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Biología - 1 - Bioelementos y Biomoléculas Inorgánicas

1 enero 2019 por Arturo J. Murias

Bioelementos

Qué son
  • Elementos químicos de las molécula de los seres vivos (biomoléculas).
  • Unos 70 (de 90).
    • Los primarios son: C, H, O, N, P y S.
      • El C forma cadenas carbonadas estables, a las que se unen otros átomos, en las BM orgánicas.
    • Secundarios: Ca, Na, K, Mg...
    • Oligoelementos: Fe, Cu, Zn, I...
  • 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", "-NH3") -> las BM orgánicas son solubles en agua -> las BM orgánicas son solubles en los líquidos biológicos (sangre, linfa, LCR, plasma intersticial, orina...).
  • Se encuentran en forma de moléculas fácilmente asequibles para los SV: H2O, CO2, NO32-.

Enlaces Químicos de las BM

Covalentes
  • Ejemplos:
    • -C-C-
    • -C-N-
    • -C-O-
  • Son los más fuertes, pero no irrompibles -> dan estabilidad a las BM orgánicas, al tiempo que permiten cambios químicos (p.e. la digestión).
  • Ejemplos:
    • Enlaces entre los átomos de C (y N) del esqueleto de cualquier BM organica;
    • 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.
    • En el mantenimiento de la conformación de las proteínas; p.e. en la unión de los 4 péptidos de un anticuerpo o de la hemoglobina.
Iónicos
  • Son interacciones electrostáticas entre iones de signos opuestos.
  • Se deshacen al cambiar el pH.
  • Ejemplos:
    • En el mantenimiento de la conformación de las proteínas (cuando un aa' básico queda enfrente de un aa' ácido);
    • En la unión de cofactores metálicos a proteínas;
    • En la formación de las sales propias de esqueletos y caparazones.
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.

Agua

Presencia en los SV
  • El principal componente de los SV.
  • Depende de:
    • La especie: según el medio y el ecosistema en el que viva, la disponibilidad del agua será mayor o menor.
    • 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.
  • Pese a ser enlaces muy débiles y muy fugaces, su elevado número y su constante formación dota de gran cohesividad al agua.
Propiedades del agua debidas a su polaridad y a su capacidad de formar puentes de H
  • La elevada solubilidad en el agua de:
    • los solutos polares (con grupos -OH o grupos -NH2), y
    • de los compuestos iónicos: los iones opuestos 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.
  • 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 sólo 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.
Importancia biológica de las propiedades del agua
  • 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 esqueleo 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 vivan sobre el agua, 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 desagregan 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 o el mucus que recubre a los epitelios mucosos.

Sales Minerales

Presencia en los SV
  • Precipitadas formando cristales: de CaCO3, SiO2, Ca3(PO4)2...
  • Disueltas y disociadas en su catión (Ca2+) y su anión (CO32-).
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 formación de vesículas de neurotransmisores.
    • Ca2+ participa en la contracción muscular, permitiendo la interacción entre los filamentos finos y los gruesos de los sarcómeros.
    • 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 las SM 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 la membrana semipermeable 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 se encuentran también en el líquido de diálisis. Y tampoco salen las proteínas, por ser demasiado grandes como para atravesar la membrana de diálisis.

  • Las sales tamponantes como el sistema ácido carbónico / ión bicarbonato o el sistema ácido fosfórico / ión fosfato tienen la función de tomar protones del medio cuando los hay en exceso y 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 se desnaturalicen por este motivo.