Los biometales (también llamados metales biocompatibles , metales bioactivos , biomateriales metálicos ) son metales normalmente presentes, en cantidades pequeñas pero importantes y mensurables, en biología , bioquímica y medicina . Los metales cobre , zinc , hierro y manganeso son ejemplos de metales esenciales para el funcionamiento normal de la mayoría de las plantas y de los cuerpos de la mayoría de los animales , como el cuerpo humano . Algunos ( calcio , potasio , sodio ) están presentes en cantidades relativamente mayores, mientras que la mayoría de los demás son metales traza , presentes en cantidades más pequeñas pero importantes (la imagen muestra los porcentajes para humanos). Aproximadamente 2/3 de la tabla periódica existente está compuesta de metales con diferentes propiedades, [1] lo que explica las diversas formas en que los metales (generalmente en forma iónica ) se han utilizado en la naturaleza y la medicina.
Al principio, el estudio de los biometales se denominó química bioinorgánica . Cada rama de la química bioinorgánica estudió subcampos particulares y separados de la materia. Sin embargo, esto llevó a una visión aislada de cada aspecto particular de un sistema biológico. Esta visión fue revisada hacia un enfoque holístico de los biometales en metalómica . [2]
Los iones metálicos en biología se estudiaron en diversas especialidades. En nutrición , era definir lo esencial para la vida; en toxicología , para definir cómo se evalúan los efectos adversos de ciertos iones metálicos en los sistemas biológicos y en farmacología por sus efectos terapéuticos. [2] En cada campo, al principio, fueron estudiados y separados en función de la concentración. En cantidades bajas, los iones metálicos en un sistema biológico podrían funcionar con su funcionalidad óptima, mientras que en concentraciones más altas, los iones metálicos pueden resultar fatales para los sistemas biológicos. Sin embargo, se demostró que los gradientes de concentración eran arbitrarios, ya que bajas concentraciones de metales no esenciales (como el litio o el helio ) en metales esenciales (como el sodio o el potasio ) pueden causar un efecto adverso en los sistemas biológicos y viceversa. [2]
Las investigaciones sobre los biometales y sus efectos se remontan al siglo XIX y aún más al siglo XVIII con la identificación del hierro en la sangre. [2] Se identificó que el zinc era esencial en el crecimiento fúngico de la levadura , como lo demostró Jules Raulin en 1869, pero no se demostró ninguna prueba de la necesidad del zinc en las células humanas hasta finales de la década de 1930, cuando se demostró su presencia en la anhidrasa carbónica , y en la década de 1960, cuando fue identificado como un elemento necesario para los humanos. [2] Desde entonces, la comprensión del zinc en la biología humana ha avanzado hasta el punto de que se considera tan importante como el hierro. Los avances modernos en la tecnología analítica han dejado clara la importancia de los biometales en las vías de señalización y las ideas iniciales sobre la base química de la vida . [2]
Los iones metálicos son esenciales para el funcionamiento de muchas proteínas presentes en los organismos vivos, como las metaloproteínas y las enzimas que requieren iones metálicos como cofactores . [3] Los procesos que incluyen el transporte de oxígeno y la replicación del ADN se llevan a cabo utilizando enzimas como la ADN polimerasa , que en los humanos requiere magnesio y zinc para funcionar correctamente. [4] Otras biomoléculas también contienen iones metálicos en su estructura, como el yodo en las hormonas tiroideas humanas. [5]
Los usos de algunos de ellos se enumeran a continuación. La lista no es exhaustiva, porque cubre sólo a los principales miembros de la clase; otros que son trazas de metales de bioconcentración especialmente baja no se exploran en este documento. Algunos elementos que son no metales o metaloides (como el selenio ) están fuera del alcance de este artículo.
El calcio es el metal más abundante en los eucariotas y, por extensión, en los humanos. El cuerpo está compuesto por aproximadamente un 1,5% de calcio y esta abundancia se refleja en su falta de toxicidad redox y su participación en la estabilidad estructural de las membranas y otras biomoléculas. [6] El calcio desempeña un papel en la fertilización de un óvulo, controla varios procesos de desarrollo y puede regular procesos celulares como el metabolismo o el aprendizaje. El calcio también desempeña un papel en la estructura ósea , ya que la rigidez de las matrices óseas de las vértebras es similar a la naturaleza de la hidroxiapatita de calcio . [6] El calcio generalmente se une a otras proteínas y moléculas para realizar otras funciones en el cuerpo. Las proteínas unidas al calcio suelen desempeñar un papel importante en la adhesión célula-célula , los procesos hidrolíticos (como las enzimas hidrolíticas como las glicosidasas y las sulfatasas ) y el plegamiento y clasificación de proteínas. [6] Estos procesos influyen en la mayor parte de la estructura celular y el metabolismo.
El magnesio es el catión libre más abundante en el citosol de las plantas , es el átomo central de la clorofila y se ofrece como ion puente para la agregación de ribosomas en las plantas. [7] Incluso pequeños cambios en la concentración de magnesio en el citosol o los cloroplastos de las plantas pueden afectar drásticamente las enzimas clave presentes en los cloroplastos. Se utiliza más comúnmente como cofactor en eucariotas y funciona como una clave funcional importante en enzimas como la ARN polimerasa y la ATPasa . [7] Al fosforilar enzimas como la ATPasa o quinasas y fosfatos , el magnesio actúa como un ion estabilizador en compuestos de polifosfato debido a su acidez de Lewis . [6] El magnesio también se ha señalado como un posible mensajero secundario para las transmisiones neuronales. [6] El magnesio actúa como un inhibidor alostérico de la enzima pirofosfatasa vacuolar (V-PP iasa ). In vitro , la concentración de magnesio libre actúa como un estricto regulador y estabilizador de la actividad enzimática de la V- PPiasa . [7]
El manganeso, al igual que el magnesio, desempeña un papel crucial como cofactor en varias enzimas, aunque su concentración es notablemente menor que la del resto. [6] Las enzimas que utilizan manganeso como cofactor se conocen como "manganoproteínas". Estas proteínas incluyen enzimas, como oxidorreductasas , transferasas e hidrolasas , que son necesarias para las funciones metabólicas y las respuestas antioxidantes. [6] El manganeso desempeña un papel importante en la defensa del huésped, la coagulación de la sangre, la reproducción, la digestión y otras funciones del cuerpo. En particular, en lo que respecta a la defensa del huésped, el manganeso actúa como medida preventiva del estrés oxidativo al destruir los radicales libres , que son iones que tienen un electrón desapareado en sus capas externas.
El zinc es el segundo metal de transición más abundante presente en los organismos vivos, sólo superado por el hierro. Es fundamental para el crecimiento y la supervivencia de las células. En los seres humanos, el zinc se encuentra principalmente en diversos órganos y tejidos, como el cerebro, los intestinos, el páncreas y las glándulas mamarias. [8] En los procariotas , el zinc puede funcionar como antimicrobiano , las nanopartículas de óxido de zinc pueden funcionar como antibacteriano o antibiótico. La homeostasis del zinc está altamente controlada para permitir sus beneficios sin riesgo de muerte debido a su alta toxicidad. [8] Debido a la naturaleza antibiótica del zinc, a menudo se usa en muchos medicamentos contra infecciones bacterianas en humanos. A la inversa, debido a la naturaleza bacteriana de las mitocondrias, los antibióticos con zinc también son letales para las mitocondrias y provocan la muerte celular en altas concentraciones. [8] El zinc también se utiliza en varios factores de transcripción, proteínas y enzimas.
El sodio es un metal del que los seres humanos han descubierto gran parte de sus funciones en el cuerpo, además de ser uno de los dos únicos metales alcalinos que desempeñan un papel importante en las funciones corporales. Desempeña un papel importante en el mantenimiento del potencial de membrana celular y del gradiente electroquímico en el cuerpo a través de la bomba de sodio-potasio y las proteínas transportadoras de sodio-glucosa . El sodio también cumple un propósito en el sistema nervioso y la comunicación celular, ya que inunda los axones durante un potencial de acción para preservar la fuerza de la señal. [9] También se ha demostrado que el sodio afecta la respuesta inmune tanto en eficiencia como en velocidad. Los macrófagos tienen mayores tasas de proliferación en concentraciones altas de sal y el cuerpo utiliza altas concentraciones de sodio en regiones aisladas para generar una respuesta inmune intensificada que se desvanece una vez que se ha tratado la infección. [10]
En las plantas, el potasio juega un papel clave en el mantenimiento de la salud de las plantas. Las altas concentraciones de potasio en las plantas desempeñan un papel clave en la síntesis de proteínas esenciales en las plantas, así como en el desarrollo de orgánulos vegetales como las paredes celulares para prevenir daños causados por virus e insectos. [11] También reduce la concentración de moléculas de bajo peso molecular, como azúcares y aminoácidos, y aumenta la concentración de moléculas de alto peso molecular, como proteínas, que también previenen el desarrollo y la propagación de virus. [11] La absorción de potasio tiene una correlación positiva con las acuaporinas y la absorción de agua en las células vegetales a través de las proteínas de la membrana celular. [11] Debido a esta correlación, se ha observado que el potasio también juega un papel clave en el movimiento y la regulación de los estomas, ya que altas concentraciones de potasio se mueven hacia los estomas de las plantas para mantenerlos abiertos y promover la fotosíntesis . [11] En los animales, el potasio también juega un papel clave junto con el sodio en el mantenimiento del potencial de membrana celular en reposo y en la comunicación entre células a través de la repolarización de las vías de los axones después de un potencial de acción entre neuronas. [9] El potasio también puede desempeñar un papel clave en el mantenimiento de la presión arterial en animales, como se muestra en un estudio en el que la mayor gravedad de la enfermedad periodontal y la hipertensión se correlacionaron inversamente con la excreción urinaria de potasio (un signo revelador de una ingesta baja de potasio). [12]
El hierro es también el metal de transición más abundante en el cuerpo humano y se utiliza en diversos procesos como el transporte de oxígeno y la producción de ATP. Desempeña un papel clave en la función de enzimas como el citocromo a , b y c , así como en los complejos de hierro y azufre que desempeñan un papel importante en la producción de ATP. [13] Está presente en todo tipo de células del cerebro, ya que el cerebro mismo tiene un requerimiento de energía muy alto y, por extensión, un requerimiento de hierro muy alto. [13] En los animales, el hierro juega un papel muy importante en el transporte de oxígeno desde los pulmones a los tejidos y de CO 2 desde los tejidos a los pulmones. Lo hace a través de dos importantes proteínas de transporte llamadas hemoglobina y mioglobina . [14] La hemoglobina en la sangre transporta oxígeno desde los pulmones a la mioglobina en los tejidos. Ambas proteínas son complejos de tetrámero con complejos de proteína de hierro llamados hemo integrados en cada subunidad del tetrámero. El oxígeno se une al hierro en el hemo mediante unión o ligando basado en afinidad y se disocia de la proteína una vez que ha llegado a su destino. [14] El hierro también puede ser un carcinógeno potencial de tres maneras; El primero es la producción de radicales hidroxilo . Los iones férricos se pueden reducir mediante superóxido y el producto se puede reoxidar mediante peróxido para formar radicales hidroxilo. Los radicales hidroxilo y otras especies reactivas de oxígeno cuando se generan cerca del ADN pueden causar mutaciones puntuales , entrecruzamientos y roturas . [15] El segundo es el refuerzo del crecimiento de células neoplásicas mediante la supresión de las defensas del huésped. El exceso de hierro inhibe la actividad de los linfocitos CD 4 y suprime la actividad tumoricida de los macrófagos . [15] La tercera forma en que puede actuar como carcinógeno es funcionando como un nutriente esencial para la proliferación ilimitada de células tumorales. [15]
El litio está presente en los sistemas biológicos en cantidades mínimas ; sus funciones son inciertas. Las sales de litio han demostrado ser útiles como estabilizadores del estado de ánimo y antidepresivos en el tratamiento de enfermedades mentales como el trastorno bipolar .
El término biometal puede usarse como sinónimo de un elemento metálico que interviene en la función de una biomolécula , [16] de ahí que también se puedan considerar sistemas artificiales cuando se habla de biometales. Sistemas como las metaloproteínas , los metalopéptidos y las metaloenzimas artificiales son ejemplos de biomoléculas que contienen elementos metálicos. El diseño de novo de estructuras que involucran metales en la función de la biomolécula misma se realiza de manera biomimética pero también para permitir actividad no natural en las biomoléculas . [17]
Los iones metálicos y los compuestos metálicos se utilizan a menudo en tratamientos y diagnósticos médicos. [18] Los compuestos que contienen iones metálicos se pueden utilizar como medicamentos, como los compuestos de litio y la auranofina . [19] [20] Los compuestos e iones metálicos también pueden producir efectos nocivos en el cuerpo debido a la toxicidad de varios tipos de metales. [18] Por ejemplo, el arsénico funciona como un potente veneno debido a sus efectos como inhibidor de enzimas, interrumpiendo la producción de ATP . [21] Por otro lado, los cables de Ni-Ti-Cu se utilizan para músculos cardíacos artificiales [22] y las partículas de hierro y oro pueden guiar la administración magnética de fármacos o destruir células tumorales. [22]
Las estructuras biometálicas más grandes (que dependen de elementos metálicos y aleaciones ) en medicina se pueden clasificar en tres tipos: fibra , andamios a granel y nanotubos . [23] Y en algunos casos el término biometal también se utiliza para referirse a sistemas metálicos cuya aplicación en biomedicina no está directamente correlacionada con la función bioquímica de las biomoléculas sino con la biocompatibilidad de estos sistemas metálicos. [24] Algunos ejemplos son armazones de acero inoxidable o aleación de titanio para crear tornillos o placas para osteosíntesis , y titanio a granel para ingeniería precisa de tejido óseo . [24] [22] Con fines analíticos, los biometales se pueden emplear en la separación magnética de diferentes materiales. [22]