Composición Química de los Seres Vivos

Átomos y Moléculas

Un átomo es la parte más pequeña de un elemento químico, formado por protones (p+), electrones (e-) y neutrones (n).

Una molécula es la unión de dos o más átomos. Se clasifican en homogéneas y heterogéneas.

Un elemento químico está formado por un solo tipo de átomos y no puede descomponerse mediante reacciones químicas.

Una sustancia compuesta está formada por dos o más elementos químicos y puede separarse mediante reacciones químicas.

Enlaces Químicos

La unión entre átomos, moléculas e iones se denomina enlace químico. Existen cuatro tipos principales:

• Enlace Iónico: Unión de un átomo metálico y uno no metálico (que capta e-). Genera un anión y un catión.
• Enlace Covalente: Se da entre átomos electronegativos que comparten e-. Pueden ser apolares (sin carga eléctrica) o polares (con un polo positivo y otro negativo).
• Puentes de Hidrógeno: Enlace muy débil que se establece entre el hidrógeno (electropositivo) y un átomo electronegativo (O, N, F).
• Fuerzas de Van der Waals: Atracciones electrostáticas entre moléculas apolares o entre grupos polares de una misma molécula.

Bioelementos

Los bioelementos son los elementos químicos que forman parte de la materia viva. Se seleccionan aquellos que resultan más útiles para la estructura y función biológica. Se clasifican en:

Bioelementos Primarios (C, H, O, N, P, S)

Son indispensables para la formación de las biomoléculas orgánicas. Sus características principales son:

• Entre ellos forman enlaces covalentes.
• Poseen bajo número atómico (lo que confiere estabilidad).
• Son importantes en procesos de oxidación-reducción.
• Grupos funcionales clave: alcohol (–OH), cetona (C=O), aldehído (–CHO), ácido (–COOH), amino (–NH₂), amida (–CONH₂), tiol (–SH).

Funciones Específicas de los Bioelementos Primarios:

• Carbono (C): Es la base de los seres vivos; es tetravalente.
• Hidrógeno (H): Proviene del H₂O; es el más ligero y abundante.
• Oxígeno (O): Proviene del CO₂ de la fotosíntesis; es el más polar.
• Nitrógeno (N): Necesario para los aminoácidos y ácidos nucleicos.
• Fósforo (P): Forma los grupos fosfato que componen el ATP y los ácidos nucleicos.
• Azufre (S): Fundamental en la estructura de ciertas proteínas (aminoácidos azufrados).

Bioelementos Secundarios (Na, K, Ca, Mg, Cl)

• Magnesio (Mg): Forma parte de la clorofila y actúa como catalizador junto con las enzimas.
• Calcio (Ca): Forma parte de los carbonatos de calcio en estructuras esqueléticas. Interviene en la contracción muscular, coagulación sanguínea y transmisión del impulso nervioso.
• Sodio (Na) y Potasio (K): Necesarios para la conducción nerviosa y la contracción muscular (bomba Na/K).
• Cloro (Cl): Necesario para mantener regulado el agua en la sangre y el fluido intersticial.

Oligoelementos (Fe, Cu, Co, I, F, Zn…)

• Hierro (Fe): Forma parte de los citocromos (interviene en la respiración celular) y de la hemoglobina.
• Cobre (Cu): Componente de la hemocianina.
• Cobalto (Co): Forma parte de la vitamina B₁₂.
• Yodo (I): Necesario para la síntesis de la tiroxina.
• Flúor (F): Forma parte de los huesos y el esmalte dental.
• Zinc (Zn): Actúa como catalizador en diversas reacciones químicas (cofactor enzimático).

Biomoléculas (Principios Inmediatos)

Las biomoléculas están formadas por la unión de varios bioelementos y también se conocen como principios inmediatos. Se dividen en:

• Simples: O₂, N₂.
• Compuestas:
  • Inorgánicas: Agua y sales minerales.
  • Orgánicas: Glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

El Agua (H₂O)

Es la sustancia química más abundante en los seres vivos. Se puede encontrar de tres formas: circulante, intersticial e intracelular.

Estructura Molecular del Agua

• Posee dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos por enlaces covalentes polares. Las moléculas de agua se unen entre sí mediante puentes de hidrógeno.
• Sus enlaces forman un ángulo de 104º.
• Posee un carácter dipolar, ya que tiene una carga parcial negativa en el oxígeno y una positiva en los hidrógenos.
• A temperatura ambiente se encuentra líquida debido a la alta cohesión generada por los puentes de hidrógeno.

Propiedades Físico-Químicas del Agua

• Poder Disolvente: Reside en su carácter dipolar.
  • Solvatación: Proceso en el que los iones se rodean de moléculas de H₂O. Los aniones se orientan hacia el lado del H y los cationes hacia el lado del O.
  • Tipos de disoluciones:
    1. Disolución iónica.
    2. Disolución molecular.
    3. Disolución coloidal: Las moléculas varían de tamaño según predomine el estado gel (viscoso, predomina la fase dispersa) o el estado sol (más líquido, predomina la fase dispersante).
• Elevada Fuerza de Cohesión y Adhesión.
• Densidad: Es más alta en estado líquido que en estado sólido (el hielo flota).
• Bajo Grado de Ionización: Reacción química reversible: $2 ext{H}_2 ext{O} ightleftharpoons ext{H}_3 ext{O}^+ + ext{OH}^-$.
• Elevada Tensión Superficial.
• Elevado Calor Específico y Calor de Vaporización.

Potencial de Hidrógeno (pH) y Sistemas Amortiguadores

El pH es el grado de acidez o basicidad de una disolución. Se define por la concentración de iones hidrógeno ($ ext{H}^+$).

• Si aumenta la concentración de hidrogeniones, la disolución es ácida (pH < 7; $[ ext{H}^+] > [ ext{OH}^-]$). Un ácido cede protones.
• Si disminuye la concentración de hidrogeniones, la disolución es básica (pH > 7; $[ ext{H}^+] < [ ext{OH}^-]$). Una base capta protones.
• Relación: $ ext{pH} + ext{pOH} = 14$.

Tipos de Ácidos y Bases:

1. Ácido y Base Fuerte: Se disocian totalmente (reacción no reversible).
2. Ácido y Base Débiles: No se disocian totalmente (reacción reversible).

Sistemas Amortiguadores (Buffer):

Son disoluciones de un par conjugado ácido-base que amortiguan los cambios bruscos de pH.

Los tampones fisiológicos mantienen constante el pH en fluidos intra y extracelulares. Se clasifican por composición (orgánicos e inorgánicos) y ubicación (plasmáticos y tisulares).

Fenómenos de Transporte en Disoluciones

Disoluciones Verdaderas

Están formadas por solutos de baja masa molecular o cristaloides.

Difusión: Movimiento de una sustancia concentrada en el que las partículas se disponen para ocupar todo el volumen disponible. Si pasa por una “barrera” (membrana) se puede provocar una diálisis o una ósmosis.

• Diálisis: Paso de moléculas de soluto a través de una membrana dializadora.
• Ósmosis: Movimiento de agua (disolvente) a través de una membrana semipermeable (que solo permite el paso del disolvente) desde la disolución hipotónica (más diluida) a la hipertónica (más concentrada), hasta alcanzar la isotonicidad (igualdad de concentración).

El mantenimiento del pH en el medio interno de los seres vivos se logra gracias a las sales minerales disueltas y los sistemas tampón.

Sales Minerales

Las sales se forman mediante la reacción: $ ext{Ácido} + ext{Base} = ext{Sal} + ext{Agua}$.

Las sales minerales se encuentran en dos estados:

• Precipitadas (Insolubles): Cumplen funciones estructurales y esqueléticas (ej. $ ext{CaCO}_3$, Carbonato de Calcio).
• Disueltas (Iónicas): Al disolverse, dan lugar a cationes y aniones. Son utilizadas por las células para mantener constante el grado de salinidad y el grado de acidez (pH).