La Química de la Vida: Elementos y Moléculas Fundamentales

Bioelementos

Son los elementos químicos presentes en los seres vivos. Se clasifican según la proporción en la que se encuentran en los seres vivos en:

• Bioelementos primarios (aprox. 96%): Son los más abundantes y forman la estructura básica de las biomoléculas orgánicas. Incluyen Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O), Nitrógeno (N), Fósforo (P) y Azufre (S).
• Bioelementos secundarios (aprox. 3,9%): Son esenciales y se encuentran en menor proporción. Incluyen Sodio (Na), Calcio (Ca), Potasio (K), Magnesio (Mg) y Cloro (Cl).
• Oligoelementos (aprox. 0,1%): Se encuentran en cantidades ínfimas pero son indispensables para muchas funciones vitales. Incluyen Cobre (Cu), Hierro (Fe), Zinc (Zn), Manganeso (Mn), Yodo (I), Cobalto (Co), Selenio (Se), Flúor (F), etc.

Biomoléculas

Constituyen la materia viva. Se forman por la unión de bioelementos mediante enlaces químicos. También se les llama principios inmediatos.

Clasificación:

• Inorgánicas: No poseen enlaces carbono-hidrógeno como estructura principal. Ejemplos: Agua, sales minerales, algunos gases (O₂, CO₂).
• Orgánicas: Su estructura principal se basa en cadenas de carbono e hidrógeno. Son exclusivas de los seres vivos. Ejemplos: Glúcidos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos.

Agua (H₂O)

Es la biomolécula inorgánica más abundante en los seres vivos. El agua es fundamental debido a sus propiedades fisicoquímicas, que le permiten realizar las siguientes funciones biológicas:

• Disolvente universal: Facilita las reacciones metabólicas y el transporte de sustancias.
• Elevada fuerza de cohesión: Mantiene las moléculas de agua unidas (tensión superficial) y contribuye a la turgencia en plantas.
• Elevada fuerza de adhesión: Permite al agua unirse a otras superficies, facilitando fenómenos como la capilaridad (ascenso de la savia bruta por el xilema).
• Alto calor específico: Actúa como amortiguador térmico, estabilizando la temperatura corporal y de los ecosistemas acuáticos.
• Alto calor de vaporización: Permite la refrigeración eficaz del organismo mediante la evaporación (sudoración, transpiración).
• Transparencia: Permite el paso de la luz solar, posibilitando la fotosíntesis en medios acuáticos.
• Menor densidad en estado sólido: El hielo flota, actuando como aislante térmico y permitiendo la vida acuática bajo superficies congeladas.

Sales Minerales

Son biomoléculas inorgánicas esenciales que pueden encontrarse en los seres vivos de tres formas:

• Precipitadas (estado sólido): Forman estructuras duras e insolubles con función esquelética o de protección (ej.: fosfato de calcio en huesos y dientes, carbonato de calcio en caparazones y conchas).
• Disueltas (en forma iónica): Se encuentran disociadas en cationes (iones positivos como Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺) y aniones (iones negativos como Cl⁻, HCO₃⁻, PO₄³⁻) en los fluidos corporales, interviniendo en múltiples procesos fisiológicos.
• Asociadas a moléculas orgánicas: Forman parte estructural o funcional de biomoléculas complejas (ej.: el hierro (Fe) en la hemoglobina y mioglobina, el magnesio (Mg) en la clorofila, el fósforo (P) en los ácidos nucleicos y ATP, el cobalto (Co) en la vitamina B₁₂, el yodo (I) en las hormonas tiroideas).

Fenómenos Relacionados con las Sales Disueltas

Las sales disueltas en agua (iones) forman dispersiones y participan en fenómenos fisicoquímicos cruciales para la célula:

• Difusión: Movimiento neto de partículas (iones, moléculas) desde una zona de mayor concentración a una de menor concentración, a favor del gradiente.
• Diálisis: Separación de solutos de diferente tamaño a través de una membrana semipermeable que solo permite el paso de las partículas más pequeñas (agua, iones, moléculas pequeñas), reteniendo las más grandes (proteínas, polisacáridos).
• Ósmosis: Es un tipo específico de difusión que describe el movimiento neto de agua a través de una membrana semipermeable, desde una disolución más diluida (hipotónica) hacia una más concentrada (hipertónica), hasta que las concentraciones se igualan o se alcanza un equilibrio de presión.

Funciones de las Sales Disueltas (Iones)

• Mantenimiento de la presión osmótica y el equilibrio hídrico: La concentración de iones dentro y fuera de las células determina el movimiento del agua a través de la membrana plasmática.
  • Si el medio externo es hipertónico (más concentrado en solutos que la célula), el agua saldrá de la célula (causando plasmólisis en células vegetales o crenación en células animales).
  • Si el medio externo es hipotónico (menos concentrado que la célula), el agua entrará en la célula (causando turgencia en células vegetales o lisis en células animales sin pared celular).
  • Si el medio externo es isotónico (igual concentración que la célula), el flujo neto de agua es cero, manteniéndose el equilibrio.
• Regulación del pH (Sistemas tampón o buffer): Mantienen el pH de los fluidos biológicos (sangre, citoplasma) dentro de rangos estrechos y estables, resistiendo cambios bruscos. Están formados generalmente por un ácido débil y su base conjugada. Ejemplo clave: el tampón bicarbonato (H₂CO₃ / HCO₃⁻) en el medio extracelular (plasma sanguíneo). Otro ejemplo es el tampón fosfato (H₂PO₄⁻ / HPO₄²⁻) en el medio intracelular.
• Funciones específicas de cationes y aniones: Participan en procesos vitales como:
  • Contracción muscular (Ca²⁺, K⁺, Na⁺, Mg²⁺).
  • Transmisión del impulso nervioso (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻).
  • Activación enzimática (actuando como cofactores: Mg²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺/Fe³⁺, Cu⁺/Cu²⁺, K⁺).
  • Transporte de oxígeno (Fe²⁺ en hemoglobina).
  • Coagulación sanguínea (Ca²⁺).
  • Potencial de membrana.

Funciones Generales de las Sales Minerales

En resumen, las sales minerales cumplen funciones esenciales:

• Forman estructuras esqueléticas y de sostén (sales precipitadas).
• Mantienen el grado de salinidad adecuado en los fluidos corporales.
• Regulan la presión osmótica y el volumen celular.
• Estabilizan dispersiones coloidales (como las proteínas en el citoplasma).
• Constituyen soluciones amortiguadoras del pH (sistemas tampón).
• Realizan acciones específicas como iones disueltos (cofactores enzimáticos, transmisión nerviosa, contracción muscular, etc.).
• Forman parte de moléculas orgánicas complejas con funciones vitales.