LA MATERIA DE LOS SERES VIVOS. LOS COMPUESTOS INORGÁNICOS

1.- INTRODUCCIÓN

Los seres vivos están compuestos principalmente por C, H, O y N; y en menor proporción por P y S. La química orgánica se basa en enlazar átomos de carbono formando macromoléculas. Teniendo en cuenta que los elementos mayoritarios del Universo son helio e hidrógeno, si aceptamos que la vida surgió en el agua, los elementos que se seleccionaron tenían que cumplir dos características:

1. Ser solubles en agua
2. Ser capaces de formar enlaces más o menos estables con otros

2.- LA BASE QUÍMICA DE LA VIDA

La base de la química orgánica es la cadena hidrocarbonada o los hidrocarburos: …CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₃

La idoneidad del carbono como base del esqueleto de las biomoléculas se debe a que permite construir cadenas largas y anillos cíclicos.

1. Su reducido tamaño y cuatro electrones en su capa externa permiten establecer cuatro enlaces covalentes (fuertes y estables) formando una estructura tetraédrica.
2. Los enlaces C – C son resistentes y energéticos pero lo suficientemente débiles como para romperse mediante reacciones bioquímicas.
3. Es soluble en agua y circula entre atmósfera, hidrosfera y litosfera.
4. El carbono puede unirse por medio de enlaces simples, dobles o triples originando estructuras complejas:
   • Largas cadenas
   • Anillos
   • Estructuras ramificadas

El silicio es más abundante en la corteza terrestre y se sitúa justo por debajo del carbono en la tabla periódica (también posee 4 electrones en su capa externa). A diferencia del carbono, forma enlaces más largos que se rompen con mayor facilidad, no puede formar dobles o triples enlaces y al combinarse con oxígeno forma cuarzo, químicamente inerte e insoluble en agua.

Los compuestos orgánicos pueden ser considerados derivados de los hidrocarburos al sustituir los hidrógenos por ramas hidrocarbonadas o por uno o varios átomos, lo que se denomina grupo funcional. Los principales grupos funcionales son hidroxilo, carbonilo, carboxilo, ciano, fenilo y metilo.

3.- BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS

Bioelementos: elementos químicos presentes en todos los seres vivos. Podemos clasificarlos en:

Los bioelementos se estructuran formando una serie de biomoléculas o principios inmediatos.

1. Biomoléculas inorgánicas: Agua y sales minerales
2. Biomoléculas orgánicas: Glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

4.- EL AGUA H₂O

Es el componente mayoritario de los seres vivos (65 – 95% del peso corporal).

Estructura del agua

Molécula compuesta por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. Aunque su carga total es neutra se comporta como un dipolo debido a la mayor electronegatividad del oxígeno. Este carácter polar permite la creación de puentes de hidrógeno responsables de muchas características peculiares del agua.

Propiedades físico – químicas del agua

Disolvente universal

El agua establece puentes de hidrógeno con otras sustancias polares y las disuelve, así como con compuestos iónicos, como las sales minerales. Esta característica permite que ocurran reacciones químicas en su seno y que transporte sustancias disueltas.

Elevada fuerza de cohesión

La estructura reticular mediante puentes de hidrógeno hace que el agua sea prácticamente incompresible. Puede servir como esqueleto hidrostático o permitir la turgencia en plantas.

Tensión superficial elevada

La gran fuerza de adhesión existente entre las moléculas de agua es responsable de su tensión superficial, que actúa como una membrana elástica tensa. Esta adhesión también provoca efectos de capilaridad.

Elevado calor específico

El agua es capaz de absorber gran cantidad de calor aumentando muy poco su temperatura. Actúa como amortiguador térmico evitando los cambios bruscos de temperatura.

Elevado calor de vaporización

Para pasar a estado gaseoso se deben romper los puentes de hidrógeno. Esta propiedad permite a los seres vivos disminuir su temperatura mediante el sudor.

Densidad anormal

Todos los materiales disminuyen de volumen al enfriarse. En el caso del agua este comportamiento se mantiene hasta alcanzar los 4ºC. A partir de esta temperatura el agua deja de contraerse y se dilata. Consecuentemente, el hielo es menos denso que el agua líquida y, por tanto, flota, lo que permite mantener la vida acuática en zonas frías.

Disociación del agua. El pH y las soluciones tampón

Definimos el pH como: pH=-log[H⁺]

El pH del agua es 7 y lo consideramos neutro. Valores mayores serán básicos o alcalinos y valores menores ácidos. La mayoría de las reacciones metabólicas ocurren a pH neutro, es decir, próximo a 7. Para mantener estas condiciones existen las soluciones amortiguadoras o tampón: sistemas acuosos en los que, aunque se añadan cantidades importantes de una base o un ácido, prácticamente no varía el pH. Las más importantes son:

1. Iones fosfato (monofosfato-bifosfato)
2. Carbonato/bicarbonato

5.- LAS SALES MINERALES

Moléculas inorgánicas que se encuentran en los seres vivos disueltas o en forma sólida.

1. Sales insolubles: Forman estructuras sólidas de protección y sostén.
   • Caparazones de carbonato cálcico de crustáceos y moluscos
   • Caparazones silíceos de diatomeas
   • Esqueletos de vertebrados
2. Sales solubles: Se encuentran disociadas en sus iones y son responsables de:
   • Mantener el equilibrio osmótico
   • Actuar como tampones de pH
   • Transmitir el impulso nervioso
   • Contracción muscular
   • Coagulación de la sangre
   • Formar parte de moléculas complejas, como el hierro en la hemoglobina o el magnesio en la clorofila

El equilibrio osmótico

Las membranas celulares son semipermeables, dejan pasar el agua y no permiten el paso de numerosos solutos. Entre dos medios de diferente concentración separados por una membrana semipermeable se produce el fenómeno de la ósmosis. Como el soluto no puede atravesar la membrana, el agua pasa intentando contrarrestar las diferencias de concentración, provocando una diferencia de presión denominada presión osmótica.

Una célula puede encontrarse en tres tipos de medios:

1. Medio isotónico: Las concentraciones salinas a ambos lados de la membrana son iguales. No hay intercambio de agua.
2. Medio hipertónico: La concentración salina externa es mayor que la interna. El agua tiende a salir de la célula con objeto de alcanzar el equilibrio. Si sale demasiada agua la célula morirá por plasmólisis (arrugamiento).
3. Medio hipotónico: La concentración salina interna es mayor que la externa. El agua tiende a entrar en la célula provocando fenómenos de turgencia en células vegetales (la pared celular les impide estallar) o de citólisis en células animales (estallan).