La palabra ión proviene del vocablo griego îon y se emplea para designar a un átomo, molécula o conjunto de moléculas que tienen una o más cargas eléctricas. Como ya dijimos, cuando la carga del ión es positiva se le denomina catión y se representa con el signo +; si la carga es negativa se llama anión y se utiliza el signo –; para representarla. Además y dependiendo del número de cargas, los iones pueden ser monovalentes como el catión Na+ y el anión Cl–; o bien, divalentes como los cationes Ca2+ y Fe2+. Esta cualidad electroquímica de algunos bioelementos cuando están disueltos en el agua y las propiedades de permeabilidad selectiva de la membrana celular son determinantes de las concentraciones y del balance dinámico que para varios de estos iones se mantienen dentro y fuera de las células. El control y regulación de este balance o gradiente de concentración iónica, especialmente el de los cationes Na+ y K+ y del anión Cl–, son fundamentales para la supervivencia de todos los sistemas biológicos. Sin embargo, para algunos autores, el calcio es el ión más valioso entre los elementos biogénicos. Además de ser el principal componente estructural de diversos tejidos (hueso, dientes, cartílago, etc.), el calcio es un elemento clave en la contracción muscular y la transmisión de los impulsos nerviosos, en la liberación de neurotransmisores, en la secreción de hormonas y otros productos de exportación celular, así como en la coagulación sanguínea y en la división celular.
Elementos traza y ultratraza
La importancia biológica de los elementos traza y ultratraza fue descubierta hacia finales del siglo XIX a partir de estudios de la microbiología, la botánica y la medicina veterinaria. Los requerimientos dietéticos de los elementos traza se ubican en el intervalo de los miligramos/día, mientras que los de los ultratraza son mil veces menores, es decir, del orden de los microgramos (µg/día). Los bioelementos traza incluyen otros cuatro iones metálicos que están en forma de cationes divalentes: Mn2+, Fe2+, Cu2+ y Zn2.
Es importante destacar que la mayoría de los biometales son componentes esenciales de diferentes enzimas y otras proteínas celulares. De hecho, se ha estimado que aproximadamente la mitad de todas las proteínas sintetizadas por los organismos vivos son metaloproteínas, o sea, proteínas que contienen elementos metálicos en su estructura. Por ejemplo, el zinc desempeña un papel primordial en la función reproductiva y del sistema inmune, así como en la síntesis de los ácidos nucleicos, y se conocen cuando menos doscientas enzimas que contienen zinc en su sitio activo. Además, aproximadamente 3% de los genes en los mamíferos codifican para proteínas que contienen arreglos estructurales especializados llamados dedos de zinc. Estos “dedos”, o mejor dicho el espacio entre ellos, permiten la interacción específica de las proteínas que los contiene con el ADN para así regular el copiado o trascripción de los genes.
Hoy en día se propone que 19 elementos químicos de la tabla periódica pertenecen al subgrupo de los bioelementos ultratraza. Así, aunque en términos de su concentración los oligoelementos constituyen menos de 1% de los átomos presentes en los seres vivos (cuadro 2.1), por su número, ellos corresponden a más de 50% de todos los elementos biogénicos conocidos (ver figura 2.2). En orden creciente con respecto a su número atómico, los elementos ultratraza propuestos son: Li, B, Al, Si, V, Cr, Co, Ni, Ge, As, Se, Br, Rb, Mo, Cd, Sn, I, W y Pb. Existe acuerdo acerca de que 10 de ellos, B, Si, V, Cr, Co, Ni, As, Se, Mo y I, son efectivamente esenciales; mientras que, como ya se mencionó, el Al, el Li y el Pb son solamente elementos benéficos pero no esenciales. En los restantes, se cuenta con evidencias experimentales, si bien no definitivas, que apuntan a que efectivamente podría tratarse de bioelementos esenciales. Puede apreciarse que la mitad de los elementos ultratraza que son reconocidos como esenciales corresponde a elementos metálicos. Así, el número total de elementos biogénicos metálicos asciende a 13 (Na+, Mg2+, K+, Ca2+, V2+, Cr2+, Mn2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+ y Mo2+), y con excepción de sodio, magnesio y molibdeno, los restantes pertenecen al cuarto periodo (K Kr) de la tabla periódica. En la literatura especializada y para destacar su importancia funcional, al conjunto de biometales se le designa con el término metaloma. En este mismo contexto, en una clara analogía con los conceptos de genoma y proteoma, hoy en día se emplea el término metaboloma para referirse a la intricada red de procesos y mecanismos involucrados en la absorción, transporte, captura, almacenamiento, incorporación a biomoléculas (organificación), función, reciclado y eliminación de los bioelementos en los organismos vivos. Consecuentemente, tanto en el estudio de la nutrición humana y animal como en la agricultura, está ocurriendo una revolución conceptual y de enfoque analítico. Se trata de un nuevo enfoque o paradigma científico a partir del cual ha surgido la transdisciplina llamada metabolómica.
En suma, a la fecha se reconoce que para funcionar adecuadamente todos los organismos vivos requieren de 27 (quizá unos pocos más) elementos químicos naturales. Indiscutiblemente, es un número relativamente pequeño de átomos o ladrillos químicos, sobre todo si se compara con la enorme diversidad de organismos que caracterzan a la biosfera. A lo anterior habría que agregar que los cuatro bioelementos más abundantes en términos de su concentración celular (96%), son también los más ligeros y pequeños. Asimismo, es notable que poco más de la mitad de todos los bioelementos hasta ahora reconocidos sean relativamente más pesados y de mayor tamaño (excepto el boro) y, consecuentemente, que la mayoría de ellos sean también elementos traza o ultratraza. Por todo lo anterior se ha propuesto que la evolución y la selección de los elementos químicos biogénicos ocurrieron principalmente por presiones o restricciones inherentes a su reactividad y estabilidad química o termodinámica, y no tanto por razones de cuantía o abundancia. En este contexto de cantidad o abundancia versus reactividad/estabilidad química, como veremos con más detalle en el siguiente capítulo, es importante hacer notar que hasta ahora, entre todos los bioelementos reconocidos como tales, solamente hay dos aniones, ambos son halógenos; es decir, los dos pertenecen al grupo viia de la tabla periódica. Además, mientras que uno de ellos, el cloro, es el más abundante en el agua de mar y también está presente en la estratosfera; el otro, el yodo, es uno de los bioelementos ultratraza más escasos (ver cuadros 2.2, 2.3 y 2.4).
Cuadro 2.2. Los 10 elementos más abundantes en los océanos*
* Modificado de J. Emsley (2001).
** p. p. m., partes por millón por peso; es decir, miligramos del elemento por kilogramo de agua de mar (densidad promedio a 4°C = 1.028 g/ml). Aun en el caso de las concentraciones bajas, la cantidad total de los elementos disuelta en los océanos es tan vasta como los propios mares.
Cuadro 2.3. Los 10 elementos más abundantes en la litosfera*
* Modificado de J. Emsley (2001).
** p. p. m., partes por millón (mg/kg).
Cuadro 2.4. Los 10 elementos gaseosos más abundantes en la atmósfera*
* Modificado de J. Emsley (2001).
** p. p. m., partes por millón (mg/L).
Para saber más:
Angenault, J., Diccionario enciclopédico de química, 1a. ed. en español, México, Editorial Continental, 1998.
