Introduccion
En la naturaleza las formas de carbono, tanto orgánicas como inorgánicas, se encuentran ampliamente distribuidas. Los compuestos orgánicos son aquellos en los que los átomos de carbono se unen covalentemente entre sí para formar el esqueleto de la molécula. Algunos compuestos de carbono muy simples se consideran inorgánicos, en especial si el carbono no está unido a otro átomo de carbono o hidrógeno. Los compuestos orgánicos se denominan así porque durante algún tiempo se creyó que solo eran producidos por organismos vivos (orgánicos).
1.1 Objetivo General
Reconocer la presencia de los elementos biogenésicos primarios en la materia orgánica.
1.2 Objetivos específicos
Reconocer la presencia de los bioelementos biogenésicos primarios de la materia orgánica.
Demostrar la presencia de moléculas inorgánicas en la composición de la materia viva.
2.1 Bioelementos
Los bioelementos o elementos biogénicos son los elementos químicos, presentes en seres vivos. La materia viva está constituida por unos 70 elementos, la práctica totalidad de los elementos estables que hay en la Tierra, excepto los gases nobles. No obstante, alrededor del 99% de la masa de la mayoría de las células está constituida por cuatro elementos, carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N), que son mucho más abundantes en la materia viva que en la corteza terrestre.
Según su intervención en la constitución de las biomoléculas, los bioelementos se clasifican en primarios y secundarios. (Leheninger, A. L. 1976).
2.1.1 bioelementos primarios
Los bioelementos primarios son los elementos indispensables para formar las biomoléculas orgánicas (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos); constituyen el 96% de la materia viva seca. Son el carbono, el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno, el fósforo y el azufre (C, H, O, N, P, S, respectivamente).
Carbono: forman largas cadenas carbono-carbono (macromoléculas) mediante enlaces simples (-CH2-CH2) o dobles (-CH=CH-), así como estructuras cíclicas. Pueden incorporar una gran variedad de radicales (=O, -OH, -NH2, -SH, PO43-), lo que da lugar a una variedad enorme de moléculas distintas. Los enlaces que forma son lo suficientemente
fuertes como para formar compuestos estables, y a la vez son susceptibles de romperse sin excesiva dificultad.
Hidrógeno: además de ser uno de los componentes de la molécula de agua, indispensable para la vida y muy abundante en los seres vivos, forma parte de los esqueletos de carbono de las moléculas orgánicas. Puede enlazarse con cualquier bioelemento.
Oxígeno: es un elemento muy electronegativo que permite la obtención de energía mediante la respiración aeróbica. Además, forma enlaces polares con el hidrógeno, dando lugar a radicales polares solubles en agua
Nitrógeno: principalmente como grupo amino (-NH2) presente en las proteínas ya que forma parte de todos los aminoácidos. También se halla en las bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos. Prácticamente todo el nitrógeno es incorporado al mundo vivo como ion nitrato, por las plantas. El gas nitrógeno solo es aprovechado por algunas bacterias del suelo y algunas cianobacterias.
Fósforo. Se halla principalmente como grupo fosfato formando parte de los nucleótidos. Forma enlaces ricos en energía que permiten su fácil intercambio (ATP).
(Leheninger, A. L. 1976).
2.1.2 Bioelementos secundarios
Los bioelementos secundarios se encuentran en menor proporción en todos los seres vivos, en forma iónica, en proporción de 4.5%. Estos realizan funciones de vital importancia en la fisiología celular.
Calcio (Ca): Integra los carbonatos de calcio de estructuras esqueléticas. Iónicamente interviene en la contracción muscular, la coagulación sanguínea y el impulso nervioso.
Sodio (Na): Es un catión abundante en el medio extracelular; muy necesario en la conducción nerviosa y en la contracción muscular.
Potasio (K): Constituye el catión más abundante en el interior de las células; es necesario para el sistema nervioso y en la contracción muscular.
Magnesio (Mg): Constituye un elemento esencial en la cadena alimentaria de los seres vivos, ya que es parte integrante de la molécula de clorofila, imprescindible en la fotosíntesis: todos nuestros alimentos proceden, directa o indirectamente de la función vegetal de fotosíntesis. Como ion actúa junto con las enzimas en muchas reacciones químicas del organismo.
Cloro (Cl): Es el anión más frecuente; resulta necesario para mantener el balance de agua en la sangre y en el fluido que se encuentra entre unas y otras células en los tejidos.
Hierro (Fe): Asociado a los componentes proteínicos (hemoglobina, mioglobina, citocromos). Permite el almacenamiento y transporte de minerales.
Cobre (Cu): Forma parte de la hemocianina, activador coenzimático, también participa en la formación de la hemoglobina.
Yodo (I): Componente de la hormona tiroxina, su deficiencia ocasiona el cretinismo en los niños y el bocio en los adultos.
Cobalto (Co): Componente de la vitamina B12
Zinc (Zn): Componente de la insulina, participa en el desarrollo y crecimiento de los huesos.
Cromo (Cr): Participa en el metabolismo de los glúcidos.
Níquel (Ni): Activa e inhibe enzimas, participa en la coagulación sanguínea.
2.2 Enlaces químicos
Los átomos pueden mantenerse unidos por fuerzas de atracción denominadas enlaces químicos. Cada enlace equivale a una determinada cantidad de energía química. Los dos tipos principales de enlaces químicos son los enlaces covalentes y los iónicos.
2.2.1 Enlace covalente
Los enlaces covalentes suponen compartir electrones entre átomos de tal manera que cada átomo queda con su capa de valencia competa.
Cuando dos átomos comparten un par de electrones, el enlace covalente se denomina enlace covalente sencillo. El enlace covalente se denomina enlace covalente doble cuando dos pares de electrones se comparten de este modo, lo que se representa con dos líneas continuas paralelas. De forma similar, se forma un enlace covalente triple (que se representa por tres líneas continuas paralelas) cuando dos átomos comparten tres pares de electrones. (Eldra P. Solomon, 2008)
2.2.2 Enlaces iónicos
Un átomo se convierte en un ión cuando acepta o dona uno o más electrones. Los átomos con 1,2 o 3 electrones en su capa de valencia tienden a donar electrones a otros átomos. Al hacerlo, adquieren carga positiva debido a que su núcleo contiene más protones que electrones orbitando a su alrededor. Estos iones cargados positivamente se denominan cationes. Los átomos con 5,6 o 7 electrones de valencia tienden a aceptar electrones de otros átomos y se convierten en aniones cargados negativamente.
Un enlace iónico se forma como consecuencia de la atracción entre la carga positiva de un catión y la carga negativa de un anión. Un compuesto iónico es una sustancia compuesta de aniones y cationes unidos mediante sus cargas opuestas. (Eldra P. Solomon, 2008).
2.2.3 Enlaces de hidrógeno o puente de hidrógeno
Cuando este elemento se combina con oxígeno (u otro átomo relativamente electronegativo como el nitrógeno), adquiere carga parcial positiva debido a que su electrón está más tiempo cerca del átomo electronegativo. Los enlaces de hidrogeno tienden a formarse entre un átomo con carga parcial negativa y otro de hidrogeno que está unido covalentemente al oxigeno o nitrógeno.
Los enlaces de hidrogeno se forman y rompen con facilidad. Aunque que a nivel individual son relativamente débiles, en conjunto son fuertes cuando se encuentran en gran número. (Diana W. Martin).
2.2.4 Interacciones hidrófobas
Es la tendencia que presentan las moléculas apolares a agruparse cuando se encuentran en un medio acuoso. Realmente, es el agua el que tiende a comprimirlas entre si hasta que se unen. La fuerte inclinación de las moléculas de agua a formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas, determina su comportamiento frente a moléculas no polares, incapaces de formar enlaces de hidrógeno, tales como alcanos, hidrocarburos en general, fluorcarburos, átomos inertes. Cuando las moléculas de agua entran en contacto con este tipo de moléculas se encuentran con un aparente dilema: cualquiera que sea el sitio al que la molécula de agua enfoque, parece que una o más de las cuatro cargas moleculares tiene que apuntar hacia la molécula inerte de soluto y por tanto pierde capacidad de formar enlaces de hidrógeno. Claramente la mejor configuración sería la de tener el menor número de cargas tetraédricas apuntando hacia la especie de soluto, de modo que las otras cargas pudieran apuntar hacia la fase acuosa siendo por tanto capaces de participar en enlaces de hidrógeno, tanto como antes. (L. Styer, 1988).
2.2.5 Enlace por Fuerzas de Van der Walls
Incluso las moléculas no polares eléctricamente neutras pueden desarrollar de forma transitoria regiones con carga débil positiva o negativa. Estas pequeñas cargas se desarrollan como consecuencia del hecho de que los electrones están en constante movimiento. Una región con un exceso temporal de electrones tendrá una carga negativa débil, mientras que aquella con un déficit de electrones tendrá una carga positiva débil. Las moléculas adyacentes pueden interaccionar con regiones de carga ligeramente opuesta. Estas fuerzas de atracción, denominadas fuerzas de van der walls, que actúan en distancias muy cortas y son más débiles y menos específicas que los demás tipos de interacciones que hemos estudiado. Estas son las más importantes cuando se dan en gran número y cuando las formas de las moléculas permiten un contacto estrecho entre los átomos. Aunque una única interacción es muy débil, la fuerza de unión de un número elevado de interacciones de este tipo actuando a la vez puede ser importante. (Eldra P. Solomon, 2008).
2.3 Grupos funcionales
El grupo funcional es un átomo o conjunto de átomos unidos a una cadena carbonada, representada en la fórmula general por R para los compuestos alifáticos y como Ar (radicales alifáticos) para los compuestos aromáticos. Los grupos funcionales son responsables de la reactividad y propiedades químicas de los compuestos orgánicos.
La combinación de los nombres de los grupos funcionales con los nombres de los alcanos de los que derivan brinda una nomenclatura sistemática poderosa para denominar a los compuestos orgánicos. (J. McMurry, 2005)
2.3.1 Hidroxilo (-OH)
El grupo hidroxilo es un grupo funcional formado por un átomo de oxígeno y otro de hidrógeno, característico de los alcoholes, fenoles y ácidos carboxílicos entre otros compuestos orgánicos.
Hidroxilo u oxhidrilo es también el nombre usado para referirse al anión OH-, uno de los iones poliatómicos más simples y más importantes que se encuentra en los hidróxidos. Este ion esta formado por un oxígeno y un hidrógeno y su carga eléctrica es -1. (J. McMurry, 2005)
2.3.2 Carbonilo (C=O)
Un grupo carbonilo es un grupo estructural que consiste en un átomo de carbono con un doble enlace a un átomo de oxígeno. La palabra carbonilo puede referirse también al monóxido de carbono como ligando en un complejo inorgánico u organometálico (e.g. níquel carbonilo); en este caso, el carbono tiene un doble enlace con el oxígeno. (J. McMurry, 2005)
Un grupo carbonilo caracteriza los tipos siguientes de compuestos (-CO quiere decir un grupo carbonilo):
Aldehído
Cetona
Ácido carboxílico
Éster
Amida
Enona
Acetilo
Cloruro de acilo
Anhídrido
2.3.3 Carboxilo (-COOH)
Los ácidos carboxílicos tienen como fórmula general R-COOH. Tienen propiedades ácidas; los dos átomos de oxígeno son electronegativos y tienden a atraer a los electrones del átomo de hidrógeno del grupo hidroxilo con lo que se debilita el enlace, produciéndose en ciertas condiciones una ruptura heterolítica, cediendo el correspondiente protón o hidrón, H+, y quedando el resto de la molécula con carga -1 debido al electrón que ha perdido el átomo de hidrógeno, por lo que la molécula queda como R-COO-.
Generalmente los ácidos carboxílicos son ácidos débiles, con sólo un 1 % de sus moléculas disociadas para dar los correspondientes iones, a temperatura ambiente y en disolución acuosa. (J. McMurry, 2005).
2.3.4 Amino (-NH2)
Un grupo amino es un grupo funcional derivado del amoníaco o alguno de sus derivados alquilados por eliminación de uno de sus átomos de hidrógeno. Se fórmula según su procedencia como -NH2, -NRH o -NR2. Un compuesto que contiene un grupo amino es una amina o una amida.
Los grupos amino, y las aminas, se clasifican según la cantidad de sustituyentes diferentes al hidrógeno en aminas primarias (RNH2), secundarias (R2NH), terciarias (NR3) y cuaternarias ((NR4) +). (J. McMurry, 2005).
2.3.5 Sulfhídrilo (-SH)
Un tiol es un compuesto que contiene el grupo funcional formado por un átomo de azufre y un átomo de hidrógeno (-SH). Siendo el azufre análogo de un grupo hidroxilo (-OH), este grupo funcional es llamado grupo tiol o grupo sulfhidrilo. Tradicionalmente los tioles son denominados mercaptanos. (J. McMurry, 2005).
2.4 Biomoléculas inorgánicas
2.4.1 Agua
Gran parte de la masa de la mayoría de los organismos es agua. En los tejidos humanos, el porcentaje de agua varia del 20% en los huesos al 85% en las células cerebrales; alrededor del 70% de nuestro peso corporal total corresponde al agua. La proporción de hasta 95% en las medusas y en algunas plantas. Las moléculas de agua son polares; es decir, en extremos de cada molécula posee carga parcial positiva y el otro tiene carga parcial negativa. En el agua líquida y en el hielo, las moléculas están asociadas por enlaces de hidrogeno, los cuales se forman cuando un átomo de hidrógeno, con su carga parcial positiva, es atraído por el de oxigeno de una molécula adyacente, con carga parcial negativa. (Eldra P. Solomon, 2008).
Debido a que sus moléculas son polares, el agua es un disolvente excelente, un líquido capaz de disolver muchos tipos de sustancias, en particular compuestos polares e iónicos. Sus propiedades de disolvente y la tendencia de los átomos de determinados compuestos a formar iones cuando están en solución hacen que el agua tenga una importante función facilitando las reacciones químicas. Las sustancias que interaccionan fácilmente con el agua son hidrófilas. (Eldra P. Solomon, 2008).
Propiedades del agua:
Alto calor específico: esta propiedad está en relación con los puentes de hidrógeno que se forman entre las moléculas de agua. El agua puede absorber grandes cantidades de "calor" que utiliza para romper los puentes de hidrógeno por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. Esto permite que el citoplasma acuoso sirva de protección ante los cambios de temperatura. Así se mantiene la temperatura constante.
Alto calor de vaporización: también los puentes de hidrógeno son los responsables de esta propiedad. Para evaporar el agua, primero hay que romper los puentes y posteriormente dotar a las moléculas de agua de la suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la gaseosa. Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 calorías, a una temperatura de 20º C.
Alta tensión superficial: La fuerza de interacción de la tensión superficial del agua es la fuerza de van der Waals entre moléculas de agua. La aparente elasticidad causada por la tensión superficial explica la formación de ondas capilares. A presión constante, el índice de tensión superficial del agua disminuye al aumentar su temperatura. También tiene un alto valor adhesivo gracias a su naturaleza polar.
Capilaridad: se refiere a la tendencia del agua a moverse por un tubo estrecho en contra de la fuerza de la gravedad. Esta propiedad es aprovechada por todas las plantas vasculares, como los árboles.
Bajo grado de ionización: la mayor parte de las moléculas de agua no están disociadas. Sólo un reducido número de moléculas sufre disociación, generando iones positivos (H+) e iones negativos (OH-). En el agua pura, a 25ºC, sólo una molécula de cada 10.000.000 está disociada, por lo que la concentración de H+ es de 10-7. Por esto, el pH del agua pura es igual a 7.
La densidad del agua: En estado líquido, el agua es más densa que en estado sólido. Por ello, el hielo flota en el agua. Esto es debido a que los puentes de Hidrógeno formados a temperaturas bajo cero unen a las moléculas de agua ocupando mayor volumen.
2.4.2 Las sales minerales
Las sales minerales son biomoléculas inorgánicas que aparecen en los seres vivos de forma precipitada, disuelta en forma de iones o asociada a otras moléculas.
Precipitadas: Las sales se forman por unión de un ácido con una base, liberando agua. En forma precipitada forman estructuras duras, que proporcionan estructura o protección al ser que las posee. Ejemplos son las conchas, los caparazones o los esqueletos.
Disueltas: Las sales disueltas en agua manifiestan cargas positivas o negativas. Los cationes más abundantes en la composición de los seres vivos son Na+, K+, Ca2+, Mg2+… Los aniones más representativos en la composición de los seres vivos son Cl-, PO43-, CO32-… Las sales disueltas en agua pueden realizar funciones tales como:
Mantener el grado de grado de salinidad.
Amortiguar cambios de pH, mediante el efecto tampón.
Controlar la contracción muscular
Producir gradientes electroquímicos
Estabilizar dispersiones coloidales.
Asociadas a otras moléculas: Los iones pueden asociarse a moléculas, permitiendo realizar funciones que, por sí solos no podrían, y que tampoco realizaría la molécula a la que se asocia, si no tuviera el ión. La hemoglobina es capaz de transportar oxígeno por la sangre porque está unida a un ión Fe++. Los citocromos actúan como transportadores de electrones porque poseen un ión Fe+++. La clorofila captura energía luminosa en el proceso de fotosíntesis por contener un ión Mg++ en su estructura.
2.5 Biomoléculas orgánicas: Carbohidratos
Los carbohidratos son moléculas biológicas muy abundantes. Se les conoce con el nombre de azúcares y están formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno. Los carbohidratos o azúcares se pueden encontrar en diferentes formas.
2.5.1 Los monosacáridos
Están formados por una cadena de tres a siete átomos de carbonos. De acuerdo al número de carbonos se les llama triosa (3 carbonos), tetrosa (4 carbonos), pentosa (5 carbonos) y así sucesivamente, la glucosa que está formada por 6 carbonos, es una hexosa, lo mismo que la fructosa o azúcar de las frutas. La glucosa no se encuentra en la naturaleza en forma lineal, sino que tiende a formar anillos. (Eldra P. Solomon, 2008)
2.5.2 Oligosacáridos
La sacarosa es el azúcar que ponemos en la mesa todos los días, se obtiene de la caña de azúcar o remolacha. Los disacáridos están formados por dos monosacáridos. En la sacarosa se une una molécula de glucosa y una de fructosa. Otro disacárido familiar es la lactosa, que es el azúcar de la leche, está formada de la unión de la glucosa y la galactosa. La maltosa está formada por la unión de dos moléculas de glucosa. (Eldra P. Solomon, 2008)
2.5.3 Polisacáridos
Son polímeros formados por la unión de muchos monosacáridos, algunos funcionan como reserva energética tanto en plantas como en animales mientras que otros cumplen funciones estructurales, es decir, que dan forma y firmeza a ciertos organismos. (Eldra P. Solomon, 2008)
3.1 Lugar de ejecución
La práctica fue desarrollada en el laboratorio de Biología de la Universidad Nacional Agraria de la Selva.
3.2 Materiales
Materiales de laboratorio
Mechero
Tubo de ensayo
Pinzas
Mortero y pilón
Tiza y cal
Ron de quemar o alcohol
Gradilla
Matraz
Navaja o bisturí
Materiales de los alumnos
Papa
Trozo de metal
Pollo
Carne
Leche
3.3 Metodología
3.3.1 Determinación del C, H y O
Primero depositamos la tiza en el mortero y molimos hasta que quedo bien fina.
En tubo de ensayo depositamos la tiza molida, calentamos suavemente y observamos.
En otro tubo de ensayo colocamos trozos de papa
Calentamos suavemente y determinamos la presencia de carbono, oxigeno, hidrogeno.
3.3.2 Determinación del C, H, O y N
En dos tubos de ensayo depositamos trozos de pollo y carne en cada tubo respectivamente.
Calentamos suavemente hasta que se observe la presencia de los elementos químicos en la materia.
Después colocamos los tubos en la rejilla.
3.3.3 Determinación de CO2
Colocamos en un matraz trozos de carne y añadimos oxido cúprico.
En un tubo de ensayo colocamos 5ml de agua de cal.
Tapamos el matraz y el tubo de ensayo, y sujetamos pada envase con el soporte universal.
Seguidamente calentamos el matraz con un mechero hasta lograr el cambio de color del agua de cal.
3.3.4 Determinación de sales minerales
Preparamos una gradilla con 4 tubos de ensayo enumerados.
Agregamos 3ml de leche a cada tubo
Al tubo 1 le añadimos 1ml de agua destilada
Al tubo 2 le añadimos 1ml de solución de nitrato de plata
Al tubo 3 le añadimos 2ml de solución de molibdato amónico al 1%
Al tubo 4 agregamos 10 gotas de solución de oxalato amónico al 1%
4.1. Determinación del CHO
Al calentar el tubo de ensayo con una porción de tiza molida por 5 minutos nos dimos cuenta que empezó a brotar el hidrogeno pero en menor cantidad por más que la tiza sea un componente inorgánico.
Al calentar el tubo de ensayo con una porción de papa picada y pelada por 5 minutos se observa con más claridad la expulsión del hidrogeno ya que la papa es un tubérculo orgánico que su interior contiene glucosa y agua.
4.2. Determinación del CHON
Al ponerlo en temperatura de ebullición el pollo por 5 minutos nos dimos cuenta que sus poros del pollo se abrieron y liberaron hidrogeno y CHON.
Al colocar la carne en temperatura de ebullición por 5 minutos se pudo notar que los poros se abrieron y liberaron menos CHON.
4.3. Determinación del CO2
Al colocar los dos tubos el tubo de la carne el de agua con cal realizamos una mezcla a temperatura de ebullición y nos dimos cuenta que al juntar se formaron mayor cantidad de CO2.
4.4. Determinación de sales minerales
Preparamos agua con sal y eso lo llenamos al buche de pollo para observar el precipitado lechoso y llenamos en un vaso precipitado agua destilada donde echamos en nitrato de plata 3 gotas y observamos que broto una precipitación lechoso blanquecino
LEHENINGER A.L. 1976 curso breve de biología. 1era edic. Edit. Omega, Barcelona, España.
STRYER L. 1988. Bioquímica 3era edic. Edit. Reverté. Barcelona, España.
JOHN MC MURRY 2005. Química orgánica. Clasificación de los grupos funcionales 6ta edic. Edit. Cangae
SOLOMON, BERG, MARTIN. Biología 8va edic. 2005. Edit Mc Graw Hill.
AUTOR :
Garay Salazar Alejandro Martin
CURSO : BIOLOGIA
CICLO : 2015-I.
UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVA
FACULTAD DE RECURSOS NATURALES RENOVABLES
DEPARTAMENTE ACADEMICO DE CONSERVACIÓN DE SUELOS Y AGUA
Tingo maría – Perú
2015