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CAP. IV BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS Ing. Francisco Javier Camacho Calderón

SUCRE - BOLIVIA 1

AGUA Molécula con importancia biológica muy grande  La más abundante y a su rol en las funciones de los seres vivos. Constituye el 75 % de su peso total.  algunos con > 90 % (lechugas y medusas). En otros esta en pequeño porcentaje (semillas vegetales con apenas el 15%).

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AGUA Procede gralmente del medio externo. También se origina en reacciones químicas celulares. Esta  Dentro de la célula  En

el espacio intercelular

intersticial

o

 Circulando por el organismo. Ej. La

sangre y la linfa o savia.

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AGUA Funcionalmente, interviene en casi todas las reacciones químicas celula, ya sea como:  Reactante  Medio de reacción. La mayoría de las

bio-moléculas está en medio acuoso  Su estructura resulta de las interacciones con ella. Aunque por si misma carece de vida, es esencial para la vida.

4

AGUA De hecho hace posible la vida aunque otras condiciones sean desfavorables (T extremas).

“Donde hay agua, hay seres vivos” Muchas veces se piensa:

“Es un fluido simple” 5

AGUA Pero sus propiedades físicas químicas (estabilidad química notables propiedades disolventes):  Son

trascendentales funcionamiento celular

para

y y el

 Tienen

directa relación con las propiedades de las bio-moléculas  con el metabolismo. 6

AGUA - PROPIEDADES Muchas de sus propiedades se explican por la geométrica de su estructura molecular, característica que ninguna otra molécula tiene.

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AGUA - PROPIEDADES + a la diferencia de electronegatividad O - H  Asimetría electrónica que:  La caracteriza  Responsable de que sus propiedades

sean diferentes a las de otros compuestos similares  se clasifica separada de cualquier otro líquido.

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POLARIDAD Es polar. Aunque tiene una carga total neutra Δelectronegatividad O – H  ecompartidos sean:  Atraídos

con más fuerza por el núcleo de O.

 Alejandos de los núcleos de los H

 la molécula presenta asimetría electrónica  forme un dipolo 9

POLARIDAD Dipolo donde:  Cerca del átomo de O  densidad

electrónica  Cerca de los átomos de H 

 El enlace O–H Es polar Si fuera lineal como la molécula de CO2 la polaridad de los enlaces se compensaría y el enlace no sería polar. 10

POLARIDAD Sin embargo, es tetraédrica

 cuando las moléculas de agua se acercan  Atracción electrostática. 11

POLARIDAD Polo negativo de una molécula atrae al polo positivo de otra  un enlace de Puente H  Redistribución de cargas en ambas moléculas. Distribución de cargas casi tetraédrica  c/molécula sea capaz de unirse por puente H con otras cuatro moléculas  las mantiene unidas y les brinda gran cohesión.

12

POLARIDAD

13

PROPIEDADES TÉRMICAS Altas comparadas con substancias similares.

las

de

 Cp = 1 cal/g

Alto comparado con el de otros líquidos El más alto de todas los líquidos excepto NH3.

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PROPIEDADES TÉRMICAS  Puntos de fusión (0 ºC) y ebullición

(100 ºC) excepcionalmente altos

15

PROPIEDADES TÉRMICAS Si siguiera el patrón fundiría - 100 ºC y herviría a -91 °C  el agua en la tierra sería vapor  la vida no sería posible Sin embargo es un líquido en la mayor parte del rango de T característico de la tierra. A veces sólido. 16

PROPIEDADES TÉRMICAS  Calor

de fusión inusualmente alto

(80

cal/g),

 Calor de vaporización (540 cal/g) el

calor más alto que se conoce  El agua absorbe más energía calorífica que la mayoría de las sustancias  gran parte de la energía se usa para romper Puentes H 17

PROPIEDADES TÉRMICAS Solo una pequeña fracción de energía se usa para  Aumentar la temperatura  Cambios

importantes de TAlrededores producen pequeñas variaciones en la Tmedio acuoso  Cambio de fase  El cambio de

estado de poca agua transfiere grandes cantidades de calor. 18

PROPIEDADES TÉRMICAS  El agua termorreguladora.

tiene

función

Ej. La humedad en bosques mantiene +/- constante la TEcosistema. Desempeña un papel importante en la regulación térmica de los seres vivos  tienen  contenido de agua (50 % 90 %) dependiendo de la especie. 19

PROPIEDADES TÉRMICAS En mamíferos la TCuerpo se mantiene homogénea  el bombeo constante de sangre Corazón  tejidos periféricos para calentarlos cuando estos pierden calor  El mayor componente de la sangre es el agua Cuando existe sobrecalentamiento, el sudor enfría.  Sin mover ni perder mucho líquido 20

TENSIÓN SUPERFICIAL Alta  Las moléculas de agua están muy cohesionadas por acción de los Puentes H  Las moléculas en la interface aire-agua son atraídas con: FFase líq. > FFase gas  interface tiende a minimizar el área superficial  forma una película con resistencia a romperse  ejerce presión sobre el resto del líquido y se comporta como membrana elástica.

21

TENSIÓN SUPERFICIAL

22

CAPILARIDAD Tiene la capacidad de unirse a moléculas de otras sustancias / esto le permite:  Ascender

por

conductos estrechos (acción capilar) 23

CAPILARIDAD  Penetrar

en algunas sustancias como las semillas (imbibición)

Capilaridad  Fenómeno encontrado en la naturaleza: en raíces y tallos. El agua asciende más de 100 m de altura en los árboles. Muchas membranas celulares son lípidos  es probable que el agua pase de a través de ellas como si se fueran capilares de corta longitud.

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CAPILARIDAD La alta tensión superficial  en los procesos biológicos se usen moléculas tipo detergente (anfifílicas) para modificarla. Ej. Surfactantes pulmonares que reducen el trabajo necesario para abrir los espacios alveolares  Intercambio gaseoso eficiente. Su ausencia causa enfermedades graves o hasta la muerte 25

CONSTANTE DIELÉCTRICA Tiene una de las dieléctricas más altas.

constantes

+ su naturaleza dipolar  sea buen disolvente de gran cantidad de sustancias como:  Sales minerales  Compuestos orgánicos neutros con

grupos funcionales hidrófilos. 26

CONSTANTE DIELÉCTRICA Su principal efecto es que moléculas o partículas cargadas eléctricamente son fácilmente disociadas en presencia de agua  las moléculas de agua se orienten en torno a dichas partículas formando la envoltura de solvatación  Modifica sus propiedades Esto es muy importante para sistemas biológicos  ΔGradientes iónicos es la base energética y funcional de sus procesos 27

DENSIDAD Tiene una variación anómala

Existe un cambio positivo de volumen después de congelar  el hielo flota. 28

DENSIDAD Si el hielo no flotara, la vida acuática en lagos y los polos terrestres no existiría  se congelaría todo el cuerpo de agua Como el hielo flota  forma una capa que sirve d aislante térmico.

29

DENSIDAD El agua líquida es una agrupación oscilante de moléculas unidas por Puentes H en continua reorganización.

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DENSIDAD En gral. su densidad aumenta al congelarse  reducción del movimiento oscilatorio molecular Al congelarse forman cristales mantenidos por puentes de hidrógeno que ya no se reorganizan y se tornan permanentes.

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GRADO DE IONIZACIÓN Tiene un grado de ionización bajo Sólo un reducido número de moléculas se disocia en sus iones positivos (H+), y negativos (OH-). Aunque es bajo tiene una ligera tendencia a ionizarse  puede actuar como:  Ácido débil  Base débil. 32

GRADO DE IONIZACIÓN Como ácido libera un protón y forma un ión hidroxilo (OH-) Como base, acepta un protón y forma un ión hidronio (H3O+  H+) La disociación del agua, se representa: Cuya constante de Equilibrio es:

33

GRADO DE IONIZACIÓN

 Su producto iónico es: y la concentración de sus iones es:

34

GRADO DE IONIZACIÓN Si

la disolución es neutra.

Cuando una sustancia iónica o polar se disuelve en agua, puede cambiar la cantidad relativa los iones  Si

la disolución es ácida.

Si

la disolución es básica.

que dá la base de la escala de pH, que se define como: 35

FUNCIONES DEL AGUA Las principales son:  Disolvente  Medio de reacción  Transportadora  Bioquímica o metabólica  Estructural  Termorreguladora  Amortiguadora y lubricante 36

H2O - DISOLVENTE El mejor  Su elevada constante dieléctrica Para una gran diversidad de biomoléculas  El disolvente biológico ideal Tiene una capacidad excepcional para disolver sustancias iónicas y polares. Algunas sin carga  Tienen grupos polares forman interacciones, dipolodipolo favorables.

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H2O - DISOLVENTE Aniones con átomos O (CO3-2, SO4-2, NO-) son solubles  forman puentes H  O actúa como aceptor de estos + el anión atrae al dipolo del agua Esto último ocurre también con otros aniones (Cl- y F-) que tienen pares de electrones solitarios y que pueden actuar como aceptores de puentes de hidrógeno. 38

H2O - DISOLVENTE Cationes (Na+, K+, Ca+2 o Mg+2), se rodean de moléculas de agua unidad por interacciones ión – dipolo  los O se orientan hacia el catión y forman una capa alrededor del ión, la capa de solvatación.  moléculas neutras que son solubles o miscibles  forman puentes H como: aceptoras (acetona), donadoras (mercaptoetanol) o ambas (etanol). 39

H2O - DISOLVENTE Solubilidad de moléculas grandes complejas = f(# de grupos – iónicos o polares, geometría). En gral. Moléculas con grupos/forman puentes H tienden a unirse con agua a través ellos  se disuelven fácilmente (las que tienen grupos: hidroxilo, amina, sulfhidrilo, éster, cetona, entre otros). 40

H2O - DISOLVENTE Compuestos iónicos y polares afines al agua se llaman hidrófilos.  Es conocida Universal.

como

Disolvente

Es incapaz de disolver otras sustancias (lípidos, algunos aminoácidos)  hace posible:  Estructuras

supramoleculares

(membranas)  Muchos procesos bioquímicos.

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H2O - DISOLVENTE No  compuestos con grupos funcionales polares son solubles  Si tienen un componente hidrocarbonado grande (> 4 C)  son insolubles Salvo que tengan un grupo iónico o varios grupos polares.

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H2O - DISOLVENTE Compuestos no polares insolubles en agua se denominan hidrófobos. Inmiscibles  No interacciona con el agua ni por interacciones ión-dipolo ni mediante puentes de H (HC saturados). Si esto ocurre  Moléculas de agua vecinas se orientan y asocian / forman una estructura parecida al hielo  crean una especie de jaula de moléculas de agua alrededor, clatrato.

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H2O - DISOLVENTE Otros compuestos de importancia bioquímica, iónicos pero no polares (como las sales metálicas de ácidos carboxílicos de cadena larga) Se caracterizan por tiener propiedades mixtas / Una parte es polar y otra no Se denominan anfipáticos o anfifílicos.

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H2O – MEDIO DE REACCIÓN Ser Disolvente Universal  casi  las reacciones biológicas tengan lugar en medio acuoso Debido a que mantiene a muchos compuestos en forma ionizada. Además facilita la movilidad de las moléculas.  lo anterior favorece que iones y moléculas puedan reaccionar. 45

H2O – MEDIO DE REACCIÓN La reactividad de muchos grupos funcionales de las bio-moléculas, depende de su concentración en el medio acuoso.

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H2O – TRANSPORTADORA Reactivos y productos de reacciones metabólicas, nutrientes y productos de desecho, dependen del agua para su transporte:  En el interior  En el exterior  Entre el interior y exterior de las

células. 47

H2O – TRANSPORTADORA Los nutrientes asimilados por los seres vivos son distribuidos a todo el organismo a través de los medios de transporte: Sangre y savia. Por  lo indicado  No es casual que el principal componente de éstos medios de transporte de sustancias sea AGUA.

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H2O – METABOLITO Además de ser el medio de reacción participa activamente en reacciones bioquímicas (Función Bioquímica o Metabólica) ya sea como:  Reactivo o sustrato. En las hidrólisis,

reacciones que descomponen muchas macromoléculas en biomoléculas más simples.  Producto de reacciones. Respiración

u oxidación de la glucosa.

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H2O – METABOLITO También es muy importante en la fotosíntesis  aporta H necesario para reducir el CO2 Participa en la digestión de alimentos en organismos superiores.

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H2O – ESTRUCTURAL  A nivel molecular hidrata sustancias

y macromoléculas  estabilidad a la estructura.

Confiere

 A escala celular y orgánica llena y da

consistencia a: 

Células, tejidos y órganos



Incluso al cuerpo entero de muchos animales y plantas, sobre todo acuáticos. 51

H2O – ESTRUCTURAL Así se mantienen:  La columna de agua, savia bruta,

dentro del xilema  tejido vegetal de células muertas, rígidas y lignificadas que conducen la savia y sostienen la planta  llamado leña.

 La forma del ojo, lleno del humor

vítreo y acuoso  son en esencia agua. 52

H2O – ESTRUCTURAL  En algunas plantas (herbáceas) y

animales (medusas) verdadero esqueleto.

sirve

de

53

H2O – TERMOREGULADOR Los líquidos internos (sangre) tienden a mantener constante el equilibrio de temperaturas en el cuerpo. Calientan las partes más frías (piel) y enfrian las más calientes (hígado, músculos). El sudor ayuda a refrigerarse a los seres vivos en verano o cuando hacen esfuerzo  baja la T al evaporarse. 54

H2O – TERMOREGULADOR Su  cp  pueda absorber una gran cantidad de calor mientras su T sube ligeramente  parte de la energía se utiliza para romper los puentes H. Su   Vap  absorba mucho calor al pasar de líquido – gas (vapor)  para separar una molécula de las adyacentes se rompen puentes H consumiendo mucha energía  al evaporarse en la superficie absorbe gran parte del calor del entorno.

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H2O – TERMOREGULADOR Esta propiedad  funcione como buen amortiguador térmico de manera que:  Mantiene la T interna de los seres

vivos a pesar de las variaciones externas.  Evita cambios bruscos de T que

podrían afectar a los seres vivos.

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H2O – PROTECTOR  Lubrica y facilita el deslizamiento

entre los órganos.  Amortigua

el rozamiento entre huesos como bolsas de líquido en las articulaciones (líquido sinovial).

 Amortigua los golpes del cráneo en

el encéfalo (líquido cefalorraquídeo).

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SALES MINERALES Moléculas inorgánicas imprescindibles para la vida. En los seres vivos están en forma de precipitados, disueltas en forma de iones, o asociadas a otras moléculas. Cumplen funciones específicas.

esenciales

y

Normalmente están en  los seres vivos en [Sal] Cttes, en equilibrio y regulando los procesos osmóticos.

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SALES PRECIPITADAS Insolubles en agua. Constituyen estructuras sólidas con función de soporte y protección para los seres vivos.  Ca3(PO4)2 + CaCO3 se deposita sobre

las fibras de colágeno / crea una matriz dura sobre la cual se forman los huesos de los animales vertebrados. 59

SALES PRECIPITADAS  CaCO3 en:  Caparazones

o conchas, algunos protozoos marinos.

 Esqueleto

externo de moluscos y artrópodos

de

corales,

 Estructuras

duras como las espinas de erizos de mar, dientes y huesos de los animales. 60

SALES PRECIPITADAS  Silicatos y la sílice (SiO2) son parte

componente de:  Caparazones

de algunos organismos (diatomeas)

 Espículas de algunas esponjas y

moluscos – Cuerpos pequeños en forma se aguja que sostienen sus tejidos.  Estructura de soporte en algunos

vegetales (gramíneas).

61

SALES DISUELTAS Solubles en agua. En forma de disoluciones compuestas por muchos tipos de moléculas o solutos dispersos en una sola fase disolvente, el agua. Intervienen decisivamente en procesos físico-químicos de importancia vital para los organismos:  Mantener grado de salinidad. 62

SALES DISUELTAS  Regular la actividad enzimática 

actúan como cofactores enzimáticos (Ca, Fe, Mg).  Regular Posm y Vcelular  Manteniendo

la homeostasis  equilibrio osmótico.

mantener

el

 Estabilizar dispersiones coloidales.

Mantienen la hidratación + su disociación en iones  Mantener en suspensión partículas coloidales.

63

SALES DISUELTAS  Generar potenciales eléctricos / a

ambos lados de las membranas  una Δ cargas eléctricas  un potencial de membrana  ejerce una fuerza sobre cualquier molécula cargada electricamente.

 Intervenir en procesos fisiológicos

diversos como: El transporte de electrones o la contracción muscular. 64

SALES DISUELTAS  Regular el pH. Las disoluciones de

sales que hacen esto se llaman soluciones tampón o amortiguadoras Tienen la propiedad de disminuir las variaciones de pH producidas por efecto de las reacciones bioquímicas.

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DISOLUCIONES Y DISPERSIONES Disolución = Disolución acuosa de iones y moléculas de pequeño tamaño muy solubles + sustancias hidrófobas + moléculas tan grandes que no se pueden mantener en disolución. Cristaloides = Solutos pequeños (10-7 10-6 mm o < 1 µm), en gral. de bajo peso molecular, forman disoluciones verdaderas, disociados en sus iones.

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DISOLUCIONES Y DISPERSIONES Coloides = Solutos grandes(10-6 - 10-4 mm o > 1 µm), de peso molecular alto, forman dispersiones coloidales.

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DISOLUCIONES VERDADERAS  Aspecto

parecido al del solvente

puro  Transparentes  Estables  no sedimentan.

Coligativas  Dependen de la cantidad y no de la naturaleza del soluto:

 Propiedades

 Descenso de PVap. Ley de Roult 

PVap, solución < PVap, solvente.

68

DISOLUCIONES VERDADERAS 

Incremento del Pto de Ebullición. Teb, disolución > Teb, solvente.



Descenso del Punto de Fusión. Tf, disolución < Tf, solvente.

 Difusión. Referida a la transferencia

de masa debida al movimiento de moléculas. Transferencia originada en diferencia de C, T, P o Veléctrico.

una 69

DISOLUCIONES VERDADERAS Este fenómeno  Cuando dos soluciones / CA  CB se ponen en contacto  soluto migra de la solución más concentrada a la más diluida y el solvente en dirección opuesta hasta que CA = CB  Ósmosis. Referida a la difusión entre

dos fluidos a través de un tabique o membrana semipermeable. 70

DISOLUCIONES VERDADERAS  Estabilidad del Grado de Acidez o

pH. Capacidad de sales minerales que disueltas en los líquidos biológicos se ionizan y producen H3O+ y OH- que neutralizan el efecto de ácidos o bases añadidos / el pH de los seres vivos se mantiene constante. Las disoluciones que tiene esta capacidad se llaman disoluciones

71

DISPERSIONES COLOIDALES  Se presentan en forma de:  Sol  líquidas.  Gel  semisólidas.  Elevada

Viscosidad. Resistencia interna de un líquido al movimiento.

 Elevado Poder Adsorbente. Atracción

entre la superficie de un sólido y las moléculas de líquido o gas. 72

DISPERSIONES COLOIDALES  Efecto

Tyndall. Se observa cierta opalescencia. Al iluminarlas lateralmente sobre un fondo oscuro presentan un aspecto lechoso con irisaciones  Reflejos con franjas de color arcoiris.

 Sedimentación.

Sus partículas tienden a sedimentarse, en especial dentro de campos gravitatorios fuertes . 73

DISPERSIONES COLOIDALES  Diálisis. Proceso de separación de

coloides de los cristaloides gracias a una membrana semipermeable que sólo permite pasar moléculas pequeñas.  Electroforesis.

Transporte de partículas coloidales a través de un gel debido a la acción de un campo eléctrico. 74

SALES - ASOCIADAS Más que sales iones unidos a biomoléculas orgánicas como proteínas (fosfoproteínas), lípidos (fosfolípidos) y glúcidos (agar-agar). Los iones asociados a éstas moléculas realizan funciones que no pueden. Las bio-moléculas solas tampoco pueden realizar dicha sin el ión asociado. 75

SALES – ASOCIADAS EJEMPLOS  Hemoglobina

transporta O en la sangre  está unida a un ión Fe+2.

 Citocromos

transportan electrones  poseen un ión Fe+3.

 Clorofila captura energía luminosa en

la fotosíntesis  tiene asociado un ión Mg+2 en su estructura. 76

SALES – ASOCIADAS EJEMPLOS  Tiroxina

o tetrayodotironina (T4), importante hormona tiroidea que:  Estimula

el metabolismo de carbohidratos y grasas  activando el consumo de oxígeno.

 Degrada proteínas en la célula

 La presencia de iones I-1 en su molécula. 77

GASES Encontramos en los seres vivos al:  Oxígeno  Ozono  Dióxido de Carbono  Nitrógeno.

78

OXÍGENO Esencial para la respiración celular. En animales es:  Asociado a la Hemoglobina en los

alveolos pulmonares.  Transportado a los demás tejidos por

la sangre.  Usado en reacciones de combustión

y fermentación  obtener energía para procesos vitales de las células. 79

OXÍGENO Es regenerado:  En las plantas durante la fotosíntesis  Durante la fase luminosa o reacción

de Hill  Las

plantas lo usan para descomponer la materia orgánica y oxidar nutrientes: metales y minerales. 80

OXÍGENO Ayuda a que las células se:  Mantengan sanas  Rehabiliten  Reparen  Reproduzcan.

Juega un rol importante en el metabolismo ayudando a la asimilación de nutrientes de los alimentos.

81

OZONO Forma triatómica del negativamente (O3).

O

cargada

Muy inestable  Tiene un periodo de vida corto. Microorganismos patógenos tienen una carga relativa positiva  lo atraen y los destruye casi de inmediato  Su alto poder oxidante. 82

OZONO Elimina: parásitos, virus, bacterias, priones, hongos, mohos, esporas y otros muchos contaminantes en segundos. Según la FDA acaba con el 99,9992 % de  los patógenos conocidos cuando se insufla en agua. El cuerpo humano tiene un 70% de agua  Es evidente su efectividad en la eliminación de  clase de

83

OZONO Los árboles perennes liberan ozono. Los neutrófilos  parte del sistema inmunológico lo generan ozono para matar patógenos. Neutrófilos = células muy pequeñas pero muy efectivas  sólo tardan unos segundos en matar una bacteria. Es el Desinfectante Naturaleza.

de

la

Madre 84

OZONO En zonas superiores de la atmósfera: O2 + Rayos UV  O3 Más pesado que el aire  tiende a caer  purifica la atmósfera al descender. Si en su descenso encuentra vapor: O3 + H2O  H2O2 componente del agua de lluvia  las plantas crecen mejor con agua de lluvia que con agua subterránea.

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DIÓXIDO DE CARBONO Esencial en la fotosíntesis. Las plantas lo usas para extraer C  requerido para elaborar su alimento y generar sus tejidos y estructura  expulsan O que reponen a la atmósfera Los animales lo generan en reacciones de producción de energía en las células donde se asocia a la hemoglobina para su transporte desde los tejidos a los pulmones donde es expulsado.

86

NITRÓGENO El componente principal de los aminoácidos, proteínas y ácidos nucleícos. Pero los seres vivos no lo pueden utilizar directamente de la atmósfera. Requieren que sea transformado en N orgánico: nitratos y amoniaco.

87

NITRÓGENO  El N atmosferico: 1. Debe ser fijado en los terrenos de

cultivo por bacterias simbióticas:  Viven en las raíces de las plantas.  Se alimentan de las plantas pero a

cambio les entregan abundantes compuestos nitrogenados.

88

NITRÓGENO 2. Los

compuestos nitrogenados, principalmente nitratos y algo de amonio  almacenados y concentrados en las raíces

3. Las

plantas y algunos microorganismos los usan para producir aminoácidos y proteínas.

4. Pasan en la cadena alimenticia de

las plantas herbívoros.

a

los

organismos 89

NITRÓGENO 5. Los

animales los utilizan como fuente de aminoácidos a las proteínas de las plantas o de otros animales y sintetizan sus propias proteínas.

En resumen: El N atmosférico solo es utilizado por algunas bacterias en el inicio de la cadena alimenticia. 90