Definicíon de bioelemento

bioelementos o elementos biogénicos son los elementos químicos, presentes en seres vivos. La materia viva está constituida por unos 70 elementos, la práctica totalidad de los elementos estables que hay en la Tierra, excepto los gases nobles. No obstante, alrededor del 99% de la masa de la mayoría de las células está constituida por cuatro elementos, carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N), que son mucho más abundantes en la materia viva que en la corteza terrestre.

Los elementos químicos que forman parte de la materia de los seres vivos se conocen como bioelementos o elementos biogénicos. Ninguno es exclusivo de los seres vivos, sino que todos ellos se encuentran también en la materia inanimada, aunque en distintas proporciones.
Se han identificado unos 70 bioelementos, aunque no todos están presentes en cada organismo, ni aparecen en las mismas cantidades; según su abundancia se clasifican en primarios, secundarios y oligoelementos.
Bioelementos primarios: se hallan en todos los seres vivos y en conjunto constituyen el 96% del peso de cualquier organismo. Son el C, H, O y N, y en menor % el P y el S.
- El C, H, O y N son los componentes fundamentales de las moléculas de los seres vivos llamadas biomoléculas o principios inmediatos.
- La importancia del P radica en que, por una parte, es componente de muchas biomoléculas, como los fosfolípidos y losácidos nucleicos; por otra parte, en forma de sales cristalizadas, es componente de la estructura de esqueletos y dientes
- El S forma parte de muchas proteínas y de algunas vitaminas; forma parte de los sulfatos, que son sales presentes en casi todos los sers vivos.
Bioelementos secundarios: también están en todos los seres vivos y son el Mg, Ca, K, Na y Cl; se encuentran en menor % que los anteriores, pero desempeñan funciones muy importantes en la fisiología celular.
S Mg: forma parte de la clorofila de los vegetales y en forma iónica (Mg 2+) actúa como catalizador en muchas reacciones biológicas.
S Ca: forma parte del CO3Ca, componente principal de las estructuras esqueléticas; en forma iónica (Ca 2+) interviene en la contracción muscular, coagulación sanguínea y transmisión del impulso nervioso.
S K, Na y Cl: en forma iónica (K+, Na+, Cl-) mantienen el grado de salinidad en los líquidos biológicos e intervienen en procesos fisiológicos, como la transmisión del impulso nervioso.

Nitrógeno

HISTORIA

El nitrógeno (del latín nitrum -i y éste del griego νίτρον, "nitro" -nombre que históricamente ha sido usado en forma vaga para referirse a diversos compuestos de sodio y de potasio que contienen nitrógeno-, y -geno, de la raíz griega γεν-, "generar") se considera que fue descubierto formalmente por Daniel Rutherford en 1772 al dar a conocer algunas de sus propiedades. Sin embargo, por la misma época también se dedicaron a su estudio Scheele que lo aisló, Cavendish, y Priestley.

El nitrógeno es un gas tan inerte que Lavoisier se refería a él como azote (ázoe) que significa sin vida1 (o tal vez lo llamó así por no ser apto para respirar2 ). Se clasificó entre los gases permanentes, sobre todo desde que Faraday no consiguiera verlo líquido a 50 atm y -110 °C, hasta los experimentos de Pictet y Cailletet que en 1877 consiguieron licuarlo.

Los compuestos de nitrógeno ya se conocían en la Edad Media; así, los alquimistas llamaban aqua fortis al ácido nítrico y aqua regia (agua regia) a la mezcla de ácido nítrico y clorhídrico, conocida por su capacidad de disolver el oro.disolver el oro.

El nitrógeno es componente esencial de los aminoácidos y los ácidos nucleicos, vitales para la vida y los seres vivos. Las legumbres son capaces de absorber el nitrógeno directamente del aire, siendo éste transformado en amoníaco y luego en nitrato por bacterias que viven en simbiosis con la planta en sus raíces. El nitrato es posteriormente utilizado por la planta para formar el grupo amino de los aminoácidos de las proteínas que finalmente se incorporan a la cadena trófica (véase también el ciclo del nitrógeno).

isotopos

Existen dos isótopos estables del nitrógeno, N-14 y N-15, siendo el primero —que se produce en el ciclo carbono-nitrógeno de las estrellas— el más común sin lugar a dudas (99,634%). De los diez isótopos que se han sintetizado, uno tiene un periodo de semidesintegración de nueve minutos (el N-13), y el resto de segundos o menos.

Las reacciones biológicas de nitrificación y desnitrificación influyen de manera determinante en la dinámica del nitrógeno en el suelo, casi siempre produciendo un enriquecimiento en N-15 del sustrato.

precauciones

Los fertilizantes nitrogenados son una importante fuente de contaminación del suelo y de las aguas. Los compuestos que contienen iones de cianuro forman sales extremadamente tóxicas y son mortales para numerosos animales, entre ellos los mamíferos.

Efectos del nitrógeno sobre la salud

Las moléculas de nitrógeno, en estado natural, se encuentran principalmente en el aire. En el agua y en los suelos el nitrógeno puede ser encontrado compuesto, en forma de nitratos y nitritos.

Los humanos han cambiado radicalmente las proporciones naturales de nitratos y nitritos, mayormente debido a la aplicación de estiércoles que contienen nitrato. El nitrógeno es emitido en grandes cantidades por las industrias. A lo largo de la historia, se nota un incremento de la presencia de nitratos y nitritos en el suelo y en el agua como consecuencia de reacciones que tienen lugar en el ciclo del nitrógeno. Esto se refleja en un incremento de la concentración de nitrógeno en las fuentes utilizadas para consumo humano, y por ende también en el agua potable.

Los nitratos y nitritos son conocidos por causar varios efectos sobre la salud humana. Estos son los efectos más comunes:³

• Tiene reacciones con la hemoglobina en la sangre, causando una disminución en la capacidad de transporte de oxígeno por la sangre. (nitrito)
• Provoca la disminución del funcionamiento de la glándula tiroidea. (nitrato)
• Ocasiona un bajo almacenamiento de la vitamina A. (nitrato)
• Favorece la producción de nitrosaminas, las cuales son conocidas como una de las más común causa de cáncer. (nitratos y nitritos)

Desde un punto de vista metabólico, el óxido de nitrógeno (NO) es mucho más importante que el nitrógeno. En 1987, Salvador Moncada descubrió que éste era un mensajero vital del cuerpo para la relajación de los músculos, y hoy se sabe que está involucrado en el sistema cardiovascular, el sistema inmunitario, el sistema nervioso central y el sistema nervioso periférico. La enzima que produce el óxido nítrico, la óxido-nítrico sintasa, es abundante en el cerebro. ^{[cita requerida]}

Aunque el óxido nítrico tiene una vida relativamente corta, se puede difundir a través de las membranas para llevar a cabo sus funciones. En 1991, un equipo encabezado por K.–E.Anderson del hospital universitario de Lund, Suecia, demostró que el óxido nítrico activa la erección por medio de la relajación del músculo que controla el flujo de sangre en el pene. La droga Viagra trabaja liberando óxido nítrico para producir el mismo efecto.

Al ser un gas poco reactivo, el nitrógeno se emplea industrialmente para crear atmósferas protectoras y como gas criogénico para obtener temperaturas del orden de 78K de forma sencilla y económica.

En la actualidad el nitrógeno es empleado en diversas labores; en los países desarrollados una de las más recientes y comunes es el ser empleado en lugar del aire común para el inflado de llantas y neumáticos debido a la alta eficiencia que se derivan de su uso. Su composición química molecular lo define como un gas inerte por tanto no se dilata con la fricción o el movimiento, evitando mayor presión en el neumático y por tanto fugas que se derivan en perdida de presión de la llanta, seguido por mayor esfuerzo del motor, mayor consumo de combustible, más rápido desgaste del neumático y los frenos. El uso del nitrógeno para el inflado de los neumáticos no solo redime en un ahorro directo, paralelo a esto también hace un gran aporte ecológico al disminuir las emisiones de CO2 provenientes del esfuerzo adicional que deben hacer los vehículos al perder presión constantemente en las llantas cuando son infladas con aire.

Oxígeno

HISTORIA

Primeros experimentos

El experimento deFilón inspiró ainvestigadoresposteriores.

Uno de los primeros experimentos conocidos sobre la relación entre la combustión y el aire lo desarrolló el escritor sobre mecánica de la Antigua Grecia Filón de Bizancio, en el S. II a. C.. En su obra Pneumatica, Filón observó que invirtiendo un recipiente sobre una vela prendida y rodeando el cuello de este con agua, una parte del líquido subía por el cuello.⁵¹ Supuso, de forma incorrecta, que algunas partes del aire en el recipiente se convertían en elemento clásico del fuego y, entonces, era capaz de escapar a través de poros en el cristal. Muchos siglos después, Leonardo da Vinci observó que una porción del aire se consume durante la combustión y larespiración.⁵²

A finales del S. XVII, Robert Boyle probó que el aire es necesario para la combustión. El químico inglés John Mayow perfeccionó su trabajo mostrando que solo requería de una parte del aire, que llamó spiritus nitroaereus o simplemente nitroaereus.⁵³ En un experimento, descubrió que, colocando tanto un ratón como una vela encendida en un contenedor cerrado sobre agua, hacía que esta subiera y reemplazara un catorceavo del volumen del aire antes de que se apagara la vela y muriera el ratón.⁵⁴Debido a esto, supuso que el nitroaereus se consume tanto por la respiración como por la combustión.

Mayow observó que el antimonio incrementaba su peso al calentarse e infirió que el nitroaereus debía haberse combinado con él.⁵³ Pensó también que los pulmones separaban el nitroaereus del aire y lo pasaba a la sangre, y que el calor animal y el movimiento muscular eran producto de la reacción del nitroaereus con ciertas sustancias en el cuerpo.⁵³ Publicó informes sobre estos experimentos y otras ideas en 1668, en su obra Tractatus duo, en el tratado «De respiratione»

Fotosíntesis y respiración

La fotosíntesis divide el agua para liberar O₂ y une el CO₂ al azúcar.

En la naturaleza, el oxígeno no combinado se produce por la fotodescomposición del agua durante la fotosíntesis. Según algunas estimaciones, lasalgas verdes y las cianobacterias de ambientes marinos proporcionan alrededor del 70% del producido en la Tierra, y las plantas terrestres, el resto.³⁸Otros investigadores estiman que la contribución oceánica al oxígeno atmosférico es aún mayor, mientras que otros la sitúan por debajo, en torno a un 45% del oxígeno atmosférico total del planeta cada año.³⁹

Una fórmula global simplificada de la fotosíntesis es:⁴⁰

6 CO₂ + 6 H₂O + fotones → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ (o sencillamente dióxido de carbono + agua + luz solar → glucosa + dioxógeno)

La evolución fotolítica del oxígeno tiene lugar en las membranas tilacoides de los organismos fotosintéticos y requiere la energía de cuatro fotones.^{nota 6}Están implicados muchos procesos, pero el resultado es la formación de un gradiente de un protón a través de la membrana tilacoide, que se usa para sintetizar adenosín trifosfato (ATP) por la fotofosforilación.⁴¹ El O₂ restante tras la oxidación de la molécula de agua se libera a la atmósfera.^{nota 7}

El dioxígeno molecular es esencial para la respiración celular en todos los organismos aerobios, ya que las mitocondrias lo usan para ayudar a generar adenosín trifosfato durante la fosforilación oxidativa. La reacción para la respiración aerobia es básicamente lo contrario que la fotosíntesis y se simplifica de la siguiente forma:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + 2880 kJ·mol⁻¹

En los vertebrados, el O₂ se difunde por membranas pulmonares hacia los glóbulos rojos. La hemoglobina envuelve el O₂ cambiando su color de un rojo azulado a un rojo brillante¹⁹ (el CO₂ se libera desde otra parte de la hemoglobina mediante el efecto Bohr). Otros animales usan la hemocianina(moluscos y algunos artrópodos) o la hemeritrina (arañas y langostas).³⁵ Un litro de sangre puede disolver 200 cm³ de O₂.³⁵

Las especies reactivas de oxígeno, como el ion superóxido (O₂^-) y el peróxido de hidrógeno, son peligrosos subproductos del uso de oxígeno en los organismos.³⁵ Algunas partes del sistema inmunitario de organismos más avanzados, sin embargo, crean peróxido, superóxido y oxígeno singlete para destruir microbios invasores. Las especies reactivas de oxígeno también tienen un rol importante en la respuesta hipersensible de las plantas contra ataques patógenos.⁴¹

Un adulto humano en reposo respira de 1,8 a 2,4 gramos de oxígeno por minuto.^{nota 8} Sumada la cantidad inhalada por todas las personas del planeta, hace un total de 6000 millones de toneladas de oxígeno por año.

Contenido en el cuerpo

Presiones parciales del oxígeno en el cuerpo humano (PO₂)

Unidad	Presión alveolar de los gases pulmonares	Oxígeno de la sangre arterial	Gas sanguíneo venoso
kPa	14.2	11nota 10 -13nota 10	4.0nota 10 -5.3nota 10
mmHg	107	7543 -10043	3044 -4044

El contenido de oxígeno en el cuerpo de un ser vivo es normalmente mayor en el sistema respiratorio y disminuye a lo largo de cualquier sistema arterial, los tejidos periféricos y el sistema venoso, respectivamente. El contenido de oxígeno en este sentido se suele dar como la presión parcial, que es la presión que tendría el oxígeno si ocupase por sí solo el volumen de las venas.

Dado que constituye la mayor parte de la masa del agua, es también el componente mayoritario de la masa de los seres vivos. Todas las moléculas importantes que forman parte de los seres vivos, como las proteínas, los carbohidratos y los lípidos, contienen oxígeno, así como los principales compuestos inorgánicos que forman los caparazones, dientes y huesos animales. El oxígeno elemental se produce por cianobacterias, algas y plantas, y todas las formas complejas de vida lo usan para su respiración celular. El oxígeno es tóxico para los organismos de tipo anaerobio obligado, que dominaron la vida temprana en la Tierra hasta que el O₂ comenzó a acumularse en la atmósfera. Otra forma (alótropo) del oxígeno, el ozono (O₃), ayuda a proteger la biosfera de la radiación ultravioleta a gran altitud, en la llamada capa de ozono, pero es contaminante cerca de la superficie, donde es un subproducto del esmog. A altitudes aún mayores de la órbita baja terrestre, el oxígeno atómico tiene una presencia significativa y causa erosión en las naves espaciales.

Azufre

El azufre es un elemento químico de número atómico 16 y símbolo S (del latín sulphur). Es un no metal abundante con un olor característico. El azufre se encuentra en forma nativa en regiones volcánicas y en sus formas reducidas formando sulfuros y sulfosales o bien en sus formas oxidadas como sulfatos. Es un elemento químico esencial para todos los organismos y necesario para muchos aminoácidos y, por consiguiente, también para las proteínas. Se usa principalmente como fertilizante pero también en la fabricación de pólvora, laxantes, cerillas e insecticidas

Características principales

Este no metal tiene un color amarillento fuerte, amarronado o anaranjado y arde con llama de color azul, desprendiendo dióxido de azufre. Es insoluble en agua pero se disuelve en disulfuro de carbono. Es multivalente, y son comunes los estados de oxidación -2, +2, +4 y +6.
En todos los estados (sólido, líquido y gaseoso) presenta formas alotrópicas cuyas relaciones no son completamente conocidas. Las estructuras cristalinas más comunes son el octaedro ortorrómbico (azufre α) y el prisma monoclínico (azufre β), siendo la temperatura de transición de una a otra de 96 °C; en ambos casos el azufre se encuentra formando moléculas de S₈ con forma de anillo, y es la diferente disposición de estas moléculas la que provoca las distintas estructuras cristalinas. A temperatura ambiente, la transformación del azufre monoclínico en ortorrómbico, es más estable y muy lenta.
Al fundir el azufre, se obtiene un líquido que fluye con facilidad formado por moléculas de S₈. Sin embargo, si se calienta, el color se torna marrón algo rojizo, y se incrementa la viscosidad. Este comportamiento se debe a la ruptura de los anillos y la formación de largas cadenas de átomos de azufre, que pueden alcanzar varios miles de átomos de longitud, que se enredan entre sí disminuyendo la fluidez del líquido; el máximo de la viscosidad se alcanza en torno a los 200 °C. Enfriando rápidamente este líquido viscoso se obtiene una masa elástica, de consistencia similar a la de la goma, denominada «azufre plástico» (azufre γ) formada por cadenas que no han tenido tiempo de reordenarse para formar moléculas de S₈; transcurrido cierto tiempo la masa pierde su elasticidad cristalizando en el sistema rómbico. Estudios realizados con rayos X muestran que esta forma deforme puede estar constituida por moléculas de S₈ con estructura de hélice espiral.
En estado vapor también forma moléculas de S₈, pero a 780 °C ya se alcanza el equilibrio con moléculas diatómicas y por encima de aproximadamente 1800 °C la disociación es completa y se encuentran átomos de azufre.
Además de en trozos, barras o polvo grueso, existe en el mercado una presentación en forma de polvo muy fino, llamada "Flor de azufre", que puede obtenerse por precipitación en medio líquido o por sublimación de su vapor sobre una placa metálica fría.

Fósforo

características principales

• El fósforo es un componente esencial de los organismos.
• Forma parte de los ácidos nucleicos (ADN y ARN).
• Forman parte de los huesos y dientes de los animales.
• En las plantas en una porción de 0,2% y en los animales hasta el 1% de su masa es fósforo.
• El fósforo común es un sólido.
• De color blanco, pero puro es incoloro.
• Un característico olor desagradable.
• Es un no metal.
• Emite luz por fosforescencia.

Existen varias formas alotrópicas del fósforo siendo las más comunes el fósforo blanco y el rojo; ambos formando estructuras tetraédricas de cuatro átomos. El fósforo blanco, extremadamente tóxico e inflamable presenta dos formas, alfa y beta, con una temperatura de transición de -3,8 °C; expuesto a la luz solar o al calor (300 °C) se transforma en fósforo rojo en reacción exotérmica. Éste es más estable y menos volátil y tóxico que el blanco y es el que se encuentra normalmente en los laboratorios y con el que se fabrican las cerillas. El fósforo negro presenta una estructura similar algrafito y conduce la electricidad, es el más denso que los otros dos estados y no se inflama.

Los compuestos de fósforo intervienen en funciones vitales para los seres vivos, por lo que está considerado como un elemento químico esencial, aunque recientes experimentos apuntan que algunas formas de vida pudieran sustituirlo por arsénico. Forma parte de la molécula de Pi («fosfatoinorgánico»), así como de las moléculas de ADN y ARN y de los fosfolípidos en las membranas lipídicas. Las células lo utilizan para almacenar y transportar la energía mediante el adenosín trifosfato. Además, la adición y eliminación de grupos fosfato a las proteínas, fosforilación y desfosforilación, respectivamente, es el mecanismo principal para regular la actividad de proteínas intracelulares, y de ese modo el metabolismo de las células eucariotas tales como los espermatozoides.
HISTORIA
Los compuestos de fósforo intervienen en funciones vitales para los seres vivos, por lo que está considerado como un elemento químico esencial, aunque recientes experimentos apuntan que algunas formas de vida pudieran sustituirlo por arsénico. Forma parte de la molécula de Pi («fosfatoinorgánico»), así como de las moléculas de ADN y ARN y de los fosfolípidos en las membranas lipídicas. Las células lo utilizan para almacenar y transportar la energía mediante el adenosín trifosfato. Además, la adición y eliminación de grupos fosfato a las proteínas, fosforilación y desfosforilación, respectivamente, es el mecanismo principal para regular la actividad de proteínas intracelulares, y de ese modo el metabolismo de las células eucariotas tales como los espermatozoides.
ABUNDANCIA Y OBTENCIÓN

Debido a su reactividad, el fósforo no se encuentra nativo en la naturaleza, pero forma parte de numerosos minerales. La apatita es una importante fuente de fósforo, existiendo importantes yacimientos en Marruecos, Rusia, EE. UU. y otros países.

La forma alotrópica blanca se puede obtener por distintos procedimientos; en uno de ellos, el fosfato tricálcico, obtenido de las rocas, se calienta en un horno a 1450 °C en presencia de sílice ycarbono reduciendo el fósforo que se libera en forma de vapor.

FÓSFORO ROJO

Hidrogeno

El hidrógeno es un elemento químico representado por el símbolo H¹ y con un número atómico de 1. En condiciones normales de presión y temperatura, es un gas diatómico (H₂) incoloro, inodoro, insípido, no metálico y altamente inflamable. Con una masa atómica de 1,00794(7) u, el hidrógeno es el elemento químico más ligero y es, también, el elemento más abundante, constituyendo aproximadamente el 73,9% de la materia visible del universo.

En su ciclo principal, las estrellas están compuestas por hidrógeno en estado de plasma. El hidrógeno elemental es muy escaso en la Tierra y es producido industrialmente a partir de hidrocarburos como, por ejemplo, el metano. La mayor parte del hidrógeno elemental se obtiene "in situ", es decir, en el lugar y en el momento en el que se necesita. El hidrógeno puede obtenerse a partir del agua por un proceso de electrólisis, pero resulta un método mucho más caro que la obtención a partir del gas natural.
Sus principales aplicaciones industriales son el refinado de combustibles fósiles (por ejemplo, el hidrocracking) y la producción de amoníaco (usado principalmente para fertilizantes).
El isótopo del hidrógeno más común en la naturaleza, conocido como protio (término muy poco usado), tiene un solo protón y ningún neutrón. En los compuestos iónicos, el hidrógeno puede adquirir carga positiva (convirtiéndose en un catión llamado hidrón, H⁺, compuesto únicamente por un protón, a veces acompañado de algún neutrón); o carga negativa (convirtiéndose en un anión conocido como hidruro, H^-).
El hidrógeno puede formar compuestos con la mayoría de los elementos y está presente en el agua y en la mayoría de los compuestos orgánicos. Desempeña un papel particularmente importante en la química ácido - base, en la que muchas reacciones conllevan el intercambio de protones (iones hidrógeno, H⁺) entre moléculas solubles. Puesto que es el único átomo neutro para el cual la ecuación de Schrödinger puede ser resuelta analíticamente, el estudio de la energía y del enlace del átomo de hidrógeno ha sido fundamental para el desarrollo de la mecánica cuántica.