Elemento químico esencial

Se llaman elementos químicos esenciales o bioelementos a una serie de elementos químicos que se consideran esenciales para la vida o para la subsistencia de organismos determinados. Para que un elemento se considere esencial, este debe cumplir cuatro condiciones:

• La ingesta insuficiente del elemento provoca deficiencias funcionales, reversibles si el elemento vuelve a estar en las concentraciones adecuadas.
• Sin el elemento, el organismo no crece ni completa su ciclo vital.
• El elemento influye directamente en el organismo y está involucrado en sus procesos metabólicos.
• El efecto de dicho elemento no puede ser reemplazado por ningún otro elemento.

Clasificación

La mayoría son elementos ligeros. Generalmente se clasifican según su abundancia en macroelementos, elementos traza y ultratraza . Los elementos traza y ultratraza son denominados oligoelementos. En la siguiente lista se muestran los bioelementos presentes en el ser humano ordenados según su abundancia.​

• Macrolementos o Elementos abundantes: oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, calcio, fósforo, potasio, azufre, sodio, cloro, hierro

• Elementos Traza (ver Oligoelementos): flúor, zinc, cobre, silicio, vanadio, estaño, selenio, manganeso, yodo, níquel, molibdeno, cromo y cobalto

• Elementos Ultratraza:​ Son aquellos elementos que se requieren en una dosis menor a 1 mg por día. La esencialidad de dichos elementos no esta demostrada, excepto para el yodo y el molibdeno.

No todos los seres vivos tienen la misma proporción de elementos esenciales, por ejemplo el wolframio es un elemento químico esencial para algunos seres vivos. En la siguiente tabla periódica se resaltan los elementos esenciales reconocidos, así como algunos que podrían ser considerados, como el litio, cadmio y arsénico

Otro tipo de clasificación de los bioelementos

Los bioelementos también se pueden clasificar en dos tipos: bioelementos primarios y secundarios. Los bioelementos primarios constituyen el 96,2% de la materia viva y son indispensables para formar los principios inmediatos (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucléicos). Son el carbono, el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno, el fósforo y el azufre.

• El carbono: tiene la capacidad de formar largas cadenas (macromoléculas), con una gran variabilidad de moléculas de diferentes formas. Los enlaces que forma son lo suficientemente fuerte como para formar compuestos estables, y a la vez son susceptibles de romperse sin excesiva dificultad. Por esto, la vida está consituida por carbono y no por silicio, un átomo con la configuración electrónica de su capa de valencia igual a la del carbono. El hecho es que las cadenas de silicio no son estables y las cadenas de silicio y oxígeno son prácticamente inalterables, y mientras el dióxido de carbono, CO2, es un gas soluble en agua, la sílice, SiO2, es un cristal sólido, muy duro e insoluble.
• El hidrógeno: forma parte de la molécula del agua, indispensable para la vida y muy abundante en los seres vivos. Además es necesario para la formación de las moléculas orgánicas. Puede enlazarse con cualquier tipo de átomo.
• El oxígeno: es un elemento muy electronegativo que permite la obtención de energía mediante la respiración aeróbica. Además, forma con el hidrógeno enlaces polares, dando lugar a moléculas polares solubles en agua.
• Nitrógeno: también es muy electronegativo y permite la obtención de energía mediante la respiración anaeróbica (fermentación). Además, forma parte de las proteínas, está presente en todos los aminoácidos. También está presente en las bases nitrogenadas de los ácidos nucléicos. Prácticamente todo el nitrógeno es incorporado al mundo vivo como ion nitrato, por las plantas. El gas nitrógeno solo es aprovechado por algunas bacterias del suelo, algunos hongos y algunas cianobacterias.
• Azufre: se encuentra en determinados aminoácidos y permite establecer enlaces disulfuro, que mantienen la estructura de las proteínas.
• Fósforo: permite estableces enlaces ricos en energía (ATP), en los que almacena la energía obtenida en la respiración. Además,forma parte de los huesos de los vertebrados, de los ácidos nucléidos y de los fosfolípidos de la membrana plasmática. También interviene en las disoluciones tampón de los organismos, que regulan el pH.

Los bioelementos secundarios se clasifican en dos grupos: los indispensables y los variables. Entre los primeros encontramos el calcio, el sodio, el potasio, el magnesio, el cloro, el hierro, el silicio, el cobre, el manganeso, el boro, el flúor y el iodo. Los más abundantes son el sodio, el potasio, el magnesio y el calcio. Los iones sodio, potasio y cloruro intervienen en el mantenimiento del grado de salinidad del medio interno y en el equilibrio de cargas a ambos lados de la membrana. Los iones sodio y potasio son fundamentales en la transmisión del impulso nervioso; el calcio en forma de carbonato la lugar a caparazones de moluscos y al esueleto de muchos animales. el ion calcio actúa en muchas reacciones, como los mecanismos de la contracción muscular, la permeabilidad de las membranas, etc. El magnesio es un componente de la clorofila y de muchas enzimas. Interviene en la síntesis y la degradación del ATP, en la replicación del ADN y en su estabilización, etc.

Tabla periódica y bioelementos

H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

La

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

Ac

Elemento mayoritario

Elemento traza

Esencialidad discutida

Causas de la esencialidad

Hay elementos que están presentes en un organismo, pero no son esenciales. En el caso de que se quiera comprobar si la deficiencia de un elemento puede afectar a un organismo, el estudio es complicado por las pequeñas concentraciones que se manejan: es posible que el elemento llegue de forma inadvertida al organismo o puede suceder que el organismo sea capaz de aguantar con las reservas que tiene y no observarse deficiencia hasta pasadas varias generaciones.

Normalmente la esencialidad se demuestra cuando se descubre una función biológica para algún compuesto del elemento.

Se cree que estos elementos químicos se han convertido en esenciales debido a su abundancia y asequibilidad. Así, existe una buena relación entre la esencialidad de un elemento y su abundancia en la corteza terrestre o en el agua de mar.

En los casos en los que un elemento es abundante pero no esencial, se explica teniendo en cuenta que es difícil disponer de él. Por ejemplo, el aluminio es un elemento muy abundante en la corteza terrestre y no es un elemento esencial, seguramente debido a que forma compuestos muy insolubles en agua y los organismos no lo pueden captar fácilmente.

También las condiciones han cambiado desde los inicios de la vida y los organismos han podido ir adaptándose a los cambios producidos. Por ejemplo, el hierro ahora es poco asequible, pues principalmente está como Fe⁺³ que forma compuestos poco solubles y los organismos tienen que formar complejos solubles para captarlo. Sin embargo, cuando la atmósfera era menos oxidante se encontraba principalmente como Fe⁺², el cual sí forma compuestos más solubles. leo klein

Relación dosis-respuesta

Representación cualitativa de la respuesta de un organismo frente a
la dosis de un elemento químico esencial

Cualquier elemento, sea esencial o no, puede ser tóxico a partir de unas determinadas concentraciones. Para cada elemento esencial existe un rango de concentraciones considerado óptimo para un organismo. En este rango se alcanza una concentración con la que se pueden desarrollar correctamente las funciones que dependen de ese elemento, pero no es excesivamente alta como para que produzca efectos tóxicos.

Por debajo de este rango se produce la deficiencia en ese elemento, lo que conlleva la aparición de efectos patológicos o incluso la muerte del organismo.

Por encima del rango óptimo también aparecen efectos patológicos o muerte del organismo derivados de la toxicidad del elemento.

En un organismo, los niveles óptimos de un elemento se mantienen mediante “mecanismos homeostáticos”. De esta forma se controla la absorción, almacenamiento y excreción de los elementos. Sin embargo, se puede producir déficit o exceso debido a la dieta, a problemas en los mecanismos de absorción, etc.

Véase también

• Biomoléculas
• Oligoelementos

Referencias

• Günther, Bruno; Morgado, Enrique (2007). «Anexo 2 • Composición del medio interno». Fisiopatología Humana. Mediterráneo Ltda. p. 522. ISBN 956-220-265-8. 

• Harrison, Tinsley R. (2005). «62 Malnutrition and Nutritional Assessment». Harrison's PRINCIPLES OF INTERNAL MEDICINE (16° Edition edición). McGraw-Hill Medical Publishing Division. p. 411. ISBN 0-07-140235-7.