Bioelementos y Principios Inmediatos: Fundamentos de la Materia Viva

1. Bioelementos: Componentes Esenciales de los Seres Vivos

Los bioelementos son aquellos elementos que forman parte de los seres vivos, aunque en proporciones muy variables y a menudo pequeñísimas. Se han identificado algo más de setenta bioelementos, casi todos ellos estables. En realidad, excluyendo los gases nobles, son muy pocos los elementos que no se han encontrado en el conjunto de la biosfera, si bien, no todos estos bioelementos son indispensables para todos los seres vivos.

Lo significativo no es el tipo de elementos presentes en la materia viva, sino la proporción en que se encuentra cada uno de ellos. Todos son importantes y necesarios para el correcto funcionamiento de los seres vivos. Atendiendo a su abundancia, se pueden clasificar del modo siguiente:

A) Bioelementos Mayoritarios

Son los que están siempre presentes en la materia viva. A su vez, se pueden distinguir dos grupos:

• Bioelementos Primarios: Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O), Nitrógeno (N), Azufre (S) y Fósforo (P). Constituyen los componentes esenciales con los que se construye la materia viva para formar las biomoléculas.
• Bioelementos Secundarios: Magnesio (Mg), Calcio (Ca), Potasio (K), Sodio (Na) y Cloro (Cl). Son elementos menos abundantes que los anteriores, pero desempeñan funciones vitales en la fisiología celular.

B) Oligoelementos Esenciales

Son esenciales para la vida, pero se encuentran en cantidades muy pequeñas que no superan el 0.1%. Destacan elementos como el Hierro (Fe), Manganeso (Mn), Zinc (Zn), Yodo (I), Silicio (Si), Cromo (Cr) o Cobre (Cu).

C) Oligoelementos No Esenciales

Son el resto de elementos químicos que, no siendo esenciales para todos los organismos, a menudo desempeñan importantes funciones.

2. Principios Inmediatos y Biomoléculas

Los principios inmediatos están formados por la combinación de los bioelementos. Si un material biológico se trata solo mediante procedimientos físicos que no cambian la composición molecular, se consiguen aislar diversas sustancias químicas sin alterar. Estas reciben el nombre de principios inmediatos, que comprenden:

• Las biomoléculas (glúcidos, lípidos, proteínas y nucleótidos).
• El agua.
• Las sales minerales (sólidas o en disolución).

Su nombre indica que constituyen por sí mismos, sin intermediarios, la materia viva; por eso pueden extraerse de ella mediante procedimientos físicos (disolución, evaporación, decantación, etc.). Como contraste, a los bioelementos se les ha dado también el nombre de principios mediatos de la materia viva y pueden aislarse de la misma mediante métodos químicos.

Desde el punto de vista biológico, es importante destacar que, de los seis grupos de principios inmediatos, las sales minerales y el agua no son exclusivas de los seres vivos; sin embargo, las biomoléculas sí lo son, lo que significa que es necesario que los organismos las sinteticen. A estos distintos principios inmediatos, agrupados en función de su presencia, se les denomina a veces moléculas orgánicas e inorgánicas.

3. Enlaces Químicos y su Importancia en Biología

La estabilidad y la diversidad de la materia viva dependen de los tipos de enlaces químicos que unen a los bioelementos y a las biomoléculas.

A) Enlace Iónico

El enlace iónico, como el que constituye los cristales de cloruro sódico, no lo encontramos en la materia viva en su forma pura. Sin embargo, sí abundan las formaciones sólidas cristalinas:

• Cristales de aragonito en conchas de moluscos.
• Cristales de hidroxiapatito revistiendo las fibras de colágeno en el tejido óseo.
• Estructuras de sílice en los frústulos de las diatomeas, etc.

B) Enlace o Puente de Hidrógeno

Es un tipo de unión débil, pero de extraordinaria importancia en la estructura química de la materia viva. Se trata de la atracción entre dos regiones moleculares que tienen carga iónica parcial de distinto signo y que están suficientemente próximas. En estas condiciones, ambas regiones moleculares quedan recíprocamente orientadas y ligeramente “sujetas”.

Esta atracción es muy débil, pero si son muchas las regiones de las dos moléculas atraídas, pueden quedar establemente unidas; es el caso de la doble hélice de ADN.

Otras veces, estas uniones se realizan entre regiones distantes de una misma molécula, pero que, por su compleja configuración espacial, quedan suficientemente próximas. Este es el caso de la hélice alfa de las proteínas, donde los enlaces de hidrógeno se forman entre los grupos C=O y N-H enfrentados.

En el agua, sus moléculas forman enlaces de hidrógeno entre sí, y esto es lo que explica que el hielo, por la mayor ordenación de sus moléculas, sea menos denso que el agua líquida. La estabilidad de los enlaces de hidrógeno disminuye con el aumento de la temperatura.

C) Enlace Covalente

El enlace covalente es el enlace químico por excelencia en la biología, y hace posible la enorme diversidad molecular que integra la materia viva. Las moléculas así formadas no pierden estabilidad en el ambiente acuoso propio de toda célula. Un hecho importante es que los cuatro bioelementos mayoritarios (H, C, N, O) están entre los elementos químicos más ligeros capaces de formar un enlace covalente.

Entre las moléculas que tienen enlaces covalentes se presenta diversidad de comportamientos, lo que permite la compleja organización química de la materia viva:

• Pueden carecer casi por completo de polaridad (ceras y triglicéridos).
• Pueden comportarse con fuerte hidrofobia, o presentar pocas regiones con carga iónica parcial (fosfolípidos y esfingolípidos), lo que les dará carácter anfipático.
• Pueden tener abundancia de regiones hidrófilas, que les permitirán ser solubles en agua (monosacáridos).
• Se pueden ionizar en disolución acuosa (aminoácidos).

D) Enlaces del Átomo de Carbono

En las biomoléculas, la mayoría de los enlaces entre carbonos son simples, pero también existen abundantes casos de doble enlace. El enlace simple entre carbonos permite el giro de los átomos así unidos; el doble enlace lo impide. Por esta razón, el doble enlace hace posible los isómeros de posición cis y trans. Además, cuando existe un doble enlace, los centros de seis átomos quedan situados en el mismo plano, y esto tiene importantes consecuencias para la configuración espacial de las proteínas.