Composición Química de los Seres Vivos

La vida en la Tierra se basa en una compleja organización de elementos químicos. Los seres vivos están compuestos principalmente por una serie de bioelementos, clasificados según su abundancia y función.

Bioelementos Primarios

Constituyen aproximadamente el 95% del peso de los seres vivos. Incluyen el Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O) y Nitrógeno (N). El carbono es fundamental, ya que establece enlaces C-C, formando largas cadenas con otros elementos y creando grupos funcionales que originan una gran diversidad de moléculas orgánicas.

Bioelementos Secundarios

Presentes en todos los seres vivos, representan alrededor del 4,5% de su peso. Son esenciales para diversas funciones biológicas:

• Azufre (S): Se encuentra en dos aminoácidos (cisteína y metionina), en algunas vitaminas y en la coenzima A.
• Fósforo (P): Componente clave de nucleótidos (ADN, ARN, ATP), coenzimas, fosfolípidos y fosfatos.
• Magnesio (Mg): Presente en la clorofila y actúa como catalizador en numerosas reacciones enzimáticas.
• Calcio (Ca): Interviene en procesos fisiológicos vitales como la coagulación sanguínea, la contracción muscular y la formación de huesos.
• Sodio (Na), Potasio (K) y Cloro (Cl): Fundamentales en procesos como la transmisión del impulso nervioso, el equilibrio hídrico y la apertura y cierre de estomas en plantas.

Oligoelementos

Son indispensables para el organismo, aunque en una proporción inferior al 0,5%. A pesar de su baja concentración, su ausencia puede provocar graves trastornos:

• Hierro (Fe): Componente de citocromos y hemoglobina, esencial para el transporte de oxígeno.
• Manganeso (Mn): Participa en la fotólisis del agua durante la fotosíntesis.
• Yodo (I): Necesario para la síntesis de hormonas tiroideas.
• Cobre (Cu) y Zinc (Zn): Actúan como biocatalizadores en diversas reacciones químicas.
• Flúor (F): Contribuye a la formación del esmalte dentario y los huesos.
• Boro (B) y Silicio (Si): Presentes en el tejido conjuntivo y exoesqueletos.
• Vanadio (V), Cromo (Cr) y Cobalto (Co): El cobalto es un componente de la vitamina B12.
• Selenio (Se), Molibdeno (Mo) y Estaño (Sn): También esenciales en pequeñas cantidades para funciones específicas.

El Agua: Molécula Esencial para la Vida

El agua (H₂O) es la molécula más abundante en los seres vivos y un pilar fundamental para la existencia de la vida tal como la conocemos.

Características Generales del Agua

• La vida en la Tierra depende intrínsecamente del agua.
• Constituye entre el 60% y el 90% del peso de los organismos.
• Su proporción varía entre diferentes órganos y tejidos, en función de su actividad biológica, y también con la edad del individuo.

Estructura Molecular del Agua

El agua está formada por dos átomos de Hidrógeno (H) y uno de Oxígeno (O), unidos por enlaces covalentes polares. Posee un marcado carácter dipolar debido a la alta electronegatividad del oxígeno, que atrae los electrones compartidos con el hidrógeno. Esto genera una carga parcialmente negativa en el oxígeno y cargas parcialmente positivas en los hidrógenos, comportándose como un dipolo permanente. Esta polaridad es la base para la formación de puentes de hidrógeno, interacciones débiles pero de gran importancia biológica.

Propiedades Físico-Químicas del Agua

• Elevado calor de vaporización: Requiere una gran cantidad de energía para romper los puentes de hidrógeno y pasar de estado líquido a gaseoso, lo que permite la termorregulación por evaporación.
• Elevado calor específico: Los puentes de hidrógeno absorben una gran cantidad de energía al romperse y la liberan al formarse, convirtiendo al agua en un excelente amortiguador térmico.
• Elevado momento dipolar: Su carácter dipolar la convierte en el disolvente casi universal para compuestos iónicos (como las sales minerales) y para compuestos covalentes polares (como los glúcidos).
• Elevada fuerza de cohesión y adhesión: La cohesión (atracción entre moléculas de agua) y la adhesión (atracción a otras superficies) son cruciales para fenómenos como la capilaridad.
• Baja densidad en estado sólido: El hielo flota sobre el agua líquida, lo que evita la congelación de las zonas profundas de cuerpos de agua, permitiendo la supervivencia de la vida acuática.

Propiedades Biológicas del Agua

• Función termorreguladora: Gracias a su elevado calor específico y de vaporización, el agua actúa como un gran amortiguador térmico, evitando los efectos de los cambios bruscos de temperatura en los organismos.
• Función disolvente: Su carácter dipolar permite que actúe como transportador de sustancias disueltas (nutrientes, desechos, etc.) en el organismo.
• Función estructural: Su elevada fuerza de cohesión y adhesión ayuda a mantener la forma y el volumen de las células y tejidos.
• Función mecánica: Actúa como lubricante y amortiguador en articulaciones y órganos.
• Función química: Participa activamente en numerosas reacciones metabólicas (hidrólisis, condensación).

Disoluciones Acuosas y Sales Minerales

Las sales minerales, disueltas en agua, son cruciales para el mantenimiento de la homeostasis y diversas funciones celulares.

Equilibrio Osmótico y Fenómenos Relacionados

El equilibrio osmótico es vital para la supervivencia celular. Para entenderlo, es importante conocer los diferentes tipos de dispersiones y procesos de transporte:

Tipos de Dispersiones

• Dispersiones moleculares: Partículas con un tamaño inferior a 10^-7 cm.
• Dispersiones coloidales: Partículas con un tamaño entre 10^-7 cm y 10^-5 cm. Pueden ser muy concentradas (llamadas geles) o diluidas (llamadas soles).

Procesos de Transporte

• Difusión: Movimiento de solutos desde una región de mayor concentración a una de menor concentración, hasta alcanzar el equilibrio.
• Diálisis: Separación (difusión selectiva) de dos solutos de distinto tamaño mediante el paso a través de una membrana cuya permeabilidad solo permite el paso de las partículas más pequeñas. Ejemplo: filtración renal.
• Ósmosis: Paso de moléculas de agua (no de solutos) a través de una membrana semipermeable que separa soluciones de distinta concentración, hasta que se equilibran. El agua se desplaza desde la solución más diluida a la más concentrada.

Presión Osmótica

Es la presión que se genera cuando a ambos lados de una membrana semipermeable hay diferente contenido de agua. Cuando la membrana separa dos soluciones de diferente concentración, se distinguen:

• Solución Hipertónica: Más concentrada en solutos.
• Solución Hipotónica: Más diluida en solutos.
• Solución Isotónica: Igual concentración de solutos.

Efectos del Equilibrio Osmótico en Células

• Plasmólisis: Se produce cuando el medio externo de una célula es hipertónico y el agua tiende a salir de la célula. Las células se encogen y se arrugan, excepto las vegetales que poseen pared celular.
• Turgencia: Se genera cuando el medio externo de una célula es hipotónico y el agua tiende a entrar en la célula, provocando que esta se hinche.

Sistema Tampón (Buffer) y Regulación del pH

Los organismos vivos son extremadamente sensibles a las variaciones del pH. No soportan cambios mayores de unas décimas de unidad, por lo que han desarrollado, a lo largo de la evolución, sistemas tampón o buffer que mantienen el pH constante dentro de rangos fisiológicos.

Los sistemas tampón consisten en un par ácido-base conjugado que actúan como dador y aceptor de protones, respectivamente. Un ejemplo crucial es el tampón bicarbonato, común en los líquidos intercelulares, que mantiene el pH en valores próximos a 7,4 gracias al equilibrio entre el ion bicarbonato (HCO₃⁻) y el ácido carbónico (H₂CO₃). Este último, a su vez, se disocia en dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O).

El equilibrio se representa así:

H₂CO₃ ⇌ HCO₃⁻ + H⁺

Y el ácido carbónico se forma a partir de CO₂:

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃

Si la concentración de hidrogeniones (H⁺) aumenta en el medio por cualquier proceso químico, el equilibrio se desplaza hacia la derecha (formando más H₂CO₃ y luego CO₂), y se elimina al exterior el exceso de CO₂ producido. Si, por el contrario, la concentración de H⁺ disminuye, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, para lo cual se toma CO₂ del exterior y se forma más H₂CO₃, liberando H⁺.