2.1. Compuestos del carbono
- 1. II BIOLOGÍA INTERNACIONAL IES Santa Clara. 1ºBACHILLER Dpto Biología y Geología. https://biologiageologiaiessantaclarabelenruiz.wordpress.com/bachillerato- internacional/biologia-nivel-superior/ Presentación realizada a partir de la creada por Aureliano Fernández ( IES Martínez Montañes de Sevilla) https://sites.google.com/site/iesmmibiologi a/ 2.1. COMPUESTOS DEL CARBONO Idea fundamental: los organismos vivos controlan su composición mediante una compleja red de reacciones químicas
- 2. 1. Los compuestos carbonados. El carbono es el elemento decimoquinto en orden de abundancia de la corteza terrestre, pero el segundo en los seres vivos. Los elementos químicos presentes en los seres vivos reciben el nombre de bioelementos o elementos biogénicos, de los que existen unos 70 diferentes (en la naturaleza hay unos 90). Los átomos de carbono pueden formar cuatro enlaces covalentes, y permiten así la existencia de toda una serie de compuestos estables. Término clave Elementos mayoritarios en la corteza terrestre Elementos mayoritarios en los seres vivos O C Si H Al O Fe N P S Los seres vivos seleccionamos y tomamos del medio los elementos que forman parte de nuestra materia, y no los más abundantes.
- 3. Bioelementos primarios o mayoritarios. Se trata de un grupo formado por los seis bioelementos antes mencionados (C, H, O, N, P y S), que constituyen el 96 % del total de la materia viva y son los componentes fundamentales de las biomoléculas. Bioelementos secundarios. Forman parte de todos los organismos vivos, aunque en menor proporción que los anteriores (3,9%). Son: Na, K, Ca, Mg , Cl y Fe. Oligoelementos o elementos traza. Aunque se encuentran en trazas, en proporciones inferiores al 0,1 % (en cantidades superiores son tóxicos), estos elementos son imprescindibles, pues desempeñan funciones esenciales en diferentes procesos bioquímicos y fisiológicos. Algunos oligoelementos, como Cu, Zn, Mn, I, Ni y Co, aparecen en la mayoría de los organismos y otros, como Si, F, Cr, Li, B, Mo y Al, solo están presentes en grupos concretos. Li Lit io F e 2 6 H ie rr o Hay 70 bioelementos (27 de los cuales son comunes en todos los seres vivos) Los bioelementos se clasifican según la proporción en la que se encuentran en los seres vivos.
- 4. Bioelementos primarios Azufre Se encuentra en dos aminoácidos (cisteína y metionina) , presentes en todas las proteínas. También en algunas sustancias como el Coenzima A. Fósforo Forma parte de los nucleótidos, compuestos que forman los ácidos nucleicos. Forman parte de coenzimas y otras moléculas como fosfolípidos, sustancias fundamentales de las membranas celulares. También forma parte de los fosfatos, sales minerales abundantes en los seres vivos.
- 5. Magnesio Forma parte de la molécula de clorofila, y en forma iónica actúa como catalizador, junto con las enzimas , en muchas reacciones químicas del organismo. Calcio Forma parte de los carbonatos de calcio de estructuras esqueléticas. En forma iónica interviene en la contracción muscular, coagulación sanguínea y transmisión del impulso nervioso. Sodio Catión abundante en el medio extracelular; necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular. Potasio Catión más abundante en el interior de las células; necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular. Cloro Anión más frecuente; necesario para mantener el balance de agua en la sangre y fluído intersticial. Bioelementos secundarios
- 6. Oligoelementos ó Elementos Traza Su porcentajes es de 1%, cada uno de ellos se encuentran en proporciones inferiores al 0,1%. No todos forman parte de los seres vivos. Son necesarios para el metabolismo celular. Actúan como cofactores de enzimas. Zn2+: abundante en cerebro, órganos sexuales y páncreas (se asociada con la insulina) Cu+/Cu2+: síntesis de hemocianina (pigmento respiratorio de invertebrados acuáticos) y enzimas oxidasas Fe2+/ Fe3+sintetizar Hb e Mb, y los citocromos. Co3+/Co2+: síntesis de vitamina B12 (=cianocobalamina o cobalamina), y enzimas que regulan la fijación del Nitrógeno. Mn2+: enzimas, factor de crecimiento y en procesos fotosintéticos. Li+: actúa incrementando la secreción de los neurotransmisores. Si4+: caparazones de diatomeas, rigidez de los tallos de gramíneas y de los equisetos. I-: síntesis de hormonas tiroideas. F-: esmalte de dientes y en huesos.
- 7. Propiedades generales: Capas electrónicas externas incompleta enlaces covalente biomoléculas Bajo nº atómico estabilidad Electronegatividad del O y N ALTA moléculas dipolares => alta solubilidad en agua Accesibilidad (CO2 , H2O, nitratos, etc.) (se incorporan fácilmente a los seres vivos desde el medio ambiente) ¿Por qué la vida se organizó a partir de estos elementos si no son los más abundantes en la corteza terrestre? Todos los átomos tienen que ganar electrones para completar sus niveles energéticos exteriores => establecen enlaces covalentes. H => 1 e- C => 4 e- N => 5 e- O=> 6 e- P => 5 e- S => 6 e- Son átomos pequeños => los e- se retienen cerca del núcleo => producen moléculas muy estables
- 8. Bioelementos Electronegatividad C 2,5 H 2,1 O 3,5 N 3
- 9. Hibridación sp3 => valencia 4 =>Estructura tetraédrica Variedad de cadenas carbonatadas estables (lineales, cíclicas, ramificadas) variedad de moléculas orgánicas. Hibridación sp2, sp formación de dobles y triples enlaces Grupos funcionales: aparecen como consecuencia de reacciones de oxidación –reducción: ej. Alcano ↔ Alcohol ↔ Áldehido ↔ Ácido variedad de moléculas orgánicas polifuncionales. PROPIEDADES ESPECÍFICAS DEL CARBONO
- 10. HIBRIDACIÓN SP3 DEL CARBONO HIBRIDACIÓN sp3 VALENCIA 4 ESTRUCTURA TETRAÉDRICA TRIDIMENSIONAL El carbono presenta 4 electrones desapareados que se dirigen a los hipotéticos vértices de un tetraedro regular. La valencia 4 que lo permite es consecuencia de un proceso de hibridación de orbitales, concretamente 1 s y 3 p originando 4 orbitales híbridos sp3 con un orbital desapareado cada uno de ellos.
- 11. VARIEDAD DE CADENAS CARBONATADAS ESTABLES (LINEALES, CÍCLICAS, RAMIFICADAS) La circunstancia anterior permite la formación de enlaces covalentes con otros carbonos lo que origina una enorme variedad de cadenas, en ocasiones, de gran tamaño y de múltiples morfologías (lineales, cíclicas, ramificadas), característica idónea para dar lugar al enorme número de estructuras que aparecen formando parte de los seres vivos Otros tipos de hibridación permiten al carbono formar dobles y triples enlaces, lo que aumenta, aún más, las posibilidades estructurales de sus derivados HIBRIDACIÓN sp2, sp FORMACIÓN DE DOBLES Y TRIPLES ENLACES
- 13. Aparecen como consecuencia de reacciones de oxidación –reducción: ej. Alcano ↔ Alcohol ↔ Aldehído ↔ Ácido: Variedad de moléculas orgánicas polifuncionales. Por último, la posibilidad del carbono de formar enlaces covalentes con otros bioelementos da lugar a múltiples grupos funcionales que al interaccionar principalmente a través de reacciones de oxidación –reducción constituyen la base química de la actividad vital. GRUPOS FUNCIONALES
- 14. C y Si en el mismo grupo de la tabla periódica Podría suponérseles semejante comportamiento químico, pero: El radio atómico del Si (1,46 Angstroms) mucho mayor que el del C (0,91 Angstroms)=> impide que dos de estos átomos se acerquen hasta permitir la superposición de orbitales. En consecuencia, los enlaces Si-Si son muy débiles (177 kJ.mol-1), siendo los enlaces múltiples correspondientes, raramente estables. Existen polímeros del Silicio llamadas siliconas (-Si-O-Si-O-), pero estas utilizan el oxígeno alternándose con el silicio lo que confiere a estas moléculas una gran estabilidad, por lo que la reactividad necesaria para la enorme complejidad de los fenómenos biológicos no parece posible, al menos, tal y como la conocemos. El CO2 es gaseoso y soluble en H2O => puede ser expelido por los seres vivos y absorbido por las plantas. El SiO2 es sólido e insoluble en H2O.
- 15. Propiedades específicas del H,O,N, S y P HIDRÓGENO: se une al Carbono por enlace covalente formando largas cadenas hidrocarbonadas. OXÍGENO: es el más electronegativo (más polar) y el más abundante. Forma el agua junto con el hidrógeno. NITRÓGENO: forma los grupos amino (-NH2) de los aminoácidos y de los ácidos nucleicos. AZUFRE: forma el radical sulfhidrilo (-SH) en muchas proteínas. FÓSFORO: forma los grupos fosfatos (-PO4)-3 que forma parte del ATP , fosfolípidos, etc.
- 16. Los bioelementos suelen enlazarse entre sí mediante enlaces covalentes, el tipo de enlace más fuerte que origina moléculas estables (una molécula es un conjunto de dos o más átomos enlazados entre sí covalentemente; las moléculas se representan mediante fórmulas químicas). El enlace covalente se forma cuando dos átomos adyacentes comparten al menos un par de electrones, siendo uno aportado por cada átomo. La fuerza de un enlace covalente depende del número de electrones compartidos: 1 par: enlace simple 2 pares: enlace doble 3 pares: enlace triple Los electrones que se comparten en un enlace covalente se encuentran siempre en la última capa y se denominan electrones de valencia. El número de enlaces depende del número de electrones de valencia. Enlace covalente simple gas hidrógeno Enlace covalente doble gas oxígeno Enlace covalente triple gas nitrógeno enlace covalente Fórmula molecularFórmula desarrollada
- 17. El carbono tiene cuatro electrones en su última capa, por lo que puede formar hasta cuatro enlaces covalentes, más que ningún otro bioelemento. Estructura del átomo de carbono con cuatro electrones de valencia en su segunda capa (la cual necesita otros cuatro electrones para completar el máximo de ocho), por lo que puede formar hasta cuatro enlaces covalentes (simples, dobles o triples). Los enlaces carbono-carbono pueden originar una gran variedad de moléculas complejas, con forma de cadena lineal o cíclica, ramificada o sin ramificar. Variedad de tipos de cadenas carbonadas: lineal lineal ramificada cíclica doble cíclica
- 18. Los átomos de carbono también pueden formar enlaces covalentes con otros tipos de átomos: hidrógeno (puede formar 1 enlace), oxígeno (2), nitrógeno (3), fósforo (3), azufre (2), etc. Todos los compuestos que contienen átomos de carbono se denomina compuestos orgánicos, salvo algunas excepciones. Metano Etanol Ácido acético Los COMPUESTOS QUÍMICOS SE CLASIFICAN EN DOS GRUPOS: orgánicos e inorgánicos. Los compuestos orgánicos incluyen todos los compuestos complejos de carbono encontrados en los seres vivos, pero no los compuestos simples que contienen carbono tales como los óxidos de carbono, los carbonatos y los bicarbonatos. Estos y el resto de compuestos químicos son inorgánicos. Fórmula semidesarrollada Fórmula química desarrollada CH4 CH2 OH CH3 − COOH Ácido palmítico (un ácido graso) Glucosa C6 H12 O6 Fórmula molecular CH4 CH3O C2H4O2 CH2OH−CHOH −CHOH −CHOH −CHOH −CHO CH3 − (CH2)14 −COOH
- 19. Los enlaces C-C y C-H son estables y apolares (con electronegatividades iguales o muy similares). Por eso cuando en una molécula aparece algún tipo diferente de átomos, que proporciona a la molécula alguna propiedad química diferente, este grupo de átomos recibe el nombre de grupo funcional de la molécula. Hidroxil o Carbonilo Carboxilo Amino Sulfhidrilo Fosfato Metilo Grupo funcional Fórmula estructural Ejemplo Encontr ado en Electronegatividades relativas de algunos átomos Átomo Electronegatividad O 3.5 N 3.0 C 2.5 H 2.1 Etanol Acetaldehído Ácido acético Alanina Cisteína Glicerol fosfato Alanina −CHO −COOH −NH2 −SH −PO4 2- −CH3
- 20. Algunos compuestos inorgánicos contienen carbono. Óxidos de carbono Bicarbonatos o carbonatos de hidrógeno Carbonatos Prueba tu mismo: Descarga el tutorial en: http://goo.gl/NjqENP
- 21. Se consideran orgánicos aquellos compuestos que contienen carbono y que están presentes en los organismos vivos, excepto los bicarbonatos o hidrogenocarbonatos (HCO3 -), los carbonatos (CO3 2-) y los óxidos de carbono (dióxido, CO2, y monóxido, CO). Compuestos orgánicos e inorgánicos Biomoléculas Compuestos orgánicos (sintetizados por los seres vivos y con estructura a base de carbono) Compuestos inorgánicos (no sintetizados por los seres vivos pero imprescindibles para ellos) Agua Sales minerales (carbonatos, fosfatos, cloruro sódico, amonio, etc.) Gases (oxígeno, dióxido de carbono, etc.) Glúcidos o hidratos de carbono Lípidos Proteínas Ácidos nucleícos
- 22. BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS LípidosGlúcidos A. NucleicosProteínas como Orgánicas Secundarios (Ca, Na, K, I, Fe, etc) Primarios (C, H, O, N, P, S) Biomoléculas forman Propiedades físico- químicas Funciones biológicas Disolvente Bioquímica Transporte presenta Elevada fuerza de cohesión Alto calor específico Alto calor de vaporización Alta constante eléctrica Mayor densidad en estado líquido como como se encuentran Disueltas (Na+, Cl-) Precipitadas (CaCO3) Inorgánicas S.mineralesAgua como pueden ser Oligoelementos ( I, Fe, etc)
- 23. BIBLIOGRAFÍA Y PÁGINAS WEB BIOLOGÍA. ALLOTT, Andrew, MINDORFF, David. AZCUE, José. Editorial Oxford. ISBN 978-0-19- 833873-4. https://sites.google.com/site/iesmmibiologia/ http://biologiaunesa.blogspot.com/p/segundo-bachillerato- internacional.html CONCEPTOS ANIMADOS EN HIPERTEXTOS DEL ÁREA DE BIOLOGÍA www.departamentobiologiaygeologiaiesmuriedas.wo rdpress.com http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~29701428/ ccnn/