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El manganeso en la biología

Centro reactivo de la arginasa con inhibidor de ácido borónico arginasa – los átomos de manganeso se muestran en amarillo.

El manganeso es un elemento biológico esencial en todos los organismos. [1] Se utiliza en muchas enzimas y proteínas. [2] [3] Es esencial en las plantas . [4]

Bioquímica

Las clases de enzimas que tienen cofactores de manganeso incluyen oxidorreductasas , transferasas , hidrolasas , liasas , isomerasas y ligasas . Otras enzimas que contienen manganeso son la arginasa y la superóxido dismutasa que contiene Mn ( Mn-SOD ). También la clase de enzimas de transcriptasas inversas de muchos retrovirus (aunque no lentivirus como el VIH ) contiene manganeso. Los polipéptidos que contienen manganeso son la toxina de la difteria , las lectinas y las integrinas . [2]

Papel biológico en los humanos

El manganeso es un elemento esencial de la dieta humana. Está presente como coenzima en varios procesos biológicos, que incluyen el metabolismo de macronutrientes, la formación ósea y los sistemas de defensa contra radicales libres . Es un componente crítico en docenas de proteínas y enzimas. [3] El cuerpo humano contiene alrededor de 12 mg de manganeso, principalmente en los huesos. El resto de los tejidos blandos se concentra en el hígado y los riñones. [5] En el cerebro humano, el manganeso está unido a las metaloproteínas de manganeso , más notablemente a la glutamina sintetasa en los astrocitos . [6]

Nutrición

Recomendaciones dietéticas

El Instituto de Medicina de los Estados Unidos (IOM) actualizó los Requerimientos Promedio Estimados (EAR) y las Ingestas Dietéticas Recomendadas (RDA) para minerales en 2001. En el caso del manganeso, no había suficiente información para establecer EAR y RDA, por lo que las necesidades se describen como estimaciones de Ingestas Adecuadas (IA). En cuanto a la seguridad, el IOM establece Niveles Máximos de Ingesta Tolerables (UL) para vitaminas y minerales cuando hay evidencia suficiente. En el caso del manganeso, el UL para adultos se establece en 11 mg/día. En conjunto, los EAR, RDA, AI y UL se denominan Ingestas Dietéticas de Referencia (DRI). [7] La ​​deficiencia de manganeso es rara. [8]

La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (AESA) denomina al conjunto de información Valores Dietéticos de Referencia, con Ingesta de Referencia Poblacional (PRI) en lugar de RDA, y Requerimiento Promedio en lugar de EAR. La IA y el UL se definen de la misma manera que en los Estados Unidos. Para personas de 15 años o más, la IA se establece en 3,0 mg/día. Las IA para el embarazo y la lactancia son de 3,0 mg/día. Para niños de 1 a 14 años, las IA aumentan con la edad de 0,5 a 2,0 mg/día. Las IA para adultos son más altas que las RDA de EE. UU. [9] La AESA revisó la misma cuestión de seguridad y decidió que no había suficiente información para establecer un UL. [10]

Para los fines del etiquetado de alimentos y suplementos dietéticos en los EE. UU., la cantidad en una porción se expresa como un porcentaje del valor diario (% VD). Para los fines del etiquetado de manganeso, el 100 % del valor diario era 2,0 mg, pero a partir del 27 de mayo de 2016 se revisó a 2,3 mg para que coincidiera con la dosis diaria recomendada. [11] [12] Se proporciona una tabla de los valores diarios antiguos y nuevos para adultos en Ingesta diaria de referencia .

Toxicidad

La exposición o ingesta excesiva puede provocar una afección conocida como manganismo , un trastorno neurodegenerativo que causa muerte neuronal dopaminérgica y síntomas similares a la enfermedad de Parkinson . [5] [13]

Deficiencia

La deficiencia de manganeso en los seres humanos, que es poco frecuente, provoca diversos problemas médicos. Muchos suplementos vitamínicos y minerales comunes no incluyen manganeso en sus composiciones. Una ingesta dietética relativamente alta de otros minerales, como hierro, magnesio y calcio, puede inhibir la ingesta adecuada de manganeso. Una deficiencia de manganeso provoca deformaciones esqueléticas en los animales e inhibe la producción de colágeno en la cicatrización de heridas.

Toxicidad en la vida marina

Muchos sistemas enzimáticos necesitan Mn para funcionar, pero en niveles altos, el Mn puede volverse tóxico. Una razón ambiental por la que los niveles de Mn pueden aumentar en el agua de mar es cuando ocurren períodos hipóxicos. [14] Desde 1990 ha habido informes de acumulación de Mn en organismos marinos, incluidos peces, crustáceos, moluscos y equinodermos. Los tejidos específicos son objetivos en diferentes especies, incluidas las branquias, el cerebro, la sangre, los riñones y el hígado/hepatopáncreas. Se han reportado efectos fisiológicos en estas especies. El Mn puede afectar la renovación de los inmunocitos y su funcionalidad, como la fagocitosis y la activación de la profenoloxidasa, suprimiendo los sistemas inmunológicos de los organismos. Esto hace que los organismos sean más susceptibles a las infecciones. A medida que ocurre el cambio climático, aumenta la distribución de patógenos y, para que los organismos sobrevivan y se defiendan contra estos patógenos, necesitan un sistema inmunológico saludable y fuerte. Si sus sistemas se ven comprometidos por altos niveles de Mn, no podrán luchar contra estos patógenos y morirán. [15]

Papel biológico de las bacterias

La Mn-SOD es el tipo de SOD presente en las mitocondrias eucariotas y también en la mayoría de las bacterias (este hecho concuerda con la teoría del origen bacteriano de las mitocondrias). La enzima Mn-SOD es probablemente una de las más antiguas, ya que casi todos los organismos que viven en presencia de oxígeno la utilizan para lidiar con los efectos tóxicos del superóxido ( O
2
), formada a partir de la reducción de dioxígeno con un electrón. Las excepciones, que son todas bacterias, incluyen Lactobacillus plantarum y lactobacilos relacionados , que utilizan un mecanismo no enzimático diferente con iones de manganeso (Mn 2+ ) complejos con polifosfato, lo que sugiere una vía de evolución para esta función en la vida aeróbica.

Papel biológico en las plantas

El manganeso también es importante en la evolución fotosintética del oxígeno en los cloroplastos de las plantas. El complejo generador de oxígeno (OEC) es una parte del fotosistema II contenido en las membranas tilacoides de los cloroplastos; es responsable de la fotooxidación terminal del agua durante las reacciones luminosas de la fotosíntesis , y tiene un núcleo de metaloenzima que contiene cuatro átomos de manganeso. [16] [17] Para cumplir con este requisito, la mayoría de los fertilizantes vegetales de amplio espectro contienen manganeso.

Referencias

  1. ^ Li, Longman; Yang, Xiaobo (2018). "El elemento esencial manganeso, estrés oxidativo y enfermedades metabólicas: vínculos e interacciones". Medicina oxidativa y longevidad celular . 2018 : 1–11. doi : 10.1155/2018/7580707 . PMC  5907490 . PMID  29849912.
  2. ^ ab Rice, Derek B.; Massie, Allyssa A.; Jackson, Timothy A. (2017). "Intermediarios de manganeso y oxígeno en la activación de enlaces O-O y reacciones de transferencia de átomos de hidrógeno". Accounts of Chemical Research . 50 (11): 2706–2717. doi :10.1021/acs.accounts.7b00343. PMID  29064667.
  3. ^ ab Erikson, KM; Aschner, M. (2019). "Manganeso: su papel en la enfermedad y la salud". Metales esenciales en medicina: uso terapéutico y toxicidad de iones metálicos en la clínica . Vol. 19. págs. 253–266. doi :10.1515/9783110527872-016. ISBN 978-3-11-052787-2. Número de identificación personal  30855111. Número de identificación personal  73725546. {{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )
  4. ^ Schmidt, Sidsel Birkelund; Husted, Søren (27 de septiembre de 2019). "Las propiedades bioquímicas del manganeso en las plantas". Plantas . 8 (10): 381. doi : 10.3390/plantas8100381 . PMC 6843630 . PMID  31569811. 
  5. ^ ab Emsley, John (2001). "Manganeso". Los elementos básicos de la naturaleza: una guía de la A a la Z de los elementos. Oxford, Reino Unido: Oxford University Press. págs. 249–253. ISBN 978-0-19-850340-8.
  6. ^ Takeda, A. (2003). "Acción del manganeso en la función cerebral". Brain Research Reviews . 41 (1): 79–87. doi :10.1016/S0165-0173(02)00234-5. PMID  12505649. S2CID  1922613.
  7. ^ ab Instituto de Medicina (EE. UU.) Panel sobre micronutrientes (2001). "Manganeso". Ingestas dietéticas de referencia para vitamina A, vitamina K, arsénico, boro, cromo, cromo, yodo, hierro, manganeso, molibdeno, níquel, silicio, vanadio y cromo . National Academy Press. págs. 394–419. ISBN 978-0-309-07279-3. Número de identificación personal  25057538.
  8. ^ Véase "Manganeso". Centro de Información sobre Micronutrientes . Instituto Linus Pauling de la Universidad Estatal de Oregón . 23 de abril de 2014.
  9. ^ "Resumen de los valores de referencia dietéticos para la población de la UE elaborados por el Panel de Productos Dietéticos, Nutrición y Alergias de la EFSA" (PDF) . 2017.
  10. ^ Niveles máximos de ingesta tolerables de vitaminas y minerales (PDF) , Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria, 2006
  11. ^ "Registro Federal del 27 de mayo de 2016, Etiquetado de alimentos: Revisión de las etiquetas de información nutricional y de suplementos. Página FR 33982" (PDF) .
  12. ^ "Daily Value Reference of the Dietary Supplement Label Database (DSLD)" ( Base de datos de etiquetas de suplementos dietéticos (DSLD)) . Archivado desde el original el 7 de abril de 2020. Consultado el 16 de mayo de 2020 .
  13. ^ Silva Avila, Daiana; Luiz Puntel, Robson; Aschner, Michael (2013). "Manganeso en la salud y la enfermedad". En Astrid Sigel; Helmut Sigel; Roland KO Sigel (eds.). Interrelaciones entre iones metálicos esenciales y enfermedades humanas . Iones metálicos en las ciencias de la vida. Vol. 13. Springer. págs. 199–227. doi :10.1007/978-94-007-7500-8_7. ISBN 978-94-007-7499-5. PMC  6589086 . PMID  24470093.
  14. ^ Hernroth, Bodil; Krång, Anna-Sara; Baden, Susanne (febrero de 2015). "Supresión bacteriostática en la cigala (Nephrops norvegicus) expuesta a manganeso o hipoxia bajo presión de acidificación del océano". Toxicología acuática . 159 : 217–224. Bibcode :2015AqTox.159..217H. doi :10.1016/j.aquatox.2014.11.025. PMID  25553539.
  15. ^ Hernroth, Bodil; Tassidis, Helena; Baden, Susanne P. (marzo de 2020). "Inmunosupresión de organismos acuáticos expuestos a niveles elevados de manganeso: de una perspectiva global a una molecular". Inmunología comparada y del desarrollo . 104 : 103536. doi : 10.1016/j.dci.2019.103536. PMID  31705914. S2CID  207935992.
  16. ^ Umena, Yasufumi; Kawakami, Keisuke; Shen, Jian-Ren; Kamiya, Nobuo (mayo de 2011). "Estructura cristalina del fotosistema II que desprende oxígeno a una resolución de 1,9 Å". Naturaleza . 473 (7345): 55–60. Código Bib :2011Natur.473...55U. doi : 10.1038/naturaleza09913. PMID  21499260. S2CID  205224374.
  17. ^ Charles Dismukes, G.; Van Willigen, Rogier T. (2006). "Manganeso: el complejo generador de oxígeno y modelos". Enciclopedia de química inorgánica . doi :10.1002/0470862106.ia128. ISBN 978-0-470-86078-6.