.La forma oxidada CO₂ se encuentra en estado gaseoso en condiciones normales, mientras que SiO₂ en sólido.

.El C presenta gran versatilidad en enlaces covalentes, mientras que el Si no forma dobles ni triples enlaces.

.Los híbridos sp, sp₂ y sp₃ constituyen la base de los esqueletos plásticos de la célula.

.Entre N y C se establece el enlace peptídico que se da en proteínas.

-El S y el P forman parte de ácidos nucléicos, proteínas y azúcares. El P da lugar a enlaces con elevado contenido energético, muy importantes en el metabolismo: ATP, etc. El P, además, modifica la actividad enzimática.

 

*Bioelementos secundarios y elementos vestigiales u oligoelementos

 

-Los cationes (Na⁺, K⁺, Ca²⁺ y Mg²⁺) y aniones (Cl^-, SO₄^2- y PO₄^3-) intervienen en:

.La neutralidad de carga de los fluidos fisiológicos.

.La presión osmótica y la forma celular.

.El impulso nervioso (la diferencia de carga a ambos lados de la membrana neuronal).

-El Fe forma parte de la hemoglobina (que fija el O₂ en la sangre) y de los citocromos (que intervienen en la cadena respiratoria). El Cu aparece en la hemocianina (pigmento de la sangre en artrópodos y moluscos). El Co en la vitamina B₁₂ (cobalamina). El Mn es necesario para que las plantas sinteticen clorofila (aunque no forma parte de la molécula de clorofila). El Zn aparece en varios fermentos. El I en la molécula de tiroxina (sintetizada por la glándula tiroides).

 

 

b) Enlaces químicos

 

Los enlaces químicos por los que se unen entre sí los bioelementos -y en general cualquier elemento químico- pueden ser:

 

*Enlace covalente: los átomos que se unen comparten electrones.

Ej.: CO₂, H₂O, NH_3.

 

*Enlace iónico o salino: la unión se realiza por atracción electrostática entre iones de carga opuesta.

Ej.: NaCl, restos de aminoácidos.

 

*Puentes de H: por atracciones electrostáticas de menor intensidad en las que intervienen dipolos.

Ej: grupos ceto (C=O) y amino (-NH₃⁺)

grupos ceto (C=O) y H₂O ó alcoholes

grupos alcohol y H₂O

 

*Fuerzas de Van der Waals o fuerzas de dispersión: muy débiles, debidas a la existencia de dipolos momentáneos en moléculas con enlaces covalentes.

*Interacciones hidrofóbicas (no son propiamente enlaces).

 

c) Principios inmediatos

En la materia viva los bioelementos se combinan entre sí y dan lugar a compuestos químicos que denominamos principios inmediatos. Éstos son los grupos de compuestos que pueden obtenerse de los seres vivos por procedimientos de extracción puramente físicos (filtración, decantación, destilación...)

Para su estudio, dividimos estos principios inmediatos en dos grupos:

 

*Principios inmediatos inorgánicos: son aquellos que pueden encontrarse también fuera de los seres vivos:

-agua

-sales minerales

 

*Principios inmediatos orgánicos: son exclusivos de los seres vivos:

-glúcidos

-lípidos

-proteínas

-ácidos nucléicos

 

 

2. El agua

 

Cuantitativamente el agua es el principal componente de los seres vivos, ya que por término medio representa aproximadamente el 70% del peso de la materia viva (aunque esa proporción varía según los organismos y los órganos, como puede apreciarse en las tablas).

 

Contenido en agua de Contenido en agua de

diferentes seres vivos diferentes órganos

 

Animales Animales

Hombre.................65% Cerebro.................85%

Medusa.................96% Sangre..................79%

Caracol.................80% Músculos..............75%

Insecto..................72% Hígado..................70%

Cartílagos.............55%

Vegetales Huesos..................22%

Algas....................98% Dientes..................10%

Hongos.................91%

Zanahorias............87% Vegetales

Alfalfa..................75%

Patatas..................78%

Líquenes...............55% Granos de trigo............11%

Semillas de garbanzo....11%

Semillas de guisante.....11%

Grano de arroz.............10%

 

En los organismos la proporción de agua depende, entre otras cosas, del medio en el que viven. Dentro de la misma especie la proporción de agua es mayor en los individuos jóvenes y disminuye conforme envejecen. En cada organismo, cuanto más actividad vital desarrolla un órgano, más rico es en agua.

Algunos organismos inferiores reducen temporalmente la cantidad de agua en todo el organismo o en algunos órganos hasta casi la desecación, y reducen sus funciones vitales a la mínima expresión. Se dice entonces que adoptan el estado de vida latente. Esto sucede en protozoos, esporas y semillas.

 

 

a) Estructura química de la molécula de agua

 

La molécula de agua está constituida por 1 átomo de O y 2 de H: H₂O.

El O presenta una hibridación sp³, tetraédrica.

La repulsión electrostática de los pares electrónicos no enlazantes (rayado), produce un aumento en el ángulo de los 2 orbitales híbridos que ocupan esos electrones y una disminución

del ángulo H-O-H con relación al ángulo tetraédrico (109'5 ⁰).

Datos de la estructura molecular:

-Longitud de enlace O-H: 0'96 A.

-Ángulo de enlaces H-O-H: 104'5 ⁰.

 

 

La diferente electronegatividad de H y O crea momentos dipolares de enlace. La molécula de agua presenta un elevado momento dipolar (1'85 D). Además se comporta como dador electrónico.

 

 

 

b) Propiedades macroscópicas del agua

 

*Punto de ebullición elevado (100 1C): debido a que en estado líquido las moléculas de agua se unen entre sí por puentes de H, a causa de la elevada electronegatividad del O. Coexisten las moléculas unidas por puentes de H y las libres.

 

 

Hidruros del grupo VI B p. de ebullición

H₂O 100 1C

H₂S -60'75 1C

H₂Se -41'50 1C

H₂Te -1'8 1C

*Punto de fusión elevado (0 1C).

 

*Calor de vaporización elevado (539'5 cal/g): evita la evaporación masiva y la consiguiente deshidratación de los organismos vivos.

 

*Calor de fusión elevado (79'7 cal/g): dificulta la congelación y los los trastornos biológicos que ésta traería consigo.

 

*Calor específico elevado (1 cal/g1C): hace que el agua actúe como tampón o regulador de la temperatura en los seres vivos.

 

*Elevada tensión superficial.

 

*Menor densidad del hielo que del agua líquida: en el hielo, cada átomo de O se rodea tetraédricamente de 4 de H: de dos le separa una distancia de 1'00 A, y de los otros dos una de 1'76 A. Por eso, entre los O hay una distancia de 2'76 A, tal y como representa la fig.

Por su estructura poco compacta, el hielo es menos denso que el agua líquida y flota sobre ésta. Los enlaces por puentes de H se rompen paulatinamente al ascender la temperatura, por lo que se aproximan entre sí las moléculas de H₂O y aumenta su densidad. Pero simultáneamente la expansión térmica disminuye la densidad. A los 4 1C se equilibran ambos efectos.

La máxima densidad del agua líquida se alcanza a los 4 1C. A partir de los 4 1C predomina la expansión térmica y al elevarse la temperatura disminuye la densidad del agua.

Consecuencias:

-A baja temperatura la congelación empieza por la superficie, lo cual permite la supervivencia de muchos seres de vida acuática en climas muy fríos.

-Circulación del agua (corrientes de convección) debida a los cambios de densidad por calentamiento y enfriamiento.

 

 

c) Escala de pH

 

El agua sufre espontáneamente una reacción de disociación reversible:

 

[H⁺][OH^-]

H₂O <============> H⁺ + OH^- K_d= ------------------ = 10^-14

[H₂O]

 

El valor de la conc. de H₂O será 1 debido al pequeño valor de K_d. Como las concentraciones de H⁺ y de OH^- serán iguales, el valor de ambas será 10^-7.

Si denominamos pH al -log [H⁺], el agua pura tendrá un pH= 7.

Si se añade al agua un ácido (que desprende H⁺), [H⁺] subirá y [OH^-] descenderá. Por eso el valor del pH descenderá.

Todo lo contrario sucede cuando añadimos al medio una sustancia alcalina o básica.

El pH de un medio puede oscilar entre 0 y 14.

 

pH: 0 pH ácido 7 pH básico ó alcalino 14

| | |

[H⁺]: 10⁰ 10^-7 10^-14

 

El pH excesivamente ácido o excesivamente básico influye en la ionización de los aminoácidos de las proteínas y altera su estructura. Además, un pH extremo actuará como agente corrosivo de la materia orgánica.

En algunos procesos vitales se requiere momentáneamente un pH ácido (p. ej. en la digestión gástrica) o un pH alcalino (p. ej. en las secreciones que se realizan en el intestino delgado, con objeto de neutralizar el pH ácido del estómago). Pero los tejidos que se ponen en contacto con esos pH se encuentran protegidos (por mucosas, etc.).

 

d) Funciones biológicas del agua

 

Como consecuencia de sus propiedades -que hemos estudiado con anterioridad-, el agua desempeña las siguientes funciones en la materia viva:

 

*Disolvente. Se conoce al agua como el disolvente universal. En realidad es el disolvente más universal de las sustancias nutritivas, tanto orgánicas como inorgánicas. Así actúa como vehículo para dichas sustancias.

La naturaleza bipolar del agua hace de ella el disolvente ideal para los compuestos iónicos (alrededor de cada ión se forma una "nube" de moléculas de agua que lo aísla del ión de signo

contrario), así como para las sustancias no iónicas pero con polaridad molecular (es el caso de azucares, alcoholes, aldehídos, etc).

Las sustancias no solubles (algunas proteínas y polisacáridos, y las grasas) forman dispersiones coloidales con el agua.

 

*Reactivo. Todas las reacciones metabólicas se realizan en presencia de agua. Pero además ella actúa como reactivo químico (como ácido o como base, como oxidante o como reductor).

 

*Estructural. Por su elevada tensión superficial provoca cambios en el citoplasma: deformaciones y movimientos protoplasmáticos que se dan en las células; y mantiene el volumen y la forma celular.

 

*Mecánica-amortiguadora. Su reducida viscosidad favorece el desplazamiento de órganos lubricados por líquidos ricos en agua (en músculos y articulaciones).

 

*Termorregulador. Tiene el agua un importante papel como agente regulador de la temperatura en los seres vivos por:

-su elevado calor específico que la convierte en amortiguador de los bruscos cambios térmicos.

-su gran conductividad térmica, por la que distribuye las temperaturas en los seres vivos.

-su calor de vaporización elevado que frena la elevación de la temperatura corporal.

 

*Transporte. El transporte de nutrientes y de otras sustancias (también de desecho) en la materia viva se desarrolla a través del agua:

-Difusión: de gases y de moléculas sólidas por el citoplasma celular.

-Intercambio gaseoso: en aparatos respiratorios adaptados al agua (branquias) y en aparatos aéreos (pulmones y tráqueas) que deben permanecer húmedos para desarrollar su función.

-Circulación: por sistemas circulatorios, abiertos o cerrados, que transportan sustancias a distintas partes del organismo gracias al agua.

-Excreción: del N formando parte de moléculas (ác. úrico, urea y amoniaco) cuya toxicidad queda remitida al encontrarse disueltas en agua.

 

 

 

3. Las sales minerales

 

Dentro de los seres vivos se encuentran importantes cantidades de sales minerales. Éstas se consideran dentro de los principios inmediatos inorgánicos ya que no son exclusivas de los seres vivos.

Cabe destacar los cloruros, fosfatos, carbonatos y bicarbonatos de sodio, potasio, calcio y magnesio. En las plantas y en algunos animales también son importantes los nitratos, sulfatos y silicatos.

 

a) Sustancias salinas insolubles y sus funciones

 

Algunas sales son insolubles y precipitan. Forman parte de órganos esqueléticos que, por tanto, tienen función estructural: esqueletos internos (huesos), esqueletos externos (caparazones), dientes colmillos, etc. Este es el caso del fosfato cálcico y del carbonato cálcico.

En vegetales (diatomeas, gramíneas, etc.) y protozoos (heliozoos y radiolarios) también se deposita la sílice (SiO₂), que forma esqueletos o endurece las hojas.

Otros vegetales forman cristales de oxalato en el interior de las vacuolas.

En los poríferos o esponjas hay células que sintetizan espículas calcáreas (de CO₃Ca) o silíceas (de SiO₂).

 

b) Sustancias salinas solubles y sus funciones

 

Cuando las sales están disueltas, se encuentran disociadas en iones. Los principales aniones y cationes que se forman como consecuencia de esta ionización son:

Aniones: Cl^-, PO₄H⁼, PO₄H₂^-, CO₃H^-, CO₃⁼, SO₄⁼ y NO₃^-

Cationes: Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺ y NH₄⁺

Estos iones mantienen unas concentraciones constantes y un equilibrio entre ellos dentro de los organismos. Las alteraciones en esos valores producen desequilibrios importantes en el medio interno del organismo.

Entre las funciones que desempeñan las sales ionizadas dentro de los seres vivos destacan las siguientes:

-Mantienen la salinidad del medio interno.

-Regulan los fenómenos osmóticos y, con ellos, el trasiego de agua.

-Regulan el equilibrio ácido-base y mantienen constante el pH del organismo.

-Los cationes intervienen en funciones específicas variadas: enzimáticas, transmisión del impulso nervioso y contracción muscular, transporte de electrones, etc.

-También hay sales minerales asociadas a moléculas orgánicas: los fosfatos forman parte de los adenosín-fosfatos (ADP, ATP, AMPc), ácidos nucléicos, fosfolípidos, etc.

Como las dos últimas funciones serán estudiadas con el sistema nervioso, los ácidos nucléicos y los lípidos, vamos a considerar brevemente las 3 primeras funciones.

*Mantenimiento de la salinidad del medio interno. Conseguir que el medio interno tenga una salinidad estable es muy importante para los seres vivos, hasta el punto de que en los animales existe una regulación iónica aun cuando no haya regulación osmótica, y los distintos iones se encuentran en el medio interno en concentraciones diferentes a las del medio externo.

 

*Regulación osmótica u osmorregulación. La ósmosis es un fenómeno por el cual, cuando una membrana semipermeable (es decir, que sólo deja pasar a través de ella el agua y no los solutos) separa dos disoluciones con distinta concentración de soluto, el agua tiende a pasar de la menos a la más concentrada para equilibrar ambas disoluciones.

La osmorregulación se encamina a mantener dentro de ciertos límites el contenido en agua y la concentración de los solutos. Para estudiar este proceso podemos considerar esquemáticamente tres tipos de medio o hábitat: el agua salada, el agua dulce y el medio terrestre, aunque existen situaciones intermedias tanto de hábitat (aguas salobres) como del propio ser vivo (animales que viven en distintos medios según la etapa de su ciclo vital, o que alternan diferentes medios a lo largo de su vida).

-El agua salada: tiene una concentración de sales muy elevada. Los seres que viven en este medio tienen el problema de la pérdida de agua y de la acumulación de sales en el medio interno. Las soluciones son muy diversas: unos toleran grandes concentraciones de urea que les confieren un carácter hiperosmótico, otros tienen mecanismos para reducir las pérdidas de agua pese a ser hipoosmóticos, y otros hipoosmóticos beben agua del mar y eliminan el exceso de sales absorbidas con el agua.

-El agua dulce: tiene una salinidad variable, pero normalmente baja. Presenta el peligro de la entrada de agua en el organismo y la dilución del medio interno. Junto a la ingestión de sales en el alimento y la relativa impermeabilidad de la membrana externa de algunos grupos, está el mecanismo de la captación activa de iones (fundamentalmente a través de las branquias).

-El medio terrestre: ofrece el problema de una posible deshidratación. Las soluciones varían desde los seres que viven en estrecha dependencia del agua (en zonas húmedas) para conservar su piel húmeda, hasta los que viven en zonas áridas. Junto a la ingestión de agua, se procura eliminar pérdidas mediante cubiertas externas muy impermeabilizadas.

La ósmosis interviene en el intercambio de agua entre las células y su medio externo en los distintos seres vivos (no podemos olvidar que las membranas biológicas son semipermeables) y es determinante en la funcionalidad de la célula y de los distintos orgánulos celulares membranosos.

Los fenómenos osmóticos son también vitales en el proceso de elaboración de la orina.

*Regulación del equilibrio ácido-base. Llamamos mecanismos de regulación del equilibrio ácido-base a los procesos que mantienen la concentración del ión hidrógeno (H⁺) en los líquidos orgánicos dentro de niveles compatibles con la vida y con el correcto funcionamiento del organismo.

Concretamente en el hombre el pH normal del plasma es de 7'4, y valores de pH por debajo de 7'0 o por encima de 7'7 producen la muerte en pocos minutos.

Los mecanismos básicos de regulación del equilibrio ácido-base son tres: sistemas tampón de los líquidos orgánicos; regulación respiratoria; y regulación renal.

 

-Sistemas tampón o amortiguadores. En química se conoce como sistema tampón a un conjunto de dos sustancias relacionadas entre sí, capaces de amortiguar los cambios de pH que se producen al añadir hidrogeniones (H⁺) o hidroxiliones (OH^-) al medio. En el organismo existen 3 sistemas tampón:

. CO₂ / CO₃H^- (El CO₂ y el CO₃H₂ están en equilibrio: H₂O + CO₂ <==> CO₃H₂)

. PO₄H₂^- / PO₄H⁼

. Distintos grupos funcionales de proteínas.

1) Sistema tampón carbónico-bicarbonato. Ante un exceso de hidrogeniones,

 

H⁺ + CO₃H^- ===========> CO₂ + H₂O

 

con lo que el hidrogenión es sustituido por un ácido débil como el carbónico.

 

Ante un exceso de hidroxiliones,

 

OH^- + CO₂ ==============> CO₃H^-

 

el hidroxilión se incorpora a la base débil que es el ión bicarbonato.

 

[A^-]

Como pH = pK + log ------- (siendo AH un ácido débil y A^- su base conjugada)

[AH]

para el sistema CO₂ / CO₃H^-

 

[CO₃H^-]

pH = 6'1 + log ---------, y para un pH = 7'4 la concentración de bicarbonato es unas 20 [CO₂]

veces la de CO₂

 

El pK del sistema CO₂ / CO₃H^- es 6'1 frente a un valor medio del pH extracelular de 7'4. Y el poder amortiguador de un sistema tampón es máximo cuando el pH coincide con el pK. Por eso la eficacia como amortiguador del sistema CO₂ / CO₃H^- por sí mismo es reducida. Pero su actuación fisiológica es muy eficaz, debido a la cuidadosa regulación a la que se encuentra sometida la concentración de CO₂ por el sistema respiratorio y de CO₃H^- por el riñón.

 

2) Sistema tampón de fosfatos. Actúa de forma similar al anterior. El pK es 6'8, más próximo al fisiológico. Pero la concentración de iones fosfato en líquidos extracelulares es muy inferior a la de CO₂ y CO₃H^-.

Su importancia es mayor en los líquidos intracelulares (donde es más abundante). También actúa en los túbulos renales.

 

3) Sistema tampón de proteínas. Es el más poderoso en el organismo. Las proteínas pueden ser responsables de más de la mitad de la capacidad amortiguadora total.

 

-Regulación respiratoria. Como el aumento de [CO₂] en los líquidos orgánicos acidifica el medio interno, el aumento en la ventilación pulmonar, al eliminar CO₂ contrarresta esa acidificación.

-Regulación renal. Incide en el equilibrio ácido-base mediante cambios en la concentración de bicarbonato en los líquidos extracelulares.