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La Química de la Vida1ª Parte: Elementos químicos y el agua

Tema 9 de Biología NS

Diploma BI

Curso 2011-2013

La Química de la vida 1/54

Elementos químicos de la vida: Bioelementos� La materia constituyente de los seres vivos está compuesta por

moléculas, que están a su vez formadas por la unión de ciertos elementosquímicos. A los elementos químicos presentes en los seres vivos se lesllama bioelementos.

� Estos elementos químicos fueron seleccionados para la vida por sercapaces de construir estructuras y realizar funciones capaces de aumentarla supervivencia de las células que los incorporaron.

� Puesto que la vida parece que surgió en el seno de los mares primitivos,muchos de los elementos esenciales para la vida fueron seleccionados pordos parámetros:

1) Su comportamiento en el medio acuoso. Es decir, si son insolubleso solubles y, en este caso, el número de cargas que tienen en formaiónica.

2) La reactividad de los átomos y los tipos de enlaces que puedenformar para construir moléculas orgánicas.


Elementos químicos de la vida: Bioelementos� Existen unos 27 bioelementos y, al igual que el resto de elementos que

forman la materia general del Universo, todos ellos están presentes en latabla periódica.


Elementos químicos de la vida: Bioelementos� Sin embargo, al comparar la composición química de los seres vivos con la

de la corteza terrestre (inerte), los bioelementos mayoritarios nocoinciden, salvo el oxígeno, con los elementos más abundantes en lacorteza.

� Se puede observar que los elementos químicos más frecuentes en losseres vivos son solo cuatro: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno.


Principales bioelementosBE


� Los bioelementos se clasifican en dos grupos, en función de su presenciay abundancia:

1) Biolementos mayoritarios. Están en todos los seres vivos y formanmás del 96% del total de la materia viva. Los primarios son C,H,O,N,P yS y constituyen los ladrillos con los que se fabrican las biomoléculas oprincipios inmediatos. Los secundarios son Na, K, Cl, Mg y Ca, ydesempeñan funciones de vital importancia en la fisiología celular.

2) Oligoelementos. Se encuentran presentes en pequeñísimascantidades y se distinguen a su vez esenciales, que son unos 14elementos presentes en todos los seres vivos, como Fe, Mn, Cu, Zn, etc.,y no esenciales, no presentes en todos los seres vivos pero que cumplenfunciones importantes en el metabolismo, como Al y Li.

Elementos químicos de la via: bioelementos


� Los bioelementos secundarios y los oligoelementos, como el azufre, calcio,fósforo, hierro y sodio, son necesarios para los organismos vivos.

Animación1

Funciones de los bioelementos� La principal función del oxígeno está en la respiración

aerobia. El último paso de la respiración celular en lamitocondria se denomina fosforilación oxidativa, donde eloxígeno es usado como aceptor de electrones seguido de laproducción de ATP.

� El oxígeno se usa también en reaccionesde oxidación, como la rotura de un fosfatodel ATP para liberar energía en los tejidos.


Oxidación

Energía

Funciones de los bioelementos� El principal uso del nitrógeno es la producción de aminoácidos.


Los aminoácidos se polimerizan enproteínas.El nitrógeno también está presenteen la clorofila vegetal.

� El nitrógeno se encuentra como:Nitrógeno N2

Amonio NH4+

Nitrato NO3-

Nitratos NO2-

Urea (NH2)2CO

grupo amino

Funciones de los bioelementos� Importante oligoelemento en los seres vivos.

� En los animales, se encuentra en el hemoglobina para uniroxígeno. En las plantas, se usa para fabricar la clorofila yparticipa en la fotosíntesis (como ferredoxina).

� También facilita el movimiento de electrones en la célula,incluidas las bacterias.


� El hierro es frecuentemente un factorlimitante de la productividad vegetal.Hemoglobina

Funciones de los bioelementos� Forma parte de la estructura de huesos y dientes en

animales, además de participar en la coagulación sanguínea.

� El carbonato de calcio se usa en la producción deexoesqueletos de invertebrados y organismos unicelulares.

� Los iones Ca2+ son esenciales en la transmisión sináptica y lacontracción muscular.


E. Huxleyi fabrica uncaparazón de Ca(CO3)2

El calcio forma la matrízextracelular de los huesos

Funciones de los bioelementos� Esencial en la formación de la bicapa de fosfolípidos que

forman las membranas celulares.


Cabezas polares hidrofílicas

Colas apolares hidrofóbicas

� Los fosfatos son el componente activode la moléculas de ATP y tambiénforman parte de los nucleótidos queforman el ADN.

Fosfatos

Funciones de los bioelementos� Se encuentra en los aminoácidos.


� Es también un sustrato para las bacterias quimioautótrofasde las fumarolas en la profundidades marinas.

� Estas bacterias producen moléculas orgánicas a partir deH2S, CO2 y O2

El grupo Res variable

Funciones de los bioelementos� El Na+ es el catión más abundante en el plasma sanguíneo y es

esencial en la generación del potencial de acción para losimpulsos nerviosos. El NaCl es la principal fuente de estos iones.


� El K+ es el catión más abundante en el citoplasma celular ytambién participa en los impulsos nerviosos. Además tiene unagran influencia en la ósmosis.

Espacio intracelular

Espacio extracelular

Plasma

Citoplasma

Bomba sodio-potasio: Ejemplo de transporte activo

Responsable de resetear losimpulsos nerviosos y mantenerel volumen celular mediante suinfluenci aen la ósmosis.

Funciones de los bioelementos� Como se ha comentado, el carbono y el hidrógeno constituyen

los ladrillos de las moléculas orgánicas (biomoléculas).

� Los iones hidrógeno se usan en transporte activo, fotosíntesis yrespiración celular.

� El pH de una disolución es una medida de la actividad de losiones H+ disueltos.

- Un pH bajo (ácido) significa una alta concentración de ionesprotones H+.

- Un pH alto (alcalino o básico) significa una baja concentraciónde iones protones H+.


Glúcidos Proteínas Lípidos

Propiedades físico-químicas del CarbonoBE


� La vida contiene carbono en grandes cantidades. Es interesante destacar que,siendo el C y el Si del mismo grupo del sistema periódico y por tanto tenerpropiedades físico-químicas muy semejantes, y además siendo el Si casi 150veces más abundante en la corteza terrestre, ha sido el carbono el seleccionado.



� Las propiedades del carbono que le dan su gran idoneidad son:

1) Posee 4 electrones desapareados (valencia IV). Al poseer 6protones su configuración electrónica es 1s2 2s2 2p2. En lugar de disponerde dos electrones desapareados, el carbono desaparea en electrón delorbital 2s2, por lo que pose 4 electrones desapareados que ocupan losorbitales 2s1 2p1x 2p1y 2p1z, formando cuatro orbitales híbridosorientados hacia los cuatro vértices de un tetahedro que le permite formarcuatro enlaces covalentes simples al aceptar electrones para compartirsus cuatro orbitales enlazantes con otros átomos.



2) Formación de largas cadenas. Los enlaces entre los átomos de carbonopueden ser simples (C-C), dobles (C=C) o triples y permiten construircadenas más o menos largas, lineales o ramificadas, anillos, etc. Además, sepueden construir moléculas tridimensionales muy diferentes, propiedad devital importancia en la función biológica.



3) Formación de grupos funcionales. Las distintas combinaciones delcarbono con otros elementos, permiten la formación de gran cantidad degrupos que comunican a las moléculas que los portan unas propiedadescaracterísticas, como aldehídos, cetonas, aminas, alcoholes o hidrocarburos.



4) El díóxido de carbono, compuestode gran importancia biológica, esanormalmente estable, soluble en aguay permanece en estado gaseoso,indispensable para ser utilizado en lafotosíntesis.

� Los inconvenientes del silicio, que lo hacen menos idóneo, son:

- Los enlaces Si-Si son más débiles e inestables que los de las cadenascarbonadas.

- Las cadenas Si-O-Si-O- existen, pero su reactividad es casi nula(siliconas).

- El análogo al CO2, el SiO2

es sólido, insoluble enagua y, por tanto, difícil decaptar por los seres vivos.

Video1

El agua


Estructura molecular del agua


� El agua es una molécula formada por dosátomos de hidrógeno y uno de oxígenounidos mediente enlace covalente, enlos que cada átomo de H comparte un parde electrones con el átomo de O.

� Sin embargo, como laelectronegatividad del O esmayor que la del H, los pares deelectrones compartidos se venatraídos con más fuerza por elnúcleo del O que por el del H.

Estructura molecular del agua� Por otro lado, el O posee cuatro electrones más sin compartir, lo que

tiene dos consecuencias:

1) La geometría triangular que posee la molécula de agua, de maneraque los átomos de H forman respecto al O un ángulo de 104.5º(ligaramente inferior que el de un tetrahedro perfecto:109.5º).

2) La presencia de una carga negativa débil en la zona donde se sitúanlos electrones no compartidos.


� Esto último unido a la menorelectronegatividad de los H, creauna asimetría eléctrica que hace queel agua, aunque tenga carga totalneutra, presente cargas eléctricasparciales opuestas (δ), de maneraque la zona de los electrones nocompartidos del O es negativa y lazona de los H es positiva. Por estarazón, la molécula de agua tienecarácter dipolar.

Estructura molecular del agua� Su carácter dipolar le permite establecer

interacciones con otras moléculas polares ocon iones cargados eléctricamente. Entre laspropias moléculas de agua se establecenuniones electrostáticas denominadas enlacesde hidrógeno: La carga parcial negativa del Ode una molécula ejerce atracción electrostáticasobre las cargas parciales positivas de los H deotras moléculas adyacentes, de forma que unamolécula de agua puede formar hasta 4enlaces de H a la vez.

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Estructura molecular del agua


� Los enlaces de hidrógeno sonatracciones electrostáticas entremoléculas polares.

� En estado líquido, cada molécula deagua forma un promedio de 3.4 enlacesde hidrógeno con otras moléculas deagua. Debido a esta polaridad, en elagua se forma una estructura reticularperfectamente ordenada, responsable desus propiedades físico-químicas.

Na+

Na+

Cl–Cl–+

++

++

+++

–

––

–

––

–

–

––

–

Propiedades físico-químicas del agua


� Derivan de su peculiar estructura molecular y determinan las funcionesbiológicas que el agua desempeña en los sistemas biológicos.

1) Acción disolvente. Se denominadisolvente universal al ser el líquidoque más sustancias disuelve. Se debe asu capacidad de formar puentes dehidrógeno con otras sutancias, pues éstasse disuelven cuando interaccionan con lasmoléculas polares de agua.

Los solutos pueden ser sustanciasorgánicas, polares o con carga iónica,dando lugar a disolucionesmoleculares, o bien electrolitos, es decir,sustancias salinas que al disolverse sedisocian total o parcialmente, originandodisoluciones iónicas.



2) Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas. La fuerza de unenlace de hidrógeno es débil, sin embargo, muchos enlaces dehidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas,formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casiincompresible.



3) Elevada fuerza de adhesión. También relacionada con los enlaces dehidrógeno que se establecen entre las moléculas de agua y otrasmoléculas polares, y es responsable, junto con la cohesión, de lallamada capilaridad, donde las moléculas de agua en un capilar semueven hacia arriba en contra de la gravedad.



4) Elevado calor específico. Se define calor específico como “la cantidadde calor que es necesario aplicar a 1 g de una sustancia para elevar sutemperatura en 1º C”.

Cuando se aplica calor al agua, parte de la energía acumulada seemplea en romper los enlaces de H y no en elevar su temperatura.Igualmente, su Tª desciende con más lentitud a medida que valiberando energía al enfriarse.



5) Elevado calor de vaporización. Para pasar de estado líquido algaseoso es necesario romper los enlaces de hidrógeno, lo que requiereun considerable aporte de energía. Esta energía se toma del entorno, loque hace que la temperatura de éste disminuya.

Propiedades físico-químicas del agua6) Menor densidad del hielo que del agua líquida. Cuando el agua está

en estado sólido (hielo), cada molécula establece 4 enlaces dehidrógeno. Sin embargo, en estado líquido, cada molécula estableceunos 3.4 enlaces de hidrógeno, por lo que el retículo formado en elprimer caso ocupa más espacio que en el segundo y es menos densoque el del agua líquida.

Cuando el agua se enfría, secontrae su volumen, comosucede con todos los cuerpos,pero al alcanzar los 4ºC cesa lacontracción y su estructura sedilata hasta transformarse enhielo en el punto de congelación(dilatación anómala del agua).Por eso el hielo, al ser menosdenso, flota sobre el agua líquida.

La mayor densidad del agua sealcanza a 4ºC.




7) Elevada tensión superficial. En el interior de una masa de agua,todas las moléculas cohesionan unas con otras, mediante enlaces dehidrógeno, en todas las direcciones del espacio, por lo que las fuerzasse compensan. Sin embargo, las moléculas situadas en la superficiesólo están sometidas a la acción de las moléculas del interior (noexisten fuerzas de cohesión con el aire).

Se origina así una fuerza dirigida hacia en interior del líquidodenominada tensión superficial y que permite que la superficie libredel agua se comporte como una membrana elástica tensa.



8) Viscosidad. La viscosidad de un fluido es la resistencia que le permite atal fluido resistirse al libre flujo. Ejemplos de sustancias altamenteviscosas son la miel, el glicerol y el aceite de oliva. Pero en contraste,el agua tiene una viscosidad muy baja; más baja que la de casi todoslos demás fluidos. Como regla, sólo los gases (como el hidrógeno)tienen viscosidades significativamente menores que el agua.



9) Transparencia. Un material es transparentecuando deja pasar fácilmente la luz. Latransparencia es una propiedad óptica de la materia,que tiene diversos grados y propiedades. Se dice, encambio, que un material es translúcido cuandodeja pasar la luz de manera que las formas se hacenirreconocibles (no se observan nítidamente losobjetos), y que es opaco cuando no deja pasarapreciablemente la luz.

Memoria de agua: ¿Otra propiedad del agua?-TdC


� La memoria del agua es una supuesta propiedad del agua, nodemostrada, propuesta por el inmunólogo JacquesBenvesniste como hipótesis para explicar las propiedadescurativas que atribuye la homeopatía a sus preparados.

� Masaru Emoto, japonés diplomado y licenciado en medicinaalternativa en 1.994 empezó a interesarse por la estructuramolecular del agua, recogió muestras y después desometerlas a diferentes estímulos, congeló unas pocas gotas,las examinó bajo un microscopio de campo oscuro y lasfotografió.

� Las afirmaciones acerca de la “memoria del agua” han sido calificadas depseudocientíficas.

� ¿Según qué criterios se puede juzgar pseudocientífica unaafirmación?

Funciones biológicas del agua


1) Lugar donde transcurren la mayoría de las reaccionesmetabólicas. Se debe a su poder disolvente, ya que el requisitoindispensable para que dos sustancias reaccionen es que se encuentren en elmismo medio e interaccionen. El citoplasma celular es acuoso. Todas lasreacciones metabólicas ocurren en disolución, donde los reactivos estándisueltos.

Las membranas y superficies biológicas están húmedas, permitiendo a lasmoléculas disolverse, incluido los gases, facilitando que difundan másfácilmente.

El oxígeno se disuelvesobre la membrana delos alvéolos, pudiendodifundir a la sangre.



2) Entrada de nutrientes y salida de desechos. Se debe también a supoder disolvente, ya que dichos procesos se realizan a través de sistemasde transporte acuosos en los que se disuelven previamente estassustancias. Ejemplos son el sistema circulatorio en animales o el sistemavascular de floema y xilema en plantas.



3) Ascensión de la savia bruta y turgencia en las plantas. Estasfunciones se deben a las propiedades de cohesión y adhesión. La subida dela savia bruta desde las raíces hasta las hojas se debe, en parte, a lacapilaridad y a la cohesión. La cohesión entre sus moléculas, que la haceincompresible, permite la turgencia de las plantas.



4) Amortiguador de la temperatura. Debido a su elevado calorespecífico permite que el citoplasma acuoso sirva de protección a lassensibles moléculas orgánicas ante los cambios bruscos de temperatura.Actúa como un amortiguador térmico que mantiene la temperatura delorganismo relativamente constante, a pesar de las variaciones externas.



5) Sistema de refrigeración. Debido a su elevado calor de vaporización.Cuando se evapora el agua, consume mucha energía del entorno,disminuyendo su Tª.

Los vertebrados disipan calor por sudoración.

Las plantas adaptadas a ambientes calurosos segregan y almacenanexternamente esencias volátiles cuya evaporación provoca un descenso dela temperatura del entorno.

Muchos animales de climas cálidos utilizanel agua o el barro para refrescarse.



6) Movimientos citoplásmicos y deformaciones celulares. Debido a suelevada tensión superficial.



7) Lubricante y medio de soporte. Debido a su baja viscosidad. Y es quesi la viscosidad del agua fuera mucho menor, muchas delicadas estructuraspodrían ser dañadas, como las articulaciones, y otras microscópicas, nopodrían sobrevivir.

Por otro lado, si fuera mucho mayor, los peces y los microorganismos, nopodrían nadar o desplazarse en el agua; la división celular sería imposible,y todas las funciones vitales de los seres vivos, se inmovilizarían.



8) Posibilita la vida en los medios acuáticos. Sobre todo esdeterminante para las algas, que requieren de la energía solar para llevar acabo su fotosíntesis, y que constituyen los productores del medio acuático,determinando la existencia de peces así como microorganismos. Por eso unhábitat de agua turbia tendrá un ecosistema totalmente distinto al de unhábitat de aguas transparentes.



9) Participación directa en numerosas reacciones metabólicas. Elagua no sólo tiene un papel indirecto en el metabolismo, como agentedisolvente, sino que interviene en numerosas reacciones importantes.

Animación2

- Condensación e hidrólisis: Lasprincipales biomoléculas se forman porla unión de sus monómerosconstituyentes, generándose en cadaunión una molécula de agua (reacciónde condensación).

Las reacciones inversas, catalizadaspor enzimas digestivos, constituyen laroturas de las macromoléculas en susmonómeros constituyentes, por lacapacidad del agua de romper esosenlaces (reacción de hidrólisis).



9) Participación directa en numerosas reacciones metabólicas.

- Fotosíntesis y respiración: En la fotosíntesis, los enzimas utilizan elagua como fuente de átomos de H (protones y electrones) para reducir elCO2, los nitratos, etc.

En la respiración, al final de la cadenarespiratoria, el oxígeno se reduce al aceptarlos H (protones y electrones) y d¡se formaagua.

Propiedades y funciones biológicas del agua


Propiedad físico-química Función biológica

Acción disolvente Reacciones metabólicas y medio de transporte

Elevada cohesión y fuerza de adhesión Ascensión del agua en plantas

Elevado calor específico Amortiguador térmico

Elevado calor de vaporización Refrigerante

Menor densidad del hielo Posibilita la vida en temperaturas

Elevada tensión superficial Movimiento celular

Baja viscosidad Lubricación y vida en medios acuáticos

Alta transparencia Fotosíntesis en ecosistemas acuáticos

Otras Condensación e hidrólisis, donador y aceptor de e-

Ionización del agua y escala de pHBE


� Algunas moléculas de agua sufren un proceso de ionización,consitente en la separación de un ión hidrógeno (H+) al disociarse desu átomo de oxígeno, al que se encuentra unido covalentemente, ypasa a unirse con el átomo de oxígeno de otra molécula de aguavecina, a la que estaba unido mediante un enlace de hidrógeno. Seforma por tanrto un ión hidronio (H3O

+) y otro inón hidróxido (OH-).

� Esta es la causa de que el agua no sea un líquido químicamente puro,ya que aunque la mayor parte de las moléculas de agua no estándisociadas, se trata de una disolución iónica en la que siempre existenalgunos iones H3O

+ y OH-.


Ionización del agua y escala de pHBE

� Sólo un reducido número de moléculas sufre disociación. En el agua pura, a25º C, se cumple que sólo una molécula de cada 10·106 está disociada, por loque la [H+]=[OH-]=10-7 M.

� Esto significa que es químicamente neutra. Sin embargo, cuando se disuelveun ácido en agua, la concentración de H+ aumenta y si se disuelve una base,disminuye.

� La escala de pH indica la concentración de H+ y se define como:

pH = log10 1/[H+]= -log10 [H

+]

� Por tanto, el pH del aguapura es igual a log 1/10-7 =7. Los valores de pH varíanentre 0 y 14. Al ser la escalalogarítmica, si varía el pH enuna unidad, significa que laconcentración de H+ aumenta10 veces.

Animación3


Sistema tampón o bufferBE

� Los seres vivos no soportan variaciones de pH mayores de unas décimas,por lo que han desarrollado a lo largo de la evolución sistemas tampón obuffer, que mantienen el pH constante mediante mecanismoshomeostáticos.

� Las variaciones de pH afectan de manera especial a las proteínas, y portanto a la actividad catalítica de las enzimas.

� Los sistemas tampónconsisten en un parácido-base conjugadoque actúa como dador yaceptor de protonessegún los casos.

El tampón fosfato (H3PO4 yPO4

3-) en el interiorcelular, y el carbonato(H2CO3 y HCO3

-) en elexterior son de los másimportantes.

Web sobre amortguadores de pH


Ósmosis y presión osmóticaBE

� Si tenemos dos disoluciones acuosas de distinta concentración separadaspor una membrana semipermeable, se define ósmosis como un tipo dedifusión pasiva caracterizada por el paso de agua (disolvente) a travésde la membrana desde la disolución más diluida a la más concentradahasta que se iguale la concentración a ambos lados de la membrana.

� Se entiende porpresión osmóticala presión que seríanecesaria ejercerpara detener elpaso de agua através de dichamembrana.

Animación4



� La membrana plasmática es semipermeable, por lo que las célulasdeben permanecer en equilibrio osmótico con su medio externo.

Animación5



� Todos los seres vivos están obligados a regular la presión osmótica,habiendo desarrollado diferentes estrategias evolutivas.


Disoluciones acuosas de sales mineralesBE

� Además del agua, hay en los seres vivos otras biomoléculas inorgánicas: lassales minerales. Pueden aparecer en los seres vivos en forma sólida, enestado iónico o formando parte de moléculas orgánicas

� Las sales mineralessólidas o insolublesen agua, seencuentran cristalizadas(no ionizadas) yrealizan una funciónplástica en los seresvivos, pues formanestructuras sólidas quesuelen cumplirfunciones de sostén yprotección.



� Las sales minerales en estado iónico o solubles en agua se encuentrandisociadas en sus iones correspondientes, que son los responsables de susfunciones biológicas.

� Destacan las siguientes funciones:



� Entre las sales minerales que forman parte de moléculas orgánicas, seencuentra el ión fosfato en los fosfolípidos y los nucleótidos.

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