1.9: Elementos esenciales para la vida
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- Comprender la importancia de los elementos para la nutrición.
De los aproximadamente 115 elementos conocidos, solo los 19 resaltados en morado en la Figura\(\PageIndex{1}\) son absolutamente requeridos en la dieta humana. Estos elementos, llamados elementos esenciales, están restringidos a las primeras cuatro filas de la tabla periódica, con solo dos o tres excepciones (molibdeno, yodo y posiblemente estaño en la quinta fila). Algunos otros elementos son esenciales para organismos específicos. Por ejemplo, se requiere boro para el crecimiento de ciertas plantas, el bromo se distribuye ampliamente en organismos marinos, y el tungsteno es necesario para algunos microorganismos.
Figura\(\PageIndex{1}\): Los Elementos Esenciales en la Tabla Periódica. Los elementos que se sabe que son esenciales para la vida humana se muestran en púrpura; los elementos que se sugieren como esenciales se muestran en verde. Los elementos que no se sabe que son esenciales se muestran en gris.
¿Qué hace que un elemento sea “esencial”? Por definición, un elemento esencial es aquel que se requiere de por vida y cuya ausencia da como resultado la muerte. Debido a las dificultades experimentales que implica producir deficiencias lo suficientemente graves como para causar la muerte, especialmente para los elementos que se requieren en concentraciones muy bajas en la dieta, generalmente se usa una definición algo más amplia. Un elemento se considera esencial si una deficiencia causa de manera consistente un desarrollo o funcionamiento anormal y si la suplementación dietética de ese elemento, y solo ese elemento, previene este efecto adverso. Los científicos determinan si un elemento es esencial criando ratas, polluelos y otros animales con una dieta sintética que ha sido cuidadosamente analizada y complementada con niveles aceptables de todos los elementos excepto el elemento de interés (E). Los ambientes ultraclean, en los que se utilizan jaulas de plástico y se elimina cuidadosamente el polvo del aire, minimizan la contaminación inadvertida. Si los animales crecen normalmente con una dieta que es lo más baja posible en E, entonces o E no es un elemento esencial o la dieta aún no está por debajo de la concentración mínima requerida. Si los animales no crecen normalmente con una dieta baja en E, entonces sus dietas se complementan con E hasta que se alcanza un nivel en el que los animales crecen normalmente. Este nivel es la ingesta mínima requerida del elemento E.
Clasificación de los Elementos Esenciales
La composición elemental aproximada de un humano adulto sano de 70.0 kg (154 lb) se enumera en la Tabla\(\PageIndex{1}\). Tenga en cuenta que la mayor parte de la materia viva consiste principalmente en los llamados elementos a granel: oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre, los bloques de construcción de los compuestos que constituyen nuestros órganos y músculos. Estos cinco elementos también constituyen el grueso de nuestra dieta; se requieren decenas de gramos diarios para los humanos. Otros seis elementos —sodio, magnesio, potasio, calcio, cloro y fósforo— a menudo se denominan macrominerales porque proporcionan iones esenciales en los fluidos corporales y forman los principales componentes estructurales del cuerpo. Además, el fósforo es un constituyente clave tanto del ADN como del ARN: los bloques de construcción genéticos de los organismos vivos. Los seis macrominerales están presentes en el cuerpo en cantidades algo menores que los elementos a granel, por lo que correspondientemente se requieren niveles más bajos en la dieta. Los elementos esenciales restantes, llamados oligoelementos, están presentes en cantidades muy pequeñas, que van desde unos pocos gramos hasta algunos miligramos en un humano adulto. Finalmente, los niveles medibles de algunos elementos se encuentran en humanos pero no son necesarios para el crecimiento o la buena salud. Ejemplos son el rubidio y el estroncio, cuya química es similar a la de los elementos inmediatamente por encima de ellos en la tabla periódica (potasio y calcio, respectivamente, que son elementos esenciales). Debido a que los mecanismos del organismo para extraer potasio y calcio de los alimentos no son 100% selectivos, se absorben pequeñas cantidades de rubidio y estroncio, que no tienen una función biológica conocida.
| Elementos a Granel (kg) | Macrominerales (g) | ||
|---|---|---|---|
| oxígeno | 44 | calcio | 1700 |
| carbono | 12.6 | fósforo | 680 |
| hidrógeno | 6.6 | potasio | 250 |
| nitrógeno | 1.8 | cloro | 115 |
| azufre | 0.1 | sodio | 70 |
| magnesio | 42 | ||
| Elementos traza (mg) | |||
| hierro | 5000 | plomo | 35 |
| silicio | 3000 | bario | 21 |
| zinc | 1750 | molibdeno | 14 |
| rubidio | 360 | boro | 14 |
| cobre | 280 | arsénico | ~3 |
| estroncio | 280 | cobalto | ~3 |
| bromo | 140 | cromo | ~3 |
| hojalata | 140 | níquel | ~3 |
| manganeso | 70 | selenio | ~2 |
| yodo | 70 | litio | ~2 |
| aluminio | 35 | vanadio | ~2 |
Los oligoelementos
Debido a que es difícil detectar niveles bajos de algunos elementos esenciales, los oligoelementos fueron relativamente lentos para ser reconocidos como esenciales. El hierro fue el primero. En el siglo XVII, se demostró que la anemia era causada por una deficiencia de hierro y muchas veces se curaba complementando la dieta con extractos de uñas oxidadas. No fue hasta el siglo XIX, sin embargo, que se encontraron trazas de yodo para eliminar el bocio (una glándula tiroides agrandada). Es por ello que la sal común de mesa es “yodada”: se agrega una pequeña cantidad de yodo. Se demostró que el cobre era esencial para los humanos en 1928, y el manganeso, el zinc y el cobalto poco después de eso. No se sabía que el molibdeno fuera un elemento esencial hasta 1953, y la necesidad de cromo, selenio, vanadio, flúor y silicio se demostró solo en los últimos 50 años. Parece probable que en el futuro otros elementos, posiblemente entre ellos el estaño, se encuentren esenciales en niveles muy bajos.
Muchos compuestos de oligoelementos, como el arsénico, el selenio y el cromo, son tóxicos e incluso pueden causar cáncer, sin embargo estos elementos se identifican como elementos esenciales en la Figura\(\PageIndex{1}\). De hecho, hay alguna evidencia de que una bacteria ha reemplazado el fósforo por arsénico, aunque el hallazgo es polémico. Esto ha abierto la posibilidad de una “biosfera sombra” en la Tierra en la que la vida evolucionó a partir de un ancestro común aún no detectado. ¿Cómo pueden ser esenciales los elementos tóxicos para la vida? Primero, la toxicidad de un elemento a menudo depende de su forma química, por ejemplo, solo ciertos compuestos del cromo son tóxicos, mientras que otros se utilizan en suplementos minerales. Segundo, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\), cada elemento tiene tres posibles niveles de ingesta dietética: deficiente, óptimo y tóxico en orden de aumentar la concentración en la dieta. Los niveles de ingesta muy bajos conducen a síntomas de deficiencia. En algún rango de niveles de ingesta más altos, un organismo es capaz de mantener sus concentraciones tisulares del elemento a un nivel que optimiza las funciones biológicas. Finalmente, en algún nivel de ingesta superior, los mecanismos reguladores normales están sobrecargados, provocando la aparición de síntomas tóxicos. Cada elemento tiene su propia curva característica. Tanto el ancho de la meseta como la concentración específica correspondiente al centro de la región de meseta difieren tanto como varios órdenes de magnitud para diferentes elementos. En el humano adulto, por ejemplo, la ingesta diaria recomendada es de 10—18 mg de hierro, 2—3 mg de cobre y menos de 0.1 mg de cromo y selenio.
Amplificación
¿Cómo pueden los elementos que están presentes en cantidades tan minúsculas tener efectos tan grandes en la salud de un organismo? Nuestro conocimiento de las vías por las cuales cada uno de los oligoelementos conocidos afecta la salud está lejos de ser completo, pero ciertas características generales son claras. Los oligoelementos participan en un mecanismo de amplificación; es decir, son componentes esenciales de moléculas biológicas más grandes que son capaces de interactuar con o regular los niveles de cantidades relativamente grandes de otras moléculas. Por ejemplo, la vitamina B 12 contiene un solo átomo de cobalto, el cual es esencial para su función biológica. Si la molécula cuyo nivel es controlado por el oligoelemento puede regular el nivel de otra molécula, y cada vez más moléculas, entonces existe el potencial de amplificación extrema de pequeñas variaciones en el nivel del oligoelemento. Un objetivo de la investigación química moderna es dilucidar en detalle los roles de los elementos esenciales. En capítulos posteriores, presentaremos algunos resultados de esta investigación para demostrar la importancia biológica de muchos de los elementos y sus compuestos.
Resumen
Alrededor de 19 de los aproximadamente 115 elementos conocidos son esenciales para los humanos. Un elemento esencial es aquel cuya ausencia da como resultado una función biológica anormal o desarrollo que se previene mediante la suplementación dietética con ese elemento. Los organismos vivos contienen cantidades relativamente grandes de oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre (estos cinco elementos se conocen como los elementos a granel), junto con sodio, magnesio, potasio, calcio, cloro y fósforo (estos seis elementos se conocen como macrominerales). Los otros elementos esenciales son los oligoelementos, que están presentes en cantidades muy pequeñas. La ingesta dietética de elementos varía de deficiente a óptima a tóxica con cantidades crecientes; los niveles óptimos difieren mucho para los elementos esenciales.