1. biología: la materia viva

Jonathan Morales Matarev: 27062013

1. La materia vivaBioelementos y biomoléculas inorgánicas

• GUIÓN CONTENIDOS:• 1. LA VIDA Y SUS NIVELES DE ORGANIZACIÓN• 2.ESTUDIO DE LA COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA MATERIA VIVA:• LOS BIOELEMENTOS Y LAS BIOMOLÉCULAS• 3. LOS BIOELEMENTOS• 4. LAS BIOMOLÉCULAS:• 4.1. Biomoléculas inorgánicas• A). Agua• B). Sales minerales• 4.2. Biomoléculas orgánicas• A). Glúcidos• B). Lípidos• C). Proteínas• D). Ácidos nucleicos: ADN y ARN

1. La vida y sus niveles de organización.

Características de los seres vivos Características: Complejidad de los seres vivos

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Características: CapacidadFunciones vitales Nutrición celular

Reproducción celular Relación

Esquemas:

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Función de relación Función de reproducción

Niveles de organización de la materia viva:Son los diferentes grados de complejidad en los que se organiza la materia viva.

En cada nivel los elementos que los forman se organizan y forman otro nivel máscomplejo con nuevas características y propiedades que se llaman emergentes.

El lento proceso de la evolución se puede describir como la adquisición de niveles decomplejidad creciente.

Esquema resumen:

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Niveles de organización biológica

Nivel atómico:Incluye las partículas subatómicas (protones, neutrones, electrones...) y los átomos como O, N,S, P...

Nivel molecular:Está formado por moléculas, macromoléculas, complejos supramoleculares y orgánuloscelulares.

Nivel celular:Célula procariota o eucariota.

Nivel orgánico:Tejidos, órganos, aparatos y sistemas, organismos.

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Nivel de individuo.

Nivel de población:Conjunto de individuos de la misma especie.

Nivel de comunidad:Conjunto de poblaciones.

Nivel de ecosistema:Conjunto de seres vivos que viven en un lugar determinado y las relaciones que establecenentre ellos y con el medio.

Nivel de biosfera:Conjunto de ecosistemas acuáticos y terrestres.

Estudio de la composición química de los seres vivos.

Bioelementos: Forman parte de los seres vivos. A partir de ellos se forman las biomoléculas. Se clasifican según la proporción en que aparecen:

Primarios: C, H, O, N, S, P Secundarios: Na+, K+, Ca++, Mg++, Cl Oligoelementos: Fe, Zn, Li, I, Co...

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Los bioelementos y su posición en la tabla periódica.

* Se han identificado unos 70elementos químicos en los seresvivos.

* 25 de ellos se encuentran entodos los seres vivos enproporciones distintas, aparecenen la parte superior de la tabla.

Bioelementos primarios: Los más abundantes: 99% del total de la masa de un ser vivo. Son el C, H, O, N, S, P Los más abundantes los 4 primeros. El P forma parte de ácidos nucléicos, fosfolípidos, huesos, dientes, etc... El S forma parte de algunas proteínas.

Los elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre y en los seres vivos (en % en peso):

Elementos Corteza (%) Elementos Seres vivos (%)

Oxígeno 47 Oxígeno 63 %

Silicio 28 Carbono 20 %

Aluminio 8 Hidrógeno 9,5 %

Hierro 5 Nitrógeno 3 %

Características de los bioelementos primarios: Se encuentran en las capas más externas de la tierra. Pueden formar enlaces covalentes. Tienen pesos atómicos bajos que hace que formen moléculas muy estables. Pueden compartir más de un par de e y formar dobles y triples enlaces.

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El enlace covalente: Los átomos que constituyen las moléculas orgánicas están unidos entre sí mediante

enlaces covalentes. Este enlace se forma cuando átomos del mismo o diferente elemento comparten

electrones para poder completar su última capa. Los electrones que puede compartir un átomo para completar su última capa los

llamaremos electrones de valencia. Los enlaces covalentes se representan mediante una raya que simboliza el par de

electrones. Los enlaces covalente son muy resistentes en medio acuoso.

El átomo de carbono tiene 4electrones en su última capa. Esta capa se completa con 8

electrones.

Es por esto que el carbonotiene cuatro electrones devalencia y puede formar

cuatro enlaces covalentes.

Enlaces covalentes simples, dobles y triples. Enlace covalente simple: Cuando un átomo comparte con otro dos electrones, uno de

cada átomo. Enlace covalente doble: Cuando un átomo comparte con otro cuatro electrones dos

de cada átomo. Enlace covalente triple: Cuando un átomo comparte con otro seis electrones, tres de

cada átomo.

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Propiedades del carbono (importante):1. Es el bioelemento más importante en los seres vivos.2. Forma enlaces covalente, que son estables y acumulan mucha energía.3. Puede formar hasta 4 enlaces covalentes, con cuatro elementos iguales o distintos, lo

que da variabilidad molecular.4. Puede formar enlaces sencillos, dobles o triples.5. Se puede unir a otros carbonos, formando largas cadenas carbonadas que son el

armazón de las moléculas orgánicas. Pueden ser lineales o cíclicas.6. Los compuestos que forma, son estables, pero a la vez, pueden ser transformados por

reacciones químicas.7. En la naturaleza la mayor parte del carbono que está unido al oxígeno forma

compuestos gaseosos. Ej: CO2 muy importante para las plantas para realizar lafotosíntesis.

8. Los 4 enlaces covalentes que puede formar están dirigidos hacia los vértices de untetraedro.Esta disposición tetraédrica es la responsable de la estructura tridimensional de lasmoléculas orgánicas.

9. La combinación del C con los otros elementos primarios da lugar a gruposfuncionales.

Disposición tetraedrica:

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Estructura tridimensional: Responsable de la actividad biológica de las moléculas orgánicas.

Grupos funcionales:

Función alcohol: El C está unido a un grupo hidroxilo (OH)Función ceto: El C se une al O por un doble enlace.Función aldehído: El C se une a un O por un doble enlace y a un H por un enlace sencillo.Función ácido: El C se une a un O por un doble enlace y a un grupo hidroxilo por un enlacesencillo.Función amina: El C se une a un grupo amino NH2 por un enlace sencillo.Función amida: El C se une a un grupo amino y a un O por un doble enlace.

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Bioelementos secundarios:

Se encuentran en menor proporción,pero también son imprescindiblespara los seres vivos.

Oligoelementos: Aparecen en cantidades insignificantes en los seres vivos, menos de 0,5% Son de vital importancia. Son I, Fe, Zn, Li, Fl, Co, Cy, B, Si... hasta 14. I: Se necesita para la síntesis de la hormona tiroxina. Fe: Es necesario para la síntesis de Hb (hemoglobina) Zn: Actúa como cofactor de reacciones químicas. Li: Su carencia provoca depresión. Co: Imprescindible para la síntesis de la vitamina B12 (Glóbulos rojos y hemoglobina) Fl: Necesario para la formación del esmalte dentario. Estos oligoelementos son esenciales en todos los seres vivos.

Esquema resumen bioelementos:

Biomoléculas inorgánicas: Agua Es el componente más abundante de los seres vivos, aproximadamente el 70% del

peso. El contenido varía de unas especies a otras. Los tejidos con mayor actividad tienen más cantidad de agua. Ej: tejido nervioso 85%

frente al tejido óseo 20% Es el medio donde apareció la vida.

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¿Cómo se encuentra el agua en los seres vivos? Como agua circulante (sangre, linfa) Como agua intersticial (entre células) Agua intracelular en el citoplasma de las células. Agua metabólica que se forma en las reacciones químicas.

Estructura química del agua:

Formada por dos átomos de H y uno de O (H2O), unidos por enlaces covalentes. Debido a la gran electronegatividad del oxígeno los e son atraídos con más fuerza por

el átomo de O que por el hidrógeno provocando una acumulación de cargas negativasen el O y positivas en el hidrógeno, convirtiendo el agua en una molécula dipolar perocon carga neutra.

Los enlaces entre el oxígeno y los hidrógenos forman un cierto ángulo (104,5º) En el agua existen también los productos resultantes de la disociación de algunas de

sus moléculas: el ión H3O+ y el OH

La electronegatividad:

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Estructura dipolar del agua: Formación de puentes de hidrógeno:La estructura dipolar delagua permite que seunan las moléculas deagua entre sí por un tipode enlace llamadopuentes dehidrógeno.

ImportantePara que se formen los puentes de hidrógeno es necesarioque el H esté siempre unido a una molécula máselectronegativa que él, como son el O ó el N y se acerquea cualquier otro átomo electronegativo de otra molécula.

La cohesividad del agua:Cada molécula de agua puede unirse a otras cuatro porpuentes de H formando una estructura reticularresponsable de que el agua sea líquida a Tª ambiente.

Propiedades del agua: Son debidas al carácter dipolar de la molécula de agua y la presenciade los puentes de hidrógeno.

1. Acción disolvente.2. Elevada fuerza de cohesión.3. Elevada fuerza de adhesión.4. Gran calor específico.5. Elevado calor de vaporización.6. Baja densidad.7. Bajo grado de ionización.

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1º Acción disolvente: El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por esodecimos que es el disolvente universal.

a. Es debida al carácter dipolar de su molécula.b. En el agua se disuelven tanto sustancias iónicas (las sales) y sustancias

polares (con carga). Ej: (Alcoholes, azúcares con grupos ROH, aminoácidos yproteínas con grupos que presentan cargas + y )

Actuación de la molécula de agua en DISOLUCIÓN DE SUSTANCIAS IÓNICAS:

Las moléculas de agua separan los iones, eimpiden que éstos vuelvan a unirse.

Actuación de la molécula de agua en DISOLUCIÓN DE SUSTANCIAS IÓNICAS:

La molécula de agua forma puentes de hidrógeno con lasmoléculas polares que tienen grupos con carga.

2º Elevada fuerza de cohesión: Es debida a los puentes de hidrógeno que mantienenlas moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que laconvierte en un líquido casi incomprensible.

Esta propiedad permite que actúe comoesqueleto hidrostático en animales yplantas.

La elevada fuerza de cohesión provoca en lasuperficie del agua una fuerza que se llamatensión superficial que permite eldesplazamiento de algunos animales.

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3º elevada fuerza de adhesión.

Esta fuerza está también en relación con lospuentes de hidrógeno que se establecenentre las moléculas de agua y otrasmoléculas polares y es responsable, juntocon la cohesión del llamado fenómeno de lacapilaridad.

Cuando se introduce un capilar en unrecipiente con agua, ésta asciende por elcapilar como si trepase agarrándose por lasparedes, hasta alcanzar un nivel superior alrecipiente.

En este proceso se basa el ascenso de lasavia bruta.

4º Elevado calor específico

También esta propiedad está en relación con lospuentes de hidrógeno que se forman entre lasmoléculas de agua.

Definición de calor específico: Cantidad de calor quehay que suministrar a un gramo de agua para elevar1ºC su Tº

1 caloria son 4,18 julios.

El agua puede absorber grandes cantidades de“calor” que utiliza para romper los puentes dehidrógeno por lo que la temperatura se eleva muylentamente.

El agua al enfriarse va liberando energía lentamente.Esta propiedad tiene que ver con la funcióntermorreguladora.

El alto calor específico del agua tiende a estabilizar latemperatura relativamente uniforme de las islas y delas regiones cercanas a grandes cuerpos de agua.

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5º Elevado calor de vaporización: Los puentes de hidrógeno son los responsables deesta propiedad. Para evaporar el agua, primero hay que romper los puentes yposteriormente dotar las moléculas de agua de la suficiente energía cinética para pasarde la fase líquida a la gaseosa.Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 calorías, a una temperatura de 20ºC.

6º Densidad del agua: Es menos densa en estado sólido por ello el hielo flota. En estado sólido todas las moléculas de agua están unidas formando un

retículo que ocupa mayor volumen y por ello es menos densa. Esta propiedad permite la vida en mares y océanos cuando se hielan las capas

superiores.

7º Bajo grado de ionización: De Cada 10.000.000 moléculas de agua sólo una esta disociada en iones, que

se forman al romperse los puentes de hidrógeno que unen dos moléculas deagua y originando un protón hidratado H3O+ y un ión hidroxilo OH

Disociación del agua:

El agua pura tiene una mezcla de: Agua molecular (H2O) Protones hidratados o hidrógeniones (H3O+) Iones hidroxilo (OH)

Por convenio a los protones hidratados o hidrogeniones se les llamó protones (H+) En agua pura por cada ión H3O+ que se forma debe aparecer a la vez un ión OH es

decir la concentración de H3O+ es igual a la de OH y es igual a 1∙10^7 (Importante) Dado los bajos niveles de H3O+ y OH si al agua se le añade un ácido o una base estos

niveles varían bruscamente. Se denomina ácido a toda sustancia que libera H+ Se denomina base a toda sustancia que capta H+ o libera OH

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Por lo tanto la acidez o alcalinidad del medio interno de un organismo dependerá de laproporción en que se encuentren los dos iones. Así será:

Neutro cuando [H+]=[OH] Ácido cuando [H+]>[OH] Alcalino cuando [H+]<[OH]

Para que los fenómenos vitales puedan desarrollarse connormalidad es necesario que la concentración de H+, que seexpresa en valores de pH sea más o menos constante y próxima ala neutralidad, es decir, pH=7.

¿Por qué se expresa la concentración de H3O+ en forma de pH? Como las concentraciones de los H3O y OH son de 1∙10^7. Para simplificar los

cálculos Sorensen (químico) ideó expresar dichas concentraciones utilizandologaritmos, y así definió el pH como el logaritmo cambiado de signo de laconcentración de protones. Según esto:

Disolución neutra pH = 7 Disolución ácida pH < 7 Disolución básica pH > 7

En la figura se señala el pH de algunas soluciones. En general hay que decir que la vida sedesarrolla a valores de pH próximos a la neutralidad.

En los líquidos corporales este equilibrio se ve alterado debido a la presencia desustancias ácidas y básicas, para alcanzar siempre la neutralidad los seres vivosdisponen de unas sustancias llamadas sistemas tampón o buffer que mantienenconstante el pH.

El sistema tampón está formado por un ácido y una sal mineral. Cuando se produce unexceso de protones en el medio, la sal del sistema tampón los capta y devuelve el medioa la neutralidad, y si faltan protones, el ácido del sistema tampón los cede.

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En las reacciones metabólicas se liberan productos tanto ácidos como básicos que varian laneutralidad si no fuera porque los organismos disponen de unos mecanismos químicos que seoponen automáticamente a las variaciones de pH.

Estos mecanismos se denominan sistemas amortiguadores osistemas tampón, y en ellos intervienen de forma fundamental lassales minerales.

Lo más corriente es que el pH tienda a desplazarse hacia el ladoácido por lo que los sistemas tampón más importantes actúanevitando este desplazamiento. Un tampón está formado por unamezcla de un ácido débil y una sal del mismo ácido; el másextendido es el formado por el ácido carbónico (CO3H2) y elbicarbonato sódico (CO3HNa).

Supongamos que el organismo se ve sometido a un exceso de ácido clorhídrico que, enconsecuencia liberará protones que harán disminuir el pH. En este momento entra enfuncionamiento el sistema amortiguador y ocurre lo siguiente:

1 La sal (bicarbonato sódico) reacciona con el ácido clorhídrico:

CO3HNa + ClH → NaCl +H2CO3

La sal que se forma (NaCl) es neutra y, aunque se disocie, no libera protones y,además, es habitualmente expulsada por la orina.

2 El ácido carbónico que se ha formado podría incrementar la acidez, pero rápidamentese descompone en CO2, que se libera con la respiración, y agua que es neutra:

CO3H2 → CO2 + H2O

En resumen, todos los hidrogeniones que podrían provocar un estado de acidezdesaparecen manteniéndose el estado de neutralidad.

Influencia del pH: Las variaciones de pH, afectan a la estabilidad de las proteínas y la actividad catalítica de

los enzimas. Los iones procedente de la disociación del agua van a llevar a cabo en los seres vivos

reacciones de hidrólisis y de óxidoreducción.

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Funciones del agua en relación con las propiedades:

Funciones Propiedades

Termoreguladora (regula la tº del cuerpo) Elevado calor específico.Elevado calor de vaporización.

Transportadora (en ella se disuelven casitodas las sustancias)

Gran poder de disolución.

Estructural (Da volumen a las células, actúacomo esqueleto hidrostático, comoamortiguador mecánico en articulaciones)

Elevado grado de cohesión.Elevada tensión superficial.

Alta reactividad química (Interviene en lasreacciones químicas como amortiguadorade la Tª, e interviene en las reaccionesaportando H+ u OH provocando rupturade enlaces (Hidrólisis) y O2 y H2 enreacciones óxidoreducción.

Elevado calor específico y devaporización.Bajo grado de ionización.

Las sales minerales: Las sales minerales son moléculas inorgánicas presentes en todos los seres vivos que

se encuentran disueltas o en estado sólido (precipitadas) y que también se puedenasociar a otras moléculas orgánicas.

Ejemplos carbonato cálcico, fosfato cálcico, cloruro sódico.

Sales minerales precipitadas: Las sales minerales precipitadas se encuentran en estado sólido y las más comunes

son: silicatos, carbonatos y fosfatos de calcio y magnesio.

Funciones de las sales precipitadas: Forma parte de los caparazones de los moluscos y crustáceos. Constituyen el esqueleto externo de los corales. Se encuentran presentes en estructuras esqueléticas, como huesos, astas, dientes. Forman los ostiolos cristales de carbonato cálcico del oído interno relacionados con el

mantenimiento del equilibrio. Forman parte del esqueleto de las diatomeas algas microscópicas.

Las sales minerales disueltas: Son las sales minerales solubles en agua. Se encuentran disociadas en sus iones y forman parte de los medios internos

intracelulares y extracelulares.

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Iones más frecuentes: Aniones de la materia viva son: los cloruros (Cl), fosfatos (PO4),

carbonatos (CO3), bicarbonatos (HCO3) y nitratos (NO3) Cationes más abundantes en la materia viva son: sodio (Na+), calcio (Ca++),

magnesio (Mg++), hierro (Fe++ y Fe+++) y potasio (K+)

Funciones de las sales minerales disueltas (resumen): Mantener el grado de salinidad de los organismos. Regular la actividad enzimática. Regular el pH del medio. Regular la presión osmótica y el volumen celular. Participan en procesos como transmisión del impulso nervioso, coagulación sanguínea,

contracción muscular.

Funciones de las sales en disolución:Las sales minerales hidrosolubles, a traves de sus iones, cumplen diversas funciones de tipogeneral, colaborando en el mantenimiento de la homeostasis o equilibrio del medio interno.

Funciones de las sales minerales disueltas: 1. Mantener el grado de salinidad en los organismos. Es necesario que existe una

cierta concentración de iones procedentes de las sales minerales y se mantienenconstantes, dentro de unos ciertos límites en los distintos organismos. En un mismoorganismo las concentraciones pueden variar de unos compartimentos a otros; porejemplo, en el interior celular la concentración salina varía considerablemente respectoal plasma sanguíneo.

2. Regular la actividad enzimática: Algunos iones activan o inhiben reaccionesquímicas.También actúan como cofactor uniéndose a las enzimas. Ej: los iones de Zn o Ca.

3. Regulan el pH del medio se les llama sistemas tampones. 4. Participan en procesos como la transmisión del impulso nervioso, contracción

muscular, coagulación sanguínea. 5. Regular la presión osmótica y el volumen celular:

La presencia de sales en el medio interno celular determina la entrada o salida de agua através de la membrana.El paso de agua a través de la membrana se denomina ósmosis.En función del contenido en sales las disoluciones pueden ser:

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Hipertónicas: Alta concentración de sales con respectoa la que se toma de referencia.

Hipotónicas: Baja concentración.

Isotónicas: Tienen la misma concentración

Y se entiende por presión osmótica la presión que sería necesaria para detener el flujode agua a través de la membrana semipermeable.

La membrana plasmática de la célula puede considerarse como semipermeable, (dejapasar el disolvente pero no el soluto), y por ello las células deben permanecer enequilibrio osmótico con los líquidos que las bañan. Esto significa que tiene que haber lamisma concentración de sales a ambos lados de la membrana.

• Si el medio interno celular es hipertónico conrespecto al exterior se producirá entrada de agua,que ocasionará aumento del volumen celular; a estefenómeno se le llama turgencia.• Si la concentración iónica en el interior es menor,se producirá el efecto contrario, salida del agua ydisminución del volumen celular se llamaplasmólisis.

Para evitar la ósmosis ,todo líquido que entre en contacto con las células tiene que serisotónica, evitando que las células pierdan su forma y con ello su función.

Continuará...

(Fin de “1. La materia viva”)

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