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1.2.1. Los bioelementos primarios

Si se compara la composición química de la materia viva (biosfera) con la de la atmósfera, hidrosfera y litosfera, que son las tres capas que ocupan los seres vivos, se pueden deducir las siguientes conclusiones:

  • En la biosfera encontraremos una elevada cantidad de de H y O porque la materia viva está constituida por agua en un porcentaje que varía entre un 65 % (organismos terrestres) a un 90 % (organismos acuáticos). Todas las reacciones químicas que se realizan en los seres vivos se desarrollan en agua, por lo que no es posible la existencia de materia viva sin agua. Todo esto indica que la vida se originó en el agua.
  • El resto de los bioelementos primarios (C, N, S y P) de la biosfera tampoco son tan abundantes en la atmósfera, hidrosfera o litosfera, por lo que se puede deducir que la materia viva no se ha formado a partir de los elementos más abundantes, sino a partir de aquellos (C, H, O, N, P y S) que gracias a sus propiedades son capaces de constituirla. Estas propiedades son:
    • Su masa atómica es relativamente 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 positivo a completar su último orbital con los electrones que forman los enlaces, y, por tanto, más estables son dichos enlaces.
    • El oxígeno y el nitrógeno son elementos muy electronegativos, por lo que al unirse covalentemente con otros átomos, con frecuencia dan lugar a moléculas dipolares. Como el agua también es dipolar, estos compuestos se disuelven bien en ella y pueden reaccionar entre sí, haciendo posible los procesos bioquímicos imprescindibles para la vida.

El resto de las propiedades no son comunes, por lo que se exponen a continuación por separado.

El carbono

Es el esqueleto básico de todas las biomoléculas orgánicas y marca la diferencia entre la materia orgánica e inorgánica.

Tiene cuatro electrones en su capa más externa y puede formar enlaces covalentes con otros

carbonos, que le permiten constituir largas cadenas de átomos (macromoléculas). Estos enlaces pueden ser simples (C-C), dobles (C=C) o triples (C≡C). También puede unirse a los diferentes radicales formados por los otros elementos (-H, =O, -OH, -NH2, -SH, -H2PO4, etc.), por lo que posibilita un gran número de moléculas diferentes, que intervendrán en multitud de reacciones químicas, y, así, que poder aprovechar la gran diversidad de elementos que hay en el entorno.

Carbono tetraédrico

By Andreza Memelli (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons

Los cuatro enlaces covalentes forman, en el espacio, los vértices de un tetraedro imaginario, lo que permite la formación de estructuras tridimensionales, como la membrana plasmática u otros orgánulos.

 

El carbono también permite que otra macromolécula, el ADN, pueda contener toda la información necesaria para producir el resto de moléculas del organismo, y replicarse para transmitir esa información a sus descendientes, siendo imprescindible para la vida.

El hidrógeno

Junto con el oxígeno, es indispensable para formar la materia orgánica, que se define como la materia constituida básicamente por carbono e hidrógeno.

Por ejemplo, algunos lípidos sólo están formados por átomos de carbono e hidrógeno. Igual que el petróleo y sus derivados (butano, gasolina, gasóleo, etc.), constituidos únicamente por carbono e hidrógeno, por lo que se les denomina hidrocarburos.

El electrón que tiene el átomo de hidrógeno le permite unirse a cualquiera de los otros bioelementos primarios. El enlace covalente que se forma entre el hidrógeno y el carbono es lo suficientemente fuerte como para ser estable, pero no tanto como para impedir su rotura, y permitir así la síntesis de otras moléculas. Las moléculas formadas sólo por carbono e hidrógeno son covalentes apolares (insolubles en agua).

El oxígeno

Es el bioelemento primario más electronegativo, por lo que cuando se enlaza con el hidrógeno, atrae a su único electrón originándose polos eléctricos. Por eso, los radicales -OH, -CHO y -COOH son radicales polares. Cuando estos radicales sustituyen a algunos hidrógenos de una cadena de carbonos e hidrógenos, como la glucosa (C6H12O6), originan moléculas solubles en líquidos polares como el agua.

Por su electronegatividad, el oxígeno tiene gran capacidad para atraer electrones de otros átomos, quedando éstos oxidados. Como este proceso implica la rotura de enlaces y la liberación de una gran cantidad de energía, la reacción de los compuestos de carbono con el oxígeno, la llamada respiración aeróbica, es la forma más común de obtener energía. La otra vía, la fermentación, ha ido reduciéndose desde que las algas y las plantas, mediante la fotosíntesis, empezaron a enriquecer con oxígeno la atmósfera primitiva.

La oxidación de los compuestos biológicos se realiza básicamente mediante la sustracción de hidrógenos a los átomos de carbono. El oxígeno (más electronegativo) atrae con más fuerza el electrón del hidrógeno que el carbono, por lo que consigue quitárselo. Así se forma agua (oxígeno más el hidrógeno) y se libera una gran cantidad de energía, que aprovechan los seres vivos. Como el átomo de carbono pasa de compartir un electrón con el hidrógeno, a compartir menos electrones con el oxígeno, experimenta una “pérdida” de electrones, es decir, se oxida:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energía

El nitrógeno

El nitrógeno tiene una gran facilidad para formar compuestos tanto con el hidrógeno (NH3) como con el oxígeno (NO-), lo que permite, al pasar de una forma a la otra, la liberación de energía.

Se encuentra en los aminoácidos (moléculas que constituyen las proteínas) formando los grupos amino (-NH2) y en las bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos. Aunque el nitrógeno es el gas más abundante en la atmósfera, muy pocos organismos son capaces de aprovecharlo. Prácticamente todo el nitrógeno es incorporado a la materia viva por las algas y las plantas, que lo absorben disuelto en forma de ion nitrato (NH3-).

El azufre

Se encuentra en forma de radical sulfhidrilo (-SH) en determinados aminoácidos como la cisteína y la metionina. Estos radicales permiten establecer, entre dos aminoácidos próximos, unos enlaces covalentes fuertes denominados puentes disulfuro (-S-S-), que mantienen la estructura de las proteínas.

El fósforo

Es muy importante porque forma enlaces ricos en energía. Al romperse el enlace que une dos grupos fosfato -PO3- ~ PO3- ~ PO32-, generalmente de una molécula denominada ATP (adenosín trifosfato), se libera la energía contenida en dicho enlace. En estos enlaces se almacena la energía liberada en otras reacciones, como las oxidaciones de la respiración.

Además, el fósforo es muy importante porque forma parte de los ácidos nucleicos (ADN y ARN), de los fosfolípidos de la membrana plasmática y de los huesos de los vertebrados, y porque ayuda a mantener constante la acidez del medio interno del organismo.

 

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