1. Definir qué es un bioelemento y enumerar los más importantes. Destacar las propiedades físico-químicas del carbono




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BIOQUÍMICA
1 Composición de los seres vivos: BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS.

2 El agua.

2. 1. Estructura.

2. 2. Propiedades físico-químicas

2. 3. Funciones biológicas.

2. 4. Disoluciones acuosas de sales minerales.

II. ORIENTACIONES
1. Definir qué es un bioelemento y enumerar los más importantes. Destacar las propiedades físico-químicas del carbono.

2. Conocer la estructura molecular del agua y relacionarla con sus propiedades físico-químicas. Resaltar su papel biológico

como disolvente, reactivo químico, termorregulador y en función de su densidad y tensión superficial.

3. Reconocer el papel del agua y de las disoluciones salinas en los equilibrios osmóticos y ácido-base.

1. COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS: BIOELEMENTOS Y BIOMOLECULAS.
Bioelementos



Los bioelementos son las moléculas constituyentes de todos los seres vivos. Según la proporción que se encuentran en la materia se clasifican en:

  • Bioelementos primarios o mayoritarios: Constituyen el 99% total de la materia viva. Estos bioelementos son carbono (C), nitrógeno (N), oxígeno (O), hidrógeno (H), azufre (S) y fósforo (S). Tienen una gran capacidad de unirse unos con otros mediante enlaces covalentes y construir biomoléculas.

  • Bioelementos secundarios: Se encuentran en menor proporción, pero realizan funciones muy importantes y su carencia puede provocar trastornos serios. Estos son Magnesio (Mg++), calcio (Ca++), potasio (K+), sodio (Na+) y cloro (Cl-).

  • Oligoelementos: Se encuentran en proporciones inferiores al 0’1%. Estos elementos desempeñan funciones esenciales en procesos bioquímicos y fisiológicos. Se dividen en:

  • Oligoelementos esenciales en todos los organismos: Hierro (Fe), Manganeso (Mn), Cobre (Cu), Zinc (Zn) y Cobalto (Co).

  • Oligoelementos no esenciales en todos los organismos: Flúor (F), yodo (I), boro (B), silicio (Si), vanadio (V), cromo (Cr), selenio (Se), molibdeno (Mo), etc.

Propiedades físico-químicas del carbono que lo hace idóneo para formar parte de

las moléculas de los seres vivos:

  • Forman entre ellos enlaces covalentes, compartiendo electrones.

  • A causa de la configuración tetraédrica de los enlaces del carbono, los diferentes tipos de moléculas orgánicas tienen estructuras tridimensionales diferentes.

  • La combinación del carbono con otros elementos permite la aparición de una gran variedad de sustancias orgánicas.

  • El carbono, nitrógeno y oxígeno, pueden compartir más de un par de electrones, formando enlaces dobles y triples, incluso con el mismo carbono.

  • Los electrones del carbono, no están muy separados del núcleo atómico, están en capas cercanas a él.

  • Respecto a los demás elementos (N, O, H) Son los elementos más ligeros con capacidad de formar enlace covalente, por lo que dichos enlaces son muy estables.


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Biomoléculas
Las biomoléculas son sustancias orgánicas e inorgánicas a partir de las cuales se constituye la materia viva de los organismos y están formados por la unión de diferentes bioelementos.

Se clasifican en dos grupos:

  • Biomoléculas inorgánicas: Agua, sales inorgánicas, oxígeno, dióxido de carbono (CO2)y nitrógeno.

  • Biomoléculas orgánicas: Hidratos de carbono, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.



Simples: Formadas por átomos del mismo tipo.

Ejemplo: Oxígeno.


Compuestos: Cuando hay átomos de diferentes elementos.

Ejemplo: Agua
Biomoléculas


Las biomoléculas se pueden clasificar como monómeros o polímeros. Los monómeros son unidades pequeñas y los polímeros son agrupaciones de monómeros.

http://docencia.udea.edu.co/ingenieria/moldes_inyeccion/imagenes/unidad_1/estruc_molecular/imagen1.gif

La base de la química orgánica son los hidrocarburos. El resto de los compuestos son derivados; los cambios se producen al sustituir los hidrógenos por grupos funcionales.

Tipos de enlaces:

Los enlaces que mantienen unidos los átomos en las moléculas son enlaces covalentes (fuertes y estables). También se producen enlaces más débiles y son:

  • Enlace de Hidrógeno o puente de hidrógeno: el átomo de hidrógeno es atraído por átomos diferentes, generalmente O y N.

  • Interacciones electroestáticas: Un grupo funcional ionizado es atraído por un ion de carga opuesta.

  • Interacciones hidrófobas: Cuando se mezclan sustancias apolares con agua. El agua, al formar entre sus moléculas puentes de hidrogeno, tiende a excluir las sustancias apolares.

  • Fuerzas de Van der Waals: Se originan cuando dos átomos tienen una distancia superior a un valor mínimo. Son enlaces débiles, pero muy usadas en diversos procesos muy diversos.


2. EL AGUA
2. 1 Estructura
Un ser vivo es agua en un 70% aproximadamente. El agua es muy importante para los seres vivos, ya que la vida sería imposible sin ella.

Está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Es un dipolo, ya que el oxígeno al atraer los electrones de los átomos de hidrógeno, genera un entorno electronegativo en su proximidad y los hidrógenos al quedarse sin esos electrones generan una densidad de carga positiva en su entorno. Esta característica del agua permite que se produzcan interacciones con otras moléculas polares.

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2. 2 Propiedades Fisio-Químicas


  1. Cohesión molecular.

Esta es la principal característica del agua, debido a que sus moléculas se unen mediante puentes de hidrógeno. La zona positiva y la zona negativa se unen fuertemente manteniendo unidas las moléculas del agua.

Esta propiedad la convierte en un líquido casi incompresible.

  1. Poder disolvente.

El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por lo que se llama disolvente universal. Esta propiedad se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias, estas se disuelven cuando interaccionan con las moléculas polares del agua.

Las sustancias que se disuelven en medios acuosos se denominan hidrofílicas, las que no lo hace son hidrofóbicas, mientras que las que se disuelven tanto en disolventes acuosos como en disolventes orgánicos se denominan anfipáticas.

El agua también puede disolver a sustancias salinas que se disocian formando disoluciones iónicas.

Algunas moléculas no forman disoluciones, sino que forman coloides, las cuales están en un equilibrio sol-gel. Si las partículas están separadas y el aspecto es fluido están en la forma sol y, en la forma gel, las partículas están más concentradas y el aspecto es gelatinoso.

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  1. Reactividad Química.

Las moléculas de agua reaccionan entre sí fácilmente: al disolver las moléculas polares o iónicas, el agua debilita las interacciones electrostáticas y los enlaces de hidrógeno. El agua al formar enlaces por puentes de hidrógeno es fundamental para la estructura de numerosas moléculas. La síntesis de la mayoría de las macromoléculas se realiza con la formación de una molécula de agua.

  1. Alto calor específico.

En el agua, el calor específico es alto ya que necesita mucho calor para subir un grado la temperatura del agua y, por el contrario hay que suministrar mucho frío para bajar un grado la temperatura del agua. Esta propiedad hace que sea amortiguadora o esponja térmica.

  1. Calor de vaporización alto.

Gracias a esta propiedad los seres vivos son capaces de refrigerarse.

  1. Densidad.

El agua permanece líquida entre 0ºC y 100ºC, que son los más adecuados para los procesos biológicos. Cuando el agua se congela o se enfría (en torno a los 4ºC) contrae su volumen y disminuye su densidad ya que forma una red cristalina.

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El hielo es menos denso que el agua y flota sobre ella. Esta propiedad ha permitido la vida submarina, ya que la temperatura en esta zona no disminuye.



  1. Tensión superficial elevada.

Es la consecuencia de las fuerzas de cohesión entre las moléculas de agua. Esta fuerte cohesión origina el llamado fenómeno de la capilaridad. Gracias a esta propiedad el agua puede ascender por tubos de capilares muy finos.

Algunos insectos pueden caminar sobre el agua debido a que en el extremo de sus patas contienen sedas que aumentan la superficie de sustentación.

Capilaridad

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Tensión superficial

2. 3 Funciones Biológicas


  • Función termorreguladora: El elevado calor específico del agua la convierte en un buen amortiguador térmico, impidiendo que los cambios bruscos de temperatura externa afecten a los organismos. También regula la temperatura de los organismos mediante el efecto tampón.

  • Función disolvente: El agua es el medio perfecto para que se produzcan las reacciones químicas. El aporte de nutrientes y la eliminación de productos de desechos se realiza a través de sistemas de transporte acuoso.

  • Función estructural: La elevada fuerza de cohesión que existe entre las moléculas de agua, permite que se mantengan la forma y el volumen de las células.

  • Función mecánica: El agua produce líquidos con la viscosidad adecuada para actuar de lubricantes y amortiguadores de movimientos bruscos de articulaciones, músculos…

  • Función refrigerante: Gracias al alto calor de vaporización. El sudor en los humanos y el jadeo de los perros actúan como mecanismos refrigerantes. Actúan como reguladores de la temperatura corporal.

  • Función química: La disociación iónica del agua le permite intervenir en muchas reacciones químicas.



2. 4 Disoluciones Acuosas de Sales Minerales
Las sales minerales son moléculas inorgánicas de fácil ionización en presencia de agua. En los seres vivos aparecen tanto precipitadas como disueltas. Las sales minerales pueden ser insolubles en agua y solubles en agua.

Sales minerales insolubles en agua:

Presentan función plástica-estructural, ya que forman estructuras solidas que suelen cumplir funciones de protección y sostén. Entre ellas destaca:

  • Caparazones de carbonato de calcio de crustáceos y moluscos.

  • Esqueleto interno de vertebrados, cuya parte mineral esta formada por la asociación de varios compuestos minerales (fosfato, cloruro, fluoruro y carbonato de calcio). El fluoruro de calcio se encuentra en el esmalte de los dientes.

  • Estructuras aisladas como los otolitos del oído interno de los animales y la mineralización de las paredes de celulosa en algunas plantas que aumentan su resistencia.

Sales inorgánicas solubles en agua:

Se encuentran disociadas en sus iones correspondientes y desempeñan las siguientes funciones biológicas:

  • Funciones catalíticas. Algunos iones (Cu, Mn, Mg, Zn, etc.) actúan como cofactores enzimáticos, participa en los procesos fotosintéticos, coagulación de la sangre y contracción muscular.

  • Funciones osmóticas. Intervienen en los procesos relacionados con la distribución de agua en los compartimentos intra y extracelulares.

  • Funciones tamponadora. Mantienen el pH constante dentro de ciertos límites.

  • Función nutriente. Los organismos autótrofos utilizan determinadas sales como fuente de elementos para la síntesis de compuestos orgánicos.


Ósmosis y presión osmótica

Si tenemos dos disoluciones acuosas de distinta concentración separadas por una membrana semipermeables (solo deja pasar el disolvente, pero no el soluto), se define la ósmosis como un tipo de difusión pasiva caracterizado por el paso del agua (disolvente) a través de la membrana semipermeable desde la solución más diluida a la mas concentrada. Se entiende por presión osmótica la presión que sería necesaria para detener el flujo de agua a través de la membrana semipermeable.

Cuando la concentración de solutos de los fluidos extracelulares es igual a la concentración intracelular, ambas disoluciones son isotónicas.

Si los líquidos extracelulares se diluyen se hace hipotónico (las células se hinchan, pueden llegar a explotar). Este fenómeno da lugar al proceso de turgencia, denominado hemólisis en caso de los eritrocitos.

Si los líquidos extracelulares aumentan su concentración se hacen hipertónicos y como consecuencia las células pierden agua, se deshidratan y mueren, da lugar al proceso de plasmólisis, denominado crenación en el caso de los eritrocitos.

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