BIOQUÍMICA: COMPUESTOS INORGÁNICOS
BIOELEMENTOS
Los elementos de la vida
Todos los
seres vivos están constituidos, cualitativa y cuantitativamente por los mismos
elementos químicos. De todos los elementos que se hallan en la corteza
terrestre, sólo unos 25 son componentes de los seres vivos . Esto confirma la
idea de que la vida se ha desarrollado sobre unos elementos concretos que
poseen unas propiedades físico-químicas idóneas acordes con los procesos
químicos que se desarrollan en los seres vivos.
Se denominan elementos biogénicos o
bioelementos a aquellos elementos químicos que forman parte de los
seres vivos. Atendiendo a su abundancia (no importancia) se pueden
agrupar en tres categorías:
o
Bioelementos primarios o principales: C, H, O, N
Son los
elementos mayoritarios de la materia viva, constituyen el 95% de la masa total.
Las propiedades físico-químicas que los hacen idóneos son las siguientes:
Las propiedades físico-químicas que los hacen idóneos son las siguientes:
1. Forman entre ellos enlaces covalentes, compartiendo electrones
2. El carbono, nitrógeno y oxígeno, pueden compartir más de un par de
electrones, formando enlaces dobles y triples, lo cual les dota de una gran
versatilidad para el enlace químico
3. Son los elementos más ligeros con capacidad de formar enlace covalente,
por lo que dichos enlaces son muy estables.
4.
A causa de la configuración tetraédrica de los enlaces del carbono, los
diferentes tipos de moléculas orgánicas tienen estructuras tridimensionales
diferentes . Esta conformación espacial es responsable de la actividad
biológica.
5. Las combinaciones del carbono con otros elementos, como el oxígeno,
elhidrógeno, el nitrógeno, etc. permiten la aparición de una gran variedad de grupos
funcionales 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 cración de nuevas moléculas orgánicas por reacción entre los diferentes
grupos.
6. Los enlaces entre los átomos de carbono pueden ser simples (C - C),
dobles (C = C) o triples, lo que permite que puedan formarse cadenas más o
menos largas, lineales, ramificadas y anillos.
EL AGUA
El agua, una molécula simple y extraña, puede ser
considerada como el líquido de la vida. Es la sustancia más abundante
en la biosfera, dónde la encontramos en sus tres estados y es
además el componente mayoritario de los seres vivos, pues entre el 65 y el 95%
del peso de de la mayor parte de las formas vivas es agua.
El agua fue además el soporte donde surgió la vida.
Molécula con un extraño comportamiento que la convierten en una sustancia
diferente a la mayoría de los líquidos, posee una manifiesta habilidad para
reaccionar y posee unas extraordinarias propiedades físicas y químicas que
van a ser responsables de su
importancia biológica.
importancia biológica.
Durante la evolución de la vida, los organismos se han adaptado al
ambiente acuoso y han desarrollado sistemas que les permiten aprovechar las
inusitadas propiedades del agua.
ESTRUCTURA
DEL 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 tetraédrica de los
orbitales sp3 del oxígeno determina un ángulo entre los enlaces
H-O-H
aproximadamente
de 104'5:, además el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y
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, 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
Así se
establecen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de
agua, formándose enlaces o puentes de hidrógeno, la carga parcial
negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción electrstática sobre las
cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas
adyacentes.
Aunque son uniones débiles, el hecho de que alrededor
de cada molécula de agua se dispongan otras cuatro molécula 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.
Propiedades del agua
1. Acción disolvente
El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por eso decimos que
es el disolvente universal. Esta propiedad, tal vez la más
importante para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de
hidrógeno con otras sustancias que pueden presentar grupos polares o
con carga iónica ( alcoholes, azúcares con grupos R-OH , aminoácidos y
proteínas con grupos que presentan cargas + y - , lo que da lugar
a disoluciones moleculares Fig.7. También las moléculas de
agua pueden disolver a sustancias salinas que se disocian formando disoluciones
iónicas.(Fig.6)
En el caso de las disoluciones iónicas (fig.6) los
iones de las sales son atraídos por los dipolos del agua, quedando
"atrapados" y recubiertos de moléculas de agua en forma de iones
hidratados o solvatados.
La capacidad disolvente es la responsable de
dos funciones
:
1. Medio donde ocurren las reacciones del metabolismo
2. Sistemas de transporte
2. Elevada fuerza de cohesión
Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente
unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incomprensible.
Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto
hidrostático, como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de
agujerear la roca mediante la presión generada por sus líquidos internos.
3. 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. Cuando se introduce un capilar
(Fig.8) en un recipiente con agua, ésta asciende por el capilar como si
trepase agarrándose por las paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del
recipiente.
|
Donde la
presión que ejerce la columna de agua , se equilibra con la presión capilar.
A este fenómeno se debe en parte la ascensión de la savia bruta desde
las raíces hasta las hojas, a través de los vasos leñosos.
3. Gran calor específico
También
esta propiedad está en relación con los puentes de hidrógeno que se forman
entre las moléculas de agua. El agua puede absorber grandes cantidades de
"calor" que utiliza para romper los p.de h. por lo que la temperatura
se eleva muy lentamente. Esto permite que el citoplasma acuoso
sirva de protección ante los cambios de temperatura. Así se mantiene la temperatura
constante .
4. Elevado calor de vaporización
Sirve el
mismo razonamiento, también los p.de h. son los responsables de esta propiedad.
Para evaporar el agua , primero hay que romper los puentes y posteriormente
dotar a las moléculas de agua de la suficiente energía cinética para pasar de
la fase líquida a la gaseosa.
Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 calorías, a una temperatura de 20: C.
Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 calorías, a una temperatura de 20: C.
FUNCIONES
DEL AGUA
Las funciones del agua se relacionan íntimamente
con las propiedades
anteriormente descritas. Se podrían resumir en los siguientes puntos
- Soporte o medio donde ocurren las reacciones metabólicas
- Amortiguador térmico
- Transporte de sustancias
- Lubricante, amortiguadora del roce entre órganos
- Favorece la circulación y turgencia
- Da flexibilidad y elasticidad a
los tejidos
- Puede intervenir como reactivo en
reacciones del metabolismo, aportando hidrogeniones
o hidroxilos al medio.
Ionización
del agua
Disociación del agua
El agua pura tiene la capacidad de disociarse en
iones, por lo que en realidad se puede considerar una mezcla de :
·
agua molecular
(H2O )
·
protones
hidratados (H3O+ ) e
·
iones hidroxilo
(OH-)
En realidad esta disociación es muy débil en el
agua pura, y así el producto iónico del agua a 25: es dehesaza
Este producto iónico es constante. Como en el agua pura
la concentración de hidrogeniones y de hidroxilos es la misma, significa que la
concentración de hidrogeniones es de 1 x 10 -7. Para simplificar los
cálculos Sorensen ideó expresar dichas concentraciones utilizando
logaritmos, y así definió el pH como el logaritmo cambiado de signo
de la concentración de hidrogeniones. Según ésto:
·
disolución
neutra pH = 7
·
disolución ácida
pH < 7
·
disolución
básica pH > 7
En la figura
10 se señala el pH de algunas soluciones. En general hay que decir que la
vida se desarrolla a valores de pH próximos a la neutralidad.
Los organismos vivos no soportan variaciones del pH
mayores de unas décimas de unidad y por eso han desarrollado a lo largo de la
evolución sistemas de tampón o buffer, que mantienen el pH
constante mediante mecanismos homeostáticos. Los sistemas tampón
consisten en un par ácido-base conjugada que actúan como dador y aceptor
de protones respectivamente.
El tampón bicarbonato es común en los líquidos intercelulares, mantiene el pH en valores próximos a 7,4, gracias al equilibrio entre el ión bicarbonato y el ácido carbónico, que a su vez se disocia en dióxido de carbono y agua:
Si aumenta la concentración de hidrogeniones en el medio por cualquier proceso químico, el equilibrio se desplaza a la derecha y se elimina al exterior el exceso de CO2 producido. Si por el contrario disminuye la concentración de hidrogeniones del medio, el equilibrio se desplaza a la izquierda, para lo cual se toma CO2 del medio exterior.
ÓSMOSIS
1. Ósmosis y presión osmótica
Si
tenemos dos disoluciones acuosas de distinta concentración separadas por una
membrana semipermeable (deja pasar el disolvente pero no
el soluto ), se pruduce el fenómeno de la ósmosis
que sería un tipo de difusión
pasiva caracterizada por el paso del agua ( disolvente ) a través de la
membrana semipermeable desde la solución más diluida (
hipotónica ) a la más concentrada (hipertónica ), este trasiego
continuará hasta que las dos soluciones tengan la misma concentración ( isotónicas o isoosmóticas ).
Y se
entiende por presión osmótica la presión que sería necesaria para
detener el flujo de agua a través de la membrana semipermeable.
La membrana
plasmática de la célula puede considerarse como semipermeable,
y por ello las células deben permanecer en equilibrio osmótico con los
líquidos que las bañan.
Cuando las concentraciones de los fluidos
extracelulares e intracelulares es igual, ambas disoluciones son isotónicas.
Si los líquidos extracelulares aumentan su
concentración de solutos se hacer hipertónicos respecto a la
célula, y ésta pierde agua, se deshidrata y mueren (plamólisis).
Y si por el contrario los medios
extracelulares se diluyen, se hacen hipotónicos respecto a la
célula, el agua tiende a entrar y las células se hinchan, se vuelven turgentes
( turgescencia ), llegando incluso a estallar. (Figura 12).
2. La difusión y la diálisis
Los
líquidos presentes en los organismos son dispersiones de diversas
sustancias en el seno del agua. Según el tamaño de las partículas se formarán dispersiones
moleculares o disoluciones verdaderas como ocurre con las que se forman con
las sales minerales o por sustancias orgánicas de moléculas pequeñas, como los
azúcares o aminoácidos.
|
Así se realizan los intercambios de gases y de
algunos nutrientes entre la célula y el medio en el que vive.
|
Las partículas
dispersas pueden provocar además del movimiento de ósmosis , estos
otros dos:
La
diálisis. En este
caso pueden atravesar la membrana además del disolvente, moléculas de bajo
peso molecular y éstas pasan atravesando la membrana desde la solución más
concentrada a la más diluida.. Es el fundamento de la hemodiálisis que intenta sustituir la
filtración renal deteriorada.
La difusión sería el fenómeno por el cual las moléculas disueltas tienden a distribuirse uniformemente en el seno del agua. Puede ocurrir también a través de una membrana si es lo suficientemente permeable |
Además del agua existe otras biomoléculas
inorgánicas como las sales minerales. En función de su solubilidad en
agua se distinguen dos tipos: insolubles y solubles en agua.
- Sales insolubles en agua.
Forman
estructuras sólidas, que suelen tener función de sostén o protectora, como:
- Esqueleto interno de vertebrados, en el que encontramos : fosfatos,
cloruros, y carbonatos de calcio
- Caparazones de carbonato cálcico de crustáceos y moluscos.
- Endurecimiento de células vegetales, como en gramíneas (impregnación con
sílice).
- Otolitos del oído interno,formados por cristales de carbonato cálcico
(equilibrio).
- Sales solubles en agua.
Se
encuentran disociadas en sus iones (cationes y aniones ) que son los
responsables de su actividad biológica. Desempeñan las siguientes funciones:
- Funciones catalíticas. Algunos iones, como el Cu+, Mn2+, Mg2+,
Zn+,...actúan como cofactores enzimáticos
- Funciones osmóticas. Intervienen en los procesos relacionados con la distribución
de agua entre el interior celular y el medio donde vive esa
célula. Los iones de Na, K, Cl y Ca, participan en la generación de
gradientes electroquímicos, imprescindibles en el mantenimiento del potencial
de membrana y del potencial de acción y en la sinapsis
neuronal.
- Función tamponadora. Se lleva a cabo por los sistemas carbonato-bicarbonato,
y también por el monofosfato-bifosfato.
Aquí van los anuncios
Comentarios