Bioelementos

1. Bioelementos Si se hace un análisis químico de cada uno de los diferentes tipos de seres vivos, se encuentra que la materia viva está constituida por unos setenta elementos, (casi la totalidad de los elementos estables que existen en la Tierra, exceptuando los gases nobles). Estos elementos que se encuentran en la materia viva se llaman bioelementos o elementos biogénicos (de bios, vida, y genos, origen).

2. Los bioelementos se pueden clasificar en dos grupos: los bioelementos primarios y los bioelementos secundarios. Los bioelementos primarios. Se llaman primarios porque son indispensables para la formación de las biomoléculas orgánicas (glúcidos. lípidos, proteínas y ácidos nucleicos). Son un grupo de seis elementos, que constituyen el 96,2 % del Total de la materia viva. Son el oxígeno (O), el carbono (C), el hidrogeno (H), el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el azufre (S).

3. Los bioelementos secundarios: Son todos los bioelementos restantes. En este grupo se pueden distinguir dos tipos: • Los indispensables, no pueden faltar porque son imprescindibles para la vida de la célula, y que, en mayor o menor proporción, se encuentran en todos los seres vivos. Son bioelementos secundarios indispensables el calcio (Ca), el sodio (Na), el potasio (K), el magnesio (Mg), el cloro (Cl), el hierro (Ee), el silicio (Si), el cobre (Cu), el manganeso (Mn), el boro (B), el flúor (F) y el yodo (I). • Los variables, que son los que si pueden faltar en algunos organismos. Son bioelementos secundarios variables, por ejemplo, el bromo (Br), el cinc (Zn), el titanio (Ti), el vanadio (V), y el plomo (Pb).

4. Otra clasificación de los bioelementos es la basada en su abundancia. Los que se encuentran en proporciones inferiores al 0.1 % se denominan oligoelementos y el resto bioelementos plásticos. No existe una relación directa entre abundancia y esencialidad. Muchos bioelementos pueden ser, por ejemplo, oligoelementos, y a la vez ser indispensables, debido a que su función no es estructural, sino catalizadora. Así, una pequeña cantidad de ellos es suficiente para que el organismo viva, pero la falta total provocaría su muerte.

5. Bioelementos primarios Si se compara la composición atómica de la biosfera, con la composición de la atmósfera, de la hidrosfera y de la litosfera, se pueden deducir las siguientes conclusiones: Los altos porcentajes de H y O en la biosfera se deben a que la materia viva está constituida por agua en un porcentaje que varía entre un 65% y un 90% . A su vez todas las reacciones químicas que se realizan en los seres vivos se desarrollan en el medio acuoso. No es posible la materia viva sin agua. Todo esto se relaciona con que la vida se originó en el medio acuático. Los porcentajes del resto de los bioelementos primarios (C, N, S y P) de la biosfera son muy diferentes de los encontrados en la atmósfera, hidrosfera o litosfera, por lo que no se puede deducir que la materia viva se haya formado a partir de los elementos más abundantes, sino a partir solo de aquellos (C, H, O, N, P y S) que gracias a sus propiedades son capaces de constituirla.

6. Propiedades de los bioelementos primarios • Masa atómica es relativamente pequeña, y su capa externa está incompleta y esto favorece que al combinarse entre sí se establezcan enlaces covalentes estables. Cuanto menor es un átomo, mayor es la tendencia del núcleo positivo a completar su último orbital con los electrones que forman los enlaces, y, por tanto, más estables son dichos enlaces.

7. Dado que el oxígeno y el nitrógeno son elementos muy electronegativos, al establecer enlaces covalentes con los otros tipos de átomos con frecuencia dan lugar a moléculas dipolares. Dado que el agua también es dipolar, estos compuestos se disuelven bien en ella y pueden reaccionar entre sí, haciendo posible los procesos bioquímicos imprescindibles para la vida. El C, N y O puedenformar enlaces dobles o triples (posibilidad de formarmoléculasdiferentes).

9. El C y el N, debido a su posición central en el Sistema Periódico presentan la misma afinidad para unirse con el O que con el H, es decir, pueden pasar con facilidad del estado oxidado (CO2, NO3H) al reducido (CH4, NH3).

10. Los bioelementos mayoritarios pueden incorporarse fácilmente a los seres vivos desde el medio externo ya que se encuentra en moléculas que pueden ser captadas de manera sencilla (CO2, H2O, nitratos). Este hecho asegura el intercambio constante de materia entre los organismos vivos y su medio ambiente H2O O2 CO2 Seres vivos HIDRÓSFERA ATMÓSFERA GEOSFERA nitratos

11. Los compuestosorgánicosformadosporestosátomos se hallan en estadoreducido, y reaccionan con el oxígenoparadarcompuestosinorgánicos (CO2 y H2O), de bajaenergía. La energíadesprendida en lasreacciones de oxidación se aprovechaparalasfuncionesvitales de los organismos.

12. El carbono Tiene cuatro electrones en su periferia y puede formar enlaces covalentes estables con otros carbonos. Puede constituir largas cadenas de átomos (macromoléculas). Los enlaces pueden ser simples (C—C), dobles (C=C) o triples (C≡C), Puede unirse a otros elementos (-H, =0, -OH, -NH2. -SH, -H2PO4, etc.), formando un gran número de moléculas diferentes, que posibilitan una gran variabilidad de reacciones químicas. Por otro lado, los cuatro enlaces covalentes forman un tetraedro imaginario. Esto permite la formación de estructuras tridimensionales que permiten forman grandes macromoléculas. Los enlaces de carbono son lo suficientemente fuerte para ser estable, pero no tanto como para impedir que se rompan.

14. El hidrógeno Es el otro elemento que resulta indispensable para formar la materia orgánica (algunos lípidos sólo están constituidos por carbono e hidrógeno y el petróleo y sus derivados (butano, gasolina, gasóleo, etc.) también están constituidos sólo por carbono e hidrógeno). El único electrón que posee el átomo de hidrogeno le permite formar un enlace con cualquiera de los otros bioelementos primarios. Entre el hidrógeno y el carbono se forma un enlace covalente lo suficientemente fuerte como para ser estable, pero no tanto como para impedir su rotura, y posibilitar así la síntesis de otras moléculas. Las que están formadas sólo por carbono e hidrógeno son covalentes apolares (insolubles en agua).

15. El oxígeno Es el bioelemento primario más electronegativo. Por ello cuando se enlaza con el hidrógeno atrae hacia sí el único electrón del hidrógeno originándose polos eléctricos. Debido a esto, los radicales -OH, -CHO y -COOH son radicales polares. Debido a su electronegatividad el oxígeno es idóneo para quitar electrones a otros átomos, es decir, para oxidarlos. Este proceso comporta la rotura de enlaces y la liberación de energía (la reacción de los compuestos de carbono con el oxígeno es la forma más común de obtener energía). La oxidación de los compuestos biológicos se realiza mediante la sustracción de hidrógenos a los átomos de carbono. Como el oxígeno atrae hacia sí el electrón del hidrógeno con más fuerza que el carbono, consigue quitárselo. De este modo se forma agua y se libera una gran cantidad de energía, que aprovechan los seres vivos. C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energía

16. El nitrógeno Al igual que el carbono y el azufre, presenta una gran facilidad para formar compuestos tanto con el hidrógeno (NH3) como con el oxígeno (NO3-), lo cual permite, en el paso de una forma a la otra, la liberación de energía. Principalmente se encuentra formando los grupos amino (—NH2) de los aminoácidos (moléculas que constituyen las proteínas) y las bases nitrogenadas, (componentes de los ácidos nucleicos). Es de destacar que, pese a la gran abundancia de gas nitrógeno en la atmósfera, muy pocos organismos son capaces de aprovecharlo. Prácticamente todo el nitrógeno es incorporado al mundo vivo por las algas y las plantas, que lo absorben disuelto en forma de ion nitrato (NO3-).

17. El azufre Básicamente se encuentra en forma de radical sulfhidrilo (—SH) en determinados aminoácidos. Estos radicales permiten establecer, entre dos aminoácidos próximos, unos enlaces covalentes fuertes denominados puentes disulfuro (-S-S-), que mantienen la estructura de las proteínas.

18. El fósforo Este elemento permite establecer enlaces ricos en energía. Al romperse el enlace que une dos grupos fosfato —PO3-~PO3-~PO32-, generalmente de una molécula de ATP, se libera al organismo la energía contenida en dicho enlace, (7,3 kcal/mol). En estos enlaces se almacena la energía liberada en otras reacciones, como las oxidaciones de la respiración. Además, el fósforo interviene en la constitución de los ácidos nucleicos (ADN y ARN), de los fosfolípidos de la membrana plasmática y de los huesos de los vertebrados, y ayuda a mantener constante la acidez del medio interno del organismo.

19. Los bioelementos secundarios Tienen diferentes funciones. Se puede distinguir entre los que son abundantes y los oligoelementos. Los más abundantes son el Na, K, Mg Cl y Ca. Sus funciones son: Los iones Na+, K+ y Cl-, que son los iones más abundantes en los medios internos y en el interior de las células, intervienen en el mantenimiento del grado de salinidad y en el equilibrio de cargas eléctricas a un lado y otro de la membrana plasmática. Los iones Na+ y K+, además, son fundamentales en la transmisión del impulso nervioso.

20. El calcio, en forma de carbonato (CaCO3), da lugar a los caparazones de los moluscos y a los esqueletos de otros muchos animales y, como ion (Ca2+), actúa en muchas reacciones, como los mecanismos de la contracción muscular, la permeabilidad de las membranas celulares, la coagulación de la sangre, etc. El magnesio es un componente de muchas enzimas y del pigmento clorofila. También interviene en la síntesis y degradación del ATP, en la replicación del ADN y en su estabilización, en la síntesis del ARN, etc. Entre los oligoelementos cabe citar, por la importancia de sus funciones, el Fe, Zn, Cu, Co, Mn, Li, Si, I y F.

21. El hierro es necesario para sintetizar la hemoglobina de la sangre y la mioglobina, dos transportadores de moléculas de oxígeno, y los citocromos, enzimas que intervienen en la respiración celular. • El cinc es abundante en el cerebro, en los órganos sexuales y en el páncreas. En este último se asocia a la acción de la hormona insulina para el control de la concentración del azúcar en sangre. • El cobre se requiere para formar la hemocianina, pigmento respiratorio de muchos invertebrados acuáticos, y para algunas enzimas oxidasas.

22. El cobalto hace falta para sintetizar la vitamina B12 y algunas enzimas que regulan la fijación del nitrógeno.

23. El manganeso actúa asociado a diversas enzimas degradativas de proteínas, como factor de crecimiento, y en los procesos fotosintéticos. Su deficiencia origina por ello amarillamiento de las hojas. • El litio actúa incrementando la secreción de los neurotransmisores y favorece la estabilidad del estado de ánimo en enfermos de depresiones endógenas. • El silicio forma parte de los caparazones de las diatomeas y da rigidez a los tallos de las gramíneas y de los equisetos.

24. El yodo es necesario para formar la hormona tiroidea, responsable del ritmo del metabolismo energético. Su falta provoca el bocio. • El flúor se encuentra en el esmalte de los dientes y en los huesos. Su carencia favorece la caries de los dientes.

25. Los principios inmediatos o biomoléculas • Los elementos biogénicos se combinan entre sí para formar sustancias compuestas definidas. • Estos compuestos que se pueden aislar por medios puramente físicos como la disolución, la filtración, la destilación, la centrifugación, etc. constituyen los llamados principios inmediatos. • Pueden ser: • Inorgánicos(agua y sales minerales) • Orgánicos(glúcidos, lípidos, prótidos y ácidos nucleicos). • Los principios inmediatos también pueden ser simples o compuestos: • Simples: Las moléculas están formadas por átomos del mismo tipo(02) • Compuestos: Hay átomos de diferentes elementos(H2O, CO2).

27. Funciones Los principios inmediatos pueden tener función estructural, como las proteínas y las sales minerales de los huesos, o los lípidos de las membranas plasmáticas; función energética, como las grasas; y función biocatalizadora, es decir, aceleradora de las reacciones bioquímicas, como las proteínas enzimáticas.

28. Principios inmediatos inorgánicos • El 02, el C02 y el N2 son tres sustancias gaseosas a temperatura ambiente. • El 02 es necesario para la respiración aeróbica o un producto de excreción en la fotosíntesis. • El C02 es un producto de excreción, eliminándose directamente a través de las membranas celulares en los organismos unicelulares o en los pluricelulares de organización sencilla. Lo captan de la atmósfera las algas y las plantas al realizar la fotosíntesis en sus cloroplastos. • El N2 es prácticamente un gas inerte, y por ello los vegetales son incapaces de tomarlo de la atmósfera; sólo algunas bacterias del suelo (por ejemplo, Clostridiumpasteurianum) y otras que son simbiontes de las raíces de las leguminosas (algunas especies del género Rhizobium) son capaces de captarlo y aprovecharlo para sintetizar proteínas.

29. El agua El agua es la sustancia química más abundante en la materia viva. La cantidad presente en un organismo depende de la especie, de la edad del individuo y del órgano.

30. CUADRO RESUMEN DE LAS BIOMOLÉCULAS B I O M O L É C U L A S Inorgánicas Agua Sales minerales Orgánicas Glúcidos Monosacáridos Ósidos Lípidos Saponificables Insaponificables Proteínas Holoproteínas Heteroproteínas Ácidos nucleicos ARN ADN Existe una relación directa entre contenido en agua y actividad fisiológica de un organismo: Los más activos, como las reacciones bioquímicas se realizan en medio acuático, tienen más cantidad de agua. También tiene relación con el medio en el que se desenvuelve el organismo. Así, los menores porcentajes se dan en seres con vida latente, como semillas, virus, etc., pero también encontramos altos porcentajes de agua en seres como la medusa (95% de agua) pese a su metabolismo poco intenso. El contenido de agua de un organismo tiene que ser más o menos constante, con variaciones inferiores al 10%. En caso contrario, se producen graves alteraciones (hidratación y deshidratación) que sobre todo en el último caso pueden producir la muerte.

31. El agua se encuentra en la materia viva en tres formas: • Como agua circulante, por ejemplo, en la sangre, en la savia, etc. Se encarga principalmente del transporte de sustancias. • Como agua intersticial, entre las células, a veces fuertemente adherida a la sustancia intercelular (agua de imbibición), como sucede en el tejido conjuntivo. • Como agua intracelular, en el citosol y en el interior de los orgánulos celulares. • En los seres humanos, el agua circulante supone el 8 % de su peso, el agua intersticial el 15 %, y el agua intracelular el 40 % Agua circulante (sangre, savia…) Agua intercelular Células Agua intersticial

32. Los organismos pueden conseguir el agua directamente a partir del agua exterior o a partir de otras biomoléculas mediante diferentes reacciones bioquímicas, es lo que se denomina «agua metabólica» (en los camellos, la degradación de la grasa de la joroba produce agua y por ejemplo, a partir de la oxidación de la glucosa, también aparece agua).

33. El agua, a temperatura ambiente, es líquida, (otras moléculas de peso molecular parecido, como el SO2, el CO2 o el NO2 son gases). Este comportamiento físico se debe a que en la molécula de agua los dos electrones de los dos hidrógenos están desplazados hacia el átomo de oxígeno, por lo que en la molécula aparece un polo negativo, donde está el átomo de oxígeno, debido a la mayor densidad electrónica, y dos polos positivos donde están los dos núcleos de hidrógeno, debido a la menor densidad electrónica. Las moléculas de agua son dipolos.

34. Entre los dipolos del agua se establecen fuerzas de atracción llamadas puentes de hidrógeno, formándose grupos de 3, 4 y hasta poco más de 9 moléculas. Con ello se alcanzan pesos moleculares elevados y el H2O se comporta como un líquido. Aunque son uniones débiles (30 veces más que los enlaces covalentes), el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras 4 moléculas unidas por puentes de H (dos puentes con el oxígeno y uno con cada uno de los hidrógenos) permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura reticular, responsable de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades fisicoquímicas.

36. La estabilidad del enlace disminuye al aumentar la temperatura, así, en el hielo, todas las moléculas de agua están unidas por puentes de hidrógeno. Todas las restantes propiedades del agua son, pues, consecuencia de ésta. Estas agrupaciones duran fracciones de segundo (de 10-10 a 10-21 s), lo cual confiere al agua todas sus propiedades de fluido. En la realidad, coexisten estos pequeños polímeros de agua con moléculas aisladas que rellenan los huecos. Animación de la polaridad del agua y puentes de hidrógeno

37. Propiedades del agua Elevada fuerza de cohesión Elevada tensión superficial Elevada fuerza de adhesión (capilaridad). Elevado calor específico. Elevado calor de vaporización. Alta conductividad. Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido (Coeficiente de dilatación negativo). Elevada constante dieléctrica. Transparencia. Bajo grado de ionización.

38. 1.- Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas, debida a los puentes de hidrógeno Ello explica que el agua sea un líquido prácticamente incompresible, idóneo para dar volumen a las células, provocar la turgencia de las plantas, constituir el esqueleto hidrostático de anélidos y celentéreos, etc.

39. 2.- Elevada tensión superficial, es decir, que su superficie opone una gran resistencia a romperse, a que se separen sus moléculas. Esto permite que muchos organismos vivan asociados a esa película superficial y que se desplacen sobre ella.

40. 3.- Elevada fuerza de adhesión (capilaridad). El fenómeno de la capilaridad depende tanto de la adhesión de las moléculas de agua a las paredes de los conductos como de la cohesión de las moléculas de agua entre sí. Esta propiedad explica, por ejemplo, que la savia bruta ascienda por los tubos capilares

41. 4.- Elevado calor específico. • El agua puede absorber grandes cantidades de calor, mientras que, proporcionalmente, su temperatura sólo se eleva ligeramente. • El agua emplea esta energía en romper los puentes de H. • El agua se convierte en estabilizador térmico del organismo frente a los cambios bruscos de temperatura del ambiente. • Su temperatura desciende con más lentitud que la de otros líquidos a medida que va liberando energía al enfriarse. • Esta propiedad permite que el contenido acuoso de las células sirva de protección a las sensibles moléculas orgánicas ante los cambios bruscos de temperatura. • El calor que se desprende en los procesos metabólicos no se acumula en los lugares donde se produce, sino que se difunde en el medio acuoso y se disipa finalmente hacia el medio externo.

42. 5.- Elevado calor de vaporización. Ello se debe a que para pasar del estado líquido al gaseoso hay que romper todos los puentes de hidrógeno. Los seres vivos utilizan esta propiedad para refrescarse al evaporarse el sudor. El jadeo de los animales es otra forma de refrescarse 6.- Alta conductividad. Debido a esta propiedad, el calor se distribuye fácilmente por toda la masa de agua, lo que evita la acumulación de calor en un determinado punto del organismo.

43. 7.- Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido (Coeficiente de dilatación negativo). Ello explica que el hielo flote en el agua y que forme una capa superficial termoaislante que permite la vida, bajo ella, en ríos, mares y lagos. Si el hielo fuera más denso que el agua, acabaría helándose toda el agua. Esto se explica por que los puentes de hidrógeno “congelados” mantienen las moléculas más separadas que en el estado líquido.

44. 8.- Elevada constante dieléctrica. Por tener moléculas dipolares, el agua es un gran medio disolvente de compuestos iónicos, como las sales minerales, y de compuestos covalentes polares, como los glúcidos. El proceso de disolución se debe a que las moléculas de agua, al ser polares, se disponen alrededor de los grupos polares del soluto, llegando en el caso de los compuestos iónicos a desdoblarlos en aniones y cationes, que quedan así rodeados por moléculas de agua. Este fenómeno se denomina solvatación iónica.

45. Esta capacidad disolvente del agua y su abundancia en el medio natural explican que sea el vehículo de transporte (captación de sales minerales por las plantas, por ejemplo) y el medio donde se realizan todas las reacciones químicas del organismo (caso de la digestión de los alimentos)

46. 9.- Transparencia. Debido a esta característica física del agua, es posible la vida de especies fotosintéticas en el fondo de mares y ríos.

47. 10.- Bajo grado de ionización. De cada 551000000 de moléculas de agua, sólo una se encuentra ionizada: Por eso, la concentración de iones hidronio (H30+) e hidroxilo (OH-) es muy baja, concretamente 10-7 moles por litro ([H30+] = [OH-] = 10-7). Dados los bajos niveles de H30+y de OH- , si al agua se le añade un ácido (se añade H30+) o una base (se añade OH-), aunque sea en muy poca cantidad, estos niveles varían bruscamente.

48. En los seres vivos existe siempre una cierta cantidad de hidrogeniones (H+) y de iones hidroxilo (OH-) que proceden de: • La disociación del agua que proporciona los dos iones: • La disociación de cuerpos con función ácida que proporcionan H+: • ClH Cl- + H+ • La disociación de cuerpos con básicos que proporcionan OH-: • NaOHNa+ + OH-

49. Por lo tanto la acidez o alcalinidad del medio interno de un organismo dependerá de la proporción en que se encuentren los dos iones. Así será: • Neutro cuando [H+]=[OH-] • Ácido cuando [H+]>[OH-] • Alcalino cuando [H+]<[OH-]. 7 6 8 Acido Base H+ OH- Para que los fenómenos vitales puedan desarrollarse con normalidad es necesario que la concentración de H+, que se expresa en valores de pH sea más o menos constante y próxima a la neutralidad, es decir, pH=7.