para un organismo biológico cuando la reducción de su aporte o disponibilidad nutricional provoca disfunción, enfermedad o inclusive la muerte del individuo; o bien, cuando dicho elemento es parte integral de una estructura orgánica y vital (figura 2.2). Demostrar que un elemento químico es esencial para la vida, especialmente en los elementos traza y ultratraza, no ha sido fácil y continúa siendo un problema que ha requerido el concurso de diferentes disciplinas del conocimiento científico. Para todos los elementos esenciales se ha establecido una dosis o intervalo de concentración en el cual su ingestión o exposición es segura o está libre de toxicidad. Este intervalo es parte de la denominada curva dosis-respuesta total, la cual tiene la forma de una campana. Esta curva fue propuesta y formulada matemáticamente en 1912 por el químico y biólogo francés Gabriel Bertrand (1867-1962), quien fuera jefe del servicio de química biológica del Instituto Pasteur desde 1900 hasta su muerte. Los extremos inferior y superior de la curva son incompatibles con la vida y corresponden a ingestas deficientes y tóxicas, respectivamente. Estos dos segmentos de la curva son dosis-dependientes y delimitan una meseta que corresponde al intervalo de concentraciones (dosis) en las cuales el elemento en cuestión satisface los requerimientos nutricionales del organismo.
Figura 2.2. La tabla periódica de los elementos. La tabla periódica que aquí se muestra no es exactamente la publicada en 1869 por el renombrado químico ruso Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907) y tampoco una de las cerca de 700 variantes que se han propuesto desde entonces. En realidad es una versión simplificada y adaptada para los propósitos del libro. Se conserva la distribución original de los átomos por periodo y por grupo, es decir, por renglón y por columna respectivamente. Por supuesto también se señalan peso y número atómico, así como el símbolo de cada uno de los elementos. Sin embargo, no se muestran los elementos cuyo número atómico es mayor al del lantano 57 (La) y que les da el nombre lantánidos a todos los elementos comprendidos entre éste y el lutecio (Lu), cuyo número atómico es 71. Tampoco aparecen los 14 elementos radioactivos llamados actínidos (del gr., aktinos, rayo), que comprenden desde el torio 90 (Th) al laurencio 103 (Lr), todos ellos producidos por fisión nuclear. Por otro lado, se señalan todos los llamados bioelementos que se mencionan en este capítulo y que están enlistados en el cuadro 2.1. Igualmente, se destacan las diferencias en cuanto a su abundancia relativa en los seres vivos, dividiéndolos en abundantes, menos abundantes y elementos ultratraza (oligoelementos).
El cómo y el porqué éstos y no otros de los demás átomos de los elementos químicos naturales fueron seleccionados para constituir la materia prima de los organismos vivos, son preguntas que aún no tienen una respuesta cabal. Sin embargo, sí está claro que la abundancia relativa del elemento jugó un papel comparativamente menor; mientras que su solubilidad e interacción con el agua, así como el número de protones contenidos en el núcleo (número atómico del elemento) y su densidad de carga, parecen haber sido determinantes.
LIGEROS, PEQUEÑOS Y ABUNDANTES
Citados en orden creciente según su número atómico, los cuatro elementos biogénicos más abundantes en todos los organismos vivos son el hidrógeno (H), el carbono (C), el nitrógeno (N) y el oxígeno (O). Estos cuatro bioelementos representan aproximadamente 96% de los átomos presentes en los seres vivos y, con fines nemotécnicos, se han enseñado en la escuela con las siglas chon. Es importante subrayar que se trata de elementos relativamente ligeros, cuyo número atómico no es mayor a 8 (cuadro 2.1).
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
