1) El documento trata sobre los elementos químicos hidrógeno, carbono y silicio, y su importancia en la química bioinorgánica. 2) Explica que el hidrógeno es esencial para la vida y forma parte de todas las biomoléculas, mientras que el carbono permite la formación de una gran variedad de compuestos orgánicos gracias a su tendencia a formar enlaces. 3) También analiza las propiedades del dióxido de carbono y su papel en reacciones ácido-base de importancia bi

1. QUÍMICA BIOINÓRGANICA 2013
HIDROGENO, CARBONO Y SILICIO
Hidrogeno
El hidrogeno es el elemento más abundante del universo. En ultimo termino toda la vida
sobre la tierra depende de la energía solar, que proviene de la fusión nuclear del hidrogeno
a helio. El hidrogeno es mucho menos abundante en la tierra encontrándose casi todo en
forma de agua .El agua es una sustancia absolutamente necesaria para todas las formas de
vida conocida ;la química de la vida es química en disolución acuosa ,por lo que sin agua
no hay vida .El hidrogeno forma parte también de todas las biomoleculas, en las que se
encuentra unido al carbono, nitrógeno, oxigeno o azufre. Otras especies simples
importantes en los sistemas biológicos son los iones hidrogeno, H+ y el hidrogeno
molecular, H2 .
El enlace de hidrogeno en bioquímica
El átomo de hidrogeno se combina con otros átomos formando un enlace covalente por par
de electrones .Sin embargo, cuando esta unido a un átomo electronegativo como O o N es
capaz de unirse a otro átomo formando un enlace más débil que uno covalente pero más
fuerte que las típicas interacciones intermoleculares, el llamado enlace de hidrogeno entre
las moléculas de agua confiere a esa sustancia alguna de sus propiedades físicas mas
familiares y anómalas como que sea liquida a temperatura de ambiente ,que en estado
sólido sea menos densa que en estado liquido, etc.
El enlace de hidrogeno es de importancia crucial en biología, determinando la estructura
de mucho compuesto fundamentales. Así, por ejemplo, la estructura en doble hélice del
ADN está determinada por la formación de enlaces de hidrogeno entre las bases
nitrogenadas adenina, guanina y timina .Esta forma determina su papel estructural y en las
enzimas controla su reactividad y selectividad. Los enlaces de hidrogeno son también
fundamentales muchas veces en la interacción enzima-sustrato.
El pH de la vida
La concentración de iones hidrógeno en el interior de las células, orgánulos celulares y
fluidos extracelulares es de un enorme importancia .La mayor parte de las biomoleculas
contienen átomos de hidrogeno con carácter acido y su grado de protonación es muy
sensible al valor del pH del medio .Por otra parte, las reacciones bioquímicas implican en
general un consumo o formación de portones .El mantenimiento de las estructuras
moleculares y celulares así como el correcto funcionamiento de la maquinaria celular
requiere una estricta regulación del pH dentro de límites estrechos.
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El efecto tampón de los iones hidrogenocarbonato e hidrogenofosfato desempeña un papel
esencial en ese control. El valor de pH no es uniforme en el interior de un organismo, ni
siquiera en el interior de una célula, pero en términos generales se puede decir que el pH
de la vida está alrededor de 7, 7, es decir próximo a la neutralidad pero ligeramente
alcalino.
La importancia del pH en los procesos biológicos es muy grande, ya que es uno de los
factores para que se lleven a cabo las miles de reacciones químicas en un organismo, por
ejemplo las ENZIMAS son proteínas que catalizan las reacciones química en los seres
vivos, y estas se ven alterado su funcionamiento en base al pH y a otro factor también
importante que es la temperatura.
Estos dos factores tienen que estar muy bien regulados por el organismo, ya que de ellos
depende tanto la velocidad de la reacción enzimática como que se lleve a cabo o no dicha
reacción.
El pH de las aguas naturales nunca es neutro debido a las sustancias que tienen disueltas.
La principal causa de acidez es el dióxido de carbono disuelto queda al agua de lluvia un
pH=6.Si el agua está en contacto con suelos ricos en materia orgánica, que contiene ácidos
húmicos, puede acidificarse hasta pH=5, mientras que el contacto con terrenos calizos
puede aumentar el pH a 8 o 9.La lluvia acida puede ser hasta de pH= 4 mientras que el agua
de mar tiene un pH próximo a 8.No parece que las distintas formas de vida tengan
problemas para desarrollarse en estos medios lo que pone de manifiesto la eficacia de
los controles homeostáticos incluso en los organismos unicelulares que son los más
expuestos al medio externos.
Sin embargo, es interesante destacar que existen unos pocos microorganismos adaptados
a estas condiciones extremas de vida .Hay microorganismos acidófilos que necesitan un
medio acido para su desarrollo. Por ejemplo, los tiobacilos, que generan acido sulfúrico a
partir de azufre o sulfuro de hidrogeno, viven en un medio donde no puede vivir casi
ningún otro organismos.
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3. QUÍMICA BIOINÓRGANICA 2013
Bioquímica del hidrógeno molecular, H2.
El hidrogeno elemental no existe en forma libre sobre la superficie de la tierra. Sin
embargo, el dihidrógeno tiene una gran importancia biológica .Este hidrogeno no se
acumula porque es inmediatamente consumido por otros microorganismos que lo utilizan
en diversos procesos metabólicos.
Generan hidrogeno molecular las bacteria anaerobias que obtienen su energía de reacciones
de fermentación de compuestos orgánicos.
C6H12O6 + 2 H2O = 2 CH3COOH + 2 CO2 + 4 H2
Aunque es menos frecuente, el H2 también puede generarse y consumirse en medios
aeróbicos. Así, es un subproducto de la fijación del dinitrógeno. Este hidrógeno es
consumido por las mismas bacterias que lo originan o por las bacterias del genero
hidrogenomonas, curiosos microorganismos aeróbicos quimiáutotrofos que lo utilizan para
reducir dioxígeno.
La energía que se libera en la reacción:
2H2+O2=2H2O
Activación del hidrógeno molecular por ruptura heterolítica del enlace H-H en un
complejo de Rh (III)
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2. CARBONO
Entre todos los químicos esenciales para la vida el carbono ocupa un lugar singular. Sus
características químicas son las que definen en gran medida lo que es la química de la vida.
Su tendencia a formar enlaces covalentes estables e inertes consigo mismo y con el
hidrógeno permite la formación de una enorme variedad de compuestos moleculares que
contienen algunos heteroátomos tales como O, N y S, los compuestos orgánicos que
forman las unidades constituyentes de todos los seres vivos. Algunas especies inorgánicas
del carbono como el CO2, CO y CH4 son fundamentales en la química biológica.
El carbono elemental existe en dos formas alotrópicas cristalinas bien definidas: diamante y
grafito. Otras formas con poca cristalinidad son carbón vegetal, coque y negro de humo.
El carbono químicamente puro se prepara por descomposición térmica del azúcar
(sacarosa) en ausencia de aire. Las propiedades físicas y químicas del carbono dependen de
la estructura cristalina del elemento. La densidad fluctúa entre 2.25 g/cm³ (1.30 onzas/in³)
para el grafito y 3.51 g/cm³ (2.03 onzas/in³) para el diamante. El punto de fusión del grafito
es de 3500ºC (6332ºF) y el de ebullición extrapolado es de 4830ºC (8726ºF). El carbono
elemental es una sustancia inerte, insoluble en agua, ácidos y bases diluidas, así como
disolventes orgánicos.
EL CARBONO FRENTE AL SILICIO
Cabe preguntarse si la situación del carbono es singular o si por el contrario algún otro
elemento participa de sus mismas propiedades. Observando el sistema periódico se advierte que
el silicio está situado en el mismo grupo justo debajo del carbono y con idéntica configuración
electrónica externa.
¿Por qué razón la vida se ha desarrollado sobre los compuestos del carbono y no sobre los del
silicio?
La existencia en el silicio de ocho electrones internos adicionales respecto del carbono hace
que los electrones externos o de valencia responsables del enlace químico estén más alejados
del núcleo y, por tanto, atraídos por él más débilmente. Ello se traduce en que la fuerza de los
enlaces del silicio es comparativamente menor; particularmente lo es el enlace Si-Si, lo que le
convierte en más reactivo, es decir, menos estable químicamente.
No obstante, el silicio cristaliza formando una red tridimensional semejante a la del diamante, y
sus derivados constituyen el 87 % de la composición de la corteza terrestre. Su combinación
con el oxígeno origina la sílice o cuarzo (SiO2). El carácter francamente polar de esta unión da
lugar a estructuras reticulares o redes cristalinas que por sus propiedades se parecen
enormemente a las de los sólidos iónicos.
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a) El carbono en la naturaleza. Ciclo del carbono
El carbono no es el elemento especialmente abundante en la corteza terrestre (480 ppm).
Se encuentra en la atmosfera en forma de CO2, en todas las aguas naturales en HCO3 y
formando depósitos minerales de carbonatos metálicos particularmente CaCO3 componente
mayoritario de muchas rocas sedimentarias.
La reserva fundamental de carbono, en moléculas de CO2 que los seres vivos puedan
asimilar, es la atmósfera y la hidrosfera. Este gas está en la atmósfera en una concentración
de más del 0,03% y cada año aproximadamente un 5% de estas reservas de CO2, se
consumen en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo el anhídrido carbónico se
renueva en la atmósfera cada 20 años.
La vuelta de CO2 a la atmósfera se hace cuando en la respiración los seres vivos oxidan los
alimentos produciendo CO2. En el conjunto de la biosfera la mayor parte de la respiración
la hacen las raíces de las plantas y los organismos del suelo y no, como podría parecer, los
animales más visibles.
Los seres vivos acuáticos toman el CO2 del agua. La solubilidad de este gas en el agua es
muy superior a la de otros gases, como el O2 o el N2, porque reacciona con el agua
formando ácido carbónico. En los ecosistemas marinos algunos organismos convierten
parte del CO2 que toman en CaCO3 que necesitan para formar sus conchas, caparazones o
masas rocosas en el caso de los arrecifes. Cuando estos organismos mueren sus caparazones
se depositan en el fondo formando rocas sedimentarias calizas en el que el C queda retirado
del ciclo durante miles y millones de años. Este C volverá lentamente al ciclo cuando se
van disolviendo las rocas.
El petróleo, carbón y la materia orgánica acumulados en el suelo son resultado de épocas en
las que se ha devuelto menos CO2 a la atmósfera del que se tomaba. Así apareció el O2 en la
atmósfera. Si hoy consumiéramos todos los combustibles fósiles almacenados, el O2
desaparecería de la atmósfera. Como veremos el ritmo creciente al que estamos
devolviendo CO2 a la atmósfera, por la actividad humana, es motivo de preocupación
respecto al nivel de infecto invernadero que puede estar provocando, con el cambio
climático consiguiente.
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EL CICLO DE CARBONO
b) Dióxido de carbono CO2. Química de importancia biológica.
La reactividad química del CO2 es moderada comportándose como acido de Lewis débil, su
propiedad química más adecuada, que le permite reaccionar con una variedad de sustancias
básicas como el agua, las aminas o los carbaniones.
a. Reacciones acido-base
El CO2 se disuelve apreciablemente con el agua, sobre todo a presión superior a la
ambiente. Una pequeña parte del CO2 reacciona con el agua dando ácido carbónico.
CO2 + H2O=H2CO3 K = 1.6 x 10-11
El acido carbónico es acido diprotico, originando en disolución iones
hidrogenocarbonato, HCO3- y carbonato, CO3 2- .La concentración de ion carbonato solo es
significativa en medios muy básicos .La pequeña solubilidad de muchos carbonatos
metálicos hace que precipiten cuando se añade un ion metálico a una disolución de HCO 3 -
:
- 2+
2HCO3 +Ca =CaCO3+ CO2+H2O
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7. QUÍMICA BIOINÓRGANICA 2013
Todos los organismos vivos que consumen y/o producen CO2 poseen una enzima que
cataliza este proceso, la anhídrida carbónica, una proteína de cinc. Este enzima es muy
eficaz, aumentado la velocidad de reacción con el factor 106.
El dióxido de carbono reacciona también con las aminas primarias y secundarias en
disolución acuosa par dar correspondientes ácidos carbamicos que se desprotonan para dar
iones carbamato:
- +
R-NH2+CO2= R-NH-COOH= R-NH-COO +H …. . (6.7)
Esta reacción es estrictamente análoga a la reacción con el agua. El nitrógeno amino ataca
al átomo de carbono dando un complejo acido-base que sufre una transposición de un
protón del N a un O. El proceso global se puede describir como una inserción de CO2 en
un enlace N-H.
Reacción del dióxido de carbono con el agua y las aminas
La reacción (6.7) no representa un método adecuado de síntesis de carbamatos, que
suelen obtener por otras vías, por lo que su importancia química es muy limitada .Sin
embargo, tiene una gran importancia bioquímica.. Además la formación de una carbamato
entre la hemoglobina desoxigenada y el CO2 da cuenta de parte del transporte de CO2
desde las células donde se genera hasta los pulmones.
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Otra reacción del CO2 es el que manifiesta con los compuestos carbaniónicos, por ejemplo
los reactivos de Grignard, originando ácidos carboxílicos.
RMgX + CO2 RCOOMgX
RCOOMgX + H2O RCOOH+ MgX (OH)
El dióxido de carbono es capaz de actuar como ligando en la formación de complejos
metálicos.
Uno de los modos de coordinación usuales del CO2 como ligando.
b. Reacciones redox
Muchas bacteria son capaces de reducir el CO2 a CO o de oxidar el CO a CO2 en
condiciones suaves, reacción catalizada por el enzima monóxido de carbono
deshidrogenasa (CODH). Esta enzima es una proteína de Ni y Fe en las bacterias
anaeróbicas, mientras que es una proteína de Mo en las aerobias.
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Metanogénesis
Es la formación de metano por microbios. Es una forma de metabolismo microbiano muy
importante y extendido. Producción de metano por reducción del CO2
La descomposición biológica de la materia orgánica conduce generalmente a la formación de
CO2. Sin embargo, hay bacterias anaeróbicas que descomponen los compuestos orgánicos por
reducción en vez de por oxidación, produciendo metano. Hay microorganismos
metanogénicos que utilizan exclusivamente para estos fines ácidos carboxílicos producidos
por organismos fermentadores o incluso CO2. Los sedimentos acuáticos son lugares con más
actividad metanogénica. Se libera metano a la atmosfera en zonas pantanosas, el gas de los
pantanos, así como en algunas prácticas agrícolas como el cultivo de arroz. Se forma también
metano en el estomago de los aminales rumiantes las vacas o camellos y en el intestino de los
equinos y otros mamíferos como los seres vivos. En las plantas de tratamientos de residuos,
uno de los procesos biotecnológicos más importantes por su volumen, se producen también
cantidades de metano (biogás). La mayor parte del metano biogénico resulta de la
degradación del acetato, pero tal vez desde el punto de vista químico sea más interesante su
formación a partir de CO2.
Producción de metano por reducción del CO2
La metanogénesis por reducción del CO2 es una forma de respiración anaeróbica. Los
metanógenos no utilizan el oxígeno para respirar; de hecho, el oxígeno inhibe el crecimiento
de los metanógenos. El aceptor de electrones terminal en la metanogénesis no es el oxígeno,
sino el carbono. El carbono puede aparecer en un pequeño número de compuestos orgánicos
con poco peso molecular. Los dos caminos mejor descritos implican la utilización de dióxido
de carbono y acetato como aceptores terminales de electrones:
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
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10. QUÍMICA BIOINÓRGANICA 2013
Producción de metano a partir de moléculas orgánicas
Las bacterias metanógenas pueden producir también metano a partir de sustratos orgánicos
sencillos como el ácido acético, el formiato, el metanol, la metilamina, el sulfuro de dimetilo y
el metanotiol. Mediante 14C se ha demostrado que el metano se origina exclusivamente a
partir del carbono metílico del ácido acético.
CH3COOH → CH4 + CO2
Por tanto, estas bacterias pueden producir metano a partir de formas parcialmente reducidas de
carbono contenido en compuestos orgánicos: tales reacciones pueden considerarse como
verdaderas fermentaciones.
La metanogénesis es el paso final en la descomposición de la materia orgánica en condiciones
anaeróbicas. Durante el proceso de descomposición, aceptores de electrones (como el oxígeno,
hierro, sulfato, nitrato y manganeso) se reducen, mientras que se acumulan hidrógeno (H2) y
dióxido de carbono. También se acumulan compuestos orgánicos ligeros por fermentación.
Durante las fases avanzadas de la descomposición orgánica, todos los aceptores de electrones
quedan reducidos excepto el dióxido de carbono. El dióxido de carbono es un producto de la
mayoría de los procesos catabólicos, por lo que no se reduce como otros aceptores de
electrones potenciales.
Solo la metanogénesis y la fermentación pueden darse en ausencia de aceptores de electrones
distintos al carbono. La fermentación sólo permite la ruptura de compuestos orgánicos más
grandes y produce compuestos orgánicos pequeños. La metanogénesis elimina con efectividad
los productos casi finales de la descomposición: el hidrógeno, los compuestos orgánicos
pequeños y el dióxido de carbono. Sin la metanogénesis se acumularía una gran cantidad de
carbono (en forma de productos de la fermentación) en los ambientes anaeróbicos.
La metanogénesis es útil para la humanidad. Mediante ella, los residuos orgánicos se pueden
convertir en el útil biogás metano. La metanogénesis se da en el intestino de muchos animales.
Aunque se piensa que la metanogénesis no es esencial para la digestión humana, es necesaria
en la nutrición de los animales rumiantes, como las vacas y las cabras. En el rumen, organismos
anaeróbicos (incluyendo metanógenos) digieren la celulosa en formas utilizables por el animal.
Sin los microbios del rumen, las vacas no podrían sobrevivir sin ser alimentadas con una dieta
especial.
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El ciclo de Calvin
También conocido como ciclo de Calvin-Benson o fase de fijación del CO2 de la fotosíntesis
consiste en una serie de procesos bioquímicos que se realizan en el estroma de los
cloroplastos de los organismos fotosintéticos. Fueron descubiertos por Melvin Calvin y Andy
Benson de la Universidad de California Berkeley mediante el empleo de isotopos radiactivos
de carbono.
Durante la fase luminosa de la fotosíntesis, la energía lumínica ha sido almacenada en
moléculas orgánicas sencillas e inestables (ATP), que aportarán energía para realizar el
proceso y poder reductor, es decir, la capacidad de donar electrones (reducir) a otra molécula
(dinucleótido de nicotinamida y adenina fosfato o NADPH+H+). En general, los compuestos
bioquímicos más reducidos (es decir, los que tienen mayor cantidad electrones) almacenan
más energía que los oxidados (con menos electrones) y son, por tanto, capaces de generar
más trabajo (por ejemplo, aportar la energía necesaria para generar ATP en la fosforilacion
oxidativa). En el ciclo de Calvin se integran y convierten moléculas inorgánicas de dióxido de
carbono en moléculas orgánicas sencillas a partir de las cuales se formará el resto de los
compuestos bioquímicos que constituyen los seres vivos. Este proceso también se puede, por
tanto, denominar como de asimilación del carbono.
La primera enzima que interviene en el ciclo y que fija el CO2 atmosférico uniéndolo a una
molécula orgánica (ribulosa-1,5-bifosfato) se denomina RuBisCO (por las siglas de Ribulosa-
1,5-bisfosfato carboxilasa-oxigenasa).
Para un total de 6 moléculas de CO2 fijado, la estequiometría final del ciclo de Calvin se puede
resumir en la ecuación:
+ +
6RuBP + 6CO2 + 12NADPH + 18 ATP + 12H + 6H2O → 6RuBP + C6H12O6 + 12NADP + 18ADP + 18 Pi
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EL SILICIO
El Silicio está presente en el organismo en muy pequeñas cantidades. Su símbolo es Si y su
número atómico 14. Es el segundo elemento más importante de la corteza terrestre (27,7%
en peso) después del oxígeno. Sus propiedades son intermedias entre las del carbono y el
germanio.
A pesar de que realiza múltiples funciones en nuestro cuerpo, la más importante sin duda es
su papel en la formación del tejido conjuntivo y con ello, en la estructura del cabello, la piel
y las uñas.
Además, el ácido silícico es una sustancia básica para el tejido de sostén que requieran
consistencia y firmeza, los huesos, los cartílagos y los dientes. Se absorbe en el intestino y
se elimina por la orina.
El silicio se encuentra casi exclusivamente en forma de sílice, silicatos y aluminosilicatos,
compuestos insolubles en agua. Para que un elemento sea absorbido por un ser vivo debe
formar alguna especie química soluble en agua a pH neutro. En el caso del silicio la única
forma ligeramente soluble en agua en estas condiciones es el acido silícico, Si(OH)4, que
puede encontrarse a pH 7 a una concentración máxima 2mM. A mayor concentración se
producen reacciones de condensación y polimerización a través de la formación de enlaces
Si-O-Si, precipitando en último termino dióxido de silicio hidratado y amorfo.
Las diatomeas, microorganismos unicelulares de vida acuática, son capaces de absorber y
concentrar el acido silícico presente en el agua en compartimiento especial en los que
precipita en forma de SiO2 nH2O con el que construyen un exoesqueleto protector. Este
caparazón puede adoptar formas muy diversas y complejas de una gran belleza. Cuando el
organismo muere sus restos se depositan en el fondo acuático, donde la materia orgánica se
descompone dejando únicamente el microscópico exoesqueleto silíceo.
 El silicio se halla en:
- La piel
- Las Uñas
- El esmalte dental
- Los cartílagos
- Los ligamentos
- Los huesos
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13. QUÍMICA BIOINÓRGANICA 2013
Beneficios, funciones o propiedades del Silicio orgánico
Como muchos minerales el Silicio orgánico no se debe de tomar en forma ponderal
(mineral tal cual) sino solamente en forma de oligoelemento. Una de las propiedades más
destacable del Silicio orgánico es que colabora o favorece la síntesis de colágeno lo cual es
básico en la formación del tejido conjuntivo. Esto hará que sus beneficios sean muy
diversos y afecten a partes muy distintas de nuestro organismo:
 Fortalece los dientes, uñas y el cabello.
 Recupera la elasticidad de la piel.
 A nivel externo se puede aplicar en quemaduras, llagas y heridas que cicatrizan mal.
También se fabrican cremas que ayudan a calmar el dolor y la inflación.
 Ayuda en muchas enfermedades cardiovasculares ya que mantiene elásticas las
paredes de las arterias. La hipertensión y la arteriosclerosis son algunos casos en los
que el Silicio orgánico puede ayudar.
 Tomado calma mucho la acidez de estómago así como también alivia las úlceras.
 Ayuda a remineralizarnos. Osteoporosis, fracturas óseas, épocas de crecimiento,
artrosis, reumatismos, artritis y la mayoría de enfermedades que afectan a huesos,
tendones, cartílagos y articulaciones y que cursan con dolor o inflamación pueden
beneficiarse de las propiedades del Silicio orgánico.
 El Silicio orgánico es uno de los minerales que primero perdemos (y en mayor
cantidad) cuando hay enfermedades o fases de desmineralización.
Su déficit puede provocar:
Su carencia puede ocasionar una serie de trastornos, estos son algunos de ellos:
Problemas articulares afectando a cartílagos y huesos.
Menor elasticidad en la piel.
Debilidad en uñas y pelo.
Alteraciones importantes cardiovasculares.
Falta de elasticidad en las venas.
Artritis reumatoide u osteoartritis.
Mayor lentitud en la cicatrización de quemaduras, heridas y roturas.
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14. QUÍMICA BIOINÓRGANICA 2013
Fuentes naturales de Silicio orgánico
Los cereales integrales son una de las fuentes naturales más ricas en Silicio orgánico. Las
legumbres y las hortalizas como la remolacha, la patata y la alfalfa también son buenas
fuentes. Entre las plantas medicinales ricas en Silicio orgánico destaca sin lugar a dudas la
Cola de caballo, es el vegetal conocido más rico en Silicio orgánico ya que puede (según el
clima y el tipo de suelo) contener entre un 10 y un 60 % de este mineral. Y en origen
animal lo contiene el queso.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1.-VALLET, M (2004). Introducción a la Química Bioinorgánica. Ed. Síntesis:
España. Pp.: 115-135.
2.-CALVO, M (2000).Tratado de reciclado y recuperación de los productos de
los residuos. Ed. Mundi -prensa .España.Pp: 71-72.
3.- BROWN, T. (2004). QUIMICA: La ciencia central (9°, ed). México: PEARSON
EDUCACIÓN .Pp.: 900-901
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