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.
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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.
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POLARIDAD
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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
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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.
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TENSIÓN SUPERFICIAL
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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.
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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:
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GRADO DE IONIZACIÓN
Su producto iónico es: y la concentración de sus iones es:
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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
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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).
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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