Bioelementos, Biomoléculas, Enlaces Químicos y las Propiedades del Carbono y el Agua

Tarjetas de estudio basadas en las clases sobre bioelementos primarios, secundarios y oligoelementos, tipos de enlaces químicos, idoneidad del carbono y propiedades fisicoquímicas del agua.

¿Qué son los bioelementos y cómo se clasifican según su abundancia en la materia viva?

Son los elementos químicos que forman las biomoléculas. Se clasifican en mayoritarios (que a su vez se dividen en primarios y secundarios) y oligoelementos (que representan menos del $0{,}1\%$).

¿Cuáles son los bioelementos primarios y qué porcentaje de la materia viva constituyen?

Son el carbono ($C$), hidrógeno ($H$), oxígeno ($O$), nitrógeno ($N$), fósforo ($P$) y azufre ($S$), constituyendo entre el $95\%$ y el $98\%$ de la materia viva.

¿Qué bioelementos componen el grupo de los bioelementos secundarios?

Magnesio ($Mg$), calcio ($Ca$), potasio ($K$), sodio ($Na$) y cloro ($Cl$).

¿Cómo se subdividen los oligoelementos y qué elementos pertenecen a cada categoría?

Se subdividen en esenciales (hierro, $Fe$; manganeso, $Mn$; cobre, $Cu$; zinc, $Zn$; y cobalto, $Co$) y no esenciales (flúor, $F$; yodo, $I$; silicio, $Si$; litio, $Li$, entre otros).

¿Cuál es la función biológica del cobalto ($Co$) y qué provoca su carencia?

Es un componente de la vitamina $B_{12}$, necesaria para la síntesis de la hemoglobina y la formación de eritrocitos. Su carencia causa anemia.

¿Qué papel cumple el flúor ($F$) en el organismo y a qué problema se asocia su carencia?

Forma parte del esmalte de los dientes, los huesos y aparece en la estructura de la piel. Su carencia se asocia a la aparición de caries.

¿Para qué proceso es necesario el yodo ($I$) y qué patologías provoca su deficiencia?

Es necesario para formar la hormona tiroidea (que regula el metabolismo energético). Su carencia se asocia a enfermedades como el bocio y el cretinismo.

¿Qué funciones cumplen el silicio ($Si$) y el litio ($Li$) en los seres vivos?

El silicio ($Si$) proporciona resistencia al tejido conjuntivo, cabello y uñas, además de formar parte del caparazón de microorganismos y del tallo de muchas plantas. El litio ($Li$) estabiliza el estado de ánimo y se usa para tratar algunas psicosis.

¿Qué son las biomoléculas y qué tipos existen según su naturaleza química?

Son sustancias que constituyen la materia viva mediante la unión de bioelementos. Se dividen en inorgánicas ($H_2O$, sales minerales y moléculas gaseosas) y orgánicas (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, formados por la unión de monómeros constituyendo biopolímeros).

¿Qué características presentan las sales inorgánicas o minerales originadas por enlace iónico?

No forman moléculas, sino agregaciones de aniones y cationes que dan lugar a redes cristalinas que forman sustancias sólidas con un punto de fusión elevado.

¿Qué diferencias funcionales existen entre las sales minerales insolubles y las solubles?

Las insolubles en agua (como el $CaCO_3$) forman esqueletos internos y caparazones. Las solubles se disocian en sus iones y participan en la catálisis enzimática, transporte de $O_2$, potenciales de membrana y de acción de las neuronas.

¿Cómo se define el enlace covalente y qué tipos existen?

Es la unión entre no metales ($\text{NM} + \text{NM}$) donde los átomos solapan sus orbitales enlazantes y comparten electrones desapareados de valencia en un orbital molecular común. Presenta tres tipos: simple ($-$), doble ($=$) y triple ($\equiv$).

¿Qué son las interacciones electrostáticas en las biomoléculas?

Son enlaces iónicos que se establecen entre dos moléculas o dos regiones de una molécula que poseen grupos funcionales con carga eléctrica (como $COO^-$ y $NH_3^+$). Pueden ser de atracción (cargas opuestas) o repulsión (cargas iguales).

¿Cómo se originan las fuerzas de Van der Waals en moléculas neutras?

Se producen cuando moléculas neutras forman dipolos, concentrando carga parcial negativa ($\delta^-$) alrededor del átomo más electronegativo y carga parcial positiva ($\delta^+$) alrededor del átomo menos electronegativo.

¿Qué son los puentes de hidrógeno según el tipo de enlace intermolecular?

Son un tipo de fuerza de Van der Waals que se establece entre dos moléculas dipolares o entre regiones con el grupo $\text{-OH}$, donde el oxígeno suele ser electronegativo.

¿Cómo actúan las fuerzas hidrofóbicas cuando se colocan moléculas apolares en un medio acuoso?

Al no poder formar puentes de hidrógeno, las moléculas no polares interrumpen la estructura reticular del $H_2O$, la cual se reorganiza a su alrededor en forma de jaula. En el interior, las moléculas apolares repelidas por el agua aumentan su cohesión al incrementarse las fuerzas que las mantienen unidas.

¿Cómo está constituido el esqueleto carbonado de los compuestos orgánicos?

Por la unión de átomos de carbono mediante enlaces covalentes, formando cadenas lineales, ramificadas y cíclicas unidas a otros átomos que originan los grupos funcionales.

¿Cómo adquiere el carbono su valencia IV para formar cuatro enlaces covalentes simples?

Con número atómico $6$ ($1s^2 2s^2 2p^2$), desaparea un electrón del orbital $2s$ que pasa al orbital $2p_z$. Entre el orbital $2s$ y los orbitales $2p_x$, $2p_y$, $2p_z$ se forman cuatro orbitales híbridos $sp^3$ ($2s^1 2p_x^1 2p_y^1 2p_z^1$) orientados hacia los vértices de un tetraedro.

¿Por qué el silicio ($Si$) es biológicamente menos idóneo que el carbono ($C$)?

Porque los enlaces $\text{Si-Si}$ forman cadenas más débiles e inestables; además, mientras el $CO_2$ es un gas soluble en agua y anormalmente estable (indispensable para la fotosíntesis), el $SiO_2$ es un sólido insoluble en agua y de difícil captación para un sistema biológico.

¿Cuál es la diferencia entre conformación espacial y configuración espacial en los compuestos del carbono?

La conformación espacial es la distribución de los átomos y enlaces por la rotación libre alrededor de enlaces simples; la configuración espacial es la distribución espacial que adoptan las moléculas isómeras por la orientación fija alrededor de dobles enlaces o carbonos asimétricos.

¿Qué porcentaje del peso de los seres vivos representa el agua y por qué se la considera el líquido de la vida?

Representa entre un $65\%$ y un $95\%$ del peso. Es considerada el líquido de la vida porque fue el medio donde esta se originó y sus moléculas participaron activamente formando agregados complejos a partir de moléculas orgánicas sencillas.

¿Qué geometría, ángulo de enlace y naturaleza eléctrica presenta la molécula de agua ($H_2O$)?

Presenta una molécula tetraédrica con un ángulo de enlace de $104{,}5^\circ$. Aunque es una molécula neutra, posee una distribución de carga asimétrica que la convierte en una molécula polar.

¿A cuántas moléculas se une aproximadamente cada molécula de agua ($H_2O$) mediante puentes de hidrógeno?

Cada molécula de $H_2O$ está unida aproximadamente a $3{,}4$ moléculas de $H_2O$ mediante puentes de hidrógeno.