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BLOQUE 2 Secuencia didáctica 2. Composición química de los seres vivos.

De acuerdo con los niveles de organización de la materia, los organismos o seres vivos están integrados por células, las cuales se forman, su vez, por moléculas, y éstas por átomos. De los átomos que existen en la naturaleza, normalmente sólo algunos cuantos están presentes en los seres vivos formando diferentes tipos de compuestos con estructuras y funciones diferentes, se les conoce como elementos biogénicos o bioelementos.

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ELEMENTOS QUÍMICOS PRESENTES EN EL SER HUMANOElemento Símbolo Porcentaj

eElemento Símbolo Porcentaje

Oxígeno 65.0 Cloro 0.15Carbono 18.0 Magnesio 0.05Hidrógeno 10.0 Hierro 0.004Nitrógeno 3.0 Cobre 0.00015Calcio 2.0 Manganeso 0.00013Fósforo 1.1 Iodo 0.0004Potasio 0.35 Cobalto IndiciosAzufre 0.25 Zinc IndiciosSodio 0.15 Molibdeno indicios

En el esquema se indican los componentes de los organismos vivientes y en la tabla, los componentes químicos en el ser humano, estúdialos y realiza las siguientes actividades:

ELEMENTOS DE LA VIDA O BIOELEMENTOSLa materia viva presenta unas características y propiedades distintas a las de la materia inerte. Estas características y propiedades encuentran su origen en los átomos que conforman la materia viva. Los átomos que componen la materia viva se llaman bioelementos.De los 92 átomos naturales, nada más que 27 son bioelementos. Estos átomos se separan en grupos, atendiendo a la proporción en la que se presentan en los seres vivos.

Se denominan elementos biogénicos o bioelementos a aquellos elementos químicos que forman parte de los seres vivos.Los elementos biogénicos se pueden clasificar en dos grupos: bioelementos primarios y secundarios. El hecho de que los bioelementos primarios sean tan abundantes en los seres vivos se debe a que presentas ciertas características que los hacen idóneos para formar las moléculas de estos seres. Estas características son:

Los organismos son sistemas físicos soportados por reacciones químicas complejas, organizadas de manera que promueven la reproducción y en alguna medida la sostenibilidad y la supervivencia. Los seres vivos están integrados por moléculas inanimadas; cuando se examinan individualmente estas moléculas se observa que se ajustan a todas las leyes físicas y químicas que rigen el comportamiento de la materia inerte y las reacciones químicas son fundamentales a la hora de entender los organismos, pero es un error filosófico (reduccionismo) considerar a la biología como

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únicamente física o química. También juega un papel importante la interacción con los demás organismos y con el ambiente. De hecho, algunas ramas de la biología, por ejemplo la ecología, están muy alejadas de esta manera de entender a los seres vivos.Los organismos son sistemas físicos abiertos ya que intercambian materia y energía con su entorno. Aunque son unidades individuales de vida no están aislados del medio ambiente que los rodea; para funcionar absorben y desprenden constantemente materia y energía. Los seres autótrofos producen energía útil (bajo la forma de compuestos orgánicos) a partir de la luz del sol o de compuestos inorgánicos, mientras que los heterótrofos utilizan compuestos orgánicos de su entorno.La composición química y los procesos metabólicos de todos los organismos son muy similares. Los principios físicos y químicos que regulan a los objetos inanimados también rigen a los seres vivos. Los organismos están constituidos por compuestos inorgánicos, con moléculas pequeñas y sencillas, y por compuestos orgánicos, cuyas moléculas son grandes y complejas. 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, que son prácticamente 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 biogénicos, que se clasifican en:

1. Elementos mayoritarios- Están presentes en porcentajes superiores al 0,1 % y aparecen en todos los seres vivos.a. Bioelementos primarios (C, H, O, N /// P, S) - Principales constituyentes de las biomoléculas. En conjunto 95% de la materia viva (C 20 %, H 9.5%, O 62 % y N 2,5 %).b. Bioelementos secundarios (Na, K, Ca, Mg, Cl) - En conjunto 4,5% de la materia viva.

2. Oligoelementos (Fe, Mn, I, F, Co, Si, Cr, Zn, Li, Mo)- Presentes en porcentajes inferiores al 0,1%, no son los mismos en todos los seres vivos.

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1) BIOELEMENTOS PRIMARIOSSon los elementos más abundantes en los seres vivos.La mayor parte de las moléculas que componen los seres vivos tienen una base de carbono. Este elemento presenta una serie de propiedades que hacen que sea el idóneo para formar estas moléculas. Estas propiedades son las siguientes:

1. Forma enlaces covalentes, que son estables y acumulan mucha energía.2. Puede formar enlaces, hasta con cuatro elementos distintos, lo que da

variabilidad molecular.3. Puede formar enlaces sencillos, dobles o triples.4. Se puede unir a otros carbonos, formando largas cadenas.5. Los compuestos, siendo estables, a la vez, pueden ser transformados por

reacciones químicas.6. El carbono unido al oxígeno forma compuestos gaseosos.

Todas estas propiedades derivan de su pequeño radio atómico y a la presencia de 4 electrones en su última capa.El Hidrógeno, el Oxígeno y el Nitrógeno también son capaces de unirse mediante enlaces covalentes estables. Forman parte de las cadenas de carbono que componen las moléculas de los seres vivos.

Los bioelementos primarios, se llaman así porque son indispensables para la formación de las biomoléculas orgánicas (carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos), que son las moléculas que constituyen todos los seres vivos y que, además, en la naturaleza, solamente son producidas por ellos. Por esto, a las biomoléculas orgánicas se las denomina principios inmediatos a la vida. Los bioelementos primarios son un grupo de seis elementos, que constituyen el 96% del total de la materia viva. Son el

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oxígeno (O), el carbono (C), el hidrógeno (H), el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el azufre (S).Constituyen el 96,2% de la materia viva. Los elementos mayoritarios de los seres vivos no son los más abundantes en la naturaleza.

¿Por qué los seres vivos han elegido estos bioelementos y no otros más abundantes? 1. El hecho de que los bioelementos primarios sean tan abundantes en los seres

vivos se debe a que presentan ciertas características que los hacen idóneos para formar las moléculas de los seres vivos.

2. Aunque no son de los más abundantes, todos ellos se encuentran con cierta facilidad en las capas más externas de la Tierra (corteza, atmósfera e hidrosfera).

3. Sus compuestos presentan polaridad por lo que fácilmente se disuelven en el agua, lo que facilita su incorporación y eliminación. Principalmente, el oxígeno y el nitrógeno (que presentan una alta electronegatividad) y el hidrógeno (electropositivo) contribuyen a la formación de moléculas dipolares.

4. El carbono y el nitrógeno presentan la misma afinidad para unirse al oxígeno o al hidrógeno, por lo que pasan con la misma facilidad del estado oxidado al reducido. Esto es de gran importancia, pues los procesos de oxidación-reducción son la base de muchos procesos químicos muy importantes y en particular de los relacionados con la obtención de energía como la fotosíntesis y la respiración celular.

5. El carbono, el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno son elementos de pequeña masa atómica y tienen variabilidad de valencias, por lo que pueden formar entre sí enlaces covalentes fuertes y estables. Debido a esto dan lugar a una variedad de moléculas de gran tamaño. De todos ellos el carbono es el más importante. Este átomo es la base de la química orgánica y de la química de los seres vivos.

2) LOS BIOELEMENTOS SECUNDARIOS Son elementos que se encuentran en menor proporción en los seres vivos. Se presentan en forma iónica.El Calcio puede encontrarse formando parte de los huesos, conchas, caparazones, o como elemento indispensable para la contracción muscular o la formación del tubo polínico.El Sodio y el Potasio son esenciales para la transmisión del impulso nervioso. Junto con el Cloro y el Iodo, contribuyen al mantenimiento de la cantidad de agua en los seres vivos.El Magnesio forma parte de la estructura de la molécula de la clorofila y el Hierro forma parte de la estructura de proteínas transportadoras.

Son todos los elementos biogénicos restantes. Se pueden distinguir dos tipos: los indispensables, que son los que 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; y los variables son los que sí pueden faltar en algunos organismos.

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1. Son bioelementos secundarios indispensables, el calcio, sodio, potasio, magnesio, cloro, hierro, silicio, cobre, manganeso, boro, flúor y el yodo.

2. Son bioelementos secundarios variables, el bromo, zinc, titanio, vanadio y plomo.

Funciones biológicas de algunos bioelementos secundariosEl yodo es necesario para formar la hormona tiroidea que regula el metabolismo energético, cuya carencia provoca la aparición del bocio, el cretinismo…

El aluminio actúa sobre el sistema nervioso central, aumenta la actividad cerebral y regula el sueño; favorece la osificación de los cartílagos durante las etapas fetal e infantil y activa los mecanismos de oxidación y reducción en el metabolismo.

El flúor forma parte del esmalte de los dientes, de los huesos y también aparece en la estructura de la piel, las glándulas, etc. Su carencia está relacionada con la aparición de caries.

El cromo interviene, junto con la insulina, en el mantenimiento de la tolerancia normal a la glucosa. Protege de la arteriosclerosis y de las cardiopatías coronarias.

El cobalto es un componente de la vitamina B 12 (cianocobalamina), necesaria para la síntesis de la hemoglobina y la formación de los eritrocitos. Su carencia origina anemia.

El manganeso actúa asociado a diversas enzimas degradativas de proteínas, como factor de crecimiento, y en los procesos fotosintéticos. Su deficiencia origina amarillamiento de las hojas.

El zinc 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 en sangre.

El silicio forma parte de los caparazones de las diatomeas y da rigidez a los tallos de las gramíneas.

3) OLIGOELEMENTOSLos oligoelementos también se denominan elementos traza, puesto que aparecen en muy baja proporción en la materia viva (trazas). Alguno de estos elementos no se manifiesta en ciertos seres. Sin embargo, como el caso del Silicio, puede ser muy abundante en determinados seres vivos, como diatomeas, Gramíneas o Equisetos.Son indispensables para el desarrollo armónico del organismo.Se han aislado unos 60 oligoelementos en los seres vivos, pero solamente 14 de ellos pueden considerarse comunes para casi todos

MOLÉCULAS DE LA VIDA O BIOMOLÉCULAS.Los bioelementos no se encuentran de manera aislada en la materia viva, se unen entre sí para formar las moléculas que constituyen los seres vivos. Los seres vivos contienen compuestos orgánicos e inorgánicos. Son éstos los que caracterizan a la materia viva y la causa de las distintivas funciones que realiza, se han clasificado en dos grupos:

1. Compuestos inorgánicos: como el agua, las sales minerales y gases.2. Biomoléculas o compuestos orgánicos: carbohidratos, lípidos y proteínas.

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I.- COMPUESTOS INORGÁNICOS.

EL AGUAEl agua es la sustancia química más abundante en la materia viva. Su abundancia depende de la especie (60% en humanos adultos y hasta 95% en las medusas), la edad (menor proporción en individuos más viejos) y la actividad fisiológica del tejido (mayor porcentaje los que tiene actividad como tejido nervioso o muscular). Las propiedades del agua son consecuencia de su estructura molecular y son responsables de la capacidad del agua para desempeñar su papel en los sistemas vivos. La estructura de la molécula de agua está dada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno que se mantienen unidos por enlaces covalentes. Es una molécula polar y forma enlaces llamados puente de hidrógeno. Los puentes de hidrógeno determinan muchas de las extraordinarias propiedades del agua. Entre ellas están su elevada fuerza de cohesión, alta tensión superficial, alto calor específico, elevado calor de evaporación y alto calor de fusión. La polaridad de la molécula de agua es, además, responsable de su adhesión a otras sustancias polares, lo que le da un movimiento capilar.Debido a su polaridad el agua es un buen solvente para iones y moléculas polares. Las moléculas polares que se disuelven en el agua, se denominan hidrofílicas. A raíz de su polaridad el agua, excluye activamente a las moléculas no polares, a las moléculas excluidas de la solución acuosa se conocen como hidrofóbicas. Esta capacidad disolvente del agua y su abundancia en el medio natural, explican que sea vehículo de transporte. Por ejemplo, la captación de sales minerales por las plantas y el medio donde se realizan todas las reacciones químicas del organismo, tal es el caso de la digestión de los alimentos.En el agua pura, el número de iones hidrógeno y el número de iones hidróxido es igual a 10-7 mol por litro, con pH neutro. Una solución que contiene más iones hidrógeno que iones hidróxido es ácida; una solución que contiene más iones OH-1 que iones H+1

es básica o alcalina. Casi todas las reacciones químicas de los sistemas vivos tienen lugar en un estrecho intervalo de pH alrededor de la neutralidad.El agua presenta mayor densidad en estado líquido que en estado sólido. Ello explica que el hielo flote en el agua y forme una capa superficial termoaislante que permite la vida bajo ella, en ríos, mares y lagos en zonas frías.La mayoría de los procesos de la vida se llevan a cabo solo cuando las moléculas y los iones pueden moverse libremente y chocar con otros. Esta condición se da cuando se

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encuentran disueltos en agua, su ausencia implica la ruptura de la maquinaria bioquímica y muerte celular. Además, en soluciones acuosas del organismo se disuelven los nutrientes, para ser transportados hacia todas las células y tejidos donde son necesarios; su contraparte, las sustancias de desecho deben ser eliminadas y esto se hace también mediante su disolución en agua. El ser humano adulto desecha alrededor de 3 litros de agua a través de la orina, por lo que se recomienda consumir al menos 2 litros de agua diariamente en forma de bebidas, el litro restante se obtiene de los alimentos.

PROPIEDADES FÍSICASAcción capilar o capilaridad . El agua cuenta con la propiedad de la capilaridad, que es la facultad de ascenso, o descenso, de un líquido dentro de un tubo capilar. Esto se debe a sus propiedades de adhesión y cohesión. A este fenómeno se debe, en parte, la ascensión de la savia bruta, desde las raíces hasta las hojas, a través de los vasos leñosos.Cohesión. Es la propiedad con la que las moléculas de agua se atraen entre sí. Debido a esta interacción se forman cuerpos de agua por adhesión de moléculas de agua. Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible.Adhesión . El agua, por su gran potencial de polaridad, cuenta con la propiedad de la adhesión, es decir, el agua generalmente es atraída y se mantiene adherida a otras superficies. Esto es lo que se conoce comúnmente como "mojar". Esta fuerza está también en relación con los puentes de hidrógeno que se establecen entre las moléculas de agua y otras moléculas polares y es responsable, junto con la cohesión, del llamado fenómeno de la capilaridad.Tensión superficial. Por su misma propiedad de cohesión, el agua tiene una gran atracción entre las moléculas de su superficie, creando tensión superficial. La superficie del líquido se comporta como una película capaz de alargarse y al mismo tiempo ofrecer cierta resistencia al intentar romperla; esta propiedad contribuye a que algunos objetos muy ligeros floten en la superficie del agua y algunos insectos pueden estar sobre ella sin sumergirse e, incluso, hay animales que corren sobre ella, como el basilisco.El calor específico del agua se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura, en un grado Celsius, a un gramo de agua en condiciones estándar y es de 1 cal/°C•g, que es igual a 4,1840 J/K•g. Esta propiedad es fundamental para los seres vivos (y la Biosfera en general) ya que gracias a esto, el agua reduce los cambios bruscos de temperatura, siendo un excelente regulador térmico.Temperatura de fusión . El agua tiene un punto de fusión elevado lo que permite que se enfríe más lentamente que otros líquidos y esto a su vez permite que las células sean más resistentes al congelamiento.Temperatura de evaporación . El punto de vaporización del agua es elevado, es decir se requiere gran cantidad de calor sin que se modifique su temperatura para que sufra

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evaporación. Esta propiedad ayuda a mantener la temperatura corporal por ejemplo de una persona al sudar, el calor de su cuerpo pasa al sudor y la evaporación del mismo baja la temperatura del cuerpo.Densidad. La densidad del agua líquida es muy estable y varía poco con los cambios de temperatura y presión. Su punto de congelación es a los 4ºC y en estado sólido es más densa que en estado liquido, característica que explica el porqué el hielo flota y se acumula en la parte superficial de los cuerpos de agua, permitiendo así la vida en el medio acuático de las regiones polares.

PROPIEDADES BIOLÓGICAS DEL AGUA Disolvente universal de las sustancias nutritivas.Sirve de vehículo para la circulación de las sustancias desde el exterior al interior de los organismos y en el propio organismo; permite que las sustancias disueltas atraviesen las membranas celulares.Las reacciones metabólicas tienen lugar en solución acuosa.Su tensión superficial permite las deformaciones y movimientos de las células. El volumen y forma de las células que carecen de membrana rígida se mantienen gracias a la presión que ejerce el agua interna. Al perder agua, las células pierden su turgencia natural, se arrugan y hasta pueden llegar a romperse.Contribuye a regular la temperatura en los seres vivos, debido a su elevado calor específico y de vaporización. Por ejemplo, los animales al sudar expulsan agua, la cual, para evaporarse, toma calor del cuerpo y como consecuencia, éste se enfría.Es un excelente disolvente, de sustancias tóxicas y compuestos bipolares. Incluso moléculas biológicas no solubles (ej. lípidos) forman con el agua, dispersiones coloidales. Participa como agente químico reactivo y también catalizar de muchas reacciones. Permite la difusión, es decir el movimiento en su interior de partículas sueltas, constituyendo el principal transporte de muchas sustancias nutritivas. Constituye un excelente termorregulador (calor específico), permitiendo la vida de organismos en una amplia variedad de ambientes térmicos. Ayuda a regular el calor de los animales. Tiene un importante papel como absorbente de radiación infrarroja, crucial en el efecto invernadero. Interviene en el mantenimiento de la estructura celular. Proporciona flexibilidad a los tejidos. Actúa como vehículo de transporte en el interior de un ser vivo y como medio lubricante en sus articulaciones.

La vida en la Tierra ha evolucionado gracias a las importantes características del agua. La existencia de esta abundante sustancia en sus formas líquida, gaseosa y sólida ha sido sin duda un importante factor en la abundante colonización de los diferentes

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ambientes de la Tierra por formas de vida adaptadas a estas variantes y a veces extremas condiciones.

SALES MINERALESLas sales minerales son moléculas inorgánicas de fácil ionización en presencia de agua y que en los seres vivos aparecen tanto precipitadas, como disueltas y asociadas con sustancias orgánicas.Las sales minerales disueltas en agua siempre están ionizadas. Estas sales tienen función estructural y funciones de regulación del pH, de la presión osmótica y de reacciones bioquímicas, en las que intervienen iones específicos. Participan en reacciones químicas a niveles electrolíticos.Los procesos vitales requieren la presencia de ciertas sales bajo la forma de iones como los cloruros, los carbonatos y los sulfatos. Las principales funciones de las sustancia minerales en los organismos son:

Forman parte de la estructura ósea y dental (calcio, fósforo, magnesio y flúor). Regulan el balance del agua dentro y fuera de las células (electrolitos). También conocido como proceso de Ósmosis. Intervienen en la excitabilidad nerviosa y en la actividad muscular (calcio, magnesio). Permiten la entrada de sustancias a las células (la glucosa necesita del sodio para poder ser aprovechada como fuente de energía a nivel celular). Colaboran en procesos metabólicos (el cromo es necesario para el funcionamiento de la insulina, el selenio participa como un antioxidante). Intervienen en el buen funcionamiento del sistema inmunológico (zinc, selenio, cobre). Además, forman parte de moléculas de gran tamaño como la hemoglobina de la sangre y la clorofila en los vegetales.Estabilizar soluciones o dispersiones coloidales.Mantener un grado de salinidad en el medio interno (reguladoras). Constituir soluciones amortiguadoras. Al igual de las vitaminas, no aportan energía sino que cumplen otras funciones.

CLASES DE SALES MINERALESI) Las sales minerales disueltas (SOLUBLES)

1. Se encuentran en forma de iones y son de gran importancia en el funcionamiento celular, pueden ser iones positivos (cationes) Na+1, K+1, Ca+2 y Mg+2 o iones negativos (aniones) Cl-1, SO4-2, PO4-2, CO3-2, HCO3-1, NO3-1 Estos iones mantienen un grado de salinidad constante dentro del organismo, y ayudan a mantener también constante su pH.

2. El agua y las sales minerales, junto con otros solutos, desarrollan un papel vital en la regulación osmótica de los seres vivos. La ósmosis es la difusión de moléculas de agua a través de una membrana con permeabilidad selectiva desde un lugar de alta concentración a uno de baja concentración. La célula perderá agua por ósmosis si se coloca en un ambiente en el que la concentración de agua es menor que la del interior de la célula.

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Igualmente, le entrará agua si la concentración de agua es mayor que la de adentro de la célula.

3. Además de mantener constante la presión osmótica, las sales minerales disueltas también mantienen constante el pH del medio interno de la célula. Cualquier variación en el pH puede tener consecuencias fatales para las células y estas disoluciones, llamadas amortiguadoras, evitan, dentro de unos límites, que esto suceda. Las sales disueltas en agua pueden realizar funciones tales como: Controlar la contracción muscular. Producir gradientes electroquímicos. Estabilizar dispersiones coloidales.

II) Las sales precipitadas (INSOLUBLES) 1. Son necesarias para el crecimiento y mantenimiento estructural de los

organismos; así como para mantener la composición de los fluidos que rodean a las células, impidiendo cambios bruscos en su volumen al igualar las concentraciones del exterior celular con las del interior. Este es el principio que se aplica cuando se usan sueros fisiológicos en el tratamiento de personas o animales. Las plantas obtienen los minerales del agua y el suelo; los animales lo hacen al comer plantas y otros animales que consumen vegetales.

2. Hay otros minerales que constituyen estructuras sólidas en el organismo y esto se debe a que su función es sostener estructuras como huesos y dientes.

3. La función principal de las sales precipitadas o en estado sólido es la de formar esqueletos: endoesqueletos, como los huesos y exoesqueletos como las conchas de los moluscos bivalvos y foraminíferos compuestas por carbonato de calcio y la de algunos protozoos como lo radiolarios y diatomeas cuya cubierta contiene sales de sílice. Constituyen: Silicatos: caparazones de algunos organismos (diatomeas), espículas de

algunas esponjas y estructura de sostén en algunos vegetales (gramíneas). Carbonato cálcico: caparazones de algunos protozoos marinos, esqueletos

externos de corales, moluscos y artrópodos, así como estructuras duras. Fosfato de calcio: esqueleto de vertebrados.

III) Las sustancias minerales asociadas a biomoléculas Dentro de este grupo se encuentran las fosfoproteínas, los fosfolípidos y fosfoglicéridosLos iones de las sales pueden asociarse a moléculas, realizando funciones que tanto el ion como la molécula no realizarían por separado.De tal manera que las sales minerales están asociadas a las moléculas orgánicas y suborgánicas.Los iones pueden asociarse a moléculas, permitiendo realizar funciones que, por sí solos no podrían, y que tampoco realizaría la molécula a la que se asocia, si no tuviera el ión. Por ejemplo, la clorofila captura energía luminosa en el proceso de fotosíntesis por contener un ión de Mg+2 en su estructura.

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Al igual que las vitaminas, las sales minerales no aportan energía. Los macrominerales son necesarios en mayor proporción, es el caso del calcio o el fósforo y los microminerales o elementos traza también son esenciales pero no existe tanta posibilidad de que se produzca déficit ya que se necesitan en menor cantidad. Las sales minerales están ampliamente distribuidas en los distintos alimentos frutas, verduras, legumbres, lácteos, etc.

Fuentes alimentarias de mineralesCalcio: Leche y derivados, frutos secos , legumbre s y otros.Fósforo : Carnes, pescado s, leche, legumbres y otros.Hierro: Carnes, hígado, legumbres, frutos secos, entre otros.Flúor: Pescado de mar, agua potable .Yodo: Pescado, [sal yodada].Zinc: Carne, pescado, huevos, cereal es integrales, legumbres.Magnesio: Carne, verduras, hortalizas, legumbres, frutas, leche.

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SALES MINERALES