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

La versatilidad química del Carbono y la química de los seres vivos

Excepto los compuestos inorgánicos, todas las sustancias que forman parte de los seres vivos están formadas por carbono combinado con otros elementos, especialmente oxígeno e hidrógeno. Seguramente esta circunstancia no es una casualidad, sino la consecuencia de dos circunstancias distintas: una, la abundancia relativa de elementos químicos en el entorno donde apareció la vida; la otra, el conjunto de características químicas del Carbono, que lo hacen particularmente interesante para formar una gran cantidad de estructuras químicas diferentes.

En cuanto al primer aspecto, la formación del carbono es un fenómeno relativamente frecuente en el Universo; este elemento se forma en muchas estrellas como un paso intermedio en el proceso conocido como ciclo CNO, en el que también aparecen varios isótopos estables de Nitrógeno y Oxígeno. Como se ve, este proceso es fundamental para originar los componentes fundamentales de los seres vivos. El ciclo CNO se produce en estrellas más pesadas que el Sol, bastante frecuentes en el Universo, por lo que la abundancia de estos elementos es relativamente alta. Como la formación de planetas rocosos necesita la existencia de otros elementos aún más pesados (y por tanto menos frecuentes) que estos, es evidente que el Carbono está disponible, en cantidades suficientes, en cualquier entorno en el que sea posible la aparición de la vida.

La otra característica que hace fundamental al Carbono en la composición de los seres vivos es su versatilidad química, consecuencia de su estructura electrónica.

El carbono posee cuatro electrones en su segunda capa, dos de ellos en un orbital s y otros dos en dos de los tres orbitales p. Sin embargo, resulta más estable una configuración en la que estos cuatro orbitales se hibridan para formar cuatro orbitales sp³, orientados hacia los vértices de un tetraedro.

De esta forma, cada uno de los electrones ocupa un orbital, con lo que el carbono puede formar cuatro enlaces diferentes, formando entre sí ángulos de 109º.

El carbono puede establecer, por lo tanto, cuatro enlaces covalentes distintos. Además, puede formarlos con otros átomos de carbono, con átomos de hidrógeno, que tienen aproximadamente su misma electronegatividad, o con átomos más electronegativos que él, como oxígeno, nitrógeno o azufre. No solo eso, también puede formar enlaces múltiples, compartiendo con otros átomos varios pares de electrones: dos en el caso de los enlaces dobles (-C=C-, -C=O), o hasta tres pares electrónicos con un mismo átomo (-C≡C, -C≡N).

Además, dado que dos átomos de carbono solo comparten, cuando forman un enlace sencillo, uno de los cuatro electrones que pueden participar en enlaces, se hace posible que varios átomos formen estructuras más complejas, encadenándose entre sí linealmente, o incluso formando ramificaciones o ciclos.

De este modo, el carbono puede formar sustancias en las que aparece solo (grafito y diamante, compuestos que se diferencian por su estructura cristalina), pero también participar en sustancias iónicas, como los carbonatos (CO₃⁼), que son ampliamente utilizados por los seres vivos para formar estructuras protectoras, hasta el punto de que sus restos han dado lugar a la prática totalidad de las rocas calizas presentes en nuestro planeta. Precisamente, la utilización del carbonato cálcico para formar caparazones y su posterior sedimentación ha jugado un papel fundamental en la regulación del clima de nuestro planeta, ya que ha supuesto la retirada de grandes cantidades de dióxido de carbono de la atmósfera, reduciendo el efecto invernadero que este compuesto produce.

Pero donde el carbono muestra realmente su versatilidad química es en los compuestos orgánicos, sintetizados como consecuencia de la actividad de los seres vivos.

El tipo básico de compuestos orgánicos basados en el carbono son los hidrocarburos, que paradójicamente no juegan una función significativa en el metabolismo de los organismos, sino que son resultado de su descomposición. Los hidrocarburos son cadenas de átomos de carbono, que pueden ser lineales, ramificadas o cíclicas. El único tipo de átomos diferentes al carbono que interviene en este grupo de compuestos es el hidrógeno. Dado que Carbono e Hidrógeno tienen una electronegatividad muy parecida, los hidrocarburos son apolares, lo que les hace insolubles en agua e hidrófobos. Esta característica también hace que estas moléculas sean estables, y que establezcan entre ellas fuerzas de atracción muy débiles.

El grupo de los hidrocarburos presenta una considerable variabilidad química, ya que es posible formar nuevos compuestos a partir de otros parecidos mediante una serie relativamente simple de modificaciones químicas.

A pesar de esta versatilidad, los hidrocarburos apenas son utilizados por los seres vivos, posiblemente porque, como máquinas químicas que son, los organismos necesitan que sus constituyentes tengan una mayor reactividad. En todo caso, el carbono ofrece nuevas posibilidades de generar compuestos distintos, cuyas características son más adecuadas para el funcionamiento de los seres vivos, mediante la sustitución de algunos de los átomos de los hidrocarburos por otros átomos o grupos diferentes, los grupos funcionales.

Compuestos derivados del etano. Se identifican los que tienen importancia biológica.

Los compuestos orgánicos que incluyen en su estructura grupos funcionales tienen como características comunes un aumento de su reactividad química y del carácter polar (y, por tanto, hidrófilo) de las moléculas, aumentando su solubilidad en agua, lo que hace que puedan ser mejor aprovechados en el entorno celular. Los grupos funcionales más utilizados por los seres vivos son el hidroxilo (-OH), el carbonilo (=O), el carboxilo (-COOH), el grupo amino (-NH₂), el sulfhidrilo (-SH) o el fosfato.

Grupos funcionales de importancia biológica

Otra fuente de variabilidad entre los compuestos de carbono es la isomería. Los isómeros son compuestos con la misma fórmula estequiométrica  pero que presentan distinta estructura espacial. En los seres vivos, los isómeros son reconocidos y utilizados como compuestos totalmente diferentes, hasta el punto de que es frecuente que el cambio de posición de un solo grupo provoque que uno de los dos compuestos no sea reconocido por los organismos.

La mayoría de los compuestos biológicos combinan varios grupos funcionales en la misma molécula. Así, los monosacáridos poseen un grupo carbonilo y varios grupos hidroxilo, y los aminoácidos presentan, al menos, un grupo carboxilo y un grupo amino. La excepción a esta generalización la constituyen los ácidos grasos, que únicamente presentan un grupo carboxilo en el extremo de su molécula. La presencia de diferentes grupos funcionales en el mismo compuesto incrementa exponencialmente el número de estructuras que se pueden conseguir mediante modificaciones relativamente simples de una misma molécula.

De esta forma, los organismos consiguen generar una gran variedad de compuestos partiendo de unas cuantas sustancias "de cabecera", multiplicando sus posibilidades metabólicas gracias a las diferencias químicas que hay dentro del grupo de compuestos.
Una última característica de los compuestos de carbono que incrementa su variabilidad es la capacidad que tienen para formar polímeros a partir de moléculas pequeñas. En muchos casos, estas moléculas presentan grupos funcionales libres, que pueden reaccionar con otros presentes en otras moléculas parecidas, en general formando una molécula de agua. Las reacciones más frecuentes de este tipo que ocurren en los organismos son las siguientes:

• Entre dos grupos -OH: enlace O-glucosídico. Es el enlace que permite la polimerización de los monosacáridos para dar lugar a glúcidos más complejos, oligosacáridos y polisacáridos.
• Entre un grupo carboxilo y un grupo -OH: enlace éster. Las reacciones de esterificación son bastante habituales en los seres vivos. La mayoría de los lípidos complejos son ésteres.
• Entre un grupo carboxilo y un grupo amino: enlace peptídico (amida). Constituye el esqueleto de las proteínas.
• Entre un grupo fosfato y un grupo -OH: éster fosfato. Permite la polimerización de los nucleótidos para formar ácidos nucleicos.

 De esta forma, partiendo de unos pocos tipos de sustancias de pequeño tamaño se consigue formar una enorme variedad de compuestos de mayor tamaño, de diferentes niveles de complejidad:

• Los monómeros, como monosacáridos, aminoácidos, ácidos grasos, compuestos nitrogenados de pequeño tamaño, etc. Estos compuestos juegan papeles muy diferentes en los organismos. Algunos de ellos participan en rutas metabólicas para producir energía, o para ser transformados en otros compuestos distintos, pero muchos de ellos son utilizados por la célula para producir sustancias más complejas.
• Compuestos de tamaño intermedio, como nucleótidos, casi todos los tipos de lípidos, oligosacáridos o péptidos. En general, la célula sintetiza estos tipos de compuestos para que cumplan funciones específicas.
• Polímeros, como polisacáridos, proteínas o ácidos nucleicos. Mientras que los polisacáridos realizan funciones estructurales o de reserva energética, las proteínas y los ácidos nucleicos, que son heteropolisacáridos (están formados por los mismos tipos de compuestos, pero por unidades distintas) actúan como moléculas informativas. Los ácidos nucleicos dirigen la síntesis de las proteínas y éstas realizan funciones complejas en el organismo.
• Moléculas formadas por la unión de polímeros de diferente tipo: glucoproteínas, glucolípidos, lipoproteías o nucleoproteínas.

 El carbono, por lo tanto, permite la formación de miles de moléculas diferentes, gracias a un conjunto relativamente pequeño de tipos de reacciones químicas que pueden ocurrir con mucha facilidad en las condiciones que se dan en los seres vivos.

Composición de los seres vivos - Bioelementos

Los organismos somos auténticas "industrias químicas". Esta frase tiene un significado más profundo de lo que, en principio, podría parecer; si pensamos en una fábrica y la analizamos, veremos lo que se esconde detrás: una fábrica está hecha de ciertos materiales y de máquinas, las piezas que realizan sus productos. Además, la fábrica realiza algún tipo de proceso, en general transformando ciertas sustancias (recursos) en otras (productos) para lo cual necesita algún tipo de energía. Esto es también así en el caso de las células (y, por extensión, de los seres vivos), pero aquí aparece la peculiaridad de nuestra naturaleza como fábricas químicas.

Los seres vivos somos capaces de construir nuestras propias estructuras a partir de las sustancias químicas que encontramos en nuestro entorno. Precisamente por eso, es sorprendente observar la gran diferencia que existe entre la composición química de cualquier organismo y la materia inorgánica que nos rodea de la que, al fin y al cabo, hemos tomado los materiales para autoensamblarnos.

Esa diferencia es absolutamente evidente si observamos las sustancias químicas que nos componen, pero en cierto sentido esto es esperable, si tenemos en cuenta que somos máquinas químicas, sistemas que tenemos como modo de funcionamiento la modificación de ciertas sustancias químicas para dar lugar a otras. La diferencia es algo más extraña si en lo que nos fijamos es en los elementos químicos que forman parte de esas sustancias: los organismos no poseemos capacidad para modificar átomos, solo para utilizar unos u otros según nuestras necesidades.

Establezcamos una comparación con las rocas, otro de los elementos naturales que forman parte de nuestro planeta: la composición química de las rocas siempre es una muestra representativa del ambiente química en que se formaron, además de ser tremendamente variable entre los distintos tipos de rocas. Por el contrario, la composición química de los seres vivos es prácticamente igual en todos ellos, y nunca guarda relación con el entorno químico del que forman parte. Esta situación plantea dos preguntas: ¿qué diferencias existen en la composición química de los organismos y la de su entorno? ¿A qué se deben estas diferencias?

En la naturaleza podemos encontrar 92 elementos químicos diferentes. Aunque no es una ley matemática, se puede decir que, aproximadamente, su abundancia es inversamente proporcional a su número atómico (esto es así porque inicialmente solo se generó Hidrógeno, y el resto de los elementos químicos se han ido produciendo a partir de él).

Nuestro planeta, de carácter rocoso, está enriquecido en elementos más pesados, por lo que su composición química es cualitativamente diferente a la del Universo en general, pero los seres vivos somos, a la vez, muy distintos de la corteza terrestre. La primera diferencia llamativa es el escaso número de elementos diferentes que entran a formar parte de los seres vivos, especialmente teniendo en cuenta la gran complejidad que nos caracteriza.

Los elementos químicos que están presentes en la composición de los seres vivos reciben el nombre de bioelementos. La imagen siguiente muestra, dentro de la tabla periódica, cuáles son estos elementos y algunas características significativas respecto a ellos:

• Los bioelementos primarios son Hidrógeno, Carbono, Oxígeno, Nitrógeno, Fósforo y Azufre. Son los mayoritarios en los organismos y, además, forman parte de prácticamente todos los compuestos biológicos. Son todos de pequeño tamaño y de carácter no metálico (el Hidrógeno, como sabes, tiene una doble naturaleza en este sentido), lo que les permite formar enlaces covalentes muy difíciles de romper.
• Los bioelementos secundarios (Sodio, Magnesio, Cloro, Potasio, Calcio), por el contrario, forman enlaces iónicos, gracias a que tienen gran facilidad para ceder o captar electrones. En general, no forman parte integral de las biomoléculas, pero son imprescindibles para que muchas de ellas puedan realizar sus funciones.
• Los oligoelementos son elementos químicos que se encuentran presentes en los seres vivos en pequeñas proporciones, pero que son imprescindibles para mantener la vida. Algunos de estos se encuentran en todos los organismos (Manganeso, Hierro, Cobalto, Cobre, Cinc), mientras que otros aparecen en la mayoría de los seres vivos, aunque otros pueden sobrevivir sin ellos (Iodo, Aluminio, Silicio, Boro, Vanadio, Molibdeno).

A la vista de esta relación, está bastante claro que los bioelementos son seleccionados por los organismos de entre los componentes de su entorno, independientemente de la frecuencia con la que aparecen en el ambiente, porque sus características químicas los hacen ideales para cumplir las funciones que los seres vivos deben realizar. En ocasiones, conseguir la cantidad necesaria de algunos elementos es un problema para los organismos, a pesar de lo cual estos elementos no son sustituidos por otros, lo que demuestra su idoneidad. También llama la atención que elementos químicos abundantes y bastante similares a los bioelementos no son apenas utilizados por los organismos, como es el caso del Silicio.

Esta observación nos ha llevado, prácticamente, a responder a la segunda de nuestras preguntas: las características químicas de los bioelementos son idóneas para el desarrollo de las funciones vitales, razón por la cual los seres vivos seleccionan activamente esos elementos de entre todos los que están a su alrededor, a pesar de que otros elementos similares puedan encontrarse en mayor proporción.