Bioelementos y agua

Constituyen aproximadamente el 96% de la masa total de un organismo. Son el Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O), Nitrógeno (N), Fósforo (P) y Azufre (S).

• Carbono (C): Es el pilar de la química orgánica. Gracias a su configuración electrónica, puede formar cuatro enlaces covalentes estables con otros átomos de carbono o elementos distintos, permitiendo la creación de cadenas largas, ramificadas o cíclicas.
• Hidrógeno (H): Es indispensable para formar los enlaces de carbono y constituye una parte esencial de la molécula de agua.
• Oxígeno (O): Es el elemento más electronegativo de los primarios, fundamental para la respiración celular (oxidación de moléculas para obtener energía).
• Nitrógeno (N): Componente esencial de los aminoácidos (proteínas) y de las bases nitrogenadas (ácidos nucleicos).
• Fósforo (P) y Azufre (S): El fósforo es clave en los enlaces de alta energía del ATP y en los fosfolípidos de las membranas. El azufre se encuentra en aminoácidos como la cisteína, permitiendo la formación de puentes disulfuro que estabilizan la estructura de las proteínas.

Se encuentran en una proporción cercana al 3.9%. Aunque su cantidad es menor, son absolutamente imprescindibles para la vida.

• Calcio (Ca): Fundamental en la formación de estructuras esqueléticas, en la contracción muscular, la coagulación sanguínea y como mensajero intracelular.
• Magnesio (Mg): Actúa como cofactor de muchas enzimas y es el componente central de la molécula de clorofila, permitiendo la fotosíntesis.
• Sodio (Na), Potasio (K) y Cloro (Cl): Son los principales iones responsables del mantenimiento del equilibrio osmótico y de la generación del potencial de membrana, esencial para la transmisión del impulso nervioso.

Aparecen en cantidades ínfimas (menos del 0.1%), pero su ausencia provoca enfermedades carenciales graves.

• Hierro (Fe): Componente central de la hemoglobina para el transporte de oxígeno en la sangre y de los citocromos en la cadena respiratoria.
• Yodo (I): Necesario para la síntesis de las hormonas tiroideas (tiroxina), que regulan el metabolismo energético.
• Flúor (F): Fortalece el esmalte dental y la estructura ósea.
• Cobre (Cu), Zinc (Zn) y Manganeso (Mn): Actúan principalmente como catalizadores o cofactores enzimáticos en reacciones metabólicas específicas.

La molécula de agua ($H_2O$) está formada por un átomo de oxígeno unido covalentemente a dos de hidrógeno.

1. Geometría: Los enlaces forman un ángulo de $104.5^\circ$.
2. Naturaleza Dipolar: Debido a la alta electronegatividad del oxígeno, este atrae con más fuerza los electrones compartidos, generando una densidad de carga negativa ($\delta^-$) sobre el oxígeno y densidades positivas ($\delta^+$) sobre los hidrógenos.
3. Puentes de Hidrógeno: Esta polaridad permite que las moléculas de agua se atraigan entre sí mediante enlaces débiles llamados puentes de hidrógeno. Cada molécula puede formar hasta 4 puentes con sus vecinas, creando una red dinámica responsable de sus propiedades únicas.

El agua actúa como un excelente amortiguador térmico debido a la fuerza de sus puentes de hidrógeno.

• Elevado Calor Específico: Se necesita mucha energía para elevar su temperatura, ya que parte del calor se usa en romper los puentes de hidrógeno. Esto permite que el agua actúe como estabilizador térmico frente a cambios ambientales.
• Alto Calor de Vaporización: Para pasar de líquido a gas, el agua debe absorber mucha energía. Los organismos aprovechan esto para refrigerarse mediante la sudoración.

• Cohesión y Adhesión: La cohesión (atracción entre moléculas de agua) y la adhesión (atracción por otras superficies polares) permiten el fenómeno de la capilaridad, fundamental para el ascenso de la savia bruta en las plantas.
• Tensión Superficial: La superficie del agua opone resistencia a ser traspasada, permitiendo que algunos insectos caminen sobre ella.
• Densidad Anómala: A diferencia de otras sustancias, el hielo es menos denso que el agua líquida (alcanza su densidad máxima a $4^\circ C$). Esto permite que el hielo flote, creando una capa aislante que permite la vida bajo el agua en climas fríos.

Debido a su naturaleza polar, el agua puede disolver compuestos iónicos (como la sal) y compuestos polares (como el azúcar).

• Transporte: Es el medio de transporte de nutrientes hacia las células y de productos de desecho hacia el exterior.
• Interacciones Hidrofóbicas: Las sustancias apolares (grasas) no se disuelven, lo que obliga a la formación de micelas o bicapas lipídicas, base de las membranas celulares.

• Reactivo Químico: Participa activamente en reacciones de hidrólisis (rotura de enlaces mediante agua) y es el donador de electrones en la fase luminosa de la fotosíntesis.
• Turgencia: El agua rellena las células, proporcionándoles volumen y presión. En plantas, esto mantiene la estructura erguida (esqueleto hidrostático).

El agua es incompresible. Líquidos como el líquido sinovial en las articulaciones o el cefalorraquídeo en el sistema nervioso central protegen contra impactos y rozamientos, evitando el desgaste de tejidos sensibles.

Forman estructuras sólidas, rígidas y con función de sostén o protección:

• Carbonato cálcico ($CaCO_3$): En caparazones de moluscos y esqueletos de corales.
• Fosfato cálcico ($Ca_3(PO_4)_2$): Componente principal de la matriz ósea en vertebrados.
• Sílice ($SiO_2$): En el caparazón de las diatomeas y en tallos de gramíneas.

Se encuentran disociadas en sus iones ($Na^+$, $K^+$, $Ca^{2+}$, $Cl^-$, $HCO_3^-$). Sus funciones son dinámicas:

1. Control del potencial de membrana: Transmisión del impulso nervioso.
2. Cofactores enzimáticos: Muchos iones son necesarios para que las enzimas funcionen.
3. Regulación osmótica: Mantienen el equilibrio hídrico de la célula.

La ósmosis es el paso de disolvente (agua) a través de una membrana semipermeable desde el medio más diluido (hipotónico) al más concentrado (hipertónico).

• Medio Isotónico: Equilibrio; no hay flujo neto de agua.
• Medio Hipotónico: El agua entra en la célula. En células animales puede causar citólisis (rotura); en vegetales genera turgencia.
• Medio Hipertónico: El agua sale de la célula. Provoca arrugamiento en animales y plasmólisis en vegetales (la membrana se separa de la pared celular).

Las variaciones de pH pueden desnaturalizar proteínas y detener el metabolismo. Los seres vivos usan sistemas tampón o buffer para mantener el pH constante:

• Tampón Bicarbonato: Actúa principalmente en el plasma sanguíneo (extracelular). $CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons HCO_3^- + H^+$
• Tampón Fosfato: Actúa a nivel intracelular ($H_2PO_4^- / HPO_4^{2-}$).

• Disoluciones verdaderas: Mezclas de solutos de bajo peso molecular (sales, glucosa).
• Coloides: Mezclas de moléculas grandes (proteínas, polisacáridos). Pueden presentarse en estado de sol (líquido) o gel (semisólido). El citoplasma cambia entre estos estados según las necesidades de movimiento o división celular.
• Efecto Tyndall: Los coloides dispersan la luz, a diferencia de las disoluciones verdaderas que son transparentes.

1. Diálisis: Separación de partículas de bajo peso molecular de las de alto peso molecular (coloides) a través de una membrana semipermeable. Se usa médicamente en la hemodiálisis.
2. Difusión: Proceso por el cual las partículas de soluto se distribuyen uniformemente en el disolvente.
3. Ultrafiltración: Paso de un líquido a través de un filtro con poros extremadamente pequeños, permitiendo separar incluso partículas coloidales del disolvente, proceso clave en la formación de la orina en los riñones.