Tema 2 Agua

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TEMA 2. LOS BIOELEMENTOS, EL AGUA Y LAS SALES MINERALES.

LOS BIOELEMENTOS

Los bioelementos o elementos biogénicos son los elementos químicos que constituyen los seres vivos.

Según su abundancia se clasifican en: bioelementos primarios, bioelementos secundarios y oligoelementos.

BIOELEMENTOS PRIMARIOS

La materia viva está formada en más de un 95 % por este tipo de bioelementos.

Son 6: el oxígeno (O), el carbono (C), el hidrógeno (H), el nitrógeno (N), el fósforo(P) y el azufre (S).

Son indispensables para la formación de las biomoléculas orgánicas: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

BIOELEMENTOS SECUNDARIOS

Son elementos menos abundantes que los anteriores, pero desempeñan funciones vitales para el correcto funcionamiento de

nuestras células.

Entre los más importantes se encuentran: el sodio (Na), el potasio (K), el cloro (Cl), el calcio (Ca) y el magnesio ( Mg).

 El sodio, el potasio y el cloro se encuentran disueltos en el interior de las células, manteniendo su grado de salinidad. Además,

los iones Na+ y K+ son imprescindibles para la transmisión del impulso nervioso.

 El calcio, en forma de carbonato ( CaCO3) forma los caparazones y esqueletos de muchos organismos. Como ión ( Ca2+) actúa

en la contracción muscular y en la coagulación de la sangre.

 El magnesio como ión ( Mg2+) forma parte de muchas enzimas y de pigmentos como la clorofila.

OLIGOELEMENTOS

Se encuentran en proporciones inferiores al 0,1 %. Entre los principales oligoelementos se encuentran el hierro ( Fe), el cobre (Cu),

el yodo (I), el flúor (F), el silicio ( Si) y el cobalto ( Co)

 El hierro forma parte de la hemoglobina y la mioglobina, que son dos moléculas que se encargan del transporte de oxígeno.

 El cobre forma parte de la hemocianina, un pigmento respiratorio de invertebrados acuáticos.

 El yodo interviene en la formación de la hormona tiroxina, que regula el metabolismo energético. Su falta provoca el bocio.

 El flúor forma parte de los huesos y del esmalte dental. El silicio forma parte de los caparazones de las diatomeas y da rigidez a los tallos de las gramíneas.

 El cobalto forma parte de la vitamina B12.

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De todos los elementos químicos que forman un ser vivo el CARBONO merece una especial mención por varios motivos:

1. El átomo de carbono tiene 4 electrones en su última capa, por lo que puede formar 4 ENLACES COVALENTES y unirse a

átomos similares o diferentes. ( El enlace covalente es un enlace fuerte y se establece cuando los átomos comparten

electrones.)

2. Los átomos de carbono se pueden unir al hidrógeno formando largas cadenas hidrocarbonadas, que son la base de todas las

moléculas orgánicas ( glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos).

( Por lo tanto, todas las moléculas

orgánicas son compuestos de carbono,

aunque no todos los compuestos de carbono

son orgánicos, como por ejemplo, el CO2.).

3. Las cadenas hidrocarbonadas pueden presentar enlaces simples ( -CH2 –CH2-), dobles (-CH=CH-) o triples (-C Ξ C-) y

pueden adoptar configuraciones lineales o cíclicas.

4. Los átomos de carbono establecen fácilmente enlaces, además de con el hidrógeno, con el oxígeno, con el nitrógeno y con el

azufre. Esto permite introducir en las moléculas orgánicas diferentes grupos funcionales, que determinan sus características.

Ningún otro elemento químico origina moléculas estables tan complejas y diferentes.

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LAS BIOMOLÉCULAS

Los bioelementos se unen entre sí por enlaces para formar las moléculas que constituyen los seres vivos, que se denominan

biomoléculas o principios inmediatos. Mediante procesos físicos, como la filtración, la centrifugación o la decantación, es posible

separar las biomoléculas de un ser vivo sin que sufran ninguna alteración.

Las biomoléculas se pueden clasificar en:

- Las biomoléculas simples y las compuestas inorgánicas se encuentran tanto dentro como fuera de los seres vivos.

- Las biomoléculas orgánicas sólo aparecen en los seres vivos.

FUNCIONES DE LAS BIOMOLÉCULAS

- Glúcidos y lípidos tienen esencialmente funciones energéticas y estructurales.

-Las proteínas tienen función estructural y biocatalizadora ( como enzimas) ya que aceleran las reacciones químicas.

-Los ácidos nucleicos son los responsables de la información genética.

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EL AGUA

Es la sustancia más abundante en la materia viva. En las personas adultas representa algo más del 60 % de su peso, aunque

este porcentage varia según el tipo de tejido, por ejemplo, en la dentina de los dientes representa sólo el 10 % y en los huesos el

22%. En las algas, el contenido en agua es del 95 %, mientras que en las semillas es del 20 %.

La vida se originó hace más de 3500 millones de años en el medio acuático.

El agua se encuentra en la materia viva como:

1. Agua circulante, por ejemplo, en la sangre o en la savia.

2. Agua intersticial, es decir, entre las células.

3. Agua intracelular, en el citoplasma y en el interior de los orgánulos celulares.

Los organismos, en general, obtienen el agua del exterior, pero también la pueden obtener a partir de reacciones bioquímicas

(agua metabólica), como por ejemplo, a partir de la oxidación de la glucosa. En esta reacción se forma dióxido de carbono y

agua.

REACCIÓN DE OXIDACIÓN DE LA GLUCOSA: C6H12O6+6O2 <=> 6CO2+6H2O

LA MOLÉCULA DE AGUA ( H2O)

La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos por enlaces covalentes. Es líquida a

temperatura ambiente, sin embargo, cabría esperar que fuera un gas, si se compara con otras moléculas de masa molecular

parecida, como el CO2.

El agua presenta un comportamiento físico particular debido a que los 2 electrones

de los 2 átomos de hidrógeno están desplazados hacia el átomo de oxígeno y por ello

presenta un polo negativo (donde está el oxígeno) y dos polos positivos (donde

están los hidrógenos). Por ello, la molécula de agua es DIPOLAR.

( A pesar de este carácter dipolar, la molécula de agua es eléctricamente neutra).

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Entre las moléculas de agua se establecen enlaces o puentes de hidrógeno

Los enlaces o puentes de hidrógeno son enlaces que se establecen entre las regiones de las moléculas que tienen cargas de distinto signo y

están relativamente próximas.

Debido a estos PUENTES o ENLACES DE HIDRÓGENO las moléculas de agua se mantienen unidas presentando una masa

molecular elevada y esto hace que el agua sea líquida a temperaturas a las que otras sustancias de masas moleculares

similares como el CH4 y el H2S son gaseosas.

Página 28: actividad 8 ¿Por qué a temperatura ambiente el agua es un líquido y el SO2, que tiene una masa molecular mayor, es un gas?

PROPIEDADES DE LA MOLÉCULA DE AGUA

1. Elevada fuerza de cohesión entre las moléculas gracias a los enlaces de hidrógeno. Esto provoca que el agua sea un líquido

prácticamente incompresible (al mantener constante su volumen aunque se apliquen fuertes presiones). Por ello, el agua es capaz

de dar volumen a las células y turgencia a las plantas, también constituye esqueleto hidrostático de invertebrados, como por

ejemplo, de medusas y pólipos.

2. Elevada fuerza de adhesión. Las moléculas de agua presentan gran capacidad de adherirse a las paredes de conductos de

pequeño diámetro, ascendiendo en contra de la gravedad, lo que se conoce como capilaridad. Esto hace que la savia bruta pueda

ascender en las plantas.

3. Elevada tensión superficial, es decir, su superficie opone resistencia a romperse. Esto posibilita que algunos organismos vivanen esta película superficial.

4. Elevado calor específico. Las moléculas de agua pueden absorber gran cantidad de calor sin elevar notablemente su

temperatura, ya que parte de la energía (calor) es empleada en romper los enlaces de hidrógeno. Este elevado calor específico del

agua permite mantener más o menos constante la temperatura de los seres vivos, frente a cambios bruscos de la temperatura del

ambiente.

5. Elevado calor de vaporización. Para pasar del estado líquido al estado gaseoso hay que romper todos los enlaces de hidrógeno

y para ello hace falta mucha energía ( calor). Esto hace que el agua sea una buena sustancia refrigerante del organismo. El agua

cuando se evapora de la superficie de un ser vivo absorbe calor actuando como regulador térmico.

6. Densidad más alta en estado líquido que en estado sólido. En estado sólido los enlaces de hidrógeno forman un retículo que

ocupa más volumen y, por tanto el hielo es menos denso que el agua líquida. Esto explica que el hielo flote sobre el agua y forme

una capa aislante que posibilita la vida bajo el hielo de mares, lagos y ríos.

7. Elevada constante dieléctrica. El agua es un gran disolvente de compuestos iónicos como las sales y de compuestos

polares, como la glucosa. Las moléculas de agua disocian las sales y se disponen alrededor de los cationes y aniones.

8. Bajo grado de ionización. De cada 10 millones de moléculas de agua, sólo 1 se encuentra ionizada ( H2OH+ + OH- ). Debido

a los bajos niveles de iones hidrógeno (H+ ) y de iones hidroxilo (OH- ) si se añade al agua un ácido ( que produce H+) o una base

( que produce OH-), su pH varia rápidamente.

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FUNCIONES DEL AGUA EN LOS SERES VIVOS

1. FUNCIÓN DE DISOLVENTE DE SUSTANCIAS.

El agua además de ser un buen disolvente de compuestos iónicos ( sales), también lo es de compuestos POLARES, como

muchos glúcidos y proteínas. Esto hace que sea el medio en el que se realizan casi todas las reacciones biológicas.

2. FUNCIÓN BIOQUÍMICA

El agua interviene en reacciones químicas, como por ejemplo, en la hidrólisis ( rotura de enlaces con la intervención del agua)

que se produce en la digestión de los alimentos. También interviene en la fotosíntesis como fuente de hidrógenos.

3. FUNCIÓN DE TRANSPORTE

El agua transporta muchas sustancias desde el exterior al interior del organismo, gracias a su elevada capacidad de disolvente.

Además, la capilaridad contribuye al ascenso de la savia bruta en los árboles.

4. FUNCIÓN ESTRUCTURAL

El agua gracias a la elevada cohesión de sus moléculas es capaz de dar volumen a las células, turgencia a las plantas y

constituye esqueleto hidrostático de invertebrados.

5. FUNCIÓN MECÁNICA AMORTIGUADORA

El agua al ser un líquido incomprensible puede ejercer esta función en las articulaciones de los vertebrados, formando el líquido

sinovial que evita el rozamiento de los huesos.

6. FUNCIÓN TERMORREGULADORA

El agua debido a su elevado calor específico mantiene constante la temperatura interna de los seres vivos. El elevado calor de

vaporización permite que cuando los animales sudan, éste sudor al evaporarse toma calor del cuerpo y como consecuencia éste se

enfría.

7. PERMITE LA VIDA ACUÁTICA EN CLIMAS FRIOS.Cuando el agua se congela tiene una menor densidad que en estado líquido, por lo que se forma una capa de hielo en la superficie

protegiendo de la baja temperatura exterior al agua líquida. Esto permite la supervivencia de muchas especies.

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LAS SALES MINERALES

Las sales minerales se pueden encontrar en los seres vivos de 3 formas.

1. SALES MINERALES PRECIPITADAS

Tienen una función esquelética. Por ejemplo: el carbonato de calcio (CaCO3) forma el caparazón de los moluscos, el fosfato de

calcio forma los huesos; la sílice ( SiO2) forma el exoesqueleto de las diatomeas.

2. SALES MINERALES ASOCIADAS A MOLÉCULAS ORGÁNICAS

Las sales minerales EN FORMA DE IONES pueden formar parte de moléculas orgánicas que realizan diversas funciones. Como por

ejemplo: los iones fosfato que forman parte de los ácidos nucleicos, de los fosfolípidos de membrana o del ATP.

3. SALES MINERALES DISUELTAS

Las sales minerales son solubles en agua y se encuentran disociadas en sus iones.

Las principales funciones de las sales en disolución son:

1. Mantener el grado de salinidad dentro del organismo.

2. Generar potenciales eléctricos. Los iones del interior de la célula son distintos de los del exterior; por eso, a ambos lados de la

membrana existe una diferencia de cargas eléctricas que genera un potencial eléctrico.

3. Regular la presión osmótica (osmorregulación) y el volumen celular. La presencia de sales en el interior de la célula

determina la entrada o salida de agua a través de la membrana, debido a la tendencia a igualar la salinidad externa con la

interna, con lo que se regula la presión osmótica y el volumen celular.

Fenómeno de ósmosis

Cuando tenemos dos disoluciones de diferente concentración separadas por una membrana semipermeable ( que permite el

paso del disolvente, pero no del soluto) se produce el paso del disolvente desde la disolución más diluida hasta la más

concentrada, hasta que se igualen ambas concentraciones

La membrana plasmática es una membrana

semipermeable que, según sea la concentración del medio externo, da lugar a

diferentes respuestas.

En un medio externo isotónico

respecto al medio interno celular, es decir, que tienen la misma concentración,

la célula no se deforma.

En un medio externo hipotónico

(menos concentrado que el medio interno), la célula se pone turgente (se

hincha), porque entra agua al interior.

En un medio externo hipertónico

(más concentrado que el medio interno) la célula pierde agua y se arruga. A

este fenómeno se llama plasmólisis.

4. Regulan el grado de acidez o pH.

Todos los seres vivos mantienen constante el pH de su medio interno, esto se logra mediante determinadas sales minerales

disueltas, que constituyen las llamadas disoluciones tampón o disoluciones amortiguadoras.

Si variase el pH muchas reacciones metabólicas cambiarían el sentido de reacción y gran parte de las enzimas

precipitarían, lo que provocaría graves trastornos e incluso la muerte. Por ejemplo, el plasma sanguíneo humano tiene un pH

cercano a 7,4. En algunos casos fallan los mecanismos de regulación del pH, como en la diabetes, en la que se produce un aumento

de los ácidos metabólicos produciéndose acidosis. En este caso el pH puede descender a 6,8, lo que provoca lesiones celulares y

hasta la muerte.

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Las disoluciones tampón o amortiguadoras actúan como aceptores o dadores de iones hidrógeno H+ para compensar el

exceso o déficit de estos iones en el medio y mantener constante su pH.

Los sistemas amortiguadores más

comunes son:

·

Sistema tampón fosfato. Constituido por los

iones dihidrogeno fosfato (H2PO4 -) y monohidrogeno fosfato (HPO4 2-) en equilibrio.

Este sistema mantiene el pH interno celular constante en 7,2 y está

interrelacionado con los ljlkjlkjlkjlj.

Si en la célula aumentara la acidez, es decir, la concentración de iones H+, la

reacción se desplazaría hacia la izquierda; y si disminuyera, la reacción se

desplazaría hacia la derecha. De esta forma se amortiguan las variaciones de

acidez.

·

Sistema tampón bicarbonato. Formando por iones

monohidrogeno carbonato (HCO3-) y ácido carbónico (H2CO3) en equilibrio. El ácido

carbónico (H2CO3) es muy inestable y enseguida se descompone en dióxido de

carbono y agua.

TAMPÓN BICARBONATO

Los procesos químicos que se dan en la célula producen sustancias que alteran el pH del medio celular. Ciertas sustancias actúan como amortiguadores del pH o tampones evitando que éste sufra grandes variaciones. Así, por ejemplo, el ión bicarbonato (HCO3 -) actúa como tampón en los medios orgánicos. Si el pH baja, es decir, se vuelve ácido habrá un exceso de iones de hidrógeno H+ . Estos serán captados por el ión bicarbonato (HCO3-)que se transformará en ácido carbónico ( H2CO3 ), con lo que el pH aumentará. El ácido carbónico ( H2CO3 ), a su vez, se descompondrá en CO2 y H2O. El proceso se desarrolla a la inversa si hay pocos iones H+ , es decir si el pH se vuelve básico. El ión bicarbonato actúa como un tampón eficaz para variaciones del pH en la sangre. En los medios intracelulares el tampón más frecuente es el ión fosfato(H2PO4-).

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LAS DISOLUCIONES Y LAS DISPERSIONES COLOIDALES

DISOLUCIÓN: es una mezcla homogénea, donde las partículas del soluto no sedimenta. En la materia viva las disoluciones

contienen moléculas de soluto de pequeño tamaño, como sales minerales, azúcares o aminoácidos, disueltos en agua.

PROPIEDADES DE LAS DISOLUCIONES:

1. ÓSMOSIS

Si tenemos dos disoluciones acuosas de distinta concentración separadas por una membrana semipermeable ( que deja pasar el disolvente pero no el soluto ), se produce el fenómeno de la ósmosis caracterizado 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 ).

2. DIFUSIÓN

Las partículas de soluto se reparten de forma homogénea por el disolvente. Esto es debido al movimiento constante de las

moléculas del disolvente. Ej: absorción de oxígeno por parte del agua.

DISPERSIÓN COLOIDAL: es una mezcla heterogénea en donde las partículas no sedimentan, pero reflejan y refractan la luz

que incide sobre ellas. En las dispersiones coloidales el tamaño de las moléculas de soluto es mayor que en las disoluciones

verdaderas. Las moléculas de soluto suelen ser grandes moléculas como polisacáridos, proteínas, lípidos o ácidos nucleicos.

La mayor parte de los líquidos de los seres vivos son dispersiones coloidales que pueden presentar 2 estados:

- Estado de sol: tienen aspecto líquido, ya que las moléculas de soluto se encuentran en menor cantidad que las moléculas del disolvente.

- Estado de gel: tienen aspecto semisólido y gelatinoso. Las moléculas de soluto se entrelazan formando una red que retiene las moléculas del disolvente. La red impide que el disolvente fluya, por lo que el estado de gel se comporta como un sólido gelatinoso.

El citosol de la periferia de la célula está en estado de gel, mientras que el citosol interior está en estado de sol. En el interior de las células el estado de sol y gel se alterna ya que se producen procesos de polimerización y despolimerización de proteínas fibrilares.

PROPIEDADES DE LAS DISPERSIONES COLOIDALES

1. Elevada viscosidad: las dispersiones coloidales son muy viscosas porque contienen moléculas muy grandes.

2. Efecto Tyndal: las dispersiones coloidales son transparentes, pero si se iluminan lateralmente presentan cierta turbidez. Esto es debido

a la dispersión de la luz provocada por las partículas coloidales de gran tamaño.

3. Capacidad de sedimentación: las partículas coloidales se mantienen en suspensión, pero si se someten a una centrifugación fuerte sedimentan.

4. DIÁLISIS

Es el proceso de separación de las moléculas que integran una dispersión coloidal en función del tamaño a través de una membrana semipermeable. Esta membrana permite el paso de moléculas de pequeño tamaño ( sales minerales e iones) y de agua. No permite el paso de moléculas de gran tamaño. Una aplicación clínica muy utilizada en individuos con insuficiencia renal es la HEMODIÁLISIS que permite separar la UREA (molécula de pequeño tamaño) de la sangre. Las proteínas sanguíneas quedan retenidas al presentar un mayor tamaño.

En este caso pueden atravesar la membrana además del disolvente, moléculas de bajo peso molecular ( urea) y éstas pasan atravesando la membrana desde la solución más concentrada a la más diluida.