BIOQUÍMICA
(i)
Bioelementos, Agua y
Sales Minerales
BIOQUÍMICA(i)
BIOELEMENTOS y
BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS
1. Bioelementos
Un ser vivo es un conjunto de elementos químicos y biomoléculas moléculas que forman una estructura material muy organizada y compleja, en la que intervienen sistemas de comunicación molecular, que se relaciona con el ambiente con un intercambio de materia y energía de una forma ordenada y que tiene la capacidad de desempeñar las funciones básicas de la vida que son la nutrición, la relación y la reproducción, de tal manera que los seres vivos actúan y funcionan por sí mismos sin perder su nivel estructural.
Se denominan bioelementos a los aproximadamente 70 elementos químicos que forman la materia viva. La materia viva presenta unas características y propiedades distintas a las de la materia inerte. Estas características y propiedades encuentran su origen en los elementos químicos que la forman. Ninguno de los bioelementos es propio y exclusivo de la materia viva ya que forman parte también de la materia mineral, pero sólo un número relativamente reducido de los elementos que se encuentran en la naturaleza entran a formar parte de la materia viva.
Los bioelementos más abundantes son los primarios: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre. Constituyen el 96% del total de biolementos, formando parte de la materia viva en un porcentaje muy superior al resto. Esto es debido a que poseen una serie de propiedades:
En segundo lugar, son muy solubles en agua, circunstancia favorable para ser incorporados al ser vivo o eliminados de él.
En tercer lugar, son abundantes en las capas más externas de la Tierra, es decir, atmósfera, hidrosfera y litosfera, que son las que se hallan más en contacto con los seres vivos. Esta propiedad es importante ya que los seres vivos necesitan formarse con elementos que puedan conseguir con facilidad, es decir, que abunden en la naturaleza para poder disponer de ellos en cualquier momento.
En cuarto lugar, forman parte de todas las biomoléculas orgánicas: oxígeno, hidrógeno y carbono están en todas, el nitrógeno forma los ácidos nucleicos y las proteínas, el fósforo solo en los ácidos nucleicos y el azufre en las proteínas.
El segundo grupo de bioelementos según su abundancia en los seres vivos corresponde a los secundarios. Son sobre unos 20 bioelementos y constituyen alrededor del 3%. Destacan:
E l c a l c i o q u e s e e n c u e n t r a e n e l m e d i o interno de los organismos como ion calcio o formando parte de otras moléculas, en algunos seres vivos se halla precipitado en forma de esqueleto interno o externo. Los iones de calcio actúan de c o f a c t o r e n m u c h a s reacciones enzimáticas, i n t e r v i e n e n e n e l metabolismo del glucógeno y
junto al potasio y el sodio regulan la contracción muscular.
El sodio tiene un papel fundamental en el metabolismo celular, por ejemplo, en la transmisión del impulso nervioso (mediante el mecanismo de bomba de sodio-potasio). Mantiene el volumen y la osmolaridad. Participa, además del impulso nervioso, en la contracción muscular, el equilibrio ácido-base y la absorción de nutrientes por las células.
(periodos de crecimiento y desarrollo) un adecuado abastecimiento de potasio es esencial.
El magnesio es importante para la vida, tanto animal como vegetal (la clorofila que interviene en la fotosíntesis es una sustancia compleja que contiene de magnesio). También es esencial para el ser humano. La mayor parte del magnesio se encuentra en los huesos y sus iones desempeñan papeles de importancia en la actividad de muchas coenzimas y en reacciones que dependen del ATP. También ejerce un papel estructural, ya que el ion de magnesio tiene una función estabilizadora de la estructura de cadenas de ADN y ARN, interviene en la formación de neurotransmisores y neuromoduladores, repolarización de la neuronas y relajación muscular (siendo muy importante su acción en el músculo cardíaco).
El cloro en forma de ion cloruro interviene en el mantenimiento del grado de salinidad del medio interno y en el equilibrio de cargas a ambos lados de la membrana.
El último grupo de bioelementos son los oligoelementos que representan algo menos del 0.1% del total. Son sobre unos 60, destacando: el hierro (forma parte de la hemoglobina que transporta el oxígeno), el cobre (que forma parte de la hemocianina, pigmento rojo de la sangre de los invertebrados), el manganeso (que es básico para que las plantas verdes puedan sintetizar la clorofila y además actúa como catalizador de muchas reacciones metabólicas), el cinc (importante biocatalizador), etc.
El carbono es el más abundante y característicos de los bioelementos porque posee una serie de propiedades físico-químicas como son:
en primer lugar es relativamente abundante abundante en la corteza terrestre. Aunque no es de los más, si comparamos la composición de la corteza y de los seres vivos, se aprecia que la mayor diferencia está en que el silicio es
abundante en la corteza terrestre, mientras que el carbono lo es mucho menos, mientras que en los seres vivos ocurre justamente lo contrario. Esto se produce a pesar de que los dos tienen una configuración química similar.
En segundo lugar, el carbono en su capa
lugar a esqueletos lineales o cíclicos muy diversos que permiten originar estructuras moleculares tridimensionales diversas.
Además, también forma enlaces covalentes estables con el O, H, N y S con lo que se pueden originar diversos grupos funcionales, originando gran variedad de moléculas.
Por último señalar que todas estas moléculas, al mismo tiempo que son estables, tienen la capacidad de reaccionar con facilidad pudiendo transformarse en otras incrementando así su variabilidad (esto no lo pueden hacer los compuestos originados por el silicio que son tan estables que no reaccionan, como por ejemplo el cuarzo).
2. El
agua
La vida, tal como se conoce en la Tierra, se desarrolla siempre en medio acuoso. Incluso en los seres no acuáticos el medio interno es básicamente hídrico. La inmensa mayoría de las reacciones bioquímicas se desarrollan en el seno del agua y obedecen las leyes fisicoquímicas de las disoluciones acuosas. Por todo ello no es de extrañar que el agua sea el principal componente de los seres vivos en cuanto a su cantidad. El cuerpo humano está formado por término medio por un 75% de agua, aunque los tejidos que necesitan mucha actividad como el nervioso son agua en un 90%. Sólo los tejidos esqueléticos y las semillas de las plantas presentan una baja proporción de agua. El agua reúne una serie de características que la convierten en un disolvente único e insustituible en la Biosfera.
Químicamente está formada por un átomo de oxígeno unido por enlaces covalentes a dos de hidrógeno. Como el átomo de O es fuertemente electronegativo atrae a los electrones del H. Como resultado da un dipolo eléctrico. Es decir, cada átomo de H posee una carga parcial positiva y el O negativa. Este hecho permite la formación de puentes de hidrógeno entre los dipolos de agua (la región positiva de uno con la negativa del
moléculas de agua entre sí, lo que aumenta su peso molecular resultando que su estado físico sea líquido en lugar de gaseoso como debiera ser.
El agua presenta una serie de propiedades físico-químicas que le confieren una serie de funciones biológicas imprescindibles para la vida:
En primer lugar, su estado líquido se mantiene en un amplio margen de temperatura (0º-100º) lo que proporciona un amplio abanico de posibilidades de adaptación de la vida (desde los organismos psicrófilos que pueden desarrollarse a temperaturas próximas a 0º, hasta los termófilos que viven a 70º-80º).
En segundo lugar, el agua tiene una anómala densidad, ya que es menor en estado sólido (hielo) que en estado líquido. Esto es debido a la red de puentes de hidrógeno que al helarse el agua se estabilizan a una distancia mayor que cuando están en estado líquido lo que hace disminuir su densidad. Ello determina que su máxima densidad sea a una temperatura de 4ºC, lo que determina que el hielo flote en el agua líquida.
Esto le permite al hielo actuar como una especie de aislante térmico al preservar debajo de la capa de hielo a la masa de agua sin helarse y, en consecuencia, posibilita el mantenimiento de de los océanos en fase líquida.
El agua es capaz de disolver a un gran número de moléculas por lo que se le llama disolvente universal. Esta propiedad se debe a su capacidad para formar puentes de H con sustancias polares (grupos -OH de alcoholes y azúcares, grupos -NH2 de aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos, etc.) o cargadas positiva o negativamente que se disuelven cuando interaccionan con las moléculas del agua.
El agua posee un elevado calor específico (cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad) debido a la red de puentes de hidrógeno que une a sus dipolos. Por ello el agua puede absorber
grandes cantidades de calor, mientras que, proporcionalmente, su temperatura sólo se eleva ligeramente. Del mismo modo, su temperatura desciende con más lentitud que la de otros líquidos a medida que va liberando energía al enfriarse. Esta propiedad permite que el contenido acuoso de las células sirva de protección a las sensibles moléculas orgánicas ante los cambios bruscos de temperatura, es decir actúa como termorregulador. Además, el calor que se desprende en los procesos metabólicos no se acumula en los lugares donde se produce, sino que se difunde en el medio acuoso y se disipa finalmente hacia el medio externo.
incompresible. Gracias a esta propiedad algunos seres vivos la utilizan como esqueleto hidrostático.
Al mismo tiempo, esta elevada cohesión molecular hace que el agua tenga una elevada capilaridad (facilidad para ascender y descender por la paredes de un tubo capilar) y también una alta tensión superficial
(resistencia que opone la primera capa de moléculas de agua a separarse). Estas dos propiedades físico - químicas le confieren dos funciones biológicas muy importantes: primero, pasar del suelo a las raíces y ascender por los vasos leñosos hasta las hojas. Y, en segundo lugar, permite a gran variedad de seres vivos utilizar la superficie del agua como un adecuado
biotopo.
Por ultimo, el agua actúa en
ciertos procesos metabólicos (por ejemplo en la fase luminosa de la fotosíntesis) como reactivo químico, ya que al disociarse en protones (H+) y grupos hidroxilos (OH-) estos son necesarios en numerosos procesos químicos como el indicado antes de la fase luminosa de la fotosíntesis.
3. Las sales minerales
En todos los seres vivos, animales y vegetales, se encuentran siempre determinadas cantidades de sales minerales que pueden estar en estado sólido o insolubles y disueltas o solubles.
Las sustancias salinas insolubles en agua forman estructuras sólidas que suelen cumplir funciones de protección y sostén y que están muy extendidas en todos los seres vivos. Los Crustáceos y los Moluscos presentan caparazones de carbonato cálcico (CO3Ca) mientras que en la Diatomeas son de sílice (SiO2). El
esqueleto interno de los Vertebrados presenta una parte mineral formada por la asociación de varios componentes minerales, sobre todo carbonato y fosfato cálcico [(PO4)2Ca3]. Además, el esmalte de los dientes presenta fluoruro cálcico (F2Ca).
En cuanto a las sales minerales solubles en agua, éstas se encuentran disociadas en sus iones correspondientes,
que son los responsables de su actividad biológica. Los principales iones son: cationes (Na+, K+, Mg2+, Ca2+ y amonio -NH4+-) y
aniones (Cl-, fosfatos -PO43-, PO4H22-, sulfato
-SO42-, nitrato -NO32- y carbonatos -CO32-,
CO3H2-). Intervienen en la regulación de dos
fundamentales equilibrios fisiológicos: osmótico y ácido - base.
contacto a través de una membrana semipermeable (llamada así porque permite el paso de agua pero no de los iones disueltos en ella) las dos disoluciones tienden a equilibrar sus concentraciones y, como los iones no pueden atravesar la membrana, es el agua de la disolución más diluida la que va pasando a la más concentrada. Este trasiego de agua cesa cuando ambas disoluciones adquieren la misma concentración. La disolución más concentrada recibe el nombre de hipertónica respecto a la menos concentrada que es la hipotónica; en el momento del equilibrio se dice que las dos disoluciones son isotónicas. Este fenómeno se con el nombre de ósmosis y el paso del agua a través de la membrana semipermeable genera una presión llamada presión osmótica. Esta será mayor cuanto mayor sea la diferencia en la concentración de las dos disoluciones. Los seres vivos mantienen en sus células una presión osmótica constante gracias a las sales minerales, fenómeno llamado homoósmia, y son muy sensibles a las variaciones de la misma, lo cual acarrea serios trastornos. Por esta razón toda disolución que se ponga en contacto directo con las células de un organismo debe ser isotónica con respecto a la disolución salina de su interior, ya que las membranas celulares se comportan como semipermeables. Las células vegetales poseen una gran vacuola y pared celular. Al ponerlas en contacto con una solución salina hipertónica, el agua de ésta fluye hacia el exterior de la célula y, como consecuencia, la vacuola se reduce de tamaño sin alterar el contenido del citoplasma. Por el contrario, si la solución que se pone en contacto con la célula es hipotónica, la corriente de agua se establece
hacia el interior, hinchando la vacuola. En cambio la célula animal al ponerse en contacto con una solución hipertónica, disminuye de volumen y se arruga al salir agua al exterior, plasmolisis y si los ponemos en contacto con una solución hipotónica, el agua pasa al interior y el glóbulo rojo se dilata,
pudiendo llegar a estallar rompiéndose su membrana, lisis.
En los seres vivos existen una serie de procesos que liberan protones (H+ y grupos hidroxilos (OH-). Los hidrogeniones tienen
carácter ácido, mientras que los hidroxiliones lo tienen alcalino. Por lo tanto la acidez o alcalinidad del medio interno de un organismo dependerá de la proporción en que se encuentren los dos iones. Así será neutro cuando [H+] = [OH-] y el pH está próximo a 7, ácido cuando [H+] >
En relación con la regulación del equilibrio ácido - base (pH) hay que indicar que en los procesos metabólicos que se dan en un ser vivo se liberan sustancias que varían el pH y estos cambios no son buenos porque, entre otras cosas, pueden desnaturalizar importantes biomoléculas como las enzimas. La desnaturalización hace que modifiquen su estructura molecular por el cambio de pH lo que conlleva la imposibilidad de realizar sus funciones biológicas. Por este motivo, es necesario que para que los fenómenos vitales puedan desarrollarse
con normalidad el pH no varíe excesivamente del adecuado (piel humana 5.5, sangre de 7.3. 7.4, zumo de limón 2, jugos gástricos 1, detergentes 10, etc,). Para lograrlo los organismos disponen en su medio interno de los llamados sistemas amortiguadores o tampón. Estos están formados por sales minerales solubles como el ion bicarbonato del suero
sanguíneo. Su funcionamiento se basa en se establece un equilibrio químico entre un ácido débil (en el caso del ion bicarbonato es el ácido carbónico CO3H2) y una sal del
mismo ácido (bicarbonato sódico CO3HNa). Supongamos que el medio interno de un
organismo se ve sometido a un exceso de ácido (aumento de protones y, por tanto, pH más bajo). En esta situación el exceso de protones se une al bicarbonato que forma ácido carbónico, el cual se disocia rápidamente en dióxido de carbono y agua, evitando así la disminución del pH. disocia la sal (bicarbonato sódico) reacciona con el ácido formando otra sal (NaCl) que es neutra (por lo tanto no varía el pH) y ácido carbónico (CO3H2) que rápidamente se disocia en CO2 y agua que también es neutra
por lo que se ha evitado que el pH del medio interno se vuelva más ácido:
CO3H- + H+→CO3H2→CO2 + H2O
En cambio, cuando el pH del medio varía hacia básico (disminuye la concentración de protones y aumenta los de hidroxilos) el equilibrio se desplaza al contrario que en el caso anterior. Es decir, se producen mas protones liberados por el ácido carbónico que neutralizan los OH- de la produciendo agua que evita la variación del pH por ser neutra:
