Bioelementos

La materia constituyente de los seres vivos está compuesta por moléculas, también denominadas biomoléculas, formadas a su vez por la unión de átomos de ciertos elementos químicos. Estos elementos, presentes en las biomoléculas, reciben el nombre de bioelementos o elementos biogénicos, de los que existen unos 70 diferentes.

Clasificación de los Bioelementos

Se clasifican en:

• Bioelementos Primarios: Se trata de un grupo formado por los seis bioelementos antes mencionados (C, H, O, N, P, S), que constituyen aproximadamente el 99 % del total de la materia viva y son los componentes fundamentales de las biomoléculas.
• Bioelementos Secundarios: Forman parte de los organismos vivos en menor proporción que los anteriores. Se incluyen en este grupo el Na, el K, el Ca, el Mg y el Cl, y constituyen un 3,9 %.
• Oligoelementos: Aunque se encuentran en proporciones inferiores al 0,1 %, estos elementos son imprescindibles, pues desempeñan funciones esenciales en diferentes procesos bioquímicos y fisiológicos. Algunos oligoelementos, como el Fe, el Cu y el Zn, aparecen en la mayoría de los organismos, y otros, como el Si, el F y el Cr, solo están presentes en grupos concretos.

Biomoléculas

Los elementos biogénicos se unen por enlaces químicos para formar las moléculas constituyentes de los organismos vivos, que reciben el nombre de biomoléculas o principios inmediatos. Todas pueden incluirse en dos grandes grupos: biomoléculas inorgánicas (como ciertos gases, el agua y algunas sales minerales) y biomoléculas orgánicas (exclusivas de los seres vivos).

El Agua

El agua es un componente muy importante de los seres vivos, ya que es la molécula que se encuentra en mayor proporción en todos los organismos. Supone aproximadamente entre el 50 % y el 95 % de su peso. La cantidad de agua presente en los seres vivos depende de tres factores:

• Especie: Los organismos acuáticos contienen un porcentaje muy elevado de agua, que puede alcanzar el 99 % de su peso.
• Edad del individuo: Las estructuras biológicas de los organismos jóvenes presentan mayor proporción de agua que las de los individuos de más edad.
• Tipo de tejido u órgano: Las estructuras esqueléticas animales, que constituyen los órganos de sostén del individuo, poseen los porcentajes de agua más bajos.

Estructura Química del Agua

Como sabes, la molécula de agua consta de un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. La unión entre el oxígeno y los hidrógenos se realiza mediante enlaces covalentes, donde cada átomo de hidrógeno de una molécula comparte un par de electrones con el átomo de oxígeno. Sin embargo, dado que la electronegatividad del oxígeno es mayor que la del hidrógeno, los pares de electrones compartidos son atraídos con más fuerza por el núcleo del átomo de oxígeno que por el del átomo de hidrógeno.

La presencia de una carga negativa débil en la zona donde se sitúan los electrones no compartidos, junto con la geometría triangular que posee la molécula de agua (los átomos de hidrógeno forman un ángulo de 104,5° respecto al oxígeno), confiere polaridad a la molécula. Esta polaridad favorece la interacción entre las moléculas de agua, de forma que la zona con carga eléctrica parcial negativa de una de ellas es atraída por la zona con carga parcial positiva de otra, estableciéndose entre ambas un tipo de enlace denominado puentes de hidrógeno. Esto convierte el agua en una sustancia altamente cohesiva, ya que cada molécula de agua puede establecer hasta cuatro puentes de hidrógeno con otras tantas moléculas.

Propiedades y Funciones del Agua

Estas propiedades se deben tanto a la polaridad de su molécula, que dota al agua de un gran poder disolvente, así como a la existencia de los enlaces de hidrógeno, responsables del estado líquido del agua a temperatura ambiente.

• Poder disolvente del agua: Debido a la polaridad de su molécula, el agua se puede interponer entre los iones de las redes cristalinas de los compuestos iónicos, lo que origina una disminución importante de la atracción entre ellos y provoca su separación y, en definitiva, su disolución. Una forma de medir la capacidad de una sustancia para disolver compuestos iónicos consiste en calcular el valor de su constante dieléctrica. El agua también puede formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas no iónicas, pero que tienen grupos polares (como muchas de las biomoléculas), y causar asimismo su disolución.
• 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. Gracias a esta propiedad, el agua actúa como vehículo de transporte en el interior de un organismo vivo y como medio lubricante en las estructuras de movimiento.
• Líquido prácticamente incompresible.
• Capilaridad: La unión entre las moléculas de agua mediante enlaces de hidrógeno le confiere un grado de cohesión muy alto que, combinado con la adhesión a la superficie de otras estructuras debido a su polaridad, permite que el agua pueda ascender a lo largo de conductos estrechos. Esta propiedad resulta fundamental para el ascenso de la savia bruta por los tubos del xilema en los vegetales.
• Elevada tensión superficial: En el interior de una masa de agua, las moléculas se cohesionan entre sí mediante puentes de hidrógeno en todas las direcciones del espacio, por lo que las fuerzas se compensan. Sin embargo, las moléculas de agua situadas en la superficie únicamente están sometidas a la acción de las moléculas de agua del interior del líquido. Al no existir fuerzas de cohesión con las moléculas del aire, se origina de esta forma una fuerza neta dirigida hacia el interior del líquido que se denomina tensión superficial y permite que la superficie libre del agua se comporte como una membrana elástica tensa.
• Elevado calor específico: El calor específico es la cantidad de calor que es necesario comunicar a 1 g de una sustancia para aumentar su temperatura en 1 °C. Esta propiedad tiene importantes consecuencias biológicas, pues para una cantidad de calor determinada, la temperatura del agua asciende más lentamente y desciende también más lentamente al perder calor que en otros líquidos, lo cual hace posible que los organismos acuáticos puedan vivir en un ambiente con pocas fluctuaciones térmicas. Los organismos terrestres también se benefician de esta amortiguación térmica gracias a la gran cantidad de agua que contienen.
• Elevado calor de vaporización.
• Menor densidad del hielo que del agua líquida: Cuando un líquido cualquiera se congela, aumenta su densidad, pues el grado de empaquetamiento molecular es mayor. Sin embargo, cuando la temperatura del agua desciende por debajo de los 4 °C, sus moléculas se acercan tanto que cada una de ellas puede formar enlaces de hidrógeno con otras cuatro moléculas, y cuando la temperatura alcanza los 0 °C, se forma un retículo espacial estable que ocupa más volumen que el agua líquida, por lo que el hielo es menos denso y flota en ella. Este hecho tiene una importante consecuencia biológica: cuando se produce un enfriamiento del agua de los mares y ríos, la superficie se congela, pero el fondo permanece líquido porque la capa de hielo superficial actúa como aislante térmico, lo cual permite la supervivencia de los organismos acuáticos durante el invierno.
• Ionización del agua: Algunas moléculas de agua sufren un proceso de ionización cuando un átomo de hidrógeno de una de ellas se une mediante un enlace covalente al átomo de oxígeno de otra molécula a la que estaba unida por un puente de hidrógeno.

Disoluciones y Dispersiones

Según el tamaño de las partículas dispersas en el agua, se distinguen dos tipos de disoluciones:

• Disoluciones verdaderas: El tamaño de las moléculas de soluto es pequeño, debido a lo cual el aspecto de la disolución es igual que el del disolvente puro. Las disoluciones verdaderas poseen unas propiedades llamadas coligativas (aumento de temperatura de ebullición y de la presión osmótica, entre otras) que dependen de la concentración de soluto. Forman disoluciones verdaderas las sales minerales y las moléculas orgánicas con una masa molecular no muy elevada (monosacáridos, disacáridos, aminoácidos, etc.).
• Disoluciones coloidales: El tamaño de las partículas del soluto es mucho mayor. Los polisacáridos, las proteínas y los ácidos nucleicos tienen un tamaño muy grande (macromoléculas) y originan disoluciones coloidales. Las más frecuentes en los seres vivos están formadas por proteínas y constituyen el citoplasma celular. Las disoluciones coloidales pueden aparecer en dos estados distintos, denominados sol y gel. La diferencia entre ambos reside en la cantidad de agua presente y, por tanto, en su grado de viscosidad. Los dos estados son interconvertibles: cuando una disolución en estado de sol pierde parte del agua que contiene, pasa al estado de gel. La zona más interna del citoplasma celular se encuentra en estado sol, mientras que la parte más periférica se mantiene en estado gel. La polimerización o despolimerización de alguna proteína citoplasmática causa la transformación de un estado en otro. La formación de seudópodos se basa en estos fenómenos.

Las Sales Minerales

Los organismos vivos están formados también por sales minerales, compuestos inorgánicos que pueden ser solubles o insolubles en agua. En este último caso, las sales se encuentran precipitadas y constituyen estructuras sólidas de los seres vivos, como esqueletos, caparazones o depósitos diversos. Lo más usual, sin embargo, es que las sales minerales aparezcan disueltas y disociadas en sus iones componentes:

• Aniones: cloruro, carbonato, bicarbonato, fosfato, sulfato.
• Cationes: sodio, potasio, calcio, magnesio, hierro.

Funciones de las Sales Minerales

• Constitución de estructuras duras de sostén y protección.
• Funciones fisiológicas y bioquímicas.
• Mantenimiento de concentraciones osmóticas adecuadas: Los procesos biológicos dependientes de la concentración de solutos (moléculas e iones) en agua se denominan osmóticos. Cuando existen dos disoluciones de diferentes concentraciones separadas por una membrana semipermeable (que no deja pasar el soluto, pero sí el disolvente), se produce el paso del disolvente (agua) de los medios celulares desde la disolución más diluida (hipotónica o hiposmótica) hacia la más concentrada (hipertónica o hiperosmótica) a través de la membrana. Cuando el agua pasa a la disolución hipertónica, esta se diluye, mientras que la disolución hipotónica se concentra al perderla. El proceso continúa hasta que ambas disoluciones igualan su concentración, es decir, se hacen isotónicas o isosmóticas. Para evitar el paso del agua, sería necesario aplicar una presión denominada presión osmótica, cuya medida sería mayor cuanto mayor fuera la diferencia de concentración entre ambas disoluciones. Como la membrana plasmática es semipermeable, es necesario mantener una concentración salina dentro de la célula igual a la del medio externo para que la célula no tenga pérdidas ni ganancias netas de agua. Si la concentración del medio intracelular es mayor que la del medio externo, la entrada excesiva de agua produciría un hinchamiento conocido como turgencia celular, que puede provocar la rotura de la membrana y la muerte de la célula. Si, por el contrario, la concentración en el medio interno es menor que en el medio externo, la célula pierde agua y disminuye su volumen, proceso que recibe el nombre de plasmólisis, que puede ocasionar también la muerte celular. La diálisis es un proceso relacionado con la ósmosis; en este caso, además del agua, la membrana semipermeable permite el paso de los solutos de baja masa molecular desde la disolución donde se encuentran en mayor concentración hasta la que los contiene en menor concentración.
• Mantenimiento del pH de estructuras y medios biológicos.