Elementos de la Vida

¿Cuáles son los elementos principales de la vida?

Todas las formas de vida están formadas por materia, y todas las formas de materia están formadas por combinaciones variables de elementos. Los elementos se definen como unidades fundamentales de la materia que no pueden descomponerse ni convertirse en otras sustancias mediante reacciones químicas ordinarias. La partícula más pequeña de un elemento que mantiene sus propiedades químicas se denomina átomo.

En la actualidad, hay un total de 118 elementos: 92 de estos elementos se dan en la naturaleza, mientras que el resto se sintetizan en laboratorios y tienden a ser inestables (Fig. 1).

¿Cuáles son los 4 elementos fundamentales de la vida en biología?

De los 92 elementos que existen en la naturaleza, sólo un puñado constituye toda la vida en la Tierra.

Cuatro elementos son comunes a todos los seres vivos: carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N). Estos cuatro elementos constituyen por sí solos aproximadamente el 96% de toda la materia viva. El azufre (S), el fósforo (P), el calcio (Ca), el potasio (K) y algunos otros elementos constituyen el otro 4% de la masa de un organismo. En conjunto, estos elementos también se denominan a veces elementos principales de la vida.

Los elementos que se encuentran en los organismos vivos son muy diferentes de los de los seres no vivos. Por ejemplo, la atmósfera contiene mucho nitrógeno y oxígeno, pero muy poco carbono e hidrógeno. En cambio, la corteza terrestre contiene oxígeno e hidrógeno, pero sólo trazas de nitrógeno y carbono.

¿Cuáles son ejemplos de elementos principales en la vida cotidiana?

En el siguiente apartado, hablaremos de cómo estos elementos se combinan de diversas formas para formar compuestos presentes en todos los seres vivos. En concreto, hablaremos de cómo se combinan estos elementos para formar agua y compuestos orgánicos.

El agua

Recordemos que todos los seres vivos están compuestos por unidades básicas llamadas células. Una célula está formada principalmente por agua, que representa el 70% de su masa. Ten en cuenta que los procesos intracelulares también suelen tener lugar en un medio acuoso. Esto significa que toda la vida en la Tierra depende en gran medida de las propiedades únicas del agua.

Las moléculas de agua están formadas por dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno mediante un enlace covalente polar. Un enlace covalente se forma cuando los átomos comparten electrones en su capa más externa.

En una molécula de agua, el átomo de oxígeno es muy electronegativo, mientras que los átomos de hidrógeno son menos electronegativos. Esto crea una distribución desigual de electrones, en la que hay una región parcialmente positiva en un lado y una región parcialmente negativa en el otro. Esto convierte al agua en una molécula polar.

Al ser una molécula polar, las moléculas de agua pueden formar enlaces de hidrógeno. Los enlaces de hidrógeno confieren a las moléculas de agua propiedades importantes para la vida, como la cohesión, la moderación de la temperatura y la capacidad de disolver sustancias polares como el cloruro sódico (también conocido como sal de mesa).

Carbono y macromoléculas biológicas

Además de agua, las células están formadas por compuestos a base de carbono que pueden contener hasta unos 30 átomos de carbono.

El carbono tiene una excelente capacidad para formar grandes moléculas: tiene cuatro electrones y cuatro vacantes en su capa más externa, lo que significa que puede formar hasta cuatro enlaces covalentes con otros átomos.

Además, un átomo de carbono puede unirse a otros átomos de carbono mediante enlaces covalentes carbono-carbono muy estables que forman cadenas y anillos, lo que le permite dar lugar a moléculas grandes y complejas. Estos compuestos basados en el carbono se denominan moléculas orgánicas.

Algunas de estas moléculas orgánicas son monómeros, que son subunidades simples que se unen para formar macromoléculas poliméricas. Otras moléculas orgánicas son sustancias ricas en energía que se descomponen y se convierten en otras moléculas más pequeñas en las vías metabólicas intracelulares.

Todas las moléculas orgánicas están formadas por compuestos simples similares y se degradan en ellos. Tanto su síntesis como su descomposición tienen lugar mediante secuencias de reacciones químicas de alcance restringido y que se atienen a estrictas limitaciones. Como resultado, los compuestos de una célula son similares en su composición química, y la mayoría de ellos pueden clasificarse de la siguiente manera:

Carbohidratos son polímeros formados por monosacáridos, que son compuestos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno con la fórmula general (_CH2O)n, donde n suele ser un número de 3 a 8. Un ejemplo de monosacárido es la glucosa (_C6H12O6), una importante fuente de energía para las células.

Lípidos son polímeros compuestos de ácidos grasos y glicerol. Los ácidos grasos están formados por una cadena de hidrocarburos (C-H) y un grupo carboxilo (-COOH). El glicerol está formado por carbono, hidrógeno y oxígeno con la fórmula _C3H8O3. Un ejemplo de lípido es el fosfolípido, que está compuesto por un grupo fosfato, un glicerol y dos cadenas de ácidos grasos (Fig. 2). Los fosfolípidos constituyen la membrana plasmática que envuelve a todas las células vivas.

Las proteínas son polímeros compuestos de aminoácidos. Los aminoácidos están formados por un grupo ácido carboxílico (-COOH), un grupo amino (_-NH2), un grupo R orgánico o cadena lateral y un único átomo de carbono. En las proteínas hay 20 tipos de aminoácidos, cada uno con un grupo R diferente. Estos 20 aminoácidos se encuentran en las proteínas, ya sean de bacterias, plantas o animales.

Losácidos nucleicos están compuestos de nucleótidos. Los nucleótidos están formados por una base nitrogenada unida a un azúcar de cinco carbonos y a un grupo fosfato. El ADN y el ARN, que contienen la información genética de todos los organismos vivos, son ácidos nucleicos.

Aunque hay muchos compuestos que se encuentran en las células que no entran en estas categorías, estas cuatro familias de moléculas orgánicas constituyen una parte importante de la masa celular.

¿Cuáles son otros conceptos relacionados en relación con los elementos necesarios para la vida?

Hemos hablado de cómo los cuatro elementos principales (carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno), junto con un puñado de otros elementos (como el azufre, el calcio y el potasio) constituyen todos los organismos vivos.

Sin embargo, hay algunos otros conceptos relacionados con los elementos que merece la pena destacar. En esta sección, definiremos los elementos esenciales y los oligoelementos.

¿Qué son los elementos esenciales?

De los 92 elementos que existen en la naturaleza, alrededor del 20-25% se consideran elementos esenciales que los organismos necesitan para sobrevivir y reproducirse.

Los organismos necesitan elementos esenciales similares, aunque en distintos grados. Por ejemplo, los humanos necesitamos unos 25 elementos, mientras que las plantas sólo necesitan 17. La figura 1 muestra una lista de elementos esenciales en las plantas.

Observa que se clasifican en macronutrientes, que se necesitan en grandes cantidades, y micronutrientes, que se necesitan en cantidades mínimas (Fig. 3).

Figura 3. Esta tabla muestra los elementos esenciales que necesitan las plantas para crecer y desarrollarse con normalidad.

Sin estos elementos esenciales, una planta puede no ser capaz de completar su ciclo vital: sus semillas pueden no germinar, o puede ser incapaz de formar raíces, tallos, hojas o flores sanas. También existe la posibilidad de que la planta sea incapaz de producir semillas. Peor aún, la propia planta podría morir.

¿Qué son los oligoelementos?

Aunque los organismos necesitan algunos elementos en cantidades gigantescas (por ejemplo, hemos mencionado antes que las plantas necesitan macronutrientes como el carbono y el fósforo en cantidades enormes), necesitan otros elementos en cantidades diminutas. Estos últimos se denominan oligoelementos.

Algunos oligoelementos -como el hierro (Fe)- son necesarios para todos los organismos vivos, mientras que otros oligoelementos sólo los necesitan determinados organismos.

Por ejemplo, los vertebrados necesitan yodo (I), componente esencial de una hormona producida por la glándula tiroides. En los seres humanos, se necesitan 0,15 miligramos (mg) de yodo al día para que la tiroides funcione correctamente. Una persona con deficiencia de yodo padecerá una enfermedad llamada bocio, en la que la glándula tiroides crece hasta alcanzar un tamaño anormal. Por eso la sal de mesa suele estar "yodada", es decir, se le añade una pequeña cantidad de yodo.