LOS BIOELEMENTOS. EL AGUA Y LAS SALES MINERALES1. LOS BIOELEMENTOS

Los bioelementos son los elementos químicos que forman parte de los seres vivos. Pueden ser:

- Primarios. Imprescindibles en las moléculas orgánicas: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

- Secundarios. Se encuentran en mucha menor proporción. Pueden ser indispensables si están presentes en todos

los seres vivos o variables si no lo están.

1.1. LOS BIOELEMENTOS PRIMARIOS

Son C, H, O, N, P y S y suman el 96,2 % del total de la materia viva. Son átomos relativamente pequeños que forman

enlaces covalentes estables. Forman la molécula más abundante de todos los seres vivos: el agua (65-90%), que

es el medio en el que se dan todas las reacciones.

1.1.1. GRUPO DEL CARBONO Y DEL HIDRÓGENO

El carbono tiene cuatro electrones en su última capa, por lo que forma enlaces covalentes estables con el hidrógeno y

consigo mismo formando macromoléculas que son largas cadenas de carbono e hidrógeno. Los enlaces entre

dos átomos de carbono pueden ser sencillos, dobles o triples. Los enlaces son apolares, por lo que los

compuestos formados sólo por ellos son insolubles en agua. Los cuatro enlaces se disponen en los vértices de un

tetraedro. Las moléculas reducidas (con mucho hidrógeno) acumulan mucha energía que se libera por oxidación al

quitar ese hidrógeno.

ENLACE SENCILLO ENLACE DOBLE ENLACE TRIPLE

1.1.2. GRUPO DEL OXÍGENO, NITRÓGENO, AZUFRE Y FÓSFORO

Todos son elementos electronegativos y al formar enlaces con el hidrógeno o entre sí originan moléculas dipolares como H20, NH3, H2S, H3PO4. Si a una cadena de carbono e hidrógeno que es apolar se le añaden grupos polares

como =O, -OH, -NH2, -SH o -H2PO4 la nueva cadena puede ser polar y disolverse en agua.

El oxígeno es el bioelemento primario más electronegativo, el más polar y forma el agua.

El nitrógeno forma los grupos amino (-NH2) de los aminoácidos de las proteínas y está presente en las bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos.

El azufre forma fundamentalmente el grupo sulfhidrilo (-SH), que en muchas proteínas puede formar fuertes enlaces

disulfuro (-S-S) que estabilizan estructuras.

El fósforo forma los grupos fosfato (-PO4)-3 presentes en el ATP, la principal molécula energética y se encuentra en

los fosfolípidos de las membranas celulares y en los ácidos nucleicos.

1.2. LOS BIOELEMENTOS SECUNDARIOS

1.2.1. LOS BIOELEMENTOS SECUNDARIOS ABUNDANTES

Entran en proporción superior al 0,1 %. Son Na, K, Ca, Mg y Cl.

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Fase dispersante (sólido con fibras entrelazadas)

Fase dispersante (líquido)Fase dispersa (sólido)

El Na, el K y el Cl están disueltos en el medio interno y en el interior de las células en forma de iones Na+, K+ y Cl-. Mantienen la presión osmótica en el interior de la célula y el equilibrio de las cargas eléctricas a ambos lados de la

membrana. El Na+ y el K+ se encargan de la transmisión del impulso nervioso.

El Ca como Ca CO3 forma los caparazones de los moluscos y los esqueletos de muchos organismos. Como ión, el

Ca+2 actúa en la contracción muscular, la permeabilidad de las membranas celulares, la coagulación sanguínea, la visión y otros.

El ión Mg+2 forma parte de muchas enzimas y de la clorofila. Interviene en la síntesis y degradación del ATP, en la

replicación y estabilización del ADN y en la síntesis de ARN.

1.2.2. LOS OLIGOELEMENTOS

Entran en proporciones inferiores al 0,1% pero son indispensables. Aunque hay más (entre 15 y 20 según la

especie), los principales en el caso humano son Fe, Zn, Cu, Co, Mn, Li, Si, I y F.

En forma iónica el Fe+2 forma parte de la hemoglobina y de la mioglobina, dos transportadores de oxígeno y de los

citocromos, enzimas que intervienen en la respiración celular.

El cinc está presente en todas las células, abunda en el cerebro, gónadas y páncreas. Se une a la insulina y aumenta

su solubilidad. Interviene en la respuesta inmunitaria, en la síntesis de DNA y de proteínas, en varias enzimas y en

los sentidos del gusto y el olfato.

El cobre forma parte de la hemocianina que transporta el oxígeno en muchos invertebrados (oxidada es azul) y

también se encuentra en algunas enzimas.

El cobalto se encuentra en la vitamina B12 y en algunas enzimas de bacterias fijadoras de nitrógeno.

El manganeso actúa en distintas enzimas, en la fotosíntesis y es un factor de crecimiento.

El litio aumenta la síntesis de neurotransmisores e influye en los estados de ánimo.

El silicio constituye la cubierta de las diatomeas y endurece algunos tallos.

El yodo es un componente de la hormona tiroxina y otras hormonas del tiroides que aceleran el metabolismo.

El flúor ayuda a endurecer el esmalte de los dientes y los huesos.

2. LAS BIOMOLÉCULAS

Las biomoléculas (antes se llamaban principios inmediatos) son las moléculas que forman parte de los seres vivos.

Se pueden separar por medios físicos sin que se alteren químicamente. Estos métodos son la disolución, filtración,

evaporación, destilación, diálisis, cristalización, electroforesis, cromatografía, centrifugación, etc. Las más grandes

son polímeros (polisacáridos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos) formados por la unión de otras moléculas

orgánicas pequeñas o monómeros (monosacáridos, ácidos grasos, aminoácidos y nucleótidos). Las biomoléculas

pueden ser:

- Simples. Formadas por átomos del mismo elemento. Oxígeno molecular (O2) y nitrógeno molecular (N2)

- Compuestas. Con distintos tipos de átomos.

- Inorgánicas. Agua (H2O), dióxido de carbono (CO2) y sales minerales (Na Cl, Ca CO3 y otras)

- Orgánicas. Formadas por polímeros de carbono e hidrógeno

- Glúcidos. Formados por C, H y O

- Lípidos. Formados por C e H y algo de O

- Proteínas. Formados por C, H, O, N y S

- Ácidos nucleicos. Formados por C, H, O, N y P

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2.1. FUNCIONES DE LAS BIOMOLÉCULAS

Las principales funciones son:

- Estructural, como las proteínas y las sales minerales de los huesos o los lípidos de las membranas celulares.

- Energética, como los glúcidos y algunos lípidos.

- Biocatalizadora, como las enzimas que siempre son proteínas.

Los gases cumplen estas funciones:

- El oxígeno interviene en la respiración aerobia, realizada por las bacterias aerobias y las mitocondrias de las

células animales y vegetales.

- El CO2 que se desprende en la respiración aerobia es usado por las algas y las plantas para la fotosíntesis.

- El N2 es un gas inerte. Sólo algunas bacterias del suelo (Clostridium pasteuranium) y otras simbiontes de las raíces

de las leguminosas (algunas especies de Rhizobium) pueden captarlo del medio para sintetizar proteínas.

3. EL AGUA

Es la sustancia más abundante en la materia viva sin excepción. Su porcentaje varía según la especie, el tejido, la

edad, etc. El porcentaje es mayor cuanto mayor es la actividad del tejido. Puede encontrarse de tres formas:

- Circulante, como en la sangre, linfa y savia (en humanos un 8% de la masa)

- Intersticial, ocupando los huecos entre las células. Muchas veces está unida fuertemente a la sustancia intercelular

formando el agua de imbibición, como en el tejido conjuntivo (en humanos un 15% de la masa).

- Intracelular, en el citosol, orgánulos y nucleoplasma (en humanos un 40% de la masa).

Además se origina agua metabólica como consecuencia de muchas reacciones como la oxidación de la glucosa:

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + energía

3.1. LA MOLÉCULA DE AGUA

La masa molecular del agua es 18, por lo que debía ser un gas a temperatura ambiente, como lo es incluso el gas

cloro (con masa atómica 71). El oxígeno es mucho más electronegativo que el hidrógeno (tiene más tendencia a

captar electrones), por lo que el par de electrones que intervienen en el enlace covalente no se encuentra a mitad de

distancia de ambos, sino que está más próximo al oxígeno. Se crea una carga parcial positiva δ+ en el H y una carga

parcial negativa δ- en el O. Como hay dos enlaces O-H, hay un polo negativo en el O y un polo positivo en los H,

es decir la molécula de agua es un dipolo. Aunque la carga eléctrica neta es 0, la distribución de las cargas eléctricas

no es uniforme en distintas partes de la molécula. Se forman enlaces por puentes de hidrógeno entre varias

moléculas de agua, lo que aumenta la masa molecular y de ahí derivan sus propiedades.

3.2. PROPIEDADES DEL AGUA

- Elevada cohesión molecular. Es casi incompresible, lo que da turgencia a las células vegetales y al esqueleto

hidráulico de anélidos, medusas, pólipos, etc.

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- Elevada fuerza de adhesión. Las moléculas de agua tienden a adherirse entre sí y a las paredes de conductos de

diámetro pequeño (capilares) y ascienden en contra de la gravedad por capilaridad, como hace la savia bruta.

- Elevada tensión superficial. La superficie se comporta como una película elástica que permite la flotación.

- Elevado calor específico. El calor específico es el que hay que aportar para aumentar la temperatura. En el agua

hay que romper muchos enlaces para aumentar la agitación molecular, lo que necesita mucho calor. El agua

amortigua los cambios de temperatura del medio, lo que beneficia especialmente a los organismos acuáticos.

- Elevado calor de vaporización. Para pasar de líquido a vapor hay que romper muchos enlaces, lo que necesita

mucha energía. Es un magnífico refrigerante porque por cada molécula evaporada se elimina mucho calor.

- Densidad máxima a 4º C. Los enlaces por puentes de hidrógeno del hielo forman una malla que ocupa más

volumen que el agua líquida, lo que permite que el hielo flote sobre el agua y forme una capa aislante que permite

la vida en ríos, lagos y mares helados.

- Elevada constante dieléctrica, que es una medida de la polaridad de la molécula. Como es tan polar, es uno de los

mejores disolventes conocidos de compuestos iónicos como las sales minerales y de compuestos covalentes

polares como los glúcidos y muchas proteínas. En disolución, las moléculas de agua rodean las zonas polares del

soluto, y en los compuestos iónicos el agua separa los cationes de los aniones y todos los iones quedan rodeados

por moléculas de agua orientadas: es la solvatación o hidratación iónica.

- Bajo grado de ionización. Sólo una de cada 107 moléculas de agua está ionizada (H2O H+ + OH-), por lo que

tanto la concentración de iones hidrógeno H+ (protones) y de hidroxilo es de 10-7 moles por litro. Cualquier añadido

de un ácido (que produce H+) como de una base (que produce OH-) en pequeña cantidad provoca una gran

variación de esos niveles, es decir, del pH.

3.3. FUNCIONES DEL AGUA EN LOS SERES VIVOS

La estructura del agua, de la que derivan sus propiedades, permite que en los seres vivos cumpla estas funciones:

- Disolvente. Las reacciones biológicas se dan en medio acuático. Disuelve por solvatación o hidratación iónica los

compuestos iónicos como las sales minerales y los covalentes polares, como los glúcidos y muchas proteínas.

- Reactivo. Interviene en reacciones como la hidrólisis o rotura de enlaces por medio del agua o como donante de

hidrógeno en la fotosíntesis.

- Vehículo de transporte. Permite la entrada de sustancias en los organismos y su distribución por el interior, como

ocurre con la savia, sangre, linfa y otros líquidos circulantes formados fundamentalmente por agua.

- Estructural. En las células bacterianas y vegetales el agua ejerce una fuerte presión contra la pared celular

(turgencia) que impide su estallido. La pérdida de agua provoca el arrugamiento y que la membrana se separe de la

pared, la llamada plasmolisis.

- Amortiguador mecánico, como en el líquido cefalorraquídeo, el líquido intrapleural y el líquido sinovial.

- Termorregulador. Al sudar se utiliza una gran cantidad de calor, lo que produce la refrigeración del cuerpo y,

regulando el flujo de sangre, permite que los órganos más sensibles funcionen en las mejores condiciones.

4. LAS SALES MINERALES

En los seres vivos se pueden encontrar de tres formas:

- Precipitadas. Forman estructuras sólidas, insolubles y con funciones esqueléticas como la sílice (Si O2) de las

diatomeas o el Ca CO3 de las valvas de los moluscos o de los huesos de los vertebrados, en este caso unido al

hidroxiapatito Ca5(PO4)3(OH).

- Disueltas. Al disolverse se ionizan en aniones (carga -) y cationes (carga +). Los principales aniones son Cl-, SO4

-2, PO4-3, CO3

-2, HCO3- y NO3

- y los cationes más frecuentes son Na+, K+, Ca+2 y Mg+2. Los iones mantienen la

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salinidad y el pH. Los líquidos biológicos como la sangre tienden a amortiguar los cambios de pH a pesar de que

se añadan ácidos o bases porque son disoluciones amortiguadoras o disoluciones tampón. La homeostasia (mantenimiento de las condiciones del medio interno) también se aplica a la concentración de iones, porque su

variación provoca cambios de la permeabilidad de las membranas, de la excitabilidad y la contractibilidad de las

células. La presión osmótica regula la entrada o salida de agua a/de la célula y el volumen celular. La diferencia de

concentración de iones a ambos lados de la membrana genera un potencial de reposo. Algunos iones tienen

efectos opuestos, como el K+ que aumenta la turgencia de la célula, al aumentar el agua de imbibición, mientras

que el Ca+2 la disminuye.

- Asociadas a moléculas orgánicas. Pueden asociarse a otras moléculas orgánicas como el Fe en la hemoglobina,

el Cu en la hemocianina, el Mg en la clorofila, el Co en la vitamina B12, el I en la tiroxina y otras hormonas

tiroideas, el azufre en dos aminoácidos como la cisteína y la metionina, el fósforo y los fosfatos en los

fosfolípidos, las fosfoproteínas, el ATP y los ácidos nucleicos, con funciones muy distintas.

5. LAS DISOLUCIONES Y LAS DISPERSIONES COLOIDALES

Los líquidos biológicos tienen una fase dispersante que es siempre el agua y una fase dispersa o soluto, con

partículas de distinto tamaño, por lo que pueden formar:

- Disoluciones. Con partículas menores de 5 nm (1 nm = 10-9 m). Son mezclas homogéneas cuyos solutos son

iones, moléculas pequeñas o asociaciones de moléculas pero que no llegan a sedimentar.

- Dispersiones coloidales. Con partículas entre 5 y 200 nm. Reflejan y refractan la luz, las partículas no sedimentan

y no atraviesan las membranas. Están en el límite entre una disolución que es homogénea y una suspensión, que

es heterogénea.

5.1. PROPIEDADES DE LAS DISOLUCIONES VERDADERAS

Las propiedades de las disoluciones más interesantes en biología son:

- Difusión. Consiste en que el soluto se desplaza (porque se trata de un fluido) desde el lugar donde está más

concentrado hasta el que está más diluido hasta que se iguala la concentración en todos los puntos. Así absorbe

oxígeno el agua o se humidifica el aire.

- Ósmosis. Una membrana semipermeable es aquella que permite el paso de disolvente pero no de soluto. La

ósmosis es el paso de disolvente desde una disolución diluida hacia una concentrada hasta que se igualan las

concentraciones a ambos lados cuando están separadas por una membrana semipermeable, como es la membrana

celular. Con respecto al citoplasma el medio puede ser:

- Isotónico. Con la misma concentración de sustancias osmóticamente activas a ambos lados de la membrana. La

célula no se deforma.

- Hipotónico. Con menor concentración de sales que el citoplasma. Entra agua a la célula, lo que produce su

turgencia pudiendo llegar al estallido en el caso de no haber pared celular, como en las células animales...

- Hipertónico. Con mayor concentración de sales que el citoplasma. Sale agua de la célula, que se arruga y en las

vegetales pueden separarse de modo permanente la membrana y la pared: es la plasmólisis.

- Mantenimiento del pH. Ligeras variaciones de pH pueden provocar graves consecuencias, por lo que mantener el

pH es fundamental. Para lograrlo existen las disoluciones amortiguadoras o disoluciones tampón que están

formadas por un ácido débil y su base conjugada y se comportan aceptando H+ cuando hay exceso o donándolos si

hay defecto. Los principales son:

- Tampón de los fosfatos. Formado por dihidrógeno fosfato (H2 PO4-) y monohidrógeno fosfato (H PO4

-2)

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Acidifica

H2 PO4- H PO4

-2 + H+

Neutraliza

- Tampón de bicarbonato. Formado por monohidrógeno carbonato (H CO3-) y ácido carbónico (H2 CO3). El ácido

carbónico es muy inestable y se descompone rápidamente en CO2 y H2 O.

Neutraliza

H+ + H CO3- H2 CO3 CO2 + H2 O

Acidifica

- Tampón de proteínas. Algunas proteínas pueden aceptar o donar protones tanto en el interior como en el exterior

de las células según las condiciones para que el pH no varíe.

5.2. PROPIEDADES DE LAS DISPERSIONES COLOIDALES

La mayoría de los líquidos biológicos son dispersiones coloidales por el gran tamaño de la fase dispersa y sus

propiedades principales son:

- Capacidad de presentarse en forma de gel. Las dispersiones coloidales pueden presentarse en dos estados:

- Sol. Tiene aspecto de líquido. La fase dispersa es un sólido y la dispersante es un líquido.

- Gel. Tiene aspecto pastoso o gelatinoso. La fase dispersa es un líquido y la fase dispersante es una red de

fibras entrelazadas entre las que quedan atrapadas por capilaridad e hidratación las moléculas de líquido. De sol

se puede pasar a gel, aunque el proceso no siempre es reversible. El paso de sol a gel se realiza por

polimerización de proteínas fibrilares y el opuesto por despolimerización. El citosol interno de la célula o

endoplasma suele estar en estado de sol y el periférico o ectoplasma en el de gel. Cuando éste pasa a sol se

pueden emitir pseudópodos para el movimiento ameboide y la fagocitosis. Los geles retienen agua como en el

moco o la baba de caracol.

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Fase dispersante (líquido)

Fase dispersante (sólido con fibras entrelazadas)

Fase dispersa (líquido)

- Elevado poder adsorbente. La adsorción (no confundir con absorción) es la atracción que ejerce la superficie de

un sólido sobre las moléculas de un líquido o un gas, por lo que la misma cantidad de sustancia tiene más

adsorción si presenta mayor superficie de contacto, como ocurre con los contactos enzima-sustrato y antígeno-

anticuerpo.

- Separación por diálisis. Algunas membranas semipermeables dejan pasar el disolvente y pequeños solutos,

pero no moléculas grandes como las proteínas. Esto se usa en la hemodiálisis de los enfermos con insuficiencia

renal, que permite separar la urea sin que varíe la cantidad de proteínas sanguíneas.

- Elevada viscosidad. La viscosidad es la resistencia de un líquido al movimiento de sus moléculas. Las

dispersiones coloidales son muy viscosas por el elevado tamaño de sus grandes moléculas.

- Efecto Tyndall. Al iluminar de lado una dispersión coloidal, las grandes partículas reflejan los rayos de luz, como

las partículas de polvo en el aire o las de niebla al iluminarlas con la luz de un coche. Esto no ocurre con las

disoluciones.

- Capacidad de sedimentación. Las dispersiones coloidales son estables en condiciones normales, pero cuando se

aplica una fuerza grande, por ejemplo con una centrifugadora, se pueden sedimentar sus partículas.

- Capacidad de respuesta a la electroforesis. Cuando se sitúa una dispersión coloidal en un gel y se la somete a

un campo eléctrico, las distintas moléculas se desplazan en función de su carga eléctrica global (a más carga, más

velocidad) y su masa molecular (a más masa, menor velocidad).

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