Semana 1 bioelementos y biomoleculas

MSc. SILVIA ARA ROJAS
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1. Masa atómica es relativamente pequeña, y su capa externa está incompleta y
esto favorece que al combinarse entre sí se establezcan enlaces covalentes
estables. Cuanto menor es un átomo, mayor es la tendencia del núcleo
positivo a completar su último orbital con los electrones que forman los
enlaces, y, por tanto, más estables son dichos enlaces.

2. Dado que el oxígeno y el nitrógeno son elementos muy electronegativos, al
establecer enlaces covalentes con los otros tipos de átomos con frecuencia
dan lugar a moléculas dipolares. Dado que el agua también es dipolar, estos
compuestos se disuelven bien en ella y pueden reaccionar entre sí, haciendo
posible los procesos bioquímicos imprescindibles para la vida. El C, N y O
pueden formar enlaces dobles o triples (posibilidad de formar moléculas
diferentes).

3. El C y el N, debido a su posición central en el Sistema Periódico presentan la
misma afinidad para unirse con el O que con el H, es decir, pueden pasar con
facilidad del estado oxidado (CO2, NO3H) al reducido (CH4, NH3).

4. Los bioelementos mayoritarios pueden incorporarse fácilmente a los seres
vivos desde el medio externo ya que se encuentra en moléculas que pueden
ser captadas de manera sencilla (CO2, H2O, nitratos). Este hecho asegura el
intercambio constante de materia entre los organismos vivos y su medio
ambiente

5. Los compuestos orgánicos formados por estos átomos se hallan en estado
reducido, y reaccionan con el oxígeno para dar compuestos inorgánicos (CO2 y
H2O), de baja energía. La energía desprendida en las reacciones de oxidación
se aprovecha para las funciones vitales de los organismos.

PLÁSTICA O
ESTRUCTURAL
• C-H-O-N-P-S
• Ca
CATALÍTICA
(cofactores)
• Fe-Zn-I-Co
OSMÓTICA
• Na – K - Cl

ENLACES COVALENTES ESTABLES

Enlaces covalentes

VERSATILIDAD DEL CARBONO
Libertad de
rotación en
enlaces simples
No
permiten
rotación
libre.
Tetraedro

VERSATILIDAD DEL CARBONO
Enlaces covalentes
simples, dobles y
triples

BIOMOLÉCULAS
INORGÁNICAS
Agua Sales Gases
ORGÁNICAS
Carbohidratos Proteínas Lípidos
Ácidos
nucleicos

BIOMOLÉCULA BIOELEMENTO
CARBOHIDRATOS
PROTEÍNAS
LÍPIDOS
ÁCIDOS NUCLEICOS
C
H
O
N
P
S

Precursores: bajo peso molecular
H2O – CO2 – NH3
Intermediarios metabólicos:
Oxalacetato – Piruvato - Citrato
Unidades estructurales:
Monosacáridos – Aas - Nucleótidos
Macromoléculas : Alto peso molecular
Almidón – Proteínas - Lípidos- etc.

C
O
M
P
O
S
I
C
I
Ó
N

•Ocurren a temperaturas constantes
•La presión también debe ser constante.
•Ocurren a alta velocidad, condición para una
compatibilidad con la vida. Esto es posible
gracias a las enzimas.
•Son reguladas y regulables de acuerdo a
ciertas circunstancias.
•Toda reacción bioquímica implica un cambio

REACCIONES QUÍMICAS CELULARES
CATEGORÍAS
1. Reacciones de transferencia de
grupos
2. Reacciones de óxido reducción
3. Reacciones de ordenación de enlaces
alrededor del átomo de carbono
4. Reacciones de rotura o formación de
enlaces C-C
5. Reacciones de condensación

1. TRANSFERENCIA DE GRUPO

3. ORDENACIÓN DE ENLACES

4. ROTURA O FORMACIÓN DE ENLACES

5. CONDENSACIÓN

• Es la más abundante de las
moléculas que conforman
los seres vivos.
– Constituye entre el 50 y
el 95% del peso de
cualquier sistema vivo.
• La vida comenzó en el
agua, y en la actualidad,
dondequiera que haya
agua líquida, hay vida.
El agua

AGUA EN EL CUERPO HUMANO
Organismo % agua Tejido % agua
Algas
Caracol
Crustáceos
Espárragos
Espinacas
Estrella mar
Persona adulta
Hongos
Lechuga
Lombriz
Maíz
Medusa
Pino
Semilla
Tabaco
Trébol
98
80
77
93
93
76
62
80
95
83
86
95
47
10
92
90
Líq. cefalorraquídeo
Sangre (plasma)
Sangre (Gl. rojos)
Tej. nervioso (s.gris)
Tej. nervioso (Médula)
Tej. nervioso (s.blanca)
Músculo
Piel
Hígado
Tej. conjuntivo
Hueso (sin medula)
Tej. adiposo
Dentina
99
91-93
60-65
85
75
70
75-80
72
70-75
60
20-25
10-20
3

El agua se encuentra en la materia viva en tres formas:
1. Como agua circulante, por ejemplo, en la sangre, en la savia, etc. Se encarga
principalmente del transporte de sustancias.
2. Como agua intersticial, entre las células, a veces fuertemente adherida a la
sustancia intercelular (agua de imbibición), como sucede en el tejido
conjuntivo.
3. Como agua intracelular, en el citosol y en el interior de los orgánulos
celulares.
En los seres humanos, el agua circulante supone el 7 % de su peso, el agua intersticial
el 23 %, y el agua intracelular el 70%
Agua
intercelular
Células
Agua circulante (sangre, savia…)
Agua
intersticial

ESTRUCTURA
• Cada molécula de agua está constituida por dos átomos de
hidrógeno (H) y un átomo de oxígeno (O).
• Cada uno de los átomos de hidrógeno está unido a un átomo
de oxígeno por un enlace covalente.
– El único electrón de cada átomo de hidrógeno es compartido con el
átomo de oxígeno, que también contribuye con un electrón a cada
enlace.

Con una hibridación sp3 del átomo
de oxígeno, situado en el centro
 los dos átomos de hidrógeno
dispuestos en dos de los vértices de
dicho tetraedro
En los otros dos vértices los
electrones no compartidos de los
orbitales sp3-híbridos
El ángulo entre los dos átomos de
hidrógeno es de 104.5°
La distancia de enlace entre
oxígeno e hidrógeno es de 0.096
nm.
A. Tetraedro regular ligeramente asimétrico
CARACTERÍSTICAS

B. Dipolo
DIPOLO fuerte
El átomo de O2 es fuertemente
electronegativo y aleja los
electrones del H
Presenta doble carga
 negativa local dada por los
electrones del O2 no
compartidos
positiva parcial por los
hidrógenos
“Un dipolo es una molécula con carga eléctrica
distribuida de manera asimétrica alrededor de
su estructura”

C. Constante dieléctrica
Por su carácter dipolar tiene
Carga dielétrica alta
Aguade 78.5
Hexano = 1,9
Etanol = 24.3
Por ello disminuye las fuerzas
de atracción entre especies
cargadas y polares
Puede disolver grandes
cantidades de compuestos
cargados como las SALES

D. Formador de Puentes de hidrógeno
 Los puentes de hidrógeno se
forman entre un “vértice”
negativo de la molécula de
agua con el “vértice” positivo
de otra.
 Cada molécula de agua puede
establecer puentes de
hidrógeno con otras 3.5
moléculas de agua.
 Un puente de H es más débil
que un enlace covalente o uno
iónico, pero, en conjunto
tienen una fuerza considerable
y hacen que las moléculas se
aferren estrechamente.

 La formación de puentes de
H favorece la autoasociación
de moléculas de agua hacia
disposiciones ordenadas
 Estados del agua = grado
de ordenamiento
 Influencia en propiedades
físicas:
 Viscosidad
 Tensión superficial
 Punto de ebullición
Excepcionalmente altos

 Romper un puente de H solo requiere 4,5 kcal/mol
 Los enlaces de H le permite disolver biomoléculas orgánicas que
contienen grupos funcionales que pueden participar en formar
enlaces de H
BIOMOLÉCULA CARACTERÍSTICAS
ALDEHIDOS
CETONAS
AMIDAS
Presentan pares de electrones
solitarios que pueden aceptar H+
ALCOHOLES
ACIDOS CARBOXÍLICOS
AMINAS
Pueden servir como aceptores y
como donadores de H+
desprotegidos para formar
enlaces de H+

E. Moléculas nucleofílica
Por tener pares solitarios de electrones en una molécula rica en
electrones = nucleofílico
puede realizar ataque nucleofílico sobre átomos con pocos
electrones (electrofílicos)
Nucleofílos Electrófilos
Átomos de O2 de fosfatos,
alcoholes y ácidos carboxílicos
Carbono carbonilo en amidas
Azufre de tioles Ésteres de aldehidos y cetonas
Nitrógeno de amidas Fósforo de los fosfodiester
Anillo imidazol de histidina
HIDRÓLISIS

F. Tendencia a disociarse
Su capacidad para ionizarse es leve
Puede actuar como un ácido y como una base
Al disociarse forma:
E n solución existe bajo forma de multipolímero:
1g de H2O contiene 3.46 x 1022 moléculas de agua
Probabilidad de existir un H+ o un OH- es 1/100
Probabilidad de un H+ en agua pura ~1.8 x 10-9
Hidronio Hidroxilo
H3O+ H5O2
+ H7O3
+

CONSTANTE DEL PRODUCTO IÓN (kW)
Como su nombre lo sugiere, el producto ion Kw es igual desde el punto de vista numérico
al producto de las concentraciones molares de H+ y OH-:
A 25°C, Kw = (10–7 )2, o 10–14 (mol/L)2;
A menos de 25°C, Kw es un poco menor de 10–14
A más de 25°C es un poco mayor de 10–14.
Dentro de las limitaciones declaradas del efecto de la temperatura, Kw es igual a 10–14
(mol/L)2 para todas las soluciones acuosas

CONSTANTE DE DISOCIACIÓN (k)
“La concentración molar del agua es demasiado grande como para
que la disociación la afecte de manera significativa

Propiedades Físicas y Químicas
1. Densidad máxima a 4 °C:

2. Elevado Calor Específico (1 cal/g x °C)
3. Elevada Temp. de ebullición:

4. Elevado Calor de Vaporización: 536 cal/g).
5. Elevada Conductividad Calórica:

6. Disolvente de compuestos polares no iónicos:
7. Hidratación o Solvatación de Iones

8. Disolvente de
Moléculas
Anfipáticas
9. Elevada Tensión
Superficial

10. Transparencia

Funciones Bioquímicas y Fisiológicas
del Agua
• Componente estructural de macromoléculas: proteínas,
polisacáridos, etc., ya que estabiliza su estructura (formación de
puentes de hidrógeno).
• Disolvente universal de sustancias iónicas, antipáticas y polares no
iónicas,
– permite que se produzcan casi todas las reacciones bioquímicas, y es un
excelente medio de transporte en el organismo.
• Sustrato o el producto de diversas reacciones enzimáticas.
– Puede actuar como cosustrato en reacciones catalizadas por hidrolasas e
hidratasas, o puede ser el producto de reacciones catalizadas por oxidasas.
• Asimismo, participa como reactante o como producto en infinidad
de vías metabólicas.
• El carácter termorregulador del agua permite conseguir un
equilibrio de temp. en todo el cuerpo, la disipación de cantidades
elevadas de calor metabólico, etc

AMORTIGUADORES DE pH
Para un ácido débil que se disocia:

Las soluciones de ácidos débiles y sus sales amortiguan cambios del pH

Una solución de ácido débil y su base conjugada amortigua de manera
más eficiente en el rango de pH de su pKa ± 1.0 unidades de pH

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