BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS:AGUA

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1 BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS:AGUA
UNIDAD 2_1 BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS:AGUA

2 Biología. 2.º Bachillerato
Contenidos y criterios de evaluación Biología. 2.º Bachillerato Bloque 1. La base molecular y fisicoquímica de la vida. Contenidos 1. Los componentes químicos de la célula. Bioelementos: tipos, ejemplos, propiedades y funciones. 2. Los enlaces químicos y su importancia en biología. 3. Las moléculas e iones inorgánicos: agua y sales minerales. 4. Fisicoquímica de las dispersiones acuosas. Difusión, ósmosis y diálisis.

3 2.1. LAS UNIDADES DE LA MATERIA VIVA
Los bioelementos o elementos biogénicos son aquellos elementos químicos que forman las moléculas características de los seres vivos. De todos los elementos presentes en la tabla periódica unos 70 aparecen en los seres vivos, de estos unos 27 son componentes esenciales para las diferentes formas de vida, y solamente 16 se hallan en todas las clases de organismos.

4 Tabla periódica 4

5 Proporción de los elementos químicos en la geosfera y biosfera.

6 Los bioelementos se clasifican atendiendo a su abundancia en los seres vivos, dividiéndose en:

7 BIOELEMENTOS PRIMARIOS
Representan el 96% del total de la materia viva. Componentes mayoritarios de las biomoléculas. Son: C, H, O, N, P y S.

8 Características de Bioelementos Primarios
Su masa atómica es baja, por lo que los enlaces que forman son fuertes, confiriendo estabilidad a las moléculas biológicas de las que forman parte. Los enlaces que forman son enlaces covalentes, formados por electrones compartidos y por tanto, las moléculas originadas son estables. La mayoría son polares y solubles en agua. Aunque estos enlaces son fuertes, son moléculas dinámicas que reaccionan, es decir pueden oxidarse y reducirse, forman parte de procesos energéticos esenciales para la vida.

9 BIOELEMENTOS PRIMARIOS
Estructura atómica de los bioelementos que forman parte de la materia viva.

10 BIOELEMENTOS PRIMARIOS – FUNCIONES

11 LA IDONEIDAD DEL CARBONO
EL MUNDO ORGÁNICO: LA IDONEIDAD DEL CARBONO

12 LA IDONEIDAD DEL CARBONO
El C es el bioelemento primordial que constituye la columna vertebral de las biomoléculas y en general de todos los compuestos orgánicos. El C es especialmente importante debido a las siguientes características: Tetravalencia. El carbono tiene 4 electrones que comparte para formar cuatro enlaces covalentes simples con átomos o grupos funcionales diferentes. Al unirse de esta forma, el átomo de C ocupa el centro de un tetraedro cuyos cuatro vértices corresponden a las cuatro valencias. Las moléculas orgánicas resultantes son tridimensionales, y es importante destacar que su forma en el espacio va a estar muy relacionada con la función que desempeñan.

13 Diversidad de enlaces: Simples, dobles o triples, originando cadenas carbonadas estables de tamaño y forma variables (lineales, ramificadas y anilladas). Estas cadenas carbonadas constituyen el esqueleto de las biomoléculas, permitiéndoles formar estructuras espaciales complejas y estables.

14 Formación de grupos funcionales que darán propiedades concretas a las moléculas que los posean.

15 Formación de grupos funcionales que darán propiedades concretas a las moléculas que los posean.

16 Versatilidad. Ningún otro elemento químico puede formar moléculas estables de tamaños y formas tan diferentes, ni con tal variedad de grupos funcionales, que origina al unirse con los otros bioelementos primarios. Ello explica que, a pesar de la relativa escasez del carbono en la corteza terrestre, sea el elemento en el que se basa la química de los seres vivos.

17 BIOELEMENTOS SECUNDARIOS
Representan el 3% del total de la materia viva. Son imprescindibles para los seres vivos. En medio acuoso se encuentran ionizados. Son fundamentales para regular múltiples procesos fisiológicos, como el paso de sustancias a través de las membranas. Son: Na+ , K+ , Ca2+ , Mg2+ , Cl-.

18 BIOELEMENTOS SECUNDARIOS – FUNCIONES

19 BIOELEMENTOS OLIGOELEMENTOS (Elementos traza)
Se encuentran en proporciones inferiores al 0,1%. Son necesarios para el correcto funcionamiento del organismo. Se clasifican en: esenciales: aparecen en la mayoría de los organismos. Fe, Cu, Zn, Mn, I, Ni, Co no esenciales: sólo están presentes en grupos concretos. Si, F, Cr, Li, B, Mo, Al

20 BIOELEMENTOS OLIGOELEMENTOS ESENCIALES – FUNCIONES

21 2.2. TIPOS DE ENLACES EN BIOMOLÉCULAS

22 Enlaces intramoleculares:
2.2. TIPOS DE ENLACES EN BIOMOLÉCULAS Enlaces intramoleculares: Enlace iónico: se produce por la atracción electrostática de átomos con cargas opuestas, resulta de la pérdida de electrones por parte de un átomo (Ión positivo o catión) y la ganancia por parte de otro (Ión negativo o anión). En solución los iones están libres, mientras que en estado sólido unos iones se rodean de otros de carga opuesta, formando un entramado ordenado que origina una estructura cristalina.

23 Enlaces intramoleculares:
2.2. TIPOS DE ENLACES EN BIOMOLÉCULAS Enlaces intramoleculares: Enlace covalente: se produce entre átomos que comparten uno o más pares de electrones, cuya electronegatividad es igual (moléculas apolares, como el N2, O2 e H2) o unos átomos atraen más que otros los electrones (moleculares polares, con un polo positivo y otro negativo, formando dipolos moleculares, como el H2O, NH3, SH2)

24 Enlaces intermoleculares:
2.2. TIPOS DE ENLACES EN BIOMOLÉCULAS Enlaces intermoleculares: Puentes o enlaces de hidrógeno: Cuando un átomo de hidrógeno está unido covalentemente a un elemento muy electronegativo (oxígeno, nitrógeno); éste atrae hacia él a los electrones compartidos en el enlace covalente.

25 Enlaces intermoleculares:
2.2. TIPOS DE ENLACES EN BIOMOLÉCULAS Enlaces intermoleculares: Interacciones iónicas: se producen entre moléculas que poseen grupos funcionales con cargas eléctricas opuestas.

26 Enlaces intermoleculares:
2.2. TIPOS DE ENLACES EN BIOMOLÉCULAS Enlaces intermoleculares: Fuerzas de Van der Waals: son interacciones hidrofóbicas que se establecen entre grupos o moléculas apolares, que tienden a agruparse juntas en un medio acuoso aislándose lo más posible del agua.

27 BIOMOLÉCULAS Los bioelementos se unen entre si para formar moléculas que llamaremos biomoléculas: las moléculas que constituyen los seres vivos. Estas moléculas se han clasificado tradicionalmente en los diferentes principios inmediatos, llamados así porque podían extraerse de la materia viva con cierta facilidad, inmediatamente, por métodos físicos sencillos como: evaporación, filtración, destilación, disolución, etc. Desde el punto de vista químico podemos distinguir: Biomoléculas Inorgánicas: No son exclusivas de los seres vivos y tienen estructura química sencilla. Son el agua, las sales minerales y algunos gases (O2 y CO2) que se intercambian con el medio ambiente en la fotosíntesis y la respiración. Biomoléculas Orgánicas: Son moléculas exclusivas de la materia viva y se caracterizan por estar formadas por cadenas hidrocarbonadas. Son los glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. Casi todas las biomoléculas son polímeros, constituidos por la repetición de subunidades llamadas monómeros. 27

28 BIOMOLÉCULAS PRINCIPIOS INMEDIATOS Simples
oxígeno molecular (02) y nitrógeno molecular (N2) Compuestos Inorgánicos agua, dióxido de carbono y sales minerales Orgánicos Glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos 28

29 BIOMOLÉCULAS 29

30 BIOMOLÉCULAS 30

31 BIOMOLÉCULAS 31

32 BIOMOLÉCULAS 32

33 BIOMOLÉCULAS Los principios inmediatos pueden tener función estructural, como las proteínas y las sales minerales de los huesos, o los lípidos de las membranas plasmáticas; función energética, de reserva o almacén, como las grasas; y función reguladora o biocatalizadora, es decir, aceleradora de las reacciones bioquímicas, como las proteínas enzimáticas. 33

34 BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS

35 BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS:
EL AGUA

36 Importancia del agua 2.3. SIN AGUA NO ES POSIBLE LA VIDA
Componente mayoritario de los seres vivos: 70% de media. La vida se originó hace más de 3600 m.a. en medio acuático. Medio de disolución y medio de reacción de los procesos químicos. Medio vital: en la célula, en los organismos unicelulares y seres acuáticos. Sustancia fundamental en los procesos metabólicos claves: Fotosíntesis y respiración.

37 Estructura del agua El agua es una molécula con una estructura química muy sencilla, que determina unas propiedades fisicoquímicas muy particulares.

38 Estructura del agua La molécula del agua es un dipolo permanente, con una parte positiva (δ+), correspondiente a los dos H y otra parte negativa (δ-), correspondiente al O.

39 Estructura del agua

40 Estructura del agua

41 ENLACES DE PUENTES DE H ENTRE MOLÉCULAS DE AGUA
Estructura del agua ENLACES DE PUENTES DE H ENTRE MOLÉCULAS DE AGUA

42 Propiedades del agua La polaridad del agua y la existencia de los puentes de H confieren a esta molécula unas propiedades especiales que son: El agua es líquida entre 0-100ºC. Los puentes de hidrógeno creados en el seno del agua unen las moléculas entre sí, crea una estructura reticular e impide su evaporación, de este modo, el agua es líquida a temperatura ambiente, mientras que otras moléculas con un peso molecular similar (CO2, SO2, NO2) o composición química similar (NH3, CH4) son gases a esa misma temperatura.

43 Propiedades del agua Alto poder disolvente o acción disolvente: el agua es el líquido que más sustancias disuelve (disolvente universal). Las sustancias que se disuelven en medio acuoso se denomina hidrofílicas y son polares (con o sin carga neta), las sustancias que no se disuelven en medio acuoso se denominan hidrofóbicas (apolares); mientras que las que se disuelven tanto en disolventes acuosos como disolventes orgánicos apolares se llaman anfipáticas (sustancia con una parte polar y otra apolar). El agua puede formar enlaces por puente de H con moléculas siempre que tengan grupos polares, por ejemplo: monosacáridos, aminoácidos, nucleótidos…y causar su disolución. Si tiene cargas netas, como una sal, entonces produce su disociación.

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45 TIPOS DE SUSTANCIAS SEGÚN SU SOLUBILIDAD EN AGUA
Sustancias HIDROFÍLICAS Sustancias iónicas Sustancias polares

46 Propiedades del agua Alto poder disolvente o acción disolvente: Debido a la polaridad de la molécula de agua, se puede interponer entre los iones de redes cristalinas de los compuestos iónicos, lo que origina una disminución importante de la atracción entre ellos y en definitiva, provoca su disolución. El anión (ejemplo Cl-) es rodeado por los H (tienen carga parcial+) de varias moléculas de agua y el catión (ejemplo Na+) es rodeado por los O (tienen carga parcial -) de varias moléculas de agua. Este proceso se denomina solvatación.

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49 TIPOS DE SUSTANCIAS SEGÚN SU SOLUBILIDAD EN AGUA
Sustancias HIDROFÓBICAS Las moléculas apolares no pueden establecer puentes de H por lo que las moléculas de agua se organizan a su alrededor formando una estructura a modo de jaula. Las moléculas apolares repelidas por el agua incrementan su cohesión al aumentar las fuerzas que las mantienen juntas. INTERACCIÓN HIDROFÓBICA.

50 TIPOS DE SUSTANCIAS SEGÚN SU SOLUBILIDAD EN AGUA
Sustancias ANFIPÁTICAS

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52 Propiedades del agua Reactividad química: La molécula de agua no sólo es medio de disolución, sino que también interviene en las reacciones. El agua puede disociarse en iones, dado que 2 moléculas de agua originan OH- y H3O+, aunque la constante de disociación tiene un valor bajísimo. Este ión hidronio H3O+, actúa como dador de H+ (ácido muy débil) y el ión hidroxilo, OH-, como aceptor de H+, es decir como una base muy débil. También participa como agente hidrolizante de macromoléculas, rompiéndolas en monómeros.

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54 pH =-log [H+]

55 IONIZACIÓN DEL AGUA Y ESCALA DE PH

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57 [H+] y ESCALA DE pH

58 Propiedades del agua Elevada fuerza de cohesión y adhesión.
Cohesión: Capacidad de mantenerse junta sustancias iguales. Adhesión: Capacidad que presenta una molécula de unirse a otra molécula o a una superficie que presente cargas. La elevada cohesión se explica porque al formarse los puentes de hidrógeno se mantienen las moléculas de agua unidas, dando lugar a una estructura compacta, lo que otorga al agua una elevada tensión superficial. Al estar muy cohesionadas las moléculas, el agua es un líquido prácticamente incompresible, su volumen no disminuye apreciablemente aunque se aplique cierta presión (Esqueleto hidrostáticos en las células vegetales o movimientos citoplasmáticos).

59 LA COHESIVIDAD DEL AGUA

60 LA TENSIÓN SUPERFICIAL

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62 Propiedades del agua Alto calor específico y elevado calor latente de vaporización. Calor específico: Cantidad de calor (medido en calorías o julios) que es necesario comunicar a un gramo de una sustancia para aumentar su temperatura 1ºC. Calor latente de vaporización: Número de calorías que hay que comunicarle a una sustancia para pasar 1 gramo del estado líquido al gaseoso. En el caso del agua ambos valores, calor específico y calor latente de vaporización, son elevados porque es necesario romper los puentes de hidrógeno para liberar las moléculas al estado gaseoso. Se requiere un aporte considerable de energía, que se toma del entorno, por lo que la evaporación del agua absorbe mucho calor y disminuye la temperatura de la célula (o del individuo).

63 Propiedades del agua Mayor densidad a 4ºC. En estado líquido el agua es más densa que en forma de hielo. Se puede explicar si recordamos que en el hielo, cada molécula de agua establece cuatro puentes de hidrógeno con las moléculas vecinas, originando una estructura reticular abierta, en la que las moléculas se encuentran más separadas que en estado líquido. Por eso, el hielo es más ligero y pueda flotar sobre el agua líquida.

64 Funciones del agua Función disolvente: La propiedad del alto poder disolvente del agua es crucial para que se puedan arrastrar, transportar y disolver nutrientes y desechos en los líquidos de los seres vivos (sangre, linfa, savia, hemolinfa,…). Además, para que sucedan las reacciones químicas del metabolismo de los seres vivos es indispensable que las sustancias que van a reaccionar estén disueltas en el medio líquido y así puedan interaccionar, de esta forma es fácil poner en contacto los enzimas y sustratos.

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66 Funciones del agua Función bioquímica: además de ser el medio acuoso el lugar donde se producen las reacciones metabólicas de los seres vivos, los seres vivos utilizan químicamente el agua en dos tipos de reacciones fundamentales: la fotosíntesis y las reacciones de hidrólisis. En la fotosíntesis, la molécula de agua es destruida (fotolisis del agua) usando la energía luminosa, obteniéndose oxígeno molecular, electrones y protones. H fotones ½ O2+2H+ +2e- En las reacciones de hidrólisis, el agua tiene la capacidad de romper moléculas orgánicas en otras más simples, por ejemplo los enlaces O-glucosídico o peptídico o éster se rompen al añadir una molécula de agua.

67 Funciones del agua Función bioquímica:
En otros casos, el agua es un producto de las reacciones químicas del metabolismo celular. Por ejemplo, en el proceso de la respiración celular distintos tipos de biomoléculas energéticas se oxidan en presencia de oxígeno para rendir CO2 y H2O. El agua metabólica así formada es de hecho suficiente para permitir que algunos animales que viven en ambientes muy secos puedan sobrevivir sin beber agua durante largos periodos.

68 Funciones del agua Función estructural: la incomprensibilidad del agua es debida a la propiedad de la elevada fuerza de cohesión de las moléculas de agua. Al no poder comprimirse llega a actuar como esqueleto hidrostático en algunos animales invertebrados, permite la turgencia en plantas y las deformaciones citoplasmáticas.

69 De ésta dependen otras de sus funciones:
(medusas)

70 Funciones del agua Función estructural: Además, la alta cohesión de las moléculas de agua también permite la función mecánica amortiguadora en las articulaciones de los animales, ya que constituye el liquido sinovial que disminuye el roce entre los huesos. Además, gracias a la adhesión se producen los fenómenos de Capilaridad, que permiten el ascenso de la savia bruta por el xilema.

71 Funciones del agua Función termorreguladora: la propiedad del elevado calor específico del agua permite que ésta se caliente y se enfríe muy lentamente, evitando los cambios bruscos de temperatura, por lo tanto, el agua actúa en los seres vivos regulando su temperatura. Esto es muy importante porque la temperatura corporal debe mantenerse más o menos estable en los seres vivos. Las moléculas de agua al evaporarse absorben mucho calor del entorno debido al alto calor de vaporización para romper todos los enlaces por puente de H y así poder evaporarse, refrescando el entorno. Esto permite la disminución de temperatura que experimentamos cuando se nos evapora el sudor, por eso el sudor actúa como refrigerante.

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75 EL AGUA TIENE UNA DENSIDAD MÁXIMA A LOS 4ºC

76 PROPIEDADES Y FUNCIONES DEL AGUA