Fundamentos Químicos de la Vida: Bioelementos, Enlaces y Estructura Molecular

Bioelementos: La Base Química de la Vida

Los bioelementos son los elementos químicos que forman parte de los seres vivos. Aunque algunos se encuentran en proporciones muy pequeñas y variables, su presencia es crucial. Existen aproximadamente 70 bioelementos, la mayoría de los cuales son estables, y su proporción relativa es fundamental para la función biológica.

Clasificación de los Bioelementos según su Abundancia

Los bioelementos se clasifican en tres grupos principales:

• Primarios (97%): Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O), Nitrógeno (N), Azufre (S) y Fósforo (P). (CHONSP)
• Secundarios (2%): Incluyen los dos cationes divalentes (Calcio, Ca; Magnesio, Mg) y los tres aniones monovalentes (Sodio, Na; Potasio, K; Cloro, Cl).
• Oligoelementos (<0,1%): Elementos traza indispensables, como Hierro, Yodo, Manganeso, Cromo, Vanadio, Cobre, Cinc (Zinc), Flúor, Boro, Molibdeno, Estaño, Selenio y Cobalto.

De Bioelementos a Biomoléculas (Principios Inmediatos)

La unión de varios bioelementos da lugar a las biomoléculas, también conocidas como principios inmediatos. Estas se clasifican en:

• Inorgánicas: Agua y sales minerales.
• Orgánicas: Glúcidos (carbohidratos), lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

Representación de Estructuras Químicas

Representaciones Moleculares

Existen diversas formas de representar la composición y estructura de una molécula:

• Fórmula Molecular: Indica el número y tipo de átomos.
• Fórmula Desarrollada: Se indican explícitamente todos los enlaces entre los átomos.
• Fórmula Semidesarrollada: Se indican los enlaces principales, generalmente aquellos entre los átomos de carbono.

Isomería

Los isómeros son compuestos que poseen la misma fórmula molecular, pero difieren en su estructura o disposición espacial (fórmula desarrollada distinta).

Representaciones Espaciales

Estas representaciones buscan mostrar la geometría tridimensional de la molécula:

1. Modelo de Varillas (o Esqueletal): Muestra la trama tridimensional del enlace, haciendo hincapié en las distancias entre los centros de los átomos y los ángulos de enlace.
2. Modelo Compacto (o de Esferas y Rellenos): Representa el tamaño y la forma real de la molécula a escala, manteniendo los radios atómicos y los ángulos de enlace.

Tipos de Enlaces Químicos en Sistemas Biológicos

Enlace Iónico

Este tipo de enlace no se encuentra en la materia viva, excepto cuando existen sales precipitadas, como los fosfatos (ejemplo: la concha de mar o el esqueleto óseo).

Enlace Covalente

El enlace covalente es el enlace químico por excelencia en la bioquímica. Es fundamental porque hace posible la gran diversidad molecular presente en la materia viva y permanece estable en medio acuoso.

Dependiendo de la polaridad, los enlaces covalentes presentan diversos comportamientos:

• Moléculas que carecen casi por completo de polaridad (ejemplo: ceras y triacilglicéridos).
• Moléculas que se comportan con fuerte hidrofobia (repelentes al agua).
• Moléculas que poseen regiones hidrófilas (solubles en agua).
• Moléculas que pueden ionizarse en disolución acuosa.

El Átomo de Carbono: Esqueleto de la Materia Viva

El carbono es el elemento central de la química orgánica y bioquímica, representando aproximadamente el 9,5% de la masa del cuerpo humano.

• Posee la capacidad de formar cuatro enlaces covalentes estables, permitiendo su unión con otros elementos.
• Sus características atómicas le permiten formar largas cadenas carbonadas que sirven de esqueleto de las grandes biomoléculas.
• Es el único elemento capaz de formar espontáneamente millones de moléculas complejas y diversas al combinarse con los demás bioelementos primarios.

Contraste con el Silicio (Si)

Aunque el silicio se encuentra en el mismo grupo que el carbono, presenta limitaciones para formar la base de la vida:

• Es sólido a la temperatura a la que se desarrolla la vida.
• Sus cadenas son menos estables debido al mayor tamaño del átomo de silicio.
• Reacciona con mucha facilidad con el oxígeno (O).

Interacciones No Covalentes (Enlaces Débiles)

Puentes de Hidrógeno (Enlaces de Hidrógeno)

Son uniones individualmente más débiles que los enlaces covalentes, pero de gran importancia biológica.

• Se forman entre regiones de dos moléculas próximas que poseen cargas iónicas parciales de distinto signo.
• Cuando se establecen múltiples puentes de hidrógeno, la unión global se vuelve muy estable.

Fuerzas de Van der Waals

Son las atracciones intermoleculares más débiles.

• Ocurren entre moléculas neutras que en algún momento presentan un dipolo inducido.
• Son cruciales en la interacción de regiones hidrofóbicas que se atraen mutuamente.