BIOELEMENTOS

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BIOELEMENTOS

El análisis químico de la materia viva revela que los seres vivos están

formados por una serie de elementos y compuestos químicos.

Los elementos químicos que forman parte de la materia viva se denominan bioelementos, que, en los seres vivos,

forman biomoléculas, que podemos clasificar en:

Inorgánicas

Agua

Sales minerales

Algunos gases: O2, CO2, N2, ...

Orgánicas

Glúcidos

Lípidos

Proteínas

Ácidos Nucleicos

En cualquier ser vivo se pueden encontrar alrededor de setenta elementos

químicos, pero no todos son indispensables ni comunes a todos los seres.

Atendiendo a su abundancia se pueden clasificar en:

a) Bioelementos

primarios, que aparecen en una proporción media del 96% en la materia viva, y son

carbono, oxigeno, hidrógeno, nitrógeno, fósforo y azufre. Estos elementos

reúnen una serie de propiedades que los hacen adecuados para la vida:

Forman entre ellos enlaces covalentes muy estables, compartiendo pares de

electrones. El carbono, oxígeno y nitrógeno pueden formar enlaces dobles o

triples.

Facilitan la

adaptación de los seres vivos al campo gravitatorio terrestre, ya que son

los elementos más ligeros de la naturaleza.

b) Bioelementos

secundarios, aparecen en una proporción próxima al 3,3%. Son: calcio, sodio, potasio,

magnesio y cloro, desempeñando funciones de vital importancia en fisiología

celular.

c) Oligoelementos, micro constituyentes,

o elementos vestigiales, que aparecen en la materia viva en proporción inferior

al 0,1% siendo también esenciales para la vida: hierro, manganeso, cobre, zinc, flúor, yodo, boro, silicio,

vanadio, cobalto, selenio, molibdeno y estaño. Aún participando en cantidades

infinitesimales, no por ello son menos importantes, pues su carencia puede

acarrear graves trastornos para los organismos.

1. Estructura de la molécula de AGUA

El agua es la molécula más abundante en los seres vivos, y representa entre el 70 y 90% del peso de la mayor parte de los organismos.

El agua presenta las siguientes

propiedades físico-químicas:

a)Acción disolvente.

El agua es el líquido que más sustancias disuelve (disolvente universal), esta

propiedad se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras

sustancias, ya que estas se disuelven cuando interaccionan con las moléculas

polares del agua.

La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones importantes para los seres vivos: es el medio en que

transcurren las mayorías

de las reacciones del metabolismo, y el aporte de nutrientes y la eliminación

de desechos se realizan a través de sistemas de transporte acuosos.

b)Fuerza de cohesión entre sus moléculas.

Los puentes de hidrógeno mantienen a las moléculas fuertemente unidas, formando

una estructura compacta que la convierte en un liquido casi incompresible.

c) Elevada fuerza de adhesión.

De nuevo los puentes de hidrógeno del agua son los

responsables, al establecerse entre estos y otras moléculas polares, y es

responsable, junto con la cohesión de la capilaridad, al cual se debe, en

parte, la ascensión de la sabia bruta desde las raíces hasta las hojas.

d) Gran calor específico. El agua absorbe grandes cantidades de calor que utiliza en

romper los puentes de hidrógeno. Su temperatura desciente más lentamente que la

de otros líquidos a medida que va liberando energía al enfriarse. Esta

propiedad permite al citoplasma acuoso servir de proteccción para las moléculas orgánicas en los cambios

bruscos de temperatura.

e) Elevado calor de vaporización.

A 20ºC se precisan 540 calorías para evaporar un gramo de agua, lo que da idea

de la energía necesaria para romper los puentes de hidrógeno establecidos entre

las moléculas del agua líquida y, posteriormente, para dotar a estas moléculas

de la energía cinética suficiente para abandonar la fase líquida y pasar al

estado de vapor.

f) Elevada constante dieléctrica.

Por tener moléculas dipolares, el

agua es un gran medio disolvente de compuestos iónicos, como las sales minerales, y de compuestos

covalentes polares como los glúcidos.

Las moléculas de agua, al ser

polares, se disponen alrededor de los grupos polares del soluto, llegando a

desdoblar los compuestos iónicos en aniones y cationes, que quedan así rodeados

por moléculas de agua. Este fenómeno se llama solvatación iónica.

g) Bajo grado de ionización. De cada 107 de moléculas de agua, sólo una se

encuentra ionizada.

H2O H3O+ + OH-

Esto explica que la concentración

de iones hidronio (H3O+) y de los iones hidroxilo (OH-)

sea muy baja. Dado los bajos niveles de H3O+ y de OH-, si al agua se le

añade un ácido o una base, aunque sea en poca cantidad, estos niveles varían

bruscamente.

Los seres vivos se han adaptado para utilizar químicamente el agua en dos tipos

de reacciones:

a) En la fotosíntesis en la que

los enzimas utilizan el agua como fuente de átomos de hidrógeno.

b)

En las reacciones de hidrólisis, en que los enzimas hidrolíticos han explotado

la capacidad del agua para romper determinados enlaces hasta degradar los compuestos

orgánicos en otros más simples, durante los procesos digestivos.

El pH del agua es 7 y lo

consideramos neutro. Valores mayores serán básicos o alcalinos y valores

menores ácidos.

Sistemas tampón o buffer

Los organismos vivos soportan muy mal las variaciones del pH, aunque tan solo se trate de unas décimas de unidad, y por ello han desarrollado en la

historia de la evolución sistemas tampón o buffer que mantienen el pH

constante, mediante mecanismos homeostáticos. Las variaciones de pH, afectan a

la estabilidad de las proteínas y, en concreto, en la actividad catalítica de

los enzimas, pues en función del pH, pueden generar cargas eléctricas que

modifiquen su actividad biológica.

Los sistemas tampón que tienden a impedir la variación del pH cuando se añaden pequeñas cantidades de iones H+ o OH- consisten en un par ácido-base conjugada

que actúan como dador y aceptor de de protones, respectivamente. Podemos citar otros

tampones biológicos, como son el par carbonato-bicarbonato y el par

monofosfato-bifosfáto. El pH normal de los fluidos corporales suele oscilar

alrededor de 7, Plasma sanguíneo7,4 ; Saliva:6,35-6,95 ; Orina 5,8; jugo

gástrico:2,1 etc.

Osmosis y presión osmótica

Se define ósmosis como una difusión pasiva, caracterizada por el paso del

agua, disolvente, a través de la membrana semipermeable, desde la solución más diluida a la más concentrada.

Y entendemos por presión osmótica, a aquella que seria necesaria para detener el flujo de agua a través de la membrana semipermeable. Al

considerar como semipermeable a la membrana plasmática, las células de los

organismos pluricelulares deben permanecer en equilibrio osmótico con los

líquidos tisulares que los bañan.

Si los líquidos extracelulares aumentan su concentración de solutos, se haría

hipertónica respecto a las células, como consecuencia se originan pérdida de agua y deshidratación (plasmólisis)

De igual forma, si los líquidos

extracelulares se diluyen, se hacen hipotónicos respecto a las células. El agua

tiende a pasar al protoplasma y las células se hinchan y se vuelven turgentes,

pudiendo estallar (en el caso de células vegetales la pared de celulosa lo impediría),

por un proceso de turgescencia.

En el caso de los eritrocitos sanguíneos la plasmólisis se denomina

crenación y la turgescencia el de hemólisis.

DISOLUCIONES ACUOSAS

Una dispersión es una mezcla

homogénea de moléculas distintas. En ella aparecen una fase dispersante o

disolvente y moléculas dispersas o solutos. En las dispersiones acuosas el agua

constituye la fase dispersante, mientras que la fase dispersa presenta amplias

variaciones: desde pequeñas moléculas como cloruro de sodio,

hasta grandes proteínas como las albúminas.

Las dispersiones cuya fase dispersa posee moléculas de baja masa molecular se

denominan dispersiones coloidales.

En el supuesto de que las moléculas de la fase dispersa posean masas

moleculares elevadas (más de 10.000 u.m.a.) O tengan un tamaño comprendido entre 1 milimicra y 0,2 micras, se denominan

dispersiones coloidales.

Las dispersiones coloidales pueden presentarse en forma fluida (sol) o con aspecto gelatinoso

(gel).El paso de sol a gel siempre es posible, mientras que el paso inverso no

lo es siempre.

Las dispersiones colidales

hidrófilas, presentan afinidad por el agua de una capa de ésta, lo que les

confiere una gran estabilidad, dado que al estar sus radicales protegidos, no

pueden reaccionar con otras moléculas.

Las dispersiones coloidales hidrófobas están formadas por partículas que

repelen el agua, por lo que son inestables.

Propiedades de las

dispersiones.

La adsorción es un proceso por el cual las partículas de una sustancia son

atraídas hacia la superficie de un sólido o de una partícula coloidal en

suspensión. No debes confundir la adsorción con la absorción, que se refiere a

la entrada de una sustancia al interior de otra.

La diálisis, es un proceso que permite separar las partículas coloidales de las

no coloidales. Este efecto se logra gracias a una membrana cuya permeabilidad

únicamente permite el paso de las partículas no coloidales.

7.Sales Minerales

En función de su solubilidad se pueden distinguir:

a) Sales inorgánicas

insolubles en agua.

Su función es de tipo plástico, formando estructuras de protección y sostén, como por ejemplo:

Caparazones de

crustáceos y moluscos (CaCO3) y caparazones silíceos de

radiolarios y diatomeas.

Esqueleto interno

en vertebrados (fosfato, cloruro,fluoruro y carbonato de calcio) y los

dientes.

Determinadas

células incorporan sales minerales, como las que se pueden encontrar en la

pared de celulosa de los vegetales, o como formade producto

residual del metabolismo (cristales de oxalato cálcico, que puede

contribuir al desarrollo de cálculos renales o biliares)

El carbonato de

calcio también se puede encontrar en el oído interno, formando los

otolitos que intervienen en el mantenimiento del equilibrio interno o

partículas de magnetita que, al parecer, pueden utilizar algunos animales

con función de brújula para orientarse en sus desplazamientos.

b)Sales inorgánicas solubles en agua.

La actividad biológica que proporcionan se debe a sus iones y desempeñan, fundamentalmente,

las siguientes funciones:

Funciones

catalíticas. Algunos iones como Mn+2, Cu+2, Mg+2, Zn+2,

etc. actúan como cofactores enzimáticos siendo necesarios para el desarrollo de la actividad catalítica de ciertas enzimas . El ion

ferroso-férrico forma parte del grupo hemo de la hemoglobina y mioglobina,

proteínas encargadas del transporte de oxígeno.

También el ion Mg+2 forma parte de las clorofilas y participa en los procesos de la

fotosíntesis.

El Ca+2,

interviene en la contracción muscular y en los procesos relacionados con

la coagulación de la sangre.

Funciones

osmóticas. Intervienen en la distribución del agua intra y extra

celulares. Los iones Na+, K+, Cl-, Ca+2,

participan en la generación de gradientes electroquímicos, que son

imprescindibles en el potencial de membrana y del potencial de acción en

los procesos de la sinapsis neuronal, transmisión del impulso nervioso y

contracción muscular.

Función tamponadora.

Se lleva a cabo por los sistemas carbonato-bicarbonato y

monofosfato-bifosfáto.

Son constituyentes químicos

fundamentales e imprescindibles en la materia viva porque:

a)son los "instrumentos

moleculares" mediante los cuales se expresa la información genética; es

decir, las proteinas ejecutan las órdenes dictadas por los ácidos nucléicos.

b)son sustancias

"plásticas" para los seres vivos, es decir, materiales de

construcción y reparación de sus propias estructuras celulares. Sólo

excepcionalmente sirven como fuente de energía.

c)muchas tienen "actividad

biológica" (transporte, regulación, defensa, reserva, etc...). Esta característica diferencia a las proteinas

de otros principios inmediatos como glúcidos y lípidos que se encuentran en las

células como simples sustancias inertes.

¿CUANTO OCUPAN LAS PROTEINAS EN EL CUERPO HUMANO?

Las proteínas son muy abundantes,

pues constituyen casi la mitad del peso en seco de la célula. En el organismo

de una persona adulta, del 18 al 19% de su peso está formado por proteínas, lo

que en una persona de unos 70 kg. de peso supone unos 13 kg.

aproximadamente.

- Composición Química y Clasificación

Estos

elementos químicos se agrupan para formar unidades estructurales (monómeros) llamados

AMINOACIDOS, a los cuales podriamos considerar como los "ladrillos de los

edificios moleculares protéicos". Estos edificios macromoleculares se

construyen y desmoronan con gran facilidad dentro de las células, y a ello debe

precisamente la materia viva su capacidad de crecimiento, reparación y

regulación.

LAS PROTEINAS SE CREAN Y SE DESTRUYEN

La renovación continua de las

proteínas en el organismo supone que destruyamos diariamente de 200 a 300

gramos de ellas y que elaboremos otras tantas. Estos procesos requieren un

importante aporte de energía.

Las proteinas son, en resumen,

biopolímeros de aminoácidos y su presencia en los seres vivos es indispensable para el desarrollo de los múltiples procesos vitales.

Se clasifican, de forma general, en Holoproteinas y

Heteroproteinas según esten formadas respectivamente sólo por aminoácidos o

bien por aminoácidos más otras moléculas o elementos adicionales no

aminoacídicos.

Los aminoácidos.

Son

las unidades básicas que forman las proteinas.

Propiedades de los aminoácidos

Los

aminoácidos son compuestos sólidos; incoloros; cristalizables; de elevado punto

de fusión (habitualmente por encima de los 200 ºC); solubles en agua; con

actividad óptica y con un comportamiento anfótero.

La

actividad óptica se manifiesta por la capacidad de desviar el plano de luz

polarizada que atraviesa una disolución de aminoácidos,

El

comportamiento anfótero se refiere a que, en disolución acuosa, los aminoácidos

son capaces de ionizarse, dependiendo del pH, como un ácido (cuando el pH es

básico), como una base (cuando el pH es ácido) o como un ácido y una base a la

vez (cuando el pH es neutro).

El

pH en el cual un aminoácido tiende a adoptar una forma dipolar neutra (igual número de cargas positivas que negativas) se denomina Punto

Isoeléctrico. La solubilidad en agua de un aminoácido es mínima en su punto

isoeléctrico.

Péptidos y Enlace peptídico.

Los

péptidos son cadenas lineales de aminoácidos enlazados por enlaces químicos de tipo amídico a los que se denomina Enlace Peptídico.

Funciones de las proteínas

Las proteinas determinan la forma y la estructura de las células y dirigen

casi todos los procesos vitales. Las funciones de las proteinas son específicas

de cada una de ellas y permiten a las células mantener su integridad,

defenderse de agentes externos, reparar daños, controlar y regular funciones,

etc...Todas las proteinas realizan su función de la misma manera: por unión

selectiva a moléculas. Las proteinas estructurales se agregan a otras moléculas

de la misma proteina para originar una estructura mayor. Sin embargo,otras proteinas se unen a

moléculas distintas: los anticuerpos a los antígenos específicos, la

hemoglobina al oxígeno, las enzimas a sus sustratos, los reguladores de la

expresión génica al ADN, las hormonas a sus receptores específicos, etc...

A continuación se exponen algunos ejemplos de proteinas y las funciones que

desempeñan:

Función ESTRUCTURAL

-Algunas

proteinas constituyen estructuras celulares

-Otras

proteinas confieren elasticidad y resistencia a órganos y tejido.

Función ENZIMATICA

-Las proteinas con función

enzimática son las más numerosas y especializadas. Actúan como biocatalizadores

de las reacciones químicas del metabolismo celular.

Función HORMONAL

-Algunas hormonas son de naturaleza protéica, como la insulina y el

glucagón (que regulan los niveles de glucosa en sangre) o las hormonas

segregadas por la hipófisis como la del crecimiento o la adrenocorticotrópica

(que regula la síntesis de corticosteroides) o la calcitonina (que regula el

metabolismo del calcio).

Función REGULADORA

-Algunas proteinas regulan la expresión de ciertos genes y otras regulan la

división celular (como la ciclina).

Función HOMEOSTATICA

-Algunas mantienen el equilibrio osmótico y actúan junto con otros sistemas

amortiguadores para mantener constante el pH del medio interno.

Función DEFENSIVA

Las

inmunoglogulinas actúan como anticuerpos frente a posibles antígenos.

La trombina y el

fibrinógeno contribuyen a la formación de coágulos sanguíneos para evitar hemorragias.

Las mucinas tienen

efecto germicida y protegen a las mucosas.

Algunas toxinas bacterianas,

como la del botulismo, o venenos de serpientes, son proteinas fabricadas

con funciones defensivas.

Función de TRANSPORTE

La hemoglobina

transporta oxígeno en la sangre de los vertebrados.

La hemocianina

transporta oxígeno en la sangre de los invertebrados.

La mioglobina

transporta oxígeno en los músculos.

Las lipoproteinas

transportan lípidos por la sangre.

Los citocromos

transportan electrones.

Función CONTRACTIL

La actina y la

miosina constituyen las miofibrillas responsables de la contracción

muscular.

La dineina está

relacionada con el movimiento de cilios y flagelos.

Función DE RESERVA

La ovoalbúmina de

la clara de huevo, la gliadina del grano de trigo y la hordeina de la

cebada, constituyen la reserva de aminoácidos para el desarrollo del embrión.

La lactoalbúmina de

la leche.

Composición de los ácidos nucleicos

Son biopolímeros formados por unidades llamadas monómeros, que son

los nucleótidos.

Los nucleótidos están formados por la unión de:

a) Una pentosa, que puede ser la D-ribosa en el ARN; o la D-2- desoxirribosa en el ADN

b) Una base nitrogenada, que puede ser:

- Púrica, como la Guanina (G) y la Adenina (A)

- Pirimidínica, como la Timina (T), Citosina (C) y Uracilo (U)

C) Ácido fosfórico, que en la cadena de ácido nucleico une dos pentosas a

través de una unión fosfodiester. Esta unión se hace entre el C-3´de la pentosa, con el C-5´de la segunda.

A la unión de una pentosa con una base nitrogenada se le llama nucleósido. Esta unión se hace mediante un enlace -glucosídico.

- Si la pentosa es una ribosa, tenemos un ribonucleósido. Estos tienen como bases nitrogenadas la adenina, guanina, citosina y uracilo.

- Si la pentosa es un desoxirribosa, tenemos un desoxirribonucleósido.

Estos tienen como bases nitrogenadas la adenina, citosina, guanina y timina.

Tipos de ácidos nucleicos

Atendiendo a su estructura y

composición existen dos tipos de ácidos nucleicos que son:

a) Ácido desoxirribonucleico o ADN o DNA

b) Ácido ribonucleico o ARN o RNA

El

ADN es el portador de la informacion genética, se puede decir por tanto, que los genes están compuestos por ADN.

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