UNIVERSIDAD TÉCNICA LUIS VARGAS TORRES FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS Y AMBIENTALES ESCUELA DE CIENCIAS AGRONÓMICAS
Ing. Dolores Andrade Marzo 2011
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PRINCIPIOS MOLECULARES DE LA VIDA INTRODUCCIÓN La materia de los seres vivos obedece a ciertos principios físicos y químicos que rigen las estructuras de los elementos que la constituyen. Según como se presentan en la materia estos principios generan características específicas a las sustancias donde unas son muy estables mientras que otras son muy inestables. Entre ellos se encuentran los tipos de enlaces químicos, los tipos de elementos que conforman las moléculas, las posiciones de estos elementos en las moléculas. TIPOS DE ENLACES
1. EL ENLACE QUÍMICO EN LA MATERIA VIVA El enlace químico es la unión entre átomos, moléculas o iones. Un ión es un átomo o una molécula con carga eléctrica. En la materia viva los principales tipos de enlaces son: el enlace iónico entre iones, el enlace covalente entre átomos, y los enlaces intermoleculares entre moléculas.
1.1 El enlace iónico (metal + no-metal) Se da cuando uno de los átomos capta electrones del otro. El átomo que capta electrones se transforma en un ión negativo o anión, y el que los pierde, en un ión positivo o catión. El anión y el catión quedan unidos por atracción electrostática. El enlace iónico se da entre átomos de electronegatividad muy diferente, es decir, entre átomos con una gran avidez de electrones, los muy electronegativos, y átomos que retienen con poca fuerza sus electrones, los poco electronegativos. Ejemplos de enlace iónico: NaCl 1.2. El enlace covalente (no-metal + no-metal)
Se forma cuando dos átomos comparten electrones. Se da entre átomos de electronegatividad alta y similar. Es un enlace muy fuerte. Si los átomos unidos tienen una electronegatividad similar, dan lugar a moléculas apolares, por ejemplo, los compuestos formados por átomos iguales, H2, O2, N2, I2, y los constituidos por carbono e hidrógeno (hidrocarburos), (metano), (propano), etc. Si unos átomos atraen más hacia sí los electrones, se forman moléculas polares, con un polo + y otro -, es decir, dipolos moleculares, por ejemplo: CO2, H2O, NH3 Enlacecovalente apolar y polar
3. Los enlaces intermoleculares Son los enlaces entre moléculas. Los casos más importantes son el enlace de hidrógeno y las fuerzas de Van der Waals. Son enlaces muy débiles y están debidos a fuerzas electrostáticas. a)
Enlace de hidrógeno. En las moléculas dipolares de los hidruros (H2O, NH3), el pequeño tamaño del átomo de hidrógeno permite aproximarse mucho al otro tipo de átomo, de las moléculas contiguas, estableciéndose fuerzas débiles de atracción entre ellas, denominadas enlace de hidrógeno, antes denominado puente de hidrógeno.
b) Enlace por fuerzas de Van der Waals. También entre moléculas apolares aparecen atracciones electrostáticas, debido a que aparecen dipolos instantáneos. Estos permiten la atracción intermolecular.
BIOELEMENTOS El análisis químico de la materia viva revela que los seres vivos están formados por una serie de elementos y compuestos químicos.
Los elementos químicos que forman parte de la materia viva se denominan bioelementos, que, en los seres vivos, forman biomoléculas, que podemos clasificar en: Inorgánicas o Agua o Sales minerales o Algunos gases: O2, CO2, N2, ... Orgánicas o Glúcidos o Lípidos o Proteínas o Ácidos Nucleicos En cualquier ser vivo se pueden encontrar alrededor de setenta elementos químicos, pero no todos son indispensables ni comunes a todos los seres. Por su abundancia se pueden clasificar en: a)
Bioelementos primarios, que aparecen en una proporción media del 96% en la materia viva, y son carbono, oxigeno, hidrógeno, nitrógeno, fósforo y azufre. Estos elementos reúnen una serie de propiedades que los hacen adecuados para la vida:
Forman entre ellos enlaces covalentes muy estables, compartiendo pares de electrones. El carbono, oxígeno y nitrógeno pueden formar enlaces dobles o triples. Facilitan la adaptación de los seres vivos al campo gravitatorio terrestre, ya que son los elementos más ligeros de la naturaleza. b) Bioelementos secundarios, aparecen en una proporción próxima al 3,3%. Son: calcio, sodio, potasio, magnesio y cloro, desempeñando funciones de vital importancia en fisiología celular.
c)
Oligoelementos, micro constituyentes, o elementos vestigiales, que aparecen en la materia viva en proporción inferior al 0,1% siendo también esenciales para la vida: hierro, manganeso, cobre, zinc, flúor, yodo, boro, silicio, vanadio, cobalto, selenio, molibdeno y estaño. Aún participando en cantidades infinitesimales, no por ello son menos importantes, pues su carencia puede acarrear graves trastornos para los organismos.
LA MOLECULA DEL AGUA El agua es la molécula más abundante en los seres vivos, y representa entre el 70 y 90% del peso de la mayor parte de los organismos. El contenido varia de una especie a otra; también es función de la edad del individuo (su porcentaje disminuye al aumentar la edad) y el tipo de tejido. El agua se encuentra en la materia viva en tres formas:
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Como agua circulante (en la sangre, en la savia).
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Como agua intersticial (entre las células).
Como agua intracelular (en el citosol y en el interior de los orgánulos celulares).
En los seres humanos, el agua circulante supone el 8% de su peso, el agua intersticial el 15%, y el agua intracelular el 40%. Al agua, a temperatura ambiente, es líquida, al contrario que cabría esperar, si se considera que otras moléculas de parecido peso molecular son gases. Este comportamiento físico se debe a que en la molécula de agua aparece un polo negativo, donde está el átomo de oxígeno, y dos polos positivos, donde están los dos núcleos de hidrógeno. Entre los dipolos del agua se establecen fuerzas de atracción llamadas puentes de hidrógeno, formándose grupos de 3, 4 y hasta poco más de 9 moléculas. Con ello se alcanzan pesos moleculares elevados y el H2O, se comporta como un líquido. El contenido de agua en el cuerpo humano, se mantiene constante por el equilibrio entre ingresos y pérdidas. Los ingresos diarios en un hombre con dieta mixta, actividad física moderada y que habite en clima templado son de 2,6 litros.
El papel primordial del agua en el metabolismo de los seres vivos se debe sus propiedades físicas y químicas, derivadas de la estructura molecular.
a)
CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DEL AGUA:
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Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas, debida a los puentes de hidrógeno. Ello explica que el agua sea un líquido prácticamente incomprensible. También explica que tenga una elevada tensión superficial y una capilaridad.
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El elevado calor específico. Por esto hace falta mucho calor para elevar su temperatura. Esto la convierte en estabilizador térmico del organismo frente a los cambios bruscos de temperatura del ambiente.
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Elevado calor de vaporización. Ello se debe a que para pasar del estado líquido al gaseoso hay que romper todos los puentes de hidrógeno.
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Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido. Ello explica que el hielo flote en el agua.
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Elevada constante dieléctrica. Las moléculas de agua, al ser polares, se disponen alrededor de los grupos polares del soluto, llegando en el caso de los compuestos iónicos a desdoblarlos en aniones y cationes, que quedan así rodeados por moléculas de agua. Este fenómeno se denomina solvatación iónica.
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Bajo grado de ionización.
b)
FUNCIONES DEL AGUA EN LOS SERES VIVOS:
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Función disolvente de las sustancias. El agua es básica para la vida, ya que prácticamente todas las reacciones biológicas tienen lugar en el medio acuoso.
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Función bioquímica. El agua interviene en muchas reacciones químicas.
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Función de transporte. El agua es el medio de transporte de las sustancias desde el exterior al interior de los organismos.
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Función estructural. El volumen y forma de las células que carecen de membrana rígida se mantienen gracias a la presión que ejerce el agua interna.
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Función mecánica amortiguadora.
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Función termorreguladora. Se debe a su elevado calor específico y a su elevado calor de vaporización.
ÓSMOSIS Fenómeno que aparece cuando una membrana semipermeable separa dos disoluciones de concentración diferente, esta membrana que por semipermeable solo permitirá el paso de disolvente, desencadena el proceso de ósmosis es decir el paso de disolvente de la disolución mas diluida a la más concentrada con el fin de equiparar el equilibrio entre ambas concentraciones, o lo que el lo mismo de la disolución hipotónica a la hipertónica hasta que ambas disoluciones sean isotónicas, pero si se pretende evitar este flujo necesitare someter a una determinada presión la membrana, a esta presión se le conoce como presión osmótica. Comportamiento similar sigue la membrana citoplasmática existiendo por ello un equilibrio osmótico a ambos lado de la membrana.
En la figura superior se puede ver el diferente comportamiento de la membrana citoplasmática en función del medio en el que se encuentre, en el primer caso la concentración intracelular y extracelular son idénticas, hablamos de disoluciones isotónicas y por tanto la célula no se afecta; en el segundo caso, la célula se encuentra en un medio hipotónico con respecto al citoplasma en este caso se produce la entrada de disolvente del medio extracelular al interior de la célula, a este fenómeno se le denomina turgescencia; por último la célula se encuentra en un medio hipertónico, se producirá salida de disolvente del citoplasma, conocido como plasmólisis. Difusión y la diálisis Las diferentes sustancias de todo ser vivo están formando con el agua dispersiones bien moleculares o bien verdaderas ya hemos visto que en función de la concentración de los medios puede aparecer el fenómeno de ósmosis, pero también pueden suceder otros como la diálisis o la difusión. La diálisis. En la diálisis la membrana será atravesada por el propio disolvente y partículas de pequeñas de bajo peso molecular, movimiento que se realizará a favor del gradiente de concentración, es decir de la más concentrada a la menos concentrada. Cuando el riñón es incapaz de llevar a cabo la filtración glomerular se recurre a diálisis (hemodiálisis) La difusión. No es más que la distribución homogénea de las partículas en un disolvente, si hablamos de una membrana permeable puede haber paso de partículas y disolvente, siempre también a favor del gradiente de concentración. La difusión, proceso que no requiere aporte energético es frecuente como forma de intercambio celular.
DISOCIACIÓN DEL AGUA pH y BUFEER El agua debido a su capacidad de ionización puede considerarse una mezcla de agua en estado molecular, agua protonizada e iones hidroxilo; y llamaremos producto iónico del agua a: A la vista de la fórmula anterior se deduce que la concentración de protones e hidroxilos es de 10 -7 para el agua en estado puro, si a la cifra anterior le aplicamos el logaritmo decimal obtenemos un valor que denominaremos pH, definiremos de esta forma sustancias ácidas aquellas que tienen un pH inferior a 7, sustancias básicas aquellas con pH superior a 7 y neutras cuando es igual a 7. A modo de ejemplos, una disolución de HCl tendría pH 1, los jugos gástricos un pH de dos, el plasma un pH sobre seis, la sangre un pH de siete y una disolución de hidróxido sódico podría alcanzar pH de catorce. Los seres vivos son capaces de mantener su cuerpo siempre dentro de unas condiciones de pH, esto se consigue gracias a unas sustancias denominadas buffer o sistemas tampón, que no se trata más que de un sistema formado por un ácido y su correspondiente base conjugada (bicarbonato, fosfato,...) Como en cualquier sistema en equilibrio, cualquier variación de la misma consecuencia de la modificación de la concentración de los componentes que intervienen en el equilibrio, este responderá desplazándose a la derecha o a la izquierda para conseguir de nuevo el estado de equilibrio. Si observas la figura siguiente, comprobarás que dos moléculas polares de agua pueden ionizarse debido a las fuerzas de atracción por puentes de hidrogeno que se establecen entre ellas. El pH del agua es 7 y lo consideramos neutro. Valores mayores serán básicos o alcalinos y valores menores ácidos.
LAS SALES MINERALES Las sustancias minerales se pueden encontrar en los seres vivos de tres formas: precipitadas, disueltas o asociadas a sustancias orgánicas. Las sustancias minerales precipitadas constituyen estructuras sólidas, insolubles, con función esquelética. Las sales minerales disueltas dan lugar a aniones y cationes. Las sustancias minerales asociadas a moléculas orgánicas suelen encontrarse junto a proteínas, como las fosfoproteínas; junto a lípidos como los fosfolípidos, y junto a glúcidos como en el agar-agar. Las principales funciones de las sustancias minerales en los organismos son: Formar estructuras esqueléticas. Estabilizar dispersiones coloidales. Mantener un grado de salinidad en el medio interno. Constituir soluciones amortiguadoras. 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 NO3Cationes: 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.
BIBLIOGRAFÍA ALLIER, R. ; CASTILO, A. ; FUSE, L. y MORENO, E. (1994). La magia de la física y de la química. Ediciones Pedagógicas, S. A. México, D. F. BENEDITO, J. y OTROS (1987). Iniciación a la Química Descriptiva Inorgánica (Generalidad Valenciana: Valencia). BOLAÑOS, C. (1997) Ciencias 8, Hacia el siglo XXI. Editorial: Universidad de Costa Rica. BRANDEWEIN, P.; STOLLBERG, R. y BURNET, R. W. (1977). Química. La materia, sus formas y sus cambios. Publicaciones Cultural S.A.
CABALLER, M.; FURIÓ, C.; GÓMEZ, M.; JIMÉNEZ, M; JORBA, J.; OÑORBE, A.; PEDRINACI, E.; POZO, J.; SAN MARTI, N.; VILCHES, A. (1997) La enseñanza de las ciencias de la naturaleza en la educación secundaria. Editorial: Horsori. Barcelona, España. CÁRDENAS, F.; GÉLVEZ, C.; NIETO, J.; ERAZO, M. (1997) Ciencias 8. Nivel 3. Editorial: Mc Graw Hill. Bogotá, Colombia. 296 p. Anthony Carpi, Ph.D. "Enlaces Químicos," Visionlearning Vol. CHE-1 (7s), 2003. http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=55&l=s