Fundamentos Químicos de la Vida: Bioelementos, Biomoléculas y Propiedades del Agua

Propiedades de los Bioelementos

Los seis bioelementos primarios poseen capas electrónicas externas incompletas. Esto les permite formar fácilmente enlaces covalentes, dando lugar a las biomoléculas que constituyen las estructuras biológicas y llevan a cabo las funciones vitales.

Debido a su bajo número atómico, los electrones compartidos en la formación de los enlaces se encuentran próximos al núcleo, lo que confiere estabilidad a las moléculas resultantes.
El Oxígeno (O) y el Nitrógeno (N) son electronegativos, lo que hace que muchas biomoléculas sean polares y solubles en agua, un requisito imprescindible para las reacciones biológicas fundamentales.
Los bioelementos pueden incorporarse con facilidad a los seres vivos desde el medio externo (se encuentran en moléculas como el H₂O), asegurando el intercambio constante de materia.

Definición de Bioelemento

Materia constituyente de los seres vivos, formada por la unión de átomos de ciertos elementos químicos.

Clasificación de Bioelementos

Bioelementos Primarios

Formados por C, H, O, N, P y S. Constituyen el 99% del total de la materia viva y son componentes fundamentales de las biomoléculas.

Bioelementos Secundarios

Forman parte de los organismos vivos en menor proporción (aproximadamente el 21%). Incluyen el Na, K, Ca, Mg y Cl.

Oligoelementos

Se encuentran en proporciones inferiores al 0,1%, pero son imprescindibles, ya que desempeñan funciones esenciales en diferentes procesos bioquímicos y fisiológicos (ej: Fe, Cu y Mn).

Características de Bioelementos Clave

Características del Carbono (C)

Desempeña un papel fundamental.
Está colocado en el grupo 14 de la tabla periódica.
Posee 4 electrones desapareados que se disponen en una estructura tetraédrica.
Origina cadenas estables con morfología y tamaño variable (estructuras espaciales complejas).
Forma enlace covalente.

Características del Oxígeno (O)

Posee un pequeño número atómico.
Usando el enlace covalente, pueden formarse fácilmente polímeros.
Tiene la capacidad de unirse a elementos muy electronegativos.

Características del Hidrógeno (H)

Tiene un número atómico bajo.
Es un elemento que puede combinarse fácilmente (ej: H₂O).
Forma puentes de hidrógeno (un enlace débil, fácil de romper).
Es el elemento que se encuentra con mayor abundancia.
Es el primer elemento de la tabla periódica.

Tipos de Enlaces Químicos en Sistemas Biológicos

Enlace Covalente

Son los más fuertes.
Permiten la construcción de moléculas estables (materia viva).
La fisiología y los procesos bioquímicos de las moléculas son posibles gracias a este enlace.

Enlace Iónico

Se observa sobre todo en los enlaces de formación de proteínas.
Son moléculas tan importantes como las proteínas.
Resultan de la unión de aniones y cationes inorgánicos a moléculas orgánicas muy variadas.
Son capaces de crear estructuras cristalinas y solubles.

Enlace de Hidrógeno

Es rápido en crearse, pero también se rompe con rapidez.
Es menos fuerte que el enlace covalente y el iónico.
Es fundamental en las uniones transitorias entre moléculas.

Fuerzas de Van der Waals

Acción entre moléculas que no son polares.
Se forman y se rompen constantemente; son muy débiles.
No mantienen moléculas estables.

Características de los Gases

Los gases son producto del proceso de digestión y son fortuitos.
Se utilizan para la respiración (en animales y plantas para la fotosíntesis).
Los gases libres siempre circulan por vasos y entre las células.
Son imprescindibles para el metabolismo celular.

Funciones y Clasificación de Biomoléculas

Funciones de las Biomoléculas

Función estructural (proteínas y fosfolípidos).
Función energética (glúcidos y lípidos).
Función enzimática (las enzimas son proteínas).

Clasificación de Biomoléculas

Biomoléculas Orgánicas:
- Glúcidos
- Lípidos
- Proteínas
- Ácidos Nucleicos
Biomoléculas Inorgánicas:
- Gases
- Agua
- Sales Minerales (S.M.)

El Agua: Propiedades y Relevancia Biológica

Formas de Encontrar el Agua en la Materia Viva

Agua circulante.
Agua intracelular.
Agua extracelular.

Calor Específico

Es la cantidad de calor que es necesario comunicar a un gramo de sustancia para aumentar su temperatura en 1 °C.

Importancia Biológica del Calor Específico del Agua

Para una cantidad de calor determinada, la temperatura del agua asciende más lentamente (y también desciende lentamente al perder calor) que otros lípidos. Esto permite que los organismos acuáticos vivan en un ambiente con pocas fluctuaciones térmicas.

Propiedades del Agua

Para evaporarse necesita una alta temperatura.
El hielo tiene menor densidad que el agua líquida.
En estado líquido está prácticamente incompresible.
Alto calor específico.
Posibilidad de disolución (acción disolvente).
Capilaridad.
Ionización del agua.
A temperatura ambiente se encuentra en estado líquido.
Elevada tensión superficial.

Acción Disolvente

Una forma de medir la capacidad de una sustancia para disolver compuestos iónicos consiste en calcular el valor de su constante dieléctrica.
Puede formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas no iónicas que tengan grupos polares.

Funciones de las Sales Minerales (S.M.)

Constitución de estructuras duras de sostén y protección (Ej: fosfatos, carbonatos e incluso sílices).
Funciones fisiológicas y bioquímicas (Ej: Na⁺, K⁺, Ca²⁺…).
Mantenimiento de concentraciones osmóticas adecuadas (Ej: diálisis).
Mantenimiento del pH en estructuras y medios biológicos (Ej: OH^–).

Conceptos de Osmosis y Diálisis

Disolución Hipotónica o Hipoosmótica

Disolvente con menor concentración de soluto.

Disolución Hipertónica o Hiperosmótica

Disolvente con mayor concentración de soluto.

Proceso de Turgencia

Cuando la concentración del medio intracelular es mayor que la del medio externo, la entrada excesiva de agua producirá una hinchazón celular.

Proceso de Plasmólisis

Cuando la concentración en el medio interno es menor que en el medio externo, la célula pierde agua y disminuye su volumen.

Proceso de Diálisis

Permite también el paso de solutos de baja masa molecular. Es la base del proceso realizado por una máquina que limpia de productos de desecho la sangre (hemodiálisis).

Regulación del pH y Sistemas Tampón

Concepto de pH

$$\text{pH} = \log \frac{1}{[H^+]} = -\log [H^+]$$

Necesidad de los Sistemas Tampón

Para evitar las variaciones del pH que estos ácidos podrían causar en el medio biológico.