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,