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LOS ELEMENTOS QUMICOSDERobert J. P. WilliamsHace diez oveinte aos virtualmen te todos lus qumicos crean que la qumica inorgnica era un rea de la quimica que tenia poca conexin con los sisternasvivos. como s u nombre implica. En los albores de la Real Sociedad Qumica de Inglaterra, 150 anos atrs y r e t r e del cediendo a los i~iicios estudio de la vida en trminos qumicos, no se tenia la idea de q u e la quimica orgnica era la qumica especial de 14 vida. La separacihi del estudio en la qumica de compuestos formados especialmente por elementos como H, C, N y 0 en los laborn torios d e quimica orgnica, a principios d e este siglo, y el aparente dominio de esta qumica en los sistemas vivos. llev a que an en el periodo de 1040 a la fecha la enseanza d e la quimica inorgnica desapareciera casi completamente para estudiantes de medicina y de hecho para aquellos estudiantes interesados en b i o l ~ ga. A pesar de estos rasgos de la educacin y divisin de la quimica, me siento confiado ahora cuando digo que la verdadera quimica de los sistemas vivos es una fascinante combinacibn de muchos elementos de la Tabla Peridica, usados d e una manera bptima y a j u s tados d e acuerdo a las especies que se han establecido durante el desarrollo evolutivu del planeta. D e una manera simple esto es lo que deberia esperarse de la quimica d e un sistema biolgico evolucioiiado: u n a

LA VIDA

utilizacin ptima de factores ambientales. Para cele brar los 150 aos de la Royal Society of Chemistry de Inglaterra, nada podra ser ms apropiado q u e la reunif cacin de las quimicas orgnica e inorginica dentro de la qumica de lavida. Tal unin es muy necesaria hoy .. L en da. pues tenemos que cuidar d e riosotros mismos y d e nuestro pld- , q,,ica bioinorgnica adquitido g m n neta para el futuro. La qumica importan& en los ijkimos aios. Esta organometilica es sblo otro enfe : ciencia frontem demuestra que no hay COmarCd5 estancas Y ajenas en la que para la reunificacin de la naturaleza. Presentamos este documento por la Tabla qumica limitada lo' para nuestrosItctores deseen y q u e tiene tambi'n al da en el tema. elaboiado p r u n o de sus fuertes conexiones con la qumica principales actores. de la vida como veremos ms adelatite.

- Ilos Articulo inducido con permiso del autor por: Enrique Gonzler Vergam yYasmi Reyes Orfega. Maestria en Qumica. Centro de Qumica.

1

LATABLA PERI~~DICA SISTEMAS VIVOS Y LOS I,a Tabla Peridica es la pieza central de la qumica (figura l),ya que nos provee de los ladrillos bsicos d e todo lo que pueda ser construido rri la quimica. Las

recientes contribucionw tericas para el entendimiento de la quimica refuerzan este hechu. Se conoce actualmente q u e lus sistemas vivos, no importa la especie de que se trate, dependen d e uii mnimo de 20 elementos.h'tjlese que casi todos

Figura 1. La Tabla Peridica de los elementos qumicos, mostrando aquellos que son esenciales para ta vida. grupos est6n r~prc5ellldos 10s slstcmas vivos. CIIIA2A JA 4A3A

6A

7A

8

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Instituto de Ciencias de la Benemrita Universidad Autonoma de Puebla. (Revisin de Martin Bonfil.} Publicado originalmente en 1. Chem. Soc. Dahon Tranr.,1991, pp. 539.546.

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Se puede decir que la naturaleza esencial de stos sigue ciertas reglas sumamente bsicas de la Tabla Peridica. Cada grupo de los elementos puede ser usado para llevar a cabo solamente cierto conjunto de acciones fisicoqumicas, de tal manera que la evolucin ha estado sujeta a seleccionar elementos de cada uno de los grupos, excepto de los gases inertes (figura 1).Comenzaremos a examinar este postulado desde el punto de vista evidente de que la qumica de la vida se desarrolla fundamentalmente en un medio acuoso, neutro y que las macromolculas que poseen la estabilidad cintica requerida, las cuales son indiscutiblemente indispensables, slo pueden construirse a base de esqueletos de H, C, N y O. Para que estas macromolculas sean solubles en agua es necesario que posean carga elctrica. Los grupos carboxilatos, por ejemplo, dan cargas elctricas a muchas protenas, polisacridos y Ipidos, pero no al ARN y ADN. Si tomamos en cuenta la incorporacin de fsforo para hacer ARN y ADN, y de azufre para polisacridos sulfatados -ntese cmo cruzamos la frontera entre la qumica orgnica e inorgnica- encontramos, por inspeccin, que virtualmente todas las estructuras biolgicas como membranas, ncleos, filamentos, ribosomas, etctera, estn cargadas negativamente. Obviamente sta es una consecuencia del hecho de que todos los elementos usados son no metales y los xidos de los no metales en agua son cidos. Ahora bien, adems del hecho de que todos los polmeros biolgicos son aninicos, debemos notar que muchos de los sustratos biolgicos pequeos, necesarios para la sntesis y el metabolismo estn construidos a base de H, C, O, N, S y P, y son tambin aniones, por ejemplo: los carboxilatos y los fosfatos de la gliclisis -del ciclo de las pentosas- y los intermediarios del ciclo del cido ctrico (ciclo de Krebs). Por lo tanto, para un pH biolgico de 7, se deben neutralizar estas cargas negativas en solucin. Esto no se logra fcilmente con protones, ya que R,P04-y RS04-son cidos muy fuertes y RCO; no es precisamente muy dbil. Adems, en soluciones acuosas, los aniones de ADN, ARN, protenas, lpidos, polisacridos y sustratos no deben unirse directamente a cationes si es que se quiere mantenerlos solubles en tales condiciones. Los polmeros deben mantenerse como polielectrolitos. Iones tales como Caz+y Al,+ -los cuales estn presentes en la qumica insoluble, verdaderamente inorgnica de las rocas a base de carbonatos, sulfatos, fosfatos- deben ser especialmente excluidos, ya que estos iones entrecruzaran los aniones orgnicos. El requisito de estabilidad, especialmente de polmeros y superficies polielectrolticas, consiste en una neutralizacin a larga distancia de cargas agregadas, mientras se mantienen los alredede res acuosos. Solamente los iones Na+y K+permiten esto, dado que son los nicos cationes monovalentes simples muy abundantes y disponibles en el Universo, en la Tierra, y en particular en el agua natural, por lo queson requeridos por todas las especies. No existe entonces la116

molcula del ADN (o ARN) como un compuesto en los seres vivos; son las sales de (Na+),(K+)fiDN"- las que se encuentran en biologa (n = nmero de bases, n = x + y). Por otro lado, no existen membranas lipdicas, o sea sistemas moleculares de Ipidos, sino solamente membranas de sales lipdicas de (Na+),(K+),. Existen pocas protenas y sustratos neutros; la mayora de las protenas y sustratos son sales. As es como los qumicos deben pensar sobre los compuestos biolgicos en solucin. La necesidad de sodio y potasio, debida a que presentan la misma disponibilidad e inhabilidad de enlazarse covalentemente, significa que no es posible mantener la neutralidad elctrica sin manejar el contrain de estos dos cationes simples que se encuentra en el agua mineral: el ion cloruro. Los sistemas biolgicos deben contener al ion cloruro fuera del citoplasma -cargado de anion& orgnicos- manteniendo su relacin respecto al Na y K de tal manera que se conserve la neutralidad elitrica. Debido a lo anterior, los siste mas biolgicos se han desarrollado claramente con base en la qumica de C, H, N, O, P, S, Na, K y C1. Dado que la naturaleza de los sistemas biolgicos requiere del desarrollo de una qumica en volmenes encerrados en vesculas, se entiende que las sales inorgnicas NaCl y KCI no solamente fueron la base de la electroneutralidad de aniones, sino que adems tuvieron que ser la base del control osmtico, el cual requiere la exclusin de la mayor parte del sodio, que es el catin externo ms abundante, as como del ion cloruro, por lo que en el curso del tiempo los tres iones Na', K' y C1- se convirtieron inevitablemente en acarreadores fundamentales de mensajes electrolticos, como se observa en los nervios y en el cerebro. stas son consecuencias directas de la acidez de los xidos de los no metales ligeros de la tabla peridica: C, N, S y P, y de la basicidad extrema de los metales del Grupo IA en agua (figura 2). Hemos hallado hasta este punto nueve elementos esenciales para la vida.

CATIONES INTERCAYslO RAPIW OE EOUlLlRlO TERWNAMICO CQrmOL ClNLTlCO

H20

Figura 2. Algunas caracteristicas qumicas simples y distintivas de las primeras filas de la Tabla Peridica. Ntese el cambio en las caracteristicas cido/base, esto es catin/anin, el potencial para formar enlaces inicos y covalentes, (ver el texto), y el lugar especial del fsforo.EDUCACIN QU~MICA 121 4

Con slo un poco ms de atencin podremos ver otras dos caractersticas adicionales de la qumica de la vida absolutamente indispensables y que necesitan de otros elementos. En primer lugar, para construir p e Imeros, la materia viva requiere energa. Todos los polmeros de lavida son y fueron siempre inestables con respecto a los reactivos inorgnicos de los cuales estn hechos, por ejemplo H,O, N,, CO,, HPOA2- SO:-. En y segundo lugar, para activar molculas como stas o, de hecho, para llevar a cabo cualquiera de las sntesis encontradas en biologa, se necesitan catalizadores. Mientras que reconocemos la extraordinaria actividad cataltica de las enzimas basadas en H, C, N y 0,tambin debemos observar que logran su actividad con un ataque qumico relativamente pobre. Las cadenas orgnicas de las protenas no generan ningn cido de Lewis potente, ni ninguna base n-donadora, es decir, tienen una qumica pobre en electrones (en contraste con la qumica organometlica) y rara vez forman radicales libres. Ahora bien, prcticamente todos los catalizade res que el hombre ha sintetizado para la transformacin de pequeas molculas, los cuales son igual o ms poderosos que los que s e han encontrado en la naturaleza, usan otros elementos diferentes de C. H, N y O. Y claramente no podra existir biologa organizada o evolutiva que ignorara las ventajas de la qumica de losTabla l. Algunas cailisis especficascon iones meilicos.

elementos ms pesados. De hecho, sabemos que la naturaleza no lo ha hecho (ver Tabla 1).Es ms probable que antes de la aparicin de la vida, el "metabolismo" de pequeos compuestos inorgnicos y orgnicos haya sido llevado a cabo por materiales inorgnicos, y no lo opuesto. Analicemos por turnos la energa y los catalizadores.

ENERG~A(1) Desproporcionacin de sistemas redox de carbono para dar anhdridm. La energa debe ser transferida de una fuente externa hacia una reaccin bioqumica de sntesis. No tenemos conocimiento de los recursos ms primitivos, pero ahora todas las formas de entrada de energa son a travs de reacciones redox. La m& sencilla es la gliclisis, la cual puede ser escrita como la ecuacin (1) en donde P representa -P.CH,OH-CHOH-CH,OP CH,CH,CO-OP+

H,O

(1)

La caracterstica esencial es la estabilizacin de los estados de oxidacin en el carbono de izquierda a derecha por desproporcionacin; es decir, que mientras decrece el nmero de carbonos en estado de oxidacin

fisteres de fosfato (ARN)Nz

Fosfatasa alcalina

1

Fe, Mn Mo(Fe)Mo

1

Fosfatasa cida Nitrogenasa Reductasa de nitrato Reductasa de sulfato Metanognesis, hidrogenasa Oxidasa de citocromo Citocromo P-450 Reductasa Sistemas generadores de oxgeno en plantas Catalasa, pe roxidasa Ureasa

1

N&~ 0 4 ~ -

Mo Ni(Fe)

CH3, HZ02

HzO, NO, N20

Fe Fe Fe Mn Fe(&) Ni

Insercin de oxgeno (alto potencial redox)N02~03~-,

HzO

+

02

HzOz/CI-, Br-, 1HzO/urea, CH3CO-

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anhdrido "inorgnico" y es un agente desecante que, a diferencia del pentxido de fsforo (P,O,), puede ser usado para llevar a cabo condensaciones catalizadas en agua debido a su estabilidad cintica. Aunque de hecho no es muy estable en agua, su estabilidad se incrementa cuando se enlaza a cationes. Su estabilidad es contre . . (2) lada en todas las clulas manteniendo no solamente una C,H,,O, - 3CH,COzH - 3C0, + 3CH4 de En la ecuacin (1)la ganancia en -AG es compen- concentracin 100 mm~l.dm-~ sal (KCI + NaCI) sino tambin 1rnm~l.dm-~de Los iones pirofosfato (4-) Mg2+. sada en algunas de las reacciones qumicas del carbono por la formacin de un compuesto fosfato/carboxilato, y ATP4-se hallan asociados con Mg2+como[Mg(P,07)j2y [Mg(ATP)I2- casi todos los compartimientos celulaen un anhdrido cido. res y en la mayora de las reacciones sintticas en Ahora bien, cualquier anhdrido "energizado" puede, en principio, ser usado para hacer otros anhdridos biologa. Tan solo por esta razn, el magnesio es otro por intercambio. Por ejemplo, el simple pirofosfato elemento esencial. Es el magnesio y no el calcio el catin inorgnico y todos los anhdridos similares son agentes divalente intracelular ms comn. (Tambin se encuendesecantes. [La reaccin de intercambio biolgica gene- tra en la clorofila, por supuesto, y como un catalizador ra pirofosfatos enlazados: trifosfato de adenosina cido dbil). Ntese cmo iones metlicos pueden llevar ' , (ATP)]. El agente deshidratante (ATP o pirofosfato) es una alta carga localizada, M M3', etctera, mientras que los compuestos orgnicos no pueden. Esto es usado a su vez en sistemas biolgicos para formar polmeros por condensacin, como por ejemplo steres utilizado para formar complejos especiales, para la (ADN, ARN), amidas (protenas) o teres (polisacridos). neutralizacin de cargas, en donde hay una alta densiy As, este agente deshidratan te inorgnico hace todos los dad de carga aninica, como en el P,o~~-, tambin en catalizadores, como se ver ms adelante. Es interesanpolmeros biolgicos. De hecho, en biologa el pirofos fato enlazado se usa en otros procesos que requieren te que la relacin y competencia entre los iones inorg' Mg2', Na', K y los compuestos orgnicos poliamienerga: se da en el desarrollo de tensiones mecnicas n i c o ~ nados como la espermina o las histonas estn en la base y en el bombeo de iones y molculas hacia adentro y del control en biologa, hasta el nivel de la expresin del hacia afuera de las clulas (figura 3). ADW- y la utilizacin del ARW-. Esta competencia ha Ahora es necesario un breve comentario sobre las propiedades del P20,4- (o ATP-, trifosfato de adenosina) permitido al hombre desarrollar frmacos y venenos para mostrar por qu otro elemento inorgnico es basados en entidades qumicas cargadas, como por esencial en biologa. El ion pirofosfato es un simple ejemplo Li' y aminas cuaternarias, que se unen a otros polianiones. Al requerimiento esencial de magnesio se le puede ver de forma diferente partiendo de la premisa de que los primeros catalizadores hidrolticos biolgicos fueron probablemente hechos de ribozimas de ARNn-. Todas las ribozimas necesitan magnesio, ya que estos catalizadores y sus sustratos son aniones y deben ser acercados para poder reaccionar. La unin de superfi" 'yP cies aninicas tales como ARW- en asociaciones mviles en las clulas es hasta nuestros das una propiedad del magnesio, mientras que el calcio es el responsable de INTERMEDIARIOS PROTEIWS. ETC. entrelazamientos electrostticos ms extensos fuera de la clula. Los entrelazamientos extensos tenan que / ser evitados dentro de la clula y por lo tanto la / ---I// / / / / / / / / / d bioqumica esencial del calcio est parcialmente asociada con su necesaria exclusin inicial del interior de las clulas (ver figura 6). La diferencia entre el calcio y el magnesio en biologa es una consecuencia de la diferenFigum 3. Diagrama muy simplificado del flujo de energa y mate cia en la solubilidad de sus respectivos minerales. La riales en las clulas. Se utiliza energa externa para producir internabiologa desarroll esta qumica diferente, no solamente mente pirofosfato va gradientesde protonea Estosgradientes se usan domina, y en los minerales tambin directamente para producir otros gradientes de iones o para en las clulas, donde el Mg2+ la absorcin de alimentos. La energa qumica contenida en forma de biolgicos, como caparazones y huesos, muchos de los pirofosfato (ATP) se usa para incorporar elementos del COZ,Nz y HzO cuales son sales de calcio, sino a travs de las membraa intermediarios monomricos,as como a la sntesis de polmeros. El nas. donde el calcio participa en la homeostasis y la uso especial del pirofosfatose deduce de las consideraciones mostrageneracin de seales. El calcio es tambin un elemento das en la figura 2. esencial; vase ms adelante. cero (> CHOH) -l(CHzOH) se incrementa el de aqullos en estado de oxidacin -3(CH3), -2(CHz) y +3(C&OP). La qumica del carbono va cuesta abajo en la direccin de la reaccin de desproporcionacin (2) lo cual implica la estabilizacin.

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11/42

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EDUCACIN QUMICA 4 121

(2) Reacciones redox biolgicas de un electrn. La descripcin anterior de la captura de energa por desproporcionacin de compuestos de carbono comienza a partir de CHOH, de azcares, y contina en gran parte por transferencia de tomos. Sin embargo, los elementos C, H y O s e presentan fuera de los sistemas biolgicos no como azcares, sino como COZ+ H,O, y siempre ha sido as. Sera inapropiado empezar la diccusin de las fuentes de energa en biologa a partir de un azcar inestable formado biolgicamente. Puede ser que el CH, y el H, estuvieran disponibles en los albores de la Tierra (ver ms adelante), pero no los azcares. [De dnde provienen los azcares, tan importantes en biologa? Debemos echar una mirada a la qumica redox del bixido de carbono y a los donadores de hidrgeno como fuentes iniciales de material, y debemos buscar por otro lado una fuente de energa. Hay una manera primaria obvia de generar la energa redox necesaria, la cual resulta por el uso directo de la luz para causar separaciones de carga, como en una fotocelda (figura 3). A menudo se observan separaciones de carga fotogene radas en qumica inorgnica entre dos iones metlicos. En biologa encontramos justamente este tipo de pasos dependientes de metales en la fotosntesis. Primero, el pigmento llamado clorofila, como dmero (clorofila),, es fotoexcitado a un birradical muy inestable (figura 4). (Ntese el requerimiento de Mg2' en la clorofila.) Entonces, dado que la clorofila tiene una posicin fija en una membrana biolgica con dos conjuntos de iones metlicos M' y M uno a cada lado, los cuales tienen ' , potenciales redox diferentes (un artefacto inorgnico de estado slido), el electrn fotoseparado y la carga positiva del birradical fluyen cuesta abajo y logran un estado ms estable y manejable de separacin de carga [ecuaciones (3) y (4)], en donde dentro y fuera describen compartimientos vesiculares formados por una membrana (ver figuras 3 y 4).

MEDIO ACUOSO

(DENTROCOMPLEJO DE FIERRO M

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I' ~ Q - ~ H ~ Q

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EM B R A h3-Mg CLOROF.

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&,COMPLEJO DE FIERRO M E D O ACUOSO FUERA

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(Mn)Figura 4. Esquema simplificado de las fotorreacciones de las membranas biolgicas. L a

luz activa a la clorofila, propiciando un flujo de electrones en la membrana, como se muestra. En una maquinaria compleja se producen agentes reductores y tambin dioxgeno. Muchas, si no es que todas las etapas de estas reacciones, involucran ion= metlicos; en la figura se muestra esto por la ubicacin de los biocatalizadores basados en hierro y manganeso. La entidad Mg-Clorofila representa el centro de reaccin fundamental de la fotosntesis.

oxidante, la reaccin ocurre en cuatro etapas del tipo (7), o sea como en (a), en la cual se genera dioxgeno molecular afuera, mientras que la solucin de fuera se hace cida. Por lo tanto, la separacin del cido y la base en dos conjuntos de reacciones da un gradiente de protones a travs de la membrana, almacenando as la energa de concentracin, y dos especies qumicas "energizadas": O, y el H enlazado.+

H20

,

(M,),+ + OH. + H++

(7)

4(M2)3+ 2Hz0 +

+

4(M2)'+ + 0,

4Ht (fuera) (8)

La primera reaccin [ecuaciones (5)y (6)] ha resuelto efectivamente el problema de sintetizar azcares, ya

hv + (clorofila),clorotila'+~clorofila'- (M1)2+(denfro) (M2)2+(fuera) + + (3) (clorofila), + (M1)+(dentro)+ fuera) (4)

FASE P