BIOELEMENTOS

La 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.

ELEMENTOS PRIMARIOS

Los bioelementos primarios son los elementos indispensables para formar las biomoléculas orgánicas (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos); Constituyen el 95% de la materia viva seca. Son el carbono, el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno, el fósforo y el azufre (C, H, O, N, P, S, respectivamente).

Carbono: tiene la capacidad de formar largas cadenas carbono-carbono (macromoléculas) mediante enlaces simples (-CH2-CH2) o dobles (-CH=CH-), así como estructuras cíclicas. Pueden incorporar una gran variedad de radicales (=O, -OH, -NH2, -SH, PO43-), lo que da lugar a una variedad enorme de moléculas distintas. Los enlaces que forma son lo suficientemente fuertes como para formar compuestos estables, y a la vez son susceptibles de romperse sin excesiva dificultad. Por esto, la vida está constituida por carbono y no por silicio, un átomo con la configuración electrónica de su capa de valencia igual a la del carbono. El hecho es que las cadenas silicio-silicio no son estables y las cadenas de silicio y oxígeno son prácticamente inalterables, y mientras el dióxido de carbono, CO2, es un gas soluble en agua, su equivalente en el silicio, SiO2, es un cristal sólido, muy duro e insoluble (sílice).

Hidrógeno: además de ser uno de los componentes de la molécula de agua, indispensable para la vida y muy abundante en los seres vivos, forma parte de los esqueletos de carbono de las moléculas orgánicas. Puede enlazarse con cualquier bioelemento.

Oxígeno: es un elemento muy electronegativo que permite la obtención de energía mediante la respiración aeróbica. Además, forma enlaces polares con el

hidrógeno, dando lugar a radicales polares solubles en agua (-OH, -CHO, -COOH).

Nitrógeno: Se encuentra principalmente como grupo amino (-NH2) presente en las proteínas ya que forma parte de todos los aminoácidos. También se halla en las bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos. Prácticamente todo el nitrógeno es incorporado al mundo vivo como ion nitrato, por las plantas. El gas nitrógeno solo es aprovechado por algunas bacterias del suelo y algunas cianobacterias.

Fósforo: Se halla principalmente como grupo fosfato (PO43-) formando parte de los nucleótidos. Forma enlaces ricos en energía que permiten su fácil intercambio (ATP).

Azufre. Se encuentra sobre todo como radical sulfhídrico (-SH) formando parte de muchas proteínas, donde crean enlaces desulfuro esenciales para la estabilidad de la estructura terciaria y cuaternaria. También se halla en el coenzima A, esencial para diversas rutas metabólicas universales, como el ciclo de Krebs.

OLIGOELEMENTOS

Los oligoelementos  son bioelementos presentes en pequeñas cantidades (menos de un 0,05 %) en los seres vivos y tanto su ausencia como su exceso pueden ser perjudicial para el organismo, llegando a ser hepatotóxicos. Además de los cuatro elementos de los que se compone mayoritariamente la vida (oxígeno, hidrógeno, carbono y nitrógeno), existe una gran variedad de elementos químicos esenciales. Las plantas los absorben de los minerales disueltos en el suelo, y de ahí pasan a los heterótrofos. 

Cobalto

La función de este mineral está estrechamente ligado a la producción de

testosterona y el sistema enzimático. En la síntesis de los glóbulos rojos se

requiere vitaminas, y en especial la vitamina B12. Esta vitamina, (también llamada

en términos médicos cobalamina, por presentar un núcleo formado por cobalto) es

utilizada en todas las células, durante la reproducción celular.

De ésta manera, se manifiesta la gran importancia que tiene el cobalto para la

maduración y el crecimiento celular. Además el cobalto, siempre en unión con la

vitamina B12, favorece la absorción intestinal del hierro y, como componente de

algunas enzimas, interviene en la síntesis de proteínas. Así mismo, la vitamina

B12 parece mejorar la absorción del yodo por la glándula tiroides.

Otras de sus funciones son: activar la combustión de los azúcares y bajar su

concentración en el torrente sanguíneo, y regular el sistema nervioso, pues

equilibra los sistemas simpático y parasimpático. Las necesidades diarias de

nuestro organismo de cobalto, es de un microgramo de vitamina B12. Esta

cantidad se puede encontrar en el hígado, pues éste generalmente reserva unas

mil veces ésta cantidad.

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 lacontracción muscular o la formación del tubo polínico.

El Sodio y el Potasio son esenciales para la transmisión delimpulso 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 proteína transportadoras.

Bioelementos secundarios: Así se denominan los que se encuentran formando parte de biomoléculas inorgánicas como las sales minerales o bien en forma de iones monoatómicos disueltos o asociados a biomoléculas orgánicas. Algunos bioelementos secundarios como el Ca, Cl, K, Na, Mg, y, en menor proporción, Fe, Mn, Co, Cu y Zn están presentes en todas las formas de vida, mientras que otros (molibdeno, iodo, aluminio, etc.) sólo aparecen en algunas.  Por otra parte, aquellos bioelementos secundarios que se encuentran en la materia viva en proporciones inferiores al 0,01% sobre el total de átomos reciben el nombre de oligoelementos. Algunos de ellos desempeñan funciones catalizadoras de gran importancia aunque se hallen presentes en las células en cantidades muy pequeñas. Los oligoelementos se denominan también a veces elementos traza, debido a que las técnicas convencionales de análisis químico son incapaces de cuantificar su presencia en la materia viva. Entre ellos cabe citar al Mn, Co, Cu y Zn.

Es posible que la lista de los bioelementos no esté completa. Dado que algunos de ellos se encuentran en la materia viva en cantidades increíblemente pequeñas, resulta muy difícil para los bioquímicos determinar si desempeñan efectivamente alguna función en ella o si se trata de meros contaminantes.

Los bioelementos secundarios se encuentran en menor proporción en todos los seres vivos, en forma iónica, en proporción de 4,5 %. Se clasifican en dos grupos: los indispensables y los variables.

Bioelementos secundarios indispensables. Están presentes en todos los seres vivos. Los más abundantes son el sodio, el potasio, el magnesio y el calcio. Los iones sodio, potasio y cloruro intervienen en el mantenimiento del grado de salinidad del medio interno y en el equilibrio de cargas a ambos lados de la membrana. Los iones sodio y potasio son fundamentales en la transmisión del impulso nervioso; el calcio en forma de carbonato da lugar a caparazones de moluscos y al esqueleto de muchos animales. El ion calcio actúa en muchas reacciones, como los mecanismos de la contracción muscular, la permeabilidad de las membranas, etc. El magnesio es un componente de la clorofila y de muchas enzimas. Interviene en la síntesis y la degradación del ATP, en la replicación del ADN y en su estabilización, etc.

Calcio (Ca),Sodio (Na),Potasio (K),Magnesio (Mg),Cloro (Cl), Hierro (Fe), Yodo (I).

Bioelementos secundarios variables (oligoelementos). Están presentes en algunos seres vivos.

Boro (B) ,Bromo (Br),Cobre (Cu),Flúor (F),Manganeso (Mn),Silicio (Si),

PROPIEDADES DEL AGUA

El agua, un compuesto extraordinariamente simple, es sin embargo una sustancia de características tan excepcionales y únicas que sin ella sería imposible la vida. Es un componente esencial de todo ser vivo, siendo el disolvente general biológico. Se trata de una biomolécula de naturaleza inorgánica que representa el medio en el ocurren la mayoría de las reacciones celulares del metabolismo, siendo la sustancia más necesaria para la vida.

La importancia del agua para las células vivas refleja sus propiedades físicas y químicas, propiedades que radican en su estructura molecular:

1. Elevado calor específico: Al calentar el agua, parte de la energía se utiliza para romper puentes de hidrógeno y no tanto para aumentar su Tª, lo que supone que incrementos o descensos importantes en la Tª externa, únicamente producen pequeñas variaciones en el medio acuoso. Hace falta 1 Kcal. Para elevar 1ºC la temperatura de 1 litro. Esta propiedad hace posible que tenga función termorreguladora.

2. Elevado punto de ebullición: Dado que los puentes hidrógeno deben romperse para pasar al estado gaseoso, su punto de ebullición es mucho más

elevado que el de otros compuestos líquidos. Esta propiedad implica que es un líquido en la mayor parte de la superficie terrestre en la mayoría de las estaciones.

3. Alta constante dieléctrica: Su naturaleza dipolar hace que sea un buen disolvente frente a gran cantidad de sustancias como, las sales minerales y compuestos orgánicos neutros con grupos funcionales hidrófilos.

4. Alta tensión superficial: Es debida a la gran cohesión entre las moléculas.

5. Bajo grado de ionización: sólo una molécula de cada 551.000 de agua se encuentra ionizada:

H 2O+H 2O→

H 3+¿O+OH−¿¿¿

Esto explica que la concentración de iones H 3+¿O ¿ y de los iones OH−¿¿ sea muy

baja, concretamente de 10−7 por litro, ¿¿]= ¿¿). Dado los bajos niveles de estos iones, si al agua se le añade un ácido o una base, aunque sea en poca cantidad, estos niveles varían bruscamente. En los líquidos biológicos, sin embargo, y pese a estar constituidos por agua en su mayoría, la adición de ácidos o bases no varía

apenas la concentración de iones H 3+¿O yOH−¿¿¿. Esto es debido a que los líquidos

biológicos contienen sales minerales y moléculas orgánicas disueltas que pueden ionizarse en mayor o menor grado actuando como disoluciones amortiguadoras. Este efecto se denomina efecto tampón

6. Elevada cohesión molecular: El hecho de ser un fluido dentro de un amplio margen de temperatura permite al agua dar volumen a las células, turgencia a las plantas e incluso actuar como esqueleto hidrostático en algunas animales invertebrados. También explica las deformaciones que sufren determinadas estructuras celulares, como el citoplasma y la función mecánica amortiguadora que ejerce en las articulaciones de los animales vertebrados, constituyendo el líquido sinovial que evita el contacto entre los huesos.

7. Elevada capacidad de disolvente: Las moléculas de agua, debido a su carácter polar, tienden a disminuir las atracciones entre los iones de las sales y los compuestos iónicos, facilitando su disociación en forma de aniones y cationes y rodeándolos por dipolos de agua que impiden su unión. Esta tendencia del agua a oponerse a las atracciones electrostáticas viene determinada por su elevada constante dieléctrica.

Por lo tanto, el agua es el principal disolvente biológico, permite el transporte en el interior de los seres vivos y su intercambio con el medio externo, facilitando el aporte de sustancias nutritivas y la eliminación de productos de desecho. Además,

constituye el medio en el que se realizan la mayoría de las reacciones bioquímicas.

PROPIEDADES DE LOS MINERIALES

1. Propiedades mecánicas: Estas propiedades tienen gran importancia práctica, pues están vinculados con la influencia mecánica de las fuerzas exteriores durante la compresión, la tracción o el impacto y se expresan en la variación de su forma e integridad se distinguen las deformaciones elásticas, frágiles y plásticas.

2. Dureza: Por dureza se entiende el grado de resistencia que puede ofrecer un mineral o un cristal cualquiera a la destrucción mecánica baja la acción de un cuerpo más resistente. El valor de la dureza depende mucho de los enlaces químicos y del tipo de dichos enlaces. Los cristales iónicos tiene la dureza baja o moderada en comparación con los cristales covalentes, que en general son duros. Los cristales con tipo mixto del enlace químico poseen generalmente dureza reducida. La dureza depende también del tipo de la red cristalina: el valor es bajo para los cristales con la red de capas, acuosa o molecular, mientras que los cristales con la estructura de armazón son más duros. La valoración del grado de dureza de los cristales depende en mucho de los métodos de medición. En la práctica mineralógica corriente se emplea el método más sencillo de determinación de la dureza, estableciendo la dureza relativa (método del rayado). Si un cristal raya a otros, es decir, se deja en él una huella, el primer cristal es más duro que el segundo. En este caso se emplea la escala de Mohs que consta de diez patrones minerales, donde cada uno pueda rayar todas las anteriores.

3. Propiedades ópticas: El color de los minerales es lo primero que llama nuestra atención cuando los vemos, por cuya razón es uno de sus caracteres más importantes. En la naturaleza existe la extraordinaria diversidad de matices de la coloración de los minerales. En algunos minerales, el color es una propiedad fundamental directamente relacionada con su constitución. En este caso el color sirve como medio de identificación importante (malaquita, azurita,pirita etc.). El color de otros minerales puede ser cambiarse (esfalerita, turmalina, fluorita etc.). Todo esto sucede cuando en la composición química de los minerales entran los elementos cromoforos: los elementos del grupo de hierro (Fe, Mn, Cu, Cr, Co, Ni), lantanoides y actinoides. Otros factores son las imperfecciones estructurales y defectos en la estructura cristalina, que pueden ser debidas a la presencia de iones extraños o a espacios vacíos. En algunos minerales que son habitualmente incoloros, pueden estar las inclusiones de los minerales colorados, líquidos y gases, los cuales dan en el resultado la coloración a los compuestos incoloros. En algunos minerales se observa a veces "un juego de colores" determinado por la interferencia de la luz incidente, debido a de reflexión de las superficies internas

de las hendeduras de la exfoliación. Este fenómeno se llama la irisación (los colores del arco Iris). En este caso, la coloración no tiene nada que ver con la constitución del propio mineral.

4. Densidad: La densidad relativa de las sustancias cristalinas depende ante todo de la composición química, del tipo de la estructura atómica (empaquetamiento), del peso atómico de los elementos constituyentes, sus dimensiones y valencias. La densidad real de los cristales habitualmente es menor que la densidad ideal de los mismos. Esta diferencia es la consecuencia de la presencia de los defectos estructurales en las redes de los cristales reales. La densidad de las sustancias naturales (minerales) medida en unidades de masa por unidad de volumen.

5. Propiedades magnéticas: Las propiedades magnéticas de los cristales surgen y se manifiestan en el campo magnético. Son muy pocos los minerales que poseen gran imantación, suficiente para atraer la aguja magnética o el aserrín de hierro. La mayoría de los minerales manifiesta las propiedades magnéticas sólo en un campo magnético fuerte de gran intensidad. La inducción magnética, la cual es creada por el campo magnético, varía en presencia del mineral.

6. Propiedades eléctricas: La totalidad de los fenómenos que están relacionados con la polarización eléctrica, son en general las propiedades eléctricas. Esta polarización en ciertos casos es espontánea, es decir, no aparece bajo la influencia externa. En otros casos esta característica es el resultado del calentamiento, del cargamento mecánico, del campo eléctrico. Son muy importantes las propiedades piro- y piezoléctricas de los cristales. Los fenómenos piroeléctricos consisten en los siguientes: si trasladamos un cristal a un medio de mayor o menor temperatura del que se hallaba antes del experimento, en ciertas caras del cristal aparecen cargas eléctricas. Este fenómeno se observa solamente en los cristales dieléctricos, que tienen ejes polares "especiales".

CARBOHIDRATOS

Los carbohidratos son muy conocidos, a muchos de ellos se les llama “azúcares”. Forman una parte importante del alimento que ingerimos, y proporcionan la mayor parte de la energía que mantiene trabajando al motor humano. Los carbohidratos son componentes estructurales de las paredes de las células vegetales de plantas y árboles. La información genética se guarda y se transfiere a través de los ácidos nucleicos, que son derivados especializados de los carbohidratos. También llamados hidratos de carbono son compuestos orgánicos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno; son biomoléculas que forman parte de la dieta diaria y se clasifican en:

Simples: son aquellos azúcares que se absorben en forma rápida, de los cuales se pueden obtener energía en forma casi instantánea. Dentro de este grupo puedes encontrar los dulces, azúcar o sacarosa, miel, mermeladas, amasados de pastelería, etc.

Complejos: Son aquellos azúcares de absorción lenta, necesitan de un mayor tiempo de digestión, por lo que actúan como energía de reserva. Dentro de este grupo se puede encontrar las verduras, cereales integrales, legumbres, pastas, frutas.

LÍPIDOS

Se conoce con el término de lípidos al conjunto de moléculas orgánicas, la mayoría de ellas biomoléculas, compuestas de carbono e hidrógeno, en menor medida de oxígeno y también por fósforo, azufre y nitrógeno y cuya principal característica resulta ser que son hidrofóbicas, es decir, insolubles al agua y sí plausibles de ser disueltas en sustancias orgánicas como el alcohol, la bencina, el benceno y el cloroformo.

Los lípidos, erróneamente llamados por algunos grasas, ya que en realidad las grasas son un tipo de lípidos provenientes de los animales, cumplen diversas funciones en los seres vivos, entre las más importantes de reserva energética, Los lípidos se diferencian de las demás clases de biomoléculas naturales (carbohidratos, Proteínas y ácidos nucleicos) por ser más solubles en disolventes no polares o débilmente polares (éter dietilico, hexano, diclorometano) que en agua.

PROTEÍNAS

Las proteínas son moléculas complejas imprescindibles para la estructura y función de las células. Su nombre proviene del griego proteos que significa fundamental, lo cual se relaciona con la importante función que cumplen para la vida.

Las proteínas se originan a partir de la unión de otras moléculas llamadas aminoácidos, estas se agrupan en largas cadenas y se mantienen estables por uniones químicas llamadas enlaces peptídicos.

Los aminoácidos son solo de 20 tipos distintos y la forma en que se combinan da origen a cada una de las miles de variedades de proteínas. Las distintas combinaciones posibles de los aminoácidos están codificadas en el ADN bajo la forma de genes. Algunos aminoácidos además de provenir de la alimentación pueden ser producidos por el organismo, otro grupo son obtenidos solo con los alimentos, por lo que son llamados aminoácidos esenciales.

Las proteínas pueden ser de varios tipos según las funciones que cumplen en el organismo, sin embargo, a grandes rasgos se clasifican en proteínas estructurales y proteínas con actividad biológica. Las proteínas que consumimos en la dieta pueden ser de cualquiera de los dos tipos, independientemente de su origen se consideran proteínas alimentarias, el valor nutritivo de las proteínas viene dado por la mayor o menor presencia de los aminoácidos esenciales en su composición

Las proteínas estructurales son aquellas que intervienen en la constitución de los tejidos, como es el caso del colágeno, que se encuentra formando parte de la piel, ligamentos, tendones, hueso y matriz de varios órganos.Las proteínas con actividad biológica son aquellas que intervienen o facilitan un proceso bioquímico en el organismo, al intervenir en varias funciones básicas como lo son catalizadores, defensa, mensajeros, genética, actividad mecánica y transporte.

ÁCIDOS NUCLEICOS

Los ácidos nucleicos son polímeros o macromoléculas que están conformados por la repetición de monómeros, moléculas con una masa molecular pequeña, que están unidos por enlaces covalentes llamados enlace fosfodiéster.

Son capaces de formar larguísimas cadenas con millones de monómeros encadenados entre sí. Las principales funciones de los ácidos nucleicos son, por un lado la de almacenar la información genética de un ser vivo y por otra parte la transmisión hereditaria de la mencionada genética; el biólogo y médico de nacionalidad suiza Johan Friedrich Miescher fue quien descubrió a los ácidos nucleicos cuando corría el año 1869. El logro consistió en aislar de los núcleos de las células la sustancia de la nucleína, concepto que más tarde se reemplazaría por el de ácidos nucleicos. Vale mencionarse, que el momento en que Miescher descubre esa sustancia ácida que estaba presente en los núcleos celulares, la nucleína, fue casual dado que su propósito era analizar restos de pus resultantes de una cirugía y de pronto llegó el descubrimiento. Por supuesto este notable hallazgo permitiría notables avances futuros en materia de genética. Unas décadas más tarde, en el año 1953, el biólogo norteamericano James Dewey Watson y su colega inglés Francis Harry Compton Crick, descubrían la estructura del ADN a partir de la técnica de difracción de los rayos X.

Existen dos tipos de ácidos nucleicos, el ADN o ácido desoxirribonucleico y el ARN o ácido ribonucleico.

El ADN es un ácido que dispone de la información genética que permite el desarrollo y el funcionamiento de los seres vivos y también de algunos virus. Es decir, gracias al ADN se desarrollarán las características biológicas de un ser y las células pueden recibir las instrucciones para poder desplegar sus funciones

satisfactoriamente. Asimismo, se encarga de la transmisión de la herencia genética. Su gran importancia es el almacenamiento a largo plazo de la información que ostenta. Y por su parte, el ARN se encuentra tanto en las células procariotas como en las eucariotas y en algunos virus. Despliega varias funciones, entre ellas la síntesis proteica. Como el ADN no puede actuar solo necesita del ARN para transmitir la información esencial durante la síntesis de las proteínas. Por esta cuestión es más versátil que el ADN.

BIBLIOGRAFÍA

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