La vida, tal como la conocemos, es vida química. Y hasta que la vida artificial in silico sea una realidad o encontremos formas de vida extraterrestres no basadas en procesos químicos, podemos asumir como hipótesis manejable que toda la vida es Química.

Dado que la quintaesencia de la armonía de la Química reside en la Tabla Periódica, es lógico pensar que la lógica de la vida esta contenida también en la lógica de la Tabla. En un post anterior mostramos la Tabla bajo la perspectiva de los elementos que se encuentran en estado de oxidación 0, es decir, en estado elemental en la Naturaleza. En este tercer post acerca de la Tabla Periódica de los Elementos voy a tratar de mostrar cómo los seres vivos contienen también una parte importante de la Tabla y que, al igual que la ordenación de la Tabla no es casual, su presencia en nosotros tampoco lo es. Incluso, tal vez, los secretos de la biogénesis dependan también de algunos elementos concretos.

Los lectores habituales de este blog notaréis que la Tabla Periódica me interesa particularmente: nada menos que tres posts seguidos, aprovechando la propuesta de Roskiencia. En efecto, la Tabla Periódica de los Elementos es uno de los descubrimientos humanos mas bellos y fascinantes. Una representación del orden subyacente en el aparente caos y complejidad de la Naturaleza. Es mas, si de pronto vinieran unos extraterrestres a visitarme, yo, que no soy matemático, intentaría comunicarme con ellos en primer lugar con una Tabla Periódica y una metaloteca o colección de elementos puros. La Tabla Periódica es universal, y seguro que ahí comenzaríamos a entendernos…

Nadie mejor para definirlo que Robin Williams en una escena de la película “Despertares” (Penny Marshall, 1990), en la que Robert de Niro y él toman té en el apartamento del personaje de Williams, presidido por un poster de la Tabla Periódica:

Robin Williams cuenta a De Niro cómo se odenan los elementos en la Tabla, y dice:

…es el Universo en su esencia (…) cada elemento tiene su lugar en el Orden, no se puede cambiar. Es seguro, pase lo que pase…

Y le cuenta que su interés en la Ciencia nació con la Tabla Periódica. Notad que el diseño de la Tabla Periódica es similar al que se observa en la fotografía de Seaborg en mi post anterior…
Siempre me gustó esa escena porque a mi me pasó algo similar. Fué la ordenación de los elementos químicos, la asombrosa regularidad de sus compuestos, de los minerales (los minerales de cobre azules y verdes, los minerales de hierro, las sales de metales alcalinos, el amarillo, la radiactividad y la fluorescencia de los minerales de uranio…) lo que prendió en mí la chispa de la Química un lejano día en el Museo de Ciencias Naturales de Madrid, mucho antes de que la museología moderna destruyera la posibilidad de que otros ojos como los mios vieran el misterio de aquella armoniosa ordenación.

La lógica cuántica que subyace en la Tabla Periódica tiene su reflejo en la Bioquímica. En líneas generales, la estructura de la Tabla se puede definir en términos de orbitales electrónicos. Por cada incremento de número atómico n, que indica un protón extra en el núcleo, un orbital es ocupado por un electron. A consecuencia de la solución de la Ecuación de Schrödinger y del principio de exclusión de Pauli, cada orbital puede ser definido por cuatro números, llamados números cuánticos. El número principal se llama n y para los valores 1, 2, 3 y 4 daría lugar a 4 capas de orbitales llamads K, L, M y N. El siguiente número se denomina l y define el momento angular del electrón, pudiendo tener valores de 0 a n-1. Esto define cuatro tipos de orbitales: s, p, d y f.
Así, el hidrógeno, es el número 1 de la tabla, tiene un solo electron ubicado en el primer orbital posible, el 1s. El helio sería 1s2. Y ya tenemos el primer periodo. El segundo periodo, de n=2, se corresponde a la fila desde el litio (elemento 3) al neon (elemento 10). Y así sucesivamente. Así, en la tabla, llamamos “periodos” a las filas y “grupos” a las columnas.

Si entendeis como va esto de las configuraciones electrónicas, os encontaréis con lo que llamamos el “bloque d”, elementos de la parte central de la tabla. Llamamos en general metales de transición a los que se encuentran en este cuerpo central de la Tabla. En particular, son muy interesantes los grupos 5 a 12 del cuarto periodo, con el caso particular del grupo 6, que nos interesa al completo. Estos elementos tienen la peculiaridad de tener una gran capacidad para formar complejos:  el metal se coordina con moléculas (sobre todo orgánicas), para dar lugar a estructuras mas complejas y con características muy interesantes, definidas por la posición del metal en la Tabla. Así, estos complejos pueden ser buenos catalizadores entre otras cosas.
Si pensábais que la clave de la vida es la química del carbono no os equivocáis, pero es una visión incompleta: la clave de la Vida y de su origen se encuentra en la química de los complejos de metales de transición. 

Los elementos de la Tabla Periódica y sus funciones biológicas
  • Función estructural: hidrógeno, oxígeno, carbono, nitrógeno, fósforo, azufre, silicio, boro, fluor, calcio. Estos forman los tejidos, membranas, esqueletos, conchas, estructuras varias…
  • Electroquímica (como la transmisión nerviosa, producción de energía metabólica): hidrógeno, sodio, potasio, cloro, magnesio, calcio, fósforo.
  • Mecánica (como la contracción muscular): calcio, magnesio, fosforo.
  • Catálsis acido-base (metabolismo, hidrolisis y digestión): zinc, niquel, hierro, manganeso.
  • Catálisis redox (como la bioquímica del oxígeno, la fijación del nitrógeno, procesos oxidativos…): hierro, cobre, manganeso, molibdeno, selenio, cobalto, vanadio y niquel.
  • Otras funciones:
    • fotosíntesis: magnesio
    • transporte de oxígeno: hierro y cobre
    • hormonas: yodo
    • sensores ambientales: hierro, calcio, silicio

Como veis, los seres vivos transportamos una buena colección de elementos de la Tabla Periódica. Todos estos metales quedan formando parte de nuestras cenizas cuando nos incineran.

Tabla Bioquímica: Esquema de la Tabla Periódica mostrando, en rojo, los metales de los bloques s y d esenciales para la vida.   

Si observamos los metales que son esenciales para la vida, podemos pensar: ¿las propiedades de éstos elementos segun su posición en la Tabla Periódica definen su papel en la vida? y entonces, ¿hay una conexión entre estos elementos en la Vida y en la corteza terrestre?.
Comparemos esta tabla con la misma, pero señalando los elementos según su papel en la Geología:

Tabla Geoquímica: en rojo, los elementos siderófilos. En azul, los elementos litófilos. En amarillo, el grupo del platino. 

¿veis la conexión? que curioso que, justo los elementos de transición esenciales para la vida, son los elementos llamados siderófilos, que tienden a movilizarse y formar óxidos con facilidad (esto es muy simplificado. Algunos tienen caracter siderofilo y calcofilo al mismo tiempo). Pero que curioso que los elementos de las columnas 3 y 4, que prácticamente solo se dan en silicatos, no jueguen ningún papel biológico. Igualmente, los señalados en amarillo, los “metales nobles”, que normalmente forman elementos nativos, tampoco juegan ningun papel bioquímico.
 ¿el papel de los metales en nuestra bioquímica es una pista acerca de nuestro propio origen como seres vivos?

Vamos a hacer un pequeño repaso por algunos de ellos:

HIERRO

El hierro es un metal muy abundante en la Tierra y su riquísima química nos da la vida. Seguramente al pensar en el hierro pensaréis en la hemoglobina y el transporte de oxígeno. En efecto, los complejos de hierro con porfirinas tienen esta importante función:

Muchos complejos, y otros compuestos, que contienen hierro tienen un intenso color rojo. En este caso también es así y la molécula que os he mostrado  da el color rojo a la sangre y a los músculos. Pero la función no solo se restringe al transporte de gases. Este complejo también forma parte esencial de procesos como :

– Metabolismo de fármacos, tóxicos y otros xenobióticos
– Procesos de defensa, como la producción de superóxido y agua oxigenada en la defensa contra infecciones.
– Esencial en la respiración. El envenenamiento por cianuro bloquea este complejo, impidiendo la respiración.
– Producción de NO, un mensajero químico esencial en muchos procesos celulares.

Pero el hierro se encuentra de muchas mas formas, dentro de los procesos de la vida:

 – En forma de sulfuro de hierro:

Los llamados clusters de FeS juegan un papel esencial en el metabolismo intermediario y de los procesos de fijación de carbono, que convierten el CO2 en moléculas orgánicas, por parte de bacterias. 

Clusters de sulfuro de hierro biológicos. Son como pequeños “nanocristales” que juegan un papel esencial en el metabolismo. 

Los clusters de Fe-S fueron descubiertos en los años 1960-1970 y, desde entonces, nuestro conocimiento acerca de su importancia para la vida no ha dejado de crecer. Es posible que incluso estén implicados en el origen de la vida.

Este es el Ciclo de Arnon, también llamado Ciclo de Krebs Inverso. No se da en organismos heterótrofos, como nosotros, pero muchas bacterias lo tienen activo. Los grupos Fe-S estan implicados en sus pasos de fijación de dióxido de carbono y pensamos que tal vez formó parte del primer metabolismo sobre nuestro planeta, surgido hace unos 4000 millones de años.

– En otras formas inorgánicas, como los Magnetosomas de magnetita.

Muchas bacterias, llamadas magnetotácticas, generan cristales de magnetita, greigita o incluso un politipo magnetico de la pirrotita, muy pequeños, como los que veis en la imagen, y que utilizan para orientarse según el campo magnético terrestre. Así, la brújula no la inventaron los humanos. La inventaron las bacterias, hace millones de años….

Y estos son sólo dos ejemplos de las muchísimas funciones biológicas del hierro…

MOLIBDENO

El molibdeno forma un tipo de complejos esenciales en biología: los complejos ditiolados:

Esta es una molibdopterina o Cofactor que Contiene Molibdeno (así se llama, Molybdenum Containing Cofactor o MoCo :))). Se basa en las propieades redox de los elementos del grupo 6 y convierten a este tipo de complejo en el ideal para algunas reacciones bioquímicas. En nosotros es esencial en el metabolismo de las proteínas con azufre que se ingieren en la comida y en el metabolismo de las purinas. La deficiencia de molibdeno causa aumento de ácido úrico y xantina en la orina y problemas metabólicos graves, con acumulación de sulfito por mal procesamiento de las proteinas con azufre.

TUNGSTENO

Este elemento esta justo debajo del molibdeno en la Tabla Periódica y tiene características químicas similares. Por ejemplo, forma compuestos similares al molibdeno, pero con una gran diferencia: los complejos equivalentes de wolframio son extremadamente sensibles al oxígeno. Un problema para nosotros es que el wolframio puede ser tóxico: un exceso de este metal puede desplazar al molibdeno, dando lugar a un cofactor de wolframio inactivo.
Sin embargo, en algunas bacterias, la molibdopterina con wolframio:

es esencial en su metabolismo, en especial en la acetogénesis o fijación de CO2 mediante el Ciclo de Wood-Ljungdahl, que realizan algunas bacterias como la Moorella Thermoacetica. También es esencial en la respiración de acetileno, un raro proceso que lleva a cabo la bacteria Pelobacter acetylenicus. El papel del wolframio genera interesantes interrogantes a nivel evolutivo: ¿el molibdeno apareció asociado a los organismos aerobios, como adaptación? entonces, ¿la permanencia en biología de algunas vías que implican complejos de wolframio pueden indicar que son muy antiguas? ¿estas vias de fijación de CO2 formaron parte del primer metabolismo?

El ciclo de Wood-Ljungdahl, un interesante interrogante evolutivo y la muestra del gran papel de los metales en la biología: Alimentándose de dióxido de carbono mediante la química de los complejos de tungsteno, de hierro y de cobalto. 

Este tema y el estudio del papel de los complejos con Fe-S en el origen de la vida era uno de mis temas de investigación, destruido por cortesía de la política científica del gobierno español (o mas bien, por su falta de política científica, reducida a meros recortes).

BORO

Hasta hace poco tiempo, se pensaba que el boro carecía de funciones biológicas. Pero, como siempre, la biología conoce bien la Tabla Periódica: el boro forma complejos con azúcares, una propiedad que nosotros hemos usado en química analítica también. ¿y quienes son los campeones biológicos en el manejo de los azúcares?. Las plantas, que, a diferencia de bichos como nosotros, utiliza los polímeros de azucares como elementos estructurales:

Asi, los boratos, complejados con unos polisacáridos llamados galacturonanos que forman la pectina, estabilizan la estructura de la pared celular, sostenida por “vigas” de celulosa.
Que el boro es esencial en plantas es algo que se descubrió en 1923, sin embargo nunca se han conocido del todo sus funciones. La hipótesis de su función estructural se estableció rápidamente, teniendo en cuenta la química del boro. Sin embargo, este papel no ha podido demostrarse hasta tiempos recientes.
 Así, el boro es esencial en plantas, regulando la estructura y porosidad de la pared celular. Nuestras células carecen de pared y parece que el boro no juega ningun papel esencial en nosotros…

SILICIO

Para ver el papel del silicio, lo mejor es una imagen:

Este es el esqueleto silíceo de un alga diatomea. Como curiosidad, os diré que la foto esta tomada a través de un microscopio británico Watson & Sons del siglo XIX…y es que la calidad óptica de aquellos microscopios steampunk nos permite usarlos durante mas de un siglo…

En fin, que me disperso. Hay dos grandes tipos de biomineralizaciones de material estructural en la Biología: los esqueletos silíceos y los de sales de calcio (fosfato, como nuestros huesos, o carbonato, como las conchas). Parece que, evolutivamente, los esqueletos de fosfato estan relacionados con las biomineralizaciones de carbonato. Pero ¿por que se abandona la biomineralización de sílice en biología mas allá de las algas? ¿por que en la Biología no existen los aluminosilicatos, que son centrales en la Geología? Yo no conozco respuestas en torno a estos temas, pero para mí son una muestra de cómo la biología conoce bien la química: probablemente una estructura basada en los silicatos sea dificil de manejar, de modular, de construir, que una de fosfato de calcio. Los silicatos tienden a formar estructuras poliméricas muy entrecruzadas y con mucha facilidad. La mineralización de fosfato en una matriz orgánica da lugar a estructuras mas flexibles y moldeables, que permite biomineralizaciones de mayor tamaño que serían imposibles con silicatos.

Bueno, os he mostrado solo algunos ejemplos del papel de diversos elementos en el mundo biológico, que me parecían poco conocidos o peculiares. La bioquímica de los elementos que os he recuadrado en la Tabla Periódica es muy rica, compleja y cada poco tiempo aporta nuevas sorpresas. Posiblemente, incluso, en poco tiempo haya que ir incorporando nuevos elementos, conforme se vayan identificando sus papeles biológicos. Los elementos de transición no sólo juegan un papel esencial en la vida, sino que nos hablan de su historia, de su evolución y de su origen. Leer en el libro de Química que nos muestran las células es un trabajo que no ha hecho mas que empezar para los humanos. Muchas cosas se podrán descubrir, si nos dejan los políticos y la sociedad.

Este post participa en la XXII edición del Carnaval de Química, acogido por el blog Roskiencia,  que escribe Ismael

0
Spread the science

6 Comments

  1. Felicidades. Espléndidos artículos sobre la Tabla Periódica. Una idea: Creo que no sobraría un recuerdo a los orígenes y los presursores Döbereiner, Chancourtois, Newland y Meyer. Sobre todo al primero por la brillante idea de las TRIADAS (circa 1815) “la madre de todas las tablas”. Felicidades también por la “superación” y cuida esa joyita de microscopio (da mucha envidia de la buena). Saludos

    0
    1. Gracias!. Si, es un bonito microscopio…ya le dedicaré un post en mi serie “mis microscopios” 🙂

      Respecto a tu idea de los orígenes, sería interesante para un articulito sobre la historia de la Tabla, aunque no era lo que tenía pensado… ya lo dejaré para otra ocasión, que necesito un descansito de escribir contribuciones al “carnaval de Química”.

      0

Leave a Reply

Your email address will not be published.

20 + 18 =

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.