PREGUNTAS RESUELTAS. BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS

PREGUNTAS RESUELTAS. BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS. AGUA Y SALES MINERALES.

PREGUNTAS RESUELTAS.

 1  .- ¿Qué propiedades presenta el átomo de carbono que le permiten ser el elemento químico básico en la constitución de las moléculas de los seres vivos?

2  .- ¿Qué son las biomoléculas o principios inmediatos?; ¿qué tipos conoces?

3  .- ¿Cuáles son los principales tampones que actúan en los seres vivos?

4  .- ¿Qué es la ósmosis? Define los conceptos de membrana semipermeable y de disolución hipoosmótica, hiperosmótica e isoosmótica.

5  .- Estudia los siguientes diagramas e indica las principales diferencias entre la composición de la corteza terrestre y el cuerpo humano.

6  .- ¿Qué es una macromolécula? Realiza una tabla de las principales macromoléculas presentes en los seres vivos, indicando los monómeros que las originan.

7  .- ¿Qué es una reacción de hidrólisis?; ¿de qué forma puede actuar el agua como reactivo químico?

8  .- ¿Qué es la escala de pH? Si el pH de una disolución aumenta un punto, ¿cómo varía la concentración de H+?

9  .- ¿Qué consecuencias tendría para un organismo la pérdida del equilibrio iónico?

10  .- Indica la función y el grupo al que pertenecen los siguientes bioelementos:Fe, C, Ca, Na y P.

11  .- ¿Qué son las interacciones hidrofóbicas? ¿Cuál es su importancia biológica?

12  .- ¿Con cuántas moléculas vecinas puede enlazar una molécula de agua? Justifica la respuesta.

13  .- ¿Qué es una disolución amortiguadora o tampón?;  ¿cómo actúa?

14  .- ¿En qué formas pueden encontrarse las sales minerales en los seres vivos? ¿Qué funciones realizan en cada caso?

15  .- ¿Qué son los bioelementos?, ¿cómo se clasifican?

16  .- ¿Por qué decimos que el agua es un dipolo? ¿Cuáles son las consecuencias de su estructura dipolar?

17  .- Indica si las disoluciones son ácidas, básicas o neutras; la concentración de OH-, y el valor del pH de cada disolución.

18  .- ¿Qué es un oligoelemento? Señala tres ejemplos y explica su función.

19  .- Además de los enlaces covalentes que mantienen unidos los átomos de las moléculas orgánicas, ¿qué otros tipos de interacciones moleculares se establecen entre ellas?

20  .- ¿Por qué se dice que el agua es el disolvente universal?

 SOLUCIONES:

1  .- ¿Qué propiedades presenta el átomo de carbono que le permiten ser el elemento químico básico en la constitución de las moléculas de los seres vivos? Solución: Las características del átomo de carbono son: - Forma con facilidad enlaces covalentes fuertes y estables, lo que confiere gran estabilidad a las moléculas de los seres vivos. - Los átomos de carbono se pueden unir entre sí formando largas cadenas, moléculas ramificadas, e, incluso, cíclicas, lo que permite construir moléculas variadas y complejas. - El carbono presenta cuatro orbitales enlazantes dispuestos en forma de tetraedro a los que pueden unirse hasta cuatro átomos o grupos funcionales diferentes. Esto permite la formación de gran cantidad de moléculas tridimensionales con propiedades diferentes. - Los átomos de carbono forman dobles y triples enlaces entre sí y con el oxígeno y el nitrógeno, produciéndose un aumento de las variantes moleculares. - Las características del átomo de carbono permiten la formación de una inmensa variedad de moléculas con estructuras y propiedades distintas. La gran variabilidad y complejidad que muestran los seres vivos es consecuencia de este hecho.

2  .- ¿Qué son las biomoléculas o principios inmediatos?; ¿qué tipos conoces? Solución: Las biomoléculas son las moléculas que constituyen a los seres vivos. Anteriormente se las llamaba principios inmediatos, ya que son compuestos o grupos de compuestos que se obtienen a partir de una muestra biológica por métodos exclusivamente físicos, tales como centrifugación, diálisis, filtración... Se distinguen dos tipos de biomoléculas: Inorgánicas. No son exclusivas de los seres vivos, y son el agua y las sales minerales. Orgánicas. Son exclusivas de los seres vivos. Son los glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos.           

3  .- ¿Cuáles son los principales tampones que actúan en los seres vivos? Solución: Entre los principales tampones que actúan en los seres vivos, podemos citar dos:  - El tampón fosfato, que actúa en el medio intracelular y tiene una zona de capacidad de tamponamiento alrededor de valores de pH de 6,86. Su actividad es debida al equilibrio entre el fosfato monobásico y el fosfato dibásico.  - Tampón bicarbonato: actúa en los líquidos extracelulares como la sangre. Su actividad se presenta en torno a valores de pH de 7,4. Su funcionamiento se basa en el equilibrio existente entre el ion bicarbonato y el ácido carbónico, que, a su vez, puede disociarse en CO2 y H2O.            

4  .- ¿Qué es la ósmosis? Define los conceptos de membrana semipermeable y de disolución hipoosmótica, hiperosmótica e isoosmótica. Solución: La ósmosis es un fenómeno mediante el cual dos disoluciones de distinta concentración y que se encuentran separadas por una membrana semipermeable tienden a igualar sus concentraciones por el paso de agua desde la solución más diluida hacia la más concentrada. Membrana semipermeable: es aquella que permite el paso del agua, pero no el de las sustancias disueltas en ella (solutos). Disoluciones isoosmóticas: son dos disoluciones que presentan la misma concentración. Disolución hipoosmótica e hiperosmótica. Una disolución hipoosmótica es aquella que presenta menor concentración frente a otra llamada hiperosmótica.           

5  .- Estudia los siguientes diagramas e indica las principales diferencias entre la composición de la corteza terrestre y el cuerpo humano. Solución: En los diagramas se observa que la composición de la corteza terrestre presenta grandes diferencias con la de un ser vivo como es el hombre.  - Los elementos más abundantes de la corteza son O, Si, Al y Fe, mientras que el 99% de la masa del cuerpo humano está formada por C, H, O y N. Únicamente el oxígeno es un elemento mayoritario en ambas muestras.  - Es importante señalar el hecho de que el carbono, que es la base de las moléculas de los seres vivos, es un elemento muy minoritario en la corteza terrestre, mientras que un elemento con características semejantes a él, como es el silicio, es uno de los compuestos más abundantes.  - El Al y el Fe son elementos muy abundantes en la corteza terrestre (7,9% y 4,5%, respectivamente), pero aparecen en la composición de los seres vivos como elementos traza. La comparación entre la composición de la corteza terrestre, el lugar donde se desarrolla la vida, y la del hombre nos lleva a pensar que la evolución química seleccionó aquellos elementos químicos que presentan unas características idóneas para constituir las moléculas de los seres vivos. Aquellos elementos capaces de dar lugar a una gran variedad de moléculas estables y complejas.          

6  .- ¿Qué es una macromolécula? Realiza una tabla de las principales macromoléculas presentes en los seres vivos, indicando los monómeros que las originan. Solución: Las macromoléculas son polímeros formados en reacciones de polimerización por la unión de moléculas más sencillas, llamadas monómeros o eslabones estructurales. Las macromoléculas, a su vez, pueden despolimerizarse, obteniéndose los correspondientes monómeros.               

7  .- ¿Qué es una reacción de hidrólisis?; ¿de qué forma puede actuar el agua como reactivo químico? Solución: La hidrólisis es una reacción química que consiste en la ruptura de enlaces moleculares mediante la incorporación de una molécula de agua. En la hidrólisis, el agua actúa de forma disociada, proporcionando a la reacción los iones H+ y OH- necesarios. El agua actúa como reactivo químico de dos formas:  - Como agua disociada, proporcionando los H+ y OH- necesarios para las reacciones de hidrólisis.  - En reacciones de óxido-reducción, facilitando O2 y H2 , como ocurre, por ejemplo, en la fotosíntesis, que utiliza el H2O como último dador de electrones y desprende oxígeno.           

8  .- ¿Qué es la escala de pH? Si el pH de una disolución aumenta un punto, ¿cómo varía la concentración de H+? Solución: El agua se comporta como un electrólito débil en el que una pequeña cantidad de moléculas se encuentran disociadas según la ecuación: H2O  ? H+ + OH- A 25 ?C el equilibrio que se establece es el siguiente: [H+] · [OH- ] = 1,0 · 10-14 que es una constante llamada producto iónico del agua. De este valor se deduce que:  [H+] = [OH- ] = 1,0 · 10-7 Cuando el agua contiene sustancias disueltas, el equilibrio varía, de tal modo que si la [H+] aumenta, la [OH-] disminuye, y viceversa. Así, una disolución donde la [H+] = 10-7 es una disolución neutra; si la [H+] > 10-7, es ácida, y si [H+] < 10-7, es alcalina o básica. Para simplificar el cálculo, se ha definido la escala de pH, que expresa la [H+] utilizando logaritmos. El pH se define como el logaritmo negativo de la concentración de H+: pH = -log [H+] Si el pH = 7, la disolución es neutra; un valor de pH < 7 indica una disolución ácida, y  un pH > 7, básica. Como la escala de pH es logarítmica, el aumento de un punto en su valor supone una disminución de diez veces en la concentración de H+.   

9  .- ¿Qué consecuencias tendría para un organismo la pérdida del equilibrio iónico? Solución: El mantenimiento del equilibrio iónico es fundamental para el correcto funcionamiento de los seres vivos. La pérdida de este equilibrio puede conducir a graves alteraciones, como son:  - La generación de fenómenos osmóticos en las células que pueden conducir a la muerte celular.  - La eliminación de la acción antagónica que realizan algunos cationes para regular la actividad de órganos como el corazón. En general, este antagonismo se ejerce entre un catión monovalente que realiza una acción que es contrarrestada por uno divalente.  - La pérdida de solubilidad de algunas proteínas, ya que las sales minerales modifican las propiedades disolventes del agua.  - Se verían afectadas otras acciones específicas controladas por las sales minerales, como la actividad de muchas enzimas, la transmisión del impulso nervioso, la contracción muscular, etc.          

10  .- Indica la función y el grupo al que pertenecen los siguientes bioelementos:Fe, C, Ca, Na y P. Solución: Hierro (Fe). Se incluye en los oligoelementos. Es un componente de los grupos hemo de las moléculas que transportan o almacenan oxígeno (hemoglobina y mioglobina). Además, es un cofactor de enzimas mitocondriales transportadoras de electrones. Carbono (C). Es un bioelemento primario. Es el constituyente básico de las moléculas de los seres vivos. Calcio (Ca). Pertenece a los bioelementos secundarios. En forma iónica, participa en la contracción muscular, en la coagulación sanguínea y en la transmisión del impulso nervioso. Como CaCO3, forma estructuras esqueléticas. Sodio (Na). Bioelemento secundario. Participa en la creación de los gradientes de membrana, imprescindibles para la transmisión del impulso nervioso. Mantiene el equilibrio osmótico y neutraliza las cargas de las macromoléculas. Fósforo (P). Es un bioelemento primario. Está presente en muchas moléculas biológicas como los fosfolípidos, los ácidos nucleicos o el ATP (donde forma enlaces ricos en energía). En forma de fosfatos, aparece en esqueletos y dientes, y tiene acción tamponadora.           

11  .- ¿Qué son las interacciones hidrofóbicas? ¿Cuál es su importancia biológica? Solución: Las interacciones hidrofóbicas se producen entre grupos apolares o hidrófobos  que tienden a agruparse entre sí para evitar el contacto con el agua. Tienen gran importancia biológica, ya que son las responsables de la formación de las membranas biológicas y del plegamiento de muchas proteínas. Las membranas biológicas están constituidas por moléculas anfipáticas (fosfolípidos). Estas forman bicapas, situando sus grupos polares en contacto con el agua y las cadenas hidrófobas enfrentadas entre sí para evitar el contacto con el agua. Son también las responsables del plegamiento de muchas proteínas, macromoléculas formadas por la unión de aminoácidos. Algunos aminoácidos presentan grupos hidrófobos que repelen el agua e interaccionan con otros similares, provocando el plegamiento específico de la proteína.             

12  .- ¿Con cuántas moléculas vecinas puede enlazar una molécula de agua? Justifica la respuesta. Solución: El carácter dipolar de la molécula de agua permite que, potencialmente, pueda establecer enlaces de hidrógeno con otras cuatro moléculas de agua. Cada uno de los hidrógenos de una molécula puede establecer interacciones con las cargas parciales negativas de los oxígenos de otras dos moléculas, mientras que las dos cargas negativas del átomo de oxígeno pueden enlazar con las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras dos. En el agua líquida, los puentes de hidrógeno se forman y se destruyen continuamente, estableciendo cada molécula de agua un promedio de 3,4 enlaces con sus vecinas. En el hielo, cada molécula forma el número máximo de enlaces (cuatro) originando una estructura reticular regular.             

13  .- ¿Qué es una disolución amortiguadora o tampón?;  ¿cómo actúa? Solución: Los sistemas amortiguadores, tampón o buffer son soluciones acuosas de ácidos débiles que neutralizan las variaciones de pH de un medio aunque se añadan cantidades apreciables de un ácido o de una base. Los sistemas amortiguadores se basan en las propiedades de los ácidos débiles, que son aquellos que no se disocian totalmente en disoluciones acuosas, y que, a determinados valores de pH, actúan como ácidos o como bases, es decir, ceden protones al medio o los aceptan. Cuando en el medio existe un exceso de H+, el tampón actúa como base y los acepta, y, cuando se produce un exceso de OH- actúa como un ácido, liberando protones que los neutralizan. La capacidad de amortiguación del tampón se produce en torno a un valor de pH próximo al pK del ácido. El pK es la constante de ionización, y se corresponde con un valor de pH en el que existe la misma cantidad de ácido en estado disociado y sin disociar. Cada ácido débil tiene un pK característico, y, por tanto, actúan como amortiguadores a diferentes valores de pH.          

14  .- ¿En qué formas pueden encontrarse las sales minerales en los seres vivos? ¿Qué funciones realizan en cada caso? Solución: Las sales minerales se encuentran en los seres vivos en dos formas:  - Forma sólida o precipitada. Actúan originando formas esqueléticas y de sostén. Por ejemplo, el CaCO3 participa en la formación de los esqueletos de moluscos, crustáceos, corales y vertebrados. El fosfato cálcico endurece los huesos de los vertebrados. La sílice forma el caparazón de algunos microorganismos como las diatomeas e impregna tallos de algunas plantas como las gramíneas.  - En disolución se encuentran en forma iónica, siendo los principales iones: Entre las funciones de las sales en disolución destacan:  - Actúan como sistemas tampón controlando las variaciones del pH.  - Mantienen el equilibrio osmótico.  - Modifican las propiedades disolventes del agua.  - Contribuyen a estabilizar los coloides.  - Presentan acciones específicas participando en un gran número de  procesos fisiológicos, como la activación de enzimas, la transmisión del impulso, la contracción muscular, la creación de potenciales de membrana, la coagulación sanguínea, etc.      

15  .- ¿Qué son los bioelementos?, ¿cómo se clasifican? Solución: Los bioelementos son los elementos químicos que constituyen las moléculas de los seres vivos. De todos los elementos conocidos, se han identificado como bioelementos unos setenta, aunque solo son comunes a todos los seres vivos alrededor de veinticinco. Los bioelementos se clasifican en tres grupos:  - Bioelementos primarios. Constituyen las moléculas de los seres vivos y representan el 99% de la masa de las células. Son el C, el H, el O y el N y, en menor proporción, el S y el P.  - Bioelementos secundarios. Aparecen generalmente en forma iónica, y son el Na+, el Ca2+, el K+, el Mg2+ y el Cl-. Se encuentran presentes en el medio celular en pequeñas cantidades, incluso en proporciones por debajo del 0,1%.  - Oligoelementos. Son aquellos elementos químicos que están presentes en los seres vivos de forma vestigial (por debajo del 0,1%), pero cuya presencia es fundamental para permitir su buen funcionamiento. Su ausencia suele provocar enfermedades carenciales, aunque si superan una cierta concentración producen intoxicaciones. Se conocen alrededor de sesenta oligoelementos, entre los que se encuentran el Fe, el Cu, el Zn, el Mn, el Co, el I...          

16  .- ¿Por qué decimos que el agua es un dipolo? ¿Cuáles son las consecuencias de su estructura dipolar? Solución: El agua es una molécula formada por la unión de un átomo de oxígeno con dos átomos de hidrógeno. Su naturaleza dipolar se debe a que el átomo de oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno. Este hecho provoca que los electrones compartidos en los enlaces se sitúen más cerca del oxígeno que de los hidrógenos, generándose dos cargas parciales negativas en la zona del oxígeno y una carga parcial positiva en cada uno de los hidrógenos.  Aunque la molécula de agua presenta una carga neta neutra, es una molécula dipolar. Debido a la separación de cargas, las moléculas de agua pueden atraerse entre sí por fuerzas electrostáticas entre las cargas parciales negativas situadas sobre el oxígeno de una molécula y las cargas parciales positivas situadas sobre los hidrógenos de otras. Este tipo de atracción electrostática se llama enlace por puentes de hidrógeno. Cada molécula de agua puede formar, teóricamente, enlaces de hidrógeno con cuatro moléculas vecinas. Estos enlaces se forman y se destruyen continuamente, lo que hace que el agua a temperatura ambiente sea un líquido que presenta una elevada cohesión interna, baja viscosidad y elevada reactividad química. Se dispone de tres disoluciones que presentan las siguientes concentraciones de H+:                            - Disolución 1:    [H+] = 1,0 · 10-7  - Disolución 2:    [H+] = 1,0 · 10-2  - Disolución 3:    [H+] = 1,0 · 10-9        

17  .- Indica si las disoluciones son ácidas, básicas o neutras; la concentración de OH-, y el valor del pH de cada disolución. Solución: Disolución 1: Neutra. [OH- ]  = 1,0 · 10-7 pH = 7. Disolución 2: Ácida. [OH- ] = 1,0 · 10-12 pH = 2. Disolución 3: Básica. [OH- ] = 1,0 · 10-5 pH = 9   

18  .- ¿Qué es un oligoelemento? Señala tres ejemplos y explica su función. Solución: Los oligoelementos son aquellos elementos químicos que están presentes en los seres vivos de forma vestigial (por debajo del 0,1%), pero su presencia es fundamental para permitir su buen funcionamiento. Su ausencia suele provocar enfermedades carenciales, aunque si superan una cierta concentración producen intoxicaciones. Se conocen alrededor de sesenta oligoelementos, entre los que se encuentran el Fe, el Mn, el Co.  - Hierro (Fe). Es un componente de los grupos hemo de las moléculas transportadoras de oxígeno (mioglobina y hemoglobina). Además, es un cofactor de enzimas mitocondriales transportadoras de electrones.  - Manganeso (Mn). Actúa como catalizador en muchas reacciones químicas. Participa en la fotólisis del agua durante la fotosíntesis.  - Cobalto (Co). Forma parte de la vitamina B12, que es necesaria para la síntesis de la hemoglobina.           

19  .- Además de los enlaces covalentes que mantienen unidos los átomos de las moléculas orgánicas, ¿qué otros tipos de interacciones moleculares se establecen entre ellas? Solución: En las moléculas orgánicas se produce otro tipo de enlaces no covalentes que mantienen la estructura de ciertas moléculas complejas o que asocian unas moléculas a otras. Estas interacciones son las siguientes:  - Enlaces o puentes de hidrógeno. Se forman entre un átomo de hidrógeno que está unido covalentemente a un átomo electronegativo y otro átomo electronegativo. En este caso, el hidrógeno es atraído por dos átomos diferentes. Estabilizan la estructura tridimensional de las proteínas y de los ácidos nucleicos.  - Interacciones electrostáticas. Se produce cuando un grupo funcional que presenta carga iónica (+) o (-) es atraído por otro de carga opuesta. También se llaman enlaces iónicos.  - Interacciones hidrofóbicas. Se producen entre grupos apolares o hidrófobos que tienden a agruparse entre sí para evitar el contacto con el agua. Son las responsables de la formación de las membranas biológicas y del plegamiento de muchas proteínas.  - Fuerzas de Van der Waals: son interacciones muy débiles e inespecíficas que se producen entre dos átomos que se encuentran a una distancia superior a un valor mínimo, por debajo del cual se produce repulsión entre sus nubes de electrones. Debido a su debilidad, son importantes cuando se suman muchas de estas interacciones entre dos moléculas. Participan en las uniones enzima-sustrato y antígeno-anticuerpo.          

20  .- ¿Por qué se dice que el agua es el disolvente universal? Solución: El agua es el disolvente universal porque es capaz de disolver más sustancias que cualquier otro líquido conocido. Esto es posible gracias a la polaridad de la molécula de agua, que permite establecer interacciones electrostáticas entre sus cargas positivas y negativas con cualquier compuesto iónico y con moléculas que presentan grupos polares. Los compuestos que se disuelven en el agua son:  - Compuestos iónicos como las sales minerales. Se disuelven gracias a la atracciones electrostáticas que se establecen entre los dipolos del agua y los iones de la sal.  - Moléculas polares (con grupos carbonilos, hidroxilos, carboxilo...). Se disuelven con facilidad estableciendo puentes de hidrógeno entre el agua y los grupos funcionales de las moléculas.  - Moléculas anfipáticas (con grupos polares y grupos no polares). Se dispersan en el agua formando micelas, quedando los grupos polares en contacto con el agua, y los apolares, hacia el interior de la micela. El tampón bicarbonato controla las variaciones de pH de la sangre. Explica cómo actúa ante un aumento en la concentración de H+ y ante una disminución de dicha concentración. El tampón bicarbonato presenta su actividad en torno a valores de pH de 7,4. Su funcionamiento se basa en el equilibrio existente entre el ion bicarbonato y el ácido carbónico, que, a su vez, puede disociarse en CO2 y H2O.  - Cuando se produce un aumento en la concentración de H+ en la sangre, es decir, se produce acidificación, el equilibrio del tampón bicarbonato se desplaza hacia la derecha aumentando la cantidad de ácido carbónico (H2CO3). Este se disocia en CO2 y H2O, eliminándose el exceso de CO2 al exterior.  - Si se produce una disminución de la concentración de H+, el medio se alcaliniza, el equilibrio se desplaza a la izquierda, para lo cual debe incorporarse CO2 del exterior que al combinarse con el H2O repara las pérdidas de H2CO3. La concentración salina del protoplasma de los glóbulos rojos es, aproximadamente, de 0,3 M. ¿Qué sucedería si introdujéramos glóbulos rojos en agua destilada?, ¿y si los introdujéramos en una disolución cuya concentración fuera 0,7 M? Las membranas de los glóbulos rojos, al igual que todas las membranas biológicas, se comportan como membranas semipermeables. Por tanto, al introducir glóbulos rojos en disoluciones de diferente concentración, sufrirán fenómenos osmóticos.  - En el caso del agua destilada, los glóbulos rojos se encuentran en una disolución hipoosmótica respecto a la concentración de su citoplasma. La consecuencia será la entrada de agua a la célula para intentar equilibrar las concentraciones. Esta entrada de agua provocará que la célula estalle.  - En una disolución 0,9 M la célula se encuentra en un medio hiperosmótico, por lo que el agua tiende a salir al medio extracelular. La célula se arrugará (retracción), pudiendo llegar a producirse la muerte celular.