Bioelementos, agua y disoluciones: biología celular para estudiantes

Materia viva

Bioelementos

Los bioelementos forman la materia viva.

Bioelementos primarios (abundantes)

Representan el 99 % de la masa molecular.

• C: tiene 4 valencias y se une entre sí.
• CHON: constituyentes básicos.
• S: presente en las proteínas.
• P: presente en moléculas orgánicas y funciona como tampón.

Bioelementos secundarios (menor cantidad)

• Na, K, Cl: crean gradientes de membrana, regulan el equilibrio osmótico y neutralizan grasas.
• Ca: interviene en la contracción muscular y forma el esqueleto (CaCO₃).
• Mg: forma parte de la molécula de clorofila y actúa como catalizador.

Oligoelementos (menos del 0,1 %)

Cumplen funciones catalíticas. Su ausencia provoca enfermedades y su concentración excesiva produce intoxicaciones.

• Fe: forma los grupos hemo que transportan O₂.
• Mn: actúa como catalizador.
• Cu y Zn: forman parte de enzimas.
• I: constituye las hormonas tiroideas.
• F: fortalece huesos y dientes.

Biomoléculas

Las biomoléculas son moléculas formadas por la unión de bioelementos.

Biomoléculas inorgánicas

No son exclusivas de los seres vivos.

• Agua, sales y algunos gases (CO₂, CO).

Biomoléculas orgánicas

Son exclusivas de los seres vivos y tienen funciones específicas. Dependen de su forma y tamaño. Las macromoléculas o polímeros se forman por la unión de monómeros (cadenas hidrocarbonadas).

• Glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

Compuestos C-O

• -OH (grupo hidroxilo): alcoholes.
• >C=O (grupo carbonilo): aldehídos.
• -COOH (grupo carboxilo): ácidos carboxílicos.
• Ésteres: se forman mediante reacciones de esterificación.

Compuestos C-N

• Aminas: contienen el grupo amino.
• Amidas: ácido carboxílico + amida.

Fosfatos

Derivados del H₃PO₄. Pueden contener grupos hidroxilo y carbonilo, y dos o más fosfatos.

El agua: componente fundamental

Estructura

La molécula de agua está formada por enlaces covalentes con un ángulo de 104,5º. Es una molécula polar (el O tiene mayor electronegatividad que el H), con dos cargas parciales: negativa en el O y positiva en el H. Presenta cohesión interna en estado líquido gracias a enlaces débiles.

Propiedades

• Poder disolvente: transporta sustancias y permite las reacciones del metabolismo.
• Vaporización: pasa de líquido a gas a 100 ºC gracias a los puentes de hidrógeno. Actúa como refrigerante en los seres vivos.
• Cohesión y adhesión: puede unirse a cualquier molécula o superficie con cargas negativas y positivas. Explica fenómenos de capilaridad en el xilema.
• Calor específico: no aumenta bruscamente su temperatura gracias a los puentes de hidrógeno. Su temperatura aumenta lentamente, actuando como amortiguador térmico en los seres vivos.
• Reactividad química: es muy reactiva porque se disocia en iones H₃O⁺ y OH^-. Participa en la hidrólisis, que rompe enlaces moleculares.
• Mayor densidad en estado sólido: el hielo es menos denso que el agua líquida.

Compuestos que se disuelven en agua

• Iónicos (sales minerales): se disuelven por atracción electrostática y dipolos de H₂O alrededor de los iones de la sal.
• Moléculas polares (grupos carbonilo, hidroxilo, etc.): forman puentes de hidrógeno con el agua.
• Moléculas anfipáticas: se dispersan en el agua formando micelas. Los grupos polares quedan en contacto con el agua y los apolares hacia el interior (como los aceites).

Sales minerales y pH

Las sales minerales son la forma más importante para mantener el equilibrio del pH.

El pH permite calcular la acidez o basicidad de una disolución: pH = -log[H₃O⁺].

• pH < 7: ácido.
• pH = 7: neutro.
• pH > 7: básico.

Sistemas tampón (amortiguadores o buffer)

• Tampón bicarbonato: pH de 7,4.
• Tampón fosfato: pH de 6,86.

Medio celular

Disoluciones

Una disolución es una mezcla homogénea de moléculas distintas. Tiene dos componentes:

• Disolvente: componente en mayor cantidad (el agua).
• Soluto: sustancia que se disuelve.

Dispersión coloidal

Es una mezcla en la que el soluto no es soluble, pero se dispersa homogéneamente por todo el medio. La luz atraviesa el coloide y produce turbidez. La mayoría de las moléculas orgánicas (proteínas, polisacáridos y ácidos nucleicos) forman coloides.

• Sol: dispersión coloidal fluida.
• Gel: dispersión con pérdida de agua.
• De sol a gel el proceso es reversible. De gel a sol es irreversible.
• Si se sobrepasa el límite de deshidratación se produce la coagulación del coloide.

Procesos de transporte y separación

• Difusión: las moléculas disueltas tienden a dispersarse uniformemente en el seno del agua.
• Diálisis: separa las partículas dispersas de elevado peso molecular de las de bajo peso molecular a través de una membrana semipermeable.
• Ósmosis: paso de agua a través de una membrana semipermeable situada entre dos disoluciones con distinta concentración.

Ósmosis en las células

Células vegetales

• Hipertónico: el agua sale de la célula. La célula se arruga y la membrana se despega de la pared celular (plasmólisis).
• Isotónico: el agua que sale es igual a la que entra.
• Hipotónico: entra agua en la célula para equilibrar las concentraciones. La célula se hincha (turgencia), pero no estalla gracias a la pared celular.

Células animales

• Hipertónico: la célula se arruga (retracción), no realiza sus funciones y muere.
• Isotónico: por ejemplo, el glóbulo rojo en un medio isotónico no presenta fenómenos osmóticos.
• Hipotónico: la célula estalla (lisis celular).