Bioquimica Estructural

Los elementos que no proceden del agua se han seleccionado en los seres vivos en función de los beneficios que pudieran proporcionarles. Un caso notable es el del carbono, elemento prácticamente idéntico al silicio en comportamiento químico, pero que ha sido escogido por los seres vivos a pesar de su escasez en la corteza terrestre. Ambos elementos pueden formar cadenas largas y estables, enlaces múltiples consigo mismo y con otros átomos, pero el producto de la oxidación del carbono, el CO2, es un gas ligero y soluble en agua, mientras que la oxidación del silicio origina sílice (SiO2) que es un sólido altamente insoluble y del que las células encontrarían graves problemas para deshacerse.

El resto de los elementos que componen los seres vivos es muy escaso, dado que la selección se dio basándose en lo que había, y descartando grupos de elementos según sus características. Ahora podemos, con los datos analíticos en la mano, fabricar unos criterios más o menos rigurosos sobre la idoneidad de un elemento para formar parte de la materia viva según, principalmente, el tamaño y la densidad de carga:

Los elementos muy pesados, a partir del número atómico 93, no están disponibles por su escasez.

Los elementos radiactivos se descartan por ser altamente inestables, a partir del número atómico 84.

Los gases nobles no reaccionan en condiciones normales.

Las tierras raras son muy escasas.

Algunos son elementos muy tóxicos, como el plomo o el mercurio. Suelen ser metales pesados de los grupos 13 a 17 (IIIA a VIIA).

Una vez hecha la selección queda un grupo de unos 50 elementos, de los que sólo tres de los presentes en los seres vivos tienen números atómicos por encima de 34: molibdeno, estaño y yodo. Los más abundantes son los no metales de bajo peso molecular, con números atómicos 1, 6, 7 y 8, es decir, el agua (H y O) y los elementos con más facilidades de realizar enlaces covalentes (C y N), tanto simples como múltiples, y entre ellos y con ellos mismos, además de poder formar cadenas largas y estables solos o combinados. Por otra parte, estos elementos son los que necesitan menos número de electrones para llegar a una configuración electrónica estable.

La versatilidad de enlace del carbono, el nitrógeno y el oxígeno hay que buscarlo en la teoría de orbitales atómicos. Los tres pueden hibridar los orbitales s y los p para formar orbitales híbridos sp3, sp2 y sp en enlaces simples, dobles o triples, respectivamente. Esta característica es única de estos tres elementos, no hay otros que puedan hacerlo.

Funciones de los elementos esenciales.

Los cuatro elementos básicos descritos anteriormente, junto con el fósforo y el azufre, forman todas las estructuras básicas de la materia orgánica: azúcares, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno forman todas las estructuras plásticas de soporte, lo que se da en llamar el esqueleto o estructura de la molécula. El fósforo y el azufre cumplen funciones muy importantes al formar parte de aminoácidos y coenzimas, aunque su cantidad esté muy por debajo de la de los elementos estructurales de soporte.

Otros elementos esenciales para la vida son los iones, y más concretamente su proporción y distribución entre los distintos compartimentos celulares o extracelulares. Los más importantes son:

Cationes: Na+, K+, Mg2+, Ca2+.

Aniones: Cl-, SO42-, PO43-.

La importancia de la distribución correcta de cada ion es crucial para el mantenimiento de lo que consideramos vida. Todas las células tienen en su membrana una enzima llamada bomba de sodio, o Na+/K+ ATPasa, encargada de bombear cationes sodio afuera de la célula, y los cationes potasio adentro, manteniendo de este modo un gradiente electroquímico a través de la membrana celular. El funcionamiento de la ATPasa es tal que por cada dos átomos de potasio que entran, salen tres de sodio, lo que unido a la abundancia de proteínas intracelulares, mayoritariamente con carga negativa, provoca un potencial eléctrico de membrana indispensable para el buen funcionamiento de las funciones celulares. El ejemplo más evidente de la necesidad de mantener un potencial de membrana se da en las neuronas, que dejan de funcionar con potenciales menores a 70 mV.

Además, todas las células necesitan mantener su presión osmótica regulando la concentración de sales dentro y fuera del citoplasma, además de mantener la neutralidad de los fluidos fisiológicos. Para esto se distribuyen los iones de una manera concreta, estando Na+, Ca2+ y C- fuera de la célula, y K+ y Mg2+ dentro. De este modo se consigue el potencial negativo dentro y ordenar la posición de los iones para una correcta actividad celular. Este hecho dio pie a la formulación de la teoría quimiosmótica.

Los elementos más raramente encontrados en los seres vivos son los llamados oligoelementos. Suelen ser metales de gran tamaño, generalmente de transición, que cumplen un número muy reducido de funciones importantes para el ser vivo. Muchos, como el hierro o el manganeso, se asocian a proteínas y mantienen su estructura tridimensional, o cumplen funciones esenciales en el centro activo de las enzimas como coenzimas de oxidorreducción. Uno de los trabajos más importantes es en el transporte de oxígeno, donde el hierro se necesita en cantidades tan grandes que no parece correcto hablar de oligoelemento. Algunos de estos elementos se sabe que son necesarios, pero no se sabe por qué. Por ejemplo, la falta de selenio provoca distrofia, la falta de vanadio provoca necrosis hepática y la falta de flúor impide una osificación correcta de las piezas dentales.

Enlaces en la estructura biológica.

El enlace más importante en las moléculas biológicas es el covalente. Además, y teniendo en cuenta que todas las reacciones se realizan en medio acuoso, los iónicos tienen mucha importancia por su abundancia. Este tipo de interacción se da entre grupos cargados a pH fisiológico, tales como carboxilos y aminas. Sin embargo, y paradójicamente, los enlaces más importantes para una correcta función de las moléculas biológicas son los más débiles: enlaces de hidrógeno y enlaces de Van der Waals. Su importancia radica, no en que sean más fuertes en un ser vivo, sino en que actúan sinérgicamente y en grupos de miles o decenas de miles.

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