La materia viva: niveles de organización, bioelementos, biomoléculas y propiedades del agua

T.1: La materia de los seres vivos

Niveles de organización

Atómico → molecular → orgánulo (mitocondria, aparato de Golgi) → celular → histológico → orgánico (branquia) → individual (pez) → poblacional → biocenosis → ecosistema (relaciona de distintas comunidades entre sí y con el biotopo, forman el ecosistema).

Bioelementos o biogénicos

Son elementos químicos que están todos en los seres vivos.

Tipos

• Bioelementos primarios: algo más del 99% de la masa de cualquier célula. Son C, O, H, N, P y S, pudiendo crear seres vivos con estos.
• Bioelementos secundarios: Na, K, Ca, Cl… Están todos en los seres vivos y son requeridos para su existencia.
• Oligoelementos: proporción menor al 0,1%, aunque son fundamentales (Co, Cu, Zn, Fe).

Carbono

Es muy versátil, pudiendo formar muchas y diversas moléculas. Además, tiene 4 electrones en su última capa, lo que le permite unirse a átomos iguales o distintos. Puede formar enlaces C–C y, con ello, crear moléculas de distintos tamaños para que sus radicales puedan unirse a átomos distintos.

Biomolécula o principio inmediato

Molécula que surge por la unión de bioelementos mediante enlaces.

Tipos

• Inorgánicas: son compuestos químicos que se encuentran dentro como fuera de los seres vivos (agua y sales minerales).
• Orgánicas: aquellas que solo se encuentran en los seres vivos (glúcidos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos).

Muchas moléculas que forman una célula son grandes (macromoléculas). Suelen ser polímeros, ya que están formadas por monómeros.

Enlace de las biomoléculas

1. Iónico: puede unir elementos químicos de electronegatividad distinta. El átomo más electronegativo (anión, carga negativa) capta uno o varios electrones del más electropositivo (catión, carga positiva), que los cede.
2. Covalente: une elementos no metálicos entre sí que comparten electrones de valencia. Puede ser enlace covalente sencillo, doble o triple, si dos átomos comparten un par, dos o tres de electrones. Un enlace covalente polar es aquel que se produce entre átomos de distinta electronegatividad.

Dipolo

Un dipolo es un sistema de dos cargas de signo opuesto e igual magnitud, cercanas entre sí.

Dipolo del agua: la molécula de agua tiene carga neutra (igual número de protones que neutrones). El oxígeno tiene carga negativa y el hidrógeno positiva, comportándose como dipolo. Así se establecen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua, formando puentes de hidrógeno.

3. Puente o enlace de hidrógeno: se forma cuando un átomo de hidrógeno unido por enlace covalente a un átomo electronegativo interacciona con un par de electrones no compartido de otro átomo electronegativo y pequeño.

Funciones de las biomoléculas

1. Energéticas: son moléculas que, a partir de un proceso de oxidación, obtienen energía. Necesitan oxígeno, y el proceso se llama respiración.
2. De reserva: se almacenan en la célula para obtener energía en otro momento.
3. Estructurales: forman piezas con función de sostén.
4. Reguladoras: participan en las actividades celulares.

El agua

La mayor parte de los seres vivos tienen un 75% de agua. El agua es importante porque es una molécula que favorece la aparición y desaparición de nuevos enlaces gracias al choque con otras moléculas de agua.

Propiedades del agua

Los seres vivos necesitan agua líquida. Químicamente, el átomo de oxígeno atrae a los electrones que comparte con los hidrógenos con tal fuerza que da lugar a una carga negativa en el oxígeno y una carga positiva en el hidrógeno. En la molécula de agua hay dos enlaces covalentes polares del oxígeno con los dos hidrógenos: el agua es un dipolo y, por tanto, en estado líquido, una molécula forma puentes de hidrógeno con otras 4 moléculas de agua.

Los puentes de hidrógeno formados entre moléculas de agua hacen que posea un calor específico elevado, perdiendo o ganando calor con un pequeño cambio de temperatura. Esto hace que el agua sea un gran amortiguador térmico.

En estado sólido, los puentes de hidrógeno son más regulares. Están más separados que en estado líquido y forman una red de tetraedros, ocupando más volumen. La máxima densidad del agua es a 4 ºC. Gracias a su baja densidad, puede servir para que el hielo no se derrita en los lagos, haciendo que flote y sirva de aislante térmico.

Agua como disolvente

Su capacidad de formar puentes de hidrógeno hace que sea un gran disolvente.

Sales minerales

Pueden encontrarse:

1. Precipitadas: forman piezas duras o menos rígidas, que suelen ser el esqueleto de muchos seres vivos.
2. En forma de iones: forman parte de muchas moléculas orgánicas.
3. Disueltas: así está la mayor parte de las sales. Esto significa que en los seres vivos hay cationes y aniones disueltos que proceden de sales disociadas.

pH

El agua es un electrolito débil. El pH es una forma de medir la concentración de iones hidrógeno en una disolución acuosa: pH = −log[H⁺] = −log(10⁻⁷) = 7. Un pH igual a 7 es neutro; mayor (básico: al disminuir la concentración, aumenta el pH); menor (ácido: al aumentar la concentración, baja el pH).

El tampón es un ácido o base débil que ayuda a mantener constante el pH de una disolución, tomando o cediendo protones en función del pH de la misma. Cuando aumenta la cantidad de iones hidrógeno, aumenta [H⁺] y viceversa.

Disoluciones

Distintos tipos según el soluto:

1. Molecular: la molécula no se disocia al diluirse.
2. Iónica: las sales, ácidos y bases se disocian al disolverse. Hay dos tipos:
   • Electrolitos fuertes: toda la molécula de soluto está disociada.
   • Electrolitos débiles: una parte se disocia y otra no.
3. Coloidal: partículas de soluto muy grandes. En la célula, muchas de sus moléculas tienen alta masa molecular y se comportan como coloides.

Equilibrio osmótico

Las propiedades coligativas son propiedades que no dependen de las características del soluto, sino del número de partículas disueltas.

Ósmosis

Si dos disoluciones de distinta concentración están separadas por una membrana permeable que permite el paso de soluto, este pasará por difusión a través de la membrana hasta que ambas concentraciones sean iguales. Si la membrana es semipermeable (permite el paso del disolvente, pero no del soluto), el agua pasará de la disolución más diluida a la más concentrada, hasta igualar concentraciones.

Presión osmótica (π): presión que hay que ejercer para impedir el paso de agua hacia la disolución más concentrada.

π = m · R · T, donde m = molalidad, R = 0,082 y T = temperatura en K.

Los medios intracelular y extracelular deben tener concentraciones más o menos iguales para evitar la pérdida de agua de la célula (deshidratación) o una entrada excesiva que pueda romper la membrana y matar a la célula. La concentración más alta es hipertónica, la menor hipotónica, y la misma concentración es isotónica.

• Si la concentración de soluto en una célula es mayor que en el medio, entrará agua hasta igualar. El hinchamiento de la célula se llama turgencia; dependiendo del agua que entre, producirá lisis celular (estallido).
• En las células vegetales, una gruesa pared impide la rotura de la membrana.
• Si el medio es hipertónico, saldrá agua de la célula y esta se arrugará según la cantidad que salga. Esto se llama plasmólisis.