BIOMOLECULAS

Clase Virtual
TEMA: BIOMOLÉCULAS

CLASE - POWER POINT: QUÍMICA DE LA VIDA (Bioelementos, Biomoléculas, Agua) por el Mg. Frank Alfaro G.




TEMA: "EL AGUA"

DEFINICIÓN
Molécula inorgánica binaria, compuesta por dos átomos de hidrogeno y uno de oxigeno.

CARACTERÍSTICAS
El agua químicamente pura es un liquido inodoro e insípido; incoloro y transparente en capas de poco espesor, toma color azul cuando se mira a través de espesores de seis y ocho metros, porque absorbe las radiaciones rojas.

DISTRIBUCIÓN
El agua no solo es el compuesto más abundante de la naturaleza, sino también la molécula más abundante de los seres vivos. Organismos sencillos como las medusas poseen un 98% de agua corporal; en el hombre adulto, un ser con mayor complejidad, el porcentaje de agua llega al 63%, siendo el cerebro el órgano mas hidratado con 90% de agua. En las plantas, las semillas cuentan con 10% de agua, mientras que las frutas alcanzan hasta el 96%.

El agua se encuentra en tres estados: Sólido, constituyendo el hielo de las regiones polares donde la temperatura esta bajo cero y en las cumbres muy altas, en forma de nieve o de escarcha en estaciones invernales; Líquido, formando océanos, lagos, nos, cochas, etc.; y Gaseoso, formando parte de la atmósfera, donde proporciona la humedad ambiental necesaria para la supervivencia de los seres vivos.

El agua se encuentra distribuida en los mares, que constituyen la reserva más importante de agua, los depósitos de hielo o de nieve, las aguas terrestres, la atmósfera y por ultimo la biosfera. Con mayor precisión, determinamos que- el mar contiene , es decir, el 97% de toda el agua contenida en la hidrosfera.

Los continentes presentan  de agua que, principalmente, se localizan en los hielos árticos y antárticos. La atmósfera solo alberga una cien milésima parte del contenido en agua del sistema climático:  de agua. El agua continental se distribuye de la siguiente forma: en los glaciares ; las aguas subterráneas y valdosas (suelos) alcanzan valores de  y finalmente en la materia viva , debido a que nuestro origen se dio en los mares primitivos.


Observemos el siguiente vídeo:


ESTRUCTURA MOLECULAR
La molécula de agua esta compuesta por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Entre el oxigeno y cada uno de los hidrógenos se establece un enlace covalente polar, un par de electrones compartidos; pero el oxigeno, por ser mas electronegativo, termina concentrando los electrones en su zona, esto determina una molécula dipolar con polo positivo y polo negativo.

La disposición de los átomos de hidrógeno respecto del oxigeno es tal que entre ellos forman un ángulo de 104,5°. La molécula de agua presenta bajo peso molecular, es por tal razón que puede encontrarse en estado gaseoso.

NATURALEZA DEL AGUA
1. Dipolaridad
La molécula de agua es dipolar, esta característica surge por la presencia de los enlaces covalentes polar entre los átomos de hidrógeno y el átomo de oxigeno; y, además, por la presencia de un ángulo HOH que mide 104,5°. 

El ángulo dispone a los átomos de hidrógeno hacia un lado de la molécula, el tipo de enlace hace posible que los electrones compartidos de los átomos de hidrógeno se orienten mas hacia el oxígeno por presentar una mayor electronegatividad; al concentrar más electrones, el oxígeno genera que su entorno presente una carga negativa para así originar un polo negativo (-), los protones del hidrógeno quedan expuestos en un lado de la molécula de agua con lo cual se origina su polo positivo (+).

En la estructura tetraédrica de la molécula de agua se puede observar la existencia de dos pares de electrones compartidos. 

2. Cohesión molecular: La unión entre dos moléculas de agua adyacentes ocurre por una fuerte atracción electromagnética (dipolo-dipolo) denominada puente de hidrógeno. 
El puente de hidrógeno es una interacción electrostática entre el núcleo de hidrógeno de una molécula de agua y el par de electrones no compartidos de otra; representa el enlace intermolecular más fuerte que existe, dado que confiere a la masa de agua una gran cohesión.
Una molécula de agua puede unirse a 3,5 moléculas de agua en estado líquido y a 4 moléculas en estado sólido.
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ENLACES EN LAS BIOMOLÉCULAS - IMPORTANCIA.
Todos los organismos vivos están formados por sustancias químicas que pueden ser de dos tipos: orgánicas e inorgánicas. Las principales moléculas orgánicas (proteínas, ácidos nucleicos, glúcidos, lípidos...) se conocen con el nombre de biomoléculas y están formadas por otras moléculas más sencillas, y estas a su vez por elementos químicos. Todos los elementos que forman las macromoléculas se unen por enlaces que podemos agrupar en dos tipos:

  • Enlaces covalentes. 
  • Enlaces no covalentes.
Los enlaces covalentes: Son el tipo de enlace más fuerte que hay en las biomoléculas. Resulta de la compartición de electrones. En un enlace covalente cuanto mayor es la diferencia de electronegatividad de los átomos mayor es la polaridad del enlace. Los enlaces covalentes son el principal factor de estabilización de los compuestos orgánicos, pero hay otros enlaces: los denominados no covalentes, que tienen una gran importancia en la naturaleza viva, ya que participan en la organización y estabilización de las estructuras tridimensionales de las moléculas y en los cambios de conformación de las mismas, por lo que podemos decir que la vida depende en gran parte de los enlaces no covalentes.
Observemos el siguiente vídeo:

Los enlaces no covalentes:
  • Enlace iónico: Es el más fuerte de los enlaces no covalentes. Se debe a la atracción de iones positivos y negativos totalmente cargados y de ahí el nombre del enlace. Este tipo de enlace es importante en la estructura de algunos aminoácidos.
  • Enlaces de hidrógeno: son enlaces que se dan entre dipolos permanentes de enlaces covalentes con alta polaridad. Se dan en la molécula de agua, pero no son exclusivos de ella. Las enormes moléculas de proteínas y ácidos nucleicos se estabilizan en parte mediante enlaces de hidrógeno entre dipolos.
  • Fuerzas de Van der Waals: Son también un tipo de enlace que se origina entre dipolos, pero a diferencia de los enlaces de hidrógeno que se originan entre dipolos permanentes, las fuerzas de Van der Waals se originan entre dipolos no permanentes de enlaces covalentes poco polares, por ello es un enlace más débil que el enlace de hidrógeno.
  • Enlaces hidrofóbicos: Es un tipo de enlace que surge entre moléculas que repelen el agua. Las moléculas apolares en medio acuoso se aproximan entre sí excluyendo el agua que existía entre ellas, alcanzando así una situación más estable; este tipo de enlace se denomina hidrofóbico.

Observemos el siguiente vídeo:


¿SABÍAS? Las propiedades físicas del agua se atribuyen principalmente a los enlaces por puente de hidrógeno, los cuales se presentan en mayor número en el agua sólida, en la red cristalina cada átomo de la molécula de agua está rodeado tetraédricamente por cuatro átomos de hidrógeno de otras tantas moléculas de agua y así sucesivamente es como se conforma su estructura. Cuando el agua sólida (hielo) se funde la estructura tetraédrica se destruye y la densidad del agua líquida es mayor que la del agua sólida debido a que sus moléculas quedan más cerca entre sí, pero sigue habiendo enlaces por puente de hidrógeno entre las moléculas del agua líquida. Cuando se calienta agua sólida, que se encuentra por debajo de la temperatura de fusión, a medida que se incrementa la temperatura por encima de la temperatura de fusión se debilita el enlace por puente de hidrógeno y la densidad aumenta más hasta llegar a un valor máximo a la temperatura de 3.98ºC y una presión de una atmósfera. A temperaturas mayores de 3.98 ºC la densidad del agua líquida disminuye con el aumento de la temperatura de la misma manera que ocurre con los otros líquidos.
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PROPIEDADES FÍSICAS DEL AGUA Y SERES VIVOS 
1) Estado físico: sólida, liquida y gaseosa
2) Color: incolora
3) Sabor: insípida
4) Olor: inodoro
5) Densidad: 1 g./c.c. a 4°C
6) Punto de congelación: 0°C
7) Punto de ebullición: 100°C
8) Presión critica: 217,5 atm.
9) Temperatura critica: 374°C

El agua a temperatura común se encuentra en estado líquido, no tiene olor ni sabor; además, ebulle a los 100 °C y se solidifica a 0 °C. A pesar de ser incolora, en grandes proporciones presenta una tonalidad azulada. Al congelarse aumenta su volumen, pero su densidad disminuye; es por ello que en regiones muy frías el agua de los mares forma una capa de hielo en la superficie, sin que esta se vaya al fondo por tener una menor densidad que el resto de agua liquida. La mayor densidad del agua esta a los 4°C en estado líquido. 

Además de estas propiedades, el agua constituye un gran disolvente de sólidos como jabones y sales; de líquidos como ácidos y alcoholes; y de gases como el oxígeno y anhídrido carbónico.

1.- Elevada constante dieléctrica 
El agua tiene una alta capacidad para desestabilizar las moléculas polares, tales como las sales, ácidos y bases, y algunas moléculas orgánicas que tengan grupos polares. Al ser desestabilizada una molécula polar, se separan sus componentes, los cuales son rodeados por moléculas de agua. Este mecanismo capacita al agua como un gran disolvente; sirve como medio para las reacciones celulares, la absorción de moléculas nutritivas y la excreción de desechos.

El agua puede actuar alterando la estructura molecular con la ruptura de enlaces de las sales como el cloruro de sodio, debido a su elevada constante dieléctrica. 

 

La interacción entre un soluto y el solvente, sin que ocurran cambios químicos significativos, se denomina disolución o solvatación de la sustancia; cuando el solvente es el agua, se denomina hidratación.

¿Por qué se dice que el agua tiene una elevada constante dieléctrica? 
Las moléculas de agua se oponen a la atracción electrostática entre los iones + y -, debilitando dichas fuerzas de atracción. 

El agua posee una de las constantes dieléctricas más altas (K= 80 a 20°C) y esta gran capacidad para reducir la fuerzas de atracción entre partículas cargadas le ha dado el reconocimiento de DISOLVENTE UNIVERSAL. 
La molécula de agua que rodea a los iones se orienta de manera que sus polos positivos están dirigidos hacia los aniones y los negativos hacia los cationes.


La hidratación favorece la formación del estado coloidal que es característico de los seres vivos. Aquellas moléculas de agua que forman una envoltura de hidratación a los diversos iones y moléculas a nivel celular se denominan agua ligada y representan el 5% de agua celularEl 95% de agua restante, denominado agua libre, no está relacionado con iones o moléculas y actúa más bien como disolvente de moléculas.


El agua, por ser gran dispersante, es capaz de separar micelas, partículas de 1 nm a 1000 nm, tales como las proteínas. Esto permite la formación del coloide celular. 

2.- Dilatación del agua (Caso especial)
El agua, presenta características raras que hacen de su dilatación un caso muy especial.
Se ha podido comprobar, haciendo mediciones experimentales, que el agua, al aumentar su temperatura entre 0ºC y 4ºC se contrae en lugar de dilatarse. Cuando la temperatura sube gradualmente, desde los 4ºC, el agua empieza a dilatarse con mayor regularidad.

Este compartimiento extraordinario del agua, que algunos llaman anomalía, tiene consecuencias tan importantes como las siguientes:

a) el agua tiene su menor volumen y por consiguiente su mayor densidad a 4ºC. esto explica que para ciertas definiciones o experiencias se hable de agua destilada a 4ºC.

b) la temperatura del agua en el fondo de los grandes ríos, lagos y mares se mantiene siempre próxima a los 4ºC, lo que explica el normal desarrollo de la vida animal y vegetal en ellos en la épocas de los grandes fríos, en que se produce la solidificación del agua la solidificación del agua desde la superficie sólo hasta cierta profundidad muy relativa.

El proceso de enfriamiento del agua hasta la solidificación de la superficie es el siguiente: el agua de la superficie se enfría hasta los 4ºC y entonces baja hacia el fondo, por su mayo densidad, mientras otra más cálida ocupa su lugar. Con ésta se produce lo mismo y luego con la que sigue y así sucesivamente hasta que toda la masa del líquido está a 4ºC. al continuar enfriándose, el agua de la superficie ya no baja, pues ahora aumenta de volumen y, por lo tanto, se hace menos densa y permanece en su lugar hasta su solidificación.


3.- Tensión superficial:
El agua tiene una alta tensión superficial debido a la cohesión de sus moléculas; éstas se atraen entre sí con mayor fuerza que las moléculas del aire. 

Las moléculas de agua presentan fuerzas de atracción en todas direcciones hacia las moléculas circundantes, sin embargo, como en la superficie ya no hay más moléculas de agua, las moléculas de agua de esta zona no están sujetas a fuerzas de atracción semejantes en todas direcciones y tienden a aglutinarse más en esta parte que en otras zonas del líquido.


Dada la elevada tensión superficial del agua, muchos insectos depositan sus huevos o caminan sobre la superficie de charcas de agua sin hundirse, esto es explicable porque las moléculas de agua superficiales se encuentran cohesionadas con las moléculas de agua inferiores, formando una red molecular compacta que soporta las presiones externas. El valor de la tensión superficial guarda relación directa con la frecuencia de puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua, de modo que su valor disminuye al calentarse. 
Muchas arañas caminan sobre el agua sin hundirse debido a la elevada tensión superficial de esta molécula. 

LA TENSIÓN SUPERFICIAL EN LA RESPIRACIÓN:
La tensión generada en el sistema respiratorio es una resistencia para la respiración, ya que a través de la pared del alvéolo debe realizarse el intercambio gaseoso. 

Las células epiteliales alveolares tipo II secretan el 
surfactante pulmonar (dipalmitoil lecitina), una sustancia que disminuye la tensión superficial dentro de los alvéolos.





4.-  Capilaridad:
Es aquella capacidad del agua que le permite ascender por un tubo fino llamado capilar. Cuando el agua asciende por el capilar, hay moléculas que suben adheridas a la pared del tubo y jalan a las moléculas que están debajo mediante fuerzas de cohesión. 

La capilaridad ocurre por la suma de las fuerzas de adhesión, cohesión y tensión.

La ascensión del agua y sales (savia inorgánica) en las plantas es explicada a través del proceso de capilaridad. Las plantas vasculares son las que presentan xilema y floema; así, la capilaridad se da a través del xilema, que es el total de vasos leñosos de la planta. Los vasos leñosos son tubos muy finos formados por células muertas que se disponen una sobre otra.

Es importante destacar que la capilaridad no es el único proceso implicado en la ascensión de la savia inorgánica, hay otros procesos, como la presión radical y la transpiración.


Observemos el siguiente vídeo:

4.- Elevado calor específico: 

El alto calor específico se define como la cantidad de energía que se requiere para elevar un grado centígrado (°C) un gramo de cualquier sustancia. 

La masa de agua necesita una elevada cantidad de energía para poder elevar un grado centígrado su temperatura, porque sus puentes de hidrógeno le otorgan una gran estabilidad. 

Esto explica el alto punto de ebullición del agua que llega a 100 °C a una atmósfera de presión. 

Durante el día, el medio terrestre se calienta con facilidad mientras que el medio acuático varía apenas su temperatura, es decir, el agua recepciona gran cantidad de calor sin cambiar considerablemente su temperatura (elevada capacidad calorífica o elevado calor específico), esto garantiza condiciones térmicas más o menos estables en el medio acuático. Así se demuestra que el agua es un excelente termorregulador ambiental. 

El aumento de temperatura en una sustancia se vincula con el incremento del movimiento molecular; como las moléculas de agua son dipolares pueden asociarse entre sí (cohesión intermolecular) mediante enlaces débiles, llamados puentes de hidrógeno, para formar redes moleculares. Por tal razón, al aplicar calor al agua, una gran parte de la energía sirve para romper estos enlaces intermoleculares; no obstante, hace falta más calor para generar el movimiento molecular e incrementar la temperatura. Además, para que el agua pase al estado de vapor, una vez alcanzado los 100 °C, hace falta otra dosis de calor (calor por vaporización). 

El exceso de calor generado en el interior del organismo se elimina eficientemente por evaporación de agua; en este caso, el agua se constituye en un termorregulador orgánico. 


5.- Densidad:
Al enfriar el agua líquida aumenta su densidad, la cual alcanza un máximo de 1 g/cc a 4 °C; al seguir enfriando, la densidad empieza a descender. Es así como el hielo (0°C) es menos denso que el agua líquida y flota en la superficie de los mares y lagos; esto es importante porque actúa como un aislante que evita el enfriamiento de las aguas profundas, lo que permite la vida de organismos poiquilotermos. Los organismos poiquilotermos son los que manifiestan una temperatura variable, e incluye a la mayoría de animales, desde los poríferos hasta los reptiles. 

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PROPIEDADES QUÍMICAS DEL AGUA Y SERES VIVOS 
Son las propiedades que adquiere el agua cuando experimenta cambios en su composición. Químicamente, el agua es una sustancia muy estable; sin embargo, puede descomponerse a 1600 °C y en presencia de platino; o por electrólisis. La estabilidad del agua es muy importante para la vida, ya que explica la gran estabilidad de los seres vivos. 

Las propiedades químicas del agua son:

1) Reacciona con los óxidos ácidos:
Los anhídridos u óxidos ácidos reaccionan con el agua y forman ácidos oxácidos.

2) Reacciona con los óxidos básicos:

Los óxidos de los metales u óxidos básicos reaccionan con el agua para formar hidróxidos. Muchos óxidos no se disuelven en el agua, pero los óxidos de los metales activos se combinan con gran facilidad.

3) Reacciona con los metales:

Algunos metales descomponen el agua en frío y otros lo hacían a temperatura elevada. 

4) Reacciona con los no metales:
El agua reacciona con los no metales, sobre todo con los halógenos, por ejm: Haciendo pasar carbón al rojo sobre el agua se descompone y se forma una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno (gas de agua).

5) Se une en las sales formando hidratos:

El agua forma combinaciones complejas con algunas sales, denominándose hidratos.

ACCIÓN DISOLVENTE
El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por eso decimos que es el disolvente universal. 

Esta propiedad, tal vez la más importante para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias que pueden presentar grupos polares o con carga iónica (alcoholes, azúcares con grupos R-OH, aminoácidos y proteínas con grupos que presentan cargas + y - , lo que da lugar a disoluciones moleculares. También las moléculas de agua pueden disolver a sustancias salinas que se disocian formando disoluciones iónicas. 

En el caso de las disoluciones iónicas los iones de las sales son atraídos por los dipolos del agua, quedando "atrapados" y recubiertos de moléculas de agua en forma de iones hidratados o solvatados. 

La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones: 

1. Medio donde ocurren las reacciones del metabolismo. 
2. Sistemas de transporte.
Observemos el siguiente vídeo:



CLASE - POWER POINT: LAS SALES MINERALES por el Mg. Frank Alfaro G.