Bioelementos, Biomoléculas, Agua y Sales Minerales

Fichas de vocabulario que cubren la clasificación y propiedades de los bioelementos, interacciones intermoleculares, funciones fisicoquímicas del agua, formas de las sales minerales, ósmosis y regulación del equilibrio ácido-base con tampones biológicos.

Bioelementos primarios

Elementos ($C$, $H$, $O$, $N$, $P$, $S$) que constituyen aproximadamente el $96\%$ (o cerca del $99\%$) de la masa celular, caracterizados por su pequeño tamaño atómico, su abundancia y su capacidad para formar enlaces covalentes estables en las biomoléculas orgánicas.

Carbono ($C$)

Bioelemento primario que dispone de cuatro electrones de valencia y puede formar enlaces simples, dobles y triples con otros átomos de carbono, originando cadenas largas y estructuras cíclicas.

Bioelementos secundarios

Elementos que se encuentran en proporciones variables del $3{,}6\%$ al $3{,}9\%$ y que suelen actuar en forma de iones, tales como el $Ca^{2+}$, $Na^+$, $K^+$ y $Mg^{2+}$.

Calcio ($Ca^{2+}$)

Bioelemento secundario que forma los esqueletos e interviene en el proceso de contracción muscular.

Sodio ($Na^+$), potasio ($K^+$) y cloro ($Cl^-$)

Iones que regulan el equilibrio osmótico y participan en la transmisión del impulso nervioso.

Magnesio ($Mg^{2+}$)

Bioelemento secundario que forma parte de las enzimas y de la clorofila, e interviene en procesos celulares relacionados con el ATP y los ácidos nucleicos.

Oligoelementos

Elementos presentes en concentraciones inferiores al $0{,}1\%$ que resultan imprescindibles para la vida (por ejemplo: $Fe$, $I$, $Li$, $Cu$, $Zn$).

Hierro ($Fe$)

Oligoelemento que forma parte de la hemoglobina y la mioglobina para el transporte y almacenamiento de oxígeno, así como de los citocromos que intervienen en la respiración celular.

Yodo ($I$)

Oligoelemento necesario para sintetizar las hormonas tiroideas; su carencia patológica en el organismo puede provocar bocio.

Litio ($Li$)

Oligoelemento que se emplea para estabilizar el estado de ánimo en determinados trastornos afectivos.

Interacciones electrostáticas

Fuerzas intermoleculares en las que cargas de igual signo experimentan repulsión y cargas de signo opuesto experimentan atracción.

Puentes de hidrógeno

Enlaces intermoleculares formados cuando un átomo de hidrógeno unido covalentemente a uno muy electronegativo ($O$, $N$, $F$) es atraído por otro átomo electronegativo con electrones no compartidos; alcanzan su máxima fuerza cuando los tres átomos están alineados.

Fuerzas hidrofóbicas

Interacciones en las que grupos apolares (como los enlaces $C-C$ y $C-H$) se agrupan espontáneamente para alejarse del agua.

Fuerzas de Van der Waals

Atracciones débiles ($1 - 5\,\text{kcal/mol}$) entre átomos o moléculas muy próximos originadas por distribuciones temporales de carga, las cuales se transforman en repulsión si los átomos se acercan en exceso.

Formas de agua en la materia viva

Las tres localizaciones del agua en los organismos: circulante (sangre y savia), intersticial (entre las células) e intracelular (en el citosol y los orgánulos).

Dipolo del agua

Molécula polar en la cual el átomo de oxígeno presenta una carga parcial negativa y los átomos de hidrógeno presentan cargas parciales positivas, pudiendo establecer hasta 4 puentes de hidrógeno por molécula.

Elevada cohesión del agua

Propiedad derivada de los puentes de hidrógeno que hace que el agua sea casi incompresible, confiera volumen celular, turgencia vegetal y esqueleto hidrostático, además de generar alta tensión superficial y capilaridad junto con la adhesión.

Elevado calor específico del agua

Propiedad que implica la necesidad de gran cantidad de calor para elevar su temperatura, lo que le permite actuar como estabilizador térmico y regulador de la temperatura corporal.

Elevado calor de vaporización del agua

Propiedad por la cual se requiere una alta cantidad de energía para romper los puentes de hidrógeno y pasar al estado gaseoso, permitiendo la refrigeración corporal mediante la evaporación del sudor.

Densidad anómala del hielo

Fenómeno por el cual el hielo es menos denso que el agua líquida, lo que le permite flotar y formar una capa aislante que hace posible la vida subacuática en ríos, mares y lagos.

Elevada constante dieléctrica del agua

Capacidad del agua para actuar como un excelente disolvente de sustancias polares e iónicas al rodear y separar los iones mediante el proceso denominado solvatación iónica.

Bajo grado de ionización del agua

Propiedad por la cual el agua contiene concentraciones muy bajas de iones $H^+$ y $OH^-$, lo que determina que pequeñas cantidades de ácidos o bases puedan alterar notablemente su pH.

Función mecánica amortiguadora del agua

Función biológica en la que el agua reduce el rozamiento entre estructuras, tal como ocurre en el líquido sinovial entre los huesos de las articulaciones.

Sales minerales precipitadas

Sales que forman estructuras sólidas y rígidas, como el carbonato cálcico en huesos y conchas de moluscos, o la sílice en las cubiertas de las diatomeas.

Sales minerales asociadas a moléculas orgánicas

Sales que se integran en biomoléculas, como el $Fe$ en la hemoglobina, el $Cu$ en la hemocianina y el $I$ en las hormonas tiroideas.

Ósmosis

Movimiento de moléculas de agua a través de una membrana semipermeable desde el medio menos concentrado en solutos hacia el medio más concentrado.

Medio isotónico

Medio en el que existe la misma concentración dentro y fuera de la célula; el flujo de agua permanece en equilibrio dinámico y la célula no se deforma.

Medio hipotónico

Medio externo con menor concentración de solutos que el interior celular; el agua ingresa a la célula generando turgencia y pudiendo ocasionar hemólisis en los eritrocitos.

Medio hipertónico

Medio externo con mayor concentración de solutos que el interior celular; el agua sale de la célula, lo que causa su arrugamiento o plasmólisis en células vegetales.

Autoionización del agua

Disociación espontánea de una pequeña proporción de moléculas de agua que, a una temperatura de $20^\circ\text{C}$, cumple la relación $[H^+] \times [OH^-] = 10^{-14}$.

pH

Medida de la concentración de iones $H^+$ determinada por la fórmula $\text{pH} = -\log([H^+])$, donde los valores definen condiciones ácidas ($\text{pH} < 7$), neutras ($\text{pH} = 7$) y básicas ($\text{pH} > 7$).

Sistemas tampón (o amortiguadores)

Sistemas formados por un ácido débil y su base conjugada que minimizan las variaciones bruscas de pH al agregarse pequeñas cantidades de ácido o base.

Tampón fosfato

Sistema amortiguador intracelular que mantiene el pH en torno a $7{,}2$, captando protones ($H^+$) cuando aumenta la acidez o liberándolos para neutralizar $OH^-$ y formar agua cuando aumenta la basicidad.

Tampón bicarbonato

Sistema amortiguador extracelular que regula el pH sanguíneo entre $7{,}35$ y $7{,}45$ mediante el equilibrio químico entre el bicarbonato ($HCO_3^-$) y el ácido carbónico ($H_2CO_3$).