La Materia de los Seres Vivos. Los Compuestos Inorgánicos

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 estables, y la vida es el resultado de la organización de estas. Los elementos mayoritarios del universo son helio e hidrógeno, aunque aparecen otros elementos en la composición de los seres vivos. Si aceptamos que la vida surgió en el agua, los elementos que se seleccionaron tenían que cumplir dos características: ser solubles en agua y ser capaces de formar enlaces más o menos estables con otros.

2. La Base Química de la Vida

Es la cadena hidrocarbonada o los hidrocarburos: …X₂ – X₂ – X₂ – X₂ – X₃

La idoneidad del carbono permite construir cadenas largas y anillos cíclicos. Su reducido tamaño y 4 electrones en su capa más externa permiten 4 enlaces covalentes (fuertes y estables) formando una estructura tetraédrica. Los enlaces C–C son resistentes y energéticos, pero débiles para romperse mediante reacciones bioquímicas. La presencia de CO₂ en la Tierra ofrece la materia necesaria para crear las biomoléculas, es soluble en agua y circula entre atmósfera, hidrosfera y litosfera. 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 también posee 4 electrones en su capa externa, pero a diferencia del carbono, forma enlaces más largos que se rompen con mayor facilidad, además no puede formar dobles o triples enlaces y al combinarse con oxígeno forma cuarzo, químicamente inerte e insoluble en agua.

Grupos Funcionales

Los compuestos orgánicos derivan de los hidrocarburos al sustituir los hidrógenos por ramas hidrocarbonadas o por uno o varios átomos, por ejemplo: hidroxilo, carbonilo, carboxilo, ciano, fenilo y metilo.

3. Bioelementos y Biomoléculas

Elementos químicos existentes en todos los seres vivos.

• Bioelementos primarios (99% de la masa celular): C, H, O, N, P y S.
• Bioelementos secundarios (desempeñan importantes funciones y se encuentran en pequeñas cantidades en el medio celular): Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^–.
• Oligoelementos (proporciones inferiores al 0,1%): Fe, Mn, Co, Cu, Zn, Li, F, I, V, Mo, Si.

Los bioelementos se estructuran formando biomoléculas o principios inmediatos.

• Biomoléculas inorgánicas: agua y sales minerales.
• Biomoléculas orgánicas: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

4. El Agua (H₂O)

Componente mayoritario de los seres vivos (65 – 95% del peso corporal).

Estructura

Molécula compuesta por 1 átomo de oxígeno y 2 de hidrógeno. 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 de sus características.

Propiedades Físico-Químicas del Agua

• Disolvente universal: el agua establece puentes de hidrógeno con otras sustancias polares y las disuelve. También compuestos iónicos, como sales minerales. Esto permite que ocurran reacciones químicas en su seno y que transporte sustancias disueltas.
• Elevada fuerza de cohesión: la estructura que resulta de la unión 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 fuerza de adhesión entre las moléculas de agua es responsable de su tensión superficial, actúa como una membrana elástica tensa. La tensión superficial favorece los cambios y deformaciones del citoplasma celular. Esto 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 de temperatura en los organismos.
• Elevado calor de vaporización: para pasar a estado gaseoso se deben romper los puentes de hidrógeno, necesita mucha energía permitiendo a los seres vivos disminuir su temperatura mediante el sudor.
• Densidad anormal: todos los materiales disminuyen de volumen al enfriarse. El agua a partir de 4ºC deja de contraerse y se dilata, por eso el hielo es menos denso que el agua líquida y flota. Esto permite mantener la vida acuática en las 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 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. Los más importantes son los iones fosfato (monofosfato-bifosfato) y el carbonato/bicarbonato.

5. Las Sales Minerales

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

• Sales insolubles: forman estructuras sólidas de protección y sostén. Por ejemplo: caparazones de carbonato cálcico de crustáceos y moluscos, caparazones silíceos de diatomeas, esqueletos de vertebrados.
• 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. Ósmosis

Paso de solutos entre dos medios de diferente concentración separados por una membrana semipermeable.

Presión Osmótica

Las membranas celulares son semipermeables, dejan pasar el agua y no permiten el paso del soluto. El agua pasa intentando contrarrestar las diferencias de concentración, provocando una diferencia de presión.

• Medio isotónico: las concentraciones salinas a ambos lados de la membrana son iguales (no hay intercambio de agua).
• 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.
• Medio hipotónico: la concentración salina interna es mayor que la externa. Provocando fenómenos de turgencia en células vegetales (la pared celular les impide estallar) o de citólisis en células animales (estallan).