Tema:
BIOELEMENTOS (Elementos químicos de la vida) Profesor: Franco David Alva A.
Todos los seres vivos están constituidos, cualitativa y cuantitat cuantitativamen ivamente te por los mismos mismos elementos elementos químicos. químicos. De todos los elementos que se hallan en la corteza terrestre, sólo unos 70 son componentes de los seres vivos ivos los los cual cuales es son son denom enomin inad adoos elementos biogenésicos o bioelementos. Esto confirma la idea de que la vida se ha desarrollado sobre unos elementos concretos que poseen unas propiedades físico-químicas idóneas acordes con los procesos químicos que se desarrollan en los seres vivos.
CLASIFICACIÓN: A los BIOELEMENTOS se les reúnen en: 1. PRIMARIOS (Organógenos): Constituyen del 9699% de la materia viva. Son aquellos que participan principalmente en la formación de los "esqueletos" de las BIOMOL BIOMOLÉCU ÉCULAS LAS ORGÁNI ORGÁNICAS CAS,, como como son los glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Son en número de seis:
A su vez los bioelementos primarios se les pueden organizar en dos subgrupos:
BASICOS: COMPLEMENTARIOS: Constituy tuyen en aproxi aproximad madame amente nte 2. SECUNDARIOS: Consti del 1 - 4% de la materia viva. Son imprescindibles en las actividades vitales y se encuentran formando parte de otras como son son las las BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS, como vitaminas, vitaminas, enzimas, etc. También están presentes presentes en las BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS, INORGÁNICAS, como las sales, gases, etc. Entre ellos tenemos:
3. OLIGOELEMEN ENTTOS: (Elementos “traza” o vestigiales) Se encuen encuentra trann en propor proporcio ciones nes mínima mínimass en la materia viviente. Esto se debe a que su función es mayormente catalizadora y no estructural siendo necesarias pequeñísimas cantidades de ellos para el normal normal funcion funcionami amient entoo del organi organismo smo.. Entre Entre ellos tenemos:
PROPIEDADES DE LOS BIOELEMENT0S: a. Abund Abundan an en la natu natura rale leza za y están están muy muy difun difundi dido doss en la biósfera. b. Tien Tienen en baj bajaa dens densid idad ad y baj bajoo peso peso ató atómi mico co c. Son Son de de ele eleva vado do calo calorr espe especí cífifico co d. Químicamente son muy acti ctivos formando ndo un considerable número de compuestos.
ACTIVIDAD FISIOLÓGICA DE LOS BIOELEMENT0S Los BIOELEMENTOS mencionados presentan una importante actividad en cada evento biológico que realiza la célula y como consecuencia el ORGANISMO. Los alimentos constituyen la principal fuente de biolementos. La concentración adecuada de cada uno de los bioelementos, permite el normal desarrollo del organismo y por consiguiente la disminución o exceso, causa desórdenes fisiológicos que pueden llevar inclusive hasta la muerte. Indicamos a continuación algunas de las funciones que cumplen los bioelementos en los seres vivos. 1. Sodio (Na): Principal catión del líquido extracelular - Regula la presión osmótica. - Participa en la regulación del equilibrio ácidobase y el equilibrio hídrico celular - Participa en la contracción muscular y la conducción del impulso nervioso - Principal fuente: sal de mesa (Na Cl) 2. Potasio (K): Principal catión del líquido intracelular - Interviene en el automatismo cardiaco: despolarización y repolarización del corazón. - Participa en la regulación del equilibrio ácidobase y el equilibrio hídrico celular - Participa en la contracción muscular y la conducción del impulso nervioso 3. Cloro (Cl): Principal anión del líquido extracelular - Participa en la regulación del equilibrio ácidobase y el equilibrio hídrico celular. - Constituye el ácido clorhídrico del jugo gástrico. - Se elimina por las heces, orina y sudor. 4. Calcio (Ca): Es el mineral más abundante del organismo - Forma parte estructural de: • Huesos y dientes en forma de cristales de hidroxiapatita: Ca 10(PO4)6(OH)2 • Caparazones, conchas, etc. como carbonato de calcio: CaCO3 - Interviene en la contracción muscular como Ca++ - Factor importante en la coagulación sanguínea (factor IV) como Ca++
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-
Interviene en la irritabilidad nerviosa, movilidad celular y exocitosis (influjo de Ca++ hacia el citoplasma). Déficit niños: raquitismo, adultos: osteomalacia.
5. Fósforo (P) - En forma de fosfato (PO4)3- constituye el principal anión del líquido intracelular. - Forma parte estructural de huesos y dientes en forma de cristales de hidroxiapatita: Ca10(PO4)6(OH)2 - Interviene en el equilibrio ácido-base al actuar como “tampón” - Interviene en las reacciones bioenergéticas (enlaces fosfato de alta energía en el ATP) 6. Magnesio (Mg) - Átomo central constituyente de la molécula de clorofila. - Interviene en la estructura ósea y dentaria. - Interviene como cofactor enzimático en la síntesis de glúcidos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos. 7. Hierro (Fe) - Átomo constituyente de la hemoglobina, mioglobina y citocromos. - Interviene en el transporte de oxigeno y CO2 (hemoglobina) - Participa en el transporte de electrones en la cadena respiratoria mitocondrial - Su déficit provoca disminución en la síntesis de hemoglobina: anemia.
8. Cobre (Cu) - Biocatalizador en la formación de hemoglobina. - Forma parte de la hemocianina : proteína que transporta oxigeno en la mayoría de los invertebrados. 9. Cobalto (Co) - Forma parte de la vitamina B12 (cobalamina), la cual es sintetizada en forma exclusiva por la fermentación bacteriana. - Su déficit genera disminución en la producción de hematíes: anemia.
10. Cromo (Cr): Regula el metabolismo de glúcidos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos.
11. Flúor (F): Favorecer el endurecimiento del esmalte dentario y huesos, previniendo las caries. El agua potable que bebemos y algunas pastas dentales están fluorizadas (Monofluorotosfato de sodio).
para
este
…………………………………………………………… …………………………… 2.
fin
12. Yodo (I) - Constituyente de las hormonas tiroideas (producidas por la glándula tiroides): triyodotironina (T3) y tiroxina (T4), estas hormonas se encargan de la aceleración del metabolismo, aumentando el consumo de oxigeno. - Su déficit en niños produce CRETINISMO: retraso mental y trastornos del crecimiento. En adultos produce BOCIO: inflamación de la glándula tiroides, con exoftalmia (glóbulos oculares salientes)
13. Azufre (S): Forma parte de proteínas celulares, pigmentos: insulina y melanina.
¿Qué bioelementos intervienen en la excitabilidad, conductibilidad y transmisibilidad del impulso nervioso?
…………………………………………………………… …………………………… 3.
¿Qué bioelementos intervienen en el mantenimiento de la estructura ósea y dentaria? …………………………………………………………… ……………………………
4.
Mencione algunos bioelementos que tengan función catalizadora:
…………………………………………………………… …………………………… PRÁCTICA DE CLASE
14. Zinc (Zn) - Participa como cofactor enzimático (activador) de enzimas que refuerzan la inmunidad y la integridad de los epitelios. - Déficit: retardo del crecimiento, dermatitis, problemas gastrointestinales, mala cicatrización de las heridas.
15. Sílice (Si): Interviene en la composición química de estructuras duras de organismos como: algas diatomeas (silíceas) que presentan frústulo (caparazón) y en las esponjas-silíceas, a nivel de sus espículas (endoesqueleto). 16. Boro (B): Su participación es importante durante la división celular, y por consiguiente en el (tejidos crecimiento de las plantas meristemáticos).
RESPONDER: 1. ¿Qué bioelementos intervienen en la regulación de la presión osmótica?
01. El elemento químico necesario para la formación de la hemoglobina es: a) Calcio b) Potasio c) Hierro d) Yodo e) Sodio 02. Son algunos de los elementos, materia prima, para constituir las sustancias orgánicas fundamentales de los organismos vivos 1. carbono 2. hidrógeno 3. oxígeno 4. sodio 5. calcio Son ciertas sólo: a) 2,3,4 b) 1,3,4,5 c) 2,3,4,5 d) 1,2,3 e) 3,4,5 03. Cuáles son elementos biogenésicos secundarios: a) calcio, fósforo, potasio, azufre b) calcio, oxígeno, fósforo, potasio c) calcio, fósforo, carbono, nitrógeno d) calcio, oxígeno, hidrógeno, sodio e) calcio, hierro, sodio, cloro 04. La presencia de Zinc como parte integrante de ciertas enzimas le confiere función: a) estructural b) catalítica c) osmótica d) antigénica e) N.a. 05. Elemento que regula la presión osmótica:
a) cobre d) manganeso
b) sodio e) Yodo
c) azufre
06. El bioelemento más abundante en la naturaleza desde el punto de vista cualitativo, es: a) oxígeno b) hidrógeno c) agua d) nitrógeno e) sodio. 07. Bioelemento que forma parte de la enzima glutatión peroxidasa: a) Azufre b) Molibdeno c) Zinc d) Yodo e) Selenio 08. Bioelemento que actúa como catalizador en la formación de hemoglobina a) Cobre b) Cloro c) Zinc d) Yodo e) Cobalto 09. Bioelemento cuyo déficit produce caries dental: a) Azufre b) Manganeso c) Magnesio d) Fluor e) Cobalto 10. Es el catión más abundante desde el punto de vista extracelular: a) Potasio b) Sodio c) Cloruro d) Azufre e) Yodo
16. Es el bioelemento representativo de las proteínas: a) carbono b) Hidrógeno c) Oxigeno d) Nitrógeno e) Fósforo 17. Bioelemento que forma parte de la molécula de clorofila: a) Cobre b) Azufre c) Seleni d) Magnesio e) Manganeso 18. Bioelemento que forma parte del pigmento negro que oscurece la piel: a) Cobre b) Azufre c) Silicio d) Selenio e) Magnesio 19. Son propiedades de los Bioelementos. Excepto: a) Son de bajo peso atómico b) Son de baja densidad c) Abundan en la naturaleza d) Forman compuestos fácilmente solubles e) Son de bajo calor específico 20. Bioelemento que forma parte del pigmento respiratorio de algunos invertebrados, llamado Hemocianina: a) Selenio b) Hierro c) Cobre d) Azufre e) Cobalto
11. Es el catión más abundante desde el punto de vista intracelular a) Potasio b) Sodio c) Cloruro d) Fosfato e) Boro 12. Es el mineral más abundante de los minerales esenciales del cuerpo: a) Yodo b) Zinc c) Cloro d) Calcio e) Molibdeno 13. Bioelemento indispensable para la contracción muscular y la coagulación sanguínea: a) Yodo b) Carbono c) Nitrógeno d) Calcio e) Magnesio 14. Es considerado como un oligoelemento a) Hierro b) Calcio c) Magnesio d) Fluor e) Carbono 15. Es el bioelemento más abundante desde el punto de vista cuantitativo a) Carbono b) Hidrógeno c) Oxigeno d) Fósforo e) Nitrógeno
BIOMOLÉCULAS Si una célula o tejido es removido de un ser vivo y luego analizado en un tubo de ensayo, se encontrará que consiste en una mezcla de sustancias “inertes” llamadas moléculas, como : agua, sales, carbohidratos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos, etc. A la que se les llama biomoléculas. Clasificación :
a. Inorgánicas : Las más importantes son : agua y sales minerales. b. Orgánicas : Son compuestos complejos de carbono : carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
EL AGUA
localicen más cerca del oxígeno que de los núcleos del hidrógeno; como consecuencia de esta disposición estructural la molécula de agua tienen cuatro esquinas con carga : dos positivas dependientes de los átomos de hidrógeno y dos negativas dependientes del átomo de oxígeno, siendo por ello una molécula polarizada o dipolo.
Es el compuesto inorgánico más abundante de los seres vivos, cuya cantidad varía según la especie, edad y los diferentes órganos. Hay especies, principalmente de vida acuática, cuyo porcentaje puede llegar hasta un 98% como en las medusas; en las esporas y semillas su porcentaje oscila entre el 10 al 20%, en el ser humano alcanza un 70%. En el ser humano el agua es más abundante en los tejidos de gran actividad como el cerebro ( 85%), esqueleto ( 46%), músculos ( 75%), cristalino (99%)
A. FORMAS DE AGUA 1. AGUA LIBRE O CIRCULANTE: Se encuentra en forma molecular en los fluidos corporales, lista para intervenir en los procesos metabólicos : SOLVENTE 2. AGUA DE IMBIBICIÓN O LIGADA: Se encuentra unida fuertemente a moléculas (proteínas) y para liberarla se necesita grandes cantidades de energía. 3. AGUA COMBINADA O METABÓLICA: Aparece en las reacciones químicas Es obtenida por algunos animales a partir de sus alimentos. “El pececillo plateado” obtiene agua a partir del metabolismo de la celulosa. Los camellos obtiene agua a partir de sus reservas de lípidos B. ESTRUCTURA DEL AGUA Formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos por enlaces covalentes, dispuestos formando un ángulo de 104,5o. Para romper estos enlaces se necesita de 110 Kcal / mol . La molécula de agua en su conjunto es neutra por tener 10 protones y 10 electrones; sin embargo por su distribución electrónica es una molécula polarizada, pues el oxígeno ejerce una fuerte atracción sobre los electrones de los átomos de hidrógeno, que hace que dichos electrones se •
•
PUENTES DE HIDROGENO O ENLACES DE HIDROGENO El carácter polar de las moléculas de agua permite la asociación de estas por atracción electrostática entre el átomo de oxígeno parcialmente negativo de una molécula de agua y el átomo de hidrógeno parcialmente positivo de otra molécula de agua; a esta fuerza de atracción se le denomina puente o enlace de hidrógeno. Cada molécula de agua puede asociarse como máximo con otras cuatro; pero estas a su vez pueden unirse a otras, formándose una red tridimensional. La aglomeración de las moléculas de agua en el hielo es regular y floja, pero a medida que se eleva lentamente la temperatura se van rompiendo los puentes de hidrógeno y el acomodamiento regular y flojo que tenía el hielo cambia a un arreglo al azar pero más compacto, originándose un aumento de la densidad del agua, alcanzando su máximo cuando su temperatura sea 4oC.
Los puentes de hidrógeno son bastantes débiles, pues tan solo se requiere de 4.5 Kcal / mol
C. PROPIEDADES DEL AGUA 1. Elevado calor específico : El calor específico es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado centígrado la temperatura de un gramo de sustancia. El calor específico del agua es aproximadamente el doble del calor específico de otros líquidos que aparecen en los seres vivos ( 1 cal ) ya que se requiere calor extra para romper los puentes de hidrógeno. 2. Elevado calor de vaporización : El calor latente de vaporización es el número de calorías necesarias para transformar en vapor un gramo de líquido. La vaporización de un gramo de agua capta 539 cal. 3. Elevada constante dieléctrica: Los electrolitos disueltos en el agua se ionizan rápidamente. El agua al ser un compuesto bipolar, tiene una alta capacidad para desestabilizar las moléculas polares (sales, ácidos, bases, etc), disolviéndolas. Las moléculas de agua desdoblan a los compuestos en aniones y cationes, rodeados de agua: Solvatación iónica. •
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4. Elevada tensión superficial : El agua es resistente a la ruptura que ofrece la superficie libre del líquido debido a las fuerzas de atracción ( cohesión ) que existen entre las moléculas de la superficie dando la impresión de que el líquido estuviera cubierto por una membrana, lo que permite que organismos livianos puedan caminar en la superficie del agua.
5. Densidad máxima a 4oC. : Las moléculas de agua presentan una variación anormal de la densidad con la temperatura. A temperaturas superiores a los 4oC. La densidad disminuye al aumentar la temperatura; aquí el agua se comporta como la mayoría de sustancias (al aumentar la temperatura la materia se dilata, la densidad baja ). Pero por debajo de los 4oC. La densidad del agua disminuye al disminuir la temperatura hasta el punto de congelación, pues su volumen aumenta, al aumentar la formación de los puentes de hidrógeno; por esta razón el hielo flota en el agua líquida. Este comportamiento es anormal en comparación con el de otros líquidos, pues la densidad de la mayoría de ellos aumenta al disminuir la temperatura, hasta que llega al punto de congelación. 6. Bajo grado de disociación : El agua se disocia como un electrolito débil, es decir muy pocas moléculas de agua se ionizan para formar iones ( H+ + OH - ) de hidrógeno respectivamente. H2O
H+ + OH -
Solo una molécula de agua de cada 551,000 moléculas de agua se encuentran disociadas.
7. Capilaridad: Capacidad del agua de ascender por tubos finos (capilares). Este ascenso es explicado por su tensión superficial también. La capilaridad contribuye al ascenso del agua en las plantas. Se debe a dos tipos de fuerzas: Cohesivas: entre moléculas de agua (puentes de hidrógeno) Adhesivas: entre moléculas de agua y el capilar. Funciones : a. Es el solvente universal : La naturaleza dipolar del agua hace que esta sea un solvente ideal para una gran variedad de sustancias, especialmente iones y sustancias polares. Normalmente se forman enlaces de hidrógeno u otros enlaces no covalentes entre las moléculas de agua y las moléculas de soluto que se le agregan. El grado de solubilidad depende de cuantos enlaces agua agua pueden romperse para ser reemplazados por enlaces soluto - agua. Los compuestos que forman fácilmente enlaces con moléculas de agua se
denominan hidrofílicos, en tanto que los que no pueden formar fácilmente enlaces de hidrógeno se denominan hidrofóbicos, siendo estos últimos poco solubles en el agua. Explicaremos como se disuelve el cloruro de sodio en el agua. Al agregar NaCl al agua, los iones Cl - y Na + se reduce y los iones se separan, una vez separados cada ión es rodeado por moléculas de agua, lo que impide que se vuelva a unir quedando la sal disuelta en el agua. Fig. 15 b. Participa en muchos procesos metabólicos, como sucede durante la digestión en la que el agua reacciona con moléculas grandes a fin de descomponerlas en otras más pequeñas. c. Confieren estructural : El volumen y forma de las células que carecen de membrana rígida se mantiene gracias a la presión que ejerce el agua interna. d. Intervienen en la termorregulación : Como resultado de su capacidad de absorver calor sin fluctuaciones apreciables de su temperatura : 1. Mantiene la temperatura corporal constante 2. Las masa de agua, sobre todo los océanos son reguladores naturales de la temperatura de la biósfera formando un medio muy estable que no sigue sino muy lentamente y a un ritmo muy atenuado las variaciones climáticas que se manifiestan rápida e intensamente en el aire y en la superficie de los continentes, el agua modera la temperatura de la tierra. e. Contribuye como lubricante en diversas regiones del organismo, pues se halla constituyendo el mucus, líquido sinovial, etc : f. Las moléculas orgánicas de gran tamaño presentes en las células pueden permanecer en el agua en suspensión y uniformemente dispersas, pudiendo hacer contacto con iones y otros compuestos e interactuar con ellos químicamente. g. La mayoría de sales en solución se ionizan y se vuelven químicamente activas h. Es un agente de transporte, pues los nutrientes en solución son llevados a las células y los productos de desecho son extraídas de ella . i. Constituyen el espacio vital de un gran número de seres vivos.
SALES MINERALES
Son compuestos disociables, que se mantienen en concentraciones constantes en los fluidos corporales, ya que peques cambios pueden ser letales. El porcentaje que se encuentra en la materia viva es de 1 a 5%.
CLASIFICACIÓN : a. Sólidas : No están ionizadas y tienen principalmente función estructural . Ej. Fosfato tricalcico que constituye la parte dura del hueso, el carbonato de Calcio que forma la concha de los moluscos. b. En Solución : Se hallan disueltas en los líquidos biológicos en muchos casos ionizados . Ej. : NaCl, bicarbonatos , fosfatos. c. Combinadas a sustancias orgánicas : forman parte de compuestos orgánicos como : fosfolípidos, proteínas, etc. FUNCIONES : a. Estabilizadora : Muchas sales disueltas tienen la propiedad de solubilizar determinadas sustancias ; así las globulinas insolubles en el agua destilada, necesitan una pequeña concentración de sal para que se disuelvan. b. Determinan el equilibrio ácido - base de la célula. c. Determinan la presión osmótica : Los valores de la presión osmótica de los líquidos corporales dependen fundamentalmente de las sales minerales que en ella se encuentran disueltas. d. Son constituyentes de enzimas, de pigmentos. e. Acciones específicas : contracción muscular, conducción del impulso nervioso, coagulación sanguínea. PRÁCTICA DE CLASE 01. ¿Cuál es el número máximo de moléculas de agua que pueden unirse en forma directa a una de ellas? a) 2 b) 3 c) 4 d) 6 e) 16 02. Los responsables de los anormalmente altos puntos de fusión y de ebullición del agua son: a) Enlaces covalente b) Puentes de disulfuro c) Puentes de Hidrógeno d) Enlaces iónicos e) Polaridad positiva de la molécula 03. Cuando el agua se congela : a) Su volumen aumenta b) Su peso aumenta c) Su densidad permanece constante
d) Su masa disminuye e) Su densidad aumenta
04. El agua: a) Se disocia como en electrolito débil b) Es una molécula polarizada c) Con elevado calor específico vaporización d) Posee 10 electrones y 10 protones e) Todas las anteriores son ciertas
y
de
05. Enlace débil es que se forma entre una esquina positiva de una molécula de agua y una esquina negativa de otra molécula de agua: a) Puentes de disulfuro b) Fuerzas electrostáticas c) Enlaces covalentes d) Puentes de hidrógeno e) Enlaces peptídicos 06. Cuando un determinado volumen de agua que esté a 4°C se enfríe, el volumen de dicho líquido: a) Aumenta, por la formación de mayor cantidad de moléculas de agua b) Aumenta, por la polarización de las moléculas de agua c) Disminuye, por la formación de mayor cantidad de enlaces covalentes d) Aumenta por la formación de mayor cantidad de puentes de hidrógeno e) Sigue igual 07. ¿Qué afirmación es incorrecta? a) La molécula de agua está formada por enlaces covalentes b) El agua es un compuesto inorgánico c) La molécula de agua presenta puentes de hidrógeno d) La molécula de agua posee 10 electrones y 10 protones e) La molécula de agua, es una molécula polarizada 08. De los siguientes enunciados, indique lo incorrecto: 1. El agua ligada se encuentra unida laxamente a las proteínas por uniones de hidrógeno 2. Las sales minerales participan en la hematopoyesis 3. Las sales minerales participan como hormonas 4. el agua humedece a las membranas para facilitar el intercambio de gases. 5. Los lípidos se almacenan en los 6tejidos adiposos a) 2 y 4 b) 1,3 y 6 c) 5 y 6 d) 3 y 5 e) N.a. 09. Respecto al agua, indique la alternativa incorrecta. a) Mantienen la temperatura corporal constante
b) el volumen y forma de las células que carecen de membranas rígidas se mantienen por la presión que ejerce el agua interna c) Constituyen el mucus, el líquido sinovial, etc. d) Tiene baja tensión superficial e) Constituye el espacio vital de un gran número de seres vivos
10. Cual es la más importante propiedad del agua en los organismos vivientes a) Regular la acidez de las soluciones b) Actúan como disolvente c) Su peso molecular d) Se combina con el Carbono para formar carbohidratos e) Proporcionar energía 11. En los siguientes enunciados: 1. Estructural 2. Estabilizadora 3. Determinan la presión osmótica 4. Son constituyentes de enzimas 5. En el plasma no están ionizadas 6. Regula el pH de las soluciones No es una función de las sales minerales: a) 2 b) 4 c) 5 d) 1 e) 6 12. Las sales de calcio son importantes para: a) La contracción muscular b) La coagulación de la sangre c) Los dientes y huesos d) Prevenir el raquitismo e) T.a. 13. Respecto al agua, una afirmación es falsa: a) Es disolvente universal b) Mantiene constante la temperatura corporal c) Proporciona calorías d) Es lubricante de los órganos e) Participa en la respiración 14. Enlace débil es que se forma entre una esquina positiva de una molécula de agua y una esquina negativa de otra molécula de agua: a) Puentes de disulfuro b) Fuerzas electrostáticas c) Enlaces covalentes d) Puentes de hidrógeno e) Enlaces peptídicos 15. Son sales minerales que tienen función estructural: a) combinadas b) en solución c) sólidas d) todas e) N.a.
