Bioelementos y Biomoléculas

Bioelementos

Los elementos son formas de materia que no pueden ser divididos en otras sustancias mediante reacciones químicas y de los 118 elementos que se ha encontrado hasta la fecha solo 92 ocurren de manera natural, 70 aparecen en los seres vivos y 25 aparecen en todos los seres vivos.

Dependiendo de su abundancia en los seres vivos los diferenciamos en:

Bioelementos primarios

Son carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). Constituyen aproximadamente el 95% de la materia viva y son indispensables para la formación de glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

  • El carbono, el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno tienen una masa atómica muy baja y son capaces de adquirir diferentes valencias, por lo que forman enlaces covalentes fuertes y estables, que les permiten crear una gran diversidad de moléculas. Además tanto el Carbono como el Nitrógeno tienen la misma afinidad por el oxígeno que por el hidrógeno, por lo que son capaces de oxidarse y reducirse con facilidad, hecho necesario en las reacciones metabólicas.

enlaces moléculas orgánicas, enlaces bioquímica

  • El fósforo es parte integrante de los nucleótidos, de  coenzimas (NAD+, NADP+, etc.)de los  fosfolípidos y de los fosfatos.
  • El azufre forma parte de los sulfatos y se halla en la cisteína y la metionina, dos aminoácidos  presentes en la mayor parte de las proteínas, y en otras sustancias como la Coenzima A  y las vitaminas del complejo B.

Bioelementos secundarios

Sodio (Na+ ), Potasio (K+ ), Cloro (Cl), Calcio (Ca2+ ) y Magnesio (Mg2+ ). Son algo menos del 4,5% de la materia viva y resultan imprescindibles para los seres vivos.

  • El sodio, el potasio y el cloro forman parte de las sales minerales disueltas en el agua e intervienen en muchos procesos fisiológicos.
  • El calcio disuelto también interviene en muchos procesos fisiológicos y también forma parte del carbonato cálcico (CaCO3), componente principal de las estructuras esqueléticas de muchos animales.
  • El magnesio en forma iónica actúa como catalizador enzimático de muchas reacciones químicas celulares y también forma parte de la molécula de clorofila.

Oligoelementos

Aparecen en concentraciones muy bajas (menos del 0,1%) pero son necesarios para el correcto funcionamiento del organismo.

  • Esenciales: son Hierro (Fe), Manganeso (Mn), Cobre (Cu), Zinc (Zn) y Cobalto (Co).
    • El hierro actúa como catalizador enzimático y forma parte de proteínas de funciones muy importantes, como los citocromos, la clorofila o la hemoglobina.
    • El manganeso interviene en la fotólisis del agua durante el proceso de fotosíntesis en las plantas.
    • El cobre y el zinc intervienen como biocatalizadores en muchas reacciones químicas celulares.
    • El cobalto forma parte de la vitamina B12 necesaria para la síntesis de la hemoglobina y la formación de eritrocitos, además de ser fundamental para los microorganismos fijadores del nitrógeno.
  • No esenciales: son los restantes, hasta completar los 70 elementos de los que hemos hablado anteriormente. Entre ellos destacan:
    • El flúor, que forma parte del esmalte dental y de los huesos.
    • El yodo, necesario para formar la hormona tiroidea que regula el metabolismo energético.
    • El silicio proporciona resistencia y elasticidad al tejido conjuntivo, y forma parte del esqueleto de algunas plantas, como los cereales, y de algunos  microorganismos, como las algas diatomeas.
    • El cromo interviene en la regulación de la concentración de glucosa en la sangre.
    • El litio actúa sobre los neurotransmisores y la permeabilidad celular y es un estabilizador del estado de ánimo.

Biomoléculas

Los bioelementos se unen entre sí mediante enlaces químicos para formar moléculas que denominamos biomoléculas: las moléculas que constituyen los seres vivos.

Enlaces intramoleculares

Son los enlaces que requieren energía para romperlos.

Enlace iónico

Algunos átomos son estables cuando ganan o pierden electrones, dejando complete su capa electrónica más externa por lo que forman iones.

  • Los cationes son iones positivos ya que han perdido electrones.
  • Los aniones son iones negativos y se forman ganando electrones.

Esta transferencia electrónica que se produce entre iones y cationes ocurre de manera simultánea y da lugar a las sales inorgánicas. Estas sales no son moléculas en sí mismas sino agregados que forman redes cristalinas que son sólidas.

Enlace covalente

Otra formar de completar la última capa electrónica es que los elementos compartan electrones formando enlaces covalentes. Estos enlaces son los más comunes entre las biomoléculas, y se clasifican en: sencillos (comparten un par de electrones), dobles (comparten dos pares de electrones) o triples (comparten tres pares de electrones).  Por supuesto cuantos más electrones compartan más fuerte es la unión entre los elementos.

Existen dos tipos de enlaces covalentes:

  • Enlace apolar: los electrons se comparten entre ambos átomos por igual ya que los elementos tienen una electronegatividad igual o similar, cómo entre dos átomos del mismo elemento o entre los átomos de carbono e hidrógeno.
  • Enlace polar: los electrones son más atraídos por un elemento que por el otro provocando una distribución desigual de los electrones provocando una carga parcial en la molécula.

Enlaces intermoleculares

Son enlaces más débiles que los iónicos y covalentes y se pueden crear y romper con facilidad. Su importancia radica en la unión de todas las uniones débiles que son las causantes de las propiedades físicas de la materia: estado físico (gas, líquido o sólido), punto de fusión y ebullición, solubilidad,…

Además participan en las estructuras tridimensionales de las biomoléculas lo que determina no sólo su arquitectura y también su función biológica.

Interacciones electrostáticas

Interacciones débiles entre grupos moleculares que tienen carga. Pueden ser de atracción, si las cargas son opuestas, o de repulsión, si las cargas son iguales..

Fuerzas de Van der Waals

Interacciones débiles entre moléculas sin carga pero que forman dipolos como consecuencia de la existencia de enlaces covalentes polares.

Los puentes de hidrógeno son un tipo particular de estas fuerzas que presentan moléculas con electronegatividades  muy diferentes a las del hidrógeno, como el oxígeno o el nitrógeno. Están presentes en multitud de estructuras moleculares y son los responsables exclusivos de la estructura en doble hélice del ADN o del plegamiento de la mayoría de proteínas.

puente hidrógeno, Van der Vaals

Interacciones hidrofóbicas

Interacciones entre  moléculas apolares en medio acuoso, ya que se mantienen unidas entre sí debido a la repulsión al agua. Estas interacciones son necesarias para el establecimiento, por ejemplo, de las membranas celulares.

Grupos funcionales

Los grupos funcionales son grupos concretos de átomos que confieren a las moléculas de las que forman parte propiedades químicas específicas.

Estos grupos funcionales se encuentran a lo largo del esqueleto de carbono que forma las principales biomoléculas sustituyendo a otros elementos en las cadenas o anillos carbonados. Hidratos de carbono, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos tienen grupos funcionales característicos que les confieren sus propiedades específicas.

Clasificación de grupos funcionales

Grupo funcional Fórmula estructural Propiedades
Hidroxilo (Alcohol)

–          Primario

–          Secundario

R-OH

R-CH2-OH

R1-CHOH-R2

Polar

Hidrofílico

Sulfhidrilo (Tiol) R-SH Polar
Metilo R-CH3 Apolar
Carbonilo

–          Aldehído (C primario)

–          Cetona (C secundario)

R-CO-H

 

R1-CO-R2

Polar
Carboxilo R-COOH Polar

Acídico

Éster R1-COO-R2 Polar
Amino R-NH2 Polar

Básico

Amido R1-CO-NH-R2 Básico
Fosfato R-PO32- Acídico

 

Clasificación de las biomoléculas

Biomoléculas inorgánicas

Agua

Sales minerales y Moléculas gaseosas

Biomoléculas orgánicas

Glúcidos

Lípidos

Proteínas

Ácidos nucleicos

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