Loe raamatut: «La química de la vida», lehekülg 3
LIGEROS, PEQUEÑOS Y ABUNDANTES
Citados en orden creciente según su número atómico, los cuatro elementos biogénicos más abundantes en todos los organismos vivos son el hidrógeno (H), el carbono (C), el nitrógeno (N) y el oxígeno (O). Estos cuatro bioelementos representan aproximadamente 96% de los átomos presentes en los seres vivos y, con fines nemotécnicos, se han enseñado en la escuela con las siglas chon. Es importante subrayar que se trata de elementos relativamente ligeros, cuyo número atómico no es mayor a 8 (cuadro 2.1).
Sin duda el carbono es el elemento esencial más importante para los sistemas vivos, pues es uno de los pocos bioelementos cuyos átomos pueden establecer entre sí enlaces químicos estables. Efectivamente, el carbono es desvergonzadamente promiscuo. Esta singularidad química permite formar largas cadenas y anillos de átomos de carbono, que son el esqueleto estructural a partir del cual se construye la mayoría de los compuestos y biomoléculas que caracterizan a los organismos vivos. De la misma forma, y además de ser los bioelementos más abundantes y los más ligeros y pequeños, los átomos del grupo chon son los únicos capaces de adquirir una configuración electrónica estable añadiendo de uno a cuatro electrones en su capa más externa. Ésta es una propiedad crucial para establecer enlaces químicos y así formar compuestos y moléculas. De hecho, las diferentes combinaciones que los átomos de CHON pueden establecer entre sí, o bien con los átomos de fósforo (P), azufre (S) y selenio (Se), dan lugar a los principales módulos o bloques moleculares de los organismos vivos: sacáridos (hidratos de carbono), aminoácidos, ácidos grasos, nucleótidos, ácidos nucleicos y proteínas. En términos generales, las unidades constructivas comunes a todas las células son monómeros y polímeros elaborados por la combinación de unos cuantos elementos esenciales: hidrógeno, carbono, nitrógeno, oxígeno, fósforo, azufre y selenio. Así, por ejemplo, sacáridos, aminoácidos, ácidos grasos y nucleótidos son monómeros que, además de jugar un papel bioquímico independiente, constituyen los bloques constructivos primarios a partir de los cuales se fabrican biomoléculas de mayor tamaño y complejidad. Todas estas macromoléculas como proteínas, ácidos nucleicos (ADN y ARN) y polisacáridos (almidón, glucógeno, celulosa) son polímeros; es decir, son compuestos caracterizados por la repetición de uno o más átomos o grupos de átomos (monómeros o unidades constituyentes) en su estructura.
Cuadro 2.1. Concentración de los bioelementos en el cuerpo humano*
Nota: los 27 bioelementos están agrupados según su abundancia relativa (porcentaje de masa corporal) y concentración absoluta (kg, g, mg y μg).
* Modificado de J. Emsley (2001).
** Expresadas como porcentaje de la masa corporal total.
*** Expresadas como la concentración absoluta. En ambos casos, los valores corresponden a un individuo de 70 kg de peso corporal.
A MAYOR PESO MÁS ESCASOS
Después de CHON, los siguientes ocho bioelementos más abundantes en los organismos vivos tienen números atómicos menores a 21 y sus concentraciones absolutas se encuentran en el intervalo de los kilogramos a los gramos (cuadro 2.1). En orden creciente según su número atómico, estos bioelementos son: sodio (Na), magnesio (Mg), silicio (Si), fósforo (P), azufre (S), cloro (Cl), potasio (K) y calcio (Ca), y de ellos, sólo el silicio es un oligoelemento. Aunque algunos autores incluyen en este subgrupo al aluminio (Al) y al flúor (F), para la mayoría de los expertos no se trata de bioelementos esenciales y se consideran solamente elementos químicos benéficos, como el flúor, por su papel en la prevención de caries dentales. Además del Na, Mg, K y Ca, la mayoría de los iones metálicos presentes en las células, por ejemplo, vanadio (V), cromo (Cr), manganeso (Mn), hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), cobre (Cu) y zinc (Zn), son bioelementos cuyo número atómico es menor a 31. Finalmente, y en este mismo contexto, es notable que sólo cinco bioelementos: bromo (Br), molibdeno (Mo), estaño (Sn), yodo (I) y tungsteno (W), tienen números atómicos por arriba de 34; siendo los más pesados I (53) y W (74). Algunos estudios sugieren que el plomo (Pb), cuyo peso atómico es 82, podría ser un elemento químico benéfico.
Macrominerales
Por otra parte, excluyendo a los del grupo chon y considerando sus concentraciones y requerimientos nutricionales en el ser humano, los bioelementos restantes se dividen en tres grupos: macrominerales, elementos traza y elementos ultratraza u oligoelementos. Los requerimientos dietéticos de los macrominerales se hallan en el orden de los gramos o fracciones de gramo por día. El consumo de una dieta balanceada hace innecesario suplementar el aporte de estos bioelementos. Al subgrupo de los macrominerales pertenecen cuatro iones metálicos (Na+, Mg2+, K+ y Ca2+) y tres no metálicos (P, S, y Cl–).
La palabra ión proviene del vocablo griego îon y se emplea para designar a un átomo, molécula o conjunto de moléculas que tienen una o más cargas eléctricas. Como ya dijimos, cuando la carga del ión es positiva se le denomina catión y se representa con el signo +; si la carga es negativa se llama anión y se utiliza el signo –; para representarla. Además y dependiendo del número de cargas, los iones pueden ser monovalentes como el catión Na+ y el anión Cl–; o bien, divalentes como los cationes Ca2+ y Fe2+. Esta cualidad electroquímica de algunos bioelementos cuando están disueltos en el agua y las propiedades de permeabilidad selectiva de la membrana celular son determinantes de las concentraciones y del balance dinámico que para varios de estos iones se mantienen dentro y fuera de las células. El control y regulación de este balance o gradiente de concentración iónica, especialmente el de los cationes Na+ y K+ y del anión Cl–, son fundamentales para la supervivencia de todos los sistemas biológicos. Sin embargo, para algunos autores, el calcio es el ión más valioso entre los elementos biogénicos. Además de ser el principal componente estructural de diversos tejidos (hueso, dientes, cartílago, etc.), el calcio es un elemento clave en la contracción muscular y la transmisión de los impulsos nerviosos, en la liberación de neurotransmisores, en la secreción de hormonas y otros productos de exportación celular, así como en la coagulación sanguínea y en la división celular.
Elementos traza y ultratraza
La importancia biológica de los elementos traza y ultratraza fue descubierta hacia finales del siglo XIX a partir de estudios de la microbiología, la botánica y la medicina veterinaria. Los requerimientos dietéticos de los elementos traza se ubican en el intervalo de los miligramos/día, mientras que los de los ultratraza son mil veces menores, es decir, del orden de los microgramos (µg/día). Los bioelementos traza incluyen otros cuatro iones metálicos que están en forma de cationes divalentes: Mn2+, Fe2+, Cu2+ y Zn2.
Es importante destacar que la mayoría de los biometales son componentes esenciales de diferentes enzimas y otras proteínas celulares. De hecho, se ha estimado que aproximadamente la mitad de todas las proteínas sintetizadas por los organismos vivos son metaloproteínas, o sea, proteínas que contienen elementos metálicos en su estructura. Por ejemplo, el zinc desempeña un papel primordial en la función reproductiva y del sistema inmune, así como en la síntesis de los ácidos nucleicos, y se conocen cuando menos doscientas enzimas que contienen zinc en su sitio activo. Además, aproximadamente 3% de los genes en los mamíferos codifican para proteínas que contienen arreglos estructurales especializados llamados dedos de zinc. Estos “dedos”, o mejor dicho el espacio entre ellos, permiten la interacción específica de las proteínas que los contiene con el ADN para así regular el copiado o trascripción de los genes.
Hoy en día se propone que 19 elementos químicos de la tabla periódica pertenecen al subgrupo de los bioelementos ultratraza. Así, aunque en términos de su concentración los oligoelementos constituyen menos de 1% de los átomos presentes en los seres vivos (cuadro 2.1), por su número, ellos corresponden a más de 50% de todos los elementos biogénicos conocidos (ver figura 2.2). En orden creciente con respecto a su número atómico, los elementos ultratraza propuestos son: Li, B, Al, Si, V, Cr, Co, Ni, Ge, As, Se, Br, Rb, Mo, Cd, Sn, I, W y Pb. Existe acuerdo acerca de que 10 de ellos, B, Si, V, Cr, Co, Ni, As, Se, Mo y I, son efectivamente esenciales; mientras que, como ya se mencionó, el Al, el Li y el Pb son solamente elementos benéficos pero no esenciales. En los restantes, se cuenta con evidencias experimentales, si bien no definitivas, que apuntan a que efectivamente podría tratarse de bioelementos esenciales. Puede apreciarse que la mitad de los elementos ultratraza que son reconocidos como esenciales corresponde a elementos metálicos. Así, el número total de elementos biogénicos metálicos asciende a 13 (Na+, Mg2+, K+, Ca2+, V2+, Cr2+, Mn2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+ y Mo2+), y con excepción de sodio, magnesio y molibdeno, los restantes pertenecen al cuarto periodo (K Kr) de la tabla periódica. En la literatura especializada y para destacar su importancia funcional, al conjunto de biometales se le designa con el término metaloma. En este mismo contexto, en una clara analogía con los conceptos de genoma y proteoma, hoy en día se emplea el término metaboloma para referirse a la intricada red de procesos y mecanismos involucrados en la absorción, transporte, captura, almacenamiento, incorporación a biomoléculas (organificación), función, reciclado y eliminación de los bioelementos en los organismos vivos. Consecuentemente, tanto en el estudio de la nutrición humana y animal como en la agricultura, está ocurriendo una revolución conceptual y de enfoque analítico. Se trata de un nuevo enfoque o paradigma científico a partir del cual ha surgido la transdisciplina llamada metabolómica.
En suma, a la fecha se reconoce que para funcionar adecuadamente todos los organismos vivos requieren de 27 (quizá unos pocos más) elementos químicos naturales. Indiscutiblemente, es un número relativamente pequeño de átomos o ladrillos químicos, sobre todo si se compara con la enorme diversidad de organismos que caracterzan a la biosfera. A lo anterior habría que agregar que los cuatro bioelementos más abundantes en términos de su concentración celular (96%), son también los más ligeros y pequeños. Asimismo, es notable que poco más de la mitad de todos los bioelementos hasta ahora reconocidos sean relativamente más pesados y de mayor tamaño (excepto el boro) y, consecuentemente, que la mayoría de ellos sean también elementos traza o ultratraza. Por todo lo anterior se ha propuesto que la evolución y la selección de los elementos químicos biogénicos ocurrieron principalmente por presiones o restricciones inherentes a su reactividad y estabilidad química o termodinámica, y no tanto por razones de cuantía o abundancia. En este contexto de cantidad o abundancia versus reactividad/estabilidad química, como veremos con más detalle en el siguiente capítulo, es importante hacer notar que hasta ahora, entre todos los bioelementos reconocidos como tales, solamente hay dos aniones, ambos son halógenos; es decir, los dos pertenecen al grupo viia de la tabla periódica. Además, mientras que uno de ellos, el cloro, es el más abundante en el agua de mar y también está presente en la estratosfera; el otro, el yodo, es uno de los bioelementos ultratraza más escasos (ver cuadros 2.2, 2.3 y 2.4).
Cuadro 2.2. Los 10 elementos más abundantes en los océanos*
* Modificado de J. Emsley (2001).
** p. p. m., partes por millón por peso; es decir, miligramos del elemento por kilogramo de agua de mar (densidad promedio a 4°C = 1.028 g/ml). Aun en el caso de las concentraciones bajas, la cantidad total de los elementos disuelta en los océanos es tan vasta como los propios mares.
Cuadro 2.3. Los 10 elementos más abundantes en la litosfera*
* Modificado de J. Emsley (2001).
** p. p. m., partes por millón (mg/kg).
Cuadro 2.4. Los 10 elementos gaseosos más abundantes en la atmósfera*
* Modificado de J. Emsley (2001).
** p. p. m., partes por millón (mg/L).
Para saber más:
Angenault, J., Diccionario enciclopédico de química, 1a. ed. en español, México, Editorial Continental, 1998.
Audersik T., y G. Audersik, Biología. La vida en la Tierra, 4a. ed., México, Prentice-Hall Hispanoamericana, 1996.
Bloomfield, M. M., y L. J. Stephens, Chemistry and the Living Organisms, 6a. ed., Nueva York, John Wiley & Sons, 1996.
Emsley, J., Nature’s Building Blocks, Nueva York, Oxford University Press., 2001.
Expert Consultation WHO/FAO/IAEA, Trace Elements in Human Nutrition and Health, Génova, WHO, 1996.
Frieden, E., “The Chemical Elements of Life”, Scientific American, 227, 1972, pp. 52-60.
Mertz, W., “The Essential Trace Elements”, Science, 213, 1981, pp. 1332-1338.
____, “Review of the Scientific Basis for Establishing the Essentiality of Trace Elements”, Biol Trace Elem Res, 66, 1998, pp. 185-191.
Nielsen, F., “Ultratrace Elements”, en M. J. Sadler, J. J. Strain y B. Caballero (eds.), Encyclopedia of Human Nutrition, vol. 3, Londres, Academic Press, 1999, pp. 1884-1897.
Young, V. R., “Trace Element Biology: the Knowledge Base and its Application for the Nutrition of Individuals and Populations”, J Nutr, 133, 2003, pp. 1581S-1587S.
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1 Mendeleev nació en Tobol'sk, Siberia. Era hijo del director de la escuela secundaria local, Iván Pavlovitch Mendeleev, y el más joven de 14 o 17 hermanos (la cifra exacta está sujeta a discusión). Tras la muerte de su padre y el incendio de la fábrica de vidrio que sostenía a la familia, el joven Dmitri Ivanovich, su hermana mayor, Elizabeth, y su tesonera madre, María Dmitrievna Korniliev, se trasladaron primero a Moscú y finalmente a San Petersburgo, en donde ingresó al Instituto Pedagógico Central para estudiar física y matemáticas. Concluyó sus estudios en 1855 con los máximos honores (medalla de oro) y viajó a Francia y Alemania para continuar su formación de posgrado. En 1860 asistió al Primer Congreso Internacional de Química en donde escuchó las propuestas del químico italiano Stanislao Cannizzaro (1826-1910), quien dos años antes había mostrado que utilizando las leyes publicadas en 1811 por el célebre físico, también italiano, Amedeo Avogadro (conde de Quaregna), se podían deducir los pesos atómicos de los gases y del resto de elementos. En 1861, Mendeleev regresó a San Petersburgo llevando consigo una copia de la tabla de pesos atómicos de Cannizzaro. Con esta información ideó una forma de organizar los elementos hasta entonces conocidos. Los colocó en orden según su peso atómico y luego los agrupó en filas y columnas, basado en sus propiedades químicas y físicas. De esta forma descubrió un patrón en sus valencias que mostraban una secuencia repetitiva y que las columnas agrupaban elementos con la misma valencia, cuyas propiedades químicas tienden a ser semejantes. [regresar]
CAPÍTULO 3.
LOS HALÓGENOS Y LA SAL DE LA VIDA
La vida no se distingue por sus constituyentes químicos, sino
por el comportamiento de estos componentes. La pregunta ¿qué
es la vida?, es una trampa lingüística. De acuerdo con las reglas
de la gramática, habría que responder con un nombre, una
cosa. Pero la vida… más que un nombre, es un verbo. Se repara,
se mantiene, se recrea, y se trasciende a sí misma.
L. Margulis y D. Sagan, 1996.
HALÓGENOS Y MEDIO INTERNO
Alrededor de 25 elementos químicos naturales son esenciales para todas las formas de vida conocida. Estos bioelementos, independientemente de la manera en la cual se encuentre estructurado el organismo, subyacen y son parte del carácter vivo del sistema. En otras palabras: los bioelementos son los componentes básicos de la vida y es su compleja e incesante interacción la que determina tanto la organización o genotipo como la estructura o fenotipo del individuo. Entre estos átomos biogénicos destacan los pertenecientes al grupo VIIA de la tabla periódica, los cuales se conocen con el nombre genérico de halógenos. Sin embargo, antes de ocuparnos de este grupo particular de bioelementos, es importante subrayar una noción que ha sido fundamental en el desarrollo de la biología contemporánea. Los orígenes de este concepto se remontan a los trabajos del precursor de la medicina experimental, el gran fisiólogo francés Claude Bernard (1813-1878). En su célebre Introduction à l’etude de la médicine expérimentale (París, 1865), Bernard propuso que “en los seres vivos complejos (elevados) hay por lo menos dos medios que considerar: el medio exterior o extraorgánico y el medio interior o intraorgánico”.
Bernard acuñó el término milieu interieur o “medio interno” para referirse a “todos los líquidos circulantes, el líquido sanguíneo y los fluidos intraorgánicos”, y enfatizó que no obstante su diversidad, “todos los mecanismos vitales tienen por objeto mantener la constancia de dicho medio interno”. Estas ideas seminales acerca de la constancia del medio interno y los mecanismos que contribuyen a preservarla, fueron asimiladas y desarrolladas por otros investigadores a lo largo del siglo XX. En 1929, el fisiólogo estadounidense Walter B. Cannon (1871-1945) propuso el conocido vocablo homeostasis (del gr. hómoios, semejante, y stásis, estabilidad), para referirse “a los procesos fisiológicos coordinados, de los cuales resulta el mantenimiento de esta estabilidad”. El propio Cannon señala que la palabra homeostasis “no representa en modo alguno la idea de inmovilidad, de estancamiento. Se refiere a una condición que por su propia variación permanece relativamente constante”.
Homeostasis y homeorresis
Así, a lo largo del siglo XX se sentaron las bases para empezar a comprender una de las características operacionales más conspicuas de los sistemas biológicos: su capacidad para autorregular y conservar, dentro de ciertos límites, estados que bien podemos llamar enantiomórficos (del griego enantíos, opuesto o adverso, y morphé, forma) o de interacción complementaria entre opuestos. Hoy en día se reconoce que todos los organismos vivos son sistemas dinámicos complejos y no lineales, alejados del equilibrio termodinámico, que mantienen un estado relativamente estable, precisamente una homeostasis, mediante la instalación y operación simultánea de respuestas y mecanismos adaptativos que paradójicamente varían alrededor de un objetivo. En otras palabras: la homeostasis o estabilidad relativa se alcanza mediante la variación, como sucede con los cambios en la forma de los órganos del embrión hasta adquirir su estructura relativamente estable. Llamar a estas variaciones estabilizadas, que transcurren en una ruta definida, cambios homeorréticos (del griego rhéos, flujo o cambio) o de cambio estabilizado correspondió precisamente a un eminente embriólogo, Conrad H. Waddington (1905-1975). Al desarrollo de estas ideas sobre cómo operan los mecanismos homeorréticos en los sistemas biológicos, han contribuido, principalmente, las teorías de la información (Claude E. Shannon, 1916-2001) y del control o cibernética (Norbert Wiener, 1894-1964), así como la teoría de las estructuras disipativas y los sistemas alejados del equilibrio termodinámico (Ilya Prigogine, 1917-2003, Premio Nobel de Química 1977). En 1948, los teoremas de Shannon mostraron que la información es una medida del orden y que paradójicamente, dentro de ciertos límites, el ruido o redundancia contenido en un mensaje, reduce la incertidumbre o entropía (desorden) y aumenta la probabilidad de conocer o decodificar la información. Estas nociones sobre el determinismo y la probabilidad fueron complementadas por Wiener, un prodigioso matemático que se doctoró en Harvard antes de cumplir los 19 años de edad, y cuyo padre era un prestigiado filólogo y profesor de lenguas eslavas en la misma universidad. En el terreno de la biología, los trabajos de Wiener mostraron que entre los mecanismos de control y regulación homeostática de los sistemas vivos, son primordiales las asas informáticas cerradas de retro y anteroalimentación (de los vocablos en inglés, feedback y feedforward, respectivamente). Posteriormente, los trabajos del fisicoquímico ruso-belga Prigogine acerca del orden y el desorden en sistemas fisicoquímicos relativamente complejos, permitieron comprender que los organismos vivos son sistemas dinámicos e inestables que tienden a mantenerse en un estado estacionario y fluctuante (homeostasis y homeorresis), que les permite, simultáneamente, generar estructuras disipativas y mayor complejidad y autoorganización.
Tasuta katkend on lõppenud.
