Bioelementos y Biomoléculas: Composición y Funciones en los Seres Vivos

1. Bioelementos

Los seres vivos están compuestos por biomoléculas, que a su vez están formadas por bioelementos. Los elementos más comunes en la composición del planeta son: C, Si, Al y Fe. Sin embargo, en los seres vivos, los bioelementos mayoritarios son: C, H, O, N, P y S.

1.1 Propiedades de los Bioelementos

• Tienen capas electrónicas externas incompletas, por lo que pueden formar fácilmente enlaces covalentes y dar lugar a las biomoléculas.
• Su número atómico es bajo, por lo que los electrones compartidos en la formación de enlaces se hallan próximos al núcleo, otorgando estabilidad a la molécula.
• El O y el N son elementos electronegativos, por lo que muchas biomoléculas son polares y, por ello, solubles en agua.
• Los bioelementos mayoritarios pueden incorporarse a los seres vivos desde el medio externo a través de moléculas como CO₂, H₂O y nitratos.

1.2 Clasificación de los Bioelementos

• Bioelementos primarios: C, H, O, N, P y S. Constituyen el 99% del total de la materia viva y son componentes fundamentales de las biomoléculas.
• Bioelementos secundarios: Na, K, Ca, Mg, Cl. Forman parte de todos los organismos vivos en menor proporción que los primarios.
• Oligoelementos: Fe, Cu, Zn, I, Mn, Co. Se encuentran en cantidades muy pequeñas en los seres vivos, pero son imprescindibles para el correcto funcionamiento del organismo. Algunos, como Si, F, Cr, B o Mo, solo están presentes en grupos concretos de seres vivos. Desempeñan funciones esenciales en diferentes procesos bioquímicos y fisiológicos.

2. Las Biomoléculas

Los bioelementos se unen mediante enlaces químicos para formar las biomoléculas, que constituyen a los seres vivos.

2.1 Los Enlaces Químicos en las Biomoléculas

El tipo de enlace determina en gran parte las propiedades de las biomoléculas.

• Enlace covalente: Son los enlaces más fuertes y permiten la construcción de moléculas estables. Por ejemplo, los enlaces que unen los átomos en la molécula del grupo amino.
• Enlace iónico: Se produce por la interacción electrostática entre aniones y cationes.
• Enlace de hidrógeno: Presente en múltiples moléculas, permite que mantengan su estabilidad y funcionalidad. Es un enlace menos fuerte que los anteriores, lo cual facilita su rotura y formación. Es fundamental en las reacciones reversibles y en las uniones transitorias entre moléculas, como las que ocurren en el metabolismo. Se producen cuando existen moléculas polares en las que aparecen cargas parciales negativas, que son atraídas por la carga parcial positiva que presenta el hidrógeno presente en otras moléculas polares.
• Otros enlaces: Como las atracciones entre moléculas de grupos no polares, que se producen a causa de la formación de dipolos instantáneos. Las fuerzas de Van der Waals son muy débiles, pero contribuyen al mantenimiento o fortalecimiento de la estructura de algunas biomoléculas.

La existencia de las biomoléculas es posible gracias a estos tipos de enlaces.

3. El Agua

El agua es el componente más importante en los seres vivos y la molécula más abundante.

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

• Especie: Los organismos acuáticos tienen un porcentaje muy elevado de agua, mientras que los valores más bajos corresponden a especies adaptadas a vivir en zonas desérticas.
• Edad del individuo: Cuanto más joven es el organismo, más agua contiene.
• Tipo de tejido u órgano: Los tejidos con gran actividad bioquímica contienen más agua que los tejidos con menor actividad.

3.1 Estructura Química del Agua

La molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno unidos por enlaces covalentes. La presencia de una carga negativa débil en la zona donde se sitúan los electrones no compartidos y la geometría triangular que posee la molécula, de manera que los átomos de hidrógeno forman un ángulo de 104,5°, crean una asimetría eléctrica en la molécula de agua. Esto provoca la aparición de cargas eléctricas parciales opuestas (δ⁺ en los hidrógenos y δ^- en el oxígeno).

La polaridad favorece la interacción entre las moléculas de agua mediante puentes de hidrógeno, lo que convierte al agua en una sustancia altamente cohesiva. Los enlaces de hidrógeno son mucho más débiles que los enlaces covalentes o los iónicos, y se rompen y forman continuamente.

3.2 Propiedades y Funciones Biológicas del Agua

El agua posee unas propiedades únicas que se deben a su polaridad:

• Poder disolvente del agua: Debido a la polaridad de su molécula, el agua puede interponerse entre los iones de las redes cristalinas, lo que origina una disminución de la atracción entre ellos y provoca su separación y, en definitiva, su disolución. Las sustancias deben encontrarse disueltas en un medio líquido para reaccionar entre sí.
• Estado líquido del agua a temperatura ambiente: La elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas permite que el agua se mantenga líquida a temperaturas no extremas. Esto permite que actúe como vehículo de transporte y como medio lubricante. Otras moléculas de similar peso molecular, como el NH₃ o el H₂S, son gaseosas a temperatura ambiente.
• Líquido prácticamente incompresible: El volumen del agua líquida no disminuye con presiones altas debido al alto grado de cohesión entre sus moléculas. Esto permite que el agua actúe como esqueleto hidrostático en las células vegetales, permitiendo deformaciones citoplasmáticas.
• Capilaridad: La unión entre moléculas de agua mediante enlaces de hidrógeno confiere un grado de cohesión muy alto. Esto, combinado con la adhesión a las paredes de conductos estrechos, permite que el agua pueda ascender a lo largo de estos conductos.
• Elevada tensión superficial: En el interior de una masa de agua, las moléculas se cohesionan entre sí mediante puentes de hidrógeno. En la superficie, las moléculas de agua no establecen puentes de hidrógeno con las moléculas del aire, sino solo con las del interior, lo que genera una tensión superficial elevada.
• Elevado calor específico: Cuando se aplica calor al agua, parte de la energía se emplea en romper los enlaces de hidrógeno y no en elevar la temperatura. Esta propiedad tiene consecuencias biológicas importantes, ya que la temperatura del agua asciende más lentamente que la de otros líquidos. Esto es crucial para los seres vivos, ya que la temperatura corporal debe mantenerse estable para evitar la alteración de muchas biomoléculas.