Bioelementos, Biomoléculas, Agua y Sales Minerales: Fundamentos para la Vida

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Biología. Antonio Campo. Salesianos Monzón Tema 1. Bioelementos y biomoléculas. Agua y sales minerales 1 TEMA 1. BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS. AGUA Y SALES MINERALES. Concepto de bioelemento y oligoelemento. Biomoléculas y clasificación. Biomoléculas inorgánicas: agua y sales minerales. - Estructura de la molécula de agua. - Puentes de Hidrógeno. - Funciones: Estructural, térmica, disolvente. Sales minerales y sus funciones: - Disueltas. Disoluciones y membranas: - Concepto de disolución verdadera y coloidal. - Fenómenos osmóticos: plasmólisis y turgencia. Concepto de Bioelemento y oligoelemento.

No hay ningún elemento químico exclusivo de los seres vivos, son los mismos que se encuentran en la Naturaleza, pero de todos ellos sólo 27 forman parte de manera permanente de la materia viva, los demás, hasta unos 60, aparecen ocasionalmente. Este pequeño número de elementos presentes en los seres vivos se denominan elementos biogénicos (de bios, vida y genos, origen) o bioelementos. Atendiendo a su abundancia e importancia se pueden clasificar en tres grandes grupos: - Elementos plásticos primarios: son carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N) y son los más abundantes. Representan algo más del 96% del peso de cualquier organismo y están en todos los seres vivos.

Son los elementos imprescindibles, junto con el fósforo y azufre, para la formación de las moléculas orgánicas. - Elementos secundarios indispensables: son fósforo (P), azufre (S), sodio (Na), potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg) y cloro (Cl), y constituyen aproximadamente el 3% en peso de los seres vivos. Son bioelementos necesarios para la vida de la célula, presentes, pues, en todos los seres vivos. - Oligoelementos o elementos traza: además de los elementos señalados, existen otros que son necesarios para el funcionamiento de la maquinaria celular y que se encuentran, generalmente, en cantidades pequeñísimas (inferior al 0,1 %); en conjunto representan menos del 1% del total.

No todos los elementos traza forman parte de todos los seres vivos. Entre ellos pueden citarse como oligoelementos metálicos el hierro (Fe ), cobre ( Cu ), cobalto ( Co ), molibdeno ( Mo ), cinc ( Zn ), manganeso ( Mn) y vanadio ( V ); como no metálicos, el flúor ( F ), bromo ( Br ) y iodo ( I ); y semimetálico, el silicio ( Si ) Biología. Antonio Campo. Salesianos Monzón Tema 1. Bioelementos y biomoléculas.

Agua y sales minerales 2 Por otra parte, los cuatro elementos más abundante en los seres vivos difieren de los que predominan en los sistemas inertes, que son O, Si, Al y Fe y, salvo el oxigeno que es mayoritario en ambos sistemas, el elemento característico en los sistemas inertes es el silicio y en los sistemas vivos, el carbono. Función de los bioelementos primarios y secundarios Los elementos primarios, como se ha dicho, son imprescindibles para la edificación de las moléculas orgánicas de la materia viva.

El carbono e hidrógeno constituyen la estructura básica de dichas moléculas y, junto con el oxígeno, son los principales componentes elementales, ya que los tres están presentes en todas las moléculas orgánicas. Por su parte, el nitrógeno participa en la construcción de las estructuras moleculares más importantes de la materia viva: las proteínas y los ácidos nucleicos. La importancia del fósforo reside en que, por una parte, es necesario para la formación de los ácidos nucleicos, y por otra, como establece enlaces débiles, ricos en energía, interviene en los procesos de transferencia de energía.

Sin embargo, la mayor parte se encuentra como sales minerales sólidas en las estructuras esqueléticas. En cuanto al azufre es un constituyente de la mayoría de las proteínas, aunque también se halla como anión mineral. El resto de los bioelementos secundarios se encuentran, en su mayoría, en el interior de las células y en el medio interno como sales disociadas en iones. Son necesarios para el equilibrio iónico de la célula, sin él no hay vida posible. El sodio, potasio y cloro, participan de manera significativa en el mantenimiento del grado de salinidad. Además el sodio y potasio son fundamentales en la transmisión del impulso nervioso.

El calcio actúa por una parte como elemento plástico y como tal participa en la constitución de estructuras esqueléticas y por otra, en forma iónica, en el mecanismo de contracción muscular, la coagulación sanguínea, etc. Por su parte, el magnesio es imprescindible para la acción catalítica de muchas enzimas. En los vegetales verdes, es importante como constituyente de la clorofila. Función de los oligoelementos: Los oligoelementos son necesarios para el funcionamiento de la célula. La mayoría de las veces van asociados a enzimas, lo que explica su extrema dilución y el hecho de que sean imprescindibles.

Entre ellos, destacan: - El hierro que se halla en combinaciones complejas, normalmente de tipo proteico. En este aspecto destacan los citocromos: proteínas con Fe que participan en procesos de oxidorreducción formando parte de la cadena respiratoria. Además es un constituyente de la hemoglobina, pigmento de la sangre encargado del transporte de oxígeno. - El cobre también se encuentra en todos los organismos, formando parte de múltiples enzimas de oxidación. En los artrópodos y moluscos aparecen en la hemocianina, que actúa como transportador de oxígeno.

- El cobalto debe su importancia al hecho de ser un constituyente de la vitamina B12 (cobalamina), que actúa como coenzima, y el molibdeno a que forma parte de la nitrogenasa, que es una molibdoferroproteína, necesaria para el proceso de fijación del nitrógeno atmosférico. - El iodo es fundamental en la acción hormonal del tiroides en los animales superiores, y el flúor, en la formación de los dientes Biología. Antonio Campo. Salesianos Monzón Tema 1. Bioelementos y biomoléculas. Agua y sales minerales 3 RELACIÓN ENTRE BIOELEMENTOS Y SALUD. IMPORTANCIA DE UNA DIETA ADECUADA.

Macronutrientes y micronutrientes: Esta clasificación se realiza según la cantidad que necesitamos de cada uno de ellos y su función en el organismo. Ambos grupos de elementos son fundamentales para la salud: Macronutrientes: Su aporte diario se mide en gramos. Tienen, entre otras, una función energética (glúcidos, lípidos y proteínas). También podemos incluir el agua. Micronutrientes: Su aporte diario se mide en microgramos. Ninguno de ellos tiene función energética (sales minerales y vitaminas). Nutrientes esenciales: El organismo no es capaz de sintetizarlos por sí mismo, por lo que su aporte se realiza a través de la dieta.

La carencia de estos nutrientes esenciales provoca la aparición de algunas enfermedades. Son esenciales los oligoelementos, son los que necesitamos adquirir con los alimentos porque el cuerpo no puede sintetizarlos por el mismo y su carencia provoca el desarrollo de algunas enfermedades. Son esenciales los oligoelementos, las vitaminas, algunos ácidos grasos y algunos aminoácidos. Los bioelementos primarios conforman más del 95% de la materia viva. Son el carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno (C, H, O y N). Se incorporan fácilmente a través de la dieta. Los bioelementos secundarios suponen aproximadamente un 4,5% de la materia viva.

Algunos ejemplos son el azufre, fósforo, calcio, magnesio, sodio potasio y cloruro. AZÚFRE: El azufre se encuentra en los aminoácidos cisteína y metionina. o Estos aminoácidos desempeñan un papel fundamental en la formación de enlaces disulfuro, que contribuyen a la estructura y estabilidad de las proteínas, incluyendo el colágeno y la queratina (presentes en la piel, uñas, pelo…). o Forma parte de vitaminas y cofactores, por ejemplo, forma parte de la coenzima A, importante en la respiración celular. o La cantidad diaria de azufre necesaria se obtiene a través de una dieta equilibrada.

Los alimentos ricos en azufre incluyen proteínas de origen animal, como carne, pescado, huevos y lácteos, así como algunos vegetales como el ajo, las cebollas y el brócoli. FÓSFORO: o El fósforo (en forma de fosfatos) es un componente fundamental de los huesos, los dientes y las conchas. Junto con el calcio, forma la matriz mineral que proporciona resistencia y estructura a estas estructuras. o El fósforo es un componente esencial de las moléculas de ácido nucleico, como el ADN y el ARN, que son responsables de almacenar y transmitir información genética. o También forma parte de las moléculas de ATP (adenosín trifosfato), que es la moneda de energía celular.

o Los fosfolípidos son componentes esenciales de las membranas celulares, y el fósforo es un componente clave de estas moléculas. Los fosfolípidos son cruciales para la integridad y la función de las membranas celulares. o Es importante mantener un equilibrio adecuado de fósforo en el organismo, ya que tanto la deficiencia como el exceso de fósforo pueden ser perjudiciales para la salud. La dieta diaria suele proporcionar suficiente fósforo para las necesidades del cuerpo, y es importante consumir alimentos ricos en fósforo, como productos lácteos, carne, pescado, nueces y granos enteros, para garantizar un adecuado funcionamiento del organismo.

CALCIO: El calcio es un mineral esencial que desempeña un papel fundamental en el organismo. Sus funciones son variadas y abarcan varios sistemas y procesos. Algunas de las funciones clave del calcio en el organismo son: o El calcio, junto con el fósforo, es un componente principal de los huesos, los dientes y las conchas, proporcionando fuerza y resistencia. o El calcio es esencial para la función muscular, incluyendo la contracción de los músculos esqueléticos y cardíaco. o El calcio es necesario para la coagulación de la sangre.

o El calcio es un mensajero secundario en muchas vías de señalización celular, lo que significa que desempeña un papel en la regulación de procesos celulares como la división celular y la respuesta a hormonas y neurotransmisores. o Tanto la deficiencia como el exceso de calcio pueden tener efectos perjudiciales para la salud. La dieta juega un papel importante en la obtención de calcio, y se pueden encontrar fuentes de Biología. Antonio Campo. Salesianos Monzón Tema 1. Bioelementos y biomoléculas. Agua y sales minerales 4 calcio en alimentos como productos lácteos, vegetales de hojas verdes, frutos secos y productos fortificados.

En algunos casos, los suplementos de calcio también se utilizan para asegurar un aporte suficiente de este mineral. MAGNESIO: o El magnesio es un cofactor en muchas reacciones metabólicas. o Está involucrado en la fosforilación oxidativa, la contracción muscular y cardiaca, etc… o También está relacionado con el control de niveles de otras sustancias como el calcio o la glucosa. o Una deficiencia de magnesio puede llevar a una serie de problemas de salud, como calambres musculares, debilidad, arritmias cardíacas, osteoporosis y otros trastornos. o La ingesta adecuada de magnesio a través de la dieta es importante para mantener la salud general del organismo.

Alimentos ricos en magnesio incluyen nueces, semillas, granos enteros, vegetales de hojas verdes, pescado y legumbres. SODIO: o El sodio es esencial para mantener el equilibrio de líquidos en el cuerpo. Regula la cantidad de agua que se encuentra dentro y alrededor de las células. Este equilibrio es crucial para la hidratación y la presión osmótica en el cuerpo. o En relación con el punto anterior, el sodio está directamente relacionado con la regulación de la presión arterial. Un exceso de sodio en la dieta puede contribuir a la hipertensión (presión arterial alta), un factor de riesgo para enfermedades cardiovasculares.

o El sodio es esencial para la transmisión de señales nerviosas y la contracción muscular. Los impulsos eléctricos que viajan a través de las neuronas y de los músculos, se generan mediante la entrada y salida del sodio y del potasio, por lo que es importante que las concentraciones de estos iones sea la adecuada. o El sodio interviene en el transporte de algunas sustancias a través de las membranas, y también desempeña un papel en la absorción de ciertos nutrientes en el intestino delgado. o Ayuda en el transporte de glucosa, aminoácidos y otros nutrientes a través de las membranas celulares.

o Un exceso de sodio en la dieta puede tener efectos perjudiciales para la salud, como la hipertensión y un mayor riesgo de enfermedades cardiovasculares. Por lo tanto, es importante mantener un equilibrio adecuado de sodio en la dieta y limitar la ingesta de alimentos procesados y altos en sodio. POTASIO: o El potasio es esencial para la transmisión de señales nerviosas y la contracción muscular, incluyendo el miocardio. Los impulsos eléctricos que viajan a través de las neuronas y de los músculos, se generan mediante la entrada y salida del sodio y del potasio, por lo que es importante que las concentraciones de estos iones sea la adecuada.

Estos tejidos son especialmente sensibles al déficit o exceso de potasio, produciendo problemas musculares o cardíacos. o La dieta juega un papel importante en la obtención de potasio, y se pueden encontrar fuentes de potasio en alimentos como plátanos, naranjas, espinacas, patatas, aguacates o pescado, entre otros. CLORURO: El cloruro es uno de los principales aniones en el plasma sanguíneo y en el líquido extracelular. o Junto con el sodio, tiene un papel central a la hora de mantener el equilibrio de líquidos en el cuerpo. Esto es esencial para la regulación del volumen y la presión osmótica de los fluidos corporales.

o El cloruro se encuentra en el ácido clorhídrico del estómago, donde desempeña un papel importante en el inicio de la digestión, activando además ciertas enzimas digestivas, lo que facilita la absorción de nutrientes en el intestino delgado. o La dieta generalmente proporciona suficiente cloruro, ya que se encuentra en una variedad de alimentos, incluyendo la sal de mesa (cloruro de sodio), así como en alimentos procesados y naturales. Biología. Antonio Campo. Salesianos Monzón Tema 1. Bioelementos y biomoléculas. Agua y sales minerales 5 Los oligoelementos se encuentran en la materia viva en porcentajes inferiores al 0,1%.

Se necesitan aportes diarios muy pequeños, aunque su déficit puede ocasionar graves trastornos. Veamos algunos ejemplos: HIERRO: o La función más conocida del hierro en el organismo es su papel en el transporte de oxígeno. El hierro es un componente esencial de la hemoglobina, una proteína presente en los glóbulos rojos de la sangre. Además de la hemoglobina, el hierro se encuentra en otra proteína llamada mioglobina, que se encuentra en los músculos y almacena oxígeno para su uso durante la contracción muscular. o Es importante mantener un equilibrio adecuado de hierro en el organismo, ya que tanto la deficiencia como el exceso de hierro pueden ser perjudiciales para la salud.

La deficiencia de hierro puede dar lugar a la anemia, lo que puede causar fatiga, debilidad y otros síntomas. o Los alimentos ricos en hierro incluyen carne roja, pavo, pollo, pescado, legumbres, espinacas, frutos secos y algunos cereales. La absorción de hierro de fuentes vegetales puede mejorarse al consumir alimentos ricos en vitamina C junto con ellos. IODO: o El iodo es un componente esencial de las hormonas tiroideas, como la tiroxina (T4). Estas hormonas son producidas por la glándula tiroides y son cruciales para la regulación del metabolismo, el crecimiento y el desarrollo, la regulación de la temperatura corporal, el sistema nervioso y la función de otros sistemas en el cuerpo.

o Una deficiencia de iodo puede llevar a una afección conocida como hipotiroidismo, en la cual la glándula tiroides no produce suficientes hormonas tiroideas. Esto puede resultar en una variedad de síntomas, como fatiga, aumento de peso, piel seca, debilidad, intolerancia al frío y problemas de concentración. Por otro lado, un exceso de iodo también puede ser perjudicial y dar lugar a trastornos tiroideos, como el hipertiroidismo. Por esta razón, es importante mantener un equilibrio adecuado de iodo en el organismo. o El yodo se encuentra en ciertos alimentos, como pescado, mariscos, productos lácteos y sal yodada.

En algunas regiones donde el suelo es pobre en yodo, se pueden recomendar suplementos de yodo o el consumo de sal yodada para prevenir la deficiencia de yodo y sus consecuencias en la salud. La adición de yodo a la sal de mesa es una estrategia eficaz y ampliamente utilizada para prevenir la deficiencia de yodo a nivel mundial. MANGANESO: o Interviene en la fase luminosa de la fotosíntesis. o En nuestro cuerpo es necesario para la formación y el mantenimiento de huesos y cartílagos. Trabaja en conjunto con otros minerales como el calcio y el fósforo para fortalecer la estructura ósea. o Es importante destacar que el organismo necesita manganeso en cantidades muy pequeñas.

Los alimentos ricos en manganeso incluyen frutos secos, cereales integrales, legumbres, verduras de hojas verdes, té, y algunos tipos de frutas, como las piñas. o La deficiencia de manganeso es rara en la dieta occidental, pero puede ocurrir en casos de desnutrición severa o en personas con trastornos de absorción intestinal. El exceso de manganeso en la dieta o la exposición crónica al manganeso a través de ciertos trabajos pueden ser perjudiciales para la salud, causando trastornos neurológicos. COBALTO: o El cobalto es un componente fundamental de la vitamina B12 (cianocobalamina), que es esencial para varias funciones biológicas clave.

El papel del cobalto en el organismo se relaciona principalmente con la vitamina B12 y sus funciones. o La vitamina B12 es esencial para la formación de glóbulos rojos en la médula ósea. Sin suficiente vitamina B12, se puede desarrollar anemia. o La vitamina B12 también es esencial para el funcionamiento adecuado del sistema nervioso. Participa en la mielinización de las fibras nerviosas, que es importante para la conducción de señales nerviosas. o Por último, la vitamina B12 es un cofactor en varias reacciones metabólicas relacionadas con la síntesis de aminoácidos y ácidos grasos.

o La deficiencia de vitamina B12 puede ser perjudicial y dar lugar a una serie de problemas de salud, incluyendo anemia, debilidad, fatiga, problemas neurológicos y daño en los nervios. o La vitamina B12 se encuentra en alimentos de origen animal, como carne, pescado, huevos y productos lácteos. Las personas que siguen dietas vegetarianas o veganas estrictas pueden correr un mayor riesgo de deficiencia de vitamina B12 y a menudo necesitan suplementos o alimentos fortificados para asegurar una ingesta adecuada de esta vitamina. Biología. Antonio Campo. Salesianos Monzón Tema 1. Bioelementos y biomoléculas.

Agua y sales minerales 6 FLÚOR: o El flúor desempeña un papel importante en la salud bucal y la prevención de la caries dental. El papel principal del flúor en el organismo se relaciona con la protección de los dientes contra la erosión ácida y el fortalecimiento del esmalte dental. La presencia de flúor en el esmalte dental hace que los dientes sean más resistentes a la desmineralización y la formación de caries. El flúor reduce la capacidad de las bacterias orales para dañar el esmalte, lo que ayuda a prevenir la caries dental.

o La principal forma en que las personas obtienen flúor es a través del agua potable, especialmente en áreas donde el agua está naturalmente fluorada o donde se agrega flúor al agua como medida de salud pública. Además, el flúor se encuentra en la pasta dental y en enjuagues bucales fluorados, que son importantes herramientas para la prevención de caries. o El exceso de flúor puede dar lugar a una afección conocida como fluorosis dental, que se manifiesta como manchas o decoloración en el esmalte dental. Por lo tanto, es importante mantener un equilibrio adecuado de flúor y seguir las recomendaciones de salud pública y de profesionales dentales para su uso. Biología. Antonio Campo.

Salesianos Monzón Tema 1. Bioelementos y biomoléculas. Agua y sales minerales 7 Las Biomoléculas y clasificación Los átomos de los diferentes elementos biogénicos se combinan entre sí para formar las moléculas constituyentes de la materia viva, denominadas biomoléculas. También se conocen con el nombre de principios inmediatos porque se pueden aislar por medios puramente físicos (disolución, filtración, destilación, centrifugación, etc.) que permiten separar las sustancias sin destruir las moléculas formadas. Según su naturaleza se clasifican en: - Biomoléculas inorgánicas: el agua y las sales minerales y gases como el O2, el CO2.

- Biomoléculas orgánicas: los glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. Muchos de los compuestos orgánicos son macromoléculas más sencillas, que se diferencian según sus propiedades químicas. La unidad estructural aislada se llama monómero, y la macromolécula recibe el nombre de polímero, compuesto de unidades similares o repetitivas. Existen diversas clases de monómeros: los monosacáridos, unidades monoméricas de los polisacáridos (glúcidos); los aminoácidos, unidades básicas de las proteínas y los nucleótidos, monómeros de los ácidos nucleicos.

Por lo que respecta a los lípidos, unos están constituidos, principalmente, por dos moléculas: alcoholes y ácidos grasos, y otros resultan de la polimerización del hidrocarburo isopreno. El agua El agua es la sustancia más abundante en los seres vivos, ya que constituye alrededor del 70% de su masa. Debido a su estructura molecular, presenta unas propiedades que la hacen imprescindible para el desarrollo de la vida.

Composición y estructura molecular: La molécula de agua está formada por el enlace covalente entre un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno y se caracteriza por: - la compartición de dos electrones: El oxígeno comparte cada uno de los dos electrones de su último nivel de energía (1s2 , 2s2 , 2px2 , 2py1 , 2pz1 ) con un átomo de hidrógeno. Cada uno de los dos átomos de hidrógeno (1s1 ) comparte con el oxígeno su único electrón. La compartición de electrones permite mantener una configuración más estable. - La polaridad de las moléculas de agua: El oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, es decir, su núcleo atrae con más fuerza a los electrones.

Esto produce un reparto desigual de las cargas; la molécula se comporta como un dipolo eléctrico, en el cual el polo negativo corresponde al oxígeno y el polo positivo a los hidrógenos. - La formación de enlaces o puentes de hidrógeno: La polaridad en la molécula de agua es la responsable de que se establezcan atracciones débiles entre los átomos de oxígeno del agua y los de hidrógeno de otras moléculas de agua. Cada molécula de agua puede unirse a un máximo de cuatro moléculas mediante puentes de hidrógeno.

Propiedades fisico-químicas: La composición y estructura de las moléculas de agua se manifiesta en las siguientes propiedades: - Cohesión y adhesión entre las moléculas: La cohesión es la atracción existente entre las moléculas de agua y da como resultado la formación de puentes de hidrógeno. La adhesión es la atracción y unión con otras moléculas polares diferentes, como monosacáridos, aminoácidos, etc. Estas propiedades dan lugar a los fenómenos siguientes: - Tensión superficial: En la superficie de contacto con otro medio, por ejemplo el aire, las moléculas de agua se cohesionan fuertemente y la Biología. Antonio Campo. Salesianos Monzón Tema 1. Bioelementos y biomoléculas.

Agua y sales minerales 8 superficie del líquido se comporta como una fina película elástica, capaz de sostener el peso de pequeñas partículas. - Capilaridad: Cuando el agua entra en contacto con un papel poroso, sus moléculas avanzan por los poros y se extienden empapando la superficie del papel. - Calor específico elevado: El calor específico, es decir, la cantidad de calor necesaria para aumentar 1º C. la temperatura de un Kilogramo de una sustancia, es muy elevado en el caso del agua, porque los numerosos puentes de hidrógeno que se establecen entre sus moléculas limitan el movimiento de éstas y retardan el incremento de la agitación térmica.

De este modo, cuando el agua se calienta, la temperatura asciende lentamente porque no todo el calor se utiliza para aumentar el movimiento de las moléculas, una parte se invierte en romper los puentes de hidrógeno. El descenso de 1º C también se produce lentamente, ya que supone la pérdida de una importante cantidad de calor; la misma que se ha utilizado para producir este incremento. - Gran capacidad disolvente: Las moléculas de agua tienen la capacidad de interponerse y separar distintas sustancias para disolverlas, debido a la polaridad de las moléculas.

Esto sucede de modo distinto según las características de cada sustancia: - Sustancias iónicas: Son sustancias constituidas por iones, es decir, átomos cargados positiva o negativamente. En contacto con el agua: Las moléculas de agua debilitan las interacciones entre los iones. Éstos se separan y las moléculas de agua los rodean. Las moléculas de agua se orientan en la posición correspondiente a la carga de cada ion.

- Sustancias polares: En las moléculas de estas sustancias se distinguen dos zonas con cargas de distinto signo, de modo que, en contacto con el agua: se produce una atracción entre estas moléculas y las de agua; algunos de los puentes de hidrógeno que existen ente las moléculas de agua se rompen y se forman otros nuevos con las moléculas polares. - Las moléculas anfipáticas son moléculas constituidas por grupos hidrofílicos (partes de la molécula solubles en agua) y grupos hidrofóbicos (parte insoluble en agua).

En el agua estas moléculas se dispersan formando pequeñas esferas, denominadas micelas, en las que los grupos hidrofílicos se disponen en dirección al agua y los grupos hidrofóbicos lo hacen hacia el interior de las esferas. - Densidad de 1 Kg/dm3 : Cada decímetro cúbico de agua tiene una masa de 1 Kg. La densidad del agua aumenta a medida que desciende la temperatura, porque esas moléculas se mueven más lentamente y no ocupan tanto espacio, de modo que en un mismo volumen existen más moléculas. El valor máximo de la densidad se alcanza cuando la temperatura del agua es de 4º C.

Como veremos más adelante, este hecho tiene una gran importancia biológica, ya que, a temperaturas inferiores a 4º C, las moléculas de agua establecen entre ellas numerosos puentes de hidrógeno. Estos puentes de hidrógeno se estabilizan si las moléculas se separan ligeramente entre ellas, lo que produce un aumento de volumen y por tanto una disminución de la densidad. De este modo, el agua en estado sólido (hielo) flota sobre el agua líquida. Biología. Antonio Campo. Salesianos Monzón Tema 1. Bioelementos y biomoléculas.

Agua y sales minerales 9 - Tendencia a ionizarse: En general una pequeña proporción de las moléculas de agua tiende a ionizarse es decir, uno de los átomos de hidrógeno se separa del oxígeno al que se une covalentemente para combinarse con otro átomo de oxígeno al que está unido por puentes de hidrógeno. De este modo se obtiene un ion H3O+ , denominado hidronio, y un ion OH- , denominado hidroxilo. La reacción de ionización se representa de la forma siguiente: 2H2O H3O+ + OH- La flecha indica que es una reacción reversible, es decir, se da tanto en un sentido como en el otro. Para simplificar, el ion hidronio se denomina ion hidrógeno y se representa por H+ .

Cuando se mide la concentración de iones hidroxilo y de iones hidrogeno en agua pura a 25º C, se obtiene el mismo valor para ambas concentraciones. [H+ ] = [OH- ] = 1·10-7 M (25º C) pH = - log [H+ ] = log1/[H+ ] Kw = [H+ ] [OH- ] = 1 ·10-14 M2 Para simplificar el grado de disociación del agua se utiliza el pH, que indica la concentración de iones hidrógeno. En el agua pura, la concentración de iones hidrógeno e hidroxilo es igual, en este caso, tiene un valor de pH 7. El valor del producto entre la concentración de iones hidrógeno y la concentración de iones hidroxilo se denomina producto iónico del agua, Kw = 10-14 M2 .

Como el producto iónico del agua es siempre constante, cuando aumenta la concentración de iones hidrógeno, disminuye la concentración de iones hidroxilo. Del mismo modo, cuando aumenta la concentración de iones hidroxilo, disminuye la concentración de iones hidrogeno. Cuando una sustancia iónica o polar se disuelve en agua, se altera la concentración de estos iones y por tanto, el valor del pH. De este modo se distinguen dos clases de soluciones: - Soluciones ácidas: Una solución es ácida cuando la concentración de H+ es superior a la de OH- y, por tanto, el valor del pH es inferior a 7.

El aumento de la concentración de iones H+ se debe a la disociación de una sustancia ácida, es decir, una sustancia donadora de protones, por ejemplo, el ácido clorhídrico. - Soluciones básicas: Una solución es básica o alcalina cuando la concentración de OH- es superior a la de H+ y, por tanto, el valor del pH es superior a 7. El aumento de la concentración de los iones OH- se debe a la disociación de una sustancia básica, es decir, una sustancia aceptora de protones. Éste es el caso del NaOH. La mayoría de los procesos biológicos depende del pH, por este motivo, cualquier variación del pH produce una alteración en el funcionamiento de los organismos.

Funciones Biológicas del agua El agua desempeña unas funciones biológicas decisivas en los procesos vitales. Estas funciones se relacionan con las propiedades anteriores. - Estructural: Constituye en general al menos un 70% de la materia de los seres vivos. La gran fuerza de cohesión de la molécula de agua le lleva, como hemos visto, a unirse a otras 4 moléculas vecinas estableciendo puentes de hidrógeno con ellas. Esta propiedad explica porqué el agua es un líquido prácticamente incompresible, capaz de conferir volumen y turgencia a muchos seres vivos unicelulares o pluricelulares (por ejemplo, el esqueleto hidrostático en las plantas).

Asimismo esta fuerza también permite las deformaciones de algunas estructuras (por ejemplo, del citoplasma), sirviendo como lubricante en zonas de contacto (es el caso de las articulaciones), y explica el ascenso de la savia por los vasos conductores en los vegetales. - Regulador térmico: El contenido en agua de los seres vivos amortigua las variaciones de su temperatura interna como consecuencia de cambios bruscos de la temperatura ambiental o por la producción de calor durante el metabolismo. Este efecto moderador favorece el desarrollo de las reacciones metabólicas. El agua necesita absorber mucho calor para aumentar 1º C su temperatura. Biología. Antonio Campo. Salesianos Monzón Tema 1.

Bioelementos y biomoléculas. Agua y sales minerales 10 Del mismo modo, para que ésta descienda 1ºC, se ha de desprender de una gran cantidad de calor. El lento ascenso o descenso de la temperatura del agua se debe a su elevado calor específico. - Actúa como disolvente: Actúa como disolvente de iones y moléculas polares y las transporta. Dispersa las moléculas anfipáticas. La disolución de sustancias en el citoplasma permite su transporte y su participación en las reacciones metabólicas.

El agua permite el transporte de sustancias en el interior de los seres vivos, así como el intercambio con el medio externo, de manera que gracias a esta función se facilita el aporte de sustancias nutritivas y la eliminación de los productos de desecho que suelen ser tóxicos. - Permite la vida bajo la superficie helada de lagos y océanos: La capa de hielo que se forma en los lagos y los océanos durante el invierno no impide que por debajo de ella, en el agua líquida, vivan numerosos organismos. El hielo actúa como aislante térmico y, como no se acumula en el fondo, no supone un obstáculo para el desarrollo de la vida.

A temperaturas inferiores a los 4º C, la densidad del agua disminuye en vez de aumentar. De este modo, el hielo flota sobre el agua líquida. - Participa en diversas reacciones: En las células tienen lugar numerosas reacciones y en algunas de ellas el agua actúa como reactivo.

En estas reacciones, denominadas reacciones de hidrólisis, se rompen enlaces de las moléculas por adición de H+ o OH- Sales minerales y sus funciones: En todos los seres vivos existen siempre determinadas cantidades de sales minerales, que se encuentran de tres formas: - Precipitadas, o en estado sólido, insolubles, con una función estructural ( estructuras esqueléticas ) fosfato cálcico ( huesos ); carbonato cálcico ( conchas ); sílice ( diatomeas, radiolarios, espículas de esponjas, tallos de gramíneas y equisetos ) - Disueltas en agua se hallan en forma de iones y no pueden ser ni producidas ni degradadas metabólicamente.

Destacan por su importancia: - Aniones: cloruros, fosfatos, bicarbonatos, nitratos y sulfatos. - Cationes: sodio, potasio, calcio, magnesio. Destacamos las siguientes funciones: la regulación de los procesos osmóticos; la regulación del pH y la acción específica de los cationes (el sodio y el potasio participan en la transmisión de la corriente nerviosa; el calcio y el potasio en la contracción muscular; el calcio, el potasio y el sodio en la regulación cardiaca) - Ligadas a moléculas orgánicas: - Fosfatos (ligados a los A.

Nucleicos; ligados a los fosfolípidos; y ligados al ATP, GTP (moléculas intermediarias y portadoras de energía) - Cationes: el hierro ligado a la hemoglobina, a los citocromos (proteínas que participan en reacciones de oxido reducción); el magnesio ligado a las moléculas de clorofila (pigmento fotosintético). Concepto de disoluciones amortiguadoras o tampón. El agua forma parte de diversas soluciones, entre las cuales destacan por su importancia biológica las soluciones tampón, porque mantienen constante el pH del medio intra y extracelular. Las funciones vitales de los organismos vivos admiten en general sólo pequeñísimas variaciones en el pH.

Las soluciones tampón están formadas por ácidos débiles o bases débiles, es decir, ácidos y bases que no se ionizan completamente cuando se disuelven en agua. Cuando las soluciones tampón están formadas por ácidos débiles, éstos pueden ionizarse y dar lugar a iones hidrógeno y a un ion aceptor de protones es decir, una base. La reacción es reversible. Cuando las soluciones tampón están formadas por bases débiles, como resultado de la ionización se obtienen iones hidroxilo y un ion dador de protones, es decir, un ácido. La reacción también es reversible. - Tampón fosfato: La ionización del tampón fosfato se representa por la siguiente fórmula: OH- H2PO4 - H+ + HPO4 = H+ Biología.

Antonio Campo. Salesianos Monzón Tema 1. Bioelementos y biomoléculas. Agua y sales minerales 11 La flecha indica que es una reacción reversible y, por tanto, puede producirse en los dos sentidos. Si en presencia del tampón fosfato aumenta la concentración de iones H+, se incrementa la concentración del ácido, La flecha indica que el aumento del ácido H2PO4 - se produce como consecuencia de la unión de la base HPO4 = con los iones hidrógeno. Si aumenta la concentración de iones OH- , lo hace la concentración de la base HPO4 = En este caso, la flecha indica que el ácido H2PO4- se ioniza para dar lugar a iones hidrógeno que compensen el exceso de iones hidroxilo.

- Tampón carbonato: OH- H2CO3 H+ + HCO3- H+ En el caso de que los sistemas de control de pH fallen, se altera la mayoría de los procesos celulares y se producen daños irreparables en los organismos. Por este motivo, en las células existen muchos otros compuestos que actúan como tampones. Entre ellos destacan los grupos funcionales de las proteínas. RELACIÓN ENTRE AGUA Y SALUD. IMPORTANCIA DE UNA HIDRATACIÓN ADECUADA. Tanto la ingesta excesiva como la deficiente de agua pueden tener consecuencias significativas en el organismo. El agua es esencial para numerosos procesos biológicos.

Consecuencias de una ingesta excesiva de agua (hiperhidratación): Dilución de electrolitos: Beber cantidades excesivas de agua en un período corto de tiempo puede diluir los niveles de electrolitos en la sangre, como el sodio, lo que puede causar síntomas como náuseas, vómitos, confusión, dolor de cabeza, convulsiones, etc.… Sobrecarga de líquidos: El exceso de agua puede sobrecargar el sistema circulatorio, lo que podría aumentar la presión arterial y suponer una sobrecarga para el corazón. Consecuencias de una ingesta deficiente de agua (deshidratación): La deshidratación puede afectar la función cognitiva. También puede provocar fatiga y debilidad.

La deshidratación puede hacer que las tareas cotidianas sean más difíciles y agotadoras. Trastornos gastrointestinales: La deshidratación puede causar problemas gastrointestinales, como estreñimiento y malestar estomacal. El agua está relacionada con la termorregulación mediante el sudor. En climas calurosos, la falta de agua aumenta el riesgo de golpe de calor, una afección potencialmente grave que puede llevar a síntomas como confusión, mareos, convulsiones y, en casos graves, daño a órganos vitales. La piel puede volverse seca, áspera y más propensa a irritaciones cuando hay falta de hidratación.

Es fundamental mantener un equilibrio adecuado en la ingesta de agua para evitar tanto la hiperhidratación como la deshidratación. En casos extremos pueden suponer la muerte. La cantidad de agua que una persona necesita puede variar según factores como la edad, el clima, la actividad física y la salud en general. En situaciones de calor intenso o ejercicio vigoroso, es posible que se necesite una ingesta de agua adicional para compensar la pérdida de líquidos a través del sudor. Disoluciones y membranas - Concepto de disolución verdadera y coloidal.

- Disolución verdadera: Los solutos de bajo peso molecular, tales como sales minerales, o moléculas orgánicas pequeñas (glucosa, aminoácidos, etc) están disueltos en agua. Cuando un rayo de luz incide lateralmente se observan disoluciones claras y transparentes. Biología. Antonio Campo. Salesianos Monzón Tema 1. Bioelementos y biomoléculas. Agua y sales minerales 12 - Disolución coloidal: está constituida por solutos de elevado peso molecular como proteínas o polisacáridos denominados coloides, dispersos en el agua. Presentan un aspecto más o menos gelatinoso.

Se caracterizan por presentar las siguientes propiedades: - Capacidad de presentarse en estado de "sol" o de "gel H2O SOL GEL H2O - Elevada viscosidad - Gran poder absorbente. - Presentan el efecto Tyndall (muestran cierta opalescencia o turbidez cuando las atraviesa un rayo de luz lateral. - No sedimentan ( si mediante ultracentrifugación ) - Se pueden purificar por diálisis. - Se pueden separar las mezclas por electroforesis. - Tipos de Membrana - Membrana impermeable: no deja pasar ninguna molécula. - Membrana permeable: deja pasar a todas las moléculas, sean del tamaño que sean. - Membranas semipermeables: - Permite el paso sólo de moléculas pequeñas (diálisis).

Aplicaciones en los enfermos de riñón (diálisis). - Sólo permite el paso de agua pero no el de sales ni moléculas pequeñas ( ósmosis ) - Fenómenos osmóticos: plasmólisis y turgencia. La presencia de sales disueltas en el agua condiciona el movimiento de las moléculas de agua a través de la membrana plasmática semipermeable para igualar las concentraciones. Este movimiento es un caso especial de transporte pasivo y se denomina ósmosis. Así, las moléculas de agua atraviesan la membrana plasmática desde la disolución de menor concentración, disolución hipotónica, hacia la de mayor concentración, disolución hipertónica.

Cuando el paso del agua iguala las dos concentraciones, las disoluciones reciben el nombre de isotónicas. Este movimiento del agua a través de la membrana plasmática puede producir que algunas células se arruguen por una pérdida excesiva de agua (plasmólisis) en un medio hipertónico, o bien, se hinchen por un aumento también excesivo en el contenido celular de agua (turgencia) en un medio hipotónico. En células animales la pérdida de agua se denomina crenasis o crenación, en vegetales plasmólisis. En células animales la entrada masiva de agua puede provocar la turgencia y rotura de la membrana o citólisis (en los glóbulos rojos se denomina hemolisis).

En los vegetales la entrada masiva de agua provoca la turgencia, pero, al tener una pared resistente a la presión no se produce la citólisis sino un arqueamiento de la misma como mucho. Biología. Antonio Campo. Salesianos Monzón Tema 1. Bioelementos y biomoléculas. Agua y sales minerales 13 EL ENLACE QUÍMICO EN LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS. La mayoría de las sustancias que existen en la naturaleza son sustancias compuestas, lo que demuestra que los átomos tienden espontáneamente a unirse mediante un enlace químico, por lo que se puede deducir que la unión de los átomos es un estado más estable (y por tanto menos energético) que la simple libertad atómica.

Existen dos tipos básicos de enlaces entre átomos: iónico y covalente. Además, las moléculas pueden unirse entre sí mediante enlaces intermoleculares. Todos ellos contribuyen a la formación de las distintas biomoléculas, pero en la materia viva son especialmente importantes los enlaces covalentes y los intermoleculares. - Enlace iónico: se da entre átomos con electronegatividades (tendencia a ganar electrones) muy diferentes; se produce por la atracción electrostática entre cargas opuestas, resultado de la pérdida de electrones por parte de un átomo y la ganancia por parte de otro.

El átomo que capta un electrón se convierte en un ion negativo (anión) mientras que el que lo pierde se transforma en un ion positivo (catión). En solución los iones están libres, mientras que en estado sólido unos iones positivos se rodean de otros negativos (y viceversa) formando un entramado ordenado que determina la estructura cristalina. De esta manera, sólidas o solubilizadas, aparecen las sales minerales que existen en la materia viva. - Enlace covalente: se forma entre átomos que comparten uno o más pares de electrones, cuya electronegatividad puede ser igual o parecida.

En el primer caso los átomos atraen los electrones más o menos por igual, y se forman moléculas apolares, por ejemplo, las de N2, O2 e H2. En el segundo caso, unos atraen más que otros, por lo que se originan moléculas polares, con un polo positivo (+) y otro negativo (-); el resultado son los dipolos moleculares, como sucede por ejemplo con la molécula de agua. Según el número de electrones que comparten existen: Enlaces simples, enlaces dobles y Isotonía Turgencia en medio hipotónico Isotonía Plasmolisis en medio hipertónico Crenasis o crenación en medio hipertónico Turgencia que podría provocar hemolisis o lisis celular en medio hipotónico Biología. Antonio Campo. Salesianos Monzón Tema 1.

Bioelementos y biomoléculas. Agua y sales minerales 14 enlaces triples. Los enlaces covalentes mantienen unidos los átomos en las biomoléculas orgánicas. Los enlaces glucosídico, peptídico, etc., que veremos más adelante, y que permiten la formación de diferentes moléculas glucídicas, proteicas, etc., son de tipo covalente. - Enlaces intermoleculares: se establecen entre átomos de moléculas distintas, debido a las diferentes formas de atracción entre ellos. Los más importantes son: el enlace de hidrógeno o puente de hidrógeno, las interacciones iónicas e hidrofóbicas y las fuerzas de van der Waals.

- Enlaces de hidrógeno o puentes de hidrógeno: es el segundo tipo de enlace más importante en los sistemas biológicos, después del covalente. Se establece entre el átomo de H y otros átomos muy electronegativos, como F, O y N. En este enlace, un átomo de H aparece unido a dos átomos distintos. Como el átomo de H sólo tiene un electrón no puede estar unido de forma covalente normal a los dos átomos. Lo que ocurre es que está unido a uno de los átomos, pero debido a su pequeño tamaño queda próximo al otro átomo de moléculas adyacentes, estableciéndose una débil fuerza de atracción entre ellos.

Este enlace asegura la cohesión entre las moléculas de agua, y contribuye en gran medida a la conformación espacial de moléculas como las proteínas y los ácidos nucleicos. - Interacciones iónicas: son debidas a la atracción entre moléculas que poseen un grupo funcional cargado eléctricamente. Se dan en las proteínas. - Interacciones hidrofóbicas: se deben a que las moléculas no polares (que repelen el agua) en un medio acuoso tienden a agruparse. Por razones opuestas, las moléculas polares hacen lo propio y tienden a asociarse. Así, las porciones no polares de las macromoléculas tienden a agruparse por un lado y las porciones polares por otro.

Son importantes en la constitución de las membranas celulares - Fuerzas de van der Waals: son fuerzas atractivas inespecíficas que surgen del movimiento de los electrones en los átomos, lo que origina dipolos instantáneos. Son importantes en la unión de enzima- sustrato, de subunidades proteicas y entre las cadenas de los ácidos grasos de los triglicéridos. Direcciones de Biología para consultar y ampliar en 2º de Bachillerato http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/biomol/contenidos.htm Desarrolla todos los temas de forma interactiva y está muy bien. Incluye animaciones e imágenes.

http://www.bionova.org.es/ temas, imágenes, cuestiones, modelos moleculares, presentaciones y animaciones Muy bueno http://www.bioygeo.info/PrincipalBio2.htm Muy interesante, incluye apuntes, láminas, animaciones, aula virtual y laboratorio. Vale la pena. http://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/2BCH/index_2bc.htm Página de un profesor de Asturias. Tiene todos los temas para descargar en pdf,, diapositivas, ejercicios resueltos, test, PAU Asturias. Vale la pena.

http://www.juntadeandalucia.es/averroes/manuales/materiales_tic/biomoleculas/bioelementos.htm el tema con muchos recursos http://www.iesbanaderos.org/html/departamentos/bio-geo/Apuntes/Apuntes.htm http://www.educa.madrid.org/web/cc.nsdelasabiduria.madrid/bio_ejercicios.htm Test interactivos de todos los temas con corrección. http://nuestrorincondelasciencias.blogspot.com/ muchos enlaces interesantes para consultar. Modelos moleculares en 3D http://biomodel.uah.es/model3j/inicio.htm muy interesante para visualizar las biomoléculas. Vale la pena utilizarlo.

http://biomodel.uah.es/ muchas animaciones para visualizar moléculas y procesos moleculares http://www.johnkyrk.com/index.esp.html animaciones de la biología celular, incluye una sobre el agua. Biología. Antonio Campo. Salesianos Monzón Tema 1. Bioelementos y biomoléculas. Agua y sales minerales 15 * ANEXO ¿Por qué se seleccionaron los bioelementos primarios? Sencillamente porque son los más idóneos para la constitución de los seres vivos, ya que: - Sus átomos son de peso atómico bajo, por lo que pueden compartir los electrones con otros átomos y formar entre ellos enlaces covalentes estables, pues la estabilidad del enlace es tanto mayor cuanto menor es el átomo.

Sin embargo, aunque los enlaces son estables y fuertes, no lo son tanto como para impedir las reacciones metabólicas. - El átomo de carbono es muy especial, pues tiene una configuración tetraédrica, con cuatro valencias que pueden unirse a otros carbonos mediante enlaces covalentes simples, dobles o triples. De esta manera es capaz de formar largas cadenas lineales o ramificadas y en forma de anillo, que se pueden romper sin excesiva dificultad. - Los átomos de carbono establecen fácilmente enlaces con el hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre.

Esto permite introducir en las moléculas orgánicas diferentes grupos funcionales, es decir, grupos de átomos que confieren propiedades concretas a las moléculas que los poseen. Ningún otro elemento químico origina moléculas estables tan complejas y diferentes, de manera que los compuestos del carbono presentan más variedad que todo el resto de los compuestos químicos juntos. Por todo ello, el carbono es la base de la química orgánica, pero conviene señalar que, aunque todas las sustancias orgánicas son compuestos de carbono, no todos los compuestos de carbono son orgánicos.

Así se consideran compuestos orgánicos aquellos en los que se unen unos átomos de carbono con otros y con átomos de hidrógeno, mientras que por ejemplo el CO2 y el CO3H2, aunque contienen carbono, no son orgánicos. - Los elementos seleccionados forman compuestos que, generalmente, son solubles en el agua, ya que en el mecanismo de selección también intervino la solubilidad de los elementos. Esto parece lógico pues la vida se originó en el agua, a partir de la materia inerte, por un proceso de síntesis abiótica.

- El azufre y fósforo, fueron seleccionados por razones inversas a los elementos mayoritarios; tienen mayor peso atómico y los enlaces que forman son menos estables, este hecho, como veremos más adelante, tiene gran importancia biológica. ¿Por qué no el silicio? Aunque el silicio es más abundante en la litosfera que el carbono y como él posee cuatro electrones libres en su última capa que puede compartir con otros átomos, los sistemas vivientes no han seleccionado el silicio porque el resto de sus características son tan opuestas a las del carbono que hacen imposible la vida. Así mientras la unión C - C da lugar a cadenas estables, las que se forman por la unión Si - Si son inestables.

Todo lo contrario, ocurre en la unión Si - O (silicona), que es tan estable que resulta prácticamente inalterable, lo que dificulta la capacidad de reacción. Además, el silicio combinado con el oxigeno SiO2 (sílice) es un compuesto sólido e insoluble, mientras que el CO2 es gaseoso y soluble en agua, lo que permite el intercambio de dicho compuesto entre los seres vivos y el medio. Finalmente, el silicio no forma enlaces dobles y triples, lo que limita el número de compuestos que se pueden formar.