TEMA 1: BIOELEMENTOS, AGUA Y SALES MINERALES

Gloria Aguilar Recuenco
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APUNTES BIOLOGÍA1

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BIOELEMENTOS: CONCEPTO Y CLASIFICACIÓN

Los bioelementos son aquellos  elementos químicos que forman parta de los seres vivos. De la tabla periódica de los elementos unos 70 aparecen en los seres vivos, de ellos unos 25 aparecen en todos los seres vivos. La clasificación  más común de los bioelementos o elementos biogénicos es atendiendo a su abundancia en los seres vivos, dividiéndose en : BIOELEMENTOS PRIMARIOS: son los más abundantes en los seres vivos (casi el 99%), son 6: C, H, O, N, P y S. Tan solo los 3 primeros (C, H y O) constituyen más del 95% de los bioelementos de los seres vivos. Estos 6 bioelementos son tan abundantes porque son los que forman la mayor parte de la composición  de nuestras biomoléculas (H2O, glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos), debido a que forman enlaces covalentes estables al tener un bajo número de electrones, pues los electrones compartidos en los enlaces están próximos al núcleo, y por tanto, las moléculas originadas son estables.

El carbono es especialmente importante porque forma 4 enlaces covalentes  con otros carbonos o con los demás bioelementos primarios. Los enlaces que realiza el átomo de carbono pueden ser simples, dobles o triples.

                                           La geometría espacial varía según los enlaces simples, dobles o triples que tenga el carbono

Al unirse átomos de carbono entre sí, pueden dar cadenas lineales, ramificadas e incluso cerradas (anillos), lo que permite crear una gran variedad de estructuras moleculares orgánicas distintas. Ningún otro elemento químico puede formar moléculas estables de tamaños y formas tan diferentes, no con tal variedad de grupos funcionales que origina la unirse con otros biolementos 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.

BIOELEMENTOS SECUNDARIOS: son bioelementos menos abundantes en los seres vivos que los anteriores pero son necesarios para el correcto funcionamiento del organismo. Son: Ca, Cl, K, Na y Mg.             Estos bioelementos forman la mayor parte de las sales minerales disueltas en los seres vivos, regulando la cantidad de líquidos en las             células y tejidos por ósmosis. Además muchos forman parte de moléculas con importante funciones como enzimas, hormonas, vitaminas... por ejemplo, el magnesio forma parte de la clorofila. Además tienen también funciones específicas. Por ejemplo el Ca es necesario para la contracción muscular o la coagulación sanguínea y forma parte de los huesos. El Na, K y Cl son necesarios para la transmisión del impulso nervioso....

OLIGOELEMENTOS O ELEMENTOS VESTIGIALES: son bioelementos que aparecen en pequeñísimas concentraciones (menos del 0,1%) pero que son necesarios para el correcto funcionamiento del organismo. Por ejemplo el Fe a pesar de haber poco en nuestro organismo, forma parte de la hemoglobina que es una proteína que transporta el oxígeno en los glóbulos rojos. Algunos de ellos son esenciales en todos los seres vivos (Fe, Mn, Cu, Zn y Co) y otros pueden ser esenciales en unos y no existir en otros seres vivos (como el I).             * Algunos autores clasifican estos oligoelementos dentro de los bioelementos secundarios.

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BIOMOLÉCULAS: CONCEPTO Y CLASIFICACIÓN. EL AGUA

Las biomoléculas son aquellas moléculas que forman parte de los seres vivos. A diferencia de los bioelementos que se extraen de la materia viva por métodos químicos agresivos, las biomoléculas se pueden extraer de los seres vivos por métodos físicos, como la filtración, la diálisis, la cristalización, la centrifugación, la cromatografía y la electroforesis. También se denominan PRINCIPIOS INMEDIATOS. Se clasifican en ORGÁNICAS e INORGÁNICAS, dependiendo de si son moléculas exclusivas de los seres vivos  no (al aparecer también en la materia inerte. Las biomoléculas iNORGÁNICAS comprenden el AGUA , las SALES MINERALES y los GASES como el O2 y el CO2. Las ORGÁNICAS comprenden los GLÚCIDOS, LÍPIDOS, PROTEÍNAS Y ÁCIDOS NUCLEICOS.

EL AGUA

Es la biomolécula más abundante en todos los seres vivos. Generalmente oscila entre el 50 y el 95% del peso del ser vivo y sin ella no sería posible la vida. El contenido de agua depende de la especie, partes del cuerpo, edad del individuo y otros factores. Así los humanos al nacer tienen un 70% de agua, de adulto un 65% aproximadamente y un anciano menos de 55%. La obesidad también es muy importante pues un adulto puede tener un 40% de agua en caso de presentar obesidad extrema y un 70% en caso de delgadez extrema.

¿Por qué una persona obesa tiene menos proporción de agua en el cuerpo? ¿Por qué la deshidratación de los alimentos, como la leche en polvo, es un método para su conservación? ¿Se puede pensar en la posibilidad de vida en otros planetas sin oxígeno o sin agua?

Estructura del agua

La molécula de agua está formada por un oxígeno unido a dos hidrógenos mediante enlaces covalentes simples. Entre ellos se determina un ángulo de 104,5º. El oxígeno, al ser más electro negativo, atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace, desplazándose ligeramente los electrones más cerca del oxígeno. Como los dos hidrógenos se orientan hacia el mismo lado, da lugar en la molécula a una región electropositiva en lado de los H y una región electro negativa en el lado opuesto. Esta geometría es la responsable de que el agua sea una sustancia polar.

Por ello, la molécula de agua, a pesar de ser eléctricamente neutra (no tiene carga neta al poseer igual número de electrones que de protones) es una molécula polar debido a la distribución asimétrica de sus electrones.  Esto provoca que se produzcan atracciones electrostáticas entre los oxígenos de una molécula de agua y los hidrógenos de otras. Así se forman enlaces llamados PUENTES DE HIDRÓGENO. Cada molécula de agua puede formar hasta un máximo de 4 de estos enlaces (dos del oxígeno y uno de cada hidrógeno). El agua congelada presenta todas sus moléculas con 4 enlaces de hidrógeno mientras que el agua líquida presenta una media de 3,4 de estos enlaces. ESTOS PUENTES DE HIDRÓGENO SON LOS RESPONSABLES DE LAS PROPIEDADES ESPECIALES QUE POSEE EL AGUA.

Propiedades del agua

La polaridad del agua y la existencia de puentes de H confieren a esta molécula unas propiedades especiales que son: gran poder disolvente  elevado calor específico elevada fuerza de cohesión elevado calor de vaporización capilaridad elevada tensión superficial ser líquida a temperatura ambiente dilatación (o densidad) anómala

GRAN PODER DISOLVENTE El agua es el líquido que más sustancias disuelve, lo que le ha valido el calificativo de disolvente universal. Las sustancias que se disuelven en medio acuoso se llaman HIDROFÍLICAS y esto es debido a que químicamente son polares. Las que no se disuelven en medio acuoso se denominan HIDROFÓBICAS y son polares.  Debido a la polaridad del agua, ésta se puede interponer entre los iones de las redes cristalinas de los compuestos irónicos, lo que origina una disminución importante de la atracción entre ellos, y en definitiva, provoca su disolución. Fíjate como el anión Cl es rodeado por los H de varias moléculas de agua y el catión Na es rodeado por los O de varias moléculas de agua.

El agua también puede formar enlaces por puentes de H con moléculas no tónicas pero que tienen grupos polares, por ejemplo monosacáridos, aminoácidos, nucleótidos... y causar su disolución. Esta propiedad es crucial para que se puedan TRANSPORTAR nutrientes y desechos en los líquidos de los seres vivos (sangre, linfa, savia...) ya que si no se disolvieran, estas sustancias no podrían ser transportadas. 

ELEVADO CALOR ESPECÍFICO El calor específico es la cantidad de calor que es necesario comunicar a un gramo de una sustancia para aumentar su temperatura 1ºC. El calor específico del agua es de 1 calorías lo que es un valor muy alto. Esto es así porque cuando se aplica calor al agua, parte de la energía comunicada se emplea en romper los enlaces de H y no en elevar la temperatura. Esta propiedad tiene importantes consecuencias para los seres vivos, ya que el alto calor específico provoca que el agua se caliente y se enfríe más lentamente, evitando los cambios bruscos de temperatura, y de este modo, regula la temperatura en los seres vivos. Esto es vital para su supervivencia.

ELEVADO CALOR DE VAPORIZACIÓN Sirve el mismo razonamiento anterior.  Para evaporar el agua primero hay que romper los puentes de hidrógeno y después suministrar al agua la suficiente energía para que pase de la fase líquida a la gaseosa. Así podemos observar como, al hervir agua, ésta pasa mucho tiempo a 100ºC hasta que se evapora. Esto explica por qué la sudación refresca. Al evaporarse el agua, ésta absorbe calor del entorno para pasar de líquido a vapor. Este calor lo toma enfriando aquello que está más cerca, la piel. Así la piel se refresca, disminuye su temperatura si se evapora (si no, no). Lo mismo con la respiración, el aire que se expulsa suele ser más húmedo por lo que ha absorbido energía (calor) del cuerpo.

ELEVADA FUERZA DE COHESIÓN La cohesión es la capacidad de mantenerse juntas sustancias iguales.  Las moléculas de agua , gracias a sus enlaces de H, poseen mayor cohesión que cualquier otro líquido, a excepción del mercurio. Así se forma una estructura  tan fuertemente cohesionada que s convierte en un líquido casi incompresible. Al no poder comprimirse puede actuar como esqueleto hidrostática en algunos animales invertebrados o permitir la turgencia en plantas (es el fenómeno por el cual las células al absorber agua se hinchan ejerciendo presión sobre las membranas celulares).  Gracias a esta propiedad el agua da forma y consistencia a células, tejidos, órganos e incluso a todo el cuerpo de plantas o animales.  Esta propiedad también explica la función amortiguadora que ejerce en las articulaciones de vertebrados, constituyendo el líquido sino vial que evita el contacto entre los huesos.

ELEVADA FUERZA DE ADHESIÓN Las moléculas de agua tienden a mantenerse unidas, pero bajo ciertas circunstancias, se adhieren fuertemente a otro tipo de moléculas. De nuevo los puentes de H son los responsables de esta propiedad. Así la adhesión permite que el agua "suba" por delgados tubos de vidrio llamados capilares colocados en un vaso de agua. Esto ocurre porque las moléculas de agua son atraídas con mayor fuerza al vidrio que a las otras moléculas de agua (ya que las de vidrio tienen mayor polaridad). Esta es una de las causas principales de la ascensión de la savia bruta desde las raíces hasta las hojas.

LÍQUIDA A TEMPERATURA AMBIENTE Si nos fijamos en otras moléculas de similar peso molecular, como el CO2, a temperatura ambiente son gases, no líquidos como el agua.  Esto se debe una vez más a los puentes de H que se establecen entre moléculas vecinas. Son tantas las moléculas que quedan unidos por ellos que  la sustancia alcanza pesos moleculares tan elevados que se comporta como líquido.

DILATACIÓN ANÓMALA DEL AGUA De siempre hemos sabido que los cuerpos se dilatan al aumentar su temperatura. Sin embargo, una masa de hielo tiene más volumen que una de agua.. La densidad máxima del agua se alcanza cerca de 4ºC por lo que el hielo y el agua caliente es menos densa. Esto se debe a que cuando se congela, sus moléculas se unen formando una estructura hexagonal con mucho vacío. Así, su volumen aumenta, ya que ocupa mayor espacio, pero su densidad disminuye, al estar las moléculas más separadas.  Así el hielo flota sobre el agua líquida. Esta propiedad es vital para los seres vivos ya que permite la supervivencia de los organismos acuáticos en los ecosistemas fríos. 

Funciones biológicas del agua

La estructura de la molécula de agua confiere a esta sustancia unas propiedades que hacen posible que ésta realice importantes funciones en los seres vivos para el mantenimiento de la vida. FUNCIÓN DISOLVENTE FUNCIÓN ESTRUCTURAL FUNCIÓN TERMORREGULADORA FUNCIÓN AMORTIGUADORA FUNCIÓN TRANSPORTE DE SUSTANCIAS

¿Por qué en los días de calor húmedo de Almería sudamos pero no refrescamos? ¿Por qué es importante quitarse la ropa mojada en invierno cuando te mojas por la lluvia? ¿Por qué en Almería los contrastes de temperatura entre la máxima y la mínima varian mucho menos que en Granada?

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SALES MINERALES: CLASIFICACIÓN Y FUNCIONES

Son moléculas inorgánicas presentes en todos los seres vivos. Según su solubilidad en agua las sales se clasifican en PRECIPITADAS (O INSOLUBLES) Y DISUELTAS (O SOLUBLES).  Cumplen muchas funciones en los seres vivos pero destacaremos la función estructural de las sales precipitadas, la función osmótica de todas las sales disueltas y la tamponadora de determinadas sales disueltas.

Sales minerales insolubles en agua o precipitadas

Se encuentran en estado sólido en los seres vivos formando estructuras con función de protección y sostén como huesos y caparazones. Las más comunes son el carbonato cálcico (CaCO3), el fosfato cálcico (Ca3(PO4)2) y la sílice (SiO2). FUNCIÓN ESTRUCTURAL Estas sales tienen función estructural ya que forman parte de estructuras duras de protección y sostén. Así el carbonato cálcico forma parte del esqueleto de corales, de las conchas de gasterópodos y bivalvos y de los huesos de los vertebrados. El fosfato cálcico forma parte de los huesos y dientes y la sílice de caparazones de algas unicelulares y del cuerpo de esponjas. 

Sales minerales solubles en agua o disueltas

Al disolverse en agua, las sales forman iones. Los más frecuentes son los cationes de Na, K, Ca y Mg y los aniones de Cl, fosfato y bicarbonato.  Estas sales cumplen tanto funciones generales como específicas; por ejemplo la función general de regular la cantidad de líquidos en los compartimentos del cuerpo (sangre, citoplasma...) ya que intervienen en la presión osmótica. Entre las funciones específicas destacan la transmisión del impulso nervioso, la contracción muscular, la coagulación sanguínea, formar parte de vitaminas, transportar oxígeno etc FUNCIÓN OSMÓTICA La ósmosis es el proceso por el que se produce el paso del disolvente (en los seres vivos es el agua) a través de una membrana semipermeable entre dos disoluciones de diferente concentración, Este paso de disolvente se produce desde la disolución más diluida hacia la más concentrada, hasta que las dos concentraciones alcanzan el equilibrio, igualándose. Los medios acuosos pueden tener diferentes concentraciones y se denominan: Medio hipotónico: son aquellos medios acuosos que poseen una baja concentración de solitos con respecto a otros en los que la concentración es mayor Medio hipertónico: son aquellos que poseen una alta concentración de solitos con respecto a otros en los que la concentración es menor. Medio isotónico: son aquellos que tienen la misma concentración de solutos.  Las membranas celulares actúan como membranas semipermeables que permiten el paso del agua pero no de los solutos. Así, el agua pasará de los medios hipotónicos a los hipertónicos, ejerciendo una presión sobre la membrana llamada presión osmótica (que será más intensa cuanto mayor sea la diferencia de concentración entre ambos medios).  En la célula pueden darse tres situaciones dependiendo de que el medio extra celular sea hipertónico, hipotónico o isotónico. Cuando el medio EXTRACELULAR es HIPERTÓNICO respecto a la célula, sale de la célula agua por ósmosis. Las células pierden agua, disminuye la presión osmótica, se deshidratan e incluso podrían llegar a morir, fenómeno conocido como PLASMÓLISIS.  Cuando el medio EXTRACELULAR es HIPOTÓNICO respecto a la célula, entra un exceso de agua al interior celular. Aumenta la presión osmótica y se produce un hinchamiento que puede provocar la ruptura de la membrana plasmática en células animales, y por tanto, la muerte celular. Este fenómeno se conoce como HEMÓLISIS. En células vegetales la pared celular evita que la membrana se rompa. Este fenómeno se denomina TURGENCIA.  Cuando el medio extracelular es isotónico no se produce ósmosis. La cantidad de agua está en equilibrio. Ni entra ni sale agua.   ¿Por qué los diabéticos presentan poliuría?  ¿Por qué muere una planta si la riegas con agua de mar?

   2.    FUNCIÓN TAMPONADORA El agua pura tiene un pH neutro (pH=7), no es ni ácida ni básica. Sin embargo, al añadirse sustancias ácidas o básicas el pH cambia. Se considera el pH ácido cuando es menor de 7 y básico cuando es mayor. Los organismos vivos no soportan variaciones de pH mayores de unas décimas, ya que ello afecta a la estabilidad de las macromoléculas. Por esta razón los seres vivos han desarrollado sistemas tampón. Las disoluciones tampón, también llamadas sistemas amortiguadores o buffer, consisten en un conjunto de sustancias relacionadas entre sí y capaces de mantener el pH constante cuando se añaden pequeñas cantidades de iones a una disolución.  Así por ejemplo en la sangre tenemos los sistemas tampón bicarbonato y el sistema tampón fosfato en los medios intracelulares.  

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