Guía sobre la composición y función de los seres vivos

GUÍA 1. LOS SERES VIVOS: COMPOSICIÓN Y FUNCIÓN

La composición química de los seres vivos constituye el primer criterio de uniformidad que se establece entre ellos. Si hacemos un análisis químico de cada uno de los diferentes tipos de seres vivos, se encuentra que la materia viva está constituida por unos 70 elementos, llamados elementos biogénicos o bioelementos.

Aunque los bioelementos no son exclusivos de los seres vivos, los bioelementos mayoritarios no coinciden (salvo el oxígeno) con los elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre. Así mientras que el O, el Si el Al y el Fe son los más comunes en la composición del planeta, los más abundantes en las moléculas biológicas son el C, H, O, N, P y S.

BIOELEMENTOS

Clasificación de los bioelementos

Son aquellos elementos químicos que forman parte de los seres vivos, unos 70 diferentes. Estos bioelementos se pueden clasificar en dos grupos:

• Bioelementos primarios: son imprescindibles para la formación de las biomoléculas orgánicas (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos) y constituyen aproximadamente el 96% de la materia viva. Son: C, H, O, N , P y S.
• Bioelementos secundarios: son bioelementos que pueden encontrarse en biomoléculas orgánicas o inorgánicas. Su proporción en la materia viva es menor que la de los bioelementos primarios. Hay bioelementos secundarios indispensables: no pueden faltar porque son imprescindibles para la vida de la célula y, en mayor o menor proporción, se encuentran en todos los seres vivos (Ca, Na, K, Mg, Cl, Fe) y hay bioelementos secundarios variables que sí pueden faltar en algunos organismos (Br, Zn, Ti, Pb, etc).

Si los bioelementos secundarios están en una proporción inferior al 0,1% en la materia viva se habla de oligoelementos o elementos traza:

• Oligoelementos: son bioelementos que están presentes en proporciones menores al 0,1% en la materia viva. Algunos entran a formar parte de la materia viva en cantidades insignificantes, y sin embargo su carencia puede originar trastornos al ser su función catalizadora. Entre ellos cabe citar: Fe, Cu, Co, Mn, Zn, I y sus funciones más importantes son las siguientes:
  • Hierro (Fe): ,necesario para fabricar hemoglobina, proteína que transporta oxígeno.
  • Cobre (Cu) :se necesita para formar hemocianina pigmento respiratorio de invertebrados
  • Cobalto (Co): necesario para sintetizar vitamina B12
  • Manganeso (Mn): forma parte de enzimas que intervienen en los procesos fotosintéticos
  • Zinc (Zn): es abundante en el cerebro y en órganos sexuales
  • Yodo (I): necesario para formar tiroxina, hormona responsable del ritmo del metabolismo energético producida por la glándula tiroides.

Características de los bioelementos primarios

Si comparamos los porcentajes de elementos de la biosfera con los de la hidrosfera, atmósfera y litosfera se aprecia que son diferentes. En la atmósfera el elemento más abundante es el nitrógeno pero es escaso en la biosfera. En la litosfera abundan oxígeno y silicio. En la biosfera el elemento más abundante es el carbono, base para la formación de todos los compuestos orgánicos.

La elección de los elementos químicos, sobre todo los primarios (C,H,O,N,P,S) , entre el resto de elementos de la tabla periódica para formar parte de los seres vivos, no se hizo al azar. Fueron sus características las que hicieron que, a pesar de la escasez de algunos en la corteza, se incorporasen y formasen parte de los seres vivos.

Sus propiedades son las siguientes:· Masa atómica pequeña: lo que favorece que al combinarse entre sí se establezcan enlaces covalentes estables. Cuanto menor es un átomo, mayor es la tendencia del núcleo a completar su último orbital.

• Como el oxígeno y el nitrógeno son elementos que se disuelven bien en agua y pueden reaccionar entre sí . El agua, es el lugar en el que tienen lugar gran cantidad de reacciones químicas en los seres vivos.

Características del carbono como elemento biogénico

• El C tiene 4e- para compartir, y con los que puede establecer enlaces covalentes estables con otros átomos de carbono y con hidrógenos. La estabilidad es una propiedad importante en el mantenimiento de la vida. Los enlaces con el hidrógeno son suficientemente fuertes para ser estables, pero no tanto como para impedir que se rompa.
• El C es la base de la química orgánica. Puede unirse con otros carbonos y formar largas cadenas de átomos, y por tanto moléculas variadas y complejas.
• Los enlaces entre carbonos pueden ser simples, dobles o triples.
• La orientación de los enlaces del C hacia los vértices de un tetraedro imaginario le permite formar estructuras tridimensionales variadas, moléculas distintas con propiedades diferentes debidas a las diversas posiciones de los cuatro átomos o radicales distintos unidos al carbono.

La complejidad de la materia de los seres vivos se debe a la inmensa variedad de compuestos que se pueden formar con este tipo de átomos.

BIOMOLÉCULAS

Las biomoléculas o principios inmediatos son aquellas sustancias que componen los seres vivos y que son separables por métodos físicos (evaporación, filtración, destilación, centrifugación, ... ) sin alterarse químicamente. Podemos distinguir dos grupos (en función de si tienen Carbono unido a Hidrógeno en su composición):

• Biomoléculas inorgánicas: agua , sales minerales y gases (N2, O2, CO2)
• Biomoléculas orgánicas: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Estas biomoléculas orgánicas son habitualmente polímeros (llamados macromoléculas) formados por la unión de monómeros o eslabones estructurales cuya base son cadenas de carbono e hidrógeno

EL AGUA

Es el principio inmediato más abundante en la materia viva aunque en proporciones variables en los distintos seres vivos. En los humanos representa el 63% de su peso, en las algas un 95%, en algunas semillas 20%. Proviene o bien del exterior o bien del interior como resultado del metabolismo. Cuanta mayor actividad fisiológica realice un organismo, mayor es su contenido en agua. Por tanto, los porcentajes más bajos se dan en individuos con vida latente, como, por ejemplo, las semillas.

El agua se encuentra en la materia viva de tres formas distintas:

• Agua circulante; por ejemplo en la sangre, la savia, etc.
• Agua intersticial, entre las células. Suele estar fuertemente adherida a la sustancia intercelular formando agua de imbibición, como en el tejido conjuntivo o las semillas absorben el agua aumentando su volumen.
• Agua intracelular, en el citosol y en el interior de los orgánulos celulares.

Estructura de la molécula de agua

• La molécula de agua consta de un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno unidos mediante enlaces covalentes (H2O).
• Los enlaces se disponen formando un ángulo de 104,5° (no en línea recta)
• La molécula de agua es neutra pero tiene carácter dipolar (es un dipolo), es decir, los hidrógenos presentan una carga parcial positiva y el oxígeno dos cargas parciales negativas. Esta diferencia en la densidad de carga se debe a la elevada electronegatividad del oxígeno, que atrae con más fuerza hacia sí, los pares de electrones compartidos en los enlaces covalentes.
• La polaridad es la causante de la formación de puentes de hidrógeno entre sus moléculas proporcionando al agua una elevada cohesión entre las mismas. Cada molécula de agua puede unirse teóricamente con otras cuatro moléculas de agua, estableciendo dos puentes de H por las cargas parciales negativas del oxígeno, y un puente de H por cada una de las cargas parciales positivas de los hidrógenos. La polaridad y cohesividad de las moléculas de agua le proporcionan una serie de propiedades de las que van a derivar sus funciones.

Propiedades físico-químicas del agua y funciones relacionadas

• Elevada fuerza de cohesión entre las moléculas debido a la existencia de puentes de hidrógeno. Esta propiedad determina que:
  • El agua sea líquida a temperatura ambiente, y en un amplio margen de temperatura lo que le permite actuar como disolvente.
  • Explica que sea un líquido prácticamente incompresible Al ser incompresible es un líquido idóneo para mantener la forma y volumen de las células actuando de esqueleto hidrostático en las partes herbáceas de las plantas (función estructural). Es lubricante en músculos, tendones, ligamentos y entre órganos (hígado con diafragma, estómago con el páncreas). También actúa de amortiguador mecánico en las articulaciones (función mecánica amortiguadora).
• Elevada fuerza de adhesión, es decir , las moléculas de agua presentan una gran capacidad de adherirse a las paredes de conductos de pequeño diámetro, ascendiendo en contra de la gravedad, lo que se conoce como capilaridad. Esta propiedad resulta fundamental para el ascenso de la savia bruta por los tubos del xilema en vegetales (función de transporte).
• Elevada tensión superficial, es decir, la superficie del agua opone una gran resistencia a romperse. Esto permite que muchos organismos vivan asociados a esa película superficial (zapateros).
• Elevado calor específico : es decir se necesita mucho calor para elevar su temperatura. Esto la convierte en estabilizador térmico del organismo frente a los cambios bruscos de temperatura. También permite que los organismos acuáticos puedan vivir en ambientes con pocas fluctuaciones térmicas (función termorreguladora). Es un excelente almacén de energía térmica y amortiguador de los cambios de temperatura.
• Elevado calor de vaporización: se debe a que para pasar de líquido a gas se deben romper los puentes de hidrógeno. La extensión de una película de agua sobre una superficie biológica provoca su refrigeración, ya que al evaporarse toma energía del medio (función termorreguladora).
• Mayor densidad en estado líquido que en sólido. Su máxima densidad en estado líquido es de 4℃. Ello permite que el hielo flote en el agua y forme una capa superficial termoaislante permitiendo la vida bajo ella, en ríos mares y lagos cuando desciende demasiado la temperatura ya que evita la congelación de las zonas profundas.
• Elevada constante dieléctrica , es decir, tiene una elevada capacidad para actuar como disolvente. Por tener moléculas dipolares es un gran disolvente de compuestos iónicos, como las sales minerales y de compuestos covalentes polares como los glúcidos.