Unidad 4 – Composición química de los seres vivos.

Bioelementos

Un elemento es una sustancia que no puede descomponerse en otras sustancias mediante reacciones químicas.

Un compuesto es una sustancia que se compone de dos o más elementos diferentes combinados en una relación fija.

Alrededor de 25 de los 93 elementos son esenciales para la vida. Cuatro de estos (carbono (C), oxígeno (O), hidrógeno (H) y nitrógeno (N)) componen el 96% de la materia viva. El fósforo (P), azufre (S), calcio (Ca) y el potasio (K) constituyen el 4% restante.

Estos elementos se dividen en:

Biomoléculas

Inorgánicas

Agua

• Esta biomolécula hace posible la vida. La vida en la tierra comenzó en el agua y evolucionó allí.
• La vida actual, incluso la terrestre pertenece ligada al agua. Todos los organismos vivos la necesitan para vivir.
• Las moléculas de agua participan en muchas reacciones químicas necesarias para sustentar la vida. La mayoría de células están rodeadas de esta molécula y las células en sí están compuestas por ellas.

Estados en los que se encuentra en la naturaleza:

• Sólido
• Líquido
• Gaseoso

El volumen de agua en la Tierra: 1500 millones de km³, de los cuales 97% es agua salada y 3% agua dulce.

Estructura

Sus dos átomos de hidrógeno se unen a un átomo de oxígeno (H₂O) mediante enlaces covalentes polares.

Es una molécula polar, lo que quiere decir que los extremos opuestos de la molécula tienen cargas opuestas. La parte del O es negativa y la del H es positiva.

El hidrógeno levemente positivo es atraído por el oxígeno que es levemente negativo de una molécula cercana. Así se forman los enlaces de hidrógeno.

Propiedades del agua

• Es un solvente versátil. 
  • La capacidad solvente del agua se debe a la polaridad de las moléculas de agua. Las moléculas polares de agua tienden a separar sustancias iónicas.

• Solución es una mezcla uniforme de moléculas de dos o más sustancias (solvente y solutos).

• Muchas de las moléculas unidas covalentemente tienen regiones de carga parcial + o -.

• Moléculas polares: hidrofílicas

• Moléculas sin regiones polares (grasas): hidrofóbicas, insolubles en agua.

• Imbibición (absorción): Capacidad de penetración capilar de sus moléculas.

• Tiene un calor de vaporización alto: 100 ºC.

• Amortiguadoras (buffers): Ayudan a mantener constante el pH por su tendencia a combinarse con Hidrógeno y eliminarlos de la solución (cuando la concentración se eleva), y liberarlos (cuando desciende).

• Ionización.

• Capilaridad.

• Tensión superficial elevada: Resultado de la cohesión y de la adhesión mutua entre las moléculas de agua.

• Cohesión: atracción que tienen las moléculas por otras de su mismo tipo, y las moléculas de agua tienen fuerzas cohesivas fuertes gracias a su habilidad para formar puentes de hidrógeno entre ellas.

• Adhesión: atracción de moléculas de un tipo por moléculas de otro tipo, y para el agua puede ser bastante fuerte, especialmente cuando las otras moléculas tienen cargas positivas o negativas.

• Tensión superficial: dificultad para romper o estirar la superficie de un líquido. 

Funciones del agua en los seres vivos

• Transportador de sustancias. 

• Elimina residuos.

• Regula la temperatura.

• Disuelve sustancias: facilita las reacciones químicas del organismo y la capilaridad le permite transportarlas hacia arriba y a través de los tejidos vivos.

• Participa en el metabolismo:hidrólisis, fotosíntesis.
  • Hidrólisis: una reacción química entre una molécula de agua y otra macromolécula, en la cual la molécula de agua se divide y rompe uno o más enlaces químicos y sus átomos pasan a formar unión de otra especie química.
  •  Fotosíntesis: conversión de materia inorgánica a materia orgánica gracias a la energía que aporta la luz del sol.

• Sirve de hábitat a una gran parte de los organismos.

Electrolitos

Da lugar a la formación de iones y permiten que la energía eléctrica pase a través de ellos y conduzcan la electricidad. 

Se clasifican en:

• Fuertes: se ionizan completamente o casi completamente. La reacción es irreversible.                            Los ácidos inorgánicos como HNO₃, HClO₄, H2SO4, HCl, HI, HBr, HClO, HBrO₃, los hidróxidos alcalinos y alcalinotérreos y la mayoría de las sales.
• Débiles: Están solo parcialmente ionizados. La reacción es reversible.                                                  Muchos ácidos inorgánicos como H2CO₃, H₃BO₃, H₃PO₄, H₂S, H₂SO₃, la mayoría de los ácidos orgánicos y, Amoniaco y la mayoría de las bases orgánicas.

Cuando una sustancia iónica se disuelve en solventes polares se forman “iones” en un proceso de “ionización”. Un "ion" es, por tanto, un átomo o grupo de átomos con carga eléctrica residual positiva o negativa (no neutros).  Si el proceso no es completo, es decir que la disolución es parcial, se establece un equilibrio dinámico entre reactivos y productos, es decir, entre las sustancias y los iones disueltos, llamado “equilibrio iónico”.

Ácidos y Bases 

Características:

         Ácidos:

• Son compuestos que tienen un sabor agrio típico, llamado sabor ácido.
• Producen una sensación punzante en contacto con la piel.
• Sus disoluciones acuosas cambian el color de muchos colorantes vegetales; por ejemplo, producen un color rojo con el tornasol (azul).
• Contiene hidrógeno que puede liberarse, en forma gaseosa, cuando a sus disoluciones acuosas se añade un metal activo, como, por ejemplo, cinc.
• Disuelven muchas sustancias.
• Cuando reaccionan con hidróxidos metálicos, pierden todas sus propiedades características.        
  
  Bases:
• Tienen sabor amargo característico.
• Sus disoluciones acuosas producen una sensación suave (jabonosa) al tacto.
• Sus disoluciones acuosas cambian el color de muchos colorantes vegetales; por ejemplo, devuelven el color azul al tornasol enrojecido por los ácidos.
• Precipitan muchas sustancias que son solubles en los ácidos.
• Pierden todas sus propiedades características cuando reaccionan con un ácido.
  
  
  
  Potencial de Hidrógeno: pH.

Es una medida de acidez o alcalinidad de una disolución. El pH indica la concentración de iones de hidrógeno presentes en determinadas disoluciones.

Definimos el pH de una solución como el logaritmo de la inversa de la concentración de iones Hidrógeno.

Sales minerales

 Pueden encontrarse como sales precipitadas y sales disueltas.

•  Sales Precipitadas : tiene una función estructural que da consistencia a huesos y caparazones. 

• Sales disueltas: origina cationes y aniones con importantes funciones reguladoras como: 

• Control del pH.
• Contracción muscular.
• Transmisión del impulso nervioso.
• Mantenimiento del equilibrio hídrico.

Orgánicas

Son moléculas que tienen un esqueleto de carbono y contiene algunos átomos de hidrógeno.

El carbono

Está en todos los compuestos orgánicos y en el dióxido de carbono.

Describe un ciclo, en el cual se mueve entre el dióxido de carbono del aire y los compuestos orgánicos que forman los tejidos

Durante la fotosíntesis, los autótrofos captan el dióxido de carbono del aire y producen los azúcares. Los heterótrofos se alimentan de los autótrofos y obtienen así sus compuestos orgánicos.

¿Por qué el carbono es importante en las biomoléculas?

Tiene cuatro (4) electrones en su capa más externa, en la cual caben ocho (8).

Por ello se estabiliza compartiendo 4 electrones con otros átomos para formar hasta 4 enlaces covalentes sencillos o un número menor de enlaces covalentes dobles o triples.

Las moléculas que poseen muchos átomos de carbono pueden asumir formas complejas como cadenas, ramificaciones y anillos, lo cual da posibilidades de una extraordinaria diversidad de moléculas.

Grupos funcionales

Grupos de átomos unidos a la cadena de Carbono que determinan las características y la reactividad química de las moléculas:

Los átomos de C pueden formar largas cadenas hidrocarbonadas

Hidratos de carbono

Incluyen tanto los azúcares como los polímeros de los azúcares.

Los más simples son los monosacáridos o azúcares simples. Los disacáridos son azúcares dobles, que se componen de dos monosacáridos unidos mediante una reacción de condensación. Los hidratos de carbono que son macromoléculas son polisacáridos, polímeros compuestos por muchos componentes químicos de azúcar.

Fuente de Hidratos de carbono

          CLASE                           SUBGRUPO                           COMPONENTES                    EJEMPLOS

Monosacáridos 

Están formados por cadenas de 4 (tetrosas) y 5 (pentosas) o 6 (hexosas) átomos de carbono. Pentosas y hexosas tienden a formar moléculas cíclicas en disolución acuosa.

Pueden ser aldosas o cetosas, de acuerdo con la ubicación de grupo carbonilo.

Disacáridos

Se componen de dos monosacáridos unidos mediante una unión glucosídica. Un enlace covalente formado por dos monosacáridos mediante una reacción de deshidratación. Al formarse el enlace se libera una molécula de agua.

Los más comunes son la sacarosa, la maltosa y la lactosa.

Maltosa

 glucosa a + glucosa b

Sacarosa

  glucosa + fructosa

Lactosa

    galactosa + glucosa

Celobiosa

Polisacáridos

Son macromoléculas, polímeros con unos cientos a miles de monosacáridos unidos por uniones glucosídicas. Algunos polisacáridos sirven como material de almacenamiento. Otros como material para estructuras que protegen a las células o a todo el organismo.

Pueden ser lineales como la celulosa y la quitina o ramificados como el almidón y el glucógeno.

Polisacáridos de  almacenamiento

El almidón es un polisacárido de almacenamiento de las plantas, es un polímero que se compone en su totalidad en monómeros de glucosa. La mayoría de estos monómeros están unidos mediante uniones del carbono 1 al 4 (1-4).La forma más simple del almidón, amilasa, no está ramificada. La amilopectina, una forma más compleja del almidón  es un polímero ramificado con uniones 1-6.

Los animales almacenan un polisacárido llamado glucógeno, un polímero de glucosa que es similar a la amilopectina pero que está más ramificado. Los seres humanos y otros vertebrados lo almacenan principalmente en sus células hepáticas y musculares.

Polisacáridos estructurales

La celulosa es el componente  principal que componen las paredes de las células vegetales. Es un polímero de b glucosa.

La quitina es otro polisacárido estructural, es utilizada por los artrópodos para construir sus exoesqueletos. La quitina pura es blanda pero cuando se recubre con carbonato de calcio (una sal) se endurece. También está presente en algunos hongos que utilizan la quitina en vez de la celulosa para sus paredes. Es similar a la celulosa excepto en que el monómero de la glucosa de la quitina tiene un apéndice que contiene nitrógeno.

Celulosa

Quitina

Lípidos

Los lípidos se agrupan juntos porque todos tienen poca o ninguna afinidad con el agua. Este comportamiento hidrófobo se debe a su composición molecular.

Pueden tener enlaces polares asociados al oxígeno, los lípidos se componen sobre todo de hidrocarburos.

Grasas

Son moléculas grandes y se ensamblan a partir de moléculas más pequeñas mediante la deshidratación. Se forman a partir de dos tipos de moléculas: glicerol y ácidos grasos.

La principal función de estas es la acumulación de energía, además de esta función los tejidos adiposos amortiguan a los órganos.

Al constituir una grasa, tres moléculas de ácidos grasos se unen, cada una, al glicerol mediante un enlace éster, un enlace entre el grupo hidroxilo y el carboxilo. La grasa resultante (triacilglicerol/triglicéridos) está compuesta por tres ácidos grasos unidos a una molécula de glicerol.

• Glicerol: alcohol de tres carbonos, cada uno de los cuales lleva un grupo hidroxilo.

• Ácido graso: tiene un esqueleto largo de carbono, generalmente de 16 o 18 átomos de C. En un extremo del ácido graso hay un grupo carboxilo, unido al grupo carboxilo hay una larga cadena hidrocarbonada. Los enlaces C      H en esta cadena son la razón por la cual las grasas son hidrófobas.

Los ácidos grasos varían en longitud y el número y la ubcación de sus dobles enlaces.

Se clasifican en:

• Saturadas: no tienen dobles enlaces entre los átomos de carbono que componen la cadena.        Abundan en animales y suelen ser sólidas a temperatura ambiente.
• Insaturadas: tiene uno o más enlaces, formados por la eliminación de átomos de hidrógenos del esqueleto de carbono. Son los aceites vegetales, líquidos a temperatura ambiente.

Ceras

Son semejantes a las grasas, en vez de tener un trialcohol tiene un monoalcohol de cadena larga.

Fosfolípidos

Tiene solo dos ácidos grasos unidos al glicerol. El tercer grupo hidroxilo está unido a un grupo fosfato, que tiene una carga eléctrica negativa.

Sus colas de hidrocarburos son hidrófobas. El grupo fosfato forma una cabeza hidrófila. La cabeza hidrófila de estas moléculas apunta hacia el exterior de la bicapa, las colas hidrófobas se encuentran hacia el interior.

La función de estas bicapas fosfolipídicas es delimitar la célula entre su interior y el medio externo.

Esteroides

Son lípidos que se caracterizan por un esqueleto de carbono formado por cuatro anillos fusionados. Son insolubles en agua.

Los esteroides incluyen compuestos como el colesterol, la vitamina D y  algunas hormonas como las sexuales.

Vitamina D₃                                                              Vitamina D₂

Proteínas 

Compuestas por aminoácidos.

Algunas proteínas aceleran reacciones químicas, otras participan en el sostén estructural, el almacenamiento, el transporte, las comunicaciones celulares, el movimiento y la defensa contra sustancias extrañas.

Aminoácidos 

Son moléculas orgánicas portadoras de grupos carboxilos y amino.

Polipéptidos

Todas las proteínas son polímeros sintetizados de a partir de un conjunto de 20 aminoácidos. Los polímeros de aminoácidos se denominan polipéptidos. Una proteína se compone de uno o más polipéptidos enrollados y plegados en conformaciones específicas.

Monómeros de aminoácidos

En el centro del aminoácido se encuentra un átomo de carbono asimétrico denominado carbono alfa (a)