catalizador en muchas reacciones químicas y forma parte de proteínas de funciones muy importantes, como los citocromos, que intervienen en la respiración celular. Forma parte de la hemoglobina actuando como transportador de oxígeno.

Manganeso

Interviene en la fotólisis del agua durante el proceso de fotosíntesis en las plantas.

Iodo Necesario para formar la hormona tiroidea que regula el metabolismo energético, cuya carencia provoca la aparición del bocio, el cretinismo, etc.

Flúor Forma parte del esmalte de los dientes, de los huesos y también aparece en la estructura de la piel, las glándulas, etc. Su carencia está relacionada con la aparición de caries.

Cobalto Es un componente de la vitamina B12 (cianocobalamina), necesaria para la síntesis de la hemoglobina y la formación de los eritrocitos. Su carencia origina anemia.

Silicio Proporciona resistencia y elasticidad al tejido conjuntivo, cabello, piel, uñas, etc. Endurece tejidos vegetales como en las gramíneas y equisetos. Caparazones de las diatomeas..

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.

Zinc Interviene como biocatalizador en muchas reacciones químicas.Molibdeno Forma parte de las enzimas vegetales que actúan en la reducción de los nitratos por parte

de las plantas.Aluminio Actúa sobre el sistema nervioso central, aumenta la actividad cerebral y regula el sueño;

favorece la osificación de los cartílagos durante las etapas fetal e infantil y activa los mecanismos de oxido reducción en el metabolismo.

Litio Es un estabilizador del estado de ánimo (se utiliza en el tratamiento de algunas psicosis maníaco-depresivas), pues actúa sobre los neurotransmisores y la permeabilidad celular.

BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS

GASES

AGUA

SALES MINERALES

LIPIDOSPROTEÍNAS

ÁCIDOS NUCLEÍCOS

GLÚCIDOS

BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS

LA MOLÉCULA QUE SUSTENTA LA VIDA

El agua es el medio biológico de la Tierra y, posiblemente, de otros planetas también.

La vida en la Tierra comenzó en el agua y evolucionó allí durante tres mil millones de años antes de extenderse a la tierra

El agua es la única sustancia común que existe en el ambiente natural en los tres estados físicos de la materia.

La estructura de una molécula de agua le permite formar enlaces químicos débiles con otras moléculas, incluidas otras moléculas de agua.

Esta capacidad conduce a propiedades únicas que sostienen y mantienen a los sistemas vivos en nuestro planeta.

Hydroniumion (H3O+)

Hydroxideion (OH–)

Hydrogenbonds

La molécula de agua es una molécula polar, lo que significa que los extremos opuestos de la molécula tiene cargas opuesta:

La región del oxígeno de la molécula tiene una carga negativa parcial y los hidrógenos tienen una carga positiva parcial.

Las extraordinarias cualidades del agua son propiedades emergentes que resultan de los enlaces de hidrógeno que ordenan las moléculas en un nivel superior de organización estructural.

Las propiedades anómalas del agua surgen a partir de las atracciones entre moléculas polares.

La atracción es eléctrica: el hidrógeno levemente positivo de una molécula es atraído hacia el oxígeno levemente negativo de una molécula cercana.

Las dos moléculas se mantienen juntas de esta manera por un enlace de hidrógeno.

Aunque la disposición de las moléculas en una muestra de agua líquida está cambiando constantemente en un momento dado, muchas de las moléculas están unidas por múltiples enlaces de hidrógeno.

COMPORTAMIENTO COHESIVO DEL AGUACAPACIDAD PARA REGULAR LA TEMPERATURA

EXPANSIÓN AL CONGELARSE VERSATILIDAD COMO SOLVENTE

Water-conducting cells

100 µm

Las moléculas de agua se mantienen juntas unas con otras como resultado del enlace de hidrógeno.

Cuando el agua está en su forma liquida, sus enlaces de hidrógeno sin muy frágiles, veinte veces más débiles que los enlaces covalente. Se forman, se rompen y se vuelven a formar con mucha frecuencia.

Cada enlace de hidrógeno dura solo unas pocas billonésimas de segundo, pero las moléculas están constantemente formando enlaces nuevos con una sucesión de patrones.

Por esto, a cada instante un porcentaje sustancial de todas las moléculas de agua están enlazadas con sus vecinas, haciendo al agua más estructurada que la mayoría de los líquidos.

Colectivamente, los enlaces de hidrógeno mantienen la sustancia unida, mediante un fenómeno denominado, cohesión La cohesión debida a los enlaces de hidrógeno contribuye al transporte del agua y los nutrientes disueltos en contra de la gravedad en las plantas.

El agua de las raíces llega a las hojas a través de red de células conductoras de agua.

A medida que el agua se evapora desde una hoja, los enlaces de hidrógeno provocan que las moléculas de agua que dejan las nervaduras “traccionen” las moléculas que están más abajo y este movimiento ascendente se transmite a través de las células conductoras de agua hacia abajo hasta las raíces.

Unión de una sustancia a otra, también desempeña un papel en el transporte del agua desde las raíces.La adhesión del agua a las paredes de las células ayuda a contrarrestar la fuerza descendente de la gravedad.

En relación con la cohesión existe la tensión superficial, una medida de la dificultad para estirar o romper la superficie de un líquido.

El agua tiene una tensión superficial mayor que la de casi todos los demás líquidos.

En la interfase entre el agua y el aire se encuentra una disposición ordenada de moléculas de agua, unidas por enlaces de hidrógeno entre sí y a las moléculas de agua por debajo.

Esto determina que el agua se comporte como si estuviera cubierta con una película invisible.

El agua regula la temperatura del aire al absorber calor del aire más caliente y liberar el calor almacenado hacia el aire más frío.

El agua es eficaz como banco de calor porque puede absorber o liberar una cantidad de calor relativamente grande con apenas un leve cambio en su propia temperatura.

Cualquier cosa que se mueve, tiene energía cinética, la energía del movimiento.

Los átomos y las moléculas tienen energía cinética porque están siempre en movimiento, aunque no necesariamente en cualquier dirección en particular.

Cuanto más rápido se mueva una molécula, mayor será su energía cinética.

Un cubo de hielo enfría una bebida no mediante la adicción de frío al líquido, sino al absorber el calor del líquido a medida que el hielo se derrite.

Calor es una media de la cantidad total de energía cinética debida al movimiento molecular en un conjunto de materia.

Temperatura mide la intensidad del calor debida a la energía cinética promedio de las moléculas.

Calor y temperatura se relacionan pero no son los mismo. Ejemplo un nadador que cruza el Canal de la Mancha tienen una temperatura superior a la del agua, pero el océano contiene más calor debido a su volumen.

Calor es una media de la cantidad total de energía cinética debida al movimiento molecular en un conjunto de materia.

Temperatura mide la intensidad del calor debida a la energía cinética promedio de las moléculas.

Cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1º C.Una caloría es también la cantidad de calor que 1 gramo de agua libera cuando su temperatura desciende 1º C.

La capacidad del agua para estabilizar la temperatura proviene de su calor específico relativamente alto.

El calor específico de una sustancia se define como la cantidad de calor que debe absorberse o perderse para que 1 gramo de esa sustancia cambie su temperatura en 1º C.

Por tanto el calor específico del agua es un caloría por gramo por grado Celsius.1/cal/ºC

En comparación con la mayoría de las sustancias el agua tienen un calor específico inusualmente alto.

Por ejemplo el alcohol etílico, tienen un calor específico de 0,6cl/g/ºC, es decir, solo se requieren 0.6 calorías para elevar 1ºC la temperatura de 1 gramo de alcohol etílico.

El agua es un solvente muy versátil, una cualidad que proviene de la polaridad de la molécula de agua. Por ejemplo, un cristal del compuesto iónico cloruro de sodio (NaCl) en agua.

En la superficie del cristal, los iones sodio y cloruro se exponen al solvente, estos iones y las moléculas de agua tienen una afinidad mutua gracias a su atracción eléctrica.

Las regiones de oxígeno de la molécula de agua están cargadas negativamente y se adhieren a cationes sodio.

Na+

Na+

Cl–Cl–

+

+

+

+

+

+

++

–

–

–

–

––

–

–

–

–

–

Las moléculas de cualquier líquido permanecen juntas debido a que se atraen entre sí. Las moléculas que se mueven suficientemente rápido para sobrepasar estas atracciones pueden abandonar el líquido y entrar en el aire como gas.

Esta transformación de líquido a gas se denomina vaporización evaporación.

El alto calor de vaporización del agua ayuda a regular el clima de la Tierra. Una considerable cantidad de calor solar absorbida por los mares tropicales se consume durante la evaporación del agua de la superficie.

Luego, a medida que el aire húmedo tropical circula en dirección al polo libera calor a medida que se condesa para formar lluvia.

El agua es una de las pocas sustancias que son menos densas como sólido que como líquido, el hielo flota en el agua líquida.

IceHydrogen bonds are stable

Hydrogenbond

Liquid waterHydrogen bonds

constantly break and re-form

DENSIDAD DEL AGUA SÓLIDA La causa de este comportamiento extraño se

debe, una vez más, a los enlaces de hidrógeno. A temperaturas superiores a los 4ºC, el agua se

comporta como otros líquidos, expandiéndose a medida que se calienta y contrayéndose a medida que se enfría.

El agua comienza a congelarse cuando sus moléculas ya no se mueven con suficiente fuerza como para romper sus enlaces de hidrógeno.

A medida que la temperatura cae hasta 0ºC, el agua queda encerrada en una red cristalina, y cada molécula de agua está unida a cuatro compañeros.

Amplio rango de temperaturas idóneo para la aparición y el mantenimiento de la vida en la Tierra.

Los medios acuosos (sangre, savia,..) facilitan el transporte de sustancias en disolución (nutrientes y desechos). Es el medio en el que transcurre gran parte de las reacciones metabólicas.

El agua actúa como esqueleto hidrostático en algunos organismos e incrementa la turgencia en las plantas. Es responsable del fenómeno de la capilaridad que facilita el ascenso de la savia bruta a través de los vasos leñosos.

Junto con la cohesión, es responsable del fenómeno de la capilaridad que facilita el ascenso de la savia bruta a través de los vasos leñosos.

El agua actúa como amortiguador térmico evitando variaciones bruscas de la temperatura.

La evaporación del agua constituye un eficaz sistema de refrigeración en plantas (transpiración) y animales ( sudoración).

El hielo es menos denso que el agua, lo que permite la vida bajo las aguas heladas.

Los seres vivos utilizan químicamente el agua en las reacciones de fotosíntesis e hidrólisis

Se mantiene líquida entre 0º C y 100ºC

Acción disolvente

Elevada fuerza de cohesión

Elevada fuerza de adhesión

Gran calor específico

Elevado calor latente de vaporización

Menor densidad del hielo que del agua líquida

Acción bioquímica del agua

FUNCIONES

FUNCION ESTRUCTURAL

CATIONESANIONES

las membranas biológicas tienen permeabilidad selectiva. De este modo la célula asegura un medio interno diferente del exterior

ÓSMOSIS

Si a ambos lados de una membrana semipermeable se ponen dos disoluciones de concentración diferente el agua pasa desde la más diluida a la más concentrada. Este proceso se denomina ósmosis y la presión necesaria para contrarrestar el paso del agua se llama presión osmótica.

hipertónica hipotónica

membrana semipermeabl

e

Comportamiento de dos disoluciones separadas por una membrana semipermeable.

Presión osmótica

Para explicar la ósmosis platearemos el siguiente modelo teórico...

hipertónica hipotónica

membrana semipermeabl

e

Seguro que ahora habrás comprendido por qué aumenta la cantidad de líquido en la disolución hipertónica.Si aún no es así tendremos que explicarlo más detenidamente…..

DISEÑO DE PRÁCTICAS SENCILLAS EN EL LABORATORIO basadas en el Temario de Biología de 2º de Bachillerato

1.-Agua y Bioelementos:Propiedades del agua: enlaces de hidrógeno que mantienen las

moléculas de agua fuertemente unidas: Fuerzas de cohesión y capilaridadEjemplos de la fuerza de cohesión entre las moléculas de agua:

Dos vasos de vidrio encajados, dos portaobjetos en agua: P=F/SCapilaridad: ascenso del agua por tubos muy finos: cuanto menor

es el ø mayor es la altura que alcanza el líquido.2.-Osmosis:

Fenómenos osmóticos en tejidos y órganos vegetales.Tubérculos como la patata, frutos como la manzana, tejidos como la piel dela cebolla. Preparación de disoluciones de azúcar seriadas, crecientes en Concentración, en disolución tamponada neutra (pH 7) + rojo neutro (para elestudio de los fenómenos osmóticos piel de la cebolla) o sin colorante en losotros casos.

plamólisis -----plasmolisis incipiente ------turgenciaA.- Observación de cambios a nivel celular bajo la lupaB.- Medida del cambio de peso/volumen del tubérculo/fruto

FUENTES.