Bioelementos

Los bioelementos o elementos biogénicos son los elementos químicos que constituyen la materia viva. Se pueden clasificar en dos tipos:

Primarios

Son indispensables para la formación de las biomoléculas orgánicas: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Constituyen más del 95% de la materia viva y constan de 6 elementos: O, C, H, N, P y S.

Secundarios

Se encuentran en materia orgánica e inorgánica. Existen dos tipos:

• Oligoelementos: Se encuentran en proporciones inferiores al 0,1% y son indispensables para la vida (Fe, Cu, Zn, Mn, Co, Li, Si, I).
• Variables: Se encuentran en una proporción superior al 0,1% y no están presentes en todos los organismos (Ca, Na, K, Mg, Cl).

Biomoléculas o principios inmediatos

Se obtienen a partir de materia viva por procedimientos físicos (centrifugación, cristalización, diálisis, destilación, evaporación, electroforesis y filtración).

Funciones de las biomoléculas

• Estructural: Como las proteínas y sales minerales de los huesos o lípidos de las membranas plasmáticas.
• Energética: Como las grasas.
• Biocatalizadora: Enzimas.

El agua

Se encuentra en la materia viva en tres formas:

• Agua circulante: sangre, savia.
• Agua intersticial: entre células.
• Agua intracelular: en el citosol.

Los seres vivos obtienen el agua:

• Del exterior.
• Agua metabólica (obtenida en reacciones bioquímicas): C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ — 6CO₂ + 6 H₂O

La molécula de agua

Comportamiento físico del agua: El agua a temperatura ambiente es líquida; sin embargo, el dióxido de carbono y el oxígeno, con una masa molecular semejante a la del agua, son gases. Este comportamiento particular se debe a que el agua es una molécula dipolar. Entre los dipolos del agua se establecen fuerzas de atracción o puentes de hidrógeno que originan polímeros de hasta poco más de 9 moléculas. Con esto se logra una masa molecular elevada y el agua se comporta como un líquido.

Propiedades del agua

• Elevada fuerza de cohesión: Gracias a los enlaces de hidrógeno, el agua es líquida en un amplio margen de temperatura, lo que la hace un líquido casi incompresible que proporciona volumen a las células, turgencia a las plantas y constituye el esqueleto hidrostático de animales.
• Elevada fuerza de adhesión: Capacidad de adherirse a las paredes de conductos de fino diámetro ascendiendo en contra de la gravedad (capilaridad), fenómeno que depende también de la fuerza de cohesión entre las moléculas de agua.
• Elevada tensión superficial: Su superficie opone resistencia a romperse, lo que hace posible que algunos insectos «anden» sobre el agua.
• Elevado calor específico: Es el calor necesario para elevar la temperatura de una sustancia. Para aumentar la temperatura del agua un grado centígrado es necesario comunicarle mucha energía para poder romper los puentes de hidrógeno entre las moléculas (el agua almacena o libera gran cantidad de calor al calentarse o enfriarse). Por ello, el agua es un buen estabilizador térmico del organismo frente a cambios de temperatura.
• Elevado calor de vaporización: Para pasar de líquido a gas hay que romper todos los enlaces de hidrógeno y se requiere mucha energía. Esto hace que el agua sea un buen refrigerante.
• Mayor densidad en estado líquido que en gas: El hielo, al ser menos denso que el agua, flota y se forma una capa termoaislante que posibilita la vida bajo el hielo.
• Elevada constante dieléctrica: El agua es un gran disolvente de los compuestos iónicos, debido a que las moléculas de agua se disponen alrededor de los grupos polares. Este fenómeno se denomina solvatación o hidratación iónica.

Sales minerales

Se pueden encontrar en los seres vivos de tres formas:

• Precipitadas: Forman estructuras sólidas, insolubles, con función esquelética. Ej. CaCO₃ (caparazones de moluscos), Ca₃(PO₄)₂ unido al colágeno (forman los huesos).
• Disueltas: Al disolverse dan lugar a aniones y cationes. Los aniones más frecuentes en la materia viva son (Cl^–), (PO₄^3-), (CO₃)^2-, (HCO₃^–) y (NO₃^–) y los cationes más abundantes son (Na⁺), (Ca²⁺), (Mg²⁺) y (K⁺). Estos mantienen constante el grado de salinidad dentro del organismo y ayudan a mantener constante el grado de acidez (pH). La presencia de sales en el medio interno celular determina la entrada o salida de agua a través de la membrana, debido a la tendencia a igualar la salinidad interna con la externa, regulando la presión osmótica y el volumen celular.
• Asociadas a moléculas orgánicas: A proteínas (fosfoproteínas), a lípidos (fosfolípidos), el Fe en la hemoglobina, el Mg en la clorofila.

Efecto tampón

Efecto por el que se mantiene constante el grado de acidez (pH) de los fluidos biológicos, aunque se añadan ácidos (H₃O⁺) o bases (OH^–). Se debe a la existencia de disoluciones tampón o amortiguadoras.

Disoluciones tampón o amortiguadoras

Son las que ejercen el efecto tampón debido a que los líquidos biológicos contienen sales minerales y proteínas disueltas que pueden ionizarse en mayor o menor grado dando lugar a H₃O⁺ o a OH^– que contrarresten el efecto de las bases o ácidos añadidos. Una disolución amortiguadora se compone de un ácido débil y su base conjugada. Para compensar el exceso o déficit de estos iones actúan:

• Como aceptores de H⁺ ante el exceso de iones H⁺.
• Como dadores de H⁺ ante el defecto de estos iones.

Las disoluciones y las dispersiones coloidales

Los fluidos presentes en los seres vivos constan de una fase dispersante, que es el agua, y de una fase dispersa o soluto. Según el tamaño del soluto de la fase dispersa:

• Disolución: Si el tamaño es inferior a 5 nm (mezcla homogénea de sustancias puras).
• Dispersión coloidal: Si el tamaño está entre 5 nm y 200 nm.

Propiedades de las disoluciones verdaderas

• Ósmosis: Es el paso del disolvente a través de una membrana semipermeable entre dos disoluciones de diferente concentración. Este paso de disolvente se produce desde la disolución más diluida a la más concentrada hasta que las dos disoluciones alcanzan el equilibrio, igualándose sus concentraciones. Las membranas de las células son semipermeables (dejan pasar solo el agua) y, según sea la concentración del medio que la rodea, se comporta de distinta forma.
• Disoluciones tampón o amortiguadoras: Son las que ejercen el efecto tampón debido a que los líquidos biológicos contienen sales minerales y proteínas disueltas que pueden ionizarse en mayor o menor grado dando lugar a H⁺ o a OH^– que contrarresten el efecto de las bases o ácidos añadidos.

Los glúcidos

Son biomoléculas orgánicas constituidas por una o más cadenas formadas por C, H y O, en la proporción (CH₂O)_n. Todos los glúcidos se caracterizan por la presencia de átomos de C unidos a:

• Grupos alcohólicos o hidroxilo (OH).
• Radicales hidrógeno (H).
• Un grupo carbonilo (C y O unidos por un doble enlace).

El grupo carbonilo puede ser un grupo aldehído (CHO), que forma polihidroxialdehídos, o un grupo cetona (CO), que forma polihidroxicetonas.

Monosacáridos

Presentan entre 3 y 7 átomos de C.

Propiedades de los monosacáridos (físicas)

• Son sólidos cristalinos, de color blanco y dulces.
• Solubles en agua por la fuerza de atracción con H₂O debido a la presencia de radicales polares (-OH) y (-H).
• Con poder reductor por la presencia del grupo CHO o C=O, se oxidan (pierden e^–) y se reducen a otras sustancias.
• No son hidrolizables.
• Presentan actividad óptica.
• Isomería.

Propiedades químicas de los monosacáridos

Debido al poder reductor, los monosacáridos se pueden oxidar liberando grandes cantidades de energía: C_nH_2nO_n + nO₂ — n(CO₂) + n(H₂O) + Energía.

Reacción de Fehling: Su capacidad de oxidarse se utiliza en el laboratorio para identificar su presencia; para ello se comprueba si reducen o no el reactivo de Fehling. Este reactivo es una disolución, de color azul, de sulfato de Cu en agua: CuSO₄ — Cu²⁺ + SO₄^2-. El cambio de color azul a color rojo revela la presencia de estos glúcidos.

Tipos de enlace O-glucosídico

Existen dos tipos de enlace O-glucosídico dependiendo de que el carbono del segundo monosacárido sea o no el carbono carbonílico (C=O):

• Enlace monocarbonílico: Se establece entre el C carbonílico del primer monosacárido y un C no carbonílico del segundo. Como en este queda libre su C carbonílico, el disacárido resultante tiene la capacidad de reducir el reactivo de Fehling. Presentan este enlace la maltosa, la celobiosa y la lactosa.
• Enlace dicarbonílico: Se establece entre el C carbonílico del primer monosacárido y el C carbonílico del segundo. Como no queda libre ningún C carbonílico, el disacárido resultante no tiene la capacidad de reducir el reactivo de Fehling. La sacarosa.

Polisacáridos

Son glúcidos formados por la unión de muchos monosacáridos mediante enlace O-glucosídico; tienen masas moleculares muy elevadas. Son sólidos amorfos, insolubles en agua (celulosa) o forman dispersiones coloidales (algunos componentes del almidón). No tienen sabor dulce y no reducen el reactivo de Fehling. Se clasifican en:

• Homopolisacáridos: Polímeros de un solo tipo de monosacárido.
• Heteropolisacáridos: Polímeros formados por más de un tipo de monosacárido distinto.

Homopolisacáridos

• Almidón: Reserva de energía en los plastos de las células vegetales. Se encuentra en semillas de cereales (trigo, maíz y arroz), legumbres y tubérculos (patatas y boniatos). Está integrado por dos tipos de polímeros: la amilosa (30%) y la amilopectina (70%).
• Glucógeno: Reserva energética en células animales (hígado y músculo). Constituido por un polímero de maltosas unidas por enlace α (1—4) y ramificaciones en posición α (1—6) (una ramificación cada 6 a 10 glucosas).
• Celulosa: Función de sostén propio de vegetales (pared celular). Polímero de β-glucosas unidas por enlaces beta β (1—4); cada pareja de estas glucosas se llama celobiosa; cada polímero tiene de 150 a 5000 moléculas de celobiosas y forman cadenas moleculares no ramificadas que se unen por puentes de H (fibras).
• Quitina: En exoesqueleto de artrópodos. Es un polímero de N-acetil-glucosaminas unidos por enlaces β (1—4); cada dos de estas moléculas forma una quitobiosa.

Heteropolisacáridos

Polímeros formados por más de un tipo de monosacárido distinto. Destacan:

• Pectina: En pared celular de vegetales (pera, membrillo). Gran capacidad gelificante (mermeladas).
• Agar: Se extrae de las algas rojas.

Glúcidos asociados a otras moléculas

• Glucoproteínas: Inmunoglobulinas y glucoproteínas de la membrana plasmática.
• Glucolípidos: Gangliósidos y cerebrósidos de la membrana celular.

Funciones de los glúcidos

• Energética: La glucosa es el glúcido más destacable con respecto a la función de reserva energética, porque es el monosacárido más abundante en el medio interno y, además, puede atravesar la membrana plasmática sin necesidad de ser transformada en moléculas más pequeñas. El almidón de los vegetales y el glucógeno de los animales son formas de almacenar centenares de glucosas.
• Estructural: El enlace β-glucosídico de los glúcidos posibilita estructuras moleculares muy estables porque la mayoría de los organismos carecen de enzimas capaces de romperlos. Entre estos destacan: la celulosa en los vegetales, la quitina en los artrópodos y los polímeros de ribosa y de desoxirribosa en los ácidos nucleicos.
• Especificidad en la membrana plasmática: Las glucoproteínas y los glucolípidos de la membrana plasmática contribuyen a la selección de determinadas sustancias que pueden entrar a la célula.

Lípidos

Grupo heterogéneo de sustancias con estructura y funciones muy diferentes. Todos los lípidos tienen en la parte principal de su estructura cadenas hidrocarbonadas. Se caracterizan por:

• Ser insolubles en agua y disolventes polares.
• Ser solubles en disolventes orgánicos (gasolina, éter, benceno).

Ácidos grasos

Moléculas que son principales constituyentes de un tipo de lípidos (las grasas) formadas por largas cadenas hidrocarbonadas de tipo alifático, lineal (-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-) con número par de átomos de C, el último un radical -COOH (grupo ácido). Se pueden clasificar en dos grupos: ácidos grasos saturados e insaturados.

• Saturados: Presentan enlaces simples entre los átomos de C y son cadenas hidrocarbonadas rectilíneas. Ej. ácido palmítico y ácido esteárico — CH₃-(CH₂)₁₆-COOH.
• Insaturados: Tienen uno o más dobles enlaces que se sitúan en los codos de la cadena hidrocarbonada entre átomos de C; los que tienen solo un doble enlace se llaman monoinsaturados, ej. el ácido oleico — CH₃-(CH₂)₇-CH=CH-(CH₂)₇-COOH, y si tienen más se denominan poliinsaturados, ej. ácido linoleico.

Propiedades físicas de los ácidos grasos

• Carácter anfipático: Es decir, una parte de la molécula es hidrófila (soluble en agua) y otra hidrófoba (insoluble). La zona hidrófila, por el grupo carboxilo ionizado (-COO^–), establece atracciones de tipo eléctrico con las moléculas de agua y otras moléculas polares. La zona hidrófoba (cadena hidrocarbonada) repele el agua, pero establece enlaces de Van der Waals con moléculas lipídicas.
• Solubilidad: A partir de 8 carbonos son insolubles en agua, y son más insolubles a medida que aumenta la cadena hidrocarbonada de un ácido graso.
• Punto de fusión bajo: Viene determinado por:
  • El grado de insaturación de la molécula: el punto de fusión disminuye con la presencia de dobles enlaces.
  • La longitud de la cadena: el punto de fusión aumenta con la longitud de la cadena (porque aumentan las interacciones de Van der Waals con otras cadenas).
  Para fundir estas moléculas hay que romper los enlaces intermoleculares. Por ello, los ácidos grasos insaturados tienen menores puntos de fusión (aceites) que los saturados con el mismo número de átomos de C.

Lípidos con ácidos grasos o saponificables

Contienen ácidos grasos de cadena larga, presentan reacciones de hidrólisis alcalina y saponificación. Son ésteres (producto de unión de un ácido graso + alcohol).

• Lípidos simples u hololípidos: Son ésteres de ácidos grasos + alcohol. Según el tipo de alcohol se clasifican en:
  • Acilglicéridos o grasas: Formados por la esterificación de glicerina con 1, 2 o 3 moléculas de ácidos grasos (monoacil, diacil o triacilglicéridos). Según el tipo de ácido graso pueden ser:
    • Aceites: Con ácidos grasos insaturados. Ej. aceite de oliva (trioleína). Líquidos a temperatura ambiente.
    • Sebos: Tienen ácidos grasos saturados. Ej. el sebo de buey (triestearina). Sólidos a temperatura ambiente.
    • Mantequillas: Con ácidos grasos saturados de cadena corta. Semisólidos a temperatura ambiente.
  • Céridos o ceras: Formados por alcohol monovalente de cadena larga + 1 molécula de ácido graso. Originan láminas impermeables que protegen la epidermis y las formaciones dérmicas (pelos, plumas). En la superficie de hojas y frutos, cerumen del conducto auditivo.
• Lípidos complejos o heterolípidos: Son ésteres formados por un alcohol, ácidos grasos y otras moléculas. Son los constituyentes principales de las membranas biológicas o lípidos de membrana. Se clasifican en:
  • Fosfolípidos: (fosfoglicéridos y fosfoesfingolípidos).
  • Esfingolípidos: (fosfoesfingolípidos y glucoesfingolípidos).