BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS UNIDAD 3 BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS
BIOELEMENTOS
ELEMENTOS QUÍMICOS De los aproximadamente 100 elementos químicos que existen en la naturaleza, unos 70 se encuentran en los seres vivos. De estos sólo unos 22 se encuentran en todos en cierta abundancia y cumplen una cierta función.
ELEMENTOS QUÍMICOS http://2.bp.blogspot.com/-XSWHWCRZFHI/TWE8yqQcr1I/AAAAAAAAAD8/MTRmm9q5Ahw/s1600/Imagen1.jpg
BIOELEMENTOS Elementos químicos que forman parte de la materia viva Los bioelementos se agrupan para formar biomoléculas
BIOELEMENTOS http://3.bp.blogspot.com/_Kie8hzVlQB0/S9uSfMdJK2I/AAAAAAAAABg/kjL8igvB6aY/s1600/composicion_quimica-copy.png 6
BIOELEMENTOS http://perso.wanadoo.es/catalogoaranas/2bch/bioelementos.html
BIOELEMENTOS Representan en su conjunto el 99% del total. PRIMARIOS Representan en su conjunto el 99% del total. Son indispensables para formar las biomoléculas orgánicas o principios inmediatos (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos), es decir las moléculas que forman parte de los seres vivos. Son: C, H, O, N, P y S.
BIOELEMENTOS Representan en su conjunto el 0,9% del total. SECUNDARIOS Representan en su conjunto el 0,9% del total. Aunque se encuentran en menor proporción que los primarios, son también imprescindibles para los seres vivos. En medio acuoso se encuentran siempre ionizados. Na+ , K+ , Ca2+ , Mg2+ , Cl-.
BIOELEMENTOS Son aquellos bioelementos que se OLIGOELEMENTOS Son aquellos bioelementos que se encuentran en los seres vivos en un porcentaje menor del 0.1%. Se clasifican en: Indispensables: se encuentran en todos los seres vivos Mn, Fe, Co, Cu, Zn Variables: solamente los necesitan algunos organismos. B, Al, V, Mo, I, Si
BIOELEMENTOS 11
BIOELEMENTOS http://3.bp.blogspot.com/-sWm46EM3O_c/TWE-mNKphJI/AAAAAAAAAEE/un6ee9HoEYo/s1600/Imagen3.jpg 12
BIOELEMENTOS PRIMARIOS – FUNCIONES http://3.bp.blogspot.com/_Mkzo04RaBuE/THldJLMD5nI/AAAAAAAAAFU/yj86PslymiE/s400/coenzimaA.jpg http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectf03am/ATP02a.jpg
BIOELEMENTOS SECUNDARIOS – FUNCIONES http://3.bp.blogspot.com/_E_tDRLfaNoQ/TOl7dyMcYBI/AAAAAAAAACc/ro2If2ubAlQ/s1600/TACTIVO.pngh http://4.bp.blogspot.com/_n6PiOglRaoE/TJIUsAjLiDI/AAAAAAAAA9E/uyhonkHIzUY/s320/Esqueleto_calcio_huesos.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/33/Chlorophyll_a_structure.svg/620px-Chlorophyll_a_structure.svg.png
BIOELEMENTOS OLIGOELEMENTOS ESENCIALES – FUNCIONES Mn Fe Co Cu Zn Forma parte de enzimas del metabolismo de proteínas, factor de crecimiento y participa en procesos fotosintéticos Fe Necesario en la hemoglobina (transporte de oxígeno) y en citocromos (enzimas de la respiración celular) Co Necesario para la síntesis de vitamina B12 o cobalamina (formación de sangre) y enzimas necesarias para fijación de nitrógeno Cu Forma la hemocianina, la molécula de transporte de oxígeno en invertebrados (crustáceos, arácnidos y moluscos) Zn Abundante en el cerebro, en los órganos sexuales y en páncreas. Forma parte de la insulina http://1.bp.blogspot.com/_4F6vT36NhLs/S5QC5w8LPZI/AAAAAAAAAB4/ZqPl7UPSYtg/s400/fotosintesis2.jpg http://biomodel.uah.es/model3j/hemo.gif http://www.mipediatra.com/imagenes/molusco2-tra.gif http://www.iqb.es/d_mellitus/paciente/manual1/manual03.gif http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish/ency/images/ency/fullsize/19517.jpg
BLOQUE I ORIENTACIONES - 1 Defina qué es un bioelemento. Cite cinco ejemplos e indique la importancia biológica de cada uno de ellos. Los biolelementos o elementos biogénicos son elementos químicos que siempre están presentes en la materia viva, es decir, forman parte de los seres vivos. Se han identificado algo más de 70 bioelementos, casi todos ellos estables, excepto los gases nobles. En relación a los bioelementos, lo más importante no es el tipo de elementos presentes en la materia viva, sino la proporción en que se encuentra cada uno de ellos. Todos ellos son importantes para el buen funcionamiento de los seres vivos. Los cuatro bioelementos mayoritarios son el carbono, el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno, siempre se encuentran presentes en los seres vivos constituyendo el 95 % en peso de la materia orgánica. Son, por tanto, los componentes esenciales con los que se construye la materia viva formando las biomoléculas o principios inmediatos, siendo los principales los glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. Los bioelementos secundarios son Na, K, Cl, Mg y Ca. Forman iones que participan en el equilibrio de cargas del medio interno. Son fundamentales en la transmisión de impulsos nerviosos. El calcio forma esqueletos y estructuras internas de los seres vivos y el magnesio participa en multitud de reacciones químicas como catalizador. El hierro y el magnesio son oligolementos esenciales y llevan a cabo funciones muy importantes en los seres vivos. El Fe forma parte de la hemoglobina, que es el pigmento respiratorio que transporte el oxígeno desde los alvéolos pulmonares hasta los distintos tejidos, donde es imprescindible para la respiración celular. El Cu forma parte de la clorofila, que es el pigmento fotosintético capaz de absorber la energía luminosa necesaria para transformar la materia inorgánica en orgánica.
BIOELEMENTOS PRIMARIOS
BIOELEMENTOS S P PRIMARIOS – PROPIEDADES H, C, N, O, P y S poseen capas electrónicas incompletas. Forman enlaces covalentes. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 1 4 5 6 S P
BIOELEMENTOS PRIMARIOS – PROPIEDADES 1H, 6C, 7N, 8O, 15P y 16S poseen número atómico bajo y los compuestos formados son estables. N y O son electronegativos y forman moléculas polares solubles en agua (medio de reacciones bioquímicas). Se incorporan fácilmente a los seres vivos a partir de moléculas sencillas presentes en el medio externo (CO2, H2O, KNO3, K2PO3,Na2SO4).
BIOELEMENTOS PRIMARIOS – PROPIEDADES CARBONO (CAPÍTULO APARTE) HIDRÓGENO: forma junto al carbono los hidrocarburos de gran importancia. Forma enlaces covalentes con cualquiera de los otros bioelementos primarios. OXÍGENO: forma junto a carbono e hidrógeno los distintos grupos funcionales (ver más adelante). Es fundamental en la respiración aeróbica, donde se emplea para sustituir átomos de hidrógeno liberando energía.
BIOELEMENTOS PRIMARIOS – PROPIEDADES NITRÓGENO: forma parte de los grupos amino de aminoácidos (proteínas) y de bases nitrogenadas (ácidos nucleicos). Se incorpora a la mayoría de seres vivos en forma de ión nitrato (NO3). AZUFRE: forma parte de determinados aminoácidos formando puentes disulfuro en la estructura de proteínas. FÓSFORO: forma los grupos fosfato de moléculas con funciones energéticas: AMP, ADP, ATP También es constituyente de ácidos nucleicos (ADN y ARN), fosfolípidos de membranas y fosfatos en huesos
CARBONO
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BLOQUE I ORIENTACIONES - 2 Destacar las propiedades físico-químicas del carbono El átomo de carbono es un elemento químico perteneciente al periodo 2, por lo que su configuración electrónica alcanza hasta el segundo nivel (1s2 2s2 2p2). De los seis electrones de su corteza electrónica, cuatro pertenecen a la capa más externa. De esta manera, el carbono pertenece al grupo 14 del sistema periódico, donde todos los elementos del grupo poseen cuatro electrones en su última capa. A todos estos elementos les faltan otros cuatro electrones para alcanzar la estructura electrónica más estable de los gases nobles (regla del octeto). Así pues, el átomo de carbono tiene la capacidad de formar hasta cuatro enlaces covalentes, dado que puede aceptar hasta cuatro electrones en su estructura electrónica para alcanzar la configuración estable del neón (1s2 2s2 2p6). En los compuestos orgánicos el átomo de carbono siempre es tetravalente (se comporta con valencia +4).
BLOQUE I ORIENTACIONES - 2’ El porqué del carbono. La vida en la Tierra está basada en el carbono, hasta tal punto que no conocemos ningún compuesto relacionado con la vida en el que no esté presente (la única excepción podría ser el agua). El carbono presenta unas propiedades químicas muy interesantes, que explican su posición de privilegio: · En primer lugar, el carbono tiene valencia 4. La valencia es el número de uniones que es capaz de formar un átomo con cualquier otro, y el carbono puede hacerlo con otros cuatro, uno de los valores más altos posibles en la química (al menos para átomos pequeños). · En segundo lugar, el carbono es capaz de unirse a sí mismo para formar largas cadenas, o incluso redes tridimensionales, y se trata de uniones muy fuertes; el caso más extremo lo tenemos cuando cada átomo de carbono se une a otros cuatro, constituyendo así una estructura formada sólo por carbono: esa estructura es el diamante, la sustancia más dura conocida. Sin llegar a tales extremos, es evidente que la unión de 2 ó 3 átomos de carbono será muy fuerte. Además, a esas cadenas o redes de carbono pueden unirse otros átomo, especialmente los otros antes mencionados, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Se forman así muchísimos compuestos enormemente complejos, justamente el tipo de complejidad que hace posible la vida.
BLOQUE I ORIENTACIONES - 2’ ¿Puede haber vida basada en el silicio? Es difícil. Empezando porque el silicio no forma cadenas ni redes consigo mismo. Es un átomo demasiado grande para poder formar ese tipo de estructuras. Lo más parecido son las estructuras con oxígeno como unión entre dos átomos de silicio; se forman así cadenas y redes tridimensionales de gran tamaño, pero el resultado es casi siempre una roca. Estos compuestos de silicio y oxígeno (es decir de sílice) carecen de las complejidades de los compuestos de los seres vivos, son demasiado simples; además, son todos sólidos insolubles, que sólo reaccionan estando fundidos a temperaturas del orden de 1.000ºC (temperaturas típicas de la lava fundida, pero no de los seres vivos). Sólo existen unos compuestos de silicio que tienen algunas propiedades conocidas en los compuestos de los seres vivos; son las siliconas, compuestos de silicio, carbono, oxígeno e hidrógeno. Podrían existir siliconas en algún ser vivo, pero si nos fijamos bien, ya se nos coló el carbono por el camino... De todos modos, todos los compuestos de silicona conocidos son artificiales, no se conoce ninguno en un ser vivo.
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BIOMOLÉCULAS
BIOMOLÉCULAS Están formadas por elementos biogénicos o biomoléculas Reciben el nombre de principios inmediatos ya que pueden obtenerse fácilmente mediante técnicas sencillas (filtraciones, disoluciones, ultracentrifugaciones, precipitación química, etc.)
SERES VIVOS BIOMOLÉCULAS http://perso.wanadoo.es/catalogoaranas/2bch/bioelementos.html
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EL AGUA
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EL AGUA ESPECIE: los organismos acuáticos contienen un FACTORES QUE DETERMINAN LA CANTIDAD DE AGUA ESPECIE: los organismos acuáticos contienen un porcentaje muy elevado de agua (99% en algunos casos). Las especies de medios terrestres áridos tienen los contenidos más bajos. El ser humano tiene un 63%. EDAD: la cantidad de agua disminuye con la edad, de esta manera los tejidos jóvenes tienen mayor cantidad de agua que los viejos (endurecidos). TIPO DE TEJIDO: los tejidos con mayor actividad metabólica tienen más agua que los de sostén (rígidos)
EL AGUA CONTENIDOS EN AGUA http://gsdl.bvs.sld.cu/greenstone/collect/enfermeria/index/assoc/HASH9d4a.dir/tabla0303.png
EL AGUA ESTRUCTURA QUÍMICA
EL AGUA ESTRUCTURA QUÍMICA El agua a temperatura ambiente es líquida, al contrario de lo que cabría esperar si se considera que otras moléculas de similar peso molecular, como el CO2 , son gases. La razón está en 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, ya que los dos electrones de los dos hidrógenos están desplazados hacia el oxígeno, convirtiéndose en una molécula dipolar: 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.
EL AGUA ESTRUCTURA QUÍMICA
EL AGUA ESTRUCTURA QUÍMICA Así se establecen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua, formándose enlaces o puentes de hidrógeno formando grupos de 3, 4 y hasta 9 moléculas: la carga parcial negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas cercanas.
EL AGUA ESTRUCTURA QUÍMICA PUENTE DE HIDRÓGENO Gracias a los puentes de hidrógeno el agua es líquida a temperaturas a las que otras sustancias son gaseosas
EL AGUA ESTRUCTURA QUÍMICA
EL AGUA ESTRUCTURA QUÍMICA
EL AGUA ESTRUCTURA QUÍMICA Los enlaces por puentes de Hidrógeno son mucho más débiles que los enlaces covalentes. Los puentes de hidrógeno tienen una duración media de 10-11 segundos. Los puentes de hidrógeno se rompen y se forman nuevamente de manera constante, lo que mantiene las interacciones y permite que las moléculas de agua se unan con fuerza considerable. Los puentes de hidrógeno confieren una gran fuerza de cohesión interna al agua líquida.
EL AGUA ESTRUCTURA QUÍMICA
EL AGUA PROPIEDADES
EL AGUA CARACTERÍSTICAS
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EL AGUA CARACTERÍSTICAS
EL AGUA CARACTERÍSTICAS
EL AGUA CARACTERÍSTICAS
EL AGUA FUNCIONES
EL AGUA FUNCIONES El agua, gracias a sus particulares características, realiza una serie de funciones imprescindibles para la vida. Son: Disolvente: la molécula de agua, por solvatación o hidratación iónica, facilita la disolución de sales en cationes y aniones. Por ello es el medio donde se realizan todas las reacciones químicas. Reactivo: el agua interviene en muchas reacciones químicas como por ejemplo la hidrólisis. Transportadora: el agua es el medio de transporte desde el exterior al interior de los organismos y en el propio organismo, así como en la ascensión de la savia bruta en las plantas. Estructural: las células que no poseen una pared rígida mantienen su forma y volumen gracias a la presión que ejerce el agua. Amortiguador mecánico: por ejemplo la presencia de agua en las articulaciones de vertebrados evita el rozamiento de los huesos. Termoreguladora: funciona como un amortiguador térmico debido a su alto calor específico y de vaporización.
EL AGUA PROPIEDADES
EL AGUA Elevada fuerza de cohesión. PROPIEDADES 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 incompresible. 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. También explica el hecho de que su superficie ofrezca mucha resistencia a romperse permitiendo a muchos organismos vivir asociados a esa película superficial.
EL AGUA Elevada fuerza de adhesión. PROPIEDADES Elevada fuerza de adhesión. El agua tiene la capacidad de ascender por las paredes de un capilar debido a la adhesión de las moléculas de agua a las paredes del conducto y a la cohesión de las moléculas de agua entre sí. A este fenómeno se debe la ascensión de la savia bruta desde las raíces hasta las hojas, a través de los vasos leñosos.
EL AGUA Gran calor específico. PROPIEDADES Gran calor específico. Todas las sustancias para elevar su temperatura necesitan un aporte de calor. El calor específico es la cantidad de calor que hay que suministrar a 1 gramo de agua para que su temperatura se eleve 1º C. En el caso del agua es una caloría y es un valor relativamente alto. Esto permite que el agua pueda absorber grandes cantidades de "calor" que utiliza para romper los puentes de hidrógeno por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. Así se convierte en un magnífico estabilizador térmico del organismo frente a cambios bruscos de temperatura en el ambiente.
EL AGUA Elevado calor de vaporización. PROPIEDADES Elevado calor de vaporización. Los puentes de hidrógeno 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.
EL AGUA Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido PROPIEDADES Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido Esto explica que el hielo flote en el agua formando una capa termoaislante permitiendo la vida bajo ella.
EL AGUA PROPIEDADES El agua es el único líquido que al disminuir su temperatura y congelarse disminuye su densidad, por lo que el hielo flotará sobre el agua líquida. El agua alcanza su máxima densidad a 4º C. La importancia biológica de este hecho es que cuando las masas de agua se congelan lo hacen de arriba hacia abajo ya que el hielo tiene menor densidad que el agua líquida. La capa de hielo actúa como aislante térmico y puede ser que la masa de agua no termine de congelarse, permitiendo la supervivencia de los organismos acuáticos. http://www.textoscientificos.com/imagenes/fisica/dilatacion-21.gif
EL AGUA Elevada constante dieléctrica. PROPIEDADES Gracias a esta propiedad el agua tiene una gran capacidad disolvente. El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por eso decimos que es el disolvente universal. Por tener moléculas polares, disuelve compuestos iónicos (sales) y covalentes polares (glúcidos). El proceso se debe a que las moléculas polares del agua se disponen alrededor de las moléculas polares del soluto, llegando a romperlos en aniones y cationes en el caso de compuestos iónicos. Este fenómeno se llama solvatación iónica. La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones: medio donde ocurren las reacciones del metabolismo y ser el sistema de transporte.
EL AGUA Elevada constante dieléctrica. PROPIEDADES Solvatación iónica de redes cristalinas http://www.geocities.ws/batxillerat_biologia/biomol5.jpg
EL AGUA PROPIEDADES
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EL AGUA Bajo grado de ionización. PROPIEDADES Bajo grado de ionización. 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-). Sin embargo sólo 1 de 551.000.000 moléculas de agua se encuentra ionizada. Por ello la concentración de iones hidronio (H3O+ ) e hidroxilo (OH-) es muy baja (10-7 moles por litro). Por ello si le añadimos un ácido (añadimos H3O+) o una base (añadimos OH-) estos valores varían bruscamente.
EL AGUA PROPIEDADES
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LAS SALES MINERALES
SALES MINERALES Las sales minerales son moléculas inorgánicas de fácil ionización en presencia de agua y que en los seres vivos aparecen tanto precipitadas, como disueltas, como asociadas. Las sales minerales disueltas en agua siempre están ionizadas. Estas sales tienen función estructural y funciones de regulación del pH, de la presión osmótica y de reacciones bioquímicas, en las que intervienen iones específicos. Participan en reacciones químicas a niveles electrolíticos.
SALES MINERALES http://4.bp.blogspot.com/_eGHxY7xV6UU/TJtHhw8Pl0I/AAAAAAAAAAw/NZ45vNZe51c/s640/sales_minerales.jpg
SALES MINERALES
PAPEL DEL AGUA EN LOS EQUILIBRIOS ÁCIDO BASE 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-)
PAPEL DEL AGUA EN LOS EQUILIBRIOS OSMÓTICOS Se entiende por presión osmótica la presión que sería necesaria para detener el flujo de agua a través de la membrana semipermeable.
PAPEL DEL AGUA EN LOS EQUILIBRIOS OSMÓTICOS Fenómenos osmóticos en los glóbulos rojos de la sangre
Fenómenos osmóticos en células vegetales <>
PAPEL DEL AGUA EN LOS EQUILIBRIOS ÁCIDO BASE 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-)
PAPEL DEL AGUA EN LOS EQUILIBRIOS ÁCIDO BASE ph=-log H3O+
PAPEL DEL AGUA EN LOS EQUILIBRIOS ÁCIDO BASE Un ejemplo de disolución tampón es el sistema tampón fosfato, el cual mantiene el pH interno celular en un valor de 7.2. H2O + H2PO4- HPO42- + H3O+ Si en la célula aumenta la acidez la reacción se desplazaría hacia la izquierda, y si disminuye, hacia la derecha, amortiguando así los cambios de pH.
PAPEL DEL AGUA EN LOS EQUILIBRIOS ÁCIDO BASE Un ejemplo de disolución tampón es el sistema tampón fosfato, el cual mantiene el pH interno celular en un valor de 7.2. H2O + H2PO4- HPO42- + H3O+ Si en la célula aumenta la acidez la reacción se desplazaría hacia la izquierda, y si disminuye, hacia la derecha, amortiguando así los cambios de pH.
PAPEL DEL AGUA EN LOS EQUILIBRIOS ÁCIDO BASE Otro ejemplo es el sistema tampón bicarbonato: 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.