COMPOSICIN DE LOS SERES VIVOS

BLOQUE I: LAS MOLCULAS DE LA VIDA COLEGIO ECOS

BIOLOGA 2 BACHILLERATO

Bioelementos y biomolculas. El agua.

1.- Composicin de los seres vivos: bioelementos y biomolculas.

2.- El agua.

2.1.- Estructura.

2.2.- Propiedades fsico-qumicas.

2.3.- Funciones biolgicas.

2.4.- Disoluciones acuosas de sales minerales.

3.- Bibliografa.

4.- Preguntas de selectividad.

Gotas de agua 1.- Composicin de los seres vivos: bioelementos y biomolculas.

Existen alrededor de unos 100 elementos estables diferentes en la naturaleza, pero solo unos cuantos de los mismos forman parte de los seres vivos y de stos, el 96% corresponden slo a cuatro de ellos: carbono (C), oxgeno (O), hidrgeno (H) y nitrgeno (N). Adems hay otros elementos tambin muy importantes potasio (K), calcio (Ca), fsforo (P), sodio (Na), magnesio (Mg), cloro (Cl) y azufre (S) que junto a los cuatro anteriores constituyen alrededor del 99,9% de los elementos integrantes de la materia viva, recibiendo el nombre de macroelementos.

El aproximadamente 0,1% restante lo integra otros elementos que a pesar de su baja concentracin, son imprescindibles para el funcionamiento del ser vivo por desempear funciones muy importantes. Tales ejemplos seran: yodo (I), cobre (Cu), manganeso (Mn), cinc (Zn), flor (Fl), cobalto (Co), etc. Se les denominan oligoelementos. Muchos oligoelementos son txicos en concentraciones ms elevadas a las necesarias.

Todos los macroelementos estn presentes en todos los seres vivos, no sucediendo lo mismo con los oligoelementos. Adems, puede ocurrir que un determinado elemento sea oligoelemento para un organismo y macroelemento para otros.

De acuerdo con su abundancia/proporcin en la que se encuentren, se dividen en: a) Bioelementos primarios. Constituyen el 96-99% de la materia viva y son los componentes esenciales con los que se construyen las biomolculas. Son: carbono (C), hidrgeno (H), oxgeno (O), nitrgeno (N), azufre (S) y fsforo (P).

Carbono, oxgeno, hidrgeno y nitrgeno, poseen una propiedad comn: forman con facilidad enlaces covalentes estables y fuertes mediante reparto de pares de electrones.Merece especial atencin el carbono por:

formar largas cadenas carbonadas que servirn de esqueleto para construir grandes biomolculas. se une por cuatro enlaces covalentes distribuidos en forma de tetraedro, lo que da lugar a variadas estructuras tridimensionales. capacidad para formar enlaces covalentes simples, dobles o triples con otros carbonos, dando lugar a la aparicin de esqueletos lineales o cclicos muy polimorfos que permiten una ingente variedad de molculas orgnicas distintas. se pueden formar dobles o triples enlaces con el oxgeno, el hidrgeno, el nitrgeno y el azufre; con lo que puede introducir muchos grupos funcionales en la estructura de las molculas orgnicas.El azufre se encuentra en dos aminocidos (cistena y metionina), presentes en todas las protenas. Tambin en algunas sustancias como el coenzima A.

El fsforo forma parte de los nucletidos, de coenzimas y otras molculas como fosfolpidos. Tambin constituye parte de un tipo de sales minerales (fosfatos). b) Bioelementos secundarios. Estn presentes en el medio celular en pequeas cantidades: 1-4% de la materia viva. A pesar de su baja presencia son esenciales para el buen funcionamiento de los seres vivos. Destacamos: Sodio. Catin abundante en el medio extracelular; necesario para la conduccin nerviosa y la contraccin muscular. Potasio. Catin ms abundante en el interior de las clulas; necesario para la conduccin nerviosa y la contraccin muscular. Calcio. Forma parte de los carbonatos de calcio de estructuras esquelticas. En forma inica interviene en la contraccin muscular, coagulacin sangunea y transmisin del impulso nervioso. Magnesio. Forma parte de la molcula de clorofila, y en forma inica acta como catalizador, en muchas reacciones qumicas del organismo. Cloro. Anin ms frecuente; necesario para mantener el balance de agua en la sangre y fluido intersticialc) Oligoelementos. Son esenciales para la vida, pero se encuentran en la materia viva en cantidades muy pequeas que no superan el 0,1%. Estos son: Hierro. Catalizador en reacciones qumicas y formando parte de la hemoglobina que interviene en el transporte de oxgeno. Manganeso. Interviene en la fotlisis del agua, durante el proceso de fotosntesis en las plantas. Yodo. Necesario para la sntesis de la hormona tiroxina. Flor. Forma parte del esmalte dentario y de los huesos. Cobalto. Forma parte de la vitamina B12, necesaria para la sntesis de hemoglobina.Las biomolculas o principios inmediatos estn formados por la combinacin de bioelementos por medio de enlaces qumicos. Seran pues las molculas y los iones que integran la materia viva. Han sido clasificadas en dos grandes grupos:

a) Inorgnicas. Los bioelementos que intervienen en su formacin se unen por medio de enlaces inicos. No son exclusivas de los seres vivos, es decir, forman parte tanto de los seres vivos como de los seres inertes. Son el agua y las sales minerales.b) Orgnicas. Los bioelementos se unen a travs de enlaces covalentes. Exclusivas de los seres vivos y por lo tanto es necesario que los organismos las sinteticen. A ste grupo pertenecen los glcidos, lpidos, protenas y cidos nucleicos.

2.- El agua.

El agua es la biomolcula ms abundante en los seres vivos. Es una sustancia inorgnica imprescindible para la vida. El trmino medio de agua en las clulas es del orden del 75-85%. En las clulas puede presentarse como agua ligada, unida a protenas y a otras molculas cargadas, o bien como agua libre. Se distribuye en el organismo en medios intracelulares e intercelulares, o en fluidos circulares como la sangre y la linfa.

El papel primordial del agua en el metabolismo de los seres vivos se debe a sus excepcionales propiedades fsicas y qumicas, derivadas de su estructura molecular.

2.1.- Estructura.

La molcula del agua est formada por dos tomos de hidrgeno y uno de oxgeno unidos por enlaces covalentes simples. Los enlaces no se disponen en lnea recta, sino en tringulo formando un ngulo de 104,5. El tomo de oxgeno, muy electronegativo, atrae a los electrones compartidos en los enlaces de tal manera que se produce una cierta carga parcial negativa. Al otro lado de la molcula se sitan los hidrgenos, que presentan una carga parcial positiva. Dicho exceso de carga negativa y carga positiva, recibe el nombre de densidad de carga. La molcula de agua es, por lo tanto, un dipolo elctrico, aunque su carga neta sea neutra.

Debido a su carcter dipolar, las molculas de agua pueden interaccionar entre s, mediante atracciones electrostticas, estableciendo enlaces o puentes de hidrgeno. Cada molcula de agua puede unirse tericamente con otras cuatro molculas de agua, estableciendo dos puentes de hidrgeno por las cargas parciales negativas del oxgeno, y un puente de hidrgeno por cada una de las cargas parciales positivas de los hidrgenos. Igualmente, pueden formar puentes de hidrgeno con otras molculas polares o iones.

2.2.- Propiedades fsico-qumicas.

Las propiedades fsicas y qumicas del agua derivan de la polaridad y de la cohesin de sus molculas. Las ms importantes son:

1.- Gran poder disolvente. La polaridad y la capacidad de formar puentes de hidrgeno hacen del agua una molcula muy reactiva. Es un magnfico disolvente de las molculas polares. La causa est en que el agua debilita las fuerzas electrostticas y los puentes de hidrgeno entre las molculas polares al competir con ellas. Esto es debido a que posee una constante dielctrica extraordinariamente elevada (80).

2.- Alto calor especfico. El calor especfico del agua es muy elevado y hace posible que el agua sea un amortiguador trmico, o sea, grandes variaciones de calor suponen menores variaciones de la temperatura, ya que parte de la energa es empleada en romper los enlaces de hidrgeno.

3.- Elevado calor de vaporizacin. Cuando el agua pasa de estado lquido a estado gaseoso necesita absorber mucho calor para romper todos los enlaces de hidrgeno. Cuando el agua se vapora en la superficie de un ser vivo, absorbe calor del organismo actuando como regulador trmico.

4.- Elevada cohesin molecular. El hecho de ser un fluido dentro de un amplio margen de temperatura permite al agua dar volumen a las clulas, turgencia a las plantas, actuar como esqueleto hidrosttico en algunos invertebrados, explica las deformaciones que sufren algunas estructuras celulares y funcin mecnica amortiguadora constituyendo el lquido sinovial.

5.- Elevada tensin superficial. En la superficie de contacto con otro medio, la cohesin entre las molculas de agua es mayor, lo que proporciona una especie de pelcula superficial.

6.- Densidad. El agua en estado lquido es ms densa que en estado slido. En estado slido el agua presenta todos sus posibles puentes de hidrgeno (4), formando un retculo que ocupa mayor volumen, por lo que es menos denso.

7.- Elevada fuerza de adhesin. Las molculas de agua tienen gran capacidad de adherirse a las paredes de conductos de dimetros pequeos, ascendiendo en contra de la accin de la gravedad. Este fenmeno se conoce como capilaridad.

8.- Bajo grado de ionizacin. Hay una tendencia limitada del in hidrgeno a disociarse del tomo de oxgeno al que se halla unido covalentemente en una molcula de agua y a saltar al tomo de oxgeno de la molcula adyacente a la cual se ha unido por enlace de hidrgeno. En esta reaccin se producen iones H3O+ y OH-: Las disoluciones acuosas pueden ser: Neutras, si la concentracin de iones H3O+ y OH- es igual. cidas, si la concentracin de iones H3O+ es mayor que la de OH-. Bsicas, si la concentracin de iones OH- es mayor que la de H3O+.

2.3.- Funciones biolgicas.

1.- Disolvente universal. Las molculas de agua, debido a su carcter dipolar, tienden a disminuir las atracciones entre los iones de las sales y otros compuestos inicos, facilitando su disociacin en forma de cationes y aniones y rodendolos por dipolos de agua que impiden su unin. Este fenmeno se conoce como solvatacin inica.

2.- Amortiguador trmico. Mantiene constante la temperatura interna de los seres vivos. Se puede eliminar gran cantidad de calor con poca prdida de agua.

3.- Transporte. Permite el transporte de sustancias en el interior de los seres vivos y su intercambio con el medio externo, facilitando el aporte de sustancias nutritivas y la eliminacin de productos de desecho.

4.- Mecnica. Su reducida viscosidad hace que acte como lubricante amortiguando el roce entre articulaciones y entre rganos.

5.- Estructural. El volumen y forma de las clulas que carecen de capas rgidas se mantienen gracias al contenido de agua.

6.- Bioqumica. Constituye el medio en el que se realizan la mayora de las reacciones bioqumicas, y en ocasiones, adems, interviene de forma activa en las reacciones de hidrlisis.

7.- Excretora. Los productos txicos son eliminados en medios acuosos rebajando su toxicidad.

8.- Vida en los polos. La capa de hielo, menos densa, ejerce de pelcula manteniendo una columna de temperatura en el agua superior a los 0 C.Propiedades fisicoqumicasFunciones biolgicas

Constante dielctrica elevadaDisolvente universal

Transporte de sustancias

Bioqumica

Elevado calor especficoTermorreguladora

Elevado calor de vaporizacinTermorreguladora

Elevada cohesin molecularEstructural (volumen celular, turgencia, deformaciones citoplasmticas, esqueleto hidrosttico) y mecnica (amortiguadora)

Elevada tensin superficialDesplazamiento por superficie acutica (zapatero)

Elevada fuerza de adhesinTransporte: capilaridad

Mxima densidad en estado lquidoPresencia de vida en los polos

Bajo grado de ionizacinTampn: estabilidad del pH en el medio orgnico

3.- Disoluciones acuosas de sales minerales.

Las sales minerales son molculas inorgnicas presentes en todos los seres vivos que se encuentran disueltas o en estado slido y que tambin se pueden asociar a otras molculas orgnicas.

Las sales minerales disueltas son solubles en agua; se encuentran disociadas en sus iones y forman parte de los medios internos, intracelulares y extracelulares: Los aniones (carga negativa) ms frecuentes son: cloruros (Cl-), fosfatos (PO4-3), carbonatos (CO3-2), bicarbonatos (HCO3-) y nitratos (NO3-). Los cationes (carga positiva) ms abundantes son: sodio (Na+), calcio (Ca+2), magnesio (Mg+2), hierro (Fe+2 y Fe+3) y potasio (K+).Las sales minerales insolubles en la materia se encuentran en estado slido. En cada organismo se forman diversos cristales de composicin, forma y tamao especficos. Las sales precipitadas se pueden asociar a macromolculas con las que interaccionan a travs de grupos inicos comunes y regulan el crecimiento de los cristales.

Sus funciones biolgicas son:

1. Mantener el grado de salinidad en los organismos. Las concentraciones inicas de sales minerales se mantienen constantes, dentro de ciertos lmites, en los distintos organismos. Las sales mantienen el grado de hidratacin y determinan el estado elctrico del protoplasma.2. Regular la actividad enzimtica. La presencia de determinados iones activa o inhibe reacciones bioqumicas catalizadas por enzimas.3. Generar potenciales elctricos. Los iones que se encuentran en el interior de las clulas no son los mismos que los del medio externo por esto, a ambos lados de la membrana, existe una diferencia de cargas elctricas. Esta irregular distribucin de iones provoca la existencia de un potencial de membrana que ejerce una fuerza sobre cualquier molcula con carga elctrica. 4. Regulacin del pH. La actividad biolgica en el medio interno celular se produce a un determinado valor de pH. Las reacciones qumicas que se verifican en los organismos producen variaciones en el pH y algunas sales minerales disueltas contribuyen a disminuir estas variaciones, manteniendo constante el pH. Las disoluciones de sales que tienen esta funcin se denominan tampones, buffer o disoluciones amortiguadoras. Estn compuestos por un cido dbil y su base conjugada. Actan como aceptores o dadores de [H+] para compensar el exceso o dficit de estos iones en el medio y mantener constante el pH. Las ms importantes son: el sistema tampn fosfato [H2PO4- / HPO4-2] y el sistema tampn bicarbonato [HCO3- / H2CO3].

5. Intervienen en el equilibrio osmtico. En disolucin acuosa, las sales participan en la concentracin de los medios extracelular e intracelular, fenmeno denominado accin osmtica. En un medio acuoso, los iones o partculas en dispersin se diseminan por toda la masa lquida por simple difusin fsica. Entre dos medios de diferente concentracin, separados por una membrana semipermeable se produce el proceso de smosis: como el soluto no puede atravesar la barrera, el agua pasa a la parte ms concentrada, llegando a provocar una diferencia de presin, la presin osmtica.

La disolucin ms concentrada se denomina hipertnica, la menos concentrada recibe el nombre de hipotnica, y cuando dos disoluciones tienen igual concentracin se denominan isotnicas. Como el medio interno celular suele tener diferente concentracin que el entorno, el fenmeno osmtico tiene gran importancia biolgica.

Si se somete la clula a una disolucin muy diluida (medio hipotnico), respecto a ella, se produce la entrada masiva de agua hacia el interior de la clula, lo que ocasiona un aumento del volumen celular y una disminucin de la presin osmtica en el interior celular. Si la clula es vegetal se hincha ligeramente, ya que la pared celular equilibra la presin osmtica: turgencia celular. Sin embargo, si la clula es animal puede llegar a estallar: lisis osmtica.

Al introducir una clula en una disolucin muy concentrada (medio hipertnico), el agua tiende a salir de la clula con lo cual disminuye su volumen y aumenta la presin osmtica en el interior celular. Se va a producir el fenmeno de plasmlisis: la clula se arruga por prdida de agua pudiendo producir la muerte celular.

6. Formar estructuras de proteccin o sostn. Por ejemplo el carbonato clcico endurece huesos y dientes; el fosfato clcico forma parte de la matriz mineral del tejido seo; y los silicatos constituyen las espculas de algunas esponjas.NOTA: Las cinco primeras funciones corresponden a las sales minerales disueltas y la ltima funcin a las sales minerales precipitadas.

3.- Bibliografa.

LEHNINGER. Bioqumica. 1978.

STRYER. BIOQUMICA. Editorial REVERT. 1995. M PEINADO y colaboradores. Biologa celular. 1994. J. ALCAM y colaboradores. BIOLOGA 2. Editorial SM. 2009.

CARLOS PULIDO y colaboradores. BIOLOGA 2. Editorial ANAYA. 2003.

4.- Preguntas de selectividad.

1.- Cuando cogemos trozos de hojas de lechuga, los cubrimos con un pao hmedo y los guardamos en un frigorfico a 4C, permanecen turgentes durante mucho tiempo. Sin embargo, cuando aliamos, con aceite, sal y vinagre, los trozos de lechuga para hacer una ensalada rpidamente pierden la turgencia y se arrugan, an cuando la guardemos en el frigorfico a 4C. Explique razonadamente por qu las hojas de lechuga pierden su turgencia al aliarlas y la mantienen en ausencia del aliado.

2.- Describa la estructura de la molcula del agua. Enumere cuatro propiedades fsico-qumicas del agua y relacinelas con sus funciones biolgicas.

3.- Las clulas vegetales son capaces de soportar mayores variaciones en la presin osmtica del medio que las clulas animales. Justifique esta afirmacin.

4.- Defina el trmino bioelemento y enumere cuatro de ellos, explicando brevemente su importancia biolgica. Destaque las propiedades fsico-qumicas del carbono.

5.- La hoja de una planta al sol est generalmente ms fresca que las piedras vecinas. Qu propiedades fsico-qumicas del agua explotan las plantas para conseguirlo? Gastan energa en ello? Razone la respuesta.

6.-Un sistema de conservacin de alimentos muy utilizado desde antiguo, consiste en aadir una considerable cantidad de sal al alimento (salazn) para preservarlo del ataque de microorganismos que puedan alterarlo. Explique este hecho de forma razonada.

7.- En las zonas polares, donde las temperaturas son muy bajas, cmo es posible que los ecosistemas marinos se mantengan con vida en las pocas de temperatura ms baja? Razone la respuesta.

8.-La inclusin de glbulos rojos en un medio hipotnico se utiliza como paso previo para obtener membranas celulares puras. D una explicacin razonada del porqu de este procedimiento. Los bioelementos o elementos biognicos son los elementos qumicos presentes en la naturaleza que forman parte de los seres vivos. Se han identificado alrededor de 70 bioelementos, aunque no todos estn presentes en todos los seres vivos, ni aparecen en las mismas proporciones. Solamente 22 bioelementos son componentes esenciales de la materia viva.

Base fsico-qumica Bioelementos y biomolculas. El agua Pgina 8 de 8