Bioelementos

Los bioelementos son los elementos químicos que forman parte de los seres vivos. De todos los elementos de la tabla periódica, solo unos 70 aparecen en los seres vivos, de los cuales 27 son componentes esenciales para la vida y 16 aparecen en todos los tipos de células y organismos.

La clasificación de los bioelementos se divide en primarios, secundarios y oligoelementos.

A) Bioelementos Primarios

Representan el 96% del total de la materia viva. Su clasificación y características principales son:

• Su masa atómica es baja; al agruparse, dan lugar a una gran diversidad de estructuras moleculares más grandes y complejas, confiriendo actividad y dinamismo a las células vivas.
• Al tener masa atómica baja, forman enlaces de tipo covalente, que son enlaces fuertes formados por electrones compartidos, los cuales confieren estabilidad a las moléculas biológicas.
• Aunque estos enlaces son fuertes, forman moléculas dinámicas que reaccionan, pudiendo oxidarse y reducirse.

Funciones de los Bioelementos Primarios:

• Carbono (C) e Hidrógeno (H): Constituyen las cadenas hidrocarbonadas, que son la base de las biomoléculas.
• Oxígeno (O): Presente en la mayoría de los compuestos orgánicos y fundamental en procesos como la respiración celular.
• Nitrógeno (N): Forma parte de los aminoácidos, algunos fosfolípidos y los ácidos nucleicos.
• Azufre (S): El grupo sulfhidrilo (-SH) forma parte de ciertos aminoácidos y aporta estabilidad a las proteínas.
• Fósforo (P): Presente en los fosfolípidos y nucleótidos. También se encuentra en las sales minerales de esqueletos y dientes.

Importancia del Carbono

• Tetravalencia: Tiene 4 electrones que comparte para formar cuatro enlaces covalentes simples con otros átomos. El átomo de Carbono ocupa el centro de un tetraedro cuyos cuatro vértices corresponden a las cuatro valencias. Las moléculas orgánicas resultantes son tridimensionales; su forma en el espacio está íntimamente relacionada con su función.
• Diversidad de enlaces: Los enlaces del Carbono pueden ser simples (C-C), dobles (C=C) o triples (C≡C), originando cadenas de tamaño y forma variables. Estas cadenas carbonadas constituyen el esqueleto de las biomoléculas.
• Formación de grupos funcionales: Los átomos de carbono forman enlaces covalentes con otros átomos distintos, dando lugar a diferentes grupos funcionales que otorgan propiedades específicas a las moléculas. La mayoría forman parte de compuestos polares y solubles en agua.

B) Bioelementos Secundarios

Incluyen al Sodio (Na), Potasio (K), Calcio (Ca), Magnesio (Mg) y Cloro (Cl). En medio acuoso se encuentran siempre ionizados. Aunque aparecen en menor proporción que los primarios, son imprescindibles.

Funciones:

• Na, K, Cl: Mantienen la salinidad, determinan los gradientes de membrana y son imprescindibles para la transmisión del impulso nervioso.
• Ca: Interviene en la contracción muscular, la coagulación sanguínea y la transmisión del impulso nervioso.
• Mg: Presente en la molécula de clorofila y actúa como cofactor en muchas enzimas.

C) Oligoelementos

Poseen funciones catalíticas y se encuentran en muy baja proporción (menos del 0,1%), pero son necesarios para el correcto funcionamiento del organismo. También se denominan elementos traza. Su ausencia provoca enfermedades carenciales o intoxicaciones.

Elementos como el Hierro (Fe), Cobre (Cu), Cinc (Zn), Manganeso (Mn), Yodo (I), Níquel (Ni) y Cobalto (Co) aparecen en la mayoría de los seres vivos. Otros, como el Silicio (Si), Flúor (F), Cromo (Cr), Litio (Li), Boro (B), Molibdeno (Mo) y Aluminio (Al), tienen distribuciones más específicas.

Funciones:

• Fe: Forma parte de la hemoglobina y la mioglobina.
• Cu, Zn y Mn: Actúan como cofactores enzimáticos.
• I: Necesario para la síntesis de la tiroxina (hormona tiroidea).
• Si: Aporta resistencia y elasticidad al tejido conjuntivo.
• Li: Actúa como estabilizador del estado de ánimo.

Biomoléculas

Los bioelementos no se encuentran libres, sino que se unen entre sí mediante enlaces dando lugar a las biomoléculas. Los enlaces son las fuerzas de atracción que mantienen unidos a los átomos. Las interacciones pueden ser fuertes (covalentes) o débiles (no covalentes).

• Los átomos suelen estar unidos por enlaces covalentes constituyendo monómeros. Estos se unen mediante enlaces también covalentes formando los polímeros (moléculas complejas).
• Todas las interacciones moleculares suponen la función integrada de: enlaces electrostáticos, enlaces de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals e interacciones hidrofóbicas.
• Los enlaces químicos débiles tienen una fuerza 20 veces inferior a la de un enlace covalente, pero son lo suficientemente fuertes para fijar dos moléculas cuando se forman en un número elevado.

El Agua

Es la sustancia más abundante en las células, constituyendo aproximadamente el 70% de las mismas. La cantidad de agua depende de:

• La especie: Las acuáticas poseen un mayor porcentaje que las terrestres.
• La edad: En el hombre, los jóvenes tienen mayor cantidad que los adultos.
• El tejido: A mayor actividad metabólica, mayor proporción de agua.

Localizamos el agua de dos formas: agua intracelular (2/3) y agua extracelular (1/3). Esta última está constituida por el agua intersticial (en los tejidos) y el agua circulante (sangre, savia, etc.).

Estructura Molecular y Polaridad

Las propiedades fisicoquímicas del agua derivan de su estructura química. En el agua, el átomo de oxígeno comparte un par de electrones con cada uno de los átomos de hidrógeno.

Es una molécula eléctricamente neutra pero se comporta como un dipolo. El núcleo del átomo de oxígeno, debido a su mayor electronegatividad, desplaza las nubes electrónicas hacia su núcleo, dejando a los núcleos de hidrógeno con una pequeña carga parcial positiva (δ+), mientras existen regiones débilmente negativas (δ-) cerca del oxígeno. Esta distribución espacial se define como momento dipolar.

Enlaces de Hidrógeno

Un átomo de hidrógeno queda compartido entre dos átomos: a uno está ligado covalentemente, mientras que al otro se une por fuerzas electrostáticas. Esta interacción se produce por la atracción entre la carga parcial negativa del oxígeno de una molécula y la carga parcial positiva del hidrógeno de otra. Estas uniones se denominan enlaces de hidrógeno.

Sales Minerales

Son moléculas inorgánicas cuya función depende de su solubilidad y estado físico:

1. Sales Precipitadas (Sólidas)

Son insolubles en agua y tienen funciones estructurales, de protección y sostén. Ejemplos:

• Carbonato cálcico (CaCO₃): Constituye el esqueleto de corales, conchas de moluscos, huesos y dientes de vertebrados, y los otolitos del oído interno (equilibrio).
• Fosfato cálcico [Ca₃(PO₄)₂]: Forma parte de los esqueletos de vertebrados.
• Sílice (SiO₂): Presente en caparazones de diatomeas y confiere rigidez a esponjas y vegetales.

2. Sales Asociadas a Moléculas Orgánicas

Ejemplos incluyen los fosfolípidos o el hierro en la hemoglobina.

3. Sales en Disolución

Se trata de iones solubles. Destacan cationes como Na⁺, K⁺, Ca²⁺ y Mg²⁺ y aniones como Cl⁻ y HCO₃⁻. Cumplen una función vital: amortiguar los cambios de pH (efecto tampón).

El agua tiene una baja capacidad de ionización, lo que la hace vulnerable a cambios de pH. La concentración de iones en un medio se define mediante la escala de pH, que mide la acidez o alcalinidad.

Sistemas Tampón

Los organismos vivos soportan mal las variaciones de pH, ya que estas afectan la estabilidad de las proteínas y la actividad enzimática. Los sistemas amortiguadores o tampones mantienen el pH constante mediante pares conjugados ácido-base.

• Sistema Tampón Bicarbonato: Actúa en medios extracelulares (sangre). El CO₂ metabólico se combina con agua dando ácido carbónico (H₂CO₃), que se disocia en H⁺ y HCO₃⁻. El equilibrio se desplaza para eliminar CO₂ o captarlo según varíe la concentración de protones.
• Sistema Tampón Fosfato: Actúa en el medio intracelular. Los iones implicados son H₂PO₄⁻ y HPO₄²⁻. Es muy eficaz dentro de la célula donde la concentración de fosfato es mayor que en la sangre.

Funciones de las Sales en Disolución:

• Mantener el grado de salinidad.
• Regular la actividad enzimática.
• Regular la presión osmótica y el volumen celular.
• Regular el pH.
• Generar potenciales eléctricos.

Disoluciones y Dispersiones

Los fluidos biológicos presentan una fase dispersante (disolvente) y una fase dispersa (soluto):

• Disolución Verdadera: Mezclas homogéneas con solutos de tamaño muy pequeño (sales o moléculas pequeñas).
• Dispersión Coloidal: Mezclas heterogéneas con solutos de gran tamaño (proteínas), llamados coloides. Pueden separarse por ultracentrifugación o diálisis (como la hemodiálisis renal).

Propiedades de las Disoluciones

• Difusión: Reparto homogéneo de partículas en un fluido hasta igualar concentraciones.
• Ósmosis: Paso de disolvente a través de una membrana semipermeable desde el medio de menor concentración al de mayor concentración de forma espontánea.

Clasificación de los Medios:

• Hipotónicos: Menor concentración de soluto respecto al otro medio.
• Hipertónicos: Mayor concentración de soluto respecto al otro medio.
• Isotónicos: Misma concentración en ambos medios.

La presión ejercida para detener el flujo de agua se denomina presión osmótica. En las células vegetales, estos fenómenos provocan:

• En medio hipertónico: El agua sale, la célula se arruga y la membrana se despega de la pared (plasmólisis).
• En medio isotónico: No hay flujo neto de agua y la célula no sufre alteraciones.