Qué es la Química Bioinorgánica?

por Eduardo Libby

Las reacciones que se estudian inicialmente en los cursos básicos de Bioquímica son básicamente reacciones orgánicas, catalizadas eso sí por enzimas con una especificidad exquisita. La Glicólisis, el Ciclo de Krebs, o la biosíntesis de aminoácidos son secuencias de reacciones de moléculas relativamente grandes. En esas reacciones, el modelo de llave y cerradura de la acción enzimática permite el reconocimiento y anclaje del sustrato, la disposición espacial de los reactantes y la estabilización del estado de transición. La catálisis enzimática resultante surge gracias a que la forma y presencia de grupos funcionales del sustrato facilita el reconocimiento y orientación de los reactivos en el sitio activo.

Toda esta fantástica química orgánica enzimática desafortunadamente no es útil para catalizar las reacciones de moléculas pequeñas fundamentales para la vida como H₂, O₂, N₂, o CH₄, que están involucradas tanto en reacciones que generan o almacenan energía como en su activación e incorporación en biomoléculas más complicadas.

Sabemos, por ejemplo, que el hidrógeno sólo reduce moléculas orgánicas en presencia de catalizadores como el platino o el níquel. El nitrógeno requiere del hierro presente en los catalizadores del Proceso Haber para combinarse con hidrógeno y formar amoníaco. El metano es notoriamente inerte a menos que logremos que reaccione con catalizadores metálicos: una barrera técnica importante para el uso del gas natural como fuente de materias primas.

Las moléculas pequeñas que mencionamos no reaccionan como un éster que puede activarse para la hidrólisis en presencia de ácidos de Lewis orgánicos o inorgánicos. Solamente reaccionan cuando se unen a metales de transición que perturban sos orbitales debilitando sus enlaces. Por este motivo es que muchas de las reacciones que estudiamos en Química Bioinorgánica están relacionadas con la activación de moléculas pequeñas y con sus reacciones redox las cuales además pueden utilizarse para la producción o la fijación de energía.

Es notable que entre una cuarta y una tercera parte parte de las proteínas conocidas son metaloproteínas y en ellas los metales cumplen funciones catalíticas, estructurales o químicas. Además, si a eso le sumamos que sustancias como el ADN como el ARN incorporan cationes metálicos (Zn, Mg y aún Ca) para sus estructuras y para sus reacciones, nos damos cuenta de que los metales permean completamente la bioquímica.

La pregunta fundamental que muchos Químicos Bioinorgánicos se hacen es ¿Cómo se relaciona la Tabla Periódica con la Evolución? Los metales que forman parte de las metalobiomoléculas deben haber sido escogidos no sólo por su función sino por su disponibilidad en el medio y por la presencia de mecanismos para absorberlos y utilizarlos de manera específica.

Un elemento que encontramos prácticamente en todos los organismos es el hierro. Su importancia es enorme. Es fuente y receptor de electrones para microorganismos, realiza catálisis en el Ciclo de Krebs, en oxidaciones biológicas, transporte de electrones y mucho más. Sin embargo, pese a que es muy abundante, encontramos que el hierro es muy poco biodisponible: en el ambiente aeróbico de nuestro planeta está presente como óxidos muy insolubles. ¿Por qué entonces su importancia? La respuesta sólo la encontramos retrocediendo en el tiempo… varios miles de millones de años.

Gracias al récord Geológico sabemos que, cuando surgió la vida en La Tierra, el ambiente era anóxico y los organismos podían disponer de abundantes sustancias reducidas como fuente de electrones para su metabolismo. La fotosíntesis antigua por ejemplo tomaba electrones de sustancias como el H₂S, el H₂ o compuestos orgánicos para convertir el CO₂ en materia orgánica. El hierro en los océanos estaba en el estado de oxidación 2+ y por tanto era soluble y disponible. Hay muchas proteínas de hierro que datan del largo período sin oxígeno atmosférico en que el planeta se pobló de procariotas anaeróbicos.

Con el tiempo, en medio de la carrera evolutiva, las cianobacterias desarrollaron un sistema enzimático basado en la misma maquinaria fotosintética antigua pero con un sitio metálico muy especial que les permitía extraer los electrones del agua en vez de depender de moléculas menos abundantes. El sitio metálico es el mismo que tienen las plantas actuales y está basado en átomos de manganeso y de calcio. En la actualidad se estudia intensamente pues creemos que combinando su química con la de sistemas fotovoltaicos de captura de energía solar podría ser la solución a nuestro problema energético y de dependencia del petróleo.

Volviendo a las cianobacterias: de repente, el oxígeno subproducto de la fotosíntesis cambió irreversiblemente el mundo: No solo empezó a consumir el hierro soluble precipitándolo a una escala tan grande que por todo el mundo se observan depósitos sedimentarios que se formaron hace 3200-2500 millones de años y que hoy día son la principal fuente del elemento. Una vez consumido el hierro el oxígeno empezó a acumularse en la biosfera con dramáticas consecuencias: Las poblaciones de microorganismos que se pudieron adaptar al uso de este nuevo aceptor de electrones de repente pudieron extraer mucha más energía de la oxidación de sus alimentos y lograron un rotundo éxito. Sin embargo, la mayoría de los microorganismos no tenía mecanismos de defensa contra las especies reactivas del oxígeno (peróxidos y radicales) los cuales inmediatamente causaron la primera extinción masiva que conocemos y que corresponde con el llamado “Gran Evento Oxidativo.”

Como consecuencia las poblaciones de microorganismos que sobrevivieron son las que se retiraron a nichos anaeróbicos en los que aún hoy las encontramos, las que desarrollaron defensas contra las especies reactivas y que eventualmente aprovecharon al oxígeno como motor de nuevos metabolismos aeróbicos. Curiosamente, muchas de las metaloenzimas de protección y de utilización del oxigeno son proteínas de hierro y los organismos tuvieron que desarrollar eficientes rutas de asimilación del hierro que estaba cada vez menos biodisponible. Afortunadamente, la evolución prosiguió y, eventualmente, gracias al oxígeno, fue posible que las células aprendieron a sintetizar por medio de reacciones oxidativas los tejidos conectivos que son la base de la vida multicelular que conocemos.

El hierro solo es un ejemplo de cómo la química de los elementos ha condicionado la evolución. La mayoría de los elementos 3d, algunos elementos de transición más pesados, y aún varios lantánidos tienen cada uno su propia historia: son los elementos que estudia la Química Bioinorgánica.

Le interesa la bioquímica inorgánica? Puede contactarme por medio de este blog o a mi correo electrónico eduardo.libby@ucr.ac.cr