La quÃmica de la vida. Carlos Valverde RodrÃguez
que existen en la Tierra. Estos elementos ingresan al organismo por medio de los alimentos y los líquidos que ingiere y absorbe; o bien, a través del aire que respira. Por ejemplo, en un cuerpo humano adulto promedio, de 70 kg de peso corporal, la cantidad de estroncio es de alrededor de 320 mg, mientras que la de oro y uranio es de siete y 0.07 mg, respectivamente. Sin embargo, e independientemente de su cantidad, estos y muchos otros elementos químicos no desempeñan ninguna función biológica conocida; es decir, no pertenecen al selecto grupo de los bioelementos.
La vida, tal como la conocemos actualmente, tiene una composición química singular. En efecto, sin importar el reino al que pertenezcan: animales, plantas, hongos, protistas y moneras (ver figura 2.1), todos los organismos vivos emplean y requieren sólo unos cuantos elementos o unidades constructivas. A la fecha se tienen evidencias, en algunos casos muy sólidas y en otros no tan consistentes, de que cerca de una tercera parte de los 92 elementos químicos naturales (desde el hidrógeno hasta el uranio) pertenecen a este grupo singular de ladrillos químicos de la vida. Por lo tanto, resultaría relativamente lógico suponer que la vida puede definirse por su composición química; es decir, refiriendo aquellos elementos químicos que son comunes y esenciales a la estructura y función de todas las células conocidas. En un nivel de mayor complejidad, la vida también podría describirse señalando qué moléculas la caracterizan y los mecanismos que subyacen a las funciones que esas moléculas llevan a cabo. Sin embargo, aunque obviamente la vida es un fenómeno químico, su carácter distintivo no reside en la química como tal. Veremos más adelante que una de las singularidades de la vida procede fundamentalmente de sus propiedades informáticas; en otras palabras, un organismo vivo es un complejo sistema que procesa información.
Figura 2.1. Los cinco reinos de la biología. Todos y cada uno de los seres vivos en la biosfera están formados por una de dos clases de células. Las nuestras, las de las plantas y las del resto de animales, hongos y protistas, poseen núcleo y de ahí su nombre de eucariotas (del gr., eû, bien y káryon, núcleo), que quiere decir células con núcleo verdadero. La otra clase de células, las bacterianas, no tiene un núcleo propiamente dicho y se les llama procariotas. Así pues, procariotas y eucariotas forman los dos grandes sistemas o supergrupos de organismos vivos en la Tierra. Antes de 1970, todas las formas de vida se clasificaban en dos reinos: Animalia y Plantae. A las bacterias, los hongos y a los protistas fotosintéticos se les consideraba plantas, y los protozoarios (del gr., prôtos, primero y zóon, animal) eran clasificados como animales. Fue el ecólogo estadounidense Robert H. Whittaker (1924-1980) quien propuso el esquema actual de clasificación en cinco reinos. Efectivamente, utilizando como criterio si mostraban una organización celular procariótica o eucariótica, Whittaker identificó dos reinos de microorganismos básicamente unicelulares: el Monera y el Protista. El primero consiste en células procarióticas, generalmente unicelulares, mientras que el segundo consta de células eucarióticas, también casi siempre unicelulares. Los tres reinos restantes: Plantae, Fungi y Animalia son eucarióticos y casi todos son multicelulares. El término monera (del gr., monéres, solitario) fue empleado por primera vez por el célebre naturista alemán Ernst Heinrich Haeckel (1834-1919) para referirse a: “la forma más simple de protoplasma libre, sin núcleo”. Este investigador también acuñó el término ecología y es el autor de la popular aunque incorrecta frase: “La ontogenia recapitula a la filogenia”. Haeckel estudió medicina y entre sus maestros se encuentran Rudolph Virchow y Rudolf Albert von Kölliker, fundadores de la patología celular y de la embriología moderna, respectivamente.
Pero antes de volvernos a ocupar de los ladrillos químicos de la vida, conviene recordar la extraordinaria aportación hecha en 1869 por el químico ruso Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907).1 Adelantándose 27 años al descubrimiento del electrón por Joseph Thomson (1856-1940) y casi medio siglo antes de que Ernest Rutherford (1871-1937) descubriera el núcleo atómico en 1911, con gran intuición e ingenio, Mendeleev aplicó todo lo conocido hasta ese entonces y predijo lo desconocido. En efecto, a la edad de 35 años y por entonces enfermo, el joven científico pidió a su amigo y colega, el profesor Menshutken, leer ante la Sociedad Química de Rusia su trabajo intitulado “The Dependence Between the Properties of the Atomic Weights of the Elements”. Además de describir las propiedades de poco más de 60 elementos, en ese trabajo Mendeleev estableció las bases de la ley periódica de los elementos y con ello desarrolló el llamado sistema periódico o tabla periódica de los elementos químicos que ahora lleva su nombre (figura 2.2). No es exagerado afirmar que con la aportación de este polifacético científico ruso, no sólo culminó la clasificación definitiva de los citados elementos, sino que también se abrió el paso a los grandes avances experimentados por la química en el siglo xx. En su honor, en 1955, el recién descubierto elemento 101 fue bautizado como mendelevio.
Regresemos ahora al propósito central de este capítulo y veamos ese selecto grupo de los llamados bioelementos. Se acepta que un elemento químico es esencial 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,