El documento describe cómo cuatro elementos químicos (carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno) forman la base de la materia viva a nivel molecular. Estos elementos pueden combinarse para crear un pequeño número de biomoléculas como proteínas, ADN y otros compuestos orgánicos que son esenciales para la vida. Otros elementos como fósforo, calcio y hierro también son vitales y cumplen funciones importantes en los seres vivos.

1. Bioelementos

2. Nivel molecular La naturaleza se rige por un principio de simplicidad molecular El 98 % de la materia viva se forma por la combinacion de 4 elementos quimicos Sólo existen 4 tipos de biomoléculas orgánicas Todas las proteínas conocidas se forman por la combinación de 20 aminoácidos Todos los ADN de cualquier ser vivo se forman por la combinación de 4 tipos de nucleótidos

3. (99) % de la mat. viva) Mn, Fe, Cu, Zn, Co, I B, Al, Si, F, Cr, Li, Va. Mo

4. Oligoelementos variables Oligoelementos indispensables +

6. © José Luis Sánchez Guillén Asequibilidad : son fáciles de conseguir ya que se encuentran en moléculas abundantes (CO 2 , H 2 O, nitratos) Polaridad : O y N son electronegativos, lo que favorece la formación de compuestos polares (parte de la molécula negativa y parte positiva) y emulsiones o dispersiones coloidales, en su interacción con el agua. Capacidad de oxidorreducción del C y N, al combinarse con el H (reducirse) o con el O (oxidarse) creando potenciales de oxidorreducción de gran interés en los procesos de obtención de energía (glucólisis, cadena respiratoria,…)

7. © José Luis Sánchez Guillén C, H, O, N, P, S tienen capas electrónicas externas incompletas , por lo que pueden formar fácilmente enlaces covalentes y formar biomoléculas El C es especialmente versátil formando el esqueleto molecular de la materia viva. Al tener bajos pesos atómicos forman enlaces convalentes estables y moléculas grandes y variadas. Algunos de los bioelementos secundarios (Na, K, Cl,…) tienen alta capacidad de ionización , pudiendo crear campos de fuerzas y gradientes electroquímicos, importantes en numerosos procesos biológicos (polaridad de la membrana, cadena respiratoria,…)

8. CARBONO Ti ene cuatro electrones en su periferia y puede formar enlaces covalentes estables con otros carbonos. Éstos le permiten constituir largas cadenas de átomos (macromoléculas). El carbono

9. Los atomos de carbono asimétricos están presentes en la mayoría de las biomoléculas Los átomos de C unidos a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes se llaman asimétricos Los enlaces formados por un C asimétrico se pueden disponer en el espacio de 2 formas diferentes que son imágenes especulares (estereoisómeros) una de otra ( D , L ó R , S ) Los estereoisómeros son tipo dextro ( D , R ) o levo ( L , S ) y poseen actividades biológicas completamente distintas. Los C asimétricos son la característica estereoquímica principal de los aminoácidos y los hidratos de carbono Carbonos asimétricos: estereoisomería

12. © José Luis Sánchez Guillén

13. © José Luis Sánchez Guillén

14. Funciones orgánicas © José Luis Sánchez Guillén

15. Grupo tiol - SH

16. ¿Moléculas de silicio? Si el silicio tiene una configuración electrónica como la del C y es más abundante, ¿por qué no se emplea en la formación de biomoléculas? Las cadenas formadas por átomos de silicio ( -Si -Si -) son inestables Las cadenas formadas por átomos de silicio y de oxígeno (siliconas: -Si-O-Si-O-), son tan estables que prácticamente son inalterables. Por ello, no son aptas para los procesos biológicos. Mientras que el CO 2 es gaseoso y soluble en agua, lo que permite que sea expelido por los animales y absorbido por las plantas mediante la fotosíntesis, el compuesto de silicio equivalente, SiO 2 (sílice), es sólido e insoluble en agua.

17. La polimerización y la formación de biomoléculas

18. © José Luis Sánchez Guillén debido a la estructura tetraédrica del C Alfa hélice de una proteína

19. © José Luis Sánchez Guillén

20. Fortaleza de los enlaces químicos

21. En comparación, la energía térmica a 25ºC es < 4 kJ/mol

22. El enlace covalente doble obliga a todos los atomos implicados a colocarse en el mismo plano

23. Las interacciones débiles en medio acuoso

24. © José Luis Sánchez Guillén

25. © José Luis Sánchez Guillén

26. La molécula de agua posee un momento dipolar causado por la desigual compartición de electrones El enlace de H (puente de hidrógeno)

27. Enlaces de H en macromoléculas

28. Enlaces de H en biomoléculas

30. © José Luis Sánchez Guillén

31. El enlace iónico es débil en medio acuoso

32. Los iones en solucion acuosa están rodeados de moleculas de agua (solvatados)

33. Las interacciones de V an der Waals están causadas por dipolos transitorios

34. La interacción hidrofóbica

35. Los fosfolipidos se ensamblan espontáneamente mediante interacciones hidrofóbicas formando diferentes estructuras en medio acuoso

36. La forma estable de una proteína, que posee actividad biológica, depende de interacciones débiles

37. Multiples interacciones no covalentes determinan la unión específica

38. Importancia fisiológica de los bioelementos Carbono : Formación de estructuras y material energético (esqueleto de la vida) Nitrógeno : Estructuras y reacciones energéticas (proteínas) Oxígeno : biomoléculas, transformaciones energéticas Halógenos : influencia en el metabolismo (yodo), regulación del pH Fósforo : Información genética (ADN), energética (ATP), función estructural (fosfolípidos de membrana), tampón sanguíneo (fosfato)

39. Importancia fisiológica de los bioelementos Sodio y potasio : equilibrio iónico, control del impulso nervioso Azufre : mantenimiento de la estructura terciaria de las proteínas (puentes disulfuro) Calcio : estructuras de sostén. Factor catalítico. Contracción muscular. Coagulación sanguínea, estabilización del pH Magnesio : Factor catalítico. Cofactor de la clorofila Hierro : Cadena respiratoria (citocromos), transporte de oxígeno (Hemoglobina)

40. Importancia fisiológica de los bioelementos Cobre : factor catalítico, transporte de oxígeno en invertebrados (hemocianina de artrópodos y moluscos), absorción de Fe en el tubo digestivo Cobalto : parte de la vitamina B12 Manganeso : factor catalítico (arginasa) Zinc : Factor catalítico (anhidrasa carbónica)

41. HIDRÓGENO El único electrón que posee el átomo de hidrógeno le permite formar un enlace con cualquiera de los otros bioelementos primarios.. Las moléculas formadas sólo por carbono e hidrógeno son covalentes apolares (insolubles en agua). Si algunos hidrógenos son sustituidos por grupos covalentes polares , como -OH, = CO, -CHO, -COOH, -NH 2 , -SH 2 , etc., la molécula orgánica puede llegar a ser soluble en agua. Por ejemplo, la glucosa (C 6 H 12 O 6 ) la glicerina (C 3 H 8 O 3 ) los aminoácidos, etc.

42. OXÍGENO Es el bioelemento primario más electronegativo , por lo que tiende a sustraer electrones a otros átomos, oxidándoles. La oxidación comporta la rotura de enlaces y la liberación de una gran cantidad de energía, por lo que la reacción de los compuestos de carbono con el oxígeno, la llamada respiración aeróbica , es la forma más común de obtener energía.

43. OXÍGENO Es el bioelemento primario más electronegativo , por lo que tiende a sustraer electrones a otros átomos, oxidándoles. La oxidación comporta la rotura de enlaces y la liberación de una gran cantidad de energía, por lo que la reacción de los compuestos de carbono con el oxígeno, la llamada respiración aeróbica , es la forma más común de obtener energía.

44. La oxidación de los compuestos biológicos se realiza básicamente mediante la sustracción de hidrógenos a los átomos de carbono. Como el oxígeno atrae hacia sí el electrón del hidrógeno con más fuerza que el carbono, consigue quitárselo o desplazarlo hacia él, lo que origina al menos una pérdida parcial de carga. En el proceso, se forma agua y se libera una gran cantidad de energía, que aprovechan los seres vivos. OXÍGENO C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + E nergía (ATP)

45. EL NITRÓGENO Al igual que el carbono y el azufre, presenta una gran facilidad para formar compuestos tanto con el hidrógeno (NH 3 ) como con el oxígeno (NO 3 ), lo cual permite, en el paso de una forma a la otra, la liberación de energía. Forma los grupos amino ( -NH 2 ) de los aminoácidos y las bases nitrogenadas (ácidos nucleicos). Prácticamente todo el nitrógeno es incorporado al mundo vivo por las algas y las plantas, que lo absorben disuelto en forma de i ó n nitrato (NO 3 ), producido por las bacterias fijadoras de N 2

46. EL F Ó SFORO Este elemento forma enlaces ricos en energía. Al romperse el enlace que une dos grupos fosfato -PO 3 - -PO 3 - -PO 3 2- , en el ATP, se libera al organismo la energía contenida en dicho enlace, unas 7,3 kcal por mol de grupos fosfato liberados. En estos enlaces se almacena la energía liberada en las oxidaciones de la respiración antes citada. Además, el fósforo es muy importante porque interviene en la constitución de los ácidos nucleicos (ADN y ARN), de los fosfolípidos de la membrana plasmática y de los huesos de los vertebrados, y porque ayuda a mantener constante la acidez del medio interno del organismo.

47. © José Luis Sánchez Guillén