La gran mayoría de los elementos químicos que se conocen en la actualidad son metales, como lo podemos ver en la tabla periódica, y estamos familiarizados con una gran variedad de aplicaciones para algunos de ellos, como en el acero, alambres conductores, electrónica, pinturas y muchas más. Sin embargo, algunos de ellos son bioelementos ya que participan en procesos biológicos y son esenciales para los seres vivos.
Los procesos biológicos dependientes de iones metálicos varían enormemente en su función y complejidad. Básicamente se pueden dividir en dos grandes grupos, el primero de ellos incluye sodio, potasio, magnesio y calcio, que se encuentran en grandes cantidades en el organismo humano, mientras que el segundo está constituido por los metales de transición: vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, níquel, cobre, zinc y molibdeno, que están en mucha menor proporción.
Todos los metales que se encuentran en los seres vivos se encuentran como iones, lo cual implica que estos elementos presentan cargas positivas, han perdido uno o más electrones, nunca se van a encontrar como en un cable conductor de cobre o en un trozo de sodio metálico en donde estos metales contienen todos sus electrones.
El sodio y el potasio tienen una carga positiva, dada su naturaleza química son sumamente estables y siempre conservan esta carga, se comportan como electrolitos y participan en regular el delicado balance osmótico en las células conocido como la “bomba sodio/potasio”, fuera de la célula el sodio se encuentra en altas concentraciones (10 veces más que en interior) y por lo contario el potasio está en mucho menor proporción (35 veces menos), la membrana celular regula el paso y la salida de ambos iones en la cantidad adecuada para generar un potencial eléctrico negativo dentro de la célula. La bomba de sodio y potasio cumple un rol muy importante en la producción y transmisión de los impulsos nerviosos y en la contracción de las fibras musculares, como es el corazón. Los iones sodio y potasio son los electrolitos en mayor concentración en el cuerpo humano, y una variación en sus valores repercute de manera significativa en la salud, por lo que el tomar bebidas comerciales con electrolitos cuando no son necesarios, si no has hecho ejercicio o has tenido problemas de pérdida de líquidos, no hay que consumirlos ya que están concebidos para una hidratación especial.
Por otro lado, el calcio y el magnesio tienen dos cargas positivas y, al igual que sodio y potasio, conservan este estado de oxidación durante todos los procesos en los que están involucrados, están fuertemente implicados en el control y activación de diversos procesos biológicos fundamentales. El calcio es indispensable para el mantenimiento de la estructura ósea, en la función de las membranas y paredes celulares, así como en la coagulación sanguínea; mientras que el magnesio actúa como iniciador de una gran cantidad de reacciones específicas de la célula y en los procesos de relajación muscular y transmisión nerviosa.
El segundo grupo de metales esenciales está constituido por los metales de transición: vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, níquel, cobre, zinc y molibdeno. La naturaleza ha aprendido a usar las propiedades especiales de estos iones metálicos para llevar a cabo una gran variedad de funciones específicas asociadas con los procesos en los seres vivos. La gran diferencia de estos metales con los anteriores, que únicamente se encuentran en un estado de oxidación (1+ sodio/potasio o 2+ calcio/magnesio), es la gran versatilidad que presentan al poder perder y aceptar electrones, variando sus estados de oxidación, con excepción del zinc que solo se encuentra como 2+.
Aun cuando desde el siglo XVIII se conoce la existencia del hierro en los glóbulos rojos en la sangre, no fue hasta mediados del siglo XX que se determinó la estructura de la hemoglobina mediante difracción de rayos X. El gran desarrollo de las técnicas analíticas, químicas, espectroscópicas y biológicas a partir de finales del siglo pasado ha permitido que se haya avanzado exponencialmente en el conocimiento del papel que juegan los metales en los seres vivos. Para su estudio se ha requerido de la confluencia de varias disciplinas científicas en la interfase entre la química y la biología, concurriendo no sólo ideas y modelos básicos de la bioquímica, de la biología molecular y de la química inorgánica, sino también de la fisicoquímica, la química orgánica, la medicina, la física y las ciencias naturales en general.
Cuando estos iones metálicos se encuentran asociados con proteínas se les conoce como metaloproteínas, en las cuáles el papel del metal es esencial para que lleve a cabo su función. Por ejemplo, el hierro puede participar en la respiración transportando el oxígeno en la hemoglobina o en los centros hierro-azufre de proteínas donde se encarga de proporcionar los electrones necesarios para procesos biológicos.
En las metaloenzimas el metal actúa como catalizador, acelerando la velocidad de las reacciones en varios órdenes de magnitud, como en el caso de la enzima ureasa (de níquel) que lleva a cabo la hidrólisis de la urea degradándola a bicarbonato y amoníaco. Otro ejemplo es el de la enzima antioxidante superóxido dismutasa (de cobre y zinc), cuya función principal es protegernos de los radicales libres dañinos, superóxidos y especies reactivas de oxígeno que pueden causar estrés oxidativo en el organismo, asociado con el envejecimiento. Llama la atención que nuestro organismo requiere de molibdeno como sitio activo en la xantina oxidasa, el único metal pesado que es un bioelemento esencial, y que metaboliza la purina xantina a ácido úrico, sin embargo en el caso de que se produzca en exceso se acumula en forma de cristales de ácido úrico en las articulaciones dando lugar al padecimiento conocido como gota. Para su tratamiento se diseñó el alopurinol, una molécula muy parecida a la xantina, por lo que el molibdeno la confunde con la molécula natural y al unirse al metal bloquea la producción de ácido úrico.
Estos solo son algunos ejemplos de la versatilidad de los iones metálicos en los organismos biológicos. La investigación interdisciplinaria ha permitido el estudio de la reactividad, síntesis, estabilidad, estructura y diversas funciones que desempeñan los iones metálicos en los seres vivos, sin embargo aún nos falta mucho por conocer del fascinante mundo de los metales como bioelementos…
*Miembro Titular del Seminario de Cultura Mexicana