Los bioelementosLos bioelementosEl agua y las sales mineralesEl agua y las sales minerales

2º BACHILLERATO BIOLOGÍAI.E.S. CAPELLANÍA

Definición y clasificaciónDefinición y clasificación

Son los elementos químicos que constituyen la materia viva

BIOELEMENTOS

PRIMARIOS

(indispensables para la formación de biomoléculas)

SECUNDARIOS

(Podemos encontrarlos tanto en biomoléculas

orgánicas u otras)

OLIGOELEMENTOS

(Podemos encontrarlos tanto en biomoléculas

orgánicas pero en menos proporción)

BIOELEMENTOS PRIMARIOSBIOELEMENTOS PRIMARIOS

• Constituye el 96.2% de la materia viva.• Son seis: O, C, H, N, P y SEl carbono y el hidrógeno:• Al presentar 4 electrones en su última capa, el carbono puede enlazar covalentemente con otros elementos. En nuestro caso, puede formar largas cadenas hidrocarbonadas por unión a otros átomos de H y C (con enlaces simples, dobles o triples)• Estos enlaces están orientados hacia los cuatro vértices de un tetraedro, lo que confiere múltiples posibilidades tridimensionales.

El oxígeno:• Es el elemento mayoritario en la litosfera y la biosfera.• Es el más electronegativo, aportando más polaridad.• Forma el agua, esencial para la vida El Nitrógeno:

• Mayoritario en la atmósfera.• Forma grupos amino (-NH2) siendo esenciales en los aminoácidos y ácidos nucleicos.

El Azufre:• Presente en muchas proteínas en la forma de radical sulfhidrilo (-SH). • Aportan estabilidad a las proteínas gracias a enlaces disulfuro. El Fósforo:

• Constituido principalmente por grupos fosfato (-PO4)3-• Son imprescindibles en la molécula ATP, moneda energética de la célula

Bioelementos secundarios Bioelementos secundarios Tienen diferentes funciones. Se puede distinguir entre los que son abundantes y los oligoelementos (<0.1%) Los más abundantes son el Na, K, Mg Cl y Ca.

Sus funciones son:

1.Los iones Na+, K+ y Cl-, que son los iones más abundantes en los medios internos y en el interior de las células, intervienen en el mantenimiento del grado de salinidad y en el equilibrio de cargas eléctricas a un lado y otro de la membrana plasmática.

2.Los iones Na+ y K+, además, son fundamentales en la transmisión del impulso nervioso.

El magnesio es un componente de muchas enzimas y del pigmento clorofila. También interviene en la síntesis y degradación del ATP, en la replicación del ADN y en su estabilización, en la síntesis del ARN, etc.

El calcio, en forma de carbonato (CaCO3), da lugar a los caparazones de los moluscos y a los esqueletos de otros muchos animales y, como ion (Ca2+), actúa en muchas reacciones, como los mecanismos de la contracción muscular, la permeabilidad de las membranas celulares, la coagulación de la sangre, etc.

El hierro es necesario para sintetizar la hemoglobina de la sangre y la mioglobina, dos transportadores de moléculas de oxígeno, y los citocromos, enzimas que intervienen en la respiración celular.

El cinc es abundante en el cerebro, en los órganos sexuales y en el páncreas. En este último se asocia a la acción de la hormona insulina para el control de la concentración del azúcar en sangre.

El cobre se requiere para formar la hemocianina, pigmento respiratorio de muchos invertebrados acuáticos, y para algunas enzimas oxidasas.

El cobalto hace falta para sintetizar la vitamina B12 y algunas enzimas que regulan la fijación del nitrógeno.

El litio actúa incrementando la secreción de los neurotransmisores y favorece la estabilidad del estado de ánimo en enfermos de depresiones endógenas.

El manganeso actúa asociado a diversas enzimas degradativas de proteínas, como factor de crecimiento, y en los procesos fotosintéticos. Su deficiencia origina por ello amarillamiento de las hojas.

El silicio forma parte de los caparazones de las diatomeas y da rigidez a los tallos de las gramíneas y de los equisetos.

El yodo es necesario para formar la hormona tiroidea, responsable del ritmo del metabolismo energético. Su falta provoca el bocio.

El flúor se encuentra en el esmalte de los dientes y en los huesos. Su carencia favorece la caries de los dientes.

En los seres vivos, los bioelementos se unen para formar las denominadas BIOMOLÉCULAS o PRINCIPIOS INMEDIATOS.

Otras biomoléculas son las

denominadas SIMPLES

(formadas por átomos del

mismo elemento)

Principios inmediatos inorgánicosPrincipios inmediatos inorgánicosEl 02, el C02 y el N2 son tres sustancias gaseosas a temperatura ambiente.

•El 02 es necesario para la respiración aeróbica o un producto de excreción en la fotosíntesis.

•El C02 es un producto de excreción, eliminándose directamente a través de las membranas celulares en los organismos unicelulares o en los pluricelulares de organización sencilla. Lo captan de la atmósfera las algas y las plantas al realizar la fotosíntesis en sus cloroplastos.

•El N2 es prácticamente un gas inerte, y por ello los vegetales son incapaces de tomarlo de la atmósfera; sólo algunas bacterias del suelo (por ejemplo, Clostridium pasteurianum) y otras que son simbiontes de las raíces de las leguminosas (algunas especies del género Rhizobium) son capaces de captarlo y aprovecharlo para sintetizar proteínas.

El aguaEl aguaEl agua es la sustancia química más abundante en la materia viva, siendo

indispensable para la vida.La cantidad presente en un organismo depende de la especie, de la edad del

individuo y del órgano.

Aunque una molécula de agua tiene una carga total neutra, los electrones están distribuidos asimétricamente, lo que la convierte en una molécula POLAR

El núcleo de oxígeno, desplaza los electrones de los núcleos de hidrógeno dejando a éstos con una pequeña carga neta positiva y al oxígeno con una negativa. La molécula formaría un tetraedro, en cuyos vértices tendremos a los dos átomos de hidrógeno y dos zonas negativas.

Esta característica de ser POLAR, hace que dos moléculas de agua adyacentes puedan establecer un enlace conocido como PUENTE DE HIDRÓGENO, siendo más fuertes cuando tres de sus átomos están en línea recta

ENLACES POR PUENTES DE HIDRÓGENO

Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas, debida a los puentes de hidrógeno Ello explica que el agua sea un líquido prácticamente incompresible, idóneo para dar volumen a las células, provocar la turgencia de las plantas, constituir el esqueleto hidrostático de anélidos y celentéreos, etc.

Elevada tensión superficial, es decir, que su superficie opone una gran resistencia a romperse, a que se separen sus moléculas. Esto permite que muchos organismos vivan asociados a esa película superficial y que se desplacen sobre ella.

Elevada fuerza de adhesión (capilaridad). El fenómeno de la capilaridad depende tanto de la adhesión de las moléculas de agua a las paredes de los conductos como de la cohesión de las moléculas de agua entre sí. Esta propiedad explica, por ejemplo, que la savia bruta ascienda por los tubos capilares

Elevado calor específico.

•El agua puede absorber grandes cantidades de calor, mientras que, proporcionalmente, su temperatura sólo se eleva ligeramente (calor necesario para elevar 1 grado un gramo de agua)

•El agua emplea esta energía en romper los puentes de H.

•El agua se convierte en estabilizador térmico del organismo frente a los cambios bruscos de temperatura del ambiente.

•Su temperatura desciende con más lentitud que la de otros líquidos a medida que va liberando energía al enfriarse.

•Esta propiedad permite que el contenido acuoso de las células sirva de protección a las sensibles moléculas orgánicas ante los cambios bruscos de temperatura.

•El calor que se desprende en los procesos metabólicos no se acumula en los lugares donde se produce, sino que se difunde en el medio acuoso y se disipa finalmente hacia el medio externo.

•Ayuda a mantener constante la temperatura en los organismos homeotermos

Elevado calor de vaporización. Ello se debe a que para pasar del estado líquido al gaseoso hay que romper todos los puentes de hidrógeno. Los seres vivos utilizan esta propiedad para refrescarse al evaporarse el sudor.

El jadeo de los animales es otra

forma de refrescarse

Alta conductividad. Debido a esta propiedad, el calor se distribuye fácilmente por toda la masa de agua, lo que evita la acumulación de calor en un determinado punto del organismo.

Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido (Coeficiente de dilatación negativo). Ello explica que el hielo flote en el agua y que forme una capa superficial termoaislante que permite la vida, bajo ella, en ríos, mares y lagos. Si el hielo fuera más denso que el agua, acabaría helándose toda el agua. Esto se explica por que los puentes de hidrógeno “congelados” mantienen las moléculas más separadas que en el estado líquido.

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. El proceso de disolución se debe a que las moléculas de agua, al ser polares, se disponen alrededor de los grupos polares del soluto, llegando en el caso de los compuestos iónicos a desdoblarlos en aniones y cationes, que quedan así rodeados por moléculas de agua. Este fenómeno se denomina solvatación iónica.

Esta capacidad disolvente del agua y su abundancia en el medio natural explican que sea el vehículo de transporte (captación de sales minerales por las plantas, por ejemplo) y el medio donde se realizan todas las reacciones químicas del organismo (caso de la digestión de los alimentos)

Transparencia. Debido a esta característica física del agua, es posible la vida de especies fotosintéticas en el fondo de mares y ríos.

Bajo grado de ionización. De cada 551000000 de moléculas de agua, sólo una se encuentra ionizada.

Por eso, la concentración de iones hidronio (H30+) e hidroxilo (OH-) es muy baja, concretamente 10-7 moles por litro ([H30+] = [OH-] = 10-7). Dados los bajos niveles de H30+y de OH- , si al agua se le añade un ácido (se añade H30+) o una base (se añade OH-), aunque sea en muy poca cantidad, estos niveles varían bruscamente.

1. Función disolvente de las sustancias. El agua es básica para la vida, ya que prácticamente todas las reacciones biológicas tienen lugar en el medio acuoso.

2. Función bioquímica. El agua interviene en muchas reacciones químicas, por ejemplo, en la hidrólisis (rotura de enlaces con intervención de agua) que se da durante la digestión de los alimentos, como fuente de hidrógenos en la fotosíntesis, etc.

3. Función de transporte. El agua es el medio de transporte de las sustancias desde el exterior al interior de los organismos y en el propio organismo, a veces con un gran trabajo como en la ascensión de la savia bruta en los árboles.

4. Función estructural. El volumen y forma de las células que carecen de membrana rígida se mantienen gracias a la presión que ejerce el agua interna. Al perder agua, las células pierden su turgencia natural, se arrugan y hasta pueden llegar a romperse (lisis).

Presión de turgencia

Las paredes celulares rígidas de células vegetales, algas, bacterias y hongos hacen posible que esos organismos vivan sin reventar en un medio externo muy diluido, que contenga una concentración muy baja de solutos.

Las células son hipertónicas respecto al medio. El agua tiende llenar sus vacuolas centrales y se hincha, acumulando presión, llamada presión de turgencia, contra las paredes celulares rígidas de celulosa. La pared celular puede estirarse muy poco, y se alcanza un estado de equilibrio cuando su resistencia impide que la célula se hinche más.

La presión de turgencia es un factor importante en el sostén del cuerpo de las plantas herbáceas. Por este motivo, una flor se marchita cuando la presión de turgencia de sus células disminuye (las células han sufrido plasmólisis) por falta de agua.

5. Función mecánica amortiguadora. Por ejemplo, los vertebrados poseen en sus articulaciones bolsas de líquido sinovial que evita el roce entre los huesos.

4. Función termorreguladora. Se debe a su elevado calor específico y a su elevado calor de vaporización. Es un material idóneo para mantener constante la temperatura, absorbiendo el exceso de calor o cediendo energía si es necesario.

• Por ejemplo, los animales, al sudar, expulsan agua, la cual, para evaporarse, toma calor del cuerpo y, como consecuencia, éste se enfría.

CUADRO RESUMEN PROPIEDADES Y CUADRO RESUMEN PROPIEDADES Y FUNCIONES BIOLÓGICAS DEL AGUAFUNCIONES BIOLÓGICAS DEL AGUA

Aporta H+ y OH- en reacciones bioquímicas,

El agua pura es capaz de disociarse en iones

Capacidad de disociación iónica

Mares y ríos se hielan sólo en su superficie

Los puentes de hidrógeno “congelados” mantienen las moléculas más separadas

Más densa líquida que sólida

Mantiene forma y volumen de las células; permite cambios y deformaciones del citoplasma y el ascenso de la savia bruta

Los puentes de hidrógeno mantienen juntas las moléculas de agua

Alta cohesión y adhesión

Transporte de sustancias y de que en su seno se den todas las reacciones metabólicas

La mayoría de las sustancias polares se disuelven en ella al formar puentes de hidrógeno.

Es un excelente disolvente

Causa de deformaciones celulares y de los movimientos citoplasmáticos

Las moléculas superficiales están fuertemente unidas a las del interior, pero no a las externas de aire.

Elevada tensión superficial

Para elevar su Tª ha de absorber mucho calor, para romper los puentes de H.

Alto calor específico

Función termorreguladora: ayuda a mantener constante la temperatura corporal de los animales homeotermos.

La energía calorífica debe ser tan alta que rompa los puentes de hidrógeno.

Alto calor de vaporización

Medio de transporte en el organismo y medio lubricante

Los puentes de hidrógeno mantienen a las moléculas unidas

Líquida a Tª ambiente

FUNCIÓN BIOLÓGICADEBIDA APROPIEDAD

LAS SALES MINERALESLAS SALES MINERALES

1.- Las sustancias minerales precipitadas

Constituyen estructuras sólidas, insolubles, con función esquelética. Por ejemplo, el carbonato cálcico en las conchas de los moluscos, el fosfato cálcico, Ca3(P04)2, y el carbonato cálcico que, depositados sobre el colágeno, constituyen los huesos, el cuarzo (SiO2) en los exoesqueletos de las diatomeas y en las gramíneas, etc. Este tipo de sales pueden asociarse a macromoléculas, generalmente de tipo proteico.

2.- Las sales minerales disueltas Dan lugar a aniones y cationes. Los más frecuentes son:

Cationes: Na+ K+ Ca2+ y Mg2+.

Aniones: Cl-, S042-, PO4

3-, CO32-, HCO3

- y NO3-.

Estos iones mantienen un grado de salinidad constante dentro del organismo, y ayudan a mantener también constante su pH.

Cada ion desempeña funciones específicas y, a veces, antagónicas. Por ejemplo, el K+ aumenta la turgencia de la célula, mientras que el Ca2+ la merma. Esto es debido a que el K+ favorece la captación de moléculas de agua (inhibición) alrededor de las partículas coloidales citoplasmáticas, mientras que el Ca2+ la dificulta.

Otro ejemplo es el corazón de la rana, que se para en sístole si hay exceso de Ca2+, y en diástole si el exceso es de K+. El Ca2+ y el K+ son iones antagónicos. El medio interno de los organismos presenta unas concentraciones iónicas constantes. Una variación provoca alteraciones de la permeabilidad, excitabilidad y contractilidad de las células.

3.- Las sustancias minerales asociadas a moléculas orgánicas

Suelen encontrarse junto a proteínas, como las fosfoproteínas, junto a lípidos (fosfolípidos) y con glúcidos (agar-agar)El ión hierro, por ejemplo, puede encontrarse formando parte de la hemoglobina, el magnesio en la clorofila y los fosfatos en los ácidos nucleicos. Van a cumplir diversas funciones según el sistema biológico en el que se encuentren.

Funciones específicasFunciones específicas

DISOLUCIONES Y DISPERSIONES

En los seres vivos el estado líquido está constituido por dispersiones de muchos tipos de moléculas dispersas o solutos y un solo tipo de fase dispersante o disolvente, que es el agua.

Los solutos pueden ser de bajo peso molecular como, por ejemplo, el cloruro sódico (PM = 58,5) y la glucosa (PM = 180), o pueden ser de elevado peso molecular (se denominan coloides), como, por ejemplo, las proteínas de tipo albúmina (PM entre 30 000 y 100 000).

Las dispersiones de solutos de bajo peso molecular se denominan disoluciones verdaderas o simplemente disoluciones, y las de elevado peso molecular se denominan dispersiones coloidales

Las propiedades de las disoluciones verdaderas Las propiedades de las disoluciones verdaderas que más interés tienen en Biología son la difusión, la osmosis y la estabilidad del grado de acidez o pH. Difusión. Es la repartición homogénea de las partículas de un fluido (gas o líquido) en el seno de otro, al ponerlos en contacto. Este proceso se debe al constante movimiento en que se encuentran las partículas de líquidos y gases. La absorción o disolución de oxígeno en el agua es un ejemplo de difusión.

Animación de la difusión

Osmosis Es el paso del disolvente entre dos soluciones de diferente concentración a través de una membrana semipermeable que impide el paso de las moléculas de soluto.

El disolvente, que en los seres vivos es el agua, se mueve desde la disolución más diluida a la más concentrada. Aparece un impulso de agua hacia la mas concentrada.

La membrana citoplasmática es una membrana semipermeable y da lugar a diferentes respuestas frente a la presión osmótica del medio externo.

1.Si éste es isotónico respecto al medio interno celular, es decir, tiene la misma concentración, la célula no se deforma. 2.Si el medio externo es hipotónico (menos concentrado), la célula se hinchará por entrada de agua en su interior. Este fenómeno se llama turgencia y es observable, por ejemplo, en los eritrocitos, añadiendo agua destilada a una gota de sangre. 3.Si el medio externo es hipertónico (más concentrado), la célula perderá agua y se arrugará, dándose un fenómeno de plasmólisis que acaba con la rotura de la membrana. Esto sucede, por ejemplo, en los eritrocitos, cuando se añade agua saturada de sal a una gota de sangre.

La membrana citoplasmática es una membrana semipermeable y da lugar a diferentes respuestas frente a la presión osmótica del medio externo.

1.Si éste es isotónico respecto al medio interno celular, es decir, tiene la misma concentración, la célula no se deforma. 2.Si el medio externo es hipotónico (menos concentrado), la célula se hinchará por entrada de agua en su interior. Este fenómeno se llama turgencia y es observable, por ejemplo, en los eritrocitos, añadiendo agua destilada a una gota de sangre. 3.Si el medio externo es hipertónico (más concentrado), la célula perderá agua y se arrugará, dándose un fenómeno de plasmólisis que acaba con la rotura de la membrana. Esto sucede, por ejemplo, en los eritrocitos, cuando se añade agua saturada de sal a una gota de sangre.

Los procesos de osmosis explican cómo las plantas consiguen absorber grandes cantidades de agua del suelo, y por qué el agua del mar no sacia la sed, ya que al estar más concentrada que el medio intracelular provoca la pérdida de agua en las células.

Animación de ósmosis

http://www.consumer.es/web/es/medio_ambiente/urbano/2006/05/25/152370.php

http://www2.nl.edu/jste/osmosis.htm

Otras animaciones relacionadas:

Las propiedades de las dispersiones coloidales La mayoría de los líquidos de los seres vivos son dispersiones coloidales, de ahí que sea tan importante el estudio de sus propiedades. En estas soluciones, el tamaño de las partículas del soluto es mucho mayor que en las soluciones verdaderas. Es el caso de polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos. Sus principales propiedades son:

1.Efecto Tyndall2.Movimiento browniano3.Sedimentación4.Elevada viscosidad5.Elevada adsorción6.Diálisis7.Capacidad de presentarse en estado de gel

Efecto Tyndall.

El tamaño de las partículas coloidales oscila entre una milimicra y 0,2 micras, que es el límite de observación en el microscopio óptico. Así pues, las dispersiones coloidales, al igual que las disoluciones verdaderas, son transparentes y claras. Sin embargo, si se iluminan lateralmente y sobre fondo oscuro, se observa una cierta opalescencia provocada por la reflexión de los rayos luminosos. Es algo parecido a lo que ocurre cuando un rayo de luz ilumina el polvo en una habitación a oscuras. Si la iluminación es frontal, el polvo ya no resulta apreciable.

Sedimentación.

Las dispersiones coloidales son estables en condiciones normales, pero si se someten a fuertes campos gravitatorios, se puede conseguir que sedimenten sus partículas. Ello se realiza en las ultracentrifugadoras, que pueden alcanzar las 100000 revoluciones por minuto.

Movimiento browniano.

Las moléculas de los coloides se mueven continuamente, impulsadas por el movimiento browniano del agua (movimiento desordenado y continuo de vibración que tienen las partículas en suspensión). Este movimiento aumenta las probabilidades de encuentro de dos partículas reaccionantes.

Elevada viscosidad.

La viscosidad es la resistencia interna que presenta un líquido al movimiento relativo de sus moléculas. Las dispersiones coloidales, dado el elevado tamaño de sus moléculas, son muy viscosas.

Elevado poder adsorbente.

La adsorción es la atracción que ejerce la superficie de un sólido sobre las moléculas de un líquido o de un gas. La misma cantidad de sustancia ejerce mayor adsorción si se encuentra finamente dividida. Ejemplo biológico de adsorción son los contactos «enzimas con sustratos»

Capacidad de presentarse en estado de gel. Las dispersiones coloidales pueden presentar se en dos estados en forma de sol o estado líquido, y en forma de gel o estado semisólido. La diferencia entre ambos estados es la cantidad de agua presente. El sol tiene aspecto de líquido. El gel tiene aspecto semipastoso o gelatinoso. La transformación de sol en gel, y viceversa, está en relación con la síntesis o con la despolimerización, respectivamente, de proteínas fibrilares y permite la emisión de pseudópodos, y, por tanto, el movimiento ameboide y la fagocitosis

Diálisis: Es la separación de las partículas dispersas de elevado peso molecular (coloides) de las de bajo peso molecular (cristaloides), gracias a una membrana semipermeable cuyo tamaño de poro sólo deja pasar las moléculas pequeñas (agua y cristaloides), pero no las grandes. Una aplicación clínica es la hemodiálisis, que es la separación de la urea de la sangre de individuos con deficiencia renal.

Electroforesis: Es el transporte de las partículas coloidales gracias a la acción de un campo eléctrico a través de un gel. Generalmente se utiliza para separar las distintas proteínas que se extraen juntas en un tejido. La velocidad es mayor cuanto más alta sea su carga eléctrica global y cuanto menor sea su tamaño (peso molecular). Se suelen utilizar geles de almidón o de poliacrilamida.