La base química de la vida

PRESENTACIÓN

La base química de la vida

Primer trimestre

ÍNDICE

1. Elementos químicos

8. Homeostasis

2. Enlaces

9. Transporte a través de membrana

10. Ósmosis

3. Bioelementos

4. Biomoléculas

11. Difusión

5. Biomoléculas orgánicas

12. Diálisis

6. El agua

13. Disoluciones

7. Sales minerales

14. Actividades

Autoría de imágenes

elementos químicos

Estos elementos químicos se encuentran clasificados segun su número atómico (número de protones) en la conocida como tabla periódica. Sabiendo el sitio donde están en la tabla podemos predecir su comportamiento.

Entendiendo la tabla periódica

Tabla periódica

enlaces

La mayor parte de los elementos en la naturaleza los vamos a encontrar en forma de moléculas, adquiriendo configuraciones que les hace ser más estables. Tipos de enlaces químicos:

• Enlace iónico. Enlace entre un elemento muy electronegativo (no metal) y un elemento muy electropositivo (metal). Se produce una transferencia de electrones, el elemento electropositivo cede electrones al elemento electronegativo que los gana. El elemento que pierde los electrones forma o ión positivo o catión, y el que los gana forma un ión negativo o anión.

Los iones resultantes no están aislados, se mantienen unidos formando redes iónicas unidas por atracción electrostática.

Destacar que este tipo de sustancias pueden estar precipitadas (sales formando estructuras sólidas) o disueltas en agua (en este caso el agua al ser un compuesto polar disocia y estabiliza aniones y cationes).

Disolución del cloruro de sodio en agua. La molécula del agua atraerá por su extremo positivo a los iones cloruros disueltos, y los cationes en este caso representados por el sodio serán atraídos por el extremo de carga negativa en la molécula de agua.

Fuerzas ión dipolo.

• Enlace covalente. Se produce entre elementos con alta afinidad electrónica, ambos tienen tendencia a ganar electrones (no metales). Ninguno los cederá produciéndose una compartición.

Si comparten un par de electrones forman un enlace simple, si comparten dos pares de electrones se forma un enlace doble, y si comparten tres pares de electrones un enlace triple. La molécula resultante puede ser:- Apolar. Entre elementos con idéntida electronegatividad.- Polar. Entre elementos con diferentes electronegatividad, el más electronegativo consigue atraer el par de electrones compartido con más fuera hacía él generando una carga negativa en su lado ( - ) y una carga positiva en el lado contrario ( +) originándose un dipolo eléctrico.

• Enlace metálico. Se produce entre elementos electropositivos (metales), ambos ceden los electrones y quedan compartidos en una nube de electrones.

Fuerzas intermoleculares. Son atracciones que se producen entre diferentes moléculas.

• Fuerzas de Van de waals. Se produce entre moléculas neutras, polares o apolares. Su origen son pequeños desplazamientos de carga generando dipolos instantáneos.

- Fuerzas de dispersión. Entre moléculas que no presentan dipolos permanentes. Se aproximan electrones y se genera el dipolo, que se propaga a moléculas vecinas. - Fuerzas dipolo-dipolo inducido. Entre moléculas con dipolos permanentes y moléculas que no presentan dipolo.- Fuerzas dipolo-dipolo. Entre moléculas con dipolos permanentes. Por ejemplo entre moléculas de cloruro de hidrógeno (HCl).

Fuerzas de dispersión.

Dipolos inducidos.

Ordenados de menor a mayor según la fuerza de estos enlaces

• Puentes de hidrógeno. En moléculas con dipolos muy marcados, moléculas con elementos muy electronegativos (F, O, N) y el hidrógeno.

El hidrógeno atrae con fuerza a pares de electrones no enlazantes de oxígenos vecinos, estableciendo una relación entre ellos. En casos extremos puede llegar a "atrancárselos".

Bioelementos

Estos elementos que se encuentran en la materia viva se llaman bioelementos o elementos biogénicos (de bios, vida, y genos, origen). Los bioelementos se pueden clasificar en tres grupos:

• Bioelementos primarios
• Bioelementos secundarios
• Oligoelementos

Los bioelementos primarios.

Son los más abundantes en los seres vivos representando cerca del 96% de la materia viva. Son indispensables para la formación de las biomoléculas orgánicas (glúcidos. lípidos, proteínas y ácidos nucleicos). Son el oxígeno (O), el carbono (C), el hidrogeno (H), el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el azufre (S).

Propiedades de los bioelementos primarios:

• Su masa atómica es relativamente pequeña y el último orbital está incompleto, esto favorece que se establezcan enlaces covalentes combinándose entre sí.

Carbono (C)

• Tetravalencia. Tiene 4 electrones en su periferia pudiendo unirse como máximo a otros cuatro átomos.
• Pueden formar enlaces simples, dobles o triples. Largas cadenas, con ramificaciones y cíclicas. Todo esto da lugar a estructuras tridimensionales variadas.
• Enlaces estables que acumulan energía o liberan (en caso de rotura)

Estructura tridimensional. Carbono en el centro de un tetraedro, los vértices corresponden a las valencias.

Oxígeno (O) y Nitrógeno (N)

• El oxígeno y el nitrógeno son muy electronegativos dando lugar frecuentemente a moléculas dipolares fácilmente solubles en agua. Gracias a esta electronegatividad:
• El oxígeno interviene en reacción metabólica de oxido-reducción (redox), quita los electrones a otros elementos con facilidad, los oxida. Esta reacción es frecuente con el carbono y el nitrógeno, ya que presentan la misma afinidad para unirse con el oxígeno que con el hidrógeno asi que pueden pasar del estado oxidado al reducido con facilidad. Las reacciones redox son relacionado con la obtención de energía en el metabolismo.

• El nitrógeno puede sustituir al carbono en biomoléculas orgánicas, siendo esencial en las proteínas (aminoácidos) y en lo ácidos nucleicos, así como en muchos glúcidos y lípidos.
• El carbono, nitrógeno y oxígeno pueden formar enlaces dobles o triples.

Fósforo (P)

El enlace entre átomos de fósforo es rico en energía, cuando se rompe un enlace desprende una gran cantidad de energía. Lo vemos formando parte del ATP, ácidos nucleicos y fosfolípidos.

Hidrógeno (H)

Dador o donante universal de electrones, se une a cualquier elemento. Componente del agua.

Azufre (S)

Los átomos de azufre que están presenten en distintas moléculas pueden formar entre sí enlaces covalentes fuertes denominados puentes disulfuro, como consecuencia las moléculas quedan unidas de forma estable. Es muy importante en la estructura tridimensional de muchas proteínas ya que se establecen uniones entre diferentes aminoácidos, por ejemplo en la insulina.

Los bioelementos secundarios.

Representan cerca del 2% de la materia viva. Forman las sales minarales generalmente disociadas en sus cationes y aniones.

El calcio (Ca), el sodio (Na), el potasio (K), el magnesio (Mg) y el cloro (Cl). Llevan a cabo funciones importantes como la transmisión del impulso nervioso (Na, K), la contracción muscular (Ca), el equilibrio osmótico (Na, K, Cl), formando el esqueleto de animales y caparazones (Ca), formando parte de la clorofila (Mg), ...

Bioelementos secundarios principales.

Oligoelementos.

Son los elementos que se encuentran en proporciones inferiores al 0.1 %. No existe una relación directa entre abundancia y esencialidad. Muchos bioelementos pueden ser, por ejemplo, oligoelementos, y a la vez ser indispensables, debido a que su función no es estructural, sino catalizadora. Así, una pequeña cantidad de ellos es suficiente para que el organismo viva, pero la falta total provocaría su muerte.

• El Fe y el Cu intervienen en la cadena de transporte de electrones en las mitocondrias.
• El Mn y el Zn están relacionados con la activitat enzimática.
• El Co forma parte de la vitamina B12.
• El Si tiene función estructural en el tejido conjuntivo de los animales y de algunas plantas o microorganismos.
• El I es necesario para la síntesis de la hormona tiroxina.
• El F forma parte del esmalte dental.

¿Por qué no hay vida basada en el Si siendo un elemento parecido al Carbono? - Los enlaces entre átomos de Si son más débiles que los de carbono ya que el Si tiene un radio mayor y por ello una mayor distancia de enlace. - La unicón entre el Si y el O es muy estable - El SiO2 no es soluble en agua, a diferencia del CO2 - El Si no puede formar enlaces dobles o triples con él mismo. - El Si no puede formar estructuras cíclicas (es demasiado grande). - Los compuestos con Si y H (silanos) son altamente inflamables en presencia d’O.

Los elementos que son abundantes en el agua de mar también son importantes en los seres vivos. De esta correlación se puede concluir que su solubilidad en el agua fue un factor clave en su selección evolutiva.

Ecir. Segundo bachillerato.

biomoléculas

Son las moléculas que forman parte de la materia viva. Se pueden clasificar en:

Orgánicas Exclusivas de la materia viva

• Los glúcidos
• Los lípidos
• Las proteínas
• Los ácidos nucleicos

Inorgánicas Presentes en los seres vivos y en la materia inerte

• Agua
• Sales minerales

A desarrollar en los temas siguientes

Biomoléculas orgánicas

• Formadas mayormente por bioelementos primarios
• Estructuras carbonatadas, el C formando el esqueleto de las moléculas.
• Grupos funcionales dotando de especificidad a las moléculas.
• Son macromoléculas (polímeros - monómeros)
• Estructura tridimensional. Aparición de isómeros (misma fórmula química pero diferente configuración espacial).

Grupos funcionales de compuestos orgánicos. Conjuntos de átomos unidos a esqueletos carbonatados confiriendo identidad / propiedades a las moléculas.

MODELOS DE REPRESENTACIÓN DE UN COMPUESTO ORGÁNICO

El agua

• Agua intracelular (citosol y orgánulos)
• Agua intersticial (tejidos y órganos)
• Agua circundante (sangre, linfa, savia)

Formada per la unión de un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno por enlace covalente (104'5º).

Carga neta neutraMolécula dipolar El átomo de oxígeno es más electronegativo que el de hidrógeno. Los electrones compartidos en los enlaces quedan más cerca del átomo de oxígeno, generando una densidad de carga negativa ( -) al rededor del átomo de O y positiva ( +) del de hidrógeno.

La presencia de estas cargas permite establecer puentes de hidrógeno entre diferentes moléculas formando una estructura reticular responsable de las propiedades de el agua. El agua puede formar puentes de hidrógeno con otras moléculas polares o con carga iónica (disoluciones moleculares como cuando forma puentes con aminoácidos, o disoluciones salinas como por ejemplo interactuando con iones).

funciones

Propiedades

1. Gran poder disolvente
2. Alto calor específico
3. Elevado calor de vaporización
4. Elevada fuerza de cohesión
5. Alta fuerza de adhesión
6. Grado bajo de ionización
7. Reducida viscosidad, alta fluidez
8. Menor densidad en estado sólido
9. Alta reactividad química
10. Elevada transparencia.

1. Función de transporte
2. Función termorreguladora
3. Función termorreguladora. Refrigerante
4. Función estructural. Tensión superficial.
5. Capilaridad
6. Función amortidora (pH)
7. Función lubricante
8. Función ecológica
9. Funció metabólica
10. Función ecológica

sales minerales

Presentes sólidas o precipitadas, en disolución o asociadas a biomoléculas.

En disolución

En forma sólida o precipitada

Asociadas a biomoléculas

En la contración muscular, K+ i el Ca2+

CaCO3 (carbonato de calcio)

Molécula de hemoglobina

Se encuentran en forma de iones. Participan: reacciones del metabolismo, sistemas amortiguadores. equilibrio osmótico, ...

Función principalmente esquelética o de sostén.

• CaCO3. Caparazones, esqueletos invertebrados, huesos, cubierta de algunos huevos.
• Ca3 (PO4)2 . Huesos y dientes de vertebrados.
• SiO2. Espículas (poríferos), diatomeas, pared celular de plantas.

Iones que forman parte de biomoléculas y son esenciales para su funcionamiento.

• Fe. Grupo hemo de la hemoglobina
• Cu. Hemocianina (crustáceos y moluscos).
• I. Hormonas tiroideas como la tiroxina.
• Mg. Clorofila.

Sales en disolución.

regulación de la presión osmótica

Mantenimiento del ph del organismo

regulación de la actividad enzimática

Funciones reguladoras

Mantenimiento de la salinidad y fluidos.

Las sales forman parte de sistemas tampón.

Algunos iones pueden formar parte de enzimas.

transmisión del impulso nervioso

Contracción muscular

coagulación sanguínea

Funciones específicas

Na, K, Ca

Na, K, Mg

Ca

pH

La tendencia del agua es a disociarse en hidrogeniones (H+) y hidroxilos (OH-).

En el agua (pura a 25º) únicamente una de cada 107 moléculas de agua está disociada en H+ y OH-.

El H+ reacciona con otras moléculas y se encuentra como H3O+. La cantidad de moléculas disociadas puede medirse, y es un dato de gran interés. La medida es el pH, y se define como:

pH = -log [H3O+] El logaritmo negativo en base decimal de la concentración de hidronios (H3O+)

Como el agua únicamente tiene una de cada 107 moléculas de agua disociada, de ahí que se diga que la concentración de H+ es de 10-7, lo que denominamos pH 7. El valor del pH nos da información de la acidez o alcalinidad del agua

• El valor pH 7 corresponde a una disolución neutra.
• Una disolución ácida tiene valores de pH menores que 7, los ácidos liberan iones hidrógeno aumentando su valor.
• En cambio una disolución básica tiene valores mayores que 7, las bases captan iones hidrógeno disminuyendo su concentración..

Hay disoluciones o compuestos que puedan liberar iones hidrógeno o captarlos puedan variar los valores de pH mitigando cambios que pueden ser perjudiciales para el organismo. Estas disoluciones o compuestos son denominadas tampones o disoluciones amortiguadoras.

Sistemas tampón biológicos:

• Tampones inorgánicos.Tampón bicarbonato y fosfato.
• Proteínas y aminoácidos.
• Hemoglobina.

Tampón bicarbonato. Mitiga los cambios de pH con un equilibrio entre ión bicarbonato, ácido carbónico y dióxido de carbono.

El ión bicarbonato puede ser eliminado o reabsorbido por los riñones.

Ión bicarbonato

Ácido carbónico

• Cuando la concentración de H+ aumenta, se desplaza la reacción hacía la producción de ácido carbónico.
• Cuando disminuye la concentración de H+ la reacción se desplaza disociando el ácido carbónico.

No hay que olvidar que la estructura y la función de muchas proteínas y enzimas, y con ello los procesos fisiológicos, está influída por el valor del pH. El pH óptimo es el pH en que para las enzimas existe un máximo de eficacia.

Gráficas. Curvas sistemas tampón. El pH se mantiene constante en la región tamponante aunque se añada o disminuya OH- / H+

Sistemas tampón

El pKa corresponde al valor de pH de una solución amortiguadora en el que el ácido y la base se encuentran a concentraciones equimoleculares o al 50% cada una. Vemos que los diferentes sistemas tampón tienen pKa diferentes.

Homeostasis

La homeostasis es un estado de equilibrio en el que se mantiene nuestro organismo creando un ambiente interno estable y relativamente constante.

Para conseguirlo es necesario una serie de mecanismos y sistemas que regulen las condiciones fisicoquímicas que sufre el hialoplasma o citosol, ya que se producen continuamente reacciones químicas y procesos celulares que pueden alterar estas condiciones con un desenlace fatal (metabolismo y otros procesos). Para conseguir resistir estos cambios y mantener un buen equilibrio homeostático o homeostasia contamos con:

• Regulación del pH intercelular
• Transporte de sustancias a través de membrana
• Regulación de la presión osmótica

transporte de sustancias a través de membrana

• Las membranas biológicas son de tipo semimpermebale, dejan pasar algunas sustanicas y otras no.
• Permeabilidad selectiva. El paso de sustancias está regulado por diferentes sistemas de transporte

Esquema estructura de membrana

Tipos de membranas

Ósmosis

Separación entre dos disoluciones acuosas por una membrana semipermeable que deja pasar el disolvente pero no el soluto. Si a ambos lados las concentraciones no son iguales, se produce un trasiego de disolvente desde la disolución más diluida (medio hipotónico) a la disolución más concentrada (medio hipertónico).

¿Qué pasaría en nuestras células si...?

En medio hipotónico . las células captan agua aumentando su turgencia hasta que llega un momento que pueden estallar

En medio hipertónico . Las células pierden agua disminuyendo su volumen acuoso hasta que llega un momento que pueden deshidratarse (plasmólisis)

En células vegetales y bacterias, la pared celular protege de variaciones de presión osmótica del medio

Difusión

Ejemplo de difusión en el seno de una masa de agua.

Las moléculas se mueven desde una región donde hay muchas moléculas (más concentrada) a regiones donde hay menos (menos concentrada), hasta que la concentración sea la misma en todas partes. No depende del tamaño como veremos posteriormente en la diálisis sino de la diferencia de concentración. En los tejidos la difusión depende de la permeabilidad de membrana, y es de destacar que el paso a través de membrana es una forma frecuente de transporte de sustancias entre el interior y el exterior de la célula. La permeabilidad va a generar un paso selectivo de determinadas sustancias.

Diálisis

Es un fenómeno mediante el cual se produce la separación de las partículas a través de una membrana en la que el paso está delimitado por el tamaño del poro dejando pasar únicamente a las partículas más pequeñas y agua. El paso viene determinado por el índice de difusión y la presión osmótica. Las moléculas de elevado peso molecular (coloides) se separan de las de bajo peso molecular (cristaloides).

Una aplicación clínica es la hemodiálisis, que es la separación de la urea de la sangre de individuos con deficiencia renal.

¿Qué fenómeno se produce en cada caso?

Actividades

Disoluciones

Disoluciones verdaderas. Los solutos son de bajo peso molecular (por ejemplo el clorudo sódico o la glucosa). Dispersiones coloidales. Solutos de alto peso molecular (por ejemplo proteínas de tipo albúmina. A los solutos les denominamos coloides. Pueden haber dos tipos en función de su estado físico:

• Sol. Coloide de aspecto líquido ya que hay menor cantidad de las particulas de soluto dispersas y de la parte líquida.
• Gel. Coloide de aspecto gelatinoso. Las moléculas de disolvente en menor cantidad que las de soluto. Impide que el disolvente fluya.

En las células la consistencia de los solutos varía en función de las concentraciones de soluto. Variaciones de presión, temperatura o de concentración hacen variar el estado en qué encontremos las dispersiones.

Actividades

En tu libro encontrarás muchos ejercicios para poder prácticar los contenidos estudiados. Algunos destacados son: Página 25 el 1 y 2 Página 27 el 5 Página 28 el 1 Página 31 el 1 Página 35 el 2, 3 y 4 Página 37 el 3, 4 y 5 Página 38 el 7, 10, 11, 19, 20 y 22 Página 41 el 2 Puedes ir haciendo las actividades, comprobar si las tienes bien y preguntar las dudas que te surjan.

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