Composición, estructura y reactividad de las biomoléculas inorgánicas

TEMA 15: COMPOSICIÓN, ESTRUCTURA Y REACTIVIDAD DE LAS BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS

🔹 1. Abundancia del agua El agua es la molécula más abundante en los seres vivos.

Sin embargo, la cantidad exacta de agua varía en función de tres factores:

• La especie: Algunos
• rganismos contienen más agua que otros.
• La edad: Cuanto más joven es un organismo, más agua suele tener.
• El tipo de órgano:

No todos los órganos del cuerpo contienen la misma proporción de agua.

Los porcentajes que se indican representan la variación del contenido de agua en distintos organismos

• tejidos.

🔹 2. Estructura del agua La molécula de agua (H₂O) está formada por:

• Dos átomos de hidrógeno (H) unidos a
• Un átomo de oxígeno (O) mediante enlaces covalentes (es decir, comparten electrones).

Esta molécula es polar, lo que significa que:

• La zona del oxígeno tiene carga negativa parcial (δ−).
• Las zonas de los hidrógenos tienen carga positiva parcial (δ+).

Gracias a esta polaridad, las moléculas de agua se atraen entre sí formando enlaces de hidrógeno. Estos enlaces no son permanentes: se forman y se rompen constantemente, dando lugar a una especie de “red líquida”.

🔹 3. Propiedades del agua Debido a su estructura, el agua tiene una serie de propiedades muy importantes para la vida:

• Elevada fuerza de cohesión (las moléculas se atraen entre sí fuertemente).
• Elevada fuerza de adhesión (se adhiere fácilmente a otras superficies).
• Elevado calor específico (cuesta calentarla o enfriarla).
• Elevado calor de vaporización (cuesta hacerla hervir).
• Expansión al congelarse (ocupa más espacio como hielo que como líquido).
• Versatilidad como disolvente (disuelve muchas sustancias).
• Transparencia (permite el paso de la luz, importante para la fotosíntesis).
• Bajo grado de ionización (produce pocos iones espontáneamente).

Elevada fuerza de cohesión 🔹 4. Elevada fuerza de cohesión La cohesión se refiere a la capacidad que tienen las moléculas de agua para mantenerse unidas entre sí. Esta + + unión se debLea as loms opluéceunltaess ddee haidgruóageenstoá. n unidas

• Aunqpuoer epsutoesn teenlsacdees hsoidnr ódégbeinleos. y duran muy Enlace covalente poco tiempo (una millonésima de segundo), hay tantas -  Los enlaces son poco estables. Sólo  moléculas ded augruaan quunea simemillporneé hsiamy amudcehasse ugunniddaos, entre Enlace de pero en cada instante hay muchas sí.

+ + hidrógeno moléculas unidas a sus vecinas.  -

• +  +  El agua es líquida a temperatura ambie•n Etest,a m reiedn dter aesn lqaucees o etsr olos que permite que el agua sea cloíqmupiduae sat otse mcopne rmatausraa saimmiblaiern steo.n O gtarosse sc.o mpuestos con peso molecular parecido (como el amPoanríaac roo mo peel rm leat arendo )d seo enn glaacseess ad ete Hm hpaeyra qtuurea parmopboierncitoen. ar mucho calor, antes de que las moléculas puedan aumentar su movilidad y pasar a gas.
• Para convertir el agua líquida en vapor hay que romper esta red de enlaces de hidrógeno, lo cual requiere mucha energía (calor).

🔹 5. Tensión superficial La tensión superficial es una consecuencia directa de la cohesión. Es como una “piel” que se forma en la superficie del agua y que cuesta romper.

• En la superficie del agua, las moléculas están más unidas entre sí que con el aire. Las moléculas de abajo las atraen hacia dentro.
• Por eso, parece que el agua está cubierta por una película invisible. Esta propiedad permite, por ejemplo, que ciertos insectos caminen sobre el agua.

🔹 6. Elevada fuerza de adhesión La adhesión es la capacidad del agua para pegarse a otras superficies, sobr e todo si esas superficies tienen carga eléctrica (como el vidrio).

Un ejemplo claro de esto es la capilaridad:

• Cuando el agua está en un tubo muy fino, sube por sí sola.
• Las moléculas de agua se adhieren a las paredes del tubo, y como están unidas entre sí, arrastran a las demás hacia arriba.
• Es un proceso que se repite: las de arriba tiran de las de abajo.

🔹 7. Cohesión + adhesión: agua en los árboles Las fuerzas de cohesión y adhesión trabajan juntas para hacer posible algo impresionante: que el agua suba por los troncos de los árboles en contra de la gravedad.

• Las raíces absorben agua y sales minerales del suelo.

• Esta agua asciende por vasos conductores muy finos gracias a:
• Capilaridad (adhesión): el agua se pega a las paredes del vaso.
• Cohesión: las moléculas tiran unas de otras, formando una columna continua.
• Cuando el agua se evapora por las hojas (transpiración), se genera una “succión” que tira de toda la columna hacia arriba.

🔹 8. Elevado calor específico El calor específico es la cantidad de calor que hay que aplicar a un gramo de una sustancia para aumentar su temperatura en 1 ºC. El agua tiene un calor específico muy alto, lo que significa que:

• Absorbe mucho calor antes de calentarse.
• Pierde mucho calor antes de enfriarse.

Esto la convierte en un gran regulador térmico, tanto para el planeta como para los

• rganismos vivos.

COMPARACIÓN CON OTRAS SUSTANCIAS: SUSTANCIA CALOR ESPECÍFICO (CAL/G·ºC)

Agua 1,00 Etanol 0,58 Madera 0,41 Aluminio 0,22 Vidrio 0,20 Ladrillo 0,20 Aire seco 0,24 Como vemos, el agua necesita más del doble de calor que el etanol para calentarse.

Elevado calor específico

• 🔸 ¿Por qué ocurre esto?

Agua fría Las moléculas de agua están unidas por puentes de hidrógeno.

 En relación a otros materiales, Cuando se añade calor, gran parte de esa energía no se dedica a aumentar la temperatura, sino a romper esos enlaces.  El agua absorbe mayor cantidad de calor sin que su tempe-

• En el calentamiento, la energía se gasta primero en debilitar ratura aumente.

los enlaces antes de que las moléculas puedan moverse más deprisa (y Las moléculas están unidas entre sí por tanto aumentar la temperatura).

por puentes de hidrógeno. Gran

• En el enfriamiento, hay que extraer mucha energía para que Se lo “ s r p o u m e p n e t n es ” parte de la energía añadida se utiliza de hidrógeno en romper esos enlaces en vez de las moléculas reduzcan su movimiento y se enfríen. aumentar el movimiento.

 También hay que extraer mayor Gracias a esta propiedad: cantidad de calor para que disminuya su temperatura.

• Los océanos, lagos y ríos amortiguan los cambios bruscos de temperatura del entorno.
• Nuestro cuerpo, que está compuesto en gran parte por agua, Agua caliente mantiene su temperatura estable, incluso cuando el ambiente cambia.

🔹 9. Elevado calor de vaporización El calor de vaporización es la cantidad de energía que se necesita para convertir un gramo de líquido en vapor, sin cambiar su temperatura.

El agua tiene un calor de vaporización muy alto, lo que significa que:

• Hace falta mucha energía para pasar de estado líquido a gaseoso (es decir, para que hierva
• se evapore).

• Esta propiedad está relacionada también con los puentes de hidrógeno: antes de que las moléculas puedan escapar como vapor, hay que romper esas uniones.
• 🔸 ¿Por qué es importante esto?
• En el cuerpo humano, el sudor actúa como un sistema de refrigeración. Al evaporarse, absorbe mucho calor de la piel, ayudando a mantener la temperatura corporal.
• En la naturaleza, grandes masas de agua como mares y océanos almacenan calor durante el día y lo liberan lentamente por la noche, regulando el clima.

Como ya hemos visto, el agua necesita mucha energía para pasar de líquido a vapor, y eso tiene efectos importantes en los seres vivos y en objetos cotidianos.

• 🔸 Efecto refrigerante en seres vivos:
• Al evaporarse, el agua arrastra consigo calor. Eso ayuda a bajar la temperatura del cuerpo.
• Por ejemplo:
• El sudor, al evaporarse sobre la piel, absorbe parte del calor corporal, enfriando la superficie.
• En las plantas, la evaporación del agua a través de las hojas evita que se recalienten al sol.

Este mecanismo permite eliminar mucho calor con poca pérdida de agua, lo cual es crucial para evitar la deshidratación.

• 🔸 Efecto botijo:

El principio del botijo, muy conocido en la Ecluevltaudroa cpaolporu ldaer veasppoarñizoalac,ió sne: beafescat oe xbaocttiajomente en esta propiedad:

• El agua se filtra por los poros de la cerámica.
• En contacto con el aire, se evapora lentamente.
• Para hacerlo, usa energía que toma del agua que está dentro, lo que reduce la temperatura del contenido.

Expansión a•l cEoln rgeesulaltrasdeo: el agua de dentro del botijo puede estar hasta 10 ºC más fresca, dependiendo de la humedad ambiental, la porosidad yLa lcae rfáomricma pao rdoseal arbescoribpeiepanrttee.d el agua y, cuando llega a la superficie exterior, se evapora lentamente.

 La evaporación requiere energía que es captada del agua del interior, 🔹 10. Expansión al congdeislmairnusyee ndo su temperatura.

Una de las cosas más sorprendentes del agua es que, al congelarse, en  El enfriamiento depende de la forma del botijo, el tipo de cerámica, la vez de enEclohgieelrosee scommenoo lsa dmenasyoocarq nít uaid e add eed l e la aag gsu u asa ,uelsntiavenl cdeiahusm, esdea deexxptearionr detec.. En condiciones óptimas, se puede conseguir un enfriamiento de unos 10 ºC.

líquida.

• 🔸 ¿Qué significa esto?

Agua  A 0 ºC, cada molécula de agua forma 4

• El agua líquida, al bajar de temperatura, empieza a formar una líquida puentes de hidrógeno con sus vecinas, estructurmau cmhoásm oársdeensatadbale sdeqbuiedoe an loesl eangulaaces de hidrógeno.

líquida. Se forma una red tridimensional

• Eenn ele lestqaudeo slaóslidmoo (léhciuellaos), elasstá mn omléácsulas de agua se organizan en una red hexasgeopnaraald ams.uy abierta.
• Esto hace que ocupe más espacio, es decir, aumenta su volumen y, como consecuencia, disminuye su densidad.

Hielo

Por eso, el hielo flota sobre el agua líquida.

• 🔸 ¿Por qué es tan importante esta propiedad?
• Protección de los ecosistemas acuáticos:
• Cuando se forma hielo en lagos o mares, se queda en la superficie, creando una capa aislante que protege el agua líquida de debajo del frío extremo.
• Esto permite que la vida continúe bajo el hielo, incluso en climas muy fríos.
• Consecuencias geológicas:
• Cuando el agua se introduce en grietas de las rocas y se congela, aumenta de volumen y puede romperlas.
• Este fenómeno, llamado gelifracción, contribuye a la formación del suelo y al modelado del paisaje.

🔹 11. Versatilidad como disolvente: el agua como disolvente universal El agua se conoce como disolvente universal porque puede disolver muchas sustancias diferentes, sobre todo aquellas que tienen carga eléctrica o son polares. Veamos los casos principales:

Disolvente universal

• 🔸 a) Disolución de compuestos iónicos (como la sal común) El agua puede disolver compuestos iónicos como la sal de mesa.
• Cuando echamos sal (cloruro sódico, NaCl) en agua, los iones Na⁺ y Cl⁻ se Capa de separan. moléculas de agua
• Las moléculas de agua, gracias a su polaridad, rodean a estos iones:
• El oxígeno (con carga parcial negativa) se orienta hacia el Na⁺.
• El hidrógeno (con carga parcial positiva) se orienta hacia el Cl⁻.
• Así, la sal se disuelve completamente en el agua.

Cristal de sal

• 🔸 b) Disolución de compuestos polares (como el azúcar)
• Las moléculas de azúcar, aunque no son iónicas, tienen zonas con cargas parciales.
• El agua puede interactuar con ellas mediante puentes de hidrógeno o fuerzas dipolares.
• Por eso, también el azúcar se disuelve bien en agua.
• 🔸 c) ¿Qué pasa con las grasas o aceites?
• Las grasas y aceites son moléculas no polares, es decir, no tienen zonas con carga.
• Por eso, el agua no puede disolverlas.

• Al contrario: el agua prefiere interactuar consigo misma mediante enlaces de hidrógeno, dejando de lado las grasas, que terminan separándose en otra fase (por eso el aceite flota en el agua).

Esta propiedad es fundamental para la vida porque permite que en el interior de las células muchas sustancias estén disueltas en agua: azúcares, sales, proteínas, gases, etc.

Trans parencia Debido a esta🔹pro p 1 ie 3 da . d T fís r ica an de s l p ag a ua r , e es n p c o i s a ib l d e e el l d a es g a u rro a ll o de especies fotosintéticas en el fondo de mares y ríos, hasta donde puede penetraLr laal utz.ransparencia es una propiedad física del agua que, aunque puede parecer simple, tiene una gran importancia biológica.

• 🔸 ¿Qué significa?
• El agua permite el paso de la luz, sobre todo en las capas superiores de mares, lagos y ríos.
• Esto se debe a que no absorbe todas las longitudes de onda de la luz visible, al menos no de forma inmediata
• total.
• 🔸 ¿Por qué es importante?
• Gracias a esta propiedad, la luz solar puede penetrar hasta el fondo (en cierta medida) de ecosistemas acuáticos.
• Esto permite el desarrollo de especies fotosintéticas, como:
• Algas
• Cianobacterias
• Plantas acuáticas Estas especies forman la base de la cadena alimentaria y generan oxígeno mediante la fotosíntesis.

Sin la transparencia del agua, no sería posible la vida vegetal en ambientes acuáticos y, por tanto, muchas formas de vida tampoco existirían.

Aunque esta propiedad es más química que física, es igual de importante, por lo que hablemos de ella:

🔹 14. Bajo grado de ionización del aguBaaj o grado de ionización El agua pura (H₂O) tiene una ligera tendencia a separarse (ionizarse) en dos tipos de iones:

• El ión hidrógeno (H⁺) → también se representa como H₃O⁺ cuando se hidrata.
• El ión hidroxilo (OH⁻) Agua Ión hidroxilo Ión hidrógeno

(H2O) OH- H+

• 🔸 ¿Qué significa “bajo grado”?

 Sólo un pequeño número de moléculas de agua están divididas (2 por cada mil

• De cada mil millones de moléculas de agumail,lo nseós)l.oEl adguoasc osnetie ndeiigsuoalccioancnen etranci óHn d⁺e yH+ OqueHde⁻O. H-.
• Esto quiere decir que el agua casi no está Siiounnciozmapudesato, cappeazrode cteideenr He+ slead iscuealvpe aencaigduaa, dla ddisoelu chiónafcinaelrlo tendrá más H+que OH-. Es un ácido.Así, el jugo de limón o el vinagre.

cuando se disuelven otras sustancias.

 Si un compuesto capaz de captar H+ se disuelve en agua, la disolución final tendrá menos H+que OH-. Es una base.Así, la sosa o la lejía.

• 🔸 Ácidos y bases en disolución El comportamiento del agua frente a otras sustancias depende de si éstas:
• Ceden protones (H⁺) → entonces son ácidos.

• Ejemplo: jugo de limón, vinagre.
• Resultado: aumentan la concentración de H⁺ en la disolución.
• Captan protones (H⁺) → entonces son bases.
• Ejemplo: sosa, lejía.
• Resultado: disminuyen la concentración de H⁺ (porque los absorben), aumentando la de OH⁻.

🔹 15. ¿Qué es el pH?

El pH es una escala que se usa para medir el grado de acidez o basicidad de una disolución acuosa. Sus siglas vienen del latín “pondus Hydrogenii”, que significa algo así como “peso o concentración de hidrógeno”.

• 🔸 ¿Cómo se interpreta la escala?

LA ESCALA DE PH VA DEL 0 AL 14 VALOR DE PH TIPO DE SOLUCIÓN EJEMPLO

0 - 6,9 Ácida Zumo de limón, vinagre 7 Neutra Agua pura 7,1 - 14 Básica (alcalina) Lejía, amoníaco

• A menor pH, mayor acidez (más concentración de H⁺).
• A mayor pH, más básica es la disolución (más concentración de OH⁻).
• 🔸 El pH en los seres vivos
• Las células de los mamíferos (como nosotros) y los líquidos corporales (sangre, citoplasma, etc.) suelen tener un pH cercano a 7, es decir, ligeramente neutro.
• Para mantener este equilibrio, el cuerpo utiliza sistemas tampón, que neutralizan los excesos de ácido o base.

🔹 16. ¿Cómo se mide el pH?

Hay dos métodos principales:

• pH-metro (medida exacta)
• Es un aparato con dos electrodos: uno de referencia y otro sensible al pH.
• Se introduce en la disolución y mide la diferencia de potencial eléctrico, que se traduce en un valor de pH muy preciso.
• Papel indicador (medida aproximada)
• Es un papel impregnado con mezclas de sustancias que cambian de color según el pH.
• Al mojarlo con la disolución, adopta un color que se compara con una escala de colores estándar.

🔹 17. ¿Cuánta agua necesitamos?

Nuestro organismo necesita mantener constante la cantidad de agua, independientemente del estado fisiológico (ya sea en reposo, haciendo ejercicio, con fiebre, etc.).

¿Cuánta agua necesitamos?

• 🔸 ¿Por qué?
• Porque el agua es el medio en el que se realizan la mayoría de las reacciones bioquímicas del cuerpo.
• También participa en la regulación de la temperatura, el transporte de sustancias, la eliminación de desechos, etc.
• 🔸 En la práctica
• El agua se pierde continuamente por sudor, orina, respiración y heces. La cantidad de agua del organismo debe mantenerse constante en cualquier estado fisiológico.
• Por tanto, hay que reponerla diariamente mediante la bebida y los alimentos.

🔹 18. ¿Qué es el agua metabólica?

Es el agua que se produce dentro del cuerpo como resultado de la oxidación (combustión) de los nutrientes.

CANTIDAD GENERADA POR TIPO DE NUTRIENTE: NUTRIENTE AGUA GENERADA (G POR G DE NUTRIENTE)

Glúcidos 0,6 g Proteínas 0,5 g Grasas 1,1 g (más que los otros)

• Aquí vemos como la grasa produce más agua que los otros nutrientes al oxidarse.
• 🔸 Importancia biológica
• Animales del desierto, como los camellos, sobreviven sin beber durante mucho tiempo gracias al agua metabólica que obtienen al “quemar” la grasa de sus jorobas.
• En humanos, una dieta normal puede generar unos 0,3 litros de agua metabólica al día, lo que también contribuye a mantener la hidratación.

🔹 19. Sales minerales Las sales minerales son compuestos inorgánicos que desempeñan funciones fundamentales en los seres vivos. Pueden aparecer de tres formas:

• Precipitadas
• Forman estructuras sólidas que proporcionan protección o soporte.
• Ejemplos:
• Conchas
• Caparazones
• Esqueletos (huesos formados por calcio en forma de fosfato cálcico)
• Disueltas
• Se encuentran ionizadas en los líquidos corporales.
• Ejemplos: Na⁺, Ca²⁺, Cl⁻…
• Tienen muchas funciones:
• Contracción muscular
• Transmisión del impulso nervioso
• Regulación del equilibrio osmótico, etc.

• Asociadas a otras moléculas
• Se combinan con biomoléculas orgánicas para potenciar sus funciones.
• Ejemplo:
• El hierro de la hemoglobina, que permite transportar oxígeno en la sangre.
• El magnesio en muchas enzimas.

RESUMEN DE LAS PROPIEDADES DEL AGUA: