Bioelementos y Biomoléculas: Agua y Sales Minerales

Flashcards de repaso sobre Bioelementos, Biomoléculas, Estructura y Propiedades Físico-Químicas del Agua, Ósmosis y Sistemas Tampón.

¿Qué porcentaje de la materia viva constituyen los bioelementos primarios y cuáles son?

Constituyen entre el $97\%$ y el $99\%$ de la materia viva, y son el carbono ($C$), hidrógeno ($H$), oxígeno ($O$), nitrógeno ($N$), fósforo ($P$) y azufre ($S$).

¿En qué biomoléculas y estructuras participan específicamente el fósforo ($P$) y el azufre ($S$)?

El fósforo forma parte de los ácidos nucleicos ($ADN$, $ARN$), $ATP$ y coenzimas ($NADP$, $NAD$); el azufre está presente en los aminoácidos cisteína y citosina de casi todas las proteínas.

¿Por qué el carbono constituye el esqueleto básico de las moléculas orgánicas?

Por su capacidad de formar cadenas carbonatadas estables mediante enlaces simples, dobles o triples, a las que pueden unirse átomos de hidrógeno y diversos grupos funcionales.

¿Qué porcentaje representan los bioelementos secundarios y cuáles son sus funciones generales?

Representan entre el $1\%$ y el $2,5\%$. Forman parte de sales minerales, mantienen la presión osmótica y el potencial de membrana, y constituyen estructuras como huesos y conchas.

¿Cuáles son las funciones biológicas del sodio ($Na$), potasio ($K$), cloro ($Cl$), magnesio ($Mg$) y calcio ($Ca$)?

El $Na$, $K$ y $Cl$ transmiten el impulso nervioso; el $Mg$ integra la clorofila en la fotosíntesis y actúa como cofactor enzimático; el $Ca$ forma estructuras esqueléticas y participa en la contracción muscular y la coagulación sanguínea.

¿Qué porcentaje representan los oligoelementos y qué función general desempeñan?

Representan entre el $0,1\%$ y el $0,5\%$. Actúan como catalizadores formando parte de enzimas, intervienen en reacciones de oxidación-reducción y activan hormonas.

¿Qué función cumplen el silicio ($Si$) y el cromo ($Cr$) en los organismos?

El silicio aporta resistencia al tejido conjuntivo y compone el esqueleto de gramíneas y caparazones de radiolarios y diatomeas; el cromo, junto a la insulina, regula la concentración de glucosa en sangre.

¿De qué tres factores depende la proporción de agua en los seres vivos?

Depende de la especie (mayor en especies acuáticas), de la edad (los tejidos más jóvenes presentan mayor porcentaje) y del tipo de tejido.

A partir de la figura, ¿cuál es el ángulo de enlace y la distancia de enlace de la molécula de agua?

El ángulo entre los enlaces $O-H$ es de $104,45^\circ$ y la longitud de enlace es de $95,84\,\text{pm}$.

¿Por qué se considera que la molécula de agua es un dipolo?

Porque el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y atrae los electrones compartidos, acumulando una carga parcial negativa cerca del oxígeno ($\delta^-$) y cargas parciales positivas cerca de los hidrógenos ($\delta^+$).

¿Cuántos enlaces por puentes de hidrógeno puede formar una molécula de agua y entre qué átomos se establecen?

Puede formar hasta 4 enlaces débiles, los cuales se establecen por atracción electrostática entre el átomo de oxígeno electronegativo de una molécula y el átomo de hidrógeno con carga parcial positiva de otra.

¿Cuáles son las cuatro características fundamentales de los puentes de hidrógeno del agua?

1) Son fuerzas electrostáticas entre un $H^+$ y una carga parcial negativa; 2) se establecen entre distintas moléculas o zonas de una misma molécula; 3) son transitorios (se forman y rompen continuamente); 4) son más débiles que los enlaces covalentes e iónicos.

¿Qué es el calor específico del agua y qué función biológica permite desarrollar?

Es el calor necesario para elevar en $1\,^\circ\text{C}$ la temperatura de $1\,\text{g}$ de agua. Al requerir gran cantidad de energía para romper puentes de hidrógeno, actúa como tampón térmico y termorregulador.

¿Por qué el agua posee un elevado calor de vaporización y qué importancia biológica tiene?

Porque para pasar de líquido a gas deben romperse todos los puentes de hidrógeno, lo cual consume mucho calor y confiere una función termorreguladora y refrigerante mediante la sudoración.

¿Cuál es la diferencia entre la fuerza de cohesión y la de adhesión en el agua?

La cohesión es la fuerza de atracción entre las propias moléculas de agua por puentes de hidrógeno; la adhesión es la atracción entre el agua y otras superficies distintas.

¿Qué fenómenos y funciones biológicas resultan de la cohesión, la adhesión y la tensión superficial del agua?

La turgencia en plantas, el esqueleto hidrostático en gusanos, la formación de una película elástica superficial y la capilaridad para el ascenso de la savia por vasos conductores.

¿A qué temperatura alcanza el agua su máxima densidad y qué ventaja biológica genera al congelarse?

Alcanza su máxima densidad a $4\,^\circ\text{C}$. Al congelarse forma una estructura más abierta y menos densa, flotando como una capa aislante que mantiene el agua líquida debajo y permite la supervivencia de organismos acuáticos.

¿Cuál es la reacción de autoionización del agua y el valor de su producto iónico ($K_w$) a $25\,^\circ\text{C}$?

La reacción es $2H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + OH^-$, y su constante es $K_w = [H_3O^+][OH^-] = 10^{-14}$, siendo $[H_3O^+] = 10^{-7}\,\text{M}$ y $[OH^-] = 10^{-7}\,\text{M}$ en agua pura.

¿Cómo definió el pH el bioquímico S.P.L. Sørensen en 1909?

Lo definió como el opuesto del logaritmo en base 10 de la concentración de iones hidrógeno: $\text{pH} = -\log_{10}([H^+])$.

¿Cómo se define la ósmosis y en qué sentido se desplaza el disolvente?

Es el movimiento del agua por difusión a través de una membrana semipermeable desde el medio más diluido (hipotónico) hacia el más concentrado (hipertónico), buscando igualar las concentraciones.

¿Qué ocurre cuando una célula animal (como un glóbulo rojo) se sumerge en medios hipertónicos e hipotónicos?

En medio hipertónico pierde agua y se encoge su membrana (crenación); en medio hipotónico absorbe agua, aumenta su volumen y puede llegar a lisarse (citólisis).

¿Qué ocurre cuando una célula vegetal se somete a medios hipertónicos e hipotónicos?

En medio hipertónico pierde agua de la vacuola y la membrana se separa de la pared (plasmólisis); en medio hipotónico absorbe agua sin romperse debido a la rigidez de la pared celular (turgencia).

¿Qué dos formas principales adoptan las sales minerales en los seres vivos y cuáles son sus funciones?

Precipitadas, con función estructural ($Ca_3(PO_4)_2$ y $CaCO_3$); y disueltas en forma de aniones y cationes, con función reguladora de la ósmosis, amortiguación de pH y funciones fisiológicas específicas.

En el mecanismo del golpe activo muscular mostrado en la imagen, ¿qué función cumplen el $Ca^{2+}$ y el $ATP$?

El $Ca^{2+}$ es imprescindible para la interacción entre filamentos de actina y miosina, mientras que la hidrólisis de $ATP$ a $ADP + P$ en la cabeza de miosina induce el cambio conformacional que permite la contracción.

¿Qué proceso bioquímico y estructural sufren las proteínas en el esquema ilustrado?

La desnaturalización proteica, en la cual una proteína nativa pierde su estructura tridimensional nativa y su funcionalidad debido a variaciones térmicas o cambios bruscos de pH.

¿Qué es un sistema tampón biológico y cuál es su principio de acción química?

Es un par ácido-base conjugada que amortigua cambios de pH: la base conjugada acepta protones cuando aumenta la concentración de $H_3O^+$, y el ácido cede protones cuando esta disminuye.

¿Cuál es la ecuación química de equilibrio del tampón fosfato y en qué compartimento actúa principalmente?

Su equilibrio es $HPO_4^{2-} + H_3O^+ \rightleftharpoons H_2PO_4^- + H_2O$, y actúa como el principal amortiguador intracelular manteniendo un pH aproximado de $6,8$.

¿Cuál es la ecuación del tampón bicarbonato en sangre y qué órgano colabora en la eliminación de acidez?

La ecuación es $HCO_3^- + H_3O^+ \rightleftharpoons H_2CO_3 + H_2O \rightleftharpoons CO_2 + 2H_2O$ manteniendo un pH de $7,4$. El exceso de acidez se elimina expulsando $CO_2$ a través de los pulmones.

Según la figura, ¿cómo varía la ordenación molecular de los puentes de hidrógeno entre los estados sólido, líquido y gaseoso del agua?

En estado sólido forma una red hexagonal fija y ordenada; en estado líquido los puentes de hidrógeno se forman y rompen de modo transitorio; y en estado gaseoso las moléculas se encuentran separadas e independientes sin puentes de hidrógeno.

¿Cuáles son las fórmulas químicas de los grupos funcionales hidroxilo, carboxilo y amina?

El grupo hidroxilo es $-OH$, el carboxilo es $-COOH$ y el grupo amina es $-NH_2$.