Elementos Químicos para la Vida

Los elementos químicos más destacados en la construcción de las estructuras de las moléculas de la vida son el carbono, el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno, el fósforo y el azufre, a veces representados de forma mnemotécnica como CHONPS. Estos elementos se combinan en una gran cantidad de moléculas involucradas en los procesos de la vida. Su aptitud para fabricar estos compuestos está relacionada con sus electronegatividades relativas que contribuyen a su facilidad de combinación.

Estos elementos constituyen la mayor parte de los átomos de los organismos vivos. Los elementos CHONPS son los más abundantes en el organismo a excepción del calcio al 1,5%. Además de estos elementos, varios átomos de metal desempeñan funciones de apoyo esenciales en la producción de enzimas, contribuyen a las vías de comunicación y habilitan procesos específicos en el cuerpo.

Carbono: El carbono es el elemento fundamental de toda la vida en la Tierra. Su capacidad para formar cuatro enlaces hace posible una variedad casi ilimitada de compuestos.

• Hidrocarburos contienen solo carbono e hidrógeno.
• Derivados de Hidrocarburos agregan otros elementos al carbono y al hidrógeno.
• Hidrocarburos Aromáticos contienen uno o más anillos de bencina.

Oxígeno: El oxígeno es el elemento más abundante en el cuerpo humano, un 65%. Es abundante en parte porque el cuerpo tiene hasta un 60% de agua, pero también es un componente de la mayoría de las moléculas biológicas grandes y se intercambia continuamente en el proceso del metabolismo y la respiración.

• Derivados de Hidrocarburos tienen en su mayoría oxígeno como constituyente además del carbono y el hidrógeno.
• Respiración transporta continuamente oxígeno a los procesos celulares.
• Respiración Celular oxida los alimentos en el proceso metabólico para obtener energía.
• Producción de energía en la cadena de transporte de electrones produce ATP y forma agua para su eliminación.

Hidrógeno: El hidrógeno con oxígeno es abundante en el organismo porque forma hasta un 60% de agua.

• Hidrocarburos y sus derivados contienen carbono e hidrógeno.
• Producción de energía en la cadena de transporte de electrones transporta hidrógeno para producir ATP.

Nitrógeno: El nitrógeno no es abundante en la Tierra, pero es crucial en los procesos de la vida.

• Aminoácidos son los componentes básicos de las proteínas.
• Nucleótidos que forman los ácidos nucleicos son esenciales para la vida.
• ADN es la molécula maestra de almacenamiento de información para la construcción de proteínas.
• ARN participa directamente en la transcripción de información para la construcción de proteínas y otras partes del proceso de traducción de la construcción de proteínas.

Fósforo: El fósforo no es tan abundante, pero es crucial en las fuentes de energía para los procesos de la vida.

• ATP es el compuesto de fosfato que es la fuente de energía básica para la mayoría de las interacciones moleculares en la vida.
• Glucólisis utiliza el ATP y el NAD⁺ para convertir la glucosa en piruvato en la cadena energética.

Azufre: El azufre tiene muchas funciones estructurales en las proteínas.

• Aminoácidos cisteína y metionina contienen enlaces de azufre y disulfuro en el plegamiento de proteínas que cumplen tareas clave.

Calcio: El calcio es un componente clave de los huesos y los iones de calcio también manejan información en los procesos neuronales. Como mensajero químico, no solo tiene alta velocidad, sino también la capacidad de unirse a otra molécula en la célula como una proteína con alta especificidad para realizar un cambio conformacional. El calcio y el magnesio pueden lograr esto, pero el calcio es superior para el papel, uniéndose fuertemente, muchas veces más que el magnesio.

• Fibras musculares: La contracción de las fibras musculares se inicia por la información transportada por los iones de calcio.

El Papel de los Átomos Metálicos en la Química Corporal

Aunque están presentes en cantidades relativamente pequeñas, los átomos de metal juegan un papel sorprendentemente importante en la química de la vida. Aproximadamente un tercio de las enzimas del cuerpo involucran un ión metálico como participante esencial. Desde la cadena de transporte de electrones hasta el mantenimiento de los potenciales de membrana de las células, los metales juegan un papel de apoyo esencial para los átomos involucrados en las principales estructuras de la vida.

Sodio: El sodio se une débilmente a los compuestos orgánicos y los iones de sodio son pequeños y altamente móviles, ideales para mover cargas eléctricas a altas velocidades. El sodio y el potasio son los únicos iones cuya velocidad no se ve obstaculizada por la tendencia a unirse a compuestos orgánicos.

• Transporte de la membrana celular: La facilidad y velocidad del movimiento a través de las membranas celulares ayuda a mantener los potenciales eléctricos adecuados. El sodio participa en los procesos de transporte activo a través de las membranas celulares.
• Potenciales de acción: La movilidad de los iones de sodio a través de las membranas los hace útiles para la transmisión de impulsos nerviosos asociados con las células nerviosas.

Magnesio: Está presente en todos los tipos de células de todos los organismos. Las enzimas de magnesio son necesarias para la acción catalítica de más de 300 enzimas.

• Asociación -ATP Mg²⁺: El ATP, el principal proveedor de energía celular, siempre está asociado con el magnesio.
• Fotosíntesis: El magnesio es un componente clave de la clorofila y es esencial para la eficiencia de la captura de energía luminosa. Se ha descubierto que el magnesio es mucho más eficiente que cualquier otro ion metálico, a veces por un factor de miles.

Potasio: El potasio se une débilmente a los compuestos orgánicos y los iones de potasio son pequeños y muy móviles, ideales para mover cargas eléctricas a altas velocidades. El potasio y el sodio son los únicos iones cuya velocidad no se ve obstaculizada por una tendencia a unirse con compuestos orgánicos.

• Transporte de la membrana celular: La facilidad y velocidad del movimiento a través de las membranas celulares ayuda a mantener los potenciales eléctricos adecuados. El potasio participa en los procesos de transporte activo a través de las membranas celulares.
• Potenciales de acción: La movilidad de los iones de potasio a través de las membranas los hace útiles para la transmisión de los impulsos nerviosos asociados con las células nerviosas.

Manganeso: El manganeso es importante en la fotosíntesis de las plantas.

• División del agua: La división del agua en las plantas verdes es parte de la fotosíntesis en el fotosistema-II. Implica reacciones químicas de manganeso.

Hierro: Uno de los metales más importantes en los procesos biológicos, el hierro, es clave para el transporte de oxígeno por la hemoglobina, para el transporte de electrones en el camino hacia la producción de ATP y parte de un catalizador para la fijación de nitrógeno en las plantas.

• Hemoglobina: El hierro es un componente clave de la hemoglobina, que transporta oxígeno a las células dentro de los glóbulos rojos.

• Fijación del Nitrógeno: La fijación del nitrógeno en las raíces de las plantas es un proceso esencial para la vida. Una enzima que contiene hierro y molibdeno se utiliza en el proceso de fabricación del NH₃ a partir del N₂.
• Cadena de transporte de electrones: El hierro y el cobre son componentes clave del Complejo IV en la cadena de transporte de electrones. Realizan la transferencia de electrones al oxígeno para prepararse para el paso final de hacer una molécula de agua, y también transfieren iones de hidrógeno al espacio intermembrana de las mitocondrias para el proceso de fosforilación oxidativa y producción de ATP.

Cobalto: El cobalto y el níquel a veces se denominan reliquias evolutivas debido a su frecuente aparición en antiguas bacterias anaeróbicas. La vitamina B₁₂ tiene un solo átomo de cobalto. Los usos actuales involucran enzimas dependientes de la vitamina B₁₂.

• La vitamina B₁₂: Está asociada con una serie de enzimas que contienen cobalto. Es un cofactor en la síntesis de ADN, tanto en el metabolismo de ácidos grasos como de aminoácidos. Es importante en el funcionamiento normal del sistema nervioso a través de su papel en la síntesis de mielina y en la maduración de los glóbulos rojos en la médula ósea. Una aplicación es la síntesis de jarabe de maíz con alto contenido de fructosa. En esta y otras aplicaciones del cobalto, se pueden sustituir otros metales.

Cobre: El cobre es un elemento clave en la cadena de transporte de electrones que conduce a la molécula de energía ATP en la célula.

• Cadena de transporte de electrones: El cobre y el hierro son componentes clave del Complejo IV en la cadena de transporte de electrones. Realizan la transferencia de electrones al oxígeno para prepararse para el paso final de hacer una molécula de agua, y también transfieren iones de hidrógeno al espacio intermembrana de las mitocondrias para el proceso de fosforilación oxidativa y producción de ATP.

Zinc: Por lo general, solo hay alrededor de 3 gramos de zinc en el cuerpo, pero está presente en más de 300 enzimas. Tiene un papel crucial en la conversión del CO₂ en H₂CO₃ para su transporte a los pulmones.

• Anhidrasa Carbónica: La anhidrasa carbónica es una enzima con zinc como componente clave. Participa en la conversión del producto metabólico CO₂ en ácido carbónico, H₂CO₃, en los glóbulos rojos para para su transporte a los pulmones. Cuando los glóbulos rojos llegan a los pulmones, la misma enzima ayuda a convertir los iones de bicarbonato nuevamente en dióxido de carbono, que exhalamos.

Molibdeno:: El molibdeno es el componente de iones metálicos clave en cuatro enzimas importantes de nuestro cuerpo. Es el ión metálico clave que interviene en la fijación del nitrógeno en las plantas.

• Fijación del Nitrógeno: La fijación del nitrógeno en las raíces de las plantas es un proceso esencial para la vida. Una enzima que contiene molibdeno se utiliza en el proceso de fabricación del NH₃ a partir del N₂.