La base química de la vida: enlaces, bioelementos y biomoléculas

La Base Química de la Vida

P Raúl Alba Todos los seres vivos están formados por una o más células, formadas a su vez por moléculas de muchos tipos diferentes. Sus moléculas están formadas por átomos y estos átomos no son especiales, sino que forman parte de la tabla periódica de los elementos y se encuentran también en la materia inerte. Es la forma y las proporciones en que se unen esos elementos lo que hace especial a la materia que forma los seres vivos, llegando a formarse moléculas exclusivas, que no aparecen fuera de los seres vivos. Para entender la forma en que se organiza y funciona la materia viva es importante conocer los elementos químicos y moléculas que la integran y las uniones que se pueden establecer entre ellos.

Los Enlaces Químicos

• Son uniones entre átomos (y entre moléculas) generadas por fuerzas de atracción. Fuertes: COVALENTE - IONICO (entre átomos). Débiles: ENLACE DE HIDRÓGENO - VAN DER WAALS (fuerzas intermoleculares).
• El tipo de enlace depende de la diferencia de electronegatividad entre los átomos que se enlazan.
• Electronegatividad: Fuerza de un átomo para atraer electrones (de un enlace con otro átomo) hacia él.
• ENLACE IÓNICO. Entre átomos con electronegatividades opuestas: uno es muy electronegativo y el otro tiene una electronegatividad muy baja. Un átomo tendrá entonces mucha tendencia a ganar electrones y el otro a perderlos > se transfieren electrones de uno al otro > se forman iones + y - > se establece una atracción electrostática. e NaCl Na+Cl- moléculas
• No se forman moléculas sino agregados iónicos en redes cristalinas de extensión indefinida.
• ENLACE COVALENTE. Entre átomos con alta electronegatividad.
• No hay transferencia de electrones de un átomo al otro, ninguno de los átomos gana electrones del otro, sino que se comparten los electrones del enlace. Cada átomo atrae (por su alta electronegatividad) a un electron del otro y estos dos electrones constituyen ahora un par compartido (par representado como -) por los dos átomos, que se mantendrán unidos por la atracción de los núcleos sobre los dos electrones del par, lo que supone la formación de un enlace. 1e -Apolar: Entre átomos iguales. H2 H-H +1 Wikimedia H:H H - H ·H 2e O2 O=O Cl2 Nonpolar -Polar: Entre átomos diferentes. HCl H -Cl El átomo más electronegativo atrae más a los electrones del enlace, dando lugar a una carga parcial (8) negativa en ese δ- 8+ Polar atomo y una positiva en el otro. La molecula es entonces polar, un dipolo. H-ČI 8 -
• FUERZAS INTERMOLECULARES: Atracciones entre moléculas covalentes polares, dipolos, por fuerzas electrostáticas. δ - + δ δ - E1 H E2 K
• Gracias a ellas, no todas las sustancias son gases.

1. Enlaces de hidrógeno: Entre un átomo electronegativo y un H8+ átomo de H unido a otro átomo muy electronegativo (como O, F o N). Responsables de la gran cohesión interna del agua líquida y de muchas otras de sus propiedades. H&+ 1 OmWITH-OS /8- 8- 8++ H St Polar Bears 1P Raúl Alba
2. Fuerzas de Van der Waals: El resto de combinaciones posibles: entre dipolos no formados por H enlazado a O, F o N. Muy débiles. Responsables de fenómenos como la adhesión, el rozamiento, la difusión, la tensión superficial y la viscosidad y de las uniones enzima-sustrato y antígeno-anticuerpo. -Fuerzas dipolo-dipolo: Entre dipolos permanentes. HCl···HCl [A veces, se incluyen aquí los puentes de H]. -Fuerzas de dispersión: Entre dipolos instantáneos debidos a variaciones al azar en la distribución de las cargas, que se dan en todas las moléculas, polares o no. Cl-Cl δ + Cl-Cl + δ 18- 8 + - Cl2 Cl2 δ

Los Bioelementos

Elementos químicos que forman parte de los seres vivos.

• Son unos 70, de los cuáles, unos 25 son comunes a todos.
• Se combinan formando biomoléculas o principios inmediatos.
• Tres grupos por su abundancia: primarios - secundarios - oligoelementos. 11 suponen un 99% del peso total

Bioelementos Primarios

C - H - O - N -S -P

• Constituyen ellos solos un 96 % de la materia viva, de la masa de las células. ¿DÓNDE SE ENCUENTRAN? .C, H, O están presentes en todas las biomoléculas orgánicas. ·N es fundamental en proteínas y ácidos nucleicos. ·S en muchas proteínas. ·P en ácidos nucleicos, fosfolípidos, ATP, esqueletos.
• CARACTERÍSTICAS: ·Capaces de establecer enlaces covalentes. · Masa atómica baja > enlaces fuertes > moléculas estables. EL ÁTOMO DE CARBONO -Puede unirse hasta con 4 átomos (o grupos funcionales) por enlaces covalentes fuertes > moléculas de gran estabilidad y variedad tridimensional. -Puede formar cadenas "hidrocarbonadas" (átomos de H unidos a los átomos de C) largas, ramificadas y cíclicas. C H H H -Los enlaces sencillos se disponen en forma de tetraedro. -Puede establecer enlaces sencillos, dobles y triples con otros átomos. Los más frecuentes son los enlaces sencillos y los dobles (con O, N y C). H H C H 0 =- N-H = 1 NH H NH HỌCŚ 2 Polipéptido en el que se pueden ver cadenas hidrocarbonadas ramificadas y cíclicas. Los átomos de C pueden representarse como simples puntos de unión. Los átomos de H pueden no representarse. H -P Raúl Alba

Bioelementos Secundarios

Na+ - Ca2+ - K+ - Mg2+ - Cl-

• Suelen aparecer en forma iónica.
• En el medio celular en proporciones bajas, a veces por debajo del 0,1 %. ¿DÓNDE SE ENCUENTRAN? · Na+, K+ responsables del potencial de membrana, del impulso nervioso y del equilibrio osmótico (junto con el Cl-). · Ca2+ interviene en el impulso nervioso, la contracción muscular y la coagulación sanguínea. Estructuras esqueléticas en forma de CaCO3. · Mg2+ en la clorofila y formando parte de enzimas.

Oligoelementos

Fe - Mn - Cu - Zn - Co - I - F ...

• Presentes siempre por debajo del 0,1 %.
• Fe en hemoglobina y mioglobina.
• Cu y Zn en enzimas.
• I en tiroxina.
• F en dientes.

Las Biomoléculas

Moléculas constituyentes de los seres vivos, formadas por la combinación de bioelementos.

• CLASIFICACIÓN:

1. Inorgánicas: No exclusivas de los seres vivos. Estructura sencilla. Agua - Sales minerales - Gases (O2, CO2)
2. Orgánicas: Exclusivas de la materia viva. Formadas por cadenas de C e H (cadenas hidrocarbonadas). Glúcidos - Lípidos - Proteínas - Ácidos nucleicos La mayoría son macromoléculas (grandes moléculas). Muchas son polímeros: formadas por la unión de moléculas sencillas (monómeros, de los que hay unos 30 diferentes) mediante procesos de polimerización. Monosacáridos > Glúcidos Aminoácidos > Proteínas Nucleótidos > Ácidos nucleicos GRUPOS FUNCIONALES MÁS COMUNES EN LAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS Hidroxilo: - OH > alcoholes-C-OH (ej. en glúcidos, glicerina) - Carbonilo: C=0 > aldehídos C -H y cetonas C= O (ej. en glúcidos) O I )- Carboxilo: C -COOH -COO- > ácidos carboxílicos (ej. en ácidos grasos) OH Amino: - NH2 NH > aminas (ej. en aminoácidos) 34. EL AGUA

Estructura del Agua

-Molécula formada por un átomo de oxígeno unido a dos de hidrógeno mediante enlaces covalentes en ángulo de 104,5°. WATER IS A POLAR MOLECULE Raúl Alba O 8- 8 8+ H 104.5° -Aunque su carga eléctrica es neutra, es una molécula polar: 20- en O y 10+ en cada H. Por ello, se establecen enlaces de hidrógeno, entre las cargas parciales positivas y negativas de moléculas diferentes (cada molécula hasta con otras 4) > estructura reticular en el agua líquida, con gran cohesión interna.

Propiedades y Funciones Biológicas del Agua

-Al ser una molécula polar, posee ciertas propiedades fisicoquímicas, lo que deriva en importantes funciones biológicas.

1. GRAN PODER DISOLVENTE: Es el disolvente universal por su polaridad, que le permite establecer enlaces de hidrógeno con compuestos iónicos y con moléculas que tienen grupos polares. -Sustancias hidrofílicas (o polares): Son solubles en agua porque establecen, en la mayoría de los casos, puentes de H entre sus moléculas y las del agua. (ej. azúcar, amoniaco, alcoholes). -Sustancias hidrofóbicas (o apolares): No se disuelven en agua (grasas). Funciones resultantes: -Medio de transporte de muchas sustancias en el interior de los seres vivos, por ejemplo, para la incorporación de nutrientes a las células y para la eliminación de sustancias de desecho. -Soporte de muchas reacciones del metabolismo: el agua no interviene, pero constituye el seno en el que se encuentran y reaccionan los reactivos.
2. CALOR DE VAPORIZACIÓN ELEVADO: Energía (calor, cal) absorbida por un líquido (1 g) para pasar a gas sin variar su temperatura. Elevado en el agua porque se necesita mucha energía para romper los enlaces de hidrógeno. Funciones resultantes: -Efecto refrigerante al evaporarse > control de la temperatura corporal por el sudor.
3. CALOR ESPECÍFICO ELEVADO: Calor necesario para aumentar 1 g de una sustancia en 1 ºC su temperatura. En el agua, parte de la energía calorífica absorbida se emplea en romper los puentes de hidrógeno y solo una pequeña parte queda disponible para elevar la temperatura (energía cinética de las moléculas), por lo que la temperatura del agua aumenta (o disminuye) lentamente al absorber (o al perder) calor. Funciones resultantes: -Amortiguador térmico: la temperatura corporal varía poco, aunque varie la temperatura ambiental.
4. COHESIÓN Y ADHESIÓN ELEVADAS: Alta cohesión (atracción entre sus moléculas) por los puentes de hidrógeno y elevada adhesión para unirse a cualquier molécula o superficie con cargas positivas o negativas. Funciones resultantes: -Capilaridad > Ascenso de savia bruta de la raíz a las hojas, drenaje de lágrimas. -Tensión superficial -> Desplazamiento de pequeños insectos sobre el agua. -Incompresibilidad > Esqueleto hidrostático. Ej. turgencia de las células vegetales, que da consistencia a la planta. 4 P H 8+PA Raúl Alba
5. REACTIVIDAD QUÍMICA: El agua es un potente reactivo químico al disociarse en iones, capaces de romper enlaces moleculares (hidrólisis). Funciones resultantes: -Hidrólisis. Ruptura de enlaces moleculares por el agua, en muchas reacciones donde se necesita romper ciertas moléculas. H O + A H 2H2 O HO - + H30+
6. MENOR DENSIDAD EN FORMA DE HIELO QUE LÍQUIDA: La estructura reticular del hielo es más amplia que en el agua líquida al establecer cada molécula cuatro puentes de hidrógeno con otras cuatro > moléculas más separadas > menor densidad. Funciones resultantes: -En una masa de agua (lago, mar), el agua congelada flota y forma, en la superficie, una capa que aísla térmicamente del medio al resto de la masa, impidiendo que se congele todo su volumen.

Las Sales Minerales

-En los seres vivos se encuentran en dos formas: sólidas y en disolución.

Sales Minerales Sólidas

-En los seres vivos se encuentran en dos formas: sólidas y en disolución. 5.1. SALES MINERALES EN FORMA SÓLIDA: originan estructuras esqueléticas y de sostén, como:

• Ca3(PO4)2 en los huesos de los vertebrados.
• CaCO3 en esqueletos y conchas de crustáceos, corales y moluscos, en espículas de algunas esponjas y en las espinas de los erizos de mar.
• SiO2 en espículas de algunas esponjas, tallos de gramíneas y caparazón de diatomeas.

Sales Minerales en Disolución

5.2. SALES MINERALES EN DISOLUCIÓN: disueltas en agua en forma de iones.

• Aniones: cloruro, bicarbonato, fosfato, nitrato.
• Cationes: Na+, K+, Ca2+, Fe2+ ...
• Intervienen en procesos como el mantenimiento del potencial de membrana (Na+ y K+) la transmisión del impulso nervioso (Na+, K+, Ca2+) la contracción muscular (Ca2+) y en sistemas tampón (control del pH: tampón bicarbonato y fosfato). Otros actúan como cofactores de enzimas (Mg2+). Mantienen el equilibrio osmotico celular (Na+, K+ y Cl-) y neutralizan las cargas de las macromoléculas. 5 H +