tema 1 - biolementos y principios inmediatos inorgánicos

I.E.S. LAS GALLETAS DEPTO. DE CIENCIAS NATURALES

BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS 1

1. Los bioelementos Se han identificado hasta 70 elementos químicos (casi todos los elementos estables excepto

los gases nobles) que en cantidades variables, a veces infinitesimales, intervienen en la

composición de los organismos; aunque no todos son esenciales para la totalidad de los seres

vivos.

Se llaman elementos biogénicos porque a partir de ellos se forman las moléculas

indispensables para la vida. A estas moléculas se les denomina biomoléculas o principios

inmediatos.



Todos los bioelementos están incluidos en la tabla periódica, es decir, no existen elementos

especiales o distintos a los que se encuentran en las moléculas que conforman la materia

general del universo. No son, por tanto, elementos químicos exclusivos de los seres vivos.

Naturalmente la composición de la Tierra marcó un límite sobre los elementos disponibles

para formar la materia viva. Sin embargo, los bioelementos mayoritarios no coinciden (salvo

el oxígeno, O) con los elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre. Así como

vemos en el siguiente esquema, mientras que el oxígeno (O), el silicio (Si), el aluminio (Al) y

el hierro (Fe) son los elementos más comunes en la composición del planeta, los bioelementos

que se encuentran en mayor proporción en las moléculas biológicas son el carbono (C), el

hidrógeno (H), el oxígeno (O), el nitrógeno (N), el fósforo (P), y el azufre (S).

Puesto que la vida surgió en el seno de los mares primitivos, muchos de los elementos

químicos esenciales para la vida fueron seleccionados en función de dos parámetros:

1. Su comportamiento en el medio acuoso, si son solubles o no.

2. La reactividad de los átomos y los tipos de enlaces que pueden establecer para construir

las moléculas orgánicas.



Las propiedades más destacables de este grupo de átomos (C, H, O, N, P, S), elementos

mayoritarios de las moléculas biológicas son:

1. Los seis elementos tienen capas electrónicas externas incompletas. De este modo se

pueden formar enlaces covalentes fácilmente y dar lugar a las biomoléculas que

constituirán las estructuras biológicas y llevarán a cabo las funciones vitales.

2. Poseen un número atómico bajo, por lo que los electrones compartidos en la formación

de los enlaces se hallan próximos al núcleo y las moléculas originadas son estables.

3. Dado que el O y el N son elementos bastante electronegativos, muchas biomoléculas son

polares y por ello solubles en agua, requisito imprescindible para que tengan lugar las

reacciones biológicas fundamentales de la actividad vital.

4. Los bioelementos mayoritarios pueden incorporarse fácilmente a los seres vivos desde el

medio externo, ya que se encuentran en moléculas (dióxido de carbono , CO2, agua, H2O,

anión trioxonitrato (V) NO3-, etc) que pueden ser captadas de manera sencilla. Este hecho

asegura el intercambio constante de materia entre los organismos vivos y su medio

ambiente.

Estos seis elementos junto con una veintena más fueron elegidos como esenciales para los

organismos vivos. Sus características peculiares: tamaño, número de electrones, etc., los

convirtieron entre otras muchas alternativas razonables, en los elementos idóneos para

favorecer, por ejemplo, la estabilidad de las estructuras moleculares o mejorar el rendimiento

de las reacciones metabólicas de las primitivas células.

1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS BIOLELEMENTOS

De los más de 70 elementos descritos que se encuentran presente en los seres vivos, 25 de

ellos son esenciales, el resto sólo aparece en determinados grupos. Según la proporción en que

se encuentran en la materia viva se clasifican en:

• ELEMENTOS BIOGÉNICOS PRIMARIOS O MAYORITARIOS. Forman el 99%

de la materia viva. Seis de ellos, carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno

(N), fósforo (P), y azufre (S), constituyen los ladrillos de las moléculas.



• BIOELEMENTOS SECUNDARIOS. Forman parte de todos los organismos vivos

aunque se encuentran en una menor proporción. Se incluyen en este grupo: magnesio

(Mg), calcio (Ca), sodio (Na), potasio (K), y cloro (Cl) y desempeñan funciones vitales

en los organismos.

• OLIGOELEMENTOS O ELEMENTOS VESTIGIALES. Encontrándose en

proporciones inferiores al 0,1% (cantidades traza), estos elementos son imprescindibles,

ya que desempeñan funciones esenciales en diferentes procesos bioquímicos y

fisiológicos, su carencia puede acarrear graves trastornos o incluso la muerte. Hasta

completar los veinticinco son: hierro (Fe), manganeso (Mn), cobre (Cu), cinc (Zn),

flúor (F), yodo (I), boro (B), silicio (Si), vanadio (V), cromo (Cr), cobalto (Co), selenio

(Se), molibdeno (Mo), y estaño (Sn).

1.2 LA IDONEIDAD DEL CARBONO

Podemos considerar al carbono el bioelemento fundamental de la vida, imprescindible en la

formación de las biomoléculas, de hecho en alguna película, se denomina a los seres terrestres

“unidades de carbono”. Cabe preguntarse por qué fue elegido éste y no el silicio que es 146

veces más abundante en la corteza terrestre y presenta propiedades físicoquímicas semejantes

(es un elemento carbonoide, ambos, C y Si, forman parte del mismo grupo o familia).

El carbono posee número atómico 6 y, por ello, su configuración electrónica es: ls2 2s2 2p2.

En principio sólo dispone de dos electrones desapareados, por lo que tendría valencia II. Sin

embargo, desaparea un electrón del orbital 2s2, que pasa a ocupar el 2pz., y posee de esta

forma un máximo de electrones desapareados (ocupan los orbitales 2s' 2px'

2py,' 2pz'). Con ello adquiere valencia IV, lo que le permitirá formar cuatro enlaces covalentes

al aceptar compartir sus cuatro electrones con otros átomos. Recuerda que al pasar un electrón

del orbital 2s2 al 2pz se forman cuatro orbitales híbridos cuya disposición espacial, dirigidos

hacia los cuatro vértices de un tetraedro confiere al átomo de carbono la posibilidad de formar

enlaces covalentes simples, dobles o triples con otros átomos de carbono o con átomos de

hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, etc.

Los enlaces C-C permiten construir cadenas más o menos largas y anillos cíclicos, que

constituyen los esqueletos para una variedad inmensa de moléculas orgánicas. Además, a

causa de la configuración tetraédrica de sus enlaces, se pueden conseguir moléculas no



planas con estructuras tridimensionales diferentes, que son de capital importancia en la

función biológica que desempeñan, como, por ejemplo, la capacidad de los anticuerpos de

unirse específicamente con determinados antígenos.

El silicio, aunque también posee valencia IV y puede formar cadenas, establece enlaces Si-Si,

que son más débiles e inestables que los enlaces de las cadenas carbonadas; y si bien las

uniones con el oxígeno ... 0-Si-0-Si-0... son tremendamente resistentes, hasta tal punto que

estos compuestos, llamados siliconas, resultan prácticamente inertes, esto tampoco interesa

desde el punto de vista biológico, pues los enlaces deben ser suficientemente enérgicos para

construir moléculas resistentes, pero suficientemente débiles para que puedan romperse en las

diferentes reacciones bioquímicas (recordemos que las células heterótrofas rompen los

enlaces C-C de ciertas moléculas, mediante las reacciones de fermentación y respiración, para

obtener la energía que se encuentra almacenada en ellos). Los enlaces -C-H, C=0, -C-N ,

etc., permiten la aparición de una variedad de “grupos funcionales” (hidrocarburos, alco-

holes, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, aminas .. ) que presentan características físicas

y químicas diferentes y aumentan enormemente las posibilidades de creación de nuevas

moléculas orgánicas por reacción entre los diferentes grupos; por ejemplo, la reacción entre

alcoholes y ácidos carboxílicos que forma ésteres.

Otra particularidad que conviene destacar es que el dióxido de carbono (CO2), compuesto de

gran importancia biológica, es anormalmente estable, soluble en agua y permanece en estado

gaseoso, condiciones indispensables para que pueda ser utilizado en la fotosíntesis. Sin

embargo, el compuesto análogo que se forma con el silicio es la sílice (SiO2), que es sólida,

insoluble en agua y, por tanto, de difícil captación por un sistema biológico que incorporase

silicio en lugar de carbono en las condiciones ambientales de la Tierra primitiva y con un

mecanismo similar al fotosintético.

1.3 LA IMPORTANCIA DE OTROS BIOELEMENTOS

• EL HIDRÓGENO. Es el otro elemento que resulta indispensable para formar la materia

orgánica. Ésta se define como la materia constituida básicamente por el C y el H. Por

ejemplo, algunos lípidos sólo están constituidos por C e H. El petróleo y sus derivados

(butano, propano, octano, etc.) también están constituidos por C e H. Se les denomina

hidrocarburos. El petróleo es el producto de un proceso de carbonización, pérdida de



oxígenos, a partir de grandes masas de plancton marino que quedaron encerradas en mares

someros fuera del contacto con el aire.

El único electrón que posee el átomo de H le permite formar un enlace con cualquiera de los

otros biolementos primarios. Entre el H y el C se forma un enlace covalente lo

suficientemente fuerte como para ser estable; pero no tanto como para impedir su rotura, y

posibilitar así la síntesis de otras moléculas. Las que están formadas sólo por C e H son

covalentes apolares (insolubles en agua).

• EL OXÍGENO. Es el bioelemento primario más electronegativo. Por ello cuando se

enlaza con el H atrae hacia así el único electrón del hidrógeno originándose polos

eléctricos. Debido a esto, los radicales –OH, -CHO, y COOH son radicales polares. Si

éstos sustituyen a algunos hidrógenos de una cadena de C e H, pueden dar lugar a

moléculas como la glucosa (C6H12O6) que son solubles en líquidos polares como el agua.

Debido a su electronegatividad el O es idóneo para quitar electrones a otros átomos, es

decir, para oxidarlos. Como este proceso comporta la rotura de enlaces y la liberación de

una gran cantidad de energía, la reacción de los compuestos de C con el O, la llamada

respiración aerobia, es la forma más común de obtener energía.

La oxidación de los compuestos biológicos se realiza básicamente mediante la sustracción

de H de los átomos de C. Como el O atrae hacia sí el electrón del H con más fuerza que el C,

consigue quitárselo. De este modo se forma agua y se libera una gran cantidad de energía, que

aprovechan los seres vivos. Como el átomo de C pasa de compartir por igual un electrón con

el H, a compartir en menor medida electrones con el O, experimenta una “pérdida” de

electrones, es decir se oxida:

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O+ energía

• EL NITRÓGENO. Al igual que el C y el azufre (S), presenta una gran facilidad para

formar compuestos tanto con el H (NH3) como con el O (NO3-), lo cual le permite, en el

paso de una forma a la otra, la liberación de energía. Principalmente se encuentra

formando los grupos amino (-NH2) de los aminoácidos (moléculas que constituyen las

proteínas) y las bases nitrogenadas, que son uno de los componentes de los ácidos

nucleicos. Es de destacar que, pese a la gran abundancia del gas N2 en la atmósfera, muy

pocos organismos son capaces de aprovecharlo. Prácticamente todo el N es incorporado al



mundo vivo por las algas y las plantas, que lo absorben disuelto en forma de ion nitrato

(NO3-).

• EL AZUFRE. Básicamente se encuentra en forma de un radical sulfhidrilo (-SH) en

determinados aminoácidos. Estos radicales permiten establecer entre dos aminoácidos

próximos, unos enlaces covalentes fuertes denominados puentes disulfuro (-S-S-) que

mantienen la estructura de las proteínas.

• EL FÓSFORO. Este elemento permite establecer enlaces ricos en energía. Al romperse

el enlace que une dos grupos fosfatos –PO3 --PO3

- -PO32- , generalmente de una molécula

denominada ATP. Se libera al organismo la energía contenida en dicho enlace, unos 7,3

kcal por mol de grupos fosfatos liberados. En estos enlaces se almacena la energía

liberada en otras reacciones, como las oxidaciones de la respiración antes citada. Además,

el fósforo es muy importante porque interviene en la constitución de los ácidos nucleicos

(ADN y ARN), de los fosfolípidos de la membrana plasmática y de los huesos de los

vertebrados, y porque ayuda a mantener a la constante de acidez del medio interno del

organismo.

• El calcio, en forma de carbonato (CaCO3), da lugar a los caparazones de 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 magnesio es un componente de muchas enzimas y del pigmento de la 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 sodio, el potasio y el cloro forman parte, como iones, de las sales minerales disueltas

en el agua de los organismos. Intervienen directamente en muchos procesos fisiológicos,

como la transmisión del impulso nervioso, por ser los responsables de la creación de los

potenciales de membrana. En los vegetales regulan la apertura y cierre de los estomas.

• 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 flúor forma parte del esmalte de los dientes, de los huesos y también aparece en la

estructura de la piel, las glándulas, etc. Su carencia está relacionada con la aparición de

caries.

• El cobalto es un componente de la vitamina B12, (cianocobalamida), necesaria para la

síntesis de la hemoglobina y la formación de los eritrocitos. Su carencia origina anemia.

• El silicio proporciona resistencia y elasticidad al tejido conjuntivo, cabello, piel, uñas,

etc. En los cereales forma parte del tallo (silicatos de calcio), y es muy abundante en el

equiseto «cola de caballo».

• El aluminio actúa sobre el sistema nervioso central, aumenta la actividad cerebral y

regula el sueño; favorece la osificación de los cartílagos durante la etapa fetal e infantil y

activa los mecanismos de oxidorreducción en el metabolismo.

• El cromo interviene junto con la insulina en el mantenimiento de la tolerancia normal a

la glucosa. Su carencia en el agua potable incide en el aumento de la diabetes juvenil.

Protege de la arteriosclerosis y de las cardiopatías coronarlas.

• El litio es un estabilizador del estado de ánimo (se utiliza en el tratamiento de algunas

psicosis maníaco-depresivas), pues actúa sobre los neurotransmisores y la permeabilidad

celular. Se ha comprobado que las poblaciones que consumen agua potable con un

contenido de litio de unos 10 µg/litro son menos agresivas, y es menor el número de

ingresos en hospitales psiquiátricos y la frecuencia de comportamientos violentos.

2. El enlace químico de la materia viva El enlace químico es la unión entre átomos, moléculas o iones. Un ion es un átomo o una

molécula con carga eléctrica. Se trata de fuerzas atractivas que mantienen unidas dichas

partículas. Al aproximarse los átomos hasta distancias suficientemente pequeñas se producen

interacciones entre ellos que originan fuerzas atractivas, de forma que la energía del sistema

es menor que la energía de los átomos separados. En el enlace químico de las sustancias es

fundamental la configuración electrónica del nivel más externo de los átomos llamado

también nivel de valencia. Los gases nobles presentan una distribución electrónica de

máxima estabilidad con los orbitales s y p de valencia ocupados completamente (S2P6). Los



demás elementos poseen incompletos sus niveles de valencia y de ahí su grado de

reactividad.

Los tipos principales de enlace entre átomos son:

• ENLACE IÓNICO: Cuando dos átomos representativos alcanzan la estructura de gas

noble bien por captación o cesión de electrones.

• ENLACE COVALENTE : Cuando dos átomos representativos alcanzan la estructura de

gas noble compartiendo uno o varios pares de electrones.

• ENLACE METÁLICO: Los electrones de valencia se encuentran deslocalizados y se

mueven libremente entre los iones positivos que forman una red llamada red metálica.

Esta nube electrónica es la responsable de la unión por atracción eléctrica, entre los iones

positivos de la red.

En la materia viva los principales tipos de enlaces son: el enlace iónico entre iones, el

enlace covalente entre átomos, y los enlaces intermoleculares entre moléculas.

2.1 EL ENLACE IÓNICO

Se forma entre dos elementos de electronegatividades muy diferentes. Se trata de fuerzas

electrostáticas atractivas entre iones de signo opuesto. Los iones se forman al conseguir cada

átomo estructura de gas noble (octete electrónico), por transferencia de electrones entre un

átomo de bajo potencial de ionización, que cede algún electrón, y otro de elevada afinidad

electrónica, que lo capta.

Cada ion atrae a los iones próximos de signo contrario, de forma que no existen moléculas

individuales, sino redes cristalinas , donde cada ion se rodea de un número determinado de

iones del signo opuesto.



2.2 EL ENLACE COVALENTE

Se forma cuando dos átomos comparten electrones. Cada par de electrones compartidos

(electrones que giran alrededor de los dos núcleos atómicos) uno de un átomo y otro del otro,

forma un enlace covalente. Se da entre átomos de electronegatividad alta. Es un enlace muy

fuerte. Si los átomos unidos tienen una electronegatividad similar dan lugar a moléculas

apolares, por ejemplo, los compuestos formados por átomos iguales, H2, O2, N2, etc, y los

constituidos por C e H (metano ,CH4; propano, C3H8, benceno,C6H6 etc.) Si unos átomos

atraen más hacia así los electrones, se forman moléculas polares, con un polo + y otro -, es

decir dipolos moleculares, por ejemplo, agua, H2O, amoniaco NH3, sulfuro de hidrógeno,

SH2.

• Teoría de Lewis. Según Lewis , el enlace covalente se produce por compartición de pares

de electrones entre dos átomos, generalmente no metálicos, que tienden a adquirir la

estructura electrónica del gas noble más próximo (regla del octete electrónico). En el

enlace covalente intervienen los electrones desapareados, por tanto, el número máximo

de enlaces covalentes que puede formar un átomo coincide con el número de electrones

desapareados que posea.

Según se compartan uno, dos o tres pares de electrones el enlace covalente se denomina

simple, doble o triple.



El par de electrones que no forma enlace se llaman par no enlazante.

En ocasiones, el par de electrones

compartido lo aporta solamente uno

de los átomos, entonces se

denomina enlace covalente

coordinado o dativo (se representa

por una flechita que sale del átomo

donador).

2.3 LAS FUERZAS INTERMOLECULARES

Las fuerzas de enlace entre moléculas son de naturaleza dipolar. Cabe destacar EL

ENLACE DE HIDRÓGENO y las FUERZAS DE VAN DER WAALS.



• EL ENLACE DE HIDRÓGENO.

Cuando el hidrógeno se une a un átomo muy electronegativo, se forma un enlace covalente

polar, de forma que se pueden establecer fuerzas

electrostáticas atractivas entre el átomo de

hidrógeno de una molécula y la parte negativa de

las moléculas próximas. Esta interacción se

denomina enlace de hidrógeno o puente de

hidrógeno.

El enlace de H se presenta en todos aquellos compuestos que tienen hidrógeno unido a F, O y

N, es decir, a elementos muy electronegativos y de pequeño tamaño. Al estar unido en la

molécula con estos elementos muy electronegativos, el electrón del H, formado por el par de

enlace estará muy atraído a dichos átomos. El protón (H+) queda casi descubierto de carga

negativa, constituyendo un polo positivo muy intenso, y forma unión electrostática con un par

de electrones no enlazante del átomo de la molécula vecina. El enlace de H es débil,

comparado con el enlace covalente o el iónico, pero su existencia en moléculas como el H2O,

NH3 , el HF, etc. eleva los puntos de fusión, y ebullición.

El enlace de H tiene una importancia biológica extraordinaria. Es la responsable, por

ejemplo, de la estructura en hélice de las proteínas y de la unión de las dos cadenas de la

doble hélice del ADN.



• FUERZAS DE VAN DER WAALS

Son fuerzas que se manifiestan entre moléculas neutras y se clasifican en :

Fuerzas de orientación : Son fuerzas electrostáticas ente moléculas que son dipolos

permanentes. Las fuerzas de orientación son directamente proporcionales a los momentos

dipolares de las moléculas.

Fuerzas de inducción : Una molécula polar puede inducir en otra no polar un dipolo,

produciéndose atracciones débiles.

Fuerzas de dispersión : Se dan entre moléculas no polares. Se explican por la existencia de

dipolos instantáneos. Las fuerzas de dispersión aumentan al aumentar el tamaño de la

molécula, al aumentar la masa molecular.

En general las energías de los enlaces oscilan entre los siguientes valores :

Van der Waals 0,1-35 kJ/mol

Enlace de Hidrógeno 10-40 kJ/mol

Enlace covalente 125-800 kJ/mol



3. EL AGUA

El agua, una molécula simple y extraña, puede ser considerada con razón como el líquido de

la vida. Es la sustancia más abundante en la biosfera, con un contenido total estimado en unos

1.500 krn3, repartidos entre sus tres estados: agua líquida en los mares, océanos, lagos y ríos,

que constituye el 97 por 100 del total de agua; y el 3 por 100 restante repartido entre el agua

sólida de los casquetes polares y los glaciares y el vapor de agua de la atmósfera. También es

el componente mayoritario de los seres vivos, pues entre el 65 y 95 por 100 del peso de la

mayor parte de las formas vivas es agua.

El agua no fue sólo el mero soporte donde

surgió la vida, sino que, con toda

probabilidad, sus moléculas participaron

activamente en las reacciones químicas que

formaron agregados más complejos a partir

de moléculas orgánicas sencillas. A pesar

de su gran abundancia, el agua no es un

compuesto químico corriente y, aunque parece un líquido inerte, manifiesta gran

reaccionabilidad; sus extraordinarias propiedades físicas y químicas, que la convierten en una

sustancia diferente a la mayoría de los líquidos corrientes, son también responsables de su

importancia biológica. Del mismo modo que la configuración electrónica del carbono fue

responsable de su idoneidad para formar parte de los compuestos orgánicos y justificó su

selección como elemento fundamental de la materia viva, las propiedades fisico-químicas del

agua también determinan su función biológica y justifican la importancia del ambiente acuoso

en la aparición y mantenimiento de la vida sobre la Tierra.

Durante la evolución de la vida, los organismos se han adaptado al ambiente acuoso y han

desarrollado sistemas que les permiten aprovechar las inusitadas propiedades del agua.



3.1 ESTRUCTURA DEL AGUA

La disposición tetraédrica de los orbitales,sp3 del oxígeno determina un ángulo entre los

enlaces H - 0 - H aproximadamente de 104,5º; además, el oxígeno es más electronegativo que

el hidrógeno, y atrae con más fuerza a los electrones

de cada enlace.

El resultado es que la molécula de agua, aunque tiene

una carga total neutra (posee el mismo número de

protones y de electrones), presenta una distribución

asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en

una molécula polar: alrededor del oxígeno se

concentra una densidad de carga negativa (δ -),

mientras los núcleos de hidrógeno quedan desnudos,

desprovistos parcialmente de sus electrones y

manifiestan, por tanto, una densidad de carga

positiva (,δ +). El marcado carácter dipolar de las

moléculas de agua permite que se produzcan

interacciones con otras moléculas polares o con

iones cargados eléctricamente. Se establecen

interacciones dipolo-dipolo entre las propias

moléculas de agua, que pertenecen a un tipo de

uniones electrostáticas denominadas enlaces o

puentes de hidrógeno : la carga parcial negativa del

oxígeno de una molécula ejerce atracción

electrostática sobre las cargas parciales positivas de

los átomos de hidrógeno de otras moléculas

adyacentes.

La configuración electrónica del oxígeno es 1s2 2s2 2p4, de tal forma que entre el orbital 2s y los tres orbitales 2p se pueden formar cuatro orbitales híbridos sp3 orientados tetraédricamente. En la molécula de agua el átomo de oxígeno forma dos enlaces covalentes con dos átomos de hidrógeno, solapándose dos orbitales sp3 del oxígeno con los orbitales 1s de cada hidrógeno, de manera que en cada enlace se comparten dos electrones (uno de cada átomo)



Aunque son uniones débiles (aproximadamente 1/20 más débiles que los enlaces covalentes),

el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras cuatro moléculas

unidas por puentes de hidrógeno permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una

estructura de tipo reticular, responsable, en gran parte, de su comportamiento anómalo y de la

peculiaridad de sus propiedades fisicoquímicas.

3.2 PROPIEDADES FÍSICOQUÍMICAS Y FUNCIONES

BIOLÓGICAS DEL AGUA

• ACCIÓN DISOLVENTE

El agua es el líquido que más

sustancias disuelve, lo que le ha

valido el calificativo de

disolvente universal. Esta

propiedad, tal vez la más

importante para la vida, se debe a

su capacidad para formar puentes

de hidrógeno con otras sustancias

polares (grupos -OH de alcoholes

y azúcares, grupos –NH2 de

aminoácidos, proteínas, ácidos

nucleicos, etc.), pues se disuelven cuando interaccionan con las moléculas polares del agua.

En el agua también se disuelven compuestos iónicos, como ciertas sales cristalizadas, pues los

iones son atraídos fuertemente por los dipolos del agua, formándose una capa de hidratación

o solvatación alrededor de cada uno de ellos que logra debilitar la atracción electrostática

interiónica, hasta llegar al desmoronamiento de la red cristalina que los mantenía en estado

sólido; la ruptura de los enlaces iónicos provoca que los iones pasen de la red a la disolución

en forma de iones hidratados.

La capacidad disolvente es responsable de dos importantes funciones que el agua posee en los

seres vivos:



1. Es el medio donde transcurre la mayoría de las reacciones del metabolismo, pues el

requisito indispensable para que dos sustancias reaccionen es que se encuentren disueltas

en el mismo medio y puedan interaccionar. El protoplasma celular es fundamentalmente

acuoso y las actividades metabólicas, responsables de la vida celular, dependen casi todas

ellas de las sustancias disueltas o en suspensión que contiene. Muchas de las propiedades

de gran importancia biológica que presentan las proteínas, los ácidos nucleicos y otras

macromoléculas proceden de sus interacciones con el medio acuoso que las rodea.

2. El aporte de nutrientes y la eliminación de los productos de desecho se realizan a

través de sistemas de transporte acuosos (la sangre en los animales y la savia en las

plantas) donde se disuelven previamente todas estas sustancias.

• ELEVADA FUERZA DE COHESIÓN ENTRE LAS MOLÉCULAS

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

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

Al no poder comprimirse llega a actuar como esqueleto hidrostático en algunos animales

como, por ejemplo, ciertos gusanos perforadores que son capaces de agujerear la roca

mediante la presión generada por sus líquidos internos; del mismo modo permite la turgencia

en las plantas.

• ELEVADA FUERZA DE ADHESIÓN

Esta fuerza está también en relación con los

puentes de hidrógeno que se establecen entre las

moléculas de agua y otras moléculas polares y

es responsable, junto con la cohesión, del

llamado fenómeno de la capilaridad.

• GRAN CALOR ESPECÍFICO

Se denomina calor específico a la capacidad de almacenar energía para un aumento

determinado de la temperatura: el agua puede absorber grandes cantidades de calor, mientras

que, proporcionalmente, su temperatura sólo se eleva ligeramente. Del mismo modo, su



temperatura desciende con más lentitud que la de otros líquidos a medida que va liberando

energía al enfriarse.

Esta propiedad permite que el protoplasma acuoso sirva de protección a las sensibles

moléculas orgánicas ante los cambios bruscos de temperatura por actuar como un tampón

térmico que mantie ne la temperatura del organismo relativamente constante a pesar de las

variaciones de la temperatura externa.

También gracias a la conductividad térmica del agua, 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.

• ELEVADO CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN

A 20ºC son precisas 540 calorías para evaporar un gramo de agua, lo que da idea de la energía

necesaria, primero, para romper los puentes de hidrógeno establecidos entre las moléculas de

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.

Cuando se evapora el agua o cualquier otro líquido, disminuye la temperatura, lo que

constituye un método eficaz en los vertebrados para disipar calor por sudoración; también las

plantas utilizan el sistema de refrigeración, sobre todo algunas, como el tomillo, el romero,

etc., adaptadas a ambientes calurosos del verano, que almacenan esencias volátiles, cuya

evaporación provoca un ligero descenso de la temperatura en su entorno.

• AGUA LÍQUIDA Y AGUA SÓLIDA

El agua permanece líquida en un amplio margen de temperaturas, entre 0 y 100ºC, que son los

más adecuados para los procesos biológicos. Cuando se enfría se contrae su volumen, como

sucede en todos los cuerpos; pero al alcanzar los 4ºC cesa la contracción y su estructura se

dilata hasta transformarse en hielo en el punto de congelación. Por esto el hielo es menos

denso que el agua y flota sobre ella.

Gracias a esta anomalía del agua los lagos, ríos y mares comienzan a congelarse desde la

superficie hacia abajo, y es esta costra de hielo superficial lo que, paradójicamente, sirve de

abrigo a los seres vivos que viven en las aguas, pues aunque la temperatura ambiental sea



extremadamente baja (-50 ó –60ºC) mientras el agua de la superficie se transforme en hielo,

mantiene constante su temperatura en 0ºC, y el agua del fondo queda protegida térmicamente

del exterior, pudiendo alcanzar los 4 ó 5ºC que son suficientes para la supervivencia de ciertas

especies. Esta propiedad también explica que los esquimales construyan sus casas de hielo

(iglús)

• USOS BIOQUÍMICOS DEL AGUA

Los seres vivos se han adaptado para utilizar agua en dos tipos de reacciones fundamentales:

1. En la fotosíntesis , donde las enzimas utilizan el agua como fuentes de átomos de

hidrógeno. Para que un cultivo vegetal produzca aproximadamente cinco toneladas de

materia seca se necesitan fijar y transformar tres toneladas de agua.

2. En las reacciones de hidrólisis, donde las enzimas hidrolíticas han explotado la

capacidad del agua de romper determinados enlaces para degradar los compuestos

orgánicos en otros más simples, durante los procesos digestivos.

3.3 ADAPTACIONES PARA EL USO Y LA

CONSERVACIÓN DEL AGUA

Evitar la pérdida de agua fue uno de los principales problemas que debieron resolver las

plantas y los animales que conquistaron el medio terrestre. Para impedir la desecación

desarrollaron tegumentos y epidermis protectores; pero existe un momento crítico en el ciclo

biológico de los seres vivos, durante la reproducción, en que los gametos deben fecundarse en

un ambiente acuoso, pues en un medio seco mueren.

Por esto muchos animales terrestres, como el mosquito o la rana, vuelven al agua durante la

reproducción. Otros más evolucionados lograron mayor independencia de este medio, gracias

a que las hembras adaptaron cavidades internas del sistema reproductor donde se depositan

los espermatozoides mediante la copulación, de tal forma que el zigoto se desarrolla en un

ambiente que reproduce las condiciones ambientales del medio acuático.

También las plantas se independizaron del medio acuático; mientras que los musgos y los

helechos todavía necesitan ambientes húmedos para que el anterozoide llegue a nado hasta la



oosfera y la fecunde, las plantas espermafitas (gimnospermas y angiospermas) resolvieron el

problema con la formación del tubo polínico, mediante el cual los dos núcleos espermáticos

llegan hasta el saco embrionario y producen la doble fecundación sin necesidad de que el agua

intervenga como mediadora.

Tanto en el reino animal como en el vegetal se han desarrollado numerosas adaptaciones

para evitar la pérdida de agua; así, por ejemplo, los nefridios y nefronas del riñón en

animales, que excretan productos sólidos o recuperan agua de la orina antes de expulsarla; la

transformación de hojas en espinas y la acumulación de agua en los parénquimas acuíferos en

las plantas que viven en climas secos, etc.

La presencia del agua está íntimamente asociada a la vida; por ello ciertos organismos

reducen su contenido hídrico y paralizan su metabolismo hasta el estado de vida latente, bien

para resistir condiciones adversas, como las esporas de ciertas bacterias y protozoos , o bien

como las semillas , con el objeto de que el embrión sobreviva hasta que vuelvan las

condiciones ambientales favorables de la primavera y pueda convertirse en una planta adulta.

Basada en el principio de que no hay vida sin agua, existe una tecnología alimentaria

encaminada a impedir que los alimentos se alteren por acción de los microorganismos:

Un primer grupo de técnicas, las más primitivas, transforman los alimentos en medios

fuertemente hipertónicos, de tal forma que cualquier germen que se pose sobre ellos muera

instantáneamente al perder el agua de su protoplasma, que pasaría al medio. En este grupo se

encuentran las salazones de pescados y embutidos, que utilizan sales, o la leche condensada,

que emplea azúcar para aumentar la presión osmótica de la solución.

Otro grupo de técnicas más modernas eliminan el agua de los alimentos por procesos de

liofilización, con lo cual se convierten en medios donde no crecen los microorganismos.

3.4 IONIZACIÓN DEL AGUA Y ESCALA DE pH

Dos moléculas polares de agua pueden ionizarse debido a las fuerzas de atracción por puentes

de hidrógeno que se establecen entre ellas; el proceso es el siguiente: un ión hidrógeno (H+)

de una molécula se disocia de su átomo de oxígeno, al que se encuentra unido



covalentemente, y pasa a unirse con el átomo de oxígeno de la otra molécula, con el que ya

mantenía «relaciones» mediante el enlace de hidrógeno.

Esta es la causa de que el agua no

sea un líquido químicamente

puro, ya que se trata de una

solución iónica que siempre

contiene algunos iones H3O+ y

OH-. (Por convenio se utiliza el sírnbolo H+ en lugar de H3O+, aunque no hay que olvidar que

en el agua no existen protones [H+] desnudos, sino hidratados, en forma de iones hidronio

[H3O+].) En el agua pura, a 25 ºC, el producto [H+] [OH-] = 1 x 10-14 se denomina producto

iónico del agua y constituye la base para establecer la escala de pH, que sirve para medir la

acidez o alcalinidad de una disolución acuosa, es decir, su concentración de iones H+ u OH-.

La escala de pH fue ideada por Sorensen con el fin de evitar cálculos con números engorrosos

como 0,0000001 M ó 1.10-6 M, que indican la baja concentración de iones H+ existentes en los

sistemas biológicos. Se define pH como: pH= [ ] [ ]++ −= HLog

H1

Log 1010 . El agua pura, a 25ºC,

se considera químicamente neutra y [H+]=[OH-]=10-7 M.

Los organismos vivos no soportan variaciones del pH mayores de unas décimas de unidad, y

por ello han desarrollado a lo largo de la evolución sistemas de tampón o «buffer» que

mantienen el pH constante mediante mecanismos homeostáticos. Las variaciones del pH

afectan en general a la estabilidad de las proteínas y, en concreto, influyen decisivamente en

la actividad catalítica de los enzimas, pues están formados por aminoácidos que, en función

del pH, pueden comportarse como compuestos ionizados o no, y generar cargas eléctricas que

modifican profundamente su actividad biológica.

Los sistemas tampón o «buffer», que tienden a impedir la variación del pH cuando se añaden

cantidades moderadas de iones H+ u OH-, consisten en un par ácido-base conjugada que

actúan como dador y aceptor de protones, respectivamente. Las proteínas poseen gran

capacidad tamponadora del pH, pero existen además otros tampones biológicos, como son el

par carbónico-bicarbonato (H2CO3 HCO3- +H+ y el par H2PO4

- HPO42-+ H+). Cada

par conjugado presenta un pH determinado, en el cual la capacidad tamponadora es máxima.



Este valor coincide en los tampones biológicos con el pH normal de los fluidos corporales,

que suele oscilar alrededor de 7.

3.5 ÓSMOSIS Y PRESIÓN OSMÓTICA

Si tenemos dos disoluciones acuosas de distinta concentración separadas por una membrana

semipermeable (sólo deja pasar el disolvente pero no el soluto), se define la ósmosis como un

tipo de difusión pasiva caracterizada por el paso

del agua (disolvente) a través de la membrana

semipermeable desde la solución más concentrada

a la más diluida. Y se entiende por presión

osmótica la presión que sería necesaria para

detener el flujo de agua a través de la membrana

semipermeable. La membrana plasmática de la

célula puede considerarse como una membrana

semipermeable, por ello las

células de los organismos

pluricelulares deben permanecer

en equilibrio osmótico con los

líquidos tisulares que las bañan.

Cuando la concentración de

solutos de los fluidos

extracelulares es igual a la

concentración intracelular, ambas disoluciones son isosmóticas (isotónicas), pero si los

líquidos extracelulares aumentan su concentración, se hacen hiperosmóticos (hipertónicos)

respecto a las células, y, como consecuencia, las células pierden agua, se deshidratan y

mueren, sufren el proceso denominado de plasmólisis. De modo similar, si los líquidos

extracelulares se diluyen, se hacen hipoosmóticos (hipotónicos) respecto a las células, el

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

(fenómeno de turgescencia) y llegan incluso a estallar, si no disponen de una pared celulosa

como los vegetales.



Para demostrar estos dos conceptos (ósmosis y presión osmótica) realizamos el siguiente

experimento. Disponemos de un tubo en U y una membrana semipermeable que separa los

dos brazos del tubo. Llenamos el brazo derecho con una solución de sacarosa diluida y el

izquierdo con una solución de sacarosa concentrada; inmediatamente se produce la ósmosis, y

el agua pasa desde el tubo de la derecha (solución diluida) hacia el de la izquierda (solución

concentrada). El resultado consiste en que se alcanza el equilibrio osmótico al igualarse las

dos concentraciones, la diluida (derecha) se ha concentrado y la concentrada (izquierda) se ha

diluido. Puede observarse cómo sube el nivel del líquido en el brazo izquierdo, que ejerce

una presión hidrostática (Ph= ρg[h2 -h1),Igual y de signo contrario a la presión osmótica,

hasta que, obtenido el equilibrio, las dos presiones se igualan.

• La diálisis.

Si el diámetro de los poros de la membrana

semipermeable es suficientemente grande para dejar pasar,

además del disolvente, moléculas de soluto de bajo peso

molecular, se produce un fenómeno llamado diálisis,

mediante el cual las pequeñas moléculas dializables pasan

atravesando la membrana desde la solución más concentrada

a la más diluida.

Esta técnica permite separar en una disolución los solutos de

bajo peso molecular y es el fundamento de la hemodiálisis,

que se aplica a los enfermos de insuficiencia renal y consiste

en el siguiente proceso: se hace pasar la sangre por un

circuito que contiene una solución diluida separada mediante

una membrana semipermeable; a través de ella pasan a la

solución componentes de la sangre de bajo peso molecular

(agua, sales, urea, etc.), que, de esta forma, quede desprovista de sustancias tóxicas,

residuales del metabolismo; pero, antes de introducirla de nuevo en el enfermo hay que

reincorporarse determinados componentes que se habían filtrado y resultan imprescindibles,

como agua, sales minerales, glucosa, aminoácidos, etc.

• Ultrafiltración.



A partir de la diálisis como método para separar en

una disolución los solutos de bajo peso molecular, se

puede acelerar el proceso con la aplicación de una

presión por arriba o haciendo el vacío por abajo de la

membrana, tal como se indica en el dibujo. Esta

técnica de separación recibe el nombre de

ultrafiltración.

4. LAS SALES MINERALES

Además del agua y los gases atmosféricos, existen otros compuestos minerales, como son las

sales inorgánicas. En función de su solubilidad en agua se distinguen dos tipos de sustancias

salinas: insolubles y solubles en agua.

• Insolubles en agua. Forman estructuras sólidas que suelen cumplir funciones de

protección y sostén como, por ejemplo:

• Caparazones de carbonato cálcico (CaCO3) de crustáceos y moluscos o caparazones

silíceos de radiolarios y diatomeas.

• Esqueleto interno de vertebrados, cuya parte mineral está formada por la asociación de

varios compuestos minerales (fosfato, cloruro, fluoruro y carbonato de calcio). El

fluoruro de calcio, que se encuentra también en el esmalte de los dientes, tiene la

dureza del apatito.

Izquierda: las sales minerales precipitadas forman estructuras sólidas en los seres vivos. Derecha: Caparazón silíceo de una diatomea (micrografía eletrónica de barrido)



• Determinadas células vegetales incorporan sales minerales en su pared de celulosa,

como, por ejemplo, las células que se encuentran en los bordes de las hojas de caña

(las impregnaciones silíceas las transforman en cuchillos afilados) o las que forman

parte de los pelos de la ortiga, que se vuelven frágiles y, al rozarlos se fracturan y

convierten en jeringuillas que inyectan su contenido cáustico. También en el

citoplasma de algunas células se acumulan cristales de oxalato cálcico en forma de

drusas, prismas, etc., que constituyen acúmulos de productos residuales del

metabolismo de la planta; si algunos de estos vegetales (espinacas, grelos, etc.) se

ingieren en exceso en la dieta, pueden contribuir al desarrollo de cálculos renales o

biliares.

• En los animales también existen acúmulos de minerales con muy diferentes misiones,

como, por ejemplo, los otolitos del oído interno, que son cristales de carbonato cálcico

que intervienen en el mantenimiento del equilibrio, o las partículas de magnetita

(óxido de hierro) presentes en numerosas especies (paloma mensajera, abejas, delfines,

tortugas, etc.) y que, al parecer, utilizan como brújula interna para orientarse en sus

desplazamientos.

• Solubles en el agua. Se encuentran disociadas en sus iones (cationes y aniones)

correspondientes, que son los responsables de su actividad biológica.

• Los principales cationes (iones de carga positiva) son: sodio (Na+), potasio (K+),

magnesio (Mg2+) y amonio (NH4+); otros son menos abundantes, como el hierro

(Fe2+/Fe3+), zinc (Zn2+), cobre (Cu+/Cu2+), manganeso (Mn2+), etc.

• Entre los aniones (iones de carga negativa) más abundantes se encuentran los

siguientes: cloruro (Cl-), carbonato-bicarbonato (CO32-/HCO3

-), fosfato-bifosfato

(PO43-/HPO4

2-/H2PO4-), sulfato (SO4

2-), nitrato (NO3-), ioduro (I-) y silicato (SiO4

3-).

Estos iones mantienen un grado de salinidad constante dentro del organismo y ayudan a

mantener también constante su pH. Los líquidos biológicos, a pesar de estar constituidos

básicamente por agua, no varían apenas su [H3O+1, es decir su pH, por la adición de ácidos o

bases. Ello se debe, en parte, a que estos líquidos contienen sales minerales que pueden

ionizarse en mayor o menor grado dando lugar a H3O+u a OH- que contrarresten el efecto de

los ácidos o a bases añadidos. Este fenómeno se denomina efecto tampón y a estas



disoluciones se las llama disoluciones tampón o amortiguadores. El medio interno de los

organismos presenta unas concentraciones iónicas constantes. Una variación en dicho

equilibrio iónico provoca alteraciones en la permeabilidad, excitabilidad y contractilidad de

las células. A este respecto son conocidas las soluciones fisiológicas de Ringer para los

anfibios y de Tyrode para los mamíferos, en las que se puede mantener un órgano

funcionante, y la solución nutritiva de Arnon para cultivos hidropónicos.

Las sustancias minerales asociadas a moléculas orgánicas suelen encontrarse junto a

proteínas, como los fosfoproteidos; junto a lípidos, como los fosfolípidos; y junto a glúcidos,

como en el agar-agar.

• Las principales funciones de las sustancias minerales en los organismos son:

• Formar estructuras esqueléticas.

• Estabilizar dispersiones coloidales.

• Mantener un grado de salinidad en el medio interno.

• Constituir soluciones amortiguadores.

• Acciones específicas: por ejemplo, el ion ferroso Fe2+ es necesario para sintetizar

la hemoglobina, el yodo es imprescindible en la hormona tiroidea, el ion magnesio

Mg2+ es necesario en la clorofila, etc.



1. ¿Por qué el carbono y no el silicio ha permitido la materia viva?

2. ¿Significan lo mismo la materia viva y la materia orgánica?

3. ¿Por qué el oxígeno permite obtener tanta energía a partir de la materia orgánica?

4. ¿Por qué hay bioelementos que son indispensables pese a haber sólo trazas de ellos?

5. Haz un cuadro, indicando el papel que realizan los principales elementos en los seres

vivos.

6. ¿Qué tipos de átomos deben constituir una molécula para que se formen cationes y

aniones?. ¿Qué fuerzas son las que actúan para mantener los enlaces iónicos?.

7. ¿Por qué se cree que la vida apareció en el medio acuoso?

8. ¿Por qué a temperatura ambiente el agua es un líquido, siendo el SO2 un gas?

9. ¿Podrías explicar por qué las zonas costeras tienen temperaturas más suaves que las zonas

interiores de la misma latitud?.

10. ¿Qué le ocurriría a una persona que no tuviera glándulas sudoríparas?. ¿Cómo refrigeran

su organismo los perros, que no las tienen?.

11. ¿Por qué el agua es un gran disolvente?. ¿Por qué no disuelve los hidrocarburos?.

12. ¿En qué forma se encuentran las sales solubles en un organismo?. ¿Qué quiere decir que

tienen valor universal?.

13. ¿Por qué el agua tiene una elevada tensión superficial, un elevado calor específico, un

elevado calor de vaporización, mayor densidad en estado líquido que en estado sólido, una

elevada constante dieléctrica y un bajo grado de ionización?.

14. Diferencia entre ósmosis y diálisis.

15. ¿De qué tipo son las membranas celulares?.



16. ¿Por qué una forma de conservar el alimento es cubrirlo con sal, como se hace con el

bacalao, las anchoas, el jamón, etc.?

17. ¿Por qué las hojas de lechuga se ponen turgentes cuando se dejan en agua y luego al aliñar

la ensalada se arrugan?.

18. ¿Qué pasaría si el medio interno de los organismos no fuera una disolución tampón?.

¿Cómo actúa el tampón bicarbonato frente a una subida y a una bajada de pH?.

19. ¿Por qué las soluciones que se administran en inyección endovenosa deben ser isotónicas

para los glóbulos rojos?. ¿Qué podría ocurrir si no fuera así?.

20. El alimento parcialmente digerido que pasa del estómago al intestino es ácido, debido a la

secreción del HCl de estómago. En el intestino delgado se segrega NaHCO3. ¿Qué función

realiza el bicarbonato sódico sobre este alimento?. ¿Podrías explicar por qué muchas

personas toman bicarbonato sódico después de una comida copiosa?.

21. Los laxantes producen un reblandecimiento de las heces por un aporte del agua que se

produce desde los tejidos hacia el intestino grueso. La epsomita MgSO4 es una molécula

que no puede pasar las paredes del tubo digestivo; es sin embargo, un laxante. Su acción

sobre las heces se basa en el fenómeno de la ósmosis, ¿Cómo puedes explicarlo?.

22. El dromedario es un animal muy bien adaptado a la vida en un ambiente seco, pierde poco

agua, pero también bebe muy poco. Posee gran cantidad de grasa en su joroba, que utiliza

como reserva energética, durante sus viajes a través del desierto. ¿Cómo obtiene el agua

necesaria para su supervivencia?. ¿Qué nombre recibe el agua que se obtiene de esa

forma?.

23. Estructura del agua. ¿Qué es el pH?.

24. Dibuja la estructura de una molécula del agua. Explica brevemente tres propiedades que la

hacen idónea para el desarrollo de la vida.

25. ¿Estimas que el fósforo es imprescindible para la vida animal y vegetal?. Razona la

respuesta.

tema 1 - biolementos y principios inmediatos inorgánicos

Documents