1. Bioelementos y Biomoléculas

1.1. Bioelementos

La bioquímica estudia los elementos y compuestos que forman la materia viva. Los bioelementos, presentes en todos los seres vivos, se clasifican según su abundancia:

• Primarios (95%): C, H, O, N, P, S. Forman las biomoléculas. Su selección se debe a:
  1. Capas electrónicas externas incompletas: Forman enlaces covalentes.
  2. Pequeño tamaño: Enlaces fuertes y moléculas estables.
  3. Polaridad (O y N electronegativos): Solubilidad en agua.
  4. C con 4 electrones: Forma cadenas y esqueletos orgánicos.
  5. Enlaces con N, H, O, S: Grupos funcionales.
  6. P y S: Enlaces hidrolizables, ricos en energía.
  7. Fácil incorporación desde el medio (CO₂, H₂O, nitratos).
• Secundarios (5%): Ca, Na, K, Mg, Cl, Fe, Si, Cu, Mn, B, I, F, entre otros. Algunos son indispensables. Los oligoelementos (<0.1%) tienen funciones catalizadoras.

1.2. Función de los Bioelementos

• Primarios:
  • C, H, O: Forman todas las biomoléculas.
  • N: Proteínas y ácidos nucleicos.
  • P: Ácidos nucleicos, fosfolípidos, ATP.
  • S: Proteínas (cisteína), enzimas, vitaminas.
• Secundarios:
  • Cl, Na, K: Equilibrio osmótico, impulso nervioso.
  • Ca: Estructuras esqueléticas, contracción muscular, coagulación.
  • Mg: Enzimas, clorofila.
  • Fe: Óxido-reducción, hemoglobina, mioglobina, citocromos.
  • I: Hormona tiroidea.
  • F: Esmalte dental, huesos.
  • Co: Vitamina B₁₂, nitrogenasa.
  • Si: Rigidez en plantas, caparazones.
  • Cu, Zn: Cofactores enzimáticos.
  • Li: Neurotransmisores, estado de ánimo.

1.3. Biomoléculas

Los bioelementos se unen formando biomoléculas o principios inmediatos, separables por métodos físicos. Se clasifican en:

• Orgánicas: Exclusivas de la materia viva, alto contenido de carbono. Las macromoléculas o polímeros se forman por la unión de monómeros.
• Inorgánicas: Presentes en materia viva e inerte.

• Inorgánicas: Agua, Sales Minerales.
• Orgánicas: Glúcidos, Lípidos, Prótidos, Ácidos Nucleicos.

2. El Agua

2.1. Generalidades

El agua es esencial para la vida, representando el 75% del peso de la materia viva. Su contenido varía entre especies, órganos y edades. El agua se renueva constantemente:

• Exógena: Ingerida del medio.
• Endógena: Producida en el metabolismo.

La eliminación ocurre por orina, sudor, heces, respiración, etc.

2.2. Estructura

La molécula de agua (H₂O) es dipolar, con un ángulo de 105º entre los átomos de hidrógeno. El oxígeno, más electronegativo, crea una zona con carga negativa (δ^–) y los hidrógenos una zona con carga positiva (δ⁺). Esto permite la formación de puentes de hidrógeno, enlaces débiles que se rompen y forman constantemente, creando una estructura reticular.

2.3. Propiedades

1. Estado líquido: A temperatura ambiente.
2. Fluidez: Puentes de hidrógeno se rompen y forman constantemente.
3. Cohesión: Incompresible, alta tensión superficial.
4. Adhesión: Capilaridad.
5. Elevado calor específico: Regula la temperatura.
6. Elevado calor de vaporización: Refrigeración.
7. Disolvente universal: Disuelve sustancias iónicas y polares.
8. Menor densidad en estado sólido: El hielo flota.

2.4. Funciones

1. Metabólica: Medio para reacciones, reactivo en hidrólisis, fuente de hidrógenos en fotosíntesis.
2. Transportadora: Vehículo de sustancias.
3. Estructural: Da forma a las células.
4. Amortiguadora y lubricante: Reduce la fricción.
5. Termorreguladora: Mantiene la temperatura corporal.

3. Dispersiones Acuosas

El medio interno está formado por dispersiones, mezclas de:

• Fase dispersante: Agua (dispersiones acuosas).
• Fase dispersa: Moléculas de diferentes tamaños.

Tipos de dispersiones:

1. Disoluciones verdaderas: Partículas < 10^-7 cm, bajo peso molecular, transparentes, no sedimentan.
2. Coloides: Partículas entre 10^-7 y 2×10^-5 cm, alto peso molecular, transparentes con turbidez (efecto Tyndall), no sedimentan, precipitan por ultracentrifugación. Estados: sol (fluido), gel (semisólido).

Tipos de coloides:

• Suspensiones: Fase dispersa sólida.
• Emulsiones: Fase dispersa líquida.
• Hidrófilos: Afinidad por el agua, estables.
• Hidrófobos: Repelen el agua, inestables.

4. Sales Minerales

Presentes en poca cantidad, aportan elementos necesarios. Se encuentran:

• Precipitadas: Insolubles, forman estructuras sólidas (huesos, caparazones).
• Disueltas: Disociadas en iones (aniones y cationes). Funciones:
  1. Regulan la ósmosis.
  2. Mantienen el pH.
  3. Cationes con funciones específicas (Na⁺, K⁺, Ca²⁺).
• Asociadas a moléculas orgánicas: Fosfoproteínas, fosfolípidos, hemoglobina, clorofila.

5. Ósmosis

Proceso de igualación de concentraciones entre dos disoluciones separadas por una membrana semipermeable. El agua pasa de la disolución hipotónica a la hipertónica hasta alcanzar el equilibrio (isotónicas). La presión osmótica es la presión necesaria para detener el flujo de agua. Efectos en células:

• Medio hipertónico: Plasmólisis (células vegetales), deshidratación (células animales).
• Medio hipotónico: Turgencia, hemólisis (células animales).
• Medio isotónico: Equilibrio.

6. Ionización del Agua y pH

El agua pura se disocia en iones H⁺ y OH^–. El producto iónico [H⁺][OH^–] = 10^-14. En agua pura, [H⁺] = [OH^–] = 10^-7. El pH mide la acidez: pH = -log[H⁺].

• pH = 7: Neutro.
• pH < 7: Ácido.
• pH > 7: Básico.

7. Sistemas Amortiguadores de pH

Manienen el pH constante mediante un equilibrio ácido-base. Ejemplos:

• Sistema carbónico/bicarbonato (extracelular): H₂CO₃ ↔ HCO₃^– + H⁺.
• Sistema fosfato (intracelular): H₂PO₄^– ↔ HPO₄^2- + H⁺.