Artículo

Bioinorgánica

Otra Forma de Comprender la Vida

El ser humano desde tiempos química bioinorgánica existe un inmemorables ha disfrutado de área muy interesante, la cual inlas maravillas que proporciona cluye el estudio de modelos quíla naturaleza: las plantas, el per- micos que permiten aproximarse fume de las flores y los animales. a los sistemas biológicos, con la fiPero en ocasiones se ha detenido nalidad de comprenderlos mejor, a observar las cosas más allá de lo que le rodea y esto se conoce como biomimética inorgánica.3 preguntarse ¿cuáles son las sustancias responsa- Si se revisa el origen de este término, proviene bles del olor de las flores?, ¿por qué la sangre de del griego bio: vida y mimética: imitar; el ser muchos animales y la humano trata de imitar nuestra es roja y no de Astrid Guadalupe Mora a la naturaleza en el laotro color? Y si posee Licenciada en Química (ULA). boratorio, para obtener un alto grado de curio- Analista de Control de Calidad (Vevalca). compuestos que pudiesidad ¿cómo interac- Mérida, Venezuela ran en el futuro tener túan los distintos elementos químicos con astridgmc@gmail.com utilidad, bien sea para el desarrollo de nuelas variadas funciones vos materiales o para biológicas responsables de la vida de los todos el tratamiento de algunas enfermedades. Este los seres? artículo explicará de forma sencilla algunos Para responder esta última pregunta, introdu- protagonistas. ciré un concepto tan complejo como la vida sistemas biológicos donde los metales son los misma, que se denomina Bioinorgánica. Tal Esta ciencia es relativamente reciente, podríamos vez, en un principio pueda dar miedo, pero en mencionar algunos hallazgos importantes que un sentido amplio, este término se define como marcaron profundamente la línea de tiempo. En la disciplina que se encarga de estudiar la inte- 1910 Ehrlich introdujo el 3-amino-4-hidroxiferacción de los elementos metálicos en sistemas nilarsenico, mejor conocido como salvarsán, arbiológicos.1 Es interdisciplinaria, y esa caracte- sfenamina o Ehrlich 606, un compuesto que se rística es la que la distingue de la bioquímica, utilizó para el tratamiento de la sífilis, causada además requiere el apoyo de los conocimientos por el Treponema pallidium. Este descubrimiende síntesis química, electroquímica, espectros- to constituyó el inicio de la quimioterapia.4 Más copía, biología molecular y otras áreas para res- adelante en 1955 se resolvió la estructura del áciponder los desafíos que enfrentan las investiga- do hexacarboxílico aislado de la vitamina B12, a ciones en este campo de estudio.2 Dentro de la partir de los cálculos de densidad electrónica y

las intensidades obtenidas por difracción de Rayos-X.5 A finales de los años 60 se descubrió la actividad antitumoral del cis-platino, en donde se observó la capacidad de inhibir el desarrollo del sarcoma 180 y la leucemia L1210 en ratones.6

Oligoelementos, la interacción e importancia de los metales en los seres vivos.

Considere al ser humano o cualquier ser vivo como un gran laboratorio donde se requiere de los distintos reactivos, tanto orgánicos como inorgánicos, para que los procesos metabólicos se lleven a cabo. Dentro de este último grupo podemos encontrar los oligoelementos, definidos como aquellos elementos químicos que, en muy pequeñas cantidades, son indispensables para las funciones biológicas.7 En otras palabras, son elementos químicos que se encuentran en orden de trazas (concentraciones menores a 100 ppm), que tanto su exceso como su deficiencia pueden comprometer la supervivencia de los seres vivos. Recordando la frase de Paracelso “nada es veneno, todo es veneno: la diferencia está en la dosis”. Esto quiere decir que con la deficiencia del elemento, el organismo no sobrevive, mientras que si la cantidad es menor al valor recomendado, el ser vivo puede existir pero con muchas disfuncionalidades orgánicas. Cuando las cantidades son altas, producen efectos tóxicos y eventualmente la letalidad. Lo anterior se puede resumir con detalle en la Figura 1.1

Figura 1. Curva de concentración de los elementos esenciales

El número de elementos que tienen importancia en términos biológicos es solo la punta del iceberg y solo lo conforman un grupo reducido (Figura 2). Un elemento se considera esencial, cuando está presente en todo organismo sano, en una concentración relativamente constante y cuando la exclusión provoca alguna anormalidad que se corrige con su agregado.8 Las funciones son muy variadas, algunos actúan como electrolitos y producen la transferencia de carga y como iones en el mantenimiento del La hemoglobina, la mioglobina y el citocromo, ¿qué tienen en común estas 3 proteínas? La respuesta es muy sencilla, el centro metálico de cada una de ellas contiene un átomo de hierro, adicionalmente su estructura es similar, debido a que contienen al grupo hemo, el cual es un tetrapirrol cíclico y contiene 4 moléculas de pirrol balance osmótico, estos son el sodio, el potasio y el cloro. Otros actúan como intermediarios en funciones estructurales como el calcio y el magnesio, en el caso de las plantas, este último se encuentra presente en la clorofila e interviene en el proceso de fotosíntesis. El Zinc se encuentra en la estructura de algunas enzimas y por último el molibdeno, el hierro, el manganeso y el cobre intervienen en la catálisis de reacciones de óxido–reducción y en procesos

Figura 2. Tabla Periódica de los elementos. Los elementos esenciales en procesos biológicos se encuentran señalados en rojo.

El Hierro: Hemoglobina, Mioglobina y Citocromo.

de transporte. enlazadas con puentes α-metileno. Al tener grupos cromóforos (dobles enlaces conjugados), absorbe luz en el espectro visible, el cual le da el característico color rojo oscuro.9 La estructura del grupo hemo no solo se reduce a estas 3 proteínas, también hay otras proteínas que contiene este grupo, pero posee un centro metálico diferente como, por ejemplo, la clorofila, tiene grupo hemo, pero sustituye el hierro por magnesio.

¿Cuál es la diferencia entre ellas? Las funciones que desempeñan en el organismo:

El citocromo es uno de los sistemas más sencillos, pero a su vez el más complejo en cuanto a estructura y peso molecular. Tiene propiedades Redox, debido a la capacidad electro-donante o electro–atrayente. Esta proteína es importante además de estar presente en el proceso de transferencia de electrones, intervienen el proceso de respiración en plantas, animales y seres humanos.

Figura 3. Cuatro variantes estructurales del grupo Hemo

Hemo B (heme B o protohemo IX) es el más abundante. Está presente en la hemoglobina y la mioglobina. Las peroxidasas y las cicloxigenasas COX-1 y COX-2 también contienen hemo B.

Hemo A (heme A). La respiración en plantas, la mayoría de los animales y microbios aeróbicos dependen del Hemo A se produce naturalmente en muchos organismos. Se encuentra en las oxidasas.

Hemo C (o heme C) es uno de los principales tipos de grupos hemo existentes en la naturaleza. Forma parte de importantes hemoproteínas entre las que se encuentra, por ejemplo el citocromo c.

Hemo O (heme O) difiere del estrechamente del hemo A en que posee un grupo metilo en la posición 8 del anillo en lugar de un grupo formilo. El hemo O, que se encuentra en la bacteria Escherichia coli, funciona en una forma similar al heme A en la reducción del oxígeno que ocurre en los mamíferos.

Otros:

Hemo D es otro derivado del Hemo B. El Hemo D es el sitio donde ocurre la reducción del oxígeno a agua en muchos tipos de bacterias que funcionan con una baja concentración de oxígeno.

Hemo S se encuentran en la hemoglobina de los gusanos marinos.

Hemo l se encuentra covalentemente unido a la proteína en la lactoperoxidasa, peroxidasa de eosinófilo y peroxidasa de tiroides. El grupo Hemo l es una característica importante de las peroxidasas animales; las peroxidasas de plantas incorporan Hemo B.

Hemo m es un derivado del Hemo B unido covalentemente al sitio activo de la mieloperoxidasa. La mieloperoxidasa se encuentra presente en los neutrófilos animales y es responsable por la destrucción de bacterias y virus. Sintetiza hipobromito casi "por error", ya que es un compuesto mutagénico, pero la cantidad de iones bromuro presentes en los tejidos es muy baja.

Los grupos heme aislados comúnmente se designan con letras mayúscula, mientras que los grupos heme unidos a las proteínas se designan con las letras en minúscula. El citocromo a, se refiere al grupo hemo A en una combinación específica con una proteína de membrana para formar una porción del citocromo c oxidasa. Los nombres de los citocromos típicamente (aunque no siempre) reflejan el tipo de grupo heme que contienen; así, por ejemplo, el citocromo a contiene Hemo A, el citocromo c contiene Hemo C, etc.

Hederstedt, L. Heme A biosynthesis Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Bioenergetics 2012, 1817, 920-927

La hemoglobina, tiene como función transportar el oxígeno desde los pulmones a los demás tejidos y el dióxido de carbono desde ellos hasta los pulmones, en donde es eliminado. Mientras que la mioglobina se encarga en almacenar el oxígeno en las células musculares. Esta fue la primera proteína a la que se le determinó la estructura mediante difracción de Rayos-X, la estructura está conformada por hélices α conectadas entre sí.10

Figura 4. Hemoglobina humana

Cita: Bringas, M., Petruk, A.A., Estrin, D.A. et al. Tertiary and quaternary structural basis of

oxygen affinity in human hemoglobin as revea-

led by multiscale simulations. Sci Rep, 2017, 7, 10926 doi:10.1038/s41598-017-11259-0

Interacción del Zinc: Catálisis Enzimática.

Si ubicamos el zinc en la tabla periódica, lo podemos localizar en el grupo 12 (II B), cuarto período. Es un elemento que tiene una configuración d10 , en otras palabras, su orbital d se encuentra lleno, lo que le confiere una gran estabilidad, además de no intervenir en la formación de radicales. Puede formar una gran variedad de compuestos de coordinación y es un buen aceptor de electrones debido a que es un ácido de Lewis fuerte.

En el organismo, este metal se encuentra principalmente en los músculos y los huesos, siendo uno de los elementos más abundantes. Tiene funciones catalíticas, estructurales y

metabólicas muy importantes, el zinc forma parte de una gran variedad de metaloenzimas (300 aproximadamente) como la adenosina desaminasa, la alcohol deshidrogenasa, la anhidrasa carbónica, colagenasa, carboxipeptidasa, ARN polimerasa, entre otras. Interviene en numerosas funciones metabólicas, como, por ejemplo, la glucólisis, la síntesis de prostaglandinas y la síntesis del colesterol. El zinc puede actuar de dos formas, la primera es proporcionar estabilidad a la enzima, mientras que otro metal es el centro activo, esto se puede observar en la enzima superóxido dismutasa, donde el zinc la estabiliza y el cobre es el centro metálico en donde se lleva a cabo la reacción. En la segunda forma, el metal interviene por completo en la función catalítica. Además, hay un grupo de proteínas llamadas dedos de zinc, estas son responsables del proceso de transcripción del ADN,11 esto permite la transmisión de las características genéticas de generación en generación, perpetuando la vida en este mundo.

En conclusión, la Naturaleza no escapa de los encantos de la química. Los fenómenos inorgánicos son los responsables de sustentar la vida, no solo en el organismo humano, también en los distintos procesos biológicos que se llevan a cabo en los demás seres vivos. La química bioinorgánica, hace presencia en varios fenómenos como la respiración, las catálisis enzimáticas, las reacciones Redox, la transcripción de información genética, un artículo no es suficiente para describir las maravillas de esta interesante área de estudio.

Referencias:

1.

Roat- Malone, R. M. Bioinorganic Chemistry. 2° ed.; Wiley and Sons, Hoboken, New Jersey, Estados Unidos 2007; p 1-3.

2.

Cowan, J. A. Inorganic Biochemistry An Introduction, 2° ed.; Wiley- VCH, New York, Estados Unidos 1997; p 1-3.

3.

Contreras R. Materiales Híbridos: una aproximación a la química de los compuestos organometálicos. CDCHTA- ULA, Universidad de Los Andes, Mérida, Venezuela 2013; p.61.

4.

Lloyd, N. C.; Morgan, H. W.; Nicholson, B. K. The Composition of Ehrlich’s Salvarsan. Resolution of a Century-old Debate. Angewandte Chemie International 2005 44, 941-942.

5.

Crowfoot – Hodgkin, D.; Rickworth, J.; Robertson, J. H.; Trueblood, K. N.; Prosen, R. J.; White, J. G. The Crystal Structure of the Hexacarboxylic Acid Derived from B12 and The Molecular Structure of the Vitamine. Nature 1969 176, 325-328.

6.

Rosenberg, B.; VanCamp, L.; Trosko, J. E.; Mansour, V. H. Platinum Compounds: A New Class of Potent Antitumour Agents. Nature 1969 222, 385-386.

7.

Real Academia Española (RAE) www.rae.es (acceso Octubre 1, 2019).

8.

Bertello, L. Oligoelementos en Medicina, 1° ed.; Universidad Autonoma de Buenos Aires, Buenos Aires, Argentina, 2015; p. 14.

9.

Murray, R. K.; Bender, D. A.; Botham, K. M.; Kenelly, P. J.; Weil, P. A. Harper Bioquímica Ilustrada, 28° ed.; McGraw Hill: México D. F., 2010; p. 44.

10. Berg, J.M.; Stryer, L.; Tymoczko, L. Bioquímica, 6° ed.; Editorial Reverté, Barcelona, España, 2007; p. 184.

11. Gonzales, A. Principios de Bioquímica y Patología Molecular, Elsevier, Barcelona, España 2012; p. 144.