Bioelementos y Biomoléculas Inorgánicas
1. Los Elementos de la Vida
Se denomina bioelementos biogénicos o bioelementos a aquellos elementos químicos que forman parte de los seres vivos. De los 29 elementos presentes en los seres vivos, 27 son necesarios y solo 16 son comunes a todos. Esto se debe a que los seres vivos son entes selectivos que utilizan aquellos elementos más idóneos para sus estructuras y funciones.
Bioelementos Principales: C, H, O, N, P y S
(C, H, O) forman parte de todas las biomoléculas orgánicas. (N) es componente principal de las proteínas, ácidos nucleicos, nucleótidos, clorofila, hemoglobina y numerosos glúcidos y lípidos. El S se halla en 2 aminoácidos (cisteína y metionina) presentes en casi todas las proteínas. El P es parte integrante de los nucleótidos, fosfatos, etc.
Propiedades Fisicoquímicas de estos Elementos:
- Enlaces covalentes: Comparten más de un par de electrones formando enlaces dobles o triples, lo cual les da una gran versatilidad para formar compuestos químicos diferentes.
- Estabilidad: Son más estables cuando menor es su masa atómica.
- Estereoisómeros: Los enlaces de carbono presentan estereoisómeros que los seres vivos diferencian y seleccionan.
- Oxidación: Los compuestos tienden a oxidarse para formar elementos de baja energía como el CO2 y H2O. La energía desprendida en las oxidaciones es aprovechada para funciones vitales de los organismos.
Bioelementos Secundarios: Ca, Mg, Na, K, Cl
Los encontramos formando parte de todos los seres vivos. En conjunto no superan más del 2,5% del peso total del organismo.
Oligoelementos
Tanto su déficit como su exceso pueden producir graves trastornos en los seres vivos.
2. Biomoléculas
Biomoléculas Inorgánicas
Presentes también en la materia inerte: agua, sales minerales, gases.
Biomoléculas Orgánicas
Exclusivas de los seres vivos: glúcidos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos.
3. El Agua
Imprescindible para la vida, medio en el que se realiza el transporte de nutrientes, las reacciones del metabolismo y la transferencia de energía química. Su contenido en los seres vivos está en función de la actividad metabólica que desarrollan las células.
Estructura de la Molécula de Agua
Formada por 2 átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno mediante enlaces covalentes. Es un dipolo magnético, por eso se dice que el agua es una sustancia polar. La naturaleza polar de las moléculas de agua hace que el oxígeno de una molécula con carga negativa pueda interaccionar con el hidrógeno de otra con carga positiva, estableciendo lo que se denomina enlace o puente de hidrógeno. Este enlace es débil en comparación con un enlace covalente o iónico, lo que implica que puede formarse y deshacerse con cierta facilidad (debilidad que a veces puede compensarse con la formación de grandes cantidades de enlaces). La estructura tetraédrica en la distribución electrónica hace que una molécula de agua pueda formar hasta 4 puentes de hidrógeno.
Propiedades Fisicoquímicas del Agua
Densidad en Estado Sólido
A medida que el agua líquida se enfría, se contrae y su densidad aumenta. Al llegar a 4ºC alcanza su máxima densidad. Su densidad permanece constante hasta llegar a 0ºC que es cuando se solidifica. La densidad disminuye bruscamente, «el hielo se expande»: el agua en estado sólido es menos densa que el agua líquida. Esta propiedad se debe a que en estado líquido se están formando y destruyendo continuamente los puentes de hidrógeno. En estado sólido las moléculas de agua forman 4 puentes de hidrógeno con otras tantas moléculas de agua, que mantienen posiciones fijas en una estructura cristalina tridimensional más expandida y, por lo tanto, menos densa.
Por ello, la flotabilidad es crucial para que no se hundiera, haciendo posible la vida acuática en los fondos marinos.
Regulación de la Temperatura
El agua presenta un elevado calor específico: Se debe a que el calor que absorbe el agua se emplea para romper los puentes de hidrógeno entre las moléculas antes que para aumentar la velocidad de las mismas. Por lo mismo, cuando la temperatura del agua cae levemente se forman muchos enlaces de hidrógeno adicionales y se libera mucha energía en forma de calor.
El agua posee un elevado calor de vaporización: De 580 calorías por gramo de agua. La condensación de un gramo de agua devuelve 580 calorías. Gracias a su elevado calor específico y calor de vaporización, el agua es un regulador térmico global y para todos los seres vivos.
Capacidad Disolvente
El agua es un disolvente muy versátil, mejor que la mayoría de otros disolventes.
Los solutos cambian algunas propiedades del agua: disminuyen el punto de congelación, aumentan el punto de ebullición y la presión osmótica. Las sustancias que poseen grupos polares pero no se disuelven en agua se les denomina hidrofílicas y a las que no poseen ni grupos polares ni se disuelven se llaman hidrofóbicas.
Disociación del Agua
El agua se disocia en iones, lo que hace que en realidad el agua pura sea una mezcla de 3 especies en equilibrio químico: agua sin disociar (H2O), protones hidratados (H3O+, e iones hidroxilo (OH-):
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(Por comodidad escribiremos H+ en lugar de H3O+). Esta disociación es muy débil, el producto iónico Kw a 25ºC es:
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4. Las Sales Minerales
Las sales minerales sólidas tienen una función principalmente esquelética o de sostén, como el carbonato cálcico. Las sales minerales disueltas aportan diferentes iones que intervienen en numerosas reacciones del metabolismo, además contribuyen a la regulación del pH y el equilibrio osmótico.
Regulación del pH
Para que los fluidos celulares se mantengan dentro de ciertos límites, ya que de lo contrario, podría producirse un cambio de estructura de muchas biomoléculas y alteraciones de muchas reacciones químicas, se utilizan los sistemas tampón o amortiguadores de pH formados por disoluciones de ácidos débiles y su correspondiente base conjugada. Entre los tampones más comunes: tampón bicarbonato, es común en los líquidos intercelulares, mantienen el pH en valores próximos a 7,4 gracias a su equilibrio:
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Y el tampón fosfato:
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Se encuentra en los líquidos intracelulares y mantiene el pH en torno a 6,86 debido al equilibrio.