Bioelementos

Los bioelementos son los elementos químicos que constituyen la materia viva.

Bioelementos Primarios y Secundarios

Los bioelementos primarios son indispensables para la formación de biomoléculas orgánicas en los seres vivos. Los secundarios pueden encontrarse en biomoléculas orgánicas o en otras formas. Hay dos tipos:

• Indispensables: imprescindibles para la vida, se encuentran en todos los seres vivos (Ca, Mg, Na, K, Cl, Fe, I).
• Variables: no están en todos los organismos (Br, Zn, Ti).

Los bioelementos primarios constituyen el 96% de la materia viva, son CHONPS, y pueden establecer entre ellos enlaces covalentes. Las razones por las que tenemos CHONPS en nuestro cuerpo son porque son indispensables y forman enlaces covalentes entre ellos, son elementos ligeros, el átomo de carbono (C) forma enlaces, y su estado reducido hace que haya más estabilidad en la molécula.

Biomoléculas o Principios Inmediatos

Las biomoléculas, también llamadas principios inmediatos, se obtienen a partir de la materia viva mediante procesos físicos. Algunos forman polímeros (macromoléculas) como los glúcidos y los lípidos, que están formados por monómeros. Se clasifican en:

• Simples: con átomos del mismo elemento. Ej: O₂, N₂.
• Compuestas: con átomos de elementos distintos. Pueden ser:
  • Inorgánicas (H₂O, CO₂, sales).
  • Orgánicas (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos).

El Agua

El agua es el compuesto más abundante en la materia viva. La cantidad presente depende de tres factores: especie, edad y tipo de tejido. El agua en la materia viva se encuentra de tres formas:

• Agua circulante: sangre, savia…
• Agua intersticial: sirve como vehículo de desecho disuelto en agua (agua de inhibición).
• Agua intracelular: se encuentra en el citosol e interior de los orgánulos celulares. Es imprescindible el equilibrio entre la excreción de H₂O y la ingestión.

El metabolismo puede obtener H₂O de dos formas:

• Directamente del medio ambiente (H₂O exógena, entra del exterior).
• Generándola a partir de otras moléculas orgánicas mediante reacciones químicas (RQ). El H₂O metabólica o endógena.

La Molécula del Agua

Debido a sus propiedades, el agua es un gran disolvente. Estas moléculas se unen fuertemente formando enlaces covalentes. El hidrógeno (H) tiene un electrón y el oxígeno (O) seis, por lo que se unen entre ellos y se saturan, ya que el H puede tener dos electrones en su última capa. El O es más electronegativo que el H, por eso el núcleo de O atrae hacia sí los electrones del H y hace que el enlace sea tan fuerte. Debido al enlace, el O tiene densidad de carga negativa ya que atrae electrones, mientras que el H tiene densidad de carga positiva. Esto hace que la molécula sea dipolar, y todas las propiedades del agua son posibles gracias a esta característica.

Propiedades del Agua

• Cohesión: elevada fuerza de unión entre moléculas y entre capilares muy finos.
• Elevada tensión superficial: se opone mucho a romperse.
• Elevado calor específico: esto permite que el agua sea un buen aislante.
• Elevado calor de vaporización: es el calor que necesita el agua para evaporarse. Es importante porque en muchos animales y plantas actúa como regulador térmico.

Sales Minerales

Las sales minerales son otro principio inmediato e imprescindible en los seres vivos. Se pueden encontrar de tres formas:

• Ionizadas: por ejemplo, cationes o aniones. En muchos casos, cationes y aniones intervienen en procesos biológicos, como mantener el pH celular, transmitir el impulso nervioso y la ósmosis.
• En forma de cristales precipitados: que son amorfos, es decir, con formas diferentes y que no llegan a formar cristales en algunos casos.
• Otras sales que están asociadas a moléculas orgánicas: suelen estar junto a proteínas y lípidos, y cumplen funciones diversas según el tipo de sistema biológico donde se encuentren.

Sistema Tampón Bicarbonato

El ácido láctico es típico en la célula y, como es ácido, tiende a ionizarse y crear H⁺, haciéndose más ácida. Para que sea más neutra, tiene que haber un sistema que se lleve los H⁺, y ese es el bicarbonato. En las células siempre se debe mantener un pH neutro porque las enzimas y proteínas son vulnerables a la acidez, y si se descomponen pueden producir lesiones graves o la muerte.

Disoluciones y Dispersiones Coloidales

Difusión y Ósmosis

Otra función que realizan las sales es que se encuentran siempre disueltas en agua. La difusión es la repartición homogénea de las partículas de un fluido con otro, y la ósmosis es el paso del disolvente a través de una membrana semipermeable entre dos disoluciones de diferente concentración, en la que deja pasar el agua pero no las sales. Cuando la concentración es más alta que la otra, se dice que esa disolución es hipertónica. Si la concentración es más baja, es una disolución hipotónica, y cuando llegan a la misma concentración, se llaman isotónicas.

Disoluciones

Se considera una disolución a una mezcla homogénea de sustancias puras donde las partículas disueltas son iones o moléculas aisladas que no sedimentan.

Dispersión Coloidal

Una dispersión coloidal se forma cuando el tamaño de esas moléculas es más grande. Tampoco sedimentan y no pueden atravesar membranas que solo son permeables al disolvente.

Propiedades de las Dispersiones Coloidales

• Estado de sol-gel: presentan las dos formas. La forma sol es una dispersión coloidal con aspecto líquido, y el gel tiene un aspecto semisólido. En toda disolución hay dos fases: la dispersa y la dispersante. La dispersante es el disolvente y la dispersa el soluto, por lo tanto, en estado sol, la fase dispersa es sólida. En el estado gel es al revés, porque la fase dispersa es líquida y la dispersante es sólida.
• Viscosidad: las disoluciones coloidales tienen una elevada viscosidad, que es la resistencia que ofrece una dispersión a sus moléculas. Presentan más viscosidad en estado gel que en estado sol.

Glúcidos

Los glúcidos, también llamados hidratos de carbono, tienen la fórmula (CH₂O)_n.

Clasificación de los Glúcidos

• Monosacáridos: cuando hay una sola cadena o molécula de carbono (C).
• Oligosacáridos: formados por dos o más cadenas unidas entre sí.
• Polisacáridos: el número de cadenas que se van uniendo es muy elevado, hasta miles.

Funciones de los Glúcidos

• Son energéticos: 1 mol de glucógeno o almidón genera 266 calorías.
• Reserva de energía, ya que son moléculas que se acumulan y, cuando se utilizan, producen energía, como el almidón.
• Son estructurales, como la quitina y la celulosa, que tiene enlace β-glucosídico.
• Algunos tienen función defensiva e inmunológica.

Lípidos

Los lípidos son un grupo de compuestos con composición de carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O), y en menor proporción nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). Los lípidos tienen propiedades físicas y químicas parecidas, pero desde el punto de vista estructural son diferentes, al igual que su fórmula.

Propiedades Químicas de los Lípidos

• Son insolubles o poco solubles en agua, pero todas son solubles en disolventes orgánicos, como el alcohol y el éter.
• Son untuosos al tacto.
• Tienen poca densidad (menor que el agua).
• No se disuelven bien en agua porque no tienen el grupo -OH.

Clasificación de los Lípidos

• Lípidos saponificables: pueden realizar la reacción de saponificación, donde un ácido graso produce jabón (sal + ácido). Incluyen ácidos grasos, acilglicéridos, ceras y fosfolípidos.
• Lípidos insaponificables: son lípidos que no llevan ácidos grasos. Incluyen terpenos (mono, di, tetra), esteroides, esfingolípidos y prostaglandinas.

Funciones de los Lípidos

• Son energéticos: la célula los utiliza para el metabolismo, siendo el equivalente al glucógeno.
• Son estructurales, como los fosfolípidos o glucolípidos y el colesterol.
• Algunos actúan como proteínas, como las vitaminas D y A, que tienen función vitamínica.
• Son hormonas, como los esteroides.
• Emulsionan las grasas, como los ácidos biliares.
• Impermeabilizan órganos, como las ceras.
• Dan calor, como los pigmentos fotosintéticos.

Proteínas

Las proteínas tienen un alto peso molecular (PM), son constituyentes celulares y están compuestas por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). Cuando se rompen, dan aminoácidos (aa).

Propiedades de las Proteínas

• Debido a su PM, cuando se juntan con agua forman disoluciones coloidales, aunque muchas son insolubles.
• La mayor parte de las proteínas son cristalizables.
• Son muy específicas en cada grupo de seres vivos.
• Son frágiles porque pierden fácilmente su estructura y función por la temperatura, algún tipo de reacción o variación del pH.

Aminoácidos

Los aminoácidos son compuestos orgánicos formados por dos grupos: el ácido carboxilo y el grupo amino. Son solubles en agua, incoloros y cristalizables. Tienen carácter anfótero, lo que significa que el ácido puede comportarse como ácido o base según el pH en el que se encuentre. En un pH ácido, el aminoácido se comporta como básico, y en un pH básico, el aminoácido se comporta como ácido.

• Ácido: cede protones.
• Base: capta protones.

Enlace Peptídico

Las proteínas están formadas por aminoácidos que se unen mediante enlaces peptídicos, que son de tipo covalente. Se producen por la unión de un grupo amino y otro carboxilo.

Estructura de las Proteínas

• Estructura primaria: es la secuencia en la que van ordenados los aminoácidos.
• Estructura secundaria: es la manera en que la cadena se encuentra en el espacio. Son coplanarios para guardar la estabilidad. La distancia y los ángulos siempre son constantes. Se deben establecer el mayor número de puentes de hidrógeno (H) entre -C- y N.
  • Hélice α: se forma al enrollarse la estructura primaria sobre sí misma con giro dextrógiro. Se pueden girar porque el enlace de C puede establecer pequeños giros.
  • Conformación o configuración β: es una cadena que forma una estructura en zigzag debido a que no hay enlaces de H entre aminoácidos próximos. A este modelo se le llama lámina plegada.
  • Estructura de la hélice del colágeno: el colágeno es una proteína animal que aparece en el tejido conjuntivo en forma de lámina. Se establecen puentes de H, pero menos unidos que en la hélice α, debido a la presencia de prolina e hidroxiprolina, que son aminoácidos muy largos y, como chocan, tienen que estirarse.
• Estructura terciaria: es la disposición que toma la cadena o molécula en su conjunto. Estas estructuras dan forma globular. En las estructuras de hélice α, los enlaces polares están al final de las cadenas porque están rodeadas de agua y se disuelven bien, mientras que los enlaces hidrófobos están en el interior. Los puentes disulfuro se forman cuando se unen dos cisteínas y forman cistina, siendo un enlace covalente fuerte. Además de los puentes disulfuro, también existen fuerzas de van der Waals, puentes de H, interacciones iónicas e hidrofóbicas y apolares.
• Estructura cuaternaria: la poseen aquellas moléculas proteicas que están formadas por más de una cadena. Ejemplos son la hemoglobina y la insulina. Pueden adoptar cualquier postura. Cada cadena se llama monómero. Los puentes disulfuro también son responsables de unir los monómeros y mantenerlos estables. Si una proteína se desnaturaliza, no cumple su función, y esto se produce porque se rompe el enlace disulfuro.

Función de las Proteínas

• Estructural: forman parte de la membrana plasmática.
• Reserva: regulan el paso de moléculas a través de la membrana.
• Transporte.
• Enzimática: regulan la acción biocatalizadora.
• Contráctil: gracias a esto, los organismos pueden moverse.
• Hormonal: como la insulina.
• Defensa: proteínas que constituyen los anticuerpos y antígenos.
• Homeostática: cuando las proteínas participan en la regulación del pH.

Clasificación de las Proteínas

• Holoproteínas: aquellas compuestas exclusivamente por aminoácidos.
  • Globulares: proteínas con estructura globular y la mayoría solubles en agua.
    • Albúminas: representan una base de reserva de aminoácidos (ovoalbúmina).
    • Globulinas: proteínas globulares que tienen como misión defender el organismo de cuerpos extraños. También se llaman anticuerpos (α-globulinas).
    • Histonas: forman estructuras y los cromosomas asociados al ADN.
    • Protaminas: forman estructuras y los gametos.
  • Filamentosas: proteínas que actúan de sostén y son insolubles en agua.
    • Actina y miosina: proteínas que forman la estructura del núcleo y son responsables de la acción de contracción y relajación de los músculos.
    • Colágeno: junto con la elastina o reticulina, forman parte del tejido conjuntivo.
    • Queratina: forma parte de estructuras duras y es responsable de estructuras corporales.
    • Fibrinógeno: proteína que se encuentra en la sangre y es responsable de formar el coágulo.
• Heteroproteínas: aquellas que llevan cadenas polipeptídicas asociadas con moléculas o cadenas. El grupo prostético son las moléculas o cadenas, y este grupo se divide en:
  • Glucoproteínas o glicoproteínas: llevan un glúcido asociado.
  • Lipoproteínas: se unen a un lípido, en la sangre o en la membrana plasmática.
  • Fosfoproteínas: asociadas a grupos fosfato (caseína en la leche).
  • Cromoproteínas: proteínas con color debido al grupo prostético que poseen (hemoglobina).
  • Metalproteínas: contienen hierro (ferritina, que está en la sangre y transporta el hierro que se une al grupo hemo).
  • Nucleoproteínas: proteínas unidas al ácido nucleico. Asociaciones de histonas con ADN que forman las fibras de cromatina del núcleo.