La Base de la Vida: organización, bioelementos y biomoléculas

ARUME LABS

Celso Emilio Ferreiro, 31, 32004, Ourense arumelabs@teachers.org 682 73 53 84

Niveles de organización en la materia viva

La materia orgánica* es muy compleja. No obstante, al analizarla detenidamente, se observa que está divida en niveles de organización, que están ordenados de forma jerárquica. Los primeros niveles son más sencillos, y actúan como pilares del resto:

• Nivel atómico: Conformado por átomos. No todos los elementos de la tabla periódica forman parte de la materia orgánica. Los que sí forman parte de ella, se denominan bio- elementos.
• Nivel molecular: Los bioelementos rara vez aparecen por separado. La mayoría de veces se asocian formando biomoléculas.
• Nivel celular: Las biomoléculas se asocian formando células, siendo este el primer nivel que presenta "vida propia".
• Nivel orgánico: Se corresponde con los organismos pluricelulares. Las células se asocian formando tejidos, que forman órganos. Conjuntos de órganos conforman sistemas, y es- tos constituyen organismos vivos.
• Nivel poblacional: Los organismos pluricelulares se asocian, dando lugar a poblaciones. Varias poblaciones de distintas especies dan lugar a biocenosis o comunidades (por ejemplo, un bosque, el cual está conformado por poblaciones de diversos animales, ve- getales, etc.). Una comunidad junto con las condiciones ambientales que le rodean (tem- peratura, precipitaciones, etc.) dan lugar a los ecosistemas. El conjunto de todos los eco- sistemas de la Tierra constituye la biosfera.

Bioelementos

Como dijimos anteriormente, son aquellos elementos que forman parte de los organismos vivos. Dependiendo de su abundancia se pueden clasificar en bioelementos primarios (constituyen la gran mayoría de la materia viva), secundarios (están presentes en menor cantidad en la materia viva) y oligoelementos (están presentes en la materia orgánica en porcentajes bajísimos).

Bioelementos primarios

Constituyen un 95% de la materia viva. Son el oxígeno, el hidrógeno, el carbono y el nitrógeno. En ocasiones también se consideran bioelementos primarios el azufre y el fósforo, ya que forman parte de estructuras muy importantes para la vida. Como estos dos últimos bioelementos no siempre son considerados como primarios, analizare- mos más de cerca los otros cuatro. Estos elementos tienen ciertas características que los hacen esenciales:

• Todos ellos tienen menos de ocho electrones en su capa de valencia, lo que les permite formar compuestos.
• Su pequeño tamaño permite que puedan establecer enlaces muy fuertes. 1ARUME LABS Celso Emilio Ferreiro, 31, 32004, Ourense arumelabs@teachers.org 682 73 53 84
• El carbono forma polímeros (es decir, compuestos formados por átomos de carbono en- lazados entre si mediante enlaces de tipo covalente) muy estables de diferentes tama- ños, adoptando cada átomo de carbono una geometría* tetraédrica. Estos polímeros serán la base de la materia viva.
• El nitrógeno y el oxígeno son muy electronegativos, por lo que le confieren carácter polar a los compuestos de los que forman parte. Esto es muy importante, ya que el agua es el principal medio de reacción en los organismos vivos, por lo que las biomoléculas deben ser solubles en ella, y esto solo ocurre con las biomoléculas polares (como el agua es polar, solo disuelve compuestos polares).

Cada uno de estos bioelementos tiene ciertas funciones. El C, H y O aparecen en todas las bio- moléculas en distintas proporciones. El N es un componente fundamental de los aminoácidos que constituyen las proteínas, y de los ácidos nucleicos. El P se encuentra en el ATP, fosfolípidos, etc. El S forma parte de la cisteína, un aminoácido. También se encuentra en algunas enzimas.

Bioelementos secundarios

da BS Algunos bioelementos secundarios aparecen en todos o prácticamente todos los seres vivos, tales como el calcio, que forma parte de huesos y otras estructuras rígidas como caparazones, o el cloro, el sodio o el potasio, fundamentales para mantener el equilibrio osmótico del orga- nismo. Existen otros que solo están presentes en ciertos organismos, como el bromo.

Oligoelementos

Los oligoelementos están presentes en los organismos en una proporción igual o inferior al 0,1%. Aunque existan en cantidades tan bajas, son fundamentales para la vida, y un pequeño cambio en su concentración (un aumento o una disminución) puede tener efectos fatales. Son ejemplos el hierro, que forma parte de la hemoglobina que encontramos en los glóbulos rojos (y que de hecho le confiere a estos su característico color rojo), el litio, un regulador del estado de ánimo, utilizado muchas veces en tratamientos psiquiátricos, o el flúor, que forma parte de la dentadura.

Biomoléculas

También se conocen como principios inmediatos. Pueden ser orgánicos o inorgánicos:

• Las biomoléculas inorgánicas aparecen en la materia orgánica, pero no son exclusivos de esta, es decir, también se encuentran fuera de los seres vivos. Son el agua y las sales minerales.
• Las biomoléculas orgánicas aparecen exclusivamente en la materia viva. Son las proteí- nas, los lípidos, los hidratos de carbono, y los ácidos nucleicos. 2ARUME LABS Celso Emilio Ferreiro, 31, 32004, Ourense arumelabs@teachers.org 682 73 53 84

El agua

El agua es fundamental en los organismos vivos. La mayor parte de reacciones que se dan en ellos ocurren en agua. Además, en ocasiones también participa como reactivo en las reacciones. Los diferentes organismos vivos están constituidos por diferentes cantidades de agua, y si bien el porcentaje varía, siempre es muy alto. Alrededor del 70% del ser humano es agua, si bien este porcentaje varía en función de factores como la edad, la constitución, etc. El agua se elimina del cuerpo y se renueva de forma continua y equilibrada, de manera que la cantidad de agua en el interior del organismo es más o menos constante. El agua se aporta al organismo de forma exógena (es decir, viene de fuera del organismo a través de alimentos, be- biendo, etc.) o endógena (es producida en el propio organismo a través de reacciones metabóli- cas). Por otro lado, el agua se expulsa a través de sudor, orina, etc.

Estructura del agua

El agua es un compuesto covalente molecular, cuya fórmula es H2O. Esto quiere decir que está constituida por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Tiene geometría* angular, por lo que es una molécula polar. Esto se debe a que el oxígeno atrae los electrones de los hidrógenos hacia si, debido a que es más electronegativo, y, por la geome- tría de la molécula, existe un momento dipolar neto hacia arriba, lo que convierte a la molécula en polar. Puesto que la molécula es polar, el tipo de fuerzas intermoleculares* que se establecen serían dipolo-dipolo. No obstante, la molécula está constituida por átomos de oxígeno unidos a átomos de hidrógeno, y debido a la gran diferencia de electronegatividad entre ambos elementos se establece un tipo de fuerza intermolecular especialmente fuerte conocida como puentes de hi- drógeno. Estos se dan en moléculas en las que el H está unido a O, N o F. Estos puentes de hidró- geno son responsables de muchas de las propiedades especiales del agua.

Propiedades especiales del agua

• En estado sólido ocupa un mayor volumen que en estado líquido (cosa que no ocurre con la mayoría de compuestos)
• Las moléculas de agua presentan altas fuerzas de cohesión (es decir, están bastante atraídas unas a otras) debido a los puentes de hidrógeno que forman. Esta cohesión hace que cada molécula de agua busque estar siempre rodeada del máximo número de mo- léculas de agua posible, presentando este líquido una gran elevada tensión superficial, que se define como la fuerza necesaria para aumentar la superficie de un líquido. 3ARUME LABS Celso Emilio Ferreiro, 31, 32004, Ourense arumelabs@teachers.org 682 73 53 84

Esta tensión superficial provoca que, cuando cae un poco de agua, esta tienda a formar gotas en vez de extenderse completamente sobre la superficie.

• Es capaz de adherirse fuertemente a ciertos materiales, gracias a la formación de enlaces de hidrógeno con estos. Esto provoca la formación de meniscos (forma curva que se genera en la superficie del agua cuando esta se encuentra en tubos) . Debido a esta capacidad de adhesión y cohesión, da lugar a fenómenos de capilaridad. Estos se refieren al comportamiento del agua al ser introducida en un tubo muy estre- cho, tendiendo esta a subir a través del tubo.
• El agua presenta un elevado calor específico, el cual se define como la cantidad de calor necesaria para aumentar un grado la temperatura de un gramo de sustancia. Esto se debe a que, al estar las moléculas unidas por enlaces de hidrógeno y estos ser muy fuer- tes, se necesita mucha energía para conseguir que las moléculas vibren y se dé el au- mento de temperatura.
• Se considera el disolvente universal, ya que debido a su carácter polar es capaz de disol- ver compuestos covalentes moleculares polares, y también puede disolver compuestos iónicos.
• A temperatura ambiente es líquida
• Función metabólica: Una gran parte de las reacciones que tienen lugar en los organismos vivos ocurren en agua. Además, en muchas otras, la propia agua actúa como reactivo.
• Función lubricante y amortiguadora: Mantiene hidratados los órganos (muy importante para su correcto funcionamiento) y amortigua los rozamientos en las articulaciones.
• Función transportadora: Debido a que muchas sustancias son solubles en ella, actúa como medio de transporte, llevandolas de unas partes del cuerpo a otras, e incluso ac- tuando como medio de transporte entre el exterior y el interior del organismo.
• Termorreguladora: Debido a su alto calor específico, permite que la temperatura de los organismos permanezca estable aun cuando en el exterior se producen cambios bruscos de temperatura.
• Función estructural: Da forma a aquellas células que no tienen estructuras rígidas, como las animales. 4ARUME LABS Celso Emilio Ferreiro, 31, 32004, Ourense arumelabs@teachers.org 682 73 53 84

Disoluciones acuosas

El conjunto de líquidos extracelulares de los organismos se conoce como medio interno. Cada líquido del medio interno tiene una composición determinada constante. No obstante, este equi- librio no es estático, si no dinámico. Esto quiere decir que la composición de estas disoluciones sufre modificaciones debido a las diferentes reacciones que ocurren en el organismo, pero el cuerpo tiene mecanismos que actúan rápidamente que hacen que dicha disolución vuelva a te- ner la composición adecuada. Se conoce como Sistema Disperso todo aquel en el que se encuentre una fase dispersante (que en general es el compuesto más abundante) y una fase dispersa. Los líquidos que encontramos en los organismos son Sistemas Dispersos en los que el agua es la fase dispersante y las diferentes sustancias orgánicas e inorgánicas disueltas en ella son la fase dispersa. En función del tamaño de las partículas de la fase dispersa de un Sistema Disperso encontramos dos tipos de disoluciones:

• Coloidales: Se dan cuando la fase dispersa tiene un tamaño de entre 0,2 y 0,001 um (micras).
• Moleculares: En ellas la fase dispersa tiene un tamaño menor a 0,001 um (micras).

Dispersiones coloidales

La mayoría de disoluciones orgánicas son de este tipo. La fase dispersa suelen ser fundamental- mente lípidos, proteínas y algunos polisacáridos En función de la cantidad de disolvente que haya en ellas, las podemos encontrar en estado "Sol" o "Gel". Cuando hay bastante cantidad de agua, encontramos disoluciones fluidas y poco visco- sas, siendo este el estado "Sol". El estado "Gel" se da al reducirse la cantidad de agua, la disolu- ción se vuelve viscosa y gelatinosa. Para que se dé el estado "Gel" debe haber suficiente agua para que se pueda seguir considerando que hay una disolución coloidal, ya que, en caso de haber muy poco disolvente, la fase dispersa podría precipitar o coagular, y ya no hablaríamos de una disolución. En función del estado de la fase dispersa encontramos emulsiones (cuando es líquida) y suspen- siones (cuando es sólida).

Dispersiones moleculares

El nombre puede ser engañoso, ya que ni solo las moléculas ni todas las moléculas dan lugar a este tipo de dispersiones. Así, solo las moléculas con tamaño inferior al indicado anteriormente (0,001 micras) darán lugar a dispersiones moleculares. Al mismo tiempo, los iones también darán lugar a este tipo de disoluciones. 5