Base físico-química

1. Base físico-química

A la hora de abordar el estudio de cualquier disciplina es esencial comenzar por los fundamentos, cuyo conocimiento nos permitirá comprender mejor el resto de los conceptos. En el caso de la Biología, la comprensión de la estructura y funcionamiento de los seres vivos debe ir precedida, necesariamente, por la comprensión de la estructura y funcionamiento de sus componentes químicos. Estos componentes siguen las mismas leyes físicas y químicas que rigen el comportamiento de la materia, por lo que su estudio guarda una estrecha relación con esas ciencias.

  

A lo largo del siglo XIX, los nuevos descubrimientos en el campo de la Químicaorgánica fomentaron el interés de los científicos por determinar la composición molecular de los seres vivos. Cuando en 1828, el químico alemán Friedrich Wohler consiguió sintetizar en el laboratorio un compuesto biológico (urea) a partir de compuestos inorgánicos, se puso de manifiesto que la llamada «actividad vital», considerada hasta ese momento una fuerza misteriosa, podía explicarse en términos físico-químicos. Los seres vivos, por tanto, podían y debían ser estudiados químicamente, como cualquier otro objeto material.

En 1903 Neuberg propuso el término bioquímica para designar la rama de la Biologíaencargada de estudiar la estructura y función de los componentes químicos de los organismos vivos.

1.1 Composición de los seres vivos: bioelementos y biomoléculas

 La materia constituyente de los seres vivos está compuesta por moléculas, también denominadas biomoléculas, formadas a su vez por la unión de átomos de ciertos elementos químicos. Estos elementos presentes en las biomoléculas reciben el nombre de bioelementos oelementosbiogénicos, de los que existen unos 70 diferentes.

Todos los bioelementos están incluidos en la tabla periódica, es decir, no hay elementos especiales o distintos a los que se encuentran en las moléculas que conforman la materia general del universo. No son, por tanto, elementos químicos exclusivos de los seres vivos.

Sin embargo, los bioelementos mayoritarios no coinciden (salvo el oxígeno) con los elementos químicos más abundantes en la corteza. Así, mientras que el O, el Si, el Al y el Fe son los elementos más comunes en la composición del planeta, los bioelementos que se encuentran en mayor proporción en las moléculas biológicas son el C, el H, el O, el N, el P y el S.

La razón por la que el carbono, el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno, el fósforo y el azufre componen los bioelementos mayoritarios de las moléculas biológicas reside, precisamente, en las propiedades que presentan:

1. Los seis elementos tienen capas electrónicas externas incompletas. De este modo pueden formar enlaces covalentes fácilmente y dar lugar a las biomoléculas que constituirán las estructuras biológicas y llevarán a cabo las funciones vitales.

2. Poseen un número atómico bajo, por lo que los electrones compartidos en la formación de los enlaces se hallan próximos al núcleo y las moléculas originadas son estables.

3. Dado que el oxígeno y el nitrógeno son elementos electronegativos, muchas biomoléculas son polares y por ello solubles en agua, requisito imprescindible para que tengan lugar las reacciones biológicas fundamentales de la actividad vital.

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

Entre los bioelementos, el carbono desempeña un papel fundamental. Tiene cuatro orbitales con electrones desapareados que se disponen en una estructura tetraédrica.

La existencia de loselectrones desapareados hace posible la formación de enlaces covalentes con otros átomos de carbono, lo que origina cadenas estables cuya morfología y tamaño variables les permite adquirir, a su vez, estructuras espaciales complejas. Estas moléculas, características de los organismos vivos, son también responsables de algunas de sus propiedades más importantes.

Estructura tetraédrica del átomo de carbono

Los cuatro electrones de la capa externa pueden formar cuatro enlaces covalentes fuertes con otros átomos.

Por otra parte, los átomos de carbono pueden formar enlaces covalentes con otros átomos distintos, dando lugar a grupos funcionales que, al interaccionar entre sí, constituyen la base química de la actividad vital.

         

Los principales grupos funcionales determinarán los tipos de compuestos. Los más frecuentes en los seres vivos son:

CLASIFICACION DE LOS BIOELEMENTOS. 

Se han descrito 70 bioelementos, 25 de los cuales están presentes en todos los seres vivos y el resto sólo aparece en determinados grupos. Según la proporción en que se encuentran en la materia viva se clasifican en:

-       Bioelementos primarios o mayoritarios. Se trata de un grupo formado por los seis bioelementos antes mencionados (C, H, O, N, P y S), que constituyen, aproximadamente, el 99% del total de la materia viva y son los componentes fundamentales de las biomoléculas.

-      Bioelementos secundarios. Forman parte de todos los organismos vivos, aunque en menor proporción que los anteriores. Se incluyen en este grupo el Na, el K, el Ca, el Mg y el Cl.

-       Oligoelementos. Aunque se encuentran en proporciones inferiores al 0,1 %, estos elementos son imprescindibles, pues desempeñan funciones esenciales en diferentes procesos bioquímicos y fisiológicos. Algunos oligoelementos, como el Fe, el Cu, el Zn, el Mn, el I, el Ni y el Co, aparecen en la mayoría de los organismos y otros, como el Si, el F, el Cr, el Li, el B, el Mo y el Al, sólo están presentes en grupos concretos.

 BIOMOLECULAS

Los elementos biogénicos se unen por enlaces químicos para formar las moléculas constituyentes de los organismos vivos, que reciben el nombre de biomoléculas o principiosinmediatos. Mediante diferentes técnicas de análisis basadas en métodos físicos, como la filtración, la destilación, la centrifugación y la decantación, es posible separar las biomoléculas de un ser vivo sin que sufran alteración alguna. 

A pesar de la enorme variedad de biomoléculas (se calcula que una célula animal o vegetal contiene más de 10000 moléculas distintas), casi todas pueden incluirse en dos grandes grupos:biomoléculas inorgánicas, como el agua y algunas sales minerales y biomoléculas orgánicas,exclusivas de los seres vivos.

Algunas moléculas como las enzimas, las vitaminas y las hormonas, que en ocasiones se consideran grupos independientes, se encuadran químicamente en los grupos anteriores.

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