Tema 1:
Bioelementos y biomoléculas inorgánicas inorgánicas 1. LOS BIOELEMENTOS SON LOS ELEMENTOS QUÍMICOS QUE SE ENCUENTRAN EN LOS SERES VIVOS. La materia que forma los seres vivos está constituida por una serie de sustancias químicas, las biomoléculas biomoléculas , en cuya composición elemental encontramos alrededor de 70 elementos químicos, que reciben la bioelementos o elementos denominación de bioelementos biogénicos. Del estudio de bioelementos y biomoléculas se ocupa la bioquímica.
1.1 Bioelementos primarios. Los bioelementos más destacados son carbono, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno, que constituyen más del 95% del peso de los seres vivos. Estos cuatro elementos químicos forman parte de todas las biomoléculas, por lo que son imprescindibles para todos los seres vivos, y comparten una serie de características importantes: I. Son accesibles, puesto que abundan en las capas externas de la Tierra (atmósfera, hidrosfera y litosfera). II. Forman con facilidad enlaces covalentes . Estos enlaces son muy estables, y estos elementos son los más ligeros capaces de formar enlaces de este tipo. Como son elementos ligeros, de poca masa atómica, los enlaces covalentes resultantes son muy estables. III. Con excepción del hidrógeno, pueden establecer enlaces simples o múltiples, dependiendo del número de electrones que compartan. Esta capacidad permite la formación de muchos grupos funcionales (alcohol, aldehído, cetona, etc.). Los enlaces entre los átomos de carbono pueden ser simples (C - C), dobles (C = C) o triples (C = C) cosa que permite la formación de cadenas más o menos largas, las cuales, posteriormente, se pueden ramificar y adoptar disposiciones tridimensionales o bien cerrarse todo formando anillos.
Introducción: La Biología, ciencia de la vida IV.
Los átomos de carbono son capaces de unirse entre sí, formando largas cadenas. Esta característica, unida a la anterior, permite que con pocos elementos diferentes puedan construirse infinidad de moléculas distintas. Un detalle importante respecto al C y al N es que, debido a su posición central en el Sistema Periódico presentan la misma afinidad para unirse con el O que con el H, es decir, pueden pasar con facilidad del estado oxidado (CO2, NO3H) al reducido (CH 4, NH3). Las moléculas derivadas normalmente presentan una polaridad, por lo que forman compuestos que se disuelven muy bien en agua o, cuanto menos, pueden formar emulsiones o dispersiones coloidales 1. V.
1.1.1 El papel central del carbono. Como ya se ha dicho, es el elemento más importante de los seres vivos, aunque no sea el que se encuentra en más abundancia, por ello, a la química orgánica se denomina química del carbono. En la corteza terrestre es un elemento relativamente raro. Lo encontramos en la atmósfera en forma de CO 2, disuelto en las aguas formando carbonatos y en la corteza constituyendo las rocas calizas (CO 3Ca) el carbón y el petróleo. El carbono es el elemento número 6 de la tabla periódica 2 2 2 ( Z=6 y A=12). Su estructura electrónica es 1s 2s 2p . El átomo de carbono tiene 4 electrones en la última capa. Esto hace que pueda unirse a otros átomos mediante cuatro enlaces covalentes pudiéndose formar tres estructuras distintas. Estas son: - La hibridación tetraédrica: En la que el átomo de carbono está unido mediante cuatro enlaces covalentes simples a otros cuatro átomos. En este tipo de hibridación el átomo de carbono ocupa el centro de un tetraedro y los cuatro enlaces simples se dirigen hacia sus vértices. - La hibridación trigonal: En la que el átomo de carbono se une a otros tres átomos mediante dos enlaces simples y uno doble. En este caso los cuatro átomos forman un triángulo con el átomo de carbono situado en el centro. Debe tenerse en cuenta que el enlace doble es algo más corto que los enlaces simples, por lo que el triángulo no será equilátero sino isósceles.
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Dispersiones coloidales: ver disoluciones acuosas en el apartado dedicado al agua, en este mismo tema.
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Biología - 2º Bachillerato
- La hibridación digonal: Cuando el átomo de carbono está unido a otros dos átomos mediante un enlace simple y uno triple o mediante dos dobles. Como consecuencia de su localización en la tabla periódica el átomo de C posee una electronegatividad intermedia , cosa que le permite unirse con elementos de mayor electronegatividad como el S, O, N o con otros más electropositivos como el H. En general, una molécula orgánica deriva su configuración final de la disposición de sus átomos de carbono, que constituyen el esqueleto o columna de la molécula. La configuración de la molécula, a su vez, determina muchas de sus propiedades y su función dentro de los sistemas vivos. En el siguiente modelo, las esferas lilas representan a los átomos de carbono y las esferas azules, más pequeñas, representan a los átomos de hidrógeno. Las varillas de los modelos -y las líneas en las fórmulas estructurales- representan enlaces covalentes, cada uno de los cuales está formado por un par de electrones. Nótese que cada átomo de carbono forma cuatro enlaces covalentes. Como podemos observar, las combinaciones del carbono con otros elementos, como el oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno, etc., permiten la aparición de una grande variedad de
grupos funcionales
que dan lugar a las diferentes familias de sustancias orgánicas.
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Introducción: La Biología, ciencia de la vida
1.2 Bioelementos secundarios. Otros bioelementos que también encontramos en todos los seres vivos son azufre , fósforo, magnesio, calcio, sodio, potasio y cloro. En conjunto pueden llegar a alcanzar el 4,5% del peso del ser vivo. -
El azufre se encuentra en casi todas las proteínas, ya que forma parte de los aminoácidos cisteína y metionina. También forma parte de otras sustancias de gran interés biológico, como la coenzima A (CoASH) y algunas vitaminas, entre otros. Azufre y carbono forman entre sí, con cierta facilidad, enlaces covalentes.
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El fósforo forma parte de los ácidos nucleicos, de los + fosfolípidos, y de muchas coenzimas (ATP, NAD , etc.).
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El magnesio actúa como cofactor de muchas enzimas y, además, forma parte de la molécula de clorofila.
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El calcio interviene en la división celular mitótica, la transmisión del impulso nervioso, la contracción muscular y la coagulación sanguínea. También forma parte de numerosas estructuras esqueléticas, así como de sistemas tampón utilizados por el ser vivo para controlar su pH. Como carbonatos y fosfatos de calcio, forma estructuras esqueléticas.
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Sodio, potasio y cloro también intervienen en numerosos procesos, como el mantenimiento de la diferencia de potencial entre ambos lados de las membranas biológicas ( potencial de membrana), la transmisión del impulso nervioso, etc. 1) El Silicio es un elemento muy abundante en la corteza terrestre. Busca datos referentes a sus propiedades físicoquímicas y trata de explicar porqué el carbono y no el silicio, siendo tan abundante, ha permitido la formación de la materia viva. 2) Trata de explicar: a) ¿Por qué el oxígeno permite obtener tanta energía a partir de la materia orgánica? b) ¿Por qué el fósforo permite almacenar energía de pronto uso? c) ¿Por qué se cree que la vida apareció en el medio acuoso?
1.3 Oligoelementos. Los restantes bioelementos, hasta un total aproximado de 70, se encuentran en proporciones bajísimas, no superando en conjunto el 0,5% del peso del ser vivo. Son los oligoelementos o elementos traza . Individualmente se encuentran en cantidad inferior al 0,1% del peso, y entre ellos destacaremos el grupo de los considerados imprescindibles o esenciales, por encontrarse en prácticamente todos los seres vivos: hierro, manganeso, flúor, yodo, cobalto, silicio, cromo, zinc, molibdeno, boro y litio. Los demás oligoelementos ya sólo son imprescindibles para grupos concretos de organismos vivos. A pesar de su escasa presencia, los oligoelementos son fundamentales. Por ejemplo, la ausencia de cualquiera de ellos
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Biología - 2º Bachillerato origina en el ser humano enfermedades carenciales2. En el lado opuesto, un aumento excesivo de ellos en el organismo ocasiona intoxicaciones y puede llegar a causar la muerte. 1. Hierro (Fe): Forma parte de la hemoglobina, pigmento rojo de la sangre de los Vertebrados. También forma parte de los citocromos. El Fe apenas se elimina del organismo y es utilizado varias veces cuando se destruyen los compuestos de que forma parte y por ello sus necesidades alimenticias son mínimas. No obstante, su escasez o carencia produce anemia. 2. Cobre (Cu): Forma parte de la hemocianina, pigmento rojo de la sangre de los invertebrados, de papel semejante a la hemoglobina. 3. Manganeso (Mn): Actúa como catalizador de muchas reacciones metabólicas. Participa en la fotolisis del agua durante la fotosíntesis. 4. Cinc (Zn): También importante como numerosos enzimas.
catalizador, ya que actúa como cofactor de
5. Yodo (I): Elemento básico para la formación de la tiroxina, hormona producida por la glándula tiroides cuya deficiencia origina la enfermedad llamada bocio.
Cobalto (Co): necesario para sintetizar la vitamina B12, necesario para la síntesis de hemoglobina. 6.
Los elementos biogénicos rara vez se encuentran en estado libre. En general, se combinan entre sí para formar sustancias
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Enfermedades carenciales: ver el apéndice final del tema.
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