Clases

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Bioelementos

Qué son

• Elementos químicos de las moléculas de los seres vivos (biomoléculas).
• Unos 70 (de 90).
  • Primarios: constituyen el 96% de la materia viva seca: C, H, O, N, P y S. Son los dominantes en las BM orgánicas.
    • El C forma cadenas carbonadas estables, a las que se unen otros átomos; por ello, junto con H y O es el componente esencial de todas las BM orgánicas.
    • N: presente en las proteínas y los ácidos nucleicos;
    • P: presente en los ácidos nucleicos y los fosfolípidos;
    • S: presente en las proteínas.
  • Secundarios:
    • Na: esencial para la transmisión del impulso nervioso a lo largo de las neuronas y para mantener el equilibrio hídrico en el organismo;
    • K: desempeñando papeles inversos a los del Na, contribuye a las mismas funciones;
    • Ca: esencial para la transmisión del impulso nervioso entre las neuronas, para la contracción muscular, para la coagulación de la sangre y para la formación de esqueletos y caparazones;
    • Mg: necesario para la síntesis de proteínas; presente en la molécula de clorofila;
    • Cl: esencial para mantener el equilibrio hídrico en las células.
  • Oligoelementos o elementos traza: presentes en una cantidad no superior al 0,01% de la materia viva seca. Muchos funcionan como cofactores metálicos de enzimas. Los siguientes son esenciales para un nº importante de especies: I, Fe, Cu, Li y Zn
• No coinciden con los más abundantes en la geosfera: O, Si, Fe, Al.
  • El Si formaría compuestos hiperestables, impidiendo los cambios químicos necesarios para la vida.

Por qué lo son

• Pueden formar enlaces covalentes → estabilidad de las biomoléculas.
• Poseen pocas capas de electrones → electrones muy retenidos → los enlaces covalentes formados son particularmente estables.
• O y N son muy electronegativos → hay grupos polares en las BM orgánicas (-OH, -NH₂) → las BM orgánicas son solubles en agua → las BM orgánicas son solubles en los líquidos biológicos (sangre, linfa, LCR, plasma intersticial, orina...).
• En la Naturaleza se encuentran en forma de moléculas fácilmente asequibles para los SV: H₂O, CO₂, NO₃^-.

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Enlaces Químicos y Fueras Intermoleculares de las BM

Covalentes

• Entre elementos no metálicos de electronegatividad similar: -C-C- // -C-N- // -C-O- // -S-S-
• Son los más fuertes, pero no irrompibles → dan estabilidad a las BM orgánicas, al tiempo que permiten cambios químicos (p.e. la digestión).
• Ejemplos en los seres vivos:
  • Enlaces entre los átomos de C (y N) del esqueleto de cualquier BM organica;
  • Enlaces entre los monómeros de los polímeros orgánicos:
    • Enlace O-glucosídico entre los monosacáridos de los oligo- y polisacáridos;
    • Enlace peptídico entre los aminoácidos de una proteína;
    • Enlace nucleotídico entre los nucleótidos de una cadena de ADN o de ARN.
  • Enlaces que mantienen la conformación de las proteínas; p.e. en la unión de los 4 péptidos de un anticuerpo mediante puentes disulfuro entre parejas de aminoácidos cisteína.

Iónicos

• Son interacciones electrostáticas entre iones de signos opuestos.
• Se deshacen al cambiar el pH.
• Ejemplos en los seres vivos:
  • Enlaces que mantienen la conformación de las proteínas (entre un aa' básico y otro ácido);
  • En la unión de cofactores metálicos a proteínas;
  • En la formación de las sales propias de esqueletos y caparazones (CaCO₃).

Puentes de Hidrógeno

• Son interacciones electrostáticas entre átomos con carga eléctrica parcial opuesta, a causa del desplazamiento de los electrones a uno de los 2 lados de un enlace covalente.
• Son débiles → se dan en interacciones débiles o transitorias:
  • Unión de un enzima a su sustrato.
• Cuando hay muchos, son estables, aunque siempre se pueden deshacer por calentamiento:
  • Entre las 2 cadenas de una molécula de ADN;
  • En el 1º nivel de plegamiento de las proteínas.

Fuerzas de Van der Waals

• Son interacciones electrostáticas entre átomos con carga eléctrica opuesta de forma muy transitoria, a causa del continuo desplazamiento de los electrones de los átomos de un enlace.
• Son muy débiles.

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Agua

Presencia en los SV

• El principal componente de los SV.
• Depende de:
  • La especie: el agua será más o menos asequible según el medio y el ecosistema en el que viva.
  • La edad: cuanto menor sea, mayor la tasa de actividad fisiológica → mayor tasa de actividad metabólica → mayor necesidad de agua → mayor contenido en agua.
  • El tejido: a mayor tasa de actividad metabólica (meristemos, nervioso...) → mayor necesidad de agua → mayor contenido en agua.

Puentes de Hidrógeno en el agua líquida

• En la molécula de agua, el O forma un enlace covalente con cada H, pero al ser más electronegativo el O que los H, el O atrae hacia sí a los electrones compartidos con el H. Esto deja al O con una carga parcial negativa y a cada H con media carga parcial positiva. Así pues, la molécula de agua es un dipolo eléctrico pese a ser eléctricamente neutra.
• Otras moléculas con carácter dipolar (o polar a secas) son las que tienen grupos -OH o grupos -NH₂.
• El carácter dipolar de las moléculas de agua permite que se formen enlaces (puentes de H) por la atracción electrostática entre un O (negativo) de una molécula de agua y un H (positivo) de otra.
• Cada molécula de agua puede formar 4 puentes de H, y aunque son enlaces muy débiles y fugaces, se forman continuamente en gran número.

Propiedades del agua debidas a su polaridad y a sus puentes de H

• La elevada solubilidad en el agua de las llamadas sustancias hidrófilas:
  • los compuestos polares (con grupos -OH o grupos -NH₂), y
  • los compuestos iónicos: los iones opuestos de un compuesto iónico se atraen entre sí 80 veces menos dentro del agua que fuera de ella (cte. dieléctrica del agua = 80), por ello estos compuestos se disgregan fácilmente dentro del agua.
• La cohesividad de las moléculas de una masa de agua entre sí: sin los puentes de H el agua estaría en estado gaseoso a temperatura ambiente.
• La adhesividad del agua a las superficies.
• La capilaridad, que deriva de las 2 anteriores: el agua tiende a ascender por tubos estrechos.
• El elevado calor específico del agua: el agua ha de consumir mucho calor antes de poder elevar su temperatura.
• Los elevados calores latente de fusión y latente de vaporización del agua: el agua ha de consumir mucho calor antes de fundirse o vaporizarse.
• La elevada tensión superficial del agua líquida: las moléculas más superficiales de una masa de agua solo sufren fuerzas hacia abajo, lo que las compacta.
• La elevada densidad del agua líquida: los p de H acercan tanto a las moléculas de agua, que su máxima densidad no se alcanza en estado sólido sino a 4ºC.

Funciones biológicas del agua debidas a su polaridad y a sus puentes de H

• Su carácter dipolar permite que sea un gran disolvente de todo tipo de moléculas polares e iónicas, por lo que se le llama el "disolvente universal": es el disolvente de casi todas las disoluciones biológicas.
• La cohesividad de las moléculas de una masa de agua hace que estén muy cerca unas de otras, y que la masa de agua sea muy poco compresible, lo que le permite actuar de esqueleto hidrostático en anélidos y equinodermos, p.e.
• La cohesividad de las moléculas de una masa de agua, la adhesividad a superficies y la capilaridad que deriva de las 2 anteriores son esenciales para permitir el ascenso de la savia bruta por los vasos leñosos del xilema de las plantas vasculares.
• La elevada tensión superficial del agua: permite la existencia de seres vivos que viven sobre el agua (el neuston), como las algas llamadas sargazos o los insectos llamados zapateros.
• El elevado calor específico del agua, su elevado calor latente de fusión y su elevado calor latente de vaporización son esenciales para que el agua de los líquidos biológicos (sangre, savia…) cambie muy poco de temperatura y casi nunca de estado: esta estabilidad térmica es muy favorable para garantizar la estabilidad de las proteínas, del ADN y el mantenimiento de la vida en general.
• El elevado calor latente de vaporización del agua permite que el agua superficial de un ser vivo (p.e. el sudor) haya de absorber mucho calor ambiental antes de evaporarse; este calor ambiental consumido por el agua superficial evaporada no puede contribuir a elevar la temperatura del ser vivo, motivo por el que se dice que el agua es capaz de refrigerar a los SV.
• La mayor densidad del agua líquida que el agua sólida hace que los lagos y lagunas no se congelen por completo en invierno, sino solo superficialmente, lo que permite que la vida continúe, aún con actividad muy ralentizada.

Dispersiones acuosas

• Suspensiones, cuando las moléculas de la fase dispersa (la minoritaria) no se separan y se mantienen formando partículas dentro de la fase dispersante (la mayoritaria).
• Disoluciones: cuando las moléculas de la fase dispersa se separan entre sí y se entremezclan con las de la fase dispersante.
  • Disoluciones verdaderas: cuando el tamaño de los solutos (fase dispersa de una disolución) es pequeño, como las sales minerales o los monosacáridos.
  • Coloides: cuando el tamaño de los solutos es grande, como las proteínas, polisacáridos o los ácidos nucleicos dispersos en el citosol.
    • Soles: coloides fluidos, con mucha agua;
    • Geles: coloides viscosos, con poca agua, como la periferia del citosol, el glicocálix que rodea a la membrana de las células animales o el mucus que recubre a los epitelios mucosos.
• Ejemplo. La sangre es una suspensión, porque los glóbulos rojos, los glóbulos blancos y las plaquetas están suspendidos en ella. Pero si los retiramos queda el plasma sanguíneo, que es un coloide (un sol) porque tiene proteínas, que son sustancias de elevado peso molecular. Y si las retiramos nos queda suero sanguíneo, que es una disolución verdadera, ya que tiene solutos de bajo peso molecular tales como la glucosa, los iones, las hormonas...

Sales Minerales

Presencia en los SV

• Precipitadas formando cristales: de CaCO₃, Ca₃(PO₄)₂, SiO₂...
• Disueltas y disociadas en su catión (Ca²⁺) y su anión (CO₃^2-).

Funciones biológicas

• Constituyen estructuras duras de sostén y protección: huesos, conchas y caparazones, espículas (esponjas), depósitos minerales dispersos (gramíneas).
• Son necesarias en procesos bioquímicos fundamentales. De ahí la necesidad de mantener sus concentraciones y sus proporciones dentro del medio interno de un SV:
  • Na⁺ y K⁺ participan en la transmisión del impulso nervioso a lo largo de una neurona al ser los responsables de la despolarización y repolarización de su membrana.
  • Ca²⁺ participa en la transmisión del impulso nervioso de una neurona a otra, induciendo la liberación de vesículas de neurotransmisores a la hendidura sináptica.
  • Ca²⁺ participa en la contracción muscular, permitiendo la interacción entre los filamentos finos y los gruesos de los sarcómeros cuando es liberado al citoplasma desde el REl.
  • Mg²⁺ es necesario en la fase de iniciación de la traducción de la biosíntesis de proteínas.
• Son necesarias para evitar procesos osmóticos que alteren el volumen celular:
  • La ósmosis es el movimiento del disolvente (agua) a través de una membrana semipermeable (que no deja pasar a los solutos), tendente a igualar las concentraciones de las disoluciones a uno y otro lado de la membrana, de modo que el agua se mueve desde la disolución más diluida (con mayor potencial hídrico) a la menos diluida.
  • Por ello una célula inmersa en una disolución diluida (medio hipotónico) se vuelve turgente y puede estallar si carece de pared (caso de los protozoos y de las células animales).
  • Y una célula inmersa en una disolución concentrada (medio hipertónico) pierde agua y se plasmoliza.
  • El papel de los iones minerales, como el Na⁺, el K⁺ y el Cl^-, ante estos problemas, es mantener en el medio interno celular una concentración isotónica respecto del medio externo.

La diálisis es un proceso relacionado con la ósmosis. En este caso, a través de una membrana semipermeable (como son las membranas celulares) pasan tanto el disolvente como solutos de bajo peso molecular (PM). Esto permite separar a los solutos de bajo PM de los de alto PM de una disolución.

En la hemodiálisis se arrastran fuera de la sangre las pequeñas sustancias de desecho como la urea. Para ello se pone a la sangre en contacto, a través de una membrana semipermeable como el peritoneo, con una disolución acuosa rica en glucosa e iones minerales como el HCO₃^-, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ y el Cl^-. Estas sustancias no salen de la sangre, ya que están también en el líquido de diálisis. Y tampoco salen las proteínas, por ser demasiado grandes para poder atravesar la membrana de diálisis. Pero sí salen las sustancias de desecho por simple difusión a favor de gradiente.

• Las sales tamponantes como el sistema ácido carbónico / ión bicarbonato o el sistema ácido fosfórico / ión fosfato tienen la cualidad de poder tomar protones del medio cuando los hay en exceso y de liberar protones al medio cuando los hay en defecto. Esto permite amortiguar los cambios de pH en los fluidos biológicos, como la sangre o el citosol. Y esto a su vez impide que las proteínas o el ADN se desnaturalicen por variaciones de pH.