Apuntes sobre bioelementos y biomoléculas: agua y sales inorgánicas

Bioelementos y biomoléculas: agua y sales inorgánicas

1.Biología

—La estructura define la función.

 Los seres vivos van a poseer diversas moléculas, orgánulos, células, tejidos… con una estructura concreta que van a hacer posibles las diversas funciones. Y es el conjunto de esas funciones a la que llamamos vida.

Funciones de los seres vivos:

• Obtención de energía del medio ambiente mediante las funciones de nutrición.

• Su uso para la autoperpetuación de las estructuras biológicas a lo largo del tiempo y el espacio mediante las funciones de relación y reproducción.

—La biología es la ciencia que estudia los seres vivos, abarcando muchos conocimientos propios o de otras ramas del saber (citología, histología, ecología, inmunología, botánica, genética, bioquímica, biofísica…)

—Se basa en el método científico: observación para condicionar una hipótesis, y tras su comprobación experimental y comunicación a la comunidad científica, se establece una teoría.

—La biología puede ser tanto una ciencia de estudio de los seres vivos como una fuente de aportaciones tecnológicas a la humanidad, que gracias a la capacidad de manipular estudiar y manipular el genoma está trayéndonos una auténtica revolución tecnológica.

2.Composición química de los seres vivos

—La gran diversidad biológica del planeta tiene una uniformidad química: todos los seres vivos están formados por menos de 30 elementos químicos específicos, y casi todos ellos se centran sobre todo en 6 específicos.

Muchos de los elementos biogénicos, aquellos elementos químicos que forman las biomoléculas, han sido seleccionados para la vida cumplían dos parámetros:

• —Su comportamiento en el medio acuoso.

• —La reactividad de los átomos y los tipos de enlaces que pueden formar.

Bioelementos mayoritarios

• —Bioelementos mayoritarios primarios: constituyen más del 95% del peso en los seres vivos: carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), azufre (S) y fósforo (P).  Se suelen conocer como los ladrillos de la materia, por su capacidad de unirse covalentemente unos a otros y formar el esqueleto de las moléculas orgánicas.

• —Bioelementos mayoritarios secundarios: participan en menor proporción, desempeñando funciones de vital importancia en la fisiología celular: magnesio (Mg), calcio (Ca), potasio (K), sodio (Na) y cloro (Cl).

Oligoelementos

Participan en cantidades infinitesimales (en proporciones menores al 0,1 %), pero no por ello son menos importantes. Muchos de ellos son útiles para la catálisis enzimática y la actividad de diversas proteínas.

• ——Oligoelementos esenciales en todos los organismos: hierro (Fe), manganeso (Mn), cobre (Cu), zinc (Zn) y cobalto (Co).

• —Oligoelementos no esenciales en todos los organismos: son los restantes hasta completar la lista de los 70 elementos biogénicos, que desempeñan diferentes funciones en el metabolismo y en la fisiología de unos u otros seres vivos: flúor (F), yodo (I), silicio (Si), molibdeno (Mo), litio (Li), cromo (Cr), selenio (Se), vanadio (V)…

3.La idoneidad del carbono: el mundo orgánico

—El carbono lo encontramos en forma de CO2 en la atmósfera, aunque es poco frecuente en la corteza terrestre (0,027%). El carbono es realmente frecuente en los seres vivos, que concentran gran cantidad de C en sus biomoléculas orgánicas. Estas moléculas orgánicas poseen un esqueleto carbonado formado por átomos de C mediante enlaces covalentes, unidos a otros grupos de átomos formando grupos funcionales.

• —El carbono tiene número atómico 6. Lo interesante es que puede tener valencia IV, al formar cuatro orbitales híbridos sp3 orientados a los vértices como un tetraedro. Esto le permite formar cuatro enlaces covalentes simples.

• —Los enlaces pueden ser simples (C-C), dobles (C=C) y triples (C≡C), y se pueden formar cadenas lineales, ramificadas o cíclicas.  Además, a causa de la configuración tetraédrica, puede tener estructuras tridimensionales diferentes fundamentales a la hora de aportar funciones a los seres vivos.

• —Las distintas combinaciones del C con otros átomos crean los grupos funcionales, con características físicas y químicas específicas y que dotan a las moléculas orgánicas de gran reactividad.

  A pesar de que el silicio (Si) también puede formar cuatro enlaces, los suyos son más débiles e inestables, razón por la cual la vida se origina desde el C y no desde el Si.

4.El agua, esencial en la vida

   Representa entre el 65-95% del peso de la mayor parte de los seres vivos. A pesar de parecer un líquido inerte, el agua presenta gran reactividad, lo que pudo tener que ver no sólo en el soporte de las primeras formas de vida, sino en la agregación de moléculas sencillas para dar lugar a otras más complejas esenciales para la vida.

ESTRUCTURA

• —El agua dispone tetraédricamente sus orbitales (sp3), lo que determina un ángulo entre H-O-H de 104,5º, y además el oxígeno presenta gran electronegatividad, atrayendo con fuerza a los electrones de cada enlace. A consecuencia de esta conformación espacial, aunque la molécula de agua tiene carga neutra, presenta una distribución asimétrica, lo que le convierte en una molécula polar.

• —Es polar porque establece un dipolo: la nube electrónica alrededor del O concentra una densidad de carga negativa (d-), mientras que los núcleos de H quedan desprovistos de sus electrones y manifiestan por tanto una densidad carga positiva (d+).

• —El carácter  dipolar de las moléculas de agua permite que interaccionen con otras moléculas polares o con iones. En concreto, entre las propias moléculas de agua se pueden establecer uniones electrostáticas llamadas puentes de hidrógeno: la carga parcial negativa de un O se une con la carga parcial positiva de un H de otra molécula.

• —Pese a que el puente de hidrógeno es una unión relativamente débil si la comparamos con un enlace covalente, el hecho de que cada molécula pueda unirse a otras 3,4 moléculas de promedio por estos puentes crea una estructura de red (reticular), que es responsable en gran parte de su comportamiento anómalo como líquido y de sus propiedades fisicoquímicas.

4.1.Propiedades fisicoquímicas y funciones biológicas del agua

—I) Acción disolvente

El agua es el líquido que más sustancias disuelve (disolvente universal), pues forma puentes de hidrógeno con esas sustancias.

Esto le da al agua dos propiedades biológicas: 1) es el medio ideal donde transcurren las reacciones metabólicas, pues para que dos sustancias reacciones deben estar disueltas en el mismo medio, y 2) el aporte de nutrientes y eliminación de desechos se realiza a través de vehículos acuosos.

• —A las sustancias que se disuelven en agua (son polares) se las llama hidrófilas, como la glucosa. Forman puentes de hidrógeno con el agua y se insertan en su estructura reticular.

• —A las que no se disuelven (apolares) se las llama hidrofóbicas o lipófilas, por ejemplo los hidrocarburos. No son capaces de establecer puentes de hidrógeno con el agua, interrumpiendo su estructura reticular, y además se juntas entre ellas incrementando su poder de cohesión al margen del agua.

• —Hay muchas sustancias anfipáticas, como los fosfolípidos, con regiones polares que se disuelven en agua y regiones que no.

II) Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas

Debido a los puentes de hidrógeno, el agua puede formar un líquido incompresible que aporta turgencia a las plantas. También es responsable de la tensión superficial del agua, una fuerza de atracción entre las moléculas internas que hace que la superficie del agua se comporte como una membrana elástica que puede servir a algunos insectos ligeros para andar sobre ella.

II) Elevada fuerza de adhesión

La adhesión del agua a otras moléculas es responsable de la capilaridad, que permite el ascenso de la savia bruta desde las raíces hasta las hojas.

IV) Gran calor específico

  El agua puede almacenar grandes cantidades de calor, que se utiliza en romper la infinidad de puentes de hidrógeno, por lo que su temperatura se eleva solo ligeramente. Permite mantener la T del organismo constante pese a variaciones importantes del exterior.

V) Elevado calor latente de evaporación

Cuando el agua se evapora, disminuye la temperatura, lo que constituye un adecuado sistema de refrigeración.

VI) Menor densidad del hielo que del agua líquida

A enfriarse el agua contrae su volumen, pero en torno a los 4º cesa esa contracción y la estructura se dilata, siendo el hielo el que flota sobre el agua líquida. Eso permite que los peces puedan vivir en el agua líquida de un lago a pesar de congelarse su superficie.

VII) Usos bioquímicos

En la fotosíntesis, las enzimas usan el agua como fuente de hidrógeno. En las reacciones de hidrólisis, las enzimas usa la capacidad del agua para romper enlaces y degradar los compuestos orgánicos en otros más sencillos.

4.2.Ósmosis

Si tenemos dos disoluciones de distinta concentración separadas por una membrana semipermeable – que permite el paso del agua pero no de los solutos – la ósmosis es un proceso de difusión pasiva del agua a través de la membrana desde la solución más diluida a la más concentrada, pues el agua tiende a equilibrar las concentraciones.

  La presión osmótica sería aquella que habría que aplicar para detener el flujo de agua que crea el gradiente osmótico.

• Dos disoluciones son isotónicas si tienen la misma concentración.

• Si el líquido extracelular es hipotónico (de concentración menor) respecto al extracelular, el agua tenderá a entrar en la célula, dando lugar a un proceso de turgencia, que podría incluso llegar a estallar. En los eritrocitos se llama hemólisis.

• Si el líquido extracelular es hipertónico (de concentración mayor) respecto al extracelular, el agua tenderá a entrar a abandonar la célula, y las células se deshidratan y pueden morir, es un proceso de plasmólisis.

4.3.Ionización del agua y escala del PH

• —El agua no es un líquido químicamente puro (H2O), sino que es una solución iónica que siempre contiene iones H3O y OH-. (Por convenio se suele utilizar H+ en vez de H3O+).

• El producto [H+]· [OH-] = 1·10-14M se llama producto iónico del agua y establece la base para la escala de pH.

• —Disoluciones tampón o “buffer”: son un conjunto de sustancias relacionadas entre sí capaces de mantener el pH constante dentro de ciertos límites ante la adición de un ácido o una base. Esto es indispensable para la vida, ya que las variaciones de pH afectan por ejemplo a la actividad de las enzimas, que necesitan un pH concreto para actuar.

• —Las proteínas poseen capacidad tamponadora del pH, pero también existen sistemas tamponadores como el sistema carbonato-hidrogenocarbonato (CO32- - HCO3-) y el sistema monofosfato-bifosfato (H2PO4- - HPO42-), que amortiguan el cambio del pH.

• —En los seres humanos el pH normal de la sangre es de 7,4 (valores inferiores a 7,0 y superiores a 7,7 pueden provocar la muerte en pocos minutos).

5.Sales inorgánicas o minerales

—Sales inorgánicas insolubles en el agua

Forman estructuras sólidas de protección y sostén.

• —Caparazones de carbonato cálcico (CaCO3) de crustáceos y moluscos.

• —Esqueleto interno de vertebrados , cuya parte mineral es una asociación de P, Ca, Cl y F.

—Sales inorgánicas solubles en el agua

En el agua se encuentran disociadas en sus electrolitos o iones (cationes y aniones).

• —Funciones catalíticas: algunos iones (Mg2+, Cu+, Zn+, Mn2+…) actúan como cofactores enzimáticos de ciertas enzimas. Otros, como el Fe2+-Fe3+…) forma parte del grupo hemo de la hemoglobina y mioglobina, el ion Mg2+, está en las clorofilas y el Ca2+, forma parte de la contracción muscular.

• —Funciones osmóticas: intervienen en la distribución del agua en los compartimentos intra y extracelulares. Los iones K+, Na+, Cl-  y Ca2+ participan manteniendo el potencial de membrana y el potencial de acción neuronal.

• —Función tamponadora: Mantiene el pH constante. Se lleva a cabo por el ión carbonato y el bifosfato.

• —Función nutrientes:  los organismos autótrofos usan algunas sales (SO2-4, NO-3…) para sintetizar compuestos orgánicos.