Las Bases de la Vida: Niveles y Componentes Químicos en Bachillerato

Las Bases de la Vida

La vida, niveles y componentes químicos

La ciencia que estudia a los seres vivos y la vida es la Biología: (del griego Bios [bios], «vida», y -Novia [-logía], «tratado, estudio, ciencia»)

¿Y qué es la vida? No hay una definición científica concreta de lo que es la vida. Es difícil y por eso, resulta más fácil explicar las características que tienen los seres vivos:

• Los seres vivos son complejos. En su composición, organización, especificidad de procesos, relaciones ecológicas ...
• Están constituidos por unas unidades llamadas células. Una persona tiene billones. Todas las células proceden de otra célula. Virchov, en 1821 postuló "omnis cellula ex cellula". Aunque tenga uno la edad que tenga, sus células son mucho más jóvenes.
• Tienen funciones de nutrición. Los seres vivos intercambian energía y materia con el entorno.
• Tienen funciones de relación, se relacionan con el medio externo y producen respuestas. Son capaces de mantener las características de su medio interno, proceso que se denomina Homeostasis.
• Tienen funciones de reproducción y la información genética pasa a la descendencia. A veces la herencia de la información sufre cambios. Y a veces esos cambios originan que las especies evolucionen.

Organización de la materia viva en niveles

Lo extraordinario de la vida no depende de su composición química sino de su organización. Cada nivel tiene diferente escala, desde milimicras hasta incluir todo el planeta. Los niveles que organizan la vida son:

Nivel atómico y molecular, nivel celular, nivel organico o pluricelular, nivel de población, nivel de comunidad, nivel de ecosistema, nivel de Biosfera.

El nivel atómico y molecular, también denominado abiótico, es común a la materia inerte y a la viva. El resto de niveles son bióticos.

Nivel molecular: los bioelementos

Son los elementos químicos que constituyen la materia de los seres vivos.

De los aproximadamente 100 atomos que existen en la naturaleza, sólo 27 bioelementos aparecen en los seres vivos. Según su abundancia existen:

Bioelementos primarios

• Constituyen el 97-99% de la masa de las células.
• Son C, H,O,N y en menor proporción P, S.
• Tienen baja masa atómica, son no metálicos y se pueden combinar con enlaces covalentes que originan estabilidad y fortaleza. Se combinan entre sí y originan una amplia variedad de moléculas.
• El C tiene cuatro electrones en su capa de valencia por lo que se puede unir hasta con cuatro átomos o grupos funcionales diferentes mediante enlaces covalentes fuertes, en forma de tetraedro regular. Los átomos de carbono pueden unirse entre ellos mediante enlaces sencillos, dobles o triples. Es un bioelemento fundamental, ya que es el esqueleto básico de las biomoléculas orgánicas de los seres vivos, es la llamada química orgánica o química del carbono. El N aparece en proteínas, ácidos nucleicos, clorofila ... El S en muchas proteínas y enzimas. El P fosfolípidos, ácidos nucleicos. Los enalces que forman parte de los seres vivos son el covalente e iónico sin embargo tambien son fundamentales puentes de H y enlaces débiles como las fuerzas de Van der Waals para determinadas funciones biológicas.

Bioelementos secundarios

• Constituyen el 2.5-3% de la masa de la células.
• Son Ca2+, Na+, K+, Mg2+, CI" . Suelen tener forma ionica porque tienen facilidad para ganar o perder electrones. Son imprescindibles para muchas funciones. Por ejemplo Ca2+, Na+, K+ son responsables de los gradientes de membrana para la transmisión del impulso eléctrico. Mg2+ aparece en la clorofila y como catalizador en muchas reacciones químicas.

Oligoelementos

• Son aquellos elementos con funciones catalíticas que están en forma vestigial. Se presentan en un 0.1-0.5%. Su carencia y su exceso producen problemas. Fe componente de mioglobina y hemoglobina, Mn catalizador en la fotosíntesis. Cu y Zn en encimas, F en huesos y dientes.

Biomoléculas

Las biomoléculas estan formadas por la combinación de bioelementos y pueden aislarse por medios puramente físicos, como la centrifugación, la diálisis, la filtración, etc.

Suelen ser moléculas sencillas, que se repiten. Muchas son macromoléculas o polímeros formados por monómeros. Todas realizan una función que depende de su forma y tamaño característico.

Son moléculas formadas por esqueletos hidrocarbonados derivados de los hidrocarburos. Cada biomolécula está caracterizada por un grupo funcional.

Desde el punto de vista químico las biomoléculas se clasifican en :

• Orgánicas: son exclusivas de la materia viva, están constituidas por cadenas hidrocarbonadas. Son los glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
• Inorgánicas: no son exclusivas de la materia viva y tienen una estructura sencilla química. Son el agua, las sales minerales y algunos gases (CO2 y O2).

La importancia del agua

Cerca del 70 por ciento de la superficie de planeta está cubierta de agua, es el componente fundamental de los seres vivos. Y la materia viva, por término medio también contiene un 70% de agua. Puede que la vida surgiera del agua hace .

La molécula del agua, es neutra aunque es un dipolo, ya que los electrones compartidos en los enlaces covalentes están más cerca del oxígeno que del hidrógeno, formando un ángulo de 104'5º. Esta distribución hace que al agruparse varias moléculas de agua, las partes positivas son atraídas por las negativas. Se establecen unos enlaces intermoleculares llamados "puentes de hidrógeno", que son responsables de las propiedades del agua:

Propiedades del agua

• Gran poder disolvente. Las sustancias polares y compuestos iónicos son fácilmente solubles y pueden ser transportados e incorporados a las células. Se denominan sustancias hidrófilas. En cambio las moléculas hidrófobas, como las grasas y las sustancias no polares, se denominan hidrófobas. El agua es el medio de transporte de sustancias en el interior de los seres vivos. Y el medio en el que transcurren muchas reacciones.
• Capacidad para permanecer líquida en un gran rango de temperaturas, (0-100ºC)
• Alta reactividad química.
• Elevada calor específico, absorbe gran cantidad de calor sin sufrir un aumento grande de la temperatura. Actúa como amortiguador térmico.
• Elevado calor de vaporización. La evaporación de agua absorbe mucho calor, lo que permite mediante el sudor refrigerar a los seres vivos.
• Mayor densidad en estado líquido que en forma de hielo.
• Cohesión-adhesión. Consecuencia de su capacidad para establecer puentes de hidrógeno entre moléculas y adhesión al poder unirse a moléculas o superficies con cargas positivas o negativas. Esto explica por ejemplo el ascenso de la savia bruta por el xilema o el esqueleto hidrostático de los vegetales.

Las sales minerales

Los seres vivos tienen entre el 1% y el 5%. Se encuentran en disolución en el agua o en forma sólida precipitadas.

Funciones de las sales minerales

1. Las sales precipitadas tienen función esquelética o de sostén principalmente. Son insolubles. Por ejemplo fosfatos y carbonatos forman parte de esqueletos y conchas. La sílice forma parte de las algas diatomeas.
2. En disolución están disociadas como iones :Cationes: Ca+ , Na+ , K+ , Mg2+-, Aniones: Cl-, SO2- 4, PO3- 4, ... Cada uno de estos iones cumple una función metabólica, también actúan como sistemas tampón controlando las variaciones del ph y realizan una regulación osmótica.
3. Iones como el hierro forman parte de la hemoglobina.
4. El potasio aumenta la turgencia de la célula.
5. El yodo forma parte de la tiroxina.
6. Las sales minerales pueden estar asociadas a moléculas orgánicas como fosfolípidos.

El medio celular

Variaciones del ph, Los organismos no toleran variaciones de ph mayores que décimas de unidad. El medio Los seres vivos mantienen su ph en torno a la neutralidad. En las reacciones metabólicas, se producen sustancias ácidas y básicas. Los sistemas tampón impiden variaciones moderadas del ph. Los sistemas tampón están constituidos por sales que al ionizarse pueden contrarrestar el efecto de ácidos o bases. Los principales tampones biológicos son el tampón bicarbonato y el tampón fosfato.

El medio celular está constituido por disoluciones, con sales minerales y pequeñas moléculas orgánicas como monosacáridos o aminoácidos. También por dispersiones coloidales enlas que se encuentran la mayoría de las grandes moléculas orgánicas de los seres vivos como las proteínas, polisacáridos o ácidos nucleicos.

Regulación osmótica

Ósmosis : Tipo de difusión pasiva, en la que el AGUA (disolvente) pasa a través de una membrana semipermeable (membrana plasmática) desde la solución más diluida (HIPOTÓNICA) a la más concentrada (HIPERTÓNICA). Las células mantienen una presión osmótica constante gracias a las sales minerales. Para ello mantienen la solución exterior (fluido extracelular) con la misma concentración salina del interior (líquido intracelular); se dice que ambas concentraciones son ISOTÓNICAS (misma concentración = misma presión osmótica).

Célula vegetal

• se encuentra en un medio hipertonico, el agua tenderá a salir y puede deshidratarse y morir: plasmólisis.
• En medio isotónico: no se producen alteraciones.
• En medio hipotónico: el agua pasa al interior de la célula y la hincha sin estallar debido a la pared de celulosa: turgescencia.

Célula animal

• Se encuentra en un medio hipertónico: se produce retracción, puede llegar a morir.
• En medio isotónico: no sufrira alteraciones.
• En medio hipotónico: puede estallar, se produce la lisis.

Glúcidos

Qué son los glúcidos

Biomoléculas constituidas por C, H, O.

• En general su fórmula empírica es (CH2O)n.
• Son polialcoholes con un grupo aldehído o cetona.
• Ejemplos: Glucosa, ribosa, desoxirribosa, sacarosa, maltosa, almidón, glucógeno, celulosa, quitina, glucolípidos ...

Clasificación de los glúcidos

1. Monosacáridos : poseen de 3 a 7 C en su molécula
2. Disacáridos.
3. Polisacáridos.

Monosacáridos

• Son las unidades básicas.
• Poseen propiedades reductoras
• Tienen de 3 a 7 Carbonos en su molécula, triosas, tetrosas, pentosas, hexosas, heptosas. H O C H-C-OH H-C-OH H-C-OH CH2OH ribose

Composición química

Cada átomo de Carbono de la cadena está unido a un grupo alcohol (por eso se dicen que los monosacáridos son polialcoholes), excepto un Carbono que está unido a un grupo carbonilo:

El grupo carbonilo puede ser -CHO aldehído o -CO- cetona.

Aldosa: glúcido monosacárido cuyo grupo carbonilo es un grupo aldehído. Cetosa: glúcido monosacárido cuyo grupo carbonilo es un grupo cetona.

Propiedades químicas

• No hidrolizables.
• Muy solubles.

Propiedades físicas

• Son blancos, de sabor dulce, sólidos y cristalizan al evaporarse el soluto.
• Presentan Isomeria: los isómeros son compuestos con igual fórmula molecular, pero distinta estructural.Hay isómeros de función (diferente grupo funcional) y esteroisómeros (se diferencian en la posición espacial de sus átomos).

Representación de monosacáridos

Forma de cadena abierta. Forma cíclica

• En disolución acuosa el grupo aldehído o cetona puede reaccionar con un grupo hidroxilo de la misma molécula dando una estructura cíclica. H