domingo, 16 de marzo de 2014

Los niveles de organización subcelulares: bioelementos y biomoléculas inorgánicas

La célula es el nivel de organización fundamental de los seres vivos, ya que cualquier célula, tanto si forma parte de un organismo pluricelular como si constituye un organismo completo, muestra todas las caracteristicas que podemos atribuir a un ser vivo. Entre esas características se encuentra la recursividad: las células están formadas por orgánulos, un tipo de sistemas exclusivo de los organismos, que a su vez están formados por moléculas, las cuales están compuestas de átomos.
Sería posible seguir analizando niveles de organización de complejidad menor, pero son objeto de otras ciencias, en particular de la Física; se podría decir lo mismo de átomos y moléculas, que son el objeto de estudio de la Química, pero lo cierto es que hay diferencias muy significativas entre las moléculas que forman la materia viva y las que componen la materia inerte. En cuanto a los átomos, aunque las moléculas biológicas (o biomoléculas) están formados por los mismos elementos químicos que las moléculas inorgánicas, hay una diferencia también significativa en cuanto a abundancia: los organismos prefieren ciertos elementos químicos para su uso, y lo hacen no en función de su abundancia en el entorno que les rodea, sino según sus características químicas, escogiendo solo aquellos que resultan adecuados para su funcionamiento. Por estos motivos el estudio de los bioelementos y de las biomoléculas es una parte fundamental de la Biología.

Bioelementos

Hay unos 90 elementos químicos que pueden ser encontrados en la naturaleza, pero los seres vivos solo utilizan algunos de ellos, a los que se da el nombre de bioelementos. Son más o menos una veintena de elementos químicos, aunque no todos están presentes en todos los organismos, ni aparecen en proporciones similares. El 96% de toda la materia viva está formada por solo seis elementos químicos, denominados bioelementos primarios: Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno, por una parte, y Fósforo y Azufre por otra. Los cuatro primeros aparecen prácticamente en todas las moléculas de los seres vivos, mientras que el Fósforo forma parte de los ácidos nucleicos y de algunos lípidos, y el Azufre se encuentra en las proteínas.
Otros cinco elementos químicos están presentes también en todos los seres vivos, y son imprescindibles para la vida, aunque son mucho menos abundantes que los anteriores: Cloro, Sodio, Magnesio, Potasio y Calcio. Se denominan bioelementos secundarios.
Por último, un grupo de elementos se encuentran en la materia viva en una proporción menor del 0,01%, por lo que reciben el nombre de oligoelementos. Los oligoelementos no son universales, es decir, no son los mismos para todos los organismos, aunque algunos de ellos se encuentran prácticamente siempre, como el Hierro, el Cinc...
Todos los bioelementos primarios son no metálicos y de bajo peso molecular, aunque el Hidrógeno tiene propiedades especiales, porque puede actuar como metálico y como no metálico. Son abundantes en la naturaleza, pero en los seres vivos se encuentran en una proporción mucho mayor a la que presentan en el medio inorgánico, lo que significa que los organismos no se limitan a tomarlos del exterior, sino que los seleccionan por sus características químicas.
La diferencia más importante, desde el punto de vista biológico, entre elementos metálicos y no metálicos es que los primeros forman enlaces iónicos, que se rompen fácilmente, hasta el punto de que basta simplemente con disolver el compuesto iónico para que se separen sus constituyentes. Por el contrario los elementos no metálicos forman enlaces covalentes, mucho más difíciles de romper, de modo que dan lugar a moléculas muy estables, lo que es fundamental para la estabilidad química de los organismos.
Los bioelementos secundarios son también de bajo peso molecular, por lo que son bastante abundantes en la naturaleza. Forman enlaces iónicos, por lo que se presentan en los seres vivos en forma de sales, tanto solubles como insolubles.
Muchos oligoelementos son metales de transición, pero otros son no metales, incluyendo algunos halógenos. La mayoría participa en la formación de enlaces iónicos, pero hay alguna excepción. Su falta suele provocar efectos adversos en el organismo, y muchas veces es esta la característica que permite su identificación.

Los bioelementos esenciales son aquellos que resultan imprescindibles para la vida de un ser vivo. Mediante diferentes estudios se ha podido establecer que existen unos 26 elementos químicos que tienen este carácter, además de alguno más cuya esencialidad está discutida. La mayoría de ellos resultan esenciales tanto en plantas como en animales (C, H, O, N, P, S, Na, K, Ca, Mg, Cl, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo), mientras que unos pocos más son esenciales en animales pero no en plantas (F, V, Ni, Se, Sn, I) y solo el B es esencial en plantas, pero no en animales. El listado anterior no significa que todos esos elementos sean esenciales para todos los organismos, pero sí que lo son en algún caso.

Una clasificación de los bioelementos con mayor interés biológico es la que los agrupa según la función que realizan en el organismo. Desde este punto de vista se pueden distinguir bioelementos estructurales, electrolíticos y enzimáticos.

Los bioelementos estructurales son los constituyentes básicos de las biomoléculas y de los elementos que proporcionan soporte estructural y resistencia a los seres vivos, como esqueletos o caparazones. Incluyen todos los bioelementos primarios (C, H, O, N, P y S) además del Si, que forma parte de los caparazones de algunos organismos y del Ca.

Todos ellos son de bajo peso molecular, lo que indica que son bastante abundantes en la naturaleza, y la mayor parte (todos excepto el calcio) tienen carácter no metálico, lo que les permite formar enlaces covalentes, muy difíciles de romper, que proporcionan estabilidad a las biomoléculas.

El Hidrógeno tiene características especiales, ya que puede actuar como metal (cediendo su electrón para dar lugar al ión H+) o como no metal, dentro de compuestos covalentes. Esto hace posible que, además de su papel estructural, tenga otras funciones fundamentales dentro de los seres vivos. En concreto, proporciona poder reductor, necesario para que tengan lugar una gran parte de las reacciones celulares. También interviene en la generación de energía metabólica, en procesos tales como la respiración celular y la fotosíntesis y es responsable del pH celular.

En cuanto al calcio, también juega simultáneamente una función estructural y electrolítica, gracias a su naturaleza metálica. Su función estructural consiste en formar parte de las sales minerales que constituyen los elementos de soporte de muchos organismos, como caparazones y esqueletos. En esos casos el calcio es el principal catión, que se combina, fundamentalmente, con carbonatos y fosfatos.

Todos los elementos electrolíticos son fácilmente hidrolizables, y de hecho suelen encontrarse en el organismo en forma iónica. En general participan en la creación de gradientes de concentración a ambos lados de una membrana biológica, gracias a la permeabilidad selectiva que presentan estas estructuras. Estos gradientes son fundamentales para el funcionamiento celular, tanto para la comunicación (por ejemplo en el caso del gradiente Na/K en la transmisión del impulso nervioso) como para la producción de energía (gradiente de protones entre el espacio intermembranoso y el compartimento interno de mitocondrias o cloroplastos, o entre el exterior y el citoplasma bacteriano) o la activación de procesos celulares (gradiente de calcio entre el citoplasma y el retículo en la contracción muscular).

Finalmente, los elementos catalíticos son necesarios para el funcionamiento correcto de diferentes enzimas. En muchos casos su actividad catalítica se debe a su capacidad para cambiar de estado de oxidación, cediendo o tomando electrones (como el Mg en la fotosíntesis), o a su capacidad para formar enlaces iónicos con otros compuestos, estabilizando la estructura de las enzimas.

Las biomoléculas

Un compuesto químico es un sistema formado por la unión de dos o más átomos. La cohesión de la estructura es debida a la presencia de enlaces, que son fuerzas que se establecen entre átomos y moléculas como resultado de su interacción mediante electrones.
En los seres vivos, los átomos pueden unirse entre sí mediante dos tipos de enlaces: los iónicos, en los que un átomo cede uno o varios electrones a otro, con lo que ambos se transforman en iones, atrayéndose entre sí eléctricamente, debido a que tienen cargas de distinto signo, y los enlaces covalentes, en los que los átomos comparten electrones, formando una molécula difícil de romper. Por el contrario, los compuestos iónicos se disocian en presencia de disolventes, es decir, sus iones se separan entre sí y se mezclan entre las moléculas del disolvente.

Los seres vivos están formados tanto por moléculas orgánicas como por moléculas inorgánicas. La clasificación de los compuestos químicos en estas dos categorías se basa en su origen y distribución: Las sustancias inorgánicas se encuentran tanto en los seres vivos como en la materia inerte, mientras que los compuestos orgánicos aparecen exclusivamente en los seres vivos, o han sido producidos por ellos.
Las sustancias químicas que forman parte de la composición de los seres vivos, tanto orgánicas como inorgánicas, reciben el nombre de biomoléculas. 

Biomoléculas inorgánicas
Las moléculas inorgánicas que forman parte de los seres vivos son el agua y algunas sales minerales, tanto binarias como ternarias.
El agua es la sustancia que permite la existencia de la vida, y la sustancia química más abundante en todos los organismos. Su composición química es bien conocida, H2O, pero a pesar de su aparente sencillez su estructura hace que posea propiedades peculiares, que la hacen especialmente adecuada para los organismos.
Los átomos de la molécula de agua se disponen formando una "V", con el oxígeno en su vértice. Debido a la diferencia de electronegatividad (la capacidad de un átomo para atraer electrones hacia él) entre el oxígeno y el hidrógeno, los enlaces entre esos átomos son covalentes polares, lo que significa que, como los electrones que participan en el enlace están durante más tiempo ligados al oxígeno que al hidrógeno, el oxígeno tiene una carga "parcial" negativa, mientras que los átomos de hidrógeno tienen cargas "parciales" positivas. Esto hace que las moléculas de agua se atraigan entre sí, con menos fuerza que la de un enlace, pero de un modo bastante intenso.
Las fuerzas de atracción entre las moléculas del agua hacen de ella una sustancia bastante "extraña", con propiedades que teóricamente no debería tener.
Muchas de las propiedades del agua son "anómalas" y tienen una importancia considerable para los seres vivos. Destacan cuatro de ellas:
  • Cohesión: las fuerzas que mantienen unidas entre sí las moléculas de agua son muy intensas.
  • Elevado calor específico: El agua necesita absorber o perder una gran cantidad de energía para poder cambiar su temperatura.
  • Variación anómala de la densidad con la temperatura: a diferencia de la mayoría de las sustancias, la densidad del agua no aumenta siempre al disminuir la temperatura.
  • Gran capacidad de disolver sustancias: el agua es capaz de disolver una gran vaiedad de sustancias químicas, incluyendo moléculas de gran tamaño.
La cohesión del agua se debe a los puentes de hidrógeno que se establecen entre sus moléculas. En el agua líquida los puentes de hidrógeno se forman y se deshacen continuamente, pero siempre hay un gran número de moléculas enlazadas entre sí, lo que hace difícil separarlas. En la superficie, el fenómeno se manifiesta como "tensión superficial", que es la dificultad para romper la primera capa del líquido. La elevada cohesión del agua tiene importantes consecuencias para los seres vivos: en las plantas, hace posible el ascenso de la savia a lo largo de los tallos; La evaporación en la superficie de las hojas "arrastra" a las moléculas de los vasos conductores, gracias a que se mantienen entre sí mediante los puentes de hidrógeno. También permite los movimientos del citoplasma celular.
 El calor específico mide la cantidad de energía que hay que proporcionar a una cierta cantidad de una sustancia para aumentar su temperatura. El agua tiene un calor específico muy elevado, y también necesita una gran energía para cambiar de estado sin cambiar su temperatura (calor latente de cambio de estado) como consecuencia, de nuevo, de la presencia de los puentes de hidrógeno entre sus moléculas. Esta característica hace que el agua tenga un papel fundamental como regulador térmico, suavizando los cambios de temperatura cuando se produce calentamiento o enfriamiento. Este papel de termorregulador se produce tanto en el interior de los organismos, mediante la evaporación del sudor, en las zonas costeras del planeta, en las que el mar contribuye a suavizar las temperaturas respecto a las zonas costeras, y a escala global: los océanos distribuyen a lo largo de todo el planeta la energía recibida del Sol, que llega especialmente a las zonas ecuatoriales.
En la mayoría de las sustancias la densidad aumenta a medida que disminuye la temperatura, como consecuencia de que sus moléculas van quedando mejor "empaquetadas" entre sí al reducirse la velocidad con la que se mueven. El agua se comporta de este modo por encima de los 4ºC, mientras que por debajo de esta temperatura las moléculas de agua quedan atrapadas en una red cristalina que impide la formación de puentes de hidrógeno entre ellas, reduciendo su densidad. El efecto que tiene esta característica es que el hielo tiene menos densidad que el agua que lo rodea, por lo que flota sobre ella. Como consecuencia, la capa superficial de hielo aisla la capa de agua que se encuentra por debajo, permitiendo que se mantenga líquida y que, por tanto, pueda mantener la vida bajo el hielo. Por otra parte, esto también facilita el deshielo cuando vuelve a aumentar la temperatura ambiental.
Una disolución (o solución) es una mezcla homogénea de dos o más sustancias: las moléculas de la sustancia que se encuentra en menor proporción se encuentran distribuidas por igual en todo el volumen de la otra sustancia. El agua es capaz de disolver las sustancias iónicas y polares porque sus componentes (iones o moléculas) son atraidos por las moléculas de agua, que los rodea y los mantiene separados entre sí. Alrededor de los iones o de las moléculas disueltas se forma una esfera de moléculas de agua, atraídas por las cargas del soluto, que se llama esfera de hidratación, importante para conseguir que las moléculas grandes se mantengan disueltas, incluyendo sustancias cuyas moléculas son de gran tamaño como polisacáridos, proteínas o ácidos nucleicos.
Como el agua es la sustancia más abundante en los seres vivos, la capacidad de una sustancia para disolverse en ella resulta fundamental para su posible uso por parte de los organismo. De este modo se hace importante la diferencia entre sustancias solubles en agua, que reciben el nombre de hidrófilas, y las que se disuelven mal en esta sustancia, llamadas hidrófobas.
El tamaño de los elementos de la materia que se disuelve hace que las mezclas acuosas tengan propiedades diferentes. Se forma una disolución verdadera cuando la sustancia se divide hasta dar lugar a sus constituyentes mínimos (moléculas, iones) y éstos tienen un diámetro menor de 10-9 m.Si el diámetro de las partículas disueltas está entre 10-7 m y 10-9 m se habla de dispersión coloidal. Por último, si las partículas son apreciables a simple vista y son tan pesadas que acaban por precipitar se forma una suspensión. Muchas biomoléculas orgánicas tienen un tamaño lo suficientemente grande como para formar coloides. El agua puede formar coloides estables con grandes moléculas polares como las proteínas o los ácidos nucleicos.


Uno de los factores que influyen en mayor medida en la actividad química de los seres vivos es la acidez o basicidad del medio interno del organismo y del interior celular. 
El enlace entre los átomos de la molécula de agua es polar, lo que hace que dicha molécula pueda llegar a disociarse en dos iones, H+ y OH-:

Los protones, en realidad, se asocian siempre a moléculas de agua:
Esta reacción de disociación es reversible, y muy poco frecuente, pero es suficiente para que en el agua pura haya una cantidad significativa de estos iones reactivos, que tienen una importancia química fundamental porque proporcionan a las disoluciones características de ácidos o de bases.
En Biología resulta útil un concepto “restringido” de ácido y de base: un ácido es una sustancia que, al disolverse, aumenta la concentración de protones (iones H+) en el medio. Una disolución ácida es la que tiene más protones que hidroxilos. Por su parte una base es una sustancia que, al disolverse, reduce la concentración de protones en el medio. Una disolución básica es la que tiene menos protones que hidroxilos
En el agua pura, la cantidad de protones (H+) y de hidroxilos (OH-) es la misma, pero algunas sustancias (ácidos y bases), al disolverse, pueden romper ese equilibrio.
La concentración de protones en una disolución puede variar en un rango de billones de veces, por lo que es conveniente medirla usando una escala especial, que reduzca esa variabilidad a valores manejables. Es una escala logarítmica, que se obtiene a partir de la concentración de protones y de hidroxilos en el agua pura:
Si se calcula el logaritmo decimal de esa concentración y se cambia de signo se tiene el pH de una disolución neutra. 


Los valores de la escala pueden variar entre 0 y 14; valores de pH menores de 7 indican que la disolución es ácida, y superiores a 7 que es básica

El pH es una característica muy importante en los medios biológicos, que debe ser mantenida dentro de unos límites adecuados. La mayoría de los organismos no pueden soportar cambios significativos de pH, porque los procesos celulares son muy sensibles a la concentración de protones e hidroxilos.
Los seres vivos pueden mantener el pH de su interior en los valores apropiados gracias a que poseen sistemas tamponadores, que permiten su regulación. Un tampón o buffer es una disolución capaz de absorber protones del medio cuando aumenta su concentración o de donarlos cuando disminuye. Los buffers están compuestos por un ácido  o una base débiles (En disolución no están totalmente disociados) y una de sus sales.

Iones y sales minerales
Además del agua, los seres vivos contienen otras sustancias inorgánicas. En general son sales, que pueden ser tanto binarias como ternarias. En la mayor parte de los casos se encuentran en forma disociada, separadas en los iones que las forman, y por tanto disueltas, aunque también se pueden encontrar asociadas a las moléculas orgánicas o precipitadas.
Los compuestos inorgánicos desempeñan importantes funciones en los seres vivos:
  •  Mantienen la concentración salina del medio interno
  • Mantienen los procesos osmóticos (paso de solutos a través de la membrana)
  • Estabilizan las dispersiones coloidales
  • Regulan el pH de la célula y del medio interno
  • Forman estructuras esqueléticas, tanto internas como externas