Composición Química de la Vida: Bioelementos, Biomoléculas y sus Funciones

Bioelementos y Biomoléculas

Los bioelementos son los elementos químicos que forman la materia de los seres vivos. Se clasifican en:

Bioelementos Primarios (SCHONP)

Constituyen aproximadamente el 96% de la materia viva. Tienen número atómico bajo y son solubles en agua, lo que facilita su incorporación y eliminación.

• C, H, O, N: Constituyentes básicos de las biomoléculas.
• S: Presente en proteínas y enzimas, forma enlaces disulfuro que contribuyen a la estabilidad de la estructura terciaria (tridimensional).
• P: Componente de fosfolípidos, ácidos nucleicos, ATP, esqueletos, dientes. También tiene acción tamponadora.

Bioelementos Secundarios

Se encuentran en una proporción aproximada del 0.1% en forma iónica.

• Na, K, Cl: Importantes en el gradiente de membrana y el impulso nervioso.
• Ca: Interviene en la contracción muscular, coagulación sanguínea, impulso nervioso y forma parte de estructuras esqueléticas (CaCO3).
• Mg: Componente de la clorofila y catalizador en reacciones químicas.

Oligoelementos

Elementos químicos con funciones catalíticas que están presentes en los seres vivos en forma vestigial, pero cuya presencia es fundamental para asegurar su buen funcionamiento. Se encuentran en una proporción menor al 0.1% y se conocen alrededor de 60.

• Fe: Transporte de O2 (grupo hemo en mioglobina y hemoglobina).
• Mn: Actúa como catalizador en muchas reacciones químicas, incluyendo la fotólisis del agua.
• I: Necesario para la síntesis de hormonas tiroideas.
• F: Presente en huesos y dientes.
• Co: Componente de la vitamina B12.
• Cu: Cofactor de enzimas.
• Li: Influye en los neurotransmisores y la permeabilidad celular.

El Carbono: Elemento Fundamental de la Vida

El carbono posee propiedades únicas que lo hacen esencial para la vida:

Tetravalencia

• Forma 4 orbitales enlazados dispuestos en tetraedro, permitiendo la unión con 4 átomos o grupos funcionales.
• Forma enlaces covalentes fuertes, generando moléculas estables.
• Crea moléculas tridimensionales con propiedades diversas.

Capacidad de Unión entre Átomos de Carbono

• Forma enlaces sencillos, dobles y triples.
• Genera cadenas lineales, ramificadas y cíclicas (hidrocarbonadas).
• Forma enlaces dobles y triples con O y N.
• Da lugar a una gran variedad de moléculas.

Biomoléculas

Las biomoléculas son el resultado de la unión de bioelementos. Se pueden aislar mediante procedimientos físicos como centrifugación, diálisis y filtración.

Biomoléculas Inorgánicas

Son moléculas sencillas, no exclusivas de los seres vivos. Incluyen:

• Agua
• Sales minerales
• Gases (CO2 y O2)

Biomoléculas Orgánicas

Son exclusivas de los seres vivos y se caracterizan por tener cadenas hidrocarbonadas. Poseen una función específica en los seres vivos (ej. enzima-sustrato, C-G, A-T).

• Macromoléculas: Polímeros formados por la unión de moléculas sencillas.
• Cadenas hidrocarbonadas: Un H puede ser sustituido por otras moléculas (O, N) o grupos funcionales.

Sistemas Amortiguadores: Regulación del pH

Los sistemas amortiguadores, también conocidos como tampones o *buffer*, son cruciales para mantener el pH en los seres vivos dentro de un rango estrecho (generalmente entre 6 y 8). Neutralizan los cambios de pH al añadir pequeñas cantidades de ácidos o bases.

Tampón Bicarbonato

(HCO3- + H3O+ = H2CO3 + H2O = CO2 + 2H2O). Actúa en el medio extracelular (sangre) con un pH óptimo de 7.4.

• Acidificación: Si aumenta la concentración de H3O+, se incrementa la producción de H2CO3 y CO2, que se elimina por los pulmones (desplazamiento hacia la derecha).
• Alcalinización: Si disminuye la concentración de H3O+, se incorpora CO2 del medio para recuperar las pérdidas (desplazamiento hacia la izquierda).

Tampón Fosfato

(HPO4-- + H3O+ = H2PO4- + H2O). Actúa en el medio intracelular con un pH óptimo de 6.86.

Ósmosis

La ósmosis es el fenómeno que se produce cuando dos soluciones de distinta concentración, separadas por una membrana semipermeable, tienden a igualar su concentración por el paso de H2O.

El Agua (H2O)

El agua es una molécula esencial para la vida con características únicas:

• Formada por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno unidos por enlaces covalentes.
• Los enlaces entre O y H forman un ángulo de 104.5°.
• Molécula neutra pero polar: el oxígeno es más electronegativo, atrayendo los electrones compartidos y generando dos cargas parciales negativas en el oxígeno y una carga parcial positiva en cada hidrógeno.

Puentes de Hidrógeno

Enlaces que se forman entre el oxígeno de una molécula de agua y el hidrógeno de otra. Cada molécula de agua puede formar enlaces con 4 moléculas vecinas. Estos enlaces, aunque débiles individualmente, en conjunto otorgan una gran cohesión interna al agua líquida.

Propiedades del Agua

• Cohesión molecular: Proporciona volumen a las células, turgencia a las plantas, esqueleto hidrostático y amortiguación en articulaciones.
• Elevada tensión superficial: Permite el desplazamiento de algunos organismos sobre el agua.
• Elevada fuerza de adhesión: Facilita la ascensión de la savia bruta por capilaridad. La gran cohesión interna por puentes de hidrógeno permite la unión a moléculas o superficies con cargas (fuerzas de Van der Waals).
• Elevado calor específico: Actúa como termorregulador. Absorbe gran cantidad de calor sin aumentar significativamente su temperatura, ya que los puentes de hidrógeno restringen los movimientos moleculares. El calor se utiliza para romper estos enlaces. Se calienta y enfría lentamente.
• Densidad máxima a 4°C: Permite la vida bajo el hielo.
• Elevado calor de vaporización.
• Elevada capacidad disolvente: Permite la solvatación iónica, el transporte de sustancias y actúa como medio de reacción. Disuelve una gran cantidad de sustancias, estableciendo puentes de hidrógeno con compuestos iónicos y moléculas con grupos polares (carbonilos, hidroxilos, carboxilos) y anfipáticas (membranas).
• Las disoluciones acuosas pueden tener distintos grados de pH.

Sales Minerales

Ejemplos de sales minerales y sus funciones:

• Fe: Transporte de O2 y hemoglobina.
• Mg: Clorofila.
• Co: Vitamina B12.
• Ca: Contracción muscular y coagulación sanguínea.
• Na y Cl: Transmisión del impulso nervioso.

Funciones de las Sales Minerales

• Mantienen el grado de salinidad en los organismos.
• Regulan la actividad enzimática.
• Regulan la presión osmótica y el volumen celular.

Sales Principales

• Carbonato cálcico: Espinas, huesos, dientes.
• Silicatos: Estructuras de sostén de algunos vegetales, espículas.