Introducció a la Bioquímica: Glúcids per al Batxillerat

Bioelementos

Los bioelementos son los elementos químicos que forman parte de los seres vivos y que constituyen las biomoléculas necesarias para desarrollar los procesos vitales. No son exclusivos de los seres vivos, pues también pueden encontrarse en la materia inerte.

Los bioelementos se clasifican según su abundancia e importancia en:

• Bioelementos primarios: Son indispensables para formar biomoléculas orgánicas y constituyen el 96,2% de la materia viva. Sin ellos, no puede haber vida.

💡 Un elemento químico se considera bioelemento cuando se utiliza para dar vida. Si no cumple esta función, simplemente es un elemento químico.

Bioelementos primarios

Existen 6 bioelementos primarios, cada uno con funciones específicas:

• Oxígeno (O): Forma grupos funcionales polares solubles en agua como -OH, -CHO, -COOH y puede formar enlaces α-glicosídicos entre biomoléculas.

• Carbono e hidrógeno (C, H): Forman los esqueletos carbohidrogenados de las moléculas, permitiendo una gran diversidad molecular.

• Nitrógeno (N): Presente en proteínas y ácidos nucleicos. Forma el grupo amino $-NH₂$ de los aminoácidos.

• Fósforo (P): Presente en los ácidos nucleicos, concretamente en el grupo fosfato de los nucleótidos.

• Azufre (S): Se encuentra en proteínas, específicamente en los aminoácidos metionina y cisteína.

Bioelementos secundarios: Aunque frecuentes, tienen menor importancia que los primarios. Constituyen el 3,9% de la materia viva y participan en muchos procesos biológicos.

Bioelementos secundarios y oligoelementos

Los 5 bioelementos secundarios incluyen:

• Calcio (Ca): Componente estructural de huesos, aportando volumen y resistencia.
• Sodio (Na): Mantiene el equilibrio hídrico y regula la cantidad de agua dentro y fuera de la célula.
• Potasio (K): Facilita la transmisión de señales nerviosas y la contracción muscular.
• Cloro (Cl): Interviene en el equilibrio de líquidos corporales y regula la presión osmótica.
• Magnesio (Mg): Forma parte de enzimas y de la clorofila, participando en reacciones como la replicación del ADN.

Oligoelementos: Elementos con presencia inferior al 0,4%, pero igualmente importantes:

• Hierro (Fe): Encargado de fabricar hemoglobina y transportar oxígeno.
• Cobre (Cu): Produce mioglobina en la sangre de invertebrados.
• Flúor (F): Presente en los dientes.

Biomoléculas

Las biomoléculas o principios inmediatos pueden clasificarse según su composición:

Simples: Formadas por átomos del mismo tipo (como el oxígeno). Compuestas: Formadas por átomos de diferentes elementos (como el agua).

Las biomoléculas compuestas se clasifican en:

Inorgánicas: Presentes tanto en materia viva como inerte

• Agua
• Sales minerales
• Dióxido de carbono

Orgánicas: Exclusivas de la materia viva

• Glúcidos
• Lípidos
• Proteínas
• Ácidos nucleicos

💡 Algunos elementos indispensables para el organismo no son bioelementos primarios porque no tienen la misma abundancia que los que forman las biomoléculas orgánicas, pero siguen siendo fundamentales para la vida.

Enlaces químicos

Los enlaces químicos pueden ser intramoleculares (fuertes y estables) o intermoleculares (débiles y dinámicos).

Enlaces intramoleculares:

1. Enlace iónico: Se forma por la atracción entre un catión (+) y un anión (-).
   • Se produce entre un metal y un no metal
   • Los metales, poco electronegativos, pierden electrones formando cationes
   • Los no metales, muy electronegativos, ganan electrones formando aniones
   • Implica transferencia de electrones
   • Tiene alto punto de fusión

Ejemplo de enlace iónico: Na (metal poco electronegativo) + Cl (no metal muy electronegativo) → Na⁺ + Cl⁻ → NaCl

Enlace covalente

Enlace covalente: Se forma entre no metales que comparten electrones. Puede ser:

• Apolar: Entre no metales iguales con electronegatividad idéntica, donde los electrones se comparten equitativamente.

  Ejemplo: H-H

• Polar: Entre no metales diferentes con electronegatividad distinta, donde los electrones se comparten desigualmente.

  Ejemplo: H-Cl (el Cl es más electronegativo que el H)

Este tipo de enlace es fundamental en la estructura de las biomoléculas orgánicas, permitiendo la formación de las complejas cadenas de carbono que caracterizan a los seres vivos.

Enlaces químicos intermoleculares

Los enlaces intermoleculares son débiles y dinámicos, pero fundamentales para la estructura tridimensional de las biomoléculas. Existen cuatro tipos:

1. Puentes de hidrógeno: Se forman entre moléculas con enlaces covalentes polares. Son débiles y pueden romperse con facilidad, pero su número los hace importantes.

2. Fuerzas de Van der Waals: Se dan entre moléculas con enlaces covalentes polares o apolares. Permiten los estados líquido y sólido del agua.

3. Interacciones hidrofóbicas: Se producen entre moléculas con enlaces covalentes apolares.

4. Fuerzas de solvatación: Se forman entre agua y moléculas con enlaces iónicos (como H₂O + NaCl).

Estos enlaces, aunque individualmente débiles, son cruciales para mantener la estructura tridimensional de proteínas, ácidos nucleicos y otras biomoléculas complejas.

El agua

El agua es la sustancia química más abundante en los seres vivos (75%) y se encuentra en tres formas:

• Agua circulante: La que está en la sangre o la savia
• Agua intersticial: La que se encuentra entre células
• Agua intracelular: La que está en el citosol y dentro de los orgánulos celulares

La molécula de agua es polar y tiene carga, lo que le confiere propiedades únicas.

Características fundamentales del agua:

1. Elevado grado de cohesión entre moléculas: Debido a los puentes de hidrógeno, el agua es un líquido incompresible ideal para dar volumen a las células, provocar turgencia en plantas y servir de esqueleto hidrostático en invertebrados.

💡 Las características especiales del agua la convierten en una molécula indispensable para la vida, funcionando como disolvente universal, regulador térmico y componente estructural.

Propiedades del agua

2. Elevada fuerza de adhesión: Las moléculas de agua tienden a adherirse a moléculas cargadas en la superficie de un tubo, permitiendo fenómenos de capilaridad como el ascenso de la savia bruta por los vasos del xilema.

3. Elevado calor específico: Se necesita mucha energía para aumentar su temperatura, ya que hay que romper los puentes de hidrógeno. Esto permite que actúe como amortiguador térmico que evita cambios bruscos de temperatura.

4. Elevado calor de vaporización: Se requiere mucha energía para que el agua pase a estado gaseoso, lo que permite la refrigeración del organismo mediante la evaporación.

5. Elevada constante dieléctrica o disolvente universal: Su polaridad le permite disolver compuestos iónicos como las sales minerales, que se disocian en cationes y aniones rodeados por moléculas de agua.

Más propiedades del agua

El agua también disuelve compuestos covalentes polares que contienen grupos ionizados, convirtiéndola en excelente vehículo de transporte de sustancias y para las reacciones bioquímicas.

6. Elevada tensión superficial: Es la fuerza que opone el líquido para que se rompa su superficie. Permite deformaciones del citoplasma celular y los movimientos internos de la célula.

7. Baja densidad en estado sólido: El agua puede estar en los tres estados físicos. En zonas frías, esto permite la vida marina, ya que el hielo flota y forma capas en la superficie, mientras que debajo el agua permanece líquida, permitiendo la supervivencia de las especies.

8. Bajo grado de ionización: El agua es difícil de disociar en moléculas de hidróxido negativas.

💡 La extraordinaria propiedad de que el agua sólida (hielo) sea menos densa que el agua líquida ha permitido la evolución de la vida acuática en zonas frías.