Bioelementos

Introducción

Los organismos vivos producen elementos que le permiten subsistir y reproducir-se en el tiempo, y estas moléculas son producidas constantemente hasta el mo-mento de la muerte del ser vivo. Es esto lo que son las biomoléculas: cualquier tipo de molécula orgánica producida por un organismo vivo.

Los seis elementos químicos o bioelementos más abundantes en los seres vivos son el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre (C, H, O, N, P, S) representando alrededor del 99% de la masa de la mayoría de las células, con ellos se crean todo tipos de sustancias o biomoléculas (proteínas, aminoácidos, neurotransmisores

Pero adentrémonos en el mundo de las biomoléculas para conocerlas más de cerca y aproximarnos de paso a nuestra esencia.

¿Qué son las biomoléculas?

Las biomoléculas son las moléculas constituyentes de los seres vivos. Los seis elementos químicos o bioelementos más abundantes en los seres vivos son el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre (C, H, O, N, P, S) repre-sentando alrededor del 99% de la masa de la mayoría de las células, con ellos se crean todo tipos de sustancias o biomoléculas (proteínas, aminoácidos, neuro-transmisores). Estos seis elementos son los principales componentes de las bio-moléculas debido a que:

1. Permiten la formación de enlaces covalentes entre ellos, compartiendo elec-trones, debido a su pequeña diferencia de electronegatividad. Estos enlaces son muy estables, la fuerza de enlace es directamente proporcional a las ma-sas de los átomos unidos.

2. Permiten a los átomos de carbono la posibilidad de formar esqueletos tridi-mensionales –C-C-C- para formar compuestos con número variable de carbo-nos.

3. Permiten la formación de enlaces múltiples (dobles y triples) entre C y C; C y O; C y N. Así como estructuras lineales, ramificadas, cíclicas, heterocíclicas, etc.

4. Permiten la posibilidad de que con pocos elementos se den una enorme va-riedad de grupos funcionales (alcoholes, aldehídos, cetonas, ácidos, aminas, etc.) con propiedades químicas y físicas diferentes.

Clasificación de los incompuestos

Según la naturaleza química, las biomoléculas son:

Biocompuestos inorgánicos

Son moléculas que poseen tanto los seres vivos como los seres inertes, aunque son imprescindibles para la vida, como el agua, la biomolécula más abundante, los gases (oxígeno, etc.) y las sales inorgánicas: aniones como fosfato (HPO4−), bicarbonato (HCO3−) y cationes como el amonio (NH4+).

El agua.

Es la sustancia química más abundante en la materia viva. El agua se encuentra en la materia viva en tres formas:

Agua circulante (sangre, savia)

Agua intersticial (entre las células, tejido conjuntivo)

Agua intracelular (citosol e interior de los orgánulos celulares)

La cantidad de agua presente en los seres vivos depende de tres factores:

Especie: los organismos acuáticos contienen un porcentaje muy elevado de agua mientras que las especies que viven en zonas desérticas tienen un porcen-taje muy bajo.

Edad del individuo: las estructuras biológicas de los organismos jóvenes pre-sentan una proporción de agua mayor que las de los individuos de más edad.

Tipo de tejido u órgano: dado que las reacciones biológicas se llevan a cabo en un medio acuoso, los tejidos con una gran actividad bioquímica contienen una proporción de agua mayor que los más pasivos.

Estructura química del agua

La molécula de agua está formada por la unión de un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno mediante enlaces covalentes (cada átomo de H de una molécula com-parte un par de electrones con el átomo de O).

La electronegatividad del O es mayor que la del H por lo que los electrones com-partidos se desplazan hacia el átomo de O.

El O posee cuatro electrones más sin compartir, lo que tiene dos consecuencias:

La geometría triangular de la molécula.

La presencia de una carga negativa débil en la zona donde se sitúan los electro-nes no compartidos.

Esto último junto con la menor electronegatividad de los átomos de H, crea una asimetría eléctrica en la molécula de agua que provoca la aparición de cargas eléctricas parciales opuestas ( ), de manera que la zona de los electrones no compartidos del O es negativa y la zona donde se sitúan los H es positiva. Por eso, la molécula de agua tiene carácter dipolar.

Esta polaridad favorece la interacción entre las moléculas de agua (la zona con carga eléctrica parcial negativa de una de ellas es atraída por la zona con carga parcial positiva de otra), estableciéndose entre ambas un puente de hidrógeno.

Estos puentes de hidrógeno se dan entre el H y átomos electronegativos (O y N). Son enlaces más débiles que los covalentes, se forman y se rompen constante-mente (en el agua líquida cada enlace dura 10-11 seg.). Presentan una gran cohesión molecular y una gran estabilidad molecular.

Propiedades y funciones del agua

• Poder disolvente.

Debido a la polaridad de su molécula, el agua se puede interponer entre los iones de las redes cristalinas de los compuestos iónicos.

• Puede formar puentes de hidrógeno con otras moléculas no iónicas.

Una forma de medir la capacidad de una sustancia para disolver compuestos iónicos consiste en calcular el valor de su constante dieléctrica. Esto da lugar a un proceso de disolución en el que la molécula de agua se dispone alrededor de los grupos polares del soluto, llegando a desdoblarlos en aniones y cationes, que quedan así rodeados por moléculas de agua. Esto se denomina solvatación ióni-ca.

• Debido a la existencia de puentes de hidrógeno.

Estado líquido del agua a temperatura ambiente.

Gracias a esto el agua actúa como medio de transporte de las sustancias, como función de amortiguación mecánica y como líquido lubricante.

Líquido incompresible.

Esta propiedad controla las deformaciones citoplasmáticas y permite que el agua actúe como esqueleto hidrostático en las células vegetales.

Capilaridad o fuerzas de adhesión.

Es la capacidad de unirse a moléculas de otras sustancias. Esto permite que el agua ascienda por conductos estrechos (acción capilar) y la penetración en algu-nas sustancias como las semillas (imbibición).

Elevada tensión superficial.

Esto quiere decir que la superficie ofrece resistencia a romperse y actúa como una membrana elástica.

Elevado calor específico.

Cuando se aplica calor al agua, parte de la energía comunicada se emplea en romper los puentes de hidrógeno.

El agua tiene una función termorreguladora, es decir, mantiene estable la tempe-ratura corporal.

Elevado calor de vaporización.

Para pasar del estado líquido al gaseoso es necesario que los puentes de hidró-geno se rompan.

La extensión de una película de agua sobre una superficie biológica provoca su refrigeración, ya que al evaporarse tomando energía térmica del medio provoca el enfriamiento del conjunto.

Densidad.

El agua alcanza un volumen mínimo y la máxima densidad a los 4ºC.

Cuando el hielo tiene una temperatura de 0ºC se forma un retículo molecular muy estable que tiene mayor volumen que el agua líquida, por lo que el hielo es menos denso que el agua líquida a una temperatura menor de 4ºC y flota sobre ella. Esto produce un aislamiento térmico que permite la vida acuática.

• Ionización del agua.

Algunas moléculas de agua sufren un proceso de ionización cuando un átomo de H de una de ellas se une, mediante un enlace covalente, al átomo de O de otra molécula: (H2O + H2O! H3O+ (ión hidronio) + OH- (ión hidróxido)).

La concentración de moléculas ionizadas en el agua pura es muy baja: a 25ºC es de 10-14 mol/l, y, por tanto, H3O+ = OH- = 10-7 (Neutralidad).

H+ = 10-7! Neutral! PH = 7

H+ > 10-7! Ácida! PH < 7

H+ < 10-7! ¡Básica! pH > 7

Intervienen los sistemas tampón, buffer o amortiguadores que actúan como acep-tores o dadores de H+ para compensar el exceso o el déficit de estos iónes en el medio y mantener constante su pH. Los más comunes son el tampón fosfato, el tampón bicarbonato y las proteínas.

• Reacciones enzimáticas.

Destacan:

Hidrólisis: una molécula de agua lleva a cabo la rotura de una molécula orgánica (procesos digestivos).

Condensación: las moléculas sencillas se unen para obtener otras mayores.

Fotosíntesis: proporciona H+ para realizar la síntesis de moléculas orgánicas.

Dióxido de carbono

El dióxido de carbono es un gas inodoro e incoloro a temperatura ambiente. Su fórmula molecular es CO2 y las moléculas están compuestas de un átomo de carbono con doble enlace covalente para dos átomos de oxígeno. El dióxido de carbono se disuelve en agua y forma ácido carbónico a través de una reacción química. En las reacciones posteriores con agua, el ácido carbónico forma iones cargados eléctricamente y cationes. El dióxido de carbono gaseoso proporciona una manera para que el cuerpo humano transporte y use el elemento del carbono, que es la base de toda la vida en la Tierra.

• Vasodilatación

El dióxido de carbono es el agente natural de vasodilatación más fuerte del cuer-po humano. El compuesto químico relaja el tejido muscular liso en el interior

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