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Bioelementos y biomoléculas inorgánicas. Elementos biogénicos



Por mucha diferencia que veamos entre un virus, un tomate, un elefante o una bacteria, podemos decir sin miedo a equivocarnos que todos ellos están formados principalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeo, azufre y fósforo.

El carbono es un elemento muy versátil, capaz de formar gran variedad de compuestos, ya que se puede unir consigo mismo formando largas cadenas, y con otros átomos diferentes, principalmente hidrógeno y oxígeno. Estos dos últimos unidos forman el agua, la base en la que se desarrollan las reacciones químicas caracteristicas de la vida, y que también es el componente mayoritario de los seres vivos.

Existen elementos que forman parte minoritaria en los seres vivos, que aparecen en proporciones muy pequeñas. Por ejemplo, el molibdeno, que forma parte del sistema que transforma energía luminosa en energía química en las plantas, o el cobalto, que aparece en el hígado formando parte de la vitamina B12.

Los elementos de la vida

Los bioelementos o elementos biogénicos son los elementos químicos presentes en los 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.

La proporción de los diversos bioelementos es muy diferente a la que hallamos en la atmósfera, la hidrosfera o la corteza terrestre; esto nos indica que la vida ha seleccionado aquellos elementos que le son más adecuados para formar sus estructuras y realizar sus funciones. Por ejemplo, el carbono representa aproximadamente un 20% del peso de los organismos, pero su concentración en la atmósfera, en forma de dióxido de carbono es muy baja, de manera que los seres vivos extraen y concentran este elemento en sus tejidos.

Si bien los elementos químicos de los seres vivos están presentes en el planeta, la proporción en que se encuentran es diferente, incluso de la que se encuentra en la corteza terrestre, que es donde se desarrolla la vida. Esto indica que los seres vivos han seleccionado aquellos elementos que son más idóneos para el desarrollo de la vida.

De todos los elementos que se encuentran en la corteza, los seres vivos únicamente han aprovechado 70, siendo tan sólo 16 comunes a todos ellos. Esto nos confiere la idea de que la vida se ha desarrollado sobre unos elementos específicos, no por casualidad, sino por tener unas propiedades acordes con los procesos necesarios para la vida.

La siguiente tabla muestra la proporción de algunos bioelementos en el cuerpo humano y en el la corteza de la Tierra.

Elemento Corteza de la Tierra (%) Cuerpo (%)
Oxígeno (O) 50,02 62,81
Carbono (C) 0,18 19,37
Hidrógeno (H) 0,95 9,31
Nitrógeno (N) 0,03 5,14
Calcio (Ca) 3,22 1,38
Fósforo (P) 0,11 0,64
Azufre (S) 0,11 0,63
Sodio (Na) 2,36 0,26
Potasio (K) 2,28 0,22
Cloro (Cl) 0,20 0,18
Magnesio (Mg) 2,08 0,04
Fluor (F) 0,10 0,009
Hierro (Fe) 4,18 0,005
Aluminio (Al) 7,30 0,001
Manganeso (Mn) 0,08 0,0001
Silicio (Si) 25,80 -


Atendiendo a la abundancia, pero no a su importancia, se pueden dividir a los bioelementos en bioelementos primarios, bioelementos secundarios y oligoelementos.

Bioelementos primarios: C, H, O, N

Son los elementos mayoritarios de la materia viva, donde representan al menos el 95% de la misma, y que son indispensables para la formación de glúcidos, lípidos, proteinas,...

Las propiedades que hacen al carbono, el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno tan importantes son:
  • El carbono, nitrógeno y oxígeno pueden compartir más de un par de electrones, formando dobles o triples enlaces, lo cual les permite ser muy versátiles para formar enlaces.

  • Son los elementos más ligeros capaces de formar enlaces covalentes, enlaces muy estables.

  • Es interesante la capacidad que tiene el carbono para formar enlaces estables carbono-carbono, lo que permite que pueda formar largas cadenas o incluso estructuras cíclicas, y también unirse a otros elementos, aumentando la capacidad de crear grupos funcionales, como aldehidos, cetonas, alcoholes, aminos,... que dan pie a una gran diversidad de compuestos. Los enlaces que forma son lo suficientemente fuertes como para formar compuestos estables, y a la vez son susceptibles de romperse sin excesiva dificultad. Por esto, la vida está constituida por carbono y no por silicio, un átomo con la configuración electrónica de su capa de valencia igual a la del carbono. El hecho es que las cadenas silicio-silicio no son estables y las cadenas de silicio y oxígeno son prácticamente inalterables, y mientras el dióxido de carbono, CO2, es un gas soluble en agua, su equivalente en el silicio, SiO2, es un cristal sólido, muy duro e insoluble (sílice).

  • La configuración tetraédrica de los enlaces de carbono permite a las moléculas que forma tener estructuras tridimensionales diferentes, algo importante en la funcionalidad de la célula.

  • Los compuestos derivados por átomos de carbono se encuentran en estados muy reducidos. Como el oxígeno es muy abundante en el medio, estos compuestos tienen una tendencia a oxidarse para formar compuestos de baja energía, como el CO2 y el agua. La energía desprendida en estas oxidaciones es aprovechada para las funciones vitales de los seres vivos.

  • El 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 (-OH, -CHO, -COOH).

  • El nitrógeno se encuentra 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.

Bioelementos secundarios: S, P, Mg, Ca, NA, K, Cl

También son elementos que forman parte de los seres vivos, pero aparecen en una menor proporción, alrededor del 4.5% de la mase total del organismo.
  • El azufre (S) aparece en dos aminoácidos, la cisteína y la metionina, que aparecen en casi todas las proteínas. También se encuentra en otras sustancias, como las vitaminas del complejo B y en la Coenzima A. Forma parte de los sulfatos, sales necesarias para la vida.

  • El fósforo (P) es un elemento necesario de los nucleótidos, compuestos base de los ácidos nucleicos (ADN y ARN), y de sustancias de gran interés biológico, como muchas coenzimas (NAD+ y NADP+ por ejemplo). También se pueden encontrar en los fosfolípidos, sustancias fundamentales en la construcción de las membranas de las células. Es parte integrante de los fosfatos, sales necesarias pra los seres vivos.

  • El magnesio (Mg) forma parte de la molécula de la clorofila, presente en las plantas, donde actúa como catalizador en las reacciones de la fotosíntesis.

  • El calcio (Ca) aparece formando parte del carbonato cálcico (CaCO3), que es el componente principal de las estructuras esqueléticas de la mayor parte de los animales. En su forma iónica estabiliza muchas estructuras celulares, como el huso mitótico, y también interviene en muchos procesos fisiológicos, como la contracción muscular, la coagulación de la sangre y también en la transmisión del impulso nervioso.

  • El sodio (Na), el potasio (K) y el cloro (Cl) aparecen como iones de las sales minerales disueltas en el agua de los seres vivos. Participan en una gran cantidad de procesos fiosiógicos como la transmisión del impulso nervioso, ya que son los responsables de la creación de los potenciales de membrana. En las plantas, es el potasio quien regula el mecanismo de apertura y cierre de los estomas de las hojas.

Oligoelementos

Los oligoelementos son bioelementos presentes en pequeñas cantidades (menos de un 0.5%) en los seres vivos y tanto su ausencia como una concentración por encima de su nivel característico puede producir graves transtornos.

Se han podido aislar unos 60 oligoelementos, pero sólo 14 pueden considerarse comunes para la mayor parte de ellos, recibiendo por tanto el nombre de oligoelementos esenciales, que son:

  • Hierro (Fe): forma parte de la molécula de hemoglobina y de los citocromos que forman parte de la cadena respiratoria. Su facilidad para oxidarse le permite transportar oxígeno a través de la sangre combinándose con la hemoglobina para formar la oxihemoglobina. Se necesita en cantidades mínimas porque se reutiliza, no se elimina. Su falta provoca anemia.

  • Manganeso (Mn): tiene un papel tanto estructural como enzimático. Está presente en distintas enzimas, destacando el superóxido dismutasa de manganeso (Mn-SOD), que cataliza la dismutación de superóxidos.

  • Cobre (Cu): estimula el sistema inmunitario. Podemos obtenerlo en los vegetales verdes, el pescado, los guisantes, las lentejas, el hígado, los moluscos y los crustáceos.

  • Zinc (Zn): es un elemento químico esencial para las personas: interviene en el metabolismo de proteínas y ácidos nucleicos, estimula la actividad de aproximadamente 100 enzimas, colabora en el buen funcionamiento del sistema inmunitario, es necesario para la cicatrización de las heridas, interviene en las percepciones del gusto y el olfato y en la síntesis del ADN.

  • Flúor (F): se acumula en huesos y dientes dándoles una mayor resistencia.

  • Iodo (I): es un elemento químico esencial. La glándula tiroides fabrica las hormonas tiroxina y triyodotironina, que contienen yodo.

  • Boro (B): se encarga del mantenimiento de la estructura de la pared celular en los vegetales.

  • Silicio (Si): proporciona resistencia al tejido conjuntivo y forma parte del óxido de silicio que constituye el esqueleto de muchas plantas, como las gramíneas y los equisetos, y también el caparazón de muchos microorganismos como las diatomeas.

  • Vanadio (V): es un elemento esencial en algunos organismos. En humanos no está demostrada su esencialidad, aunque existen compuestos de vanadio que imitan y potencian la actividad de la insulina.

  • Cromo (Cr): potencia la acción de la insulina y favorece la entrada de glucosa a las células. Su contenido en los órganos del cuerpo decrece con la edad. Los berros, las algas, las carnes magras, las hortalizas, las aceitunas y los cítricos (naranjas, limones, toronjas, etc.), el hígado y los riñones son excelentes proveedores de cromo.

  • Cobalto (Co): componente central de la vitamina B12.

  • Selenio (se): el dióxido de selenio es un catalizador adecuado para la oxidación, hidrogenación y deshidrogenación de compuestos orgánicos.

  • Molibdeno (Mo): se encuentra en una cantidad importante en el agua de mar en forma de molibdatos (MoO42-), y los seres vivos pueden absorberlo fácilmente de esta forma. Tiene la función de transferir átomos de oxígeno al agua.

  • Níquel (Ni).

Para otros elementos, como el litio (Li), el estaño (Sn) o el cadmio (C, su esencialidad no está totalmente aceptada; incluso de la anterior lista no está clara la esencialidad del bromo y el boro.

Cada elemento tiene un rango óptimo de concentraciones dentro de los cuales el organismo, en esas condiciones, funciona adecuadamente; dependiendo del elemento este rango puede ser más o menos amplio. El organismo deja de funcionar adecuadamente tanto por presentar deficiencia como por presentar un exceso en uno de estos elementos.



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Última actualización 20/10/2014

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