Bloque I Biología 2ºBACHILLERATO \"LA BASE FÍSICO- QUÍMICA DE LA VIDA\" (TEMAS 1-6) PDF

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TEMAS DEL BLOQUE I:TEMA 1: LA BASE FÍSICO-QUÍMICA DE LA VIDA.EL AGUA Y LAS SALES MINERALESTEMA 2: LOS GLÚCIDOSTEMA 3: LOS LÍPIDOSTEMA 4: LAS PROTEÍNASTEMA 5: ENZIMAS, VITAMINAS Y HORMONASTEMA 6: NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOSBloque 1:La base f isico-quimica de la vidaNURIA ARDID MUÑOZ2 ºB BACHILLERA...

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Bloque 1: La base f isi ida isicococo-qu quimica de la vvida TEMAS DEL BLOQUE I: TEMA 1: LA BASE FÍSICO-QUÍMICA DE LA VIDA. EL AGUA Y LAS SALES MINERALES TEMA 2: LOS GLÚCIDOS TEMA 3: LOS LÍPIDOS TEMA 4: LAS PROTEÍNAS TEMA 5: ENZIMAS, VITAMINAS Y HORMONAS TEMA 6: NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEICOS

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Nuria Ardid Muñoz 2º Bachillerato. TEMA 1: LA BASE FISICOQUÍMICA DE LA VIDA. EL AGUA Y LAS SALES MINERALES 1. LOS ENLACES QUÍMICOS Y SU IMPORTANCIA EN BIOLOGÍA 1.1.

INTRODUCCIÓN C, H, O, N, P y S son el 99% de los seres vivos de todos los elementos naturales de la tierra -Los seres vivos están formados por elementos químicos (principalmente C,H,O,N,S,P) -Una razón: se pueden unir con dos o más átomos del mismo o de distintos tipos dando lugar a moléculas muy complejas indispensables para la organización 1.1.1.

y funcionamiento de los sistemas biológicos ·Los elementos se combinan para formar moléculas mediante enlaces 1.1.2. ENLACES QUÍMICOS: uniones entre átomos ● TIPOS DE ENLACES QUÍMICOS ○

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ENLACES INTRAMOLECULARES: enlaces químicos fuertes entre átomos que forman moléculas ■ COVALENTE ■ IÓNICO ■ METÁLICO ENLACES INTERMOLECULARES: enlaces débiles entre moléculas ■ ■ ■ ■

1.2.

ENLACES DE PUENTES DE HIDRÓGENO FUERZAS DE VAN DER WAALS INTERACCIONES ELECTROSTÁTICAS INTERACCIONES HIDROFÓBICAS

ENLACES INTRAMOLECULARES: ENLACES COVALENTE E IÓNICO ENLACE COVALENTE: el enlace más fuerte que existe entre átomos que permite la construcción de moléculas estables en el que los átomos toman o comparten los electrones necesarios con otros átomos para completar su última capa de valencia CARACTERÍSTICAS DEL ENLACE COVALENTE 1.2.1.

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ENLACE MÁS FUERTE QUE EXISTE PERMITE LA CONSTRUCCIÓN DE MOLÉCULAS ESTABLES REGLA DEL OCTETO: los elementos tienden a alcanzar la configuración del gas noble que tienen más próximo en la tabla, a tener su capa de valencia completa por ocho electrones (dos en el caso del hidrógeno) y para ello comparten o toman electrones necesarios con otros elementos SE FORMA ENTRE ÁTOMOS DE ELEVADA ELECTRONEGATIVIDAD (elementos a la derecha de la tabla - C, O, N, Cl, F…) ·Electronegatividad: capacidad que tiene un átomo de atraer hacia sí los electrones de un enlace

TIPOS DE ENLACE COVALENTE: ○ ENLACE COVALENTE APOLAR: enlace en el que los átomos unidos tienen la misma o similar electronegatividad, por lo que atraen a los electrones del enlace con la misma intensidad, resultando en un enlace apolar y formando moléculas apolares ■ MOLÉCULA APOLAR: moléculas con todas sus cargas equilibradas, es decir, sin polos diferenciados (H2, O2…) ·Todas las moléculas son neutras (no tienen carga ya que poseen el mismo número de protone que de electrones) ·Los iones están cargados ○

·Pero en las moléculas neutras hay un equilibrio o desequilibrio de cargas ENLACE COVALENTE POLAR: enlace en el que los átomos unidos tienen distinta electronegatividad y el átomo más electronegativo atrae con más fuerza los electrones del enlace, resultando en moléculas polares. Sobre el átomo más electronegativo se genera una carga parcial negativa y sobre el menos electronegativo se genera una carga parcial positiva, formándose un dipolo eléctrico. ■ TIPOS DE ENLACE COVALENTE POLAR: ·Enlace sencillo: si en el orbital molecular común se comparten dos electrones (uno de cada átomo) ·Enlace doble: si en el orbital molecular común se comparten cuatro electrones (dos de cada átomo) ·Enlace triple: si en el orbital molecular común se comparten seis electrones (tres de cada átomo) ■

MOLÉCULA POLAR / DIPOLO: Moléculas generadas cuando los elementos se unen por enlaces covalentes polares, es decir, que los elementos poseen diferente electronegatividad, de forma que el más electronegativo atrae con más fuerza a los electrones del enlace. Consecuentemente la molécula, a pesar de ser neutra (no tiene carga) presenta una distribución asimétrica de los electrones del enlace, por lo que se trata de una molécula dipolar (es una molécula neutra con cargas parciales desequilibradas, a pesar de ser neutra) ·Alrededor del átomo más electronegativo se concentra una densidad de carga negativa (hay un exceso de carga negativa) ·Los núcleos del elemento menos electronegativo quedan desprovistos de forma parcial de sus electrones y tienen una densidad de carga positiva (defecto de carga negativa)

Nuria Ardid Muñoz 2º Bachillerato. ·Interacción entre moléculas polares: cuando el extremo negativo de una molécula polar está cerca del extremo positivo de otra se produce una atracción entre ambas, denominada enlace de hidrógeno o puente de hidrógeno (si las moléculas contienen H) ·Todas las moléculas polares se disuelven en H2O porque se establecen enlaces intermoleculares entre las moléculas debido a las cargas de los dipolos. ENLACE IÓNICO: enlace fuerte de atracción electrostática que tiene lugar entre átomos de distinta electronegatividad y que da lugar a redes cristalinas ESTRUCTURA DEL ENLACE IÓNICO: ○ ÁTOMO MÁS ELECTRONEGATIVO: tiene mucha tendencia a ganar electrones para completar 1.2.2.

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○ ○

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su capa de valencia y se forma un ion negativo, anión ÁTOMO MENOS ELECTRONEGATIVO: tiene mucha tendencia a perder electrones para completar su capa de valencia y se forma un ión positivo, catión UNIÓN ENTRE ÁTOMOS: La unión entre ambos se produce por la atracción electrostática entre iones de carga opuesta

RED CRISTALINA: Los compuestos iónicos no forman moléculas - forman agregados iónicos que son parte de una red cristalina que se extiende de manera indefinida ○ FÓRMULA MOLECULAR: la fórmula molecular de las redes cristalinas iónicas no informa sobre cuántos átomos hay, sino la proporción en la que se encuentran los elementos (habrá más o menos átomos dependiendo del tamaño del cristal)

1.3.

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ENLACES INTERMOLECULARES: atracciones débiles entre moléculas que se pueden crear y romper con facilidad y que no suponen cambio químico 1.3.1. CARACTERÍSTICAS DE ENLACES INTERMOLECULARES DÉBILES INDIVIDUALMENTE CONJUNTAMENTE PUEDEN SER MÁS FUERTES QUE UN ENLACE COVALENTE SON LAS RESPONSABLES DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS SUSTANCIAS:estado físico, viscosidad, tensión superficial…

·Explican la razón por la que no todas las sustancias pequeñas son gases 1.3.2.

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TIPOS: pueden ser de atracción entre cargas distintas o repulsión entre cargas iguales INTERACCIONES ELECTROSTÁTICAS DENTRO DE UNA MOLÉCULA: en el caso de las interacciones electrostáticas de las regiones de una misma molécula, en ocasiones las regiones de las moléculas tienen distinta carga y se puede producir una atracción electrostática entre ellas, causando que se plieguen en el espacio de distintas maneras. -Ejemplo: carboxilo (R-COO-) y el amino (R-NH3+) (presentes en las proteínas que se atraen entre sí) 1.3.3.

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INTERACCIONES ELECTROSTÁTICAS: enlaces o uniones débiles que se establecen entre iones y moléculas con regiones cargadas eléctricamente, o entre regiones de la misma molécula.

ENLACES O PUENTES DE HIDRÓGENO: enlace débil que se establece entre moléculas polares que contienen un átomo de hidrógeno unido a, generalmente, un átomo de F, de O o de N, que ocurre como consecuencia de la atracción eléctrica entre las cargas parciales positivas de una molécula y las cargas parciales negativas de la otra.

ESTRUCTURA DE LAS MOLÉCULAS POLARES: ○ ÁTOMO DE F, O o N: carga eléctrica negativa. Debido a que son muy electronegativos y pequeños, los electrones compartidos en el enlace se sitúan más cerca de ellos y se genera una carga negativa sobre estos (tienen mayor afinidad por los electrones) ○ ○

ÁTOMO DE HIDRÓGENO: carga eléctrica positiva. Sobre este átomo se genera un defecto de carga negativa DIPOLO: Consecuentemente se genera un dipolo por la diferencia entre dichas cargas eléctricas.

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PUENTE / ENLACE DE HIDRÓGENO: se produce por la atracción eléctrica entre las cargas parciales positivas del hidrógeno de una molécula y las negativas de los átomos (F, O o N) de la otra molécula ·Los enlaces de hidrógeno son muy abundantes, y por eso influyen en las propiedades físicas de la materia

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CONSECUENCIAS DEL ENLACE DE HIDRÓGENO: explica propiedades físicas de la materia ·Ejemplo: es la causa de que el agua se presente en estado líquido. El agua es una molécula pequeña y de no ser por estos enlaces, sería gaseosa (al igual que el resto de moléculas pequeñas). Debido a la presencia de los puentes de hidrógeno entre las moléculas, tiene estado líquido por la cohesión entre las moléculas que les confieren estos enlaces (si no hubiera enlaces de hidrógeno no se cohesionarían las moléculas y por tanto no presentarían estado líquido)

Nuria Ardid Muñoz 2º Bachillerato. 1.3.4.

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FUERZAS DE VAN DER WAALS: interacciones débiles establecidas entre moléculas que se encuentran muy juntas que son eléctricamente neutras pero en las que aparecen dipolos eléctricos instantáneos

DIPOLOS ELÉCTRICOS INSTANTÁNEOS: los dipolos se producen por las distribuciones al azar de las cargas eléctricas. Los electrones giran alrededor del núcleo de los átomos y en algunos momentos pueden estar más desplazados a unos lados que a otros, por lo tanto, en esos momentos, se forman los dipolos.

1.3.5. INTERACCIONES HIDROFÓBICAS: fuerzas de cohesión débiles o interacciones entre moléculas apolares, que repelen el agua -Las moléculas apolares repelen el agua porque el agua es una molécula polar (con una parte eléctricamente positiva y negativa), mientras que las apolares tienen una única carga, son eléctricamente neutras

2.

BIOELEMENTOS 2.1. DEFINICIÓN: los bioelementos son los elementos químicos que forman parte de los seres vivos, unos 70 diferentes (aunque no son exclusivos de los seres vivos) 2.1.1. PRIMER CRITERIO DE UNIFORMIDAD DE LOS SERES VIVOS: el primer criterio de uniformidad de los seres vivos es su composición química, puesto que toda la materia viva presenta los mismos elementos y moléculas ·Es una manifestación evolutiva porque quiere decir que desde un origen común se seleccionaron determinados elementos debido a sus propiedades 2.1.2. ELEMENTOS EN LA MATERIA VIVA Y EN LA TIERRA: ·La materia viva está constituida por 70 elementos (bioelementos) - de esos 70, 6 de ellos (C,H,O,N,P,S) son los más abundantes en la materia orgánica ·Los bioelementos mayoritarios no coinciden con los elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre (excepto el oxígeno) 2.2.

CLASIFICACIÓN BIOELEMENTOS PRIMARIOS: bioelementos imprescindibles para la formación de biomoléculas orgánicas, las moléculas exclusivas

2.2.1.

● ● 2.2.2.

● ●

que forman los seres vivos (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos). CANTIDAD: 96% del total de la materia viva BIOELEMENTOS: C, H, O, N, P, S BIOELEMENTOS SECUNDARIOS: bioelementos imprescindibles de los seres vivos que se encuentran en menor proporción CANTIDAD: 4% del total de la materia viva TIPOS DE BIOELEMENTOS SECUNDARIOS ○ BIOELEMENTOS SECUNDARIOS INDISPENSABLES: aquellos que no pueden faltar en los seres vivos porque son

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imprescindibles para que las células puedan desarrollar sus funciones y están siempre presentes en la materia viva ■ Bioelementos: Ca, Na, K, Mg, Cl, Fe, Si, Cu, Mn, B, F, I… BIOELEMENTOS SECUNDARIOS VARIABLES: aquellos que pueden faltar en algunos organismos pero que son imprescindibles en aquellos en los que aparecen ■ Bioelementos: Ti, V…

OLIGOELEMENTOS: bioelementos secundarios indispensables para los seres vivos por sus funciones catalíticas pero que se encuentran en proporciones inferiores al 0,1% ·Funciones catalíticas: la catálisis es el proceso por el cual se aumenta la velocidad de una reacción química debido a la acción de los catalizadores 2.2.3.

sobre ellas ● CANTIDAD: inferior al 0,1% ·Están presentes en pequeñas cantidades pero su falta total podría provocar la muerte ● BIOELEMENTOS: Fe, Cu, Zn, I, Ni, Co (aparecen en la mayoría de los organismos); Si, F, Cr, Li, B, Mo y Al (solo presentes en grupos concretos) ●

FUNCIONES BIOLÓGICAS DE ALGUNOS OLIGOELEMENTOS: ○ 𝑵𝒂+ , 𝑲+ , 𝑪𝒍− : intervienen en la transmisión del impulso nervioso y en la creación de los gradientes de membrana ○ YODO: interviene en la formación de la tiroxina, la hormona producida por la tiroides que se encarga del metabolismo energético ○ CALCIO: participa en la contracción muscular, coagulación sanguínea y la transmisión del impulso nervioso en forma iónica. En forma de CaCO3 forma estructuras esqueléticas. ○ ○ ○

HIERRO: forma parte de la hemoglobina, la proteína transportadora de oxígeno que se encuentra en los glóbulos rojos de la sangre; y la mioglobina, que se encuentra en los músculos FLÚOR: forma parte de la dentina (esmalte de los dientes) y su carencia produce caries COBALTO: se necesita para sintetizar la vitamina B12 (cianocobalamina), que se necesita para sintetizar la hemoglobina y la formación

○

de eritrocitos COBRE: se necesita para la formación de la hemocianina, un pigmento presente en invertebrados que transporta el oxígeno (equivalente a la hemoglobina humana) ZINC: abundante en el cerebro y en los órganos sexuales

○

MANGANESO: forma parte de enzimas que intervienen en procesos fotosintéticos.

○

Nuria Ardid Muñoz 2º Bachillerato. 2.3. CARACTERÍSTICAS DE LOS BIOELEMENTOS PRIMARIOS ● PRESENCIA DE LOS BIOELEMENTOS EN LA BIOSFERA: ○ ○

ABUNDANCIA DE H Y O EN LOS SERES VIVOS Y LA BIOSFERA: porque el elemento más elevado en la materia viva es el agua (varía entre un 65% en los organismos terrestres y 90% en los acuáticos) DEMÁS BIOELEMENTOS (C,N,S,P): no son abundantes en la atmósfera, hidrosfera y litosfera - por ello se deduce que la materia viva no se ha formado a partir de los elementos más abundantes, sino de aquellos con unas propiedades específicas que han podido

constituirla (C,H,O,N,P,S) ● MASA ATÓMICA PEQUEÑA: favorece a que se establezcan entre ellos enlaces covalentes estables, formando moléculas estables -Cuanto menor es un átomo, mayor es la afinidad que tiene el núcleo para completar su última capa de valencia (mayor electronegatividad) con los electrones de los enlaces, por lo que la posibilidad de formar moléculas estables con enlaces covalentes es mayor (las moléculas estables no se deshacen y se forman continuamente) ●

ELECTRONEGATIVIDAD ELEVADA DEL OXÍGENO Y DEL NITRÓGENO: estos dos átomos son muy electronegativos, por lo que al unirse con otros átomos mediante enlaces covalentes dan lugar a moléculas polares. Estas moléculas se disuelven en el agua fácilmente (porque es polar), resultando en que puedan producirse las reacciones químicas y los procesos bioquímicos necesarios para la vida (ya que las sustancias solo reaccionan al estar disueltas en agua u otras sustancias)

2.4. ●

CARACTERÍSTICAS DEL CARBONO: El carbono es el elemento principal de los compuestos orgánicos, ya que todas las biomoléculas orgánicas consisten en esqueletos hidrocarbonados (formados por cadenas de carbono con hidrógenos) TETRAVALENCIA: tiene cuatro electrones en su capa de valencia, por lo que puede establecer cuatro enlaces simples (con otros carbonos, con otros grupos o con otros elementos) mediante enlaces covalentes fuertes que le dan estabilidad a las moléculas de los seres vivos ○ CAPACIDAD DE UNIÓN ENTRE SÍ Y CON OTROS ÁTOMOS: la consecuencia de la tetravalencia del carbono es que pueden formar una cantidad muy grande de sustancias ■ Puede unirse con otros carbonos u otros átomos mediante enlaces simples, dobles o triples y formar cadenas lineales ■ ■ ■

ramificadas o cíclicas Puede unirse también a los diferentes radicales formados por los otros elementos Posibilita un gran número de moléculas diferentes variadas y complejas Consecuentemente la materia viva es muy compleja, debido a la variedad de compuestos y estructuras que puede formar el carbono y los demás bioelementos

●

TETRAEDRO: los cuatro enlaces covalentes que puede formar el carbono forman en el espacio los vértices de un tetraedro ( forma enlaces divididos hacia los vértices de un tetraedro imaginario) ○

3.

CONSECUENCIA: Como consecuencia puede formar estructuras tridimensionales muy variadas con propiedades diferentes (moléculas muy diferentes en composición y estructura)

BIOMOLÉCULAS 3.1. DEFINICIÓN: moléculas que componen y forman parte de los seres vivos y que pueden separarse mediante métodos físicos (evaporación, filtración, destilación, centrifugación…), por lo que no se alteran.

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● ●

3.1.1. TIPOS DE BIOMOLÉCULAS (químicamente) BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS: biomoléculas de estructura química sencilla que no son exclusivas de los seres vivos, ya que aparecen en seres

vivos y en materia inerte (Agua, sales minerales, gases…) BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS: biomoléculas formadas por cadenas hidrocarbonadas que son exclusivas de la materia viva y tienen funciones específicas en los seres vivos. Forman parte de la materia viva. 3.1.2. PROPIEDADES DE LAS BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS TODAS REALIZAN UNA FUNCIÓN: las biomoléculas realizan una función dentro de los seres vivos que depende de su forma y tamaño MACROMOLÉCULAS: la mayoría son macromoléculas (moléculas muy grandes), y en muchos casos polímeros formados por la unión de monómeros que se unen en reacciones de polimerización (a excepción de los lípidos) ○ Reacciones de polimerización: reacciones en las que se forman polímeros a partir de monómeros

MACROMOLÉCULAS

MONÓMEROS

POLÍMEROS

Glúcidos

Monosacáridos

Polisacáridos

Lípidos

Ácidos grasos, alcoholes, isoprenos, glicerina… (no son monómeros, no se repite 1 constante)

---(caracterizados por ser insolubles en agua)

Proteínas

Aminoácidos (aa)

Péptidos / cadenas peptídicas Polipéptidos / cadenas polipeptídicas

Ácidos nucleicos

Nucleótidos

Polinucleótidos / cadenas polinucleotídicas

Nuria Ardid Muñoz 2º Bachillerato. ●

VITAMINAS, ENZIMAS Y HORMONAS: son también biomoléculas pero no forman una categoría diferente de biomoléculas. -Se trata de un aspecto funcional, de la actividad biológica que desempeñan , pero químicamente son derivadas de glúcidos, nucleótidos , lípidos, etc

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ESQUELETOS HIDROCARBONADOS: moléculas formadas por esqueletos hidrocarbonados, átomos de carbono unidos por enlaces covalentes a átomos de hidrógeno ○

GRUPOS FUNCIONALES: conjuntos de átomos unidos a las cadenas hidrocarbonadas que confieren a las moléculas orgánicas gran parte de sus propiedades (como la solubilidad en agua o su reactividad química) ·Los átomos de hidrógeno del esqueleto hidrocarbonado pueden sustituirse por grupos funcionales Grupos funcionales de importancia biológica

Grupo funcional

Fórmula estructural

Grupo hidroxilo

Grupo carbonilo

Aldehído

Cetona

Grupo carboxilo

Clase de compuestos a los que da lugar el grupo funcional

Descripción

Alcoholes -COH

-Estructura: compuestos con uno o más grupos hidroxilo -Características: ·Los alcoholes son compuestos polares. ·Son solubles en agua y forman puentes de hidrógeno

Aldehídos -CHO

Cetonas -CO-

Ácidos carboxílicos -COOH

-Estructura: ·Los aldehídos son compuestos originados cuando el grupo carbonilo se encuentra al final de la cadena de carbonos...