Bioelementos y Principios Inmediatos

El examen espectroscópico de las estrellas y galaxias ha permitido comprobar que todo el universo conocido está formado por los mismos elementos químicos, agrupados en distintas proporciones. Los seres vivos también están constituidos por los mismos elementos que el resto del cosmos; no existen átomos exclusivos de lo viviente.

Bioelementos

Los bioelementos, o elementos biogénicos, son los que forman parte de los seres vivos, aunque en proporciones muy variables y a menudo pequeñísimas. Se han identificado algo más de setenta bioelementos, casi todos ellos estables. En realidad, excluyendo los gases nobles, son muy pocos los elementos que no se han encontrado en el conjunto de la biosfera, si bien, no todos estos bioelementos son indispensables para todos los seres vivos. Lo significativo no es el tipo de elementos presentes en la materia viva, sino la proporción en que se encuentra cada uno de ellos. Todos son importantes y necesarios para el correcto funcionamiento de los seres vivos.

Atendiendo a su abundancia, se pueden clasificar del siguiente modo:

1. Bioelementos Mayoritarios

Son los que están siempre presentes en la materia viva. A su vez, se pueden distinguir dos grupos:

• Bioelementos Primarios: carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), azufre (S) y fósforo (P). Constituyen los componentes esenciales con los que se construye la materia viva para formar las biomoléculas o principios inmediatos.
• Bioelementos Secundarios: magnesio (Mg), calcio (Ca), potasio (K), sodio (Na) y cloro (Cl). Son elementos menos abundantes que los anteriores, pero desempeñan funciones vitales en la fisiología celular.

2. Oligoelementos Esenciales

Son también bioelementos esenciales para la vida, pero se encuentran en cantidades muy pequeñas que no superan el 0,1%. Estos son: hierro (Fe), manganeso (Mn), cobre (Cu), cinc (Zn), flúor (F), yodo (I), boro (B), silicio (Si), vanadio (V), cromo (Cr), cobalto (Co), selenio (Se), molibdeno (Mo) y estaño (Sn).

3. Oligoelementos No Esenciales

Este grupo lo forman el resto de los elementos químicos que, aun no siendo esenciales para todos los organismos, a menudo desempeñan importantes funciones. Merece especial mención el carbono, no porque sea más importante que los demás bioelementos, sino porque sus características atómicas le permiten formar largas cadenas carbonadas, que sirven de esqueleto para grandes biomoléculas.

Para aislar los bioelementos de una muestra biológica es preciso romper sus moléculas mediante procedimientos químicos. Por eso, un análisis elemental de la materia viva nos da una visión muy parcial de lo que es.

Principios Inmediatos y Biomoléculas

Los principios inmediatos están formados por la combinación de los bioelementos. Si un material biológico se trata solo mediante procedimientos físicos que no cambian la composición molecular, se consiguen aislar diversas sustancias químicas sin alterar. Estas reciben el nombre de principios inmediatos, que comprenden las biomoléculas (glúcidos, lípidos, proteínas y nucleótidos), el agua y las sales minerales, sólidas o en disolución. Su nombre indica que constituyen por sí mismos, sin intermediarios, la materia viva; por eso pueden extraerse de ella mediante procedimientos físicos (disolución, evaporación, decantación, etc.). Como contraste, a los bioelementos se les ha dado también el nombre de principios mediatos de la materia viva y pueden aislarse de la misma mediante métodos químicos.

Desde el punto de vista biológico, es importante destacar que, de los seis grupos de principios inmediatos, las sales minerales y el agua no son exclusivas de los seres vivos; sin embargo, las biomoléculas sí lo son, lo que significa que es necesario que los organismos las sinteticen. A estos distintos principios inmediatos, agrupados en función de su presencia -exclusiva o no exclusiva- en los seres vivos, se los denomina a veces moléculas orgánicas e inorgánicas respectivamente. Esta terminología es discutible desde un punto de vista biológico, ya que se puede considerar que cualquier molécula, por sencilla que sea, desde el momento en que está integrando un organismo vivo, es orgánica. Según esto, el agua y las sales son tan constitutivas de la materia viva como las proteínas o los ácidos nucleicos, por lo que el agua también es una biomolécula.

Estudio de la Materia Viva

Terminología Usual

Algunos términos de uso frecuente cuando el ser vivo se somete a estudio son:

• Anatomía: Estudio de las partes de un organismo mediante disección. Lo que describe la anatomía, tanto a escala macroscópica como microscópica, tiene existencia física y es tangible.
• Morfología: Estudio de la forma, tamaño y aspecto externo de las partes o del todo de un organismo. La descripción morfológica de un organismo o de un órgano nos informa del color que tiene, de la textura de su superficie, etc.
• Fisiología: Estudio del funcionamiento de un organismo. La fisiología estudia procesos dinámicos que suceden en el ser vivo, y de ahí la gran dificultad de su investigación. Muchas veces es necesario deducir lo que ha ocurrido en el organismo vivo a partir de los análisis realizados después de su muerte.
• Estructura y Ultraestructura: Disposición de las partes con relación al todo y a su función. Un estudio estructural tiene en cuenta la morfología en cuanto posibilita que el ser vivo realice determinadas funciones. De ahí, el inseparable binomio de la relación estructura-función a cualquier nivel, desde el molecular hasta el de poblaciones.

Microscopía Óptica

Tipos de Microscopios Ópticos

• Microscopio Estereoscópico: También llamado lupa binocular. Permite apreciar el relieve de la muestra.
• Microscopio Binocular: Permite observar con ambos ojos, pero no se aprecia relieve, ya que solo está duplicado el ocular.
• Microscopio Monocular: Utiliza solamente un objetivo y un ocular. Tanto este como el binocular permiten observaciones a mayor aumento y con más resolución de la imagen que con el microscopio estereoscópico.

Microscopía Electrónica

Los microscopios electrónicos utilizan como fuente de radiación un haz de electrones procedente del calentamiento de un filamento de tungsteno, el cátodo, mediante una corriente eléctrica. El principio fundamental de la microscopía electrónica es que cualquier electrón, según la teoría cuántica, lleva asociado un comportamiento ondulatorio. Los electrones viajan desde el cátodo hasta el ánodo a gran velocidad, y se dirigen a través de una columna hueca en la que se ha hecho el vacío para que no choquen con las moléculas de gas y se dispersen. El haz de electrones es guiado a la muestra mediante un sistema de lentes, que en realidad son electroimanes capaces de desviar la trayectoria de los electrones, puesto que estos son partículas cargadas. Las ondas asociadas al haz de electrones poseen una longitud de onda mucho menor que la de la luz visible.

Microscopio Electrónico de Transmisión (MET)

El microscopio electrónico de transmisión se utiliza para observar secciones muy finas de muestras. Los cortes deben ser muy delgados, de unos 500 nm. La imagen que se obtiene depende de la variación en la dispersión de los electrones al incidir sobre las diferentes estructuras que componen la muestra. Con este microscopio se pueden distinguir estructuras de 1 nm o de tamaños incluso menores. El aumento, en condiciones óptimas, puede llegar a ser de 500.000.

Para que el material biológico resulte opaco a los electrones, se tiñe con átomos de metales pesados como el oro o el osmio, que impregnan determinadas regiones de la muestra; esto provoca la dispersión de los electrones incidentes. La imagen se ve en una pantalla fluorescente monocromática, sobre la cual inciden los electrones.

Técnicas de Sombreado Metálico

El microscopio electrónico de transmisión también se utiliza para conseguir imágenes que reflejen la textura superficial del material biológico, mediante una técnica denominada de sombreado metálico. Consiste en depositar una fina capa de un metal, como el oro o el platino, evaporado al vacío y dirigido oblicuamente. Posteriormente, un baño ácido disuelve el material biológico, dejando una réplica metálica de la superficie de la muestra que puede ser examinada con el microscopio electrónico de transmisión. El metal queda depositado con un grosor desigual, y esto le da a la imagen un aspecto de relieve.

Microscopio Electrónico de Barrido (MEB)

El microscopio electrónico de barrido es el instrumento destinado a examinar con gran claridad y detalle la superficie de muestras sin seccionar, cuyo tamaño puede variar entre el de un virus o el de la cabeza de un insecto. Este tipo de microscopio tiene la ventaja, con respecto al MET, de que permite observar objetos enteros previamente sombreados. La muestra se recubre por evaporación al vacío con una fina capa de un metal pesado como el platino. El haz de electrones es lanzado contra la superficie del objeto, barriéndola rápidamente y no atravesándola, como ocurre en el microscopio electrónico de transmisión. Las moléculas de la muestra se excitan y emiten haces de electrones secundarios que, convenientemente enfocados, se recogen en la pantalla monocromática de un monitor.

Criofractura

Mediante técnicas como la criofractura, los investigadores pueden obtener un elevado grado de información de las muestras procesadas para microscopía electrónica. Consiste en congelar la muestra rápidamente. Para evitar el daño que produciría la formación de cristales de hielo, la muestra se sumerge en compuestos crioprotectores como el glicerol; posteriormente, se congela muy rápidamente en líquidos de muy baja temperatura de congelación, como el freón líquido (-150 °C), el nitrógeno líquido (-196 °C) o incluso el helio líquido.

Análisis de los Componentes de la Materia Viva

El objetivo principal de estos métodos es conseguir separar los constituyentes celulares sin alterar su estructura. Aunque es difícil, cada vez se está más cerca de lograrlo.

• Las técnicas de cultivo celular permiten realizar análisis in vitro de sistemas simplificados y controlados. Las células en cultivo son un excelente material para estudiar actividades celulares: la endocitosis, el movimiento celular, la división de la célula, el “tráfico” a través de la membrana, la síntesis de macromoléculas, el intercambio de iones, etc.
• Las técnicas de análisis químico permiten la identificación de determinadas biomoléculas. Por ejemplo, la extracción de los lípidos de un material biológico mediante éter-alcohol con el aparato de Soxhlet; la identificación de glucosa por el reactivo de Fehling, o la determinación de proteínas mediante la reacción del Biuret.
• La obtención de precipitados, la filtración y la decantación son procedimientos usuales para ir separando las sustancias que integran una muestra. Una dificultad en el análisis de material biológico es la similitud molecular que tienen muchos constituyentes, aun siendo diferentes. Para separarlos e identificarlos existen varias técnicas como las siguientes.

Cromatografía

Reúne una gran variedad de técnicas destinadas a fraccionar una mezcla de componentes disueltos, a medida que se desplazan a través de una matriz porosa. La técnica, en general, se basa en la diferente afinidad que tienen las moléculas por un disolvente y por la trama porosa de la matriz a través de la que fluyen. Cualquier tipo de cromatografía ofrece a los componentes de la mezcla dos fases alternativas a las que pueden asociarse: una fase móvil que contiene el disolvente, y una fase inmóvil formada por la matriz porosa. Cuanto mayor es la afinidad de una molécula por la matriz, más lento será su avance a través de la misma. Como los componentes de una mezcla tienen distinta afinidad por la matriz, se separarán diferencialmente. El progreso de la cromatografía ha consistido en encontrar nuevos soportes porosos que facilitan la migración de las sustancias cada vez con mayor resolución. Entre otros tipos, se encuentran: la cromatografía en capa fina (gel de sílice sobre vidrio) y en columna (capas de materiales inertes, finamente granulados, dispuestas en un cilindro a través del cual fluye el eluyente). La cromatografía de alta resolución (HPLC: high pressure liquid chromatography) es una variedad de cromatografía en columna, en la que la velocidad de migración aumenta considerablemente. La mezcla se somete a elevada presión, y se hace pasar a través de la columna de un material granulado en esferas minúsculas, consiguiendo la separación en menos tiempo.

Electroforesis

La electroforesis tiene el mismo fundamento físico que la cromatografía, pero se lleva a cabo en presencia de un campo eléctrico. Las moléculas con carga eléctrica neta, como las proteínas, se separan en función de su capacidad para migrar en dicho campo.

Ultracentrifugación

La ultracentrifugación consiste en someter una mezcla homogeneizada de un tejido cualquiera a una rotación de elevada velocidad angular, originándose una fuerza centrífuga miles de veces mayor que la fuerza de la gravedad. De este modo, aunque las masas de distintas partículas sean muy similares, se consigue que sedimenten en tiempos distintos, quedando los diferentes componentes estratificados en el fondo del tubo.

Técnica de Radioisótopos

Ciertas sustancias, conocidas como trazadores, pueden manifestar su presencia de alguna forma, y permiten seguir su recorrido durante un experimento. Frecuentemente, estos trazadores se marcan con isótopos radiactivos (átomos que contienen una agrupación inestable de protones y neutrones). La inestabilidad de los isótopos radiactivos confiere al átomo una tendencia a fragmentarse para alcanzar una configuración más estable. La desintegración de un isótopo radiactivo da como resultado la liberación de energía contenida en alguna partícula, o una radiación electromagnética que puede detectarse con sistemas apropiados. Durante la desintegración de los átomos, la radiactividad emitida puede ser de tres tipos: partículas alfa, partículas beta y radiación gamma. El tipo de radiación más fácil de detectar y de cuantificar es el de las partículas beta. Los emisores de partículas se pueden detectar mediante dos técnicas diferentes: la espectrometría de centelleo líquido y la autorradiografía.

1. Espectrometría de Centelleo Líquido

Se basa en la propiedad que tienen ciertas moléculas fosforescentes o centelleantes para absorber parte de la energía de una partícula emitida y liberarla en forma de luz. En el contador de centelleo, se coloca la mezcla de la molécula fosforescente y el isótopo radiactivo, de forma que un fotodetector capta la emisión de partículas beta. La señal es posteriormente amplificada en un fotomultiplicador y, tras eliminar la señal de ruido de fondo, se determina la magnitud de la radiactividad en forma de cuentas por minuto sobre el aparato de registro del contador.

2. Autorradiografía

Se utiliza para localizar radioisótopos inmovilizados dentro de un corte de tejido, tanto de microscopía óptica como en la rejilla de microscopía electrónica de transmisión, en un cultivo celular, etc. Todo ello es posible gracias a la capacidad que tienen las partículas emitidas por un átomo radiactivo para impresionar una emulsión fotográfica.