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APUNTES CON ANIMACIONES: http://biologia-geologia.com http://iespoetaclaudio.centros.educa.jcyl.es/sitio/index.cgi?wid_item=1074&wid_seccion=19

CORREO PROFESORA: ELENA DOMINGO edomingogil@educa.madrid.org

COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS SERES VIVOS

Todos los seres vivos están formados por el mismo tipo de moléculas llamadas: biomoléculas o principios inmediatos.

Las biomoléculas están formadas por bioelementos.

Los bioelementos son los elementos químicos que están presentes en las biomoléculas que forman los seres vivos. Ej: C, H, O, N, P y S.

Las biomoléculas pueden ser:

◦ Inorgánicas: agua y sales minerales

◦ Orgánicas: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos

LOS ENLACES QUÍMICOS EN BIOLOGÍA

Enlaces intramoleculares:

1-Enlace covalente: Entre elementos de electronegatividad similar y elevada. Comparten electrones en su última capa, no ceden electrones.

Ej: polar y apolar.

2-Enlace iónico:

Entre átomos con diferente electronegatividad: metales y no metales.

El metal pierde electrones y se transforma en un catión. El no metal acepta esos electrones y pasa a ser un anión.

Enlaces intermoleculares:

1- Fuerzas de Van der Waals:

Fuerzas de atracción débiles y de corto alcance entre moléculas eléctricamente neutras que estén muy próximas.

2-Enlaces de hidrógeno o puentes de hidrógeno:

Son un tipo de Fuerzas de Van der Waals que resultan de la atracción electrostática entre un polo positivo y el polo negativo de dos moléculas dipolares integradas por átomos de hidrógeno unidos covalentemente a elementos muy electronegativos y de pequeño tamaño como el oxígeno y el nitrógeno.

BIOELEMENTOS

Propiedades de los bioelementos:

1. Los seis elementos

tienen capas electrónicas externas incompletas. Enlaces covalentes de las biomoléculas: estructuras biológicas

Propiedades de los bioelementos

1. O y N son elementos electronegativos y por tanto muchas moléculas que los contienen son polares, solubles en agua. Esto es un requisito imprescindible para las reacciones biológicas.

2. Los bioelementos se incorporan fácilmente a los seres vivos desde el medio externo ya que están presentes en CO2, H2O, nitratos que son capturados de manera sencilla desde el medio ambiente.

2-Número atómico bajo, por lo tanto los electrones compartidos en la formación de los enlaces se hallan próximos al núcleo y esto hace que las moléculas sean estables.

El número atómico (que se identifica con la letra Z) indica la cantidad de protones que a su vez es el mismo que el número de electrones en la corteza.

Número atómico

Desempeña un papel fundamental porque tiene cuatro orbitales con electrones desapareados dispuestos en tetraedro.

Estos electrones desapareados hacen posible la formación de enlaces covalentes con otros átomos de Carbono dando moléculas complejas características de los seres vivos (Ej: glúcidos).

Los átomos de Carbono forman enlaces covalentes con otros átomos dando grupos funcionales que son la base química de la actividad vital (proteínas)

EL CARBONO COMO BIOELEMENTO

ENLACE COVALENTE: Comparten electrones

Papel fundamental: cuatro orbitales con electrones desapareados dispuestos en tetraedro.

Formación de enlaces covalentes con otros átomos de Carbono dando moléculas complejas características de los seres vivos (Ej: glúcidos).

Formación de enlaces covalentes con otros átomos dando grupos funcionales que son la base química de la actividad vital (proteínas)

EL CARBONO COMO BIOELEMENTO

TIPOS DE BIOELEMENTOS

• BIOLEMENTOS PRIMARIOS O MAYORITARIOS: • C, H, O, N, P y S • Son el 99% de la materia viva • Componentes fundamentales de las biomoléculas

• BIOELEMENTOS SECUNDARIOS

• En menor proporción que los anteriores en la materia viva • Na, K, Ca, Mg y Cl

• OLIGOELEMENTOS

• En proporciones inferiores al 0,1% en la materia viva • Son imprescindibles para muchos procesos bioquímicos y fisiológicos. • Ej: Fe, Cu, Zn, Mn, I, Ni y Co aparecen en la mayoría de los organismos • Ej: Si, F, Cr, Li, B, Mo y Al solo están presentes en grupos concretos.

Principios inmediatos inorgánicos

1. Agua 2. Sales minerales

Principios inmediatos orgánicos

1. Glúcidos 2. Lípidos 3. Proteínas 4. Ácidos nucleicos

• Agua líquida en superficie que ocupa el 75% de superficie de la Tierra.

• Volumen total del agua sería equivalente a la Luna de agua

PLANETA CON VIDA BASADA EN CARBONO

El agua es la molécula más abundante en los seres vivos (entre el 70 y el 90% en masa). La proporción depende de la

especie, la edad y el tejido.

¿Dónde se localiza el agua?

ORIGEN DE LA VIDA

La vida se originó en un medio acuático: cianobacterias

La vida pasó a un medio terrestre solo cuando aquellos organismos pudieron retener cierta cantidad de agua (reptiles y anfibios)

El medio interno de los organismos es un medio acuoso que permite la vida celular dando condiciones semejantes al medio marino en el que surgió.

Las funciones que se desempeñan en el agua se producen gracias a las propiedades fisicoquímicas del agua y estas dependen a su vez de su estructura química. Por tanto, es necesario conocer ambas. PREGUNTA DE EVAV

ESTRUCTURA QUÍMICA DEL AGUA

La unión entre el oxígeno y los dos hidrógenos es un enlace covalente: cada átomo de hidrógeno comparte un par de electrones con el átomo de oxígeno.

La electronegatividad del oxígeno es mayor que la del hidrógeno y por tanto los pares de electrones compartidos se ven más atraídos hacia el núcleo de oxígeno.

Además el oxígeno tiene cuatro electrones más sin compartir en su capa externa, esto genera:

1. La presencia de una carga negativa débil en la zona donde están los electrones no compartidos

2. Una geometría triangular de forma que los átomos de hidrógeno forman respecto al oxígeno 104.5º.

La geometría triangular y la mayor electronegatividad del átomo de oxígeno crean que la molécula tenga carácter dipolar.

El carácter dipolar permite los puentes de hidrógeno.

PUENTES DE HIDRÓGENO

Es un tipo especial de fuerzas de Van der Waals.

Resultan de la atracción electrostática entre el polo positivo y negativo de dos moléculas dipolares integradas por átomos de hidrógeno unidos covalentemente a elementos muy electronegativos y de pequeño tamaño, como el oxígeno y el nitrógeno.

Es un enlace débil pero de vital importancia porque determina las propiedades del agua y la estructura espacial de las proteínas y de los ácidos nucleicos.

Los puentes de hidrógeno entre moléculas de agua le confiere al agua la cohesividad tan alta que tiene. Cada molécula puede establecer 4 puentes de hidrógeno con otras tantas moléculas.

Las moléculas de agua también pueden formar puentes de hidrógeno con otras moléculas polares distintas como alcoholes, aminas…

Los puentes de hidrógeno son mucho más débiles que los enlaces covalentes y los iónicos pero se forman y rompen de manera constante permitiendo muchas interacciones.

Diferencia de electronegatividad entre hidrógeno y oxígeno

Formación de puentes de hidrógeno

El agua tiene carácter dipolar eléctrico

Propiedades específicas del agua

ESTRUCTURA QUÍMICA DEL

AGUA

PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS FUNCIONES

Propiedades fisicoquímicas del agua:

Densidad Calor de

vaporización

Calor específico

Puntos de fusión y

ebullición Tensión

superficial

Ionización

Poder disolvente

Cohesión molecular

Las vamos relacionando con la función del agua.

Densidad Efecto protector: vida bajo el hielo

El agua en estado sólido tiene menor densidad que líquida y flota, aislando térmicamente el resto del agua de congelarse y permitiendo la vida acuática.

El agua al congelarse se comprime y permite que se formen más puentes de Hidrógeno lo cual genera una red que ocupa más volumen que el agua líquida.

d=m/V

Propiedad física

En general en todo tipo de sustancia el estado sólido tiene las moléculas más unidas y empaquetadas, ocupando menos volumen que el líquido y el gas.

En el agua, el estado sólido tiene más volumen que el líquido debido a la formación más rígida de esa red por los puentes de hidrógeno.

Calor específico

Calor de vaporización

Función termorreguladora

El calor específico es la cantidad de calor que es necesario comunicar a un gramo de una sustancia para aumentar su temperatura 1ºC

• Al aplicar calor al agua, parte de esa energía se emplea en romper los puentes de hidrógeno y no en elevar la temperatura.

• La estabilidad térmica es necesaria para que ciertas moléculas mantengan sus estructuras y con ella su función (ej. proteínas).

elevado elevado

Propiedad física

Elevado calor de vaporización: el paso de estado líquido a gaseoso requiere un considerable aporte de calor para romper los enlaces de hidrógeno. Función biológica: regulación térmica por refrigeración cuando el organismo se reviste de una película de agua (o sudor) que toma la energía (calor) de la superficie para evaporarse con el consiguiente enfriamiento de dicha superficie.

Calor de vaporización

elevado

Cohesión molecular

Amortiguador mecánico en líquidos sinoviales

Principal componente de los líquidos orgánicos: savia, sangre, linfa, saliva,…

El agua es el medio en el que ocurren todas las reacciones biológicas

Las moléculas del agua están fuertemente cohesionadas por los puentes de hidrógeno, esto confiere una gran incompresibilidad y una elevada tensión superficial.

elevada

Cohesión molecular

Tensión superficial

Deformaciones en el citoplasma y movimientos internos de la célula

Las moléculas de agua de la superficie únicamente se someten a la acción de las moléculas del interior y no del aire, por ello, se genera una fuerza neta hacia el interior del líquido llamada tensión superficial que permite que esa parte el agua se comporte como una membrana elástica.

elevada

Las moléculas de agua superficiales de una masa tienen cohesión con otras de la masa de

agua pero no con el aire. La fuerza neta que se origina hacia el interior hace que la

superficie se comporte como una membrana elástica tensa.

Funciones biológicas:

• movimientos citoplasmáticos.

• deformaciones celulares.

Tensión superficial

Flotabilidad

Tensión superficial

Cohesión molecular: capilaridad

Ascenso de la savia bruta

La gran cohesión del agua unida a la gran adhesión a la superficie de estructuras (debido a su polaridad) permite que pueda ascender por conductos estrechos. Esta propiedad es fundamental para el ascenso de la savia bruta por los tubos del xilema en vegetales.

Cohesión molecular Esqueletos hidrostáticos

El agua es muy difícil de comprimir debido a esa cohesividad. Esta propiedad determina las deformaciones citoplasmáticas y permite que funcione como esqueleto hidrostático.

Puntos de fusión y ebullición

Existencia de agua líquida en la Tierra

La elevada fuerza de cohesión entre las moléculas del agua la mantienen líquida a temperaturas no extremas.

NH3 y H2S son gas a T ambiente.

Totalmente necesario para transporte y las reacciones bioquímicas

Ionización: Bajo grado Efecto túnel

(conducción de H+)

Acción decisiva en las reacciones de hidrólisis y condensación

La ionización del agua se produce cuando un átomo de hidrógeno de una de ellas se une mediante un enlace covalente al átomo de oxígeno de otra molécula a la que estaba unida por un puente de hidrógeno.

Moléculas ionizadas del agua

Reacciones biológicas

El pH del agua pura es 7, neutron, lo que resulta compatible con el pH cellular.

H2O

Reacciones de hidrólisis

• Las reacciones de hidrólisis permiten obtener moléculas constituyentes a partir de otra mayor.

• Las reacciones de condensación (de moléculas sencillas a moléculas complejas). Se libera una molécula de agua.

El agua experimenta fotolisis. Es la fuente de poder reductor en la fotosíntesis, clave en el

ciclo de la materia.

Procedente del agua

Carbono reducido

Carbono oxidado Poder reductor

El agua proporciona los protones H+ y los electrones necesarios para la síntesis de moléculas orgánicas.

Poder disolvente y constante dieléctrica

El agua es un disolvente universal. Se debe a su gran capacidad de disolución ya que establece fuerzas de solvatación con sustancias iónicas o enlaces de hidrógeno con las moléculas polares

Transporte celular Función metabólica: reacciones

Constante dieléctrica: es la fuerza con la que las moléculas de un disolvente mantienen separados los iones de carga opuesta y por tanto permiten que el compuesto iónico permanezca disuelto.

Constante dieléctrica del agua es 80. es decir, los iones se atraen con una fuerza 80 veces menor en el seno del agua que fuera de ella.

Relación del agua con otras moléculas

Disoluciones: con iónicos (NaCl) y sustancias polares de bajo peso

molecular (glucosa)

Dispersiones coloidales: con sustancias de alto peso molecular

(polisacáridos, proteínas…)

Emulsiones: con sustancias totalmente apolares

Estructuras orientadas: micelas, bicapas o monocapas con

sustancias anfipáticas

Relación del agua con otras moléculas

El agua disuelve los cuerpos iónicos: la constante dieléctrica es 80.

F = Kq1q2/ Dr2

Los aniones y cationes se atraen con una fuerza 80 veces menor en el seno del agua que fuera de ella. El alcohol tiene una constate de 24

El agua disuelve los cuerpos iónicos: la solvatación

El agua disuelve los cuerpos polares de bajo peso molecular

Glucosa

El agua forma enlaces de hidrógeno con esos cuerpos polares disolviéndolos (biomoléculas), lo cual es esencial para multitud de reacciones bioquímicas.

El agua forma dispersiones coloidales con moléculas de alto peso molecular

Un coloide tiene dos fases: fase dispersa y fase dispersante

Un coloide se presenta de dos maneras: gel y sol

Sol /fluido

Gel /viscoso

La mayoría de los líquidos biológicos son dispersiones coloidales Los cambios de sol a gel permiten los movimientos del citoplasma.

Las proteínas de la clara de huevo son las responsables de que sea un coloide

El núcleo celular

Otros coloides

DEFINICIONES Polar: hidrofílico. Puede disolverse en agua Apolar: hidrófobo. No se disuelve en agua. Anfipático: molécula con carácter polar y apolar. Emulsión: es una mezcla de dos líquidos inmiscibles de manera más o menos

homogénea. Un líquido (la fase dispersa) es dispersado en otro (la fase continua o fase dispersante). Muchas emulsiones son de aceite/agua, con grasas alimenticias como uno de los tipos más comunes de aceites encontrados en la vida diaria.

Emulgente: es una sustancia que ayuda en la mezcla de dos sustancias que

normalmente son poco miscibles o difíciles de mezclar. De esta manera, al añadir este emulgente o emulsionante, se consigue formar una emulsión. Ej: aditivos alimentarios.

Los fosfoglicéridos son moléculas anfipáticas

Moléculas anfipáticas son aquellas que poseen un extremo hidrofílico, es

decir, que es soluble en agua y otro que es hidrófobo, lo cual significa que

rechaza el agua

Los jabones son moléculas anfipáticas (emulgentes)

Las moléculas anfipáticas se orientan en el agua

Monocapas

Bicapas

Las moléculas anfipáticas se orientan en el agua

Micelas

Liposomas

REPASA PARA EL EVAV

1. Las moléculas e iones inorgánicos: agua y sales minerales.

2. Fisicoquímica de las dispersiones acuosas.

3. Argumentar las razones por las cuales el agua y las sales minerales son fundamentales en los procesos biológicos

4. Relaciona la estructura química del agua con sus funciones biológicas.

REPASA PARA EL EVAV

1. Escribe técnicas instrumentales y métodos físicos y químicos que permiten el aislamiento de las diferentes moléculas y su contribución al gran avance de la experimentación biológica.

2. Clasifica los tipos de bioelementos relacionando cada uno de ellos con su proporción y función biológica.

3. Determinar las características fisicoquímicas de los bioelementos que les hacen indispensables para la vida.

4. Los componentes químicos de la célula.

5. Bioelementos: tipos, ejemplos, propiedades y funciones.

CRITERIOS BÁSICOS DE EVAU SEP 2017

I.-La base molecular y fisicoquímica de la vida.

-. Clasificar los tipos de bioelementos relacionando cada uno de ellos con su proporción y función biológica.

-. Relacionar la estructura química del agua con sus funciones biológicas.

-. Distinguir los tipos de sales minerales, relacionando composición con función.

-. Contrastar los procesos de difusión, ósmosis y diálisis, interpretando su relación con la concentración salina de las células.

-. Reconocer y clasificar los diferentes tipos de biomoléculas orgánicas, relacionando su composición química con su estructura y su función.

-. Identificar los monómeros y distinguir los enlaces químicos que permiten la síntesis de las macromoléculas: enlaces O-glucosídico, enlace éster, enlace peptídico.

-. Describir la composición y función de las principales biomoléculas orgánicas.

-. Contrastar el papel fundamental de los enzimas como biocatalizadores, relacionando sus propiedades con su función catalítica.

-. Identificar los tipos de vitaminas asociando su imprescindible función con las enfermedades que previenen.

PORCENTAJE EN EVAU: 9%

PREGUNTAS COMUNES ◦ Propiedades físico-químicas del agua derivadas de su estructura

Funciones biológicas del agua en relación a sus propiedades

La ósmosis aplicada a células animales y vegetales en medios

de distinta concentración

Función de las sales en estado sólido y en disolución

Principales sistemas tampón en los s. vivos y su actuación

Ejercicios de selectividad

Modelo 2004 - A

Junio 2007 - A

Septiembre 2006 - B