El Carbono es el componente fundamental de las moléculas orgánicas
¿Es puro azar o existe una razón?
Los bioelementos
Los seres vivos están constituidos, a su nivel más elemental, por elementos químicos.
Todos los elementos que forman parte de los seres vivos se denominan Bioelementos.
De los 118 elementos químicos de la tabla periódica, hay unos 70 que se encuentran en los seres vivos (25 realmente importantes, unos cuantos dudosos y de otros sólo se han encontrado trazas).
Estos se combinan para formar moléculas (aunque algunos también se encuentran sin combinar, en forma de iones cargados eléctricamente), desde las más simples como el agua (H2O) hasta otras extremadamente complejas, como las proteínas o el ADN.
Las moléculas se agrupan para formar estructuras más complejas y éstas acaban dando lugar a las células, que forman a los tejidos y estos, los órganos, que se organizan en aparatos.
Entre todos estos bioelementos, hay 4 esenciales por su abundancia, ya que ellos sólos constituyen aproximadamente el 96% del peso de cualquier ser vivo. Por ello reciben el nombre de Bioelementos primarios y son: Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno (C, H, O, N). Algunas clasificaciones incluyen en este grupo al Fósforo (P) y Azufre (S), aunque es una cuestión de criterios y no tiene mayor importancia.
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| (elaboración propia) |
De acuerdo a este porcentaje, el que más representación tiene en el peso de la materia viva es el O, con un 65% del total (es decir, en un individuo de 100 kg de peso, 65 de esos kgs corresponden a O), como se puede observar en la tabla.
Sin embargo, si tenemos en cuenta el número total de átomos de cada uno de ellos, el más abundante es el H, con un 63% del total. Es decir, de cada 100 átomos que componen un ser vivo, 63 de ellos son H (algo lógico si pensamos que es el elemento más abundante en el universo), mientras unos 25 son O.
El hecho de que el H sólo represente el 10% del peso siendo con creces el más abundante es debido a su pequeña masa atómica (1), muy inferior a la del O (16), de manera que un sólo átomo de O pesa tanto como 16 de H.
Si multiplicamos estos pesos atómicos por la abundancia de cada uno, nos da un total de 63 (63x1) para el H y 408 (25,5x16) para el O. Esto indica que el total del O existente en un ser vivo es aproximadamente 6,5 veces más pesado que el total del H, como se corrobora en los porcentajes respecto al peso (65 frente a 10).
El resto de bioelementos se agrupan, según también su relevancia en el peso de los seres vivos, en otros dos tipos, los Bioelementos Secundarios (Ca, P, S, Na, K, Cl y Mg) y los Oligoelementos (Fe, Mn, Co, Cu, F, etc.). Para más información, consultar el artículo "¿De qué estamos hechos?".
El Carbono y las biomoléculas
En los seres vivos el agua es mayoritaria, ocupando del orden de un 70% en peso de todo organismo (aunque varía entre el 50 y el 98%).
Aparte del agua y una pequeña cantidad de sales minerales, en forma de iones disueltos (Na, K, Ca...) o precipitadas (como los carbonatos o fosfatos de calcio de los huesos, por ejemplo), que no suponen más del 1% de total, el resto de un organismo está formado por las denominada Biomoléculas orgánicas (en contraposición a las inorgánicas, agua y sales minerales).
Hay 4 tipos de biomoléculas orgánicas: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
Si nos fijamos en la composición, todas ellas estás constituidas por C, H y O. Sólo en algunos casos especiales, hay glúcidos que contienen algún átomo diferente y lípidos con N o P, mientras que las proteínas contienen, además de C, H y O, N y S. Y los ácidos nucleicos, C, H, O, N y P.
Un detalle fundamental de estas moléculas es que es el C el elemento clave en ellas, ya que su estructura está formada básicamente por una especie de "esqueleto de átomos de C" unidos entre sí y a los que también se unen los demás elementos, dando lugar a moléculas que pueden llegar a ser enormemente grandes y complejas.
Esto se aprecia con claridad en los siguientes ejemplos, en los que se muestra la estructura química de la glucosa (imagen tomada de "montessorimuddle.org") y de una grasa (imagen propiedad de Harrigan, G., Maguire, G., and Boros, L.). En ambas se puede ver que un conjunto de átomos de C forman la estructura básica de la molécula y a ellos se unen otros de H y O.
Podríamos afirmar, por tanto que las biomoléculas orgánicas están constituidas por un "esqueleto de átomos de C", que es la base de su estructura.
Esto convierte al C en el elemento fundamental de los seres vivos, que es la piedra angular sobre la que se han construido las moléculas que caracterizan a la materia viva.
De hecho, se llaman moléculas orgánicas a todas aquellas que contienen C como elemento esencial en su composición.
Inmediatamente surge la siguiente pregunta:
¿Por qué precisamente Carbono?
Es lógico deducir que el hecho de que sea precisamente este elemento el que forma los esqueletos de las biomoléculas orgánicas no es algo al azar, sino que tiene fundamentos de peso para que así sea, como ocurre en todos los aspectos y niveles de la organización de la materia viva.
Entre las diversas razones que justifican esto, destacamos las siguientes:
- El átomo de C es pequeño: su número atómico es 6 (sólo hay 5 más pequeños, H, He, Li, Be y B), lo que significa que tiene 6 protones en su núcleo y 6 electrones en la corteza. Además, en el núcleo tiene 6 neutrones, por lo que su masa atómica (suma de la masa de protones y neutrones, que es 1) es 12. Por tanto, es pequeño y poco pesado y eso es una gran ventaja a la hora de formar grandes moléculas sin que éstas sean excesivamente pesadas.
- Tiene una especial facilidad para unirse a otros átomos: como se observa en la imagen, los electrones se distribuyen de forma que hay 2 en la primera capa de la corteza (como ocurre en todos los elementos) y 4 en la segunda. Como esta segunda capa, para estar "completa" (para que este nivel sea energéticamente estable) debería tener 8, quedarán 4 "huecos", que son los que le permiten enlazarse con hasta 4 átomos diferentes (o no; por ejemplo, el metano, un hidrocarburo gaseoso, está formado por un átomo de C al que se unen 4 de H, CH4), lo que abre mucho las posibilidades para formar estructuras con numerosos átomos. Por tanto, se dice que el C tiene una valencia de 4 y al ser justamente la mitad de los necesarios, puede ocurrir que necesite perder esos 4 o ganar la misma cantidad para ser estable, lo que abre una gran cantidad de posibilidades de unión con otros.
- Los átomos de C pueden unirse entre ellos: esta facilidad para formar enlaces se extiende también a otros átomos de C, por lo que cada uno puede unirse a 1, 2, 3 o hasta otros 4 carbonos, a cada uno de los cuales les quedarían libres otros 3 huecos para unirse a otros átomos, incluyendo otros carbonos. De aquí la posibilidad de formar largas cadenas de C (como ocurre en los ácidos grasos, por ejemplo) o estructuras cíclicas (cerradas), como vemos en la molécula de la glucosa de la anterior imagen (esto es posible gracias, además de la capacidad de enlace, a su pequeño tamaño, que permite que estos enlaces sufran giros y se no se sitúen siempre linealmente).
- Los enlaces que forma son fuertes: al ser átomos pequeños, cuando se unen, quedan muy cerca entre ellos, lo que permite la formación de grandes estructuras formadas por muchos átomos y que éstas permanezcan estables.
De "socratic.org" - Puede formar enlaces dobles e incluso triples: con algunos elementos, como el O, el C es capaz de formar dobles enlaces, es decir, que se comparten dos electrones en lugar de uno para unirse. Así, un átomo de C puede unirse a dos de O mediante dos dobles enlaces, para formar una molécula estable, el CO2, que es un gas y se disuelve con facilidad en el agua, siendo así una fuente accesible de C para muchos organismos (como los fotosintéticos, que lo fijan del aire), que son los que lo incorporan a las cadenas tróficas y lo ponen a disposición del resto de seres vivos. También pueden formarse enlaces dobles entre carbonos, e incluso triples, es decir que dos C se unen compartiendo 2 ó incluso 3 de sus electrones, en lugar de uno solo, algo que otorga mayor versatilidad a las moléculas (por ejemplo, la diferencia entre grasas saturadas e insaturadas está esencialmente en que los ácidos grasos de las insaturadas contienen dobles o triples enlaces).
De todo esto deducimos que el C puede unirse a otros carbonos, formando cadenas o estructuras cerradas y también a O, H, N y casi cualquier otro elemento, de muy diferentes formas. Ello nos da una enorme capacidad para originar estructuras muy diversas, desde pequeñas a muy grandes, lo suficientemente estables y sin un peso excesivo.
No hay ningún otro elemento de la tabla periódica que reúna estas características, lo que hace del C el átomo perfecto para formar la base de las moléculas que constituyen todos los seres vivientes.
¿Podría ser Silicio?
En alguna ocasión se ha planteado la posibilidad de que la vida pudiera haberse organizado en base al Silicio, un elemento muy similar en algunos aspectos al Carbono. Incluso se ha teorizado que podría ser posible otro tipo de vida, en algún planeta lejano, con el Si como elemento esencial de la estructura de las moléculas que compusieran la materia viviente.Además, el Si es el elemento más abundante en la corteza terrestre, después del O, por lo que los seres vivos basados en éste tendrían, en principio, grandes cantidades a su disposición.
Sin embargo, no aparece en los sistemas vivientes. Veamos por qué.
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| Moléculas de SiO2 unidas formando estructuras regulares no flexibles (De "wikipedia.org") |
Pero este número atómico, más del doble que el del C, indica que es un átomo más grande, por lo que al enlazarse entre ellos quedan a mayor distancia y estos enlaces serán más débiles, por lo que no es posible formar largas cadenas estables ni formas cerradas flexibles, sino solamente grandes masas muy pesadas y nada flexibles.
Además, también es mucho más pesado, 28 de masa atómica (pues tiene 14 protones y 14 neutrones en el núcleo), por lo que no puede formar moléculas gaseosas como el CO2. El SiO2 pesa demasiado como para ser un gas (recordemos que su nombre vulgar es cuarzo).
Por otra parte, en el SiO2 el Si no se une al O mediante dos enlaces dobles, sino que estos son simples, de modo que al Si aún le quedan dos electrones libres y a los oxígenos, de valencia 2, también le queda uno a cada uno de ellos.
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| Cuarzo cristalizado, formado por la unión de moléculas de SiO2 (Tomado de "geoetc.com" |
Por tanto, la vida basada en el Si, además de formar organismos terriblemente pesados, no podría tomar este elemento del aire, sino que tendría que hacerlo a partir de las rocas de la corteza (tendrían que "comer piedras")), algo muy complicado por la gran resistencia de estas.
Solamente participan ciertos silicatos en algunos organismos, formando estructuras esqueléticas en algunos microorganismos, como las algas "Diatomeas", pero no en organismos mayores, ya que estos han encontrado soluciones más ligeras en los carbonatos, minerales de función esquelética que forman parte de conchas o huesos.
Sin embargo, el Si ha resultado muy útil para la fabricación de los microchips que hoy día se encuentran en todos los aparatos electrónicos, gracias a sus propiedades como semiconductor (pero esto ya no es Biología...).
