semana 1 bioelementos y biomoleculas

MSc. SILVIA ARA ROJAS

BIOELEMENTOS

NATURALEZA

MATERIA VIVA

SER HUMANO

78

58

16

10925

94

118


MATERIA VIVA


BIOELEMENTOS PRIMARIOS

PROPIEDADES DE LOS ELEMENTOS PRIMARIOS1. Masa atómica es relativamente pequeña, y su capa externa está incompleta y

esto favorece que al combinarse entre sí se establezcan enlaces covalentes estables. Cuanto menor es un átomo, mayor es la tendencia del núcleo positivo a completar su último orbital con los electrones que forman los enlaces, y, por tanto, más estables son dichos enlaces.


2. Dado que el oxígeno y el nitrógeno son elementos muy electronegativos, al establecer enlaces covalentes con los otros tipos de átomos con frecuencia dan lugar a moléculas dipolares. Dado que el agua también es dipolar, estos compuestos se disuelven bien en ella y pueden reaccionar entre sí, haciendo posible los procesos bioquímicos imprescindibles para la vida. El C, N y O pueden formar enlaces dobles o triples (posibilidad de formar moléculas diferentes).


3. El C y el N, debido a su posición central en el Sistema Periódico presentan la misma afinidad para unirse con el O que con el H, es decir, pueden pasar con facilidad del estado oxidado (CO2, NO3H) al reducido (CH4, NH3).


4. Los bioelementos mayoritarios pueden incorporarse fácilmente a los seres vivos desde el medio externo ya que se encuentra en moléculas que pueden ser captadas de manera sencilla (CO2, H2O, nitratos). Este hecho asegura el intercambio constante de materia entre los organismos vivos y su medio ambiente

5. Los compuestos orgánicos formados por estos átomos se hallan en estado reducido, y reaccionan con el oxígeno para dar compuestos inorgánicos (CO2 y H2O), de baja energía. La energía desprendida en las reacciones de oxidación se aprovecha para las funciones vitales de los organismos.


BIOELEMENTOS SECUNDARIOS


OLIGOELEMENTOS


Funciones de los Bioelementos

PLÁSTICA O ESTRUCTURAL

• C-H-O-N-P-S• Ca

CATALÍTICA (cofactores)

• Fe-Zn-I-Co

OSMÓTICA

• Na – K - Cl


BIOMOLÉCULAS

ENLACES COVALENTES ESTABLES


Enlaces covalentes


VERSATILIDAD DEL CARBONO

Libertad de rotación en enlaces simples

No permiten rotación libre.

Tetraedro


VERSATILIDAD DEL CARBONO

Enlaces covalentes simples, dobles y triples


Esqueletos carbonadosGrupos funcionales


Grupos funcionales


Grupos funcionales: ejemplos


BIOMOLÉCULAS

INORGÁNICAS

Agua Sales Gases

ORGÁNICAS

Carbohidratos Proteínas Lípidos Ácidos nucleicos

ClasificaciónPor naturaleza química


BIOMOLÉCULA BIOELEMENTO

CARBOHIDRATOS

PROTEÍNAS

LÍPIDOS

ÁCIDOS NUCLEICOS

C

H

O

N

P

S


ClasificaciónPor grado de complejidad estructural

Precursores: bajo peso molecularH2O – CO2 – NH3

Intermediarios metabólicos:Oxalacetato – Piruvato - Citrato

Unidades estructurales:Monosacáridos – Aas - Nucleótidos

Macromoléculas : Alto peso molecularAlmidón – Proteínas - Lípidos- etc.


MACROMOLÉCULAS


COMPOSICIÓN


Tamaños relativos


Reacciones químicas de las biomoléculas

•Ocurren a temperaturas constantes•La presión también debe ser constante.•Ocurren a alta velocidad, condición para una

compatibilidad con la vida. Esto es posible

gracias a las enzimas.•Son reguladas y regulables de acuerdo a

ciertas circunstancias. •Toda reacción bioquímica implica un cambio


REACCIONES QUÍMICAS CELULARES

CATEGORÍAS

1. Reacciones de transferencia de grupos

2. Reacciones de óxido reducción3. Reacciones de ordenación de enlaces

alrededor del átomo de carbono4. Reacciones de rotura o formación de

enlaces C-C5. Reacciones de condensación


1. TRANSFERENCIA DE GRUPO

2. OXIDO REDUCCIÓN


3. ORDENACIÓN DE ENLACES


4. ROTURA O FORMACIÓN DE ENLACES


5. CONDENSACIÓN


• Es la más abundante de las moléculas que conforman los seres vivos.– Constituye entre el 50 y

el 95% del peso de cualquier sistema vivo.

• La vida comenzó en el agua, y en la actualidad, dondequiera que haya agua líquida, hay vida.

El agua


AGUA EN EL CUERPO HUMANO

Organismo % agua Tejido % agua

AlgasCaracolCrustáceosEspárragosEspinacasEstrella marPersona adultaHongosLechugaLombrizMaízMedusaPinoSemillaTabacoTrébol

98 807793937662809583869547109290

Líq. cefalorraquídeo Sangre (plasma)Sangre (Gl. rojos)Tej. nervioso (s.gris)Tej. nervioso (Médula)Tej. nervioso (s.blanca)MúsculoPielHígadoTej. conjuntivoHueso (sin medula)Tej. adiposoDentina

99 91-9360-6585757075-807270-756020-2510-203

El agua se encuentra en la materia viva en tres formas:

1. Como agua circulante, por ejemplo, en la sangre, en la savia, etc. Se encarga principalmente del transporte de sustancias.

2. Como agua intersticial, entre las células, a veces fuertemente adherida a la sustancia intercelular (agua de imbibición), como sucede en el tejido conjuntivo.

3. Como agua intracelular, en el citosol y en el interior de los orgánulos celulares.

En los seres humanos, el agua circulante supone el 7 % de su peso, el agua intersticial el 23 %, y el agua intracelular el 70%

Agua intercelular Células

Agua circulante (sangre, savia…)

Agua intersticial

ESTRUCTURA• Cada molécula de agua está constituida por dos átomos de

hidrógeno (H) y un átomo de oxígeno (O).• Cada uno de los átomos de hidrógeno está unido a un átomo

de oxígeno por un enlace covalente.– El único electrón de cada átomo de hidrógeno es compartido con el

átomo de oxígeno, que también contribuye con un electrón a cada enlace.

Con una hibridación sp3 del átomo de oxígeno, situado en el centro los dos átomos de hidrógeno dispuestos en dos de los vértices de dicho tetraedroEn los otros dos vértices los electrones no compartidos de los orbitales sp3-híbridosEl ángulo entre los dos átomos de hidrógeno es de 104.5°La distancia de enlace entre oxígeno e hidrógeno es de 0.096 nm.

A. Tetraedro regular ligeramente asimétrico

CARACTERÍSTICAS


B. Dipolo

DIPOLO fuerteEl átomo de O2 es fuertemente electronegativo y aleja los electrones del HPresenta doble carga

negativa local dada por los electrones del O2 no compartidos

positiva parcial por los hidrógenos

“Un dipolo es una molécula con carga eléctrica distribuida de manera asimétrica alrededor de su estructura”


C. Constante dieléctrica

Por su carácter dipolar tieneCarga dielétrica altaAguade 78.5Hexano = 1,9Etanol = 24.3

Por ello disminuye las fuerzas de atracción entre especies cargadas y polaresPuede disolver grandes cantidades de compuestos cargados como las SALES

D. Formador de Puentes de hidrógeno

Los puentes de hidrógeno se forman entre un “vértice” negativo de la molécula de agua con el “vértice” positivo de otra.

Cada molécula de agua puede establecer puentes de hidrógeno con otras 3.5 moléculas de agua.

Un puente de H es más débil que un enlace covalente o uno iónico, pero, en conjunto tienen una fuerza considerable y hacen que las moléculas se aferren estrechamente.

La formación de puentes de H favorece la autoasociación de moléculas de agua hacia disposiciones ordenadas Estados del agua = grado

de ordenamiento Influencia en propiedades

físicas: Viscosidad Tensión superficial Punto de ebulliciónExcepcionalmente altos


Romper un puente de H solo requiere 4,5 kcal/mol Los enlaces de H le permite disolver biomoléculas orgánicas que

contienen grupos funcionales que pueden participar en formar enlaces de H

BIOMOLÉCULA CARACTERÍSTICAS

ALDEHIDOSCETONASAMIDAS

Presentan pares de electrones solitarios que pueden aceptar H+

ALCOHOLESACIDOS CARBOXÍLICOSAMINAS

Pueden servir como aceptores y como donadores de H+ desprotegidos para formar enlaces de H+


E. Moléculas nucleofílicaPor tener pares solitarios de electrones en una molécula rica en electrones = nucleofílicopuede realizar ataque nucleofílico sobre átomos con pocos electrones (electrofílicos)

Nucleofílos Electrófilos

Átomos de O2 de fosfatos, alcoholes y ácidos carboxílicos

Carbono carbonilo en amidas

Azufre de tioles Ésteres de aldehidos y cetonas

Nitrógeno de amidas Fósforo de los fosfodiester

Anillo imidazol de histidina

HIDRÓLISIS


F. Tendencia a disociarse

Su capacidad para ionizarse es levePuede actuar como un ácido y como una baseAl disociarse forma:

E n solución existe bajo forma de multipolímero:

1g de H2O contiene 3.46 x 1022 moléculas de aguaProbabilidad de existir un H+ o un OH- es 1/100Probabilidad de un H+ en agua pura ~1.8 x 10-9

Hidronio Hidroxilo

H3O+ H5O2+ H7O3

+


CONSTANTE DEL PRODUCTO IÓN (kW)

Como su nombre lo sugiere, el producto ion Kw es igual desde el punto de vista numérico al producto de las concentraciones molares de H+ y OH-:

A 25°C, Kw = (10–7 )2, o 10–14 (mol/L)2; A menos de 25°C, Kw es un poco menor de 10–14

A más de 25°C es un poco mayor de 10–14.

Dentro de las limitaciones declaradas del efecto de la temperatura, Kw es igual a 10–14 (mol/L)2 para todas las soluciones acuosas


CONSTANTE DE DISOCIACIÓN (k)

“La concentración molar del agua es demasiado grande como para que la disociación la afecte de manera significativa


Propiedades Físicas y Químicas

1. Densidad máxima a 4 °C:


2. Elevado Calor Específico (1 cal/g x °C)

3. Elevada Temp. de ebullición:


4. Elevado Calor de Vaporización: 536 cal/g).

5. Elevada Conductividad Calórica:


6. Disolvente de compuestos polares no iónicos:

7. Hidratación o Solvatación de Iones


8. Disolvente de Moléculas Anfipáticas

9. Elevada Tensión Superficial


10. Transparencia


Funciones Bioquímicas y Fisiológicas del Agua

• Componente estructural de macromoléculas: proteínas, polisacáridos, etc., ya que estabiliza su estructura (formación de puentes de hidrógeno).

• Disolvente universal de sustancias iónicas, antipáticas y polares no iónicas, – permite que se produzcan casi todas las reacciones bioquímicas, y es un excelente

medio de transporte en el organismo.• Sustrato o el producto de diversas reacciones enzimáticas.

– Puede actuar como cosustrato en reacciones catalizadas por hidrolasas e hidratasas, o puede ser el producto de reacciones catalizadas por oxidasas.

• Asimismo, participa como reactante o como producto en infinidad de vías metabólicas.

• El carácter termorregulador del agua permite conseguir un equilibrio de temp. en todo el cuerpo, la disipación de cantidades elevadas de calor metabólico, etc


AMORTIGUADORES DE pH

Para un ácido débil que se disocia:


Las soluciones de ácidos débiles y sus sales amortiguan cambios del pH

Una solución de ácido débil y su base conjugada amortigua de manera más eficiente en el rango de pH de su pKa ± 1.0 unidades de pH

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