quimica bioinoganica de ca y mg

QUÍMICA BIOINÓRGANICA 2013

1 FARMACIA Y BIOQUIMICA

HIDROGENO, CARBONO Y SILICIO

Hidrogeno

El hidrogeno es el elemento más abundante del universo. En ultimo termino toda la vida

sobre la tierra depende de la energía solar, que proviene de la fusión nuclear del hidrogeno

a helio. El hidrogeno es mucho menos abundante en la tierra encontrándose casi todo en

forma de agua .El agua es una sustancia absolutamente necesaria para todas las formas de

vida conocida ;la química de la vida es química en disolución acuosa ,por lo que sin agua

no hay vida .El hidrogeno forma parte también de todas las biomoleculas, en las que se

encuentra unido al carbono, nitrógeno, oxigeno o azufre. Otras especies simples

importantes en los sistemas biológicos son los iones hidrogeno, H+ y el hidrogeno

molecular, H2 .

El enlace de hidrogeno en bioquímica

El átomo de hidrogeno se combina con otros átomos formando un enlace covalente por par

de electrones .Sin embargo, cuando esta unido a un átomo electronegativo como O o N es

capaz de unirse a otro átomo formando un enlace más débil que uno covalente pero más

fuerte que las típicas interacciones intermoleculares, el llamado enlace de hidrogeno entre

las moléculas de agua confiere a esa sustancia alguna de sus propiedades físicas mas

familiares y anómalas como que sea liquida a temperatura de ambiente ,que en estado

sólido sea menos densa que en estado liquido, etc.

El enlace de hidrogeno es de importancia crucial en biología, determinando la estructura

de mucho compuesto fundamentales. Así, por ejemplo, la estructura en doble hélice del

ADN está determinada por la formación de enlaces de hidrogeno entre las bases

nitrogenadas adenina, guanina y timina .Esta forma determina su papel estructural y en las

enzimas controla su reactividad y selectividad. Los enlaces de hidrogeno son también

fundamentales muchas veces en la interacción enzima-sustrato.

El pH de la vida

La concentración de iones hidrógeno en el interior de las células, orgánulos celulares y

fluidos extracelulares es de un enorme importancia .La mayor parte de las biomoleculas

contienen átomos de hidrogeno con carácter acido y su grado de protonación es muy

sensible al valor del pH del medio .Por otra parte, las reacciones bioquímicas implican en

general un consumo o formación de portones .El mantenimiento de las estructuras

moleculares y celulares así como el correcto funcionamiento de la maquinaria celular

requiere una estricta regulación del pH dentro de límites estrechos.



El efecto tampón de los iones hidrogenocarbonato e hidrogenofosfato desempeña un papel

esencial en ese control. El valor de pH no es uniforme en el interior de un organismo, ni

siquiera en el interior de una célula, pero en términos generales se puede decir que el pH

de la vida está alrededor de 7, 7, es decir próximo a la neutralidad pero ligeramente

alcalino.

La importancia del pH en los procesos biológicos es muy grande, ya que es uno de los

factores para que se lleven a cabo las miles de reacciones químicas en un organismo, por

ejemplo las ENZIMAS son proteínas que catalizan las reacciones química en los seres

vivos, y estas se ven alterado su funcionamiento en base al pH y a otro factor también

importante que es la temperatura.

Estos dos factores tienen que estar muy bien regulados por el organismo, ya que de ellos

depende tanto la velocidad de la reacción enzimática como que se lleve a cabo o no dicha

reacción.

El pH de las aguas naturales nunca es neutro debido a las sustancias que tienen disueltas.

La principal causa de acidez es el dióxido de carbono disuelto queda al agua de lluvia un

pH=6.Si el agua está en contacto con suelos ricos en materia orgánica, que contiene ácidos

húmicos, puede acidificarse hasta pH=5, mientras que el contacto con terrenos calizos

puede aumentar el pH a 8 o 9.La lluvia acida puede ser hasta de pH= 4 mientras que el agua

de mar tiene un pH próximo a 8.No parece que las distintas formas de vida tengan

problemas para desarrollarse en estos medios lo que pone de manifiesto la eficacia de

los controles homeostáticos incluso en los organismos unicelulares que son los más

expuestos al medio externos.

Sin embargo, es interesante destacar que existen unos pocos microorganismos adaptados

a estas condiciones extremas de vida .Hay microorganismos acidófilos que necesitan un

medio acido para su desarrollo. Por ejemplo, los tiobacilos, que generan acido sulfúrico a

partir de azufre o sulfuro de hidrogeno, viven en un medio donde no puede vivir casi

ningún otro organismos.



Bioquímica del hidrógeno molecular, H2.

El hidrogeno elemental no existe en forma libre sobre la superficie de la tierra. Sin

embargo, el dihidrógeno tiene una gran importancia biológica .Este hidrogeno no se

acumula porque es inmediatamente consumido por otros microorganismos que lo utilizan

en diversos procesos metabólicos.

Generan hidrogeno molecular las bacteria anaerobias que obtienen su energía de reacciones

de fermentación de compuestos orgánicos.

C6H12O6 + 2 H2O = 2 CH3COOH + 2 CO2 + 4 H2

Aunque es menos frecuente, el H2 también puede generarse y consumirse en medios

aeróbicos. Así, es un subproducto de la fijación del dinitrógeno. Este hidrógeno es

consumido por las mismas bacterias que lo originan o por las bacterias del genero

hidrogenomonas, curiosos microorganismos aeróbicos quimiáutotrofos que lo utilizan para

reducir dioxígeno.

La energía que se libera en la reacción:

2H2+O2=2H2O

Activación del hidrógeno molecular por ruptura heterolítica del enlace H-H en un

complejo de Rh (III)



2. CARBONO

Entre todos los químicos esenciales para la vida el carbono ocupa un lugar singular. Sus

características químicas son las que definen en gran medida lo que es la química de la vida.

Su tendencia a formar enlaces covalentes estables e inertes consigo mismo y con el

hidrógeno permite la formación de una enorme variedad de compuestos moleculares que

contienen algunos heteroátomos tales como O, N y S, los compuestos orgánicos que

forman las unidades constituyentes de todos los seres vivos. Algunas especies inorgánicas

del carbono como el CO2, CO y CH4 son fundamentales en la química biológica.

El carbono elemental existe en dos formas alotrópicas cristalinas bien definidas: diamante y

grafito. Otras formas con poca cristalinidad son carbón vegetal, coque y negro de humo.

El carbono químicamente puro se prepara por descomposición térmica del azúcar

(sacarosa) en ausencia de aire. Las propiedades físicas y químicas del carbono dependen de

la estructura cristalina del elemento. La densidad fluctúa entre 2.25 g/cm³ (1.30 onzas/in³)

para el grafito y 3.51 g/cm³ (2.03 onzas/in³) para el diamante. El punto de fusión del grafito

es de 3500ºC (6332ºF) y el de ebullición extrapolado es de 4830ºC (8726ºF). El carbono

elemental es una sustancia inerte, insoluble en agua, ácidos y bases diluidas, así como

disolventes orgánicos.

EL CARBONO FRENTE AL SILICIO

Cabe preguntarse si la situación del carbono es singular o si por el contrario algún otro

elemento participa de sus mismas propiedades. Observando el sistema periódico se advierte que

el silicio está situado en el mismo grupo justo debajo del carbono y con idéntica configuración

electrónica externa.

¿Por qué razón la vida se ha desarrollado sobre los compuestos del carbono y no sobre los del

silicio?

La existencia en el silicio de ocho electrones internos adicionales respecto del carbono hace

que los electrones externos o de valencia responsables del enlace químico estén más alejados

del núcleo y, por tanto, atraídos por él más débilmente. Ello se traduce en que la fuerza de los

enlaces del silicio es comparativamente menor; particularmente lo es el enlace Si-Si, lo que le

convierte en más reactivo, es decir, menos estable químicamente.

No obstante, el silicio cristaliza formando una red tridimensional semejante a la del diamante, y

sus derivados constituyen el 87 % de la composición de la corteza terrestre. Su combinación

con el oxígeno origina la sílice o cuarzo (SiO2). El carácter francamente polar de esta unión da

lugar a estructuras reticulares o redes cristalinas que por sus propiedades se parecen

enormemente a las de los sólidos iónicos.



a) El carbono en la naturaleza. Ciclo del carbono

El carbono no es el elemento especialmente abundante en la corteza terrestre (480 ppm).

Se encuentra en la atmosfera en forma de CO2, en todas las aguas naturales en HCO3 y

formando depósitos minerales de carbonatos metálicos particularmente CaCO3 componente

mayoritario de muchas rocas sedimentarias.

La reserva fundamental de carbono, en moléculas de CO2 que los seres vivos puedan

asimilar, es la atmósfera y la hidrosfera. Este gas está en la atmósfera en una concentración

de más del 0,03% y cada año aproximadamente un 5% de estas reservas de CO2, se

consumen en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo el anhídrido carbónico se

renueva en la atmósfera cada 20 años.

La vuelta de CO2 a la atmósfera se hace cuando en la respiración los seres vivos oxidan los

alimentos produciendo CO2. En el conjunto de la biosfera la mayor parte de la respiración

la hacen las raíces de las plantas y los organismos del suelo y no, como podría parecer, los

animales más visibles.

Los seres vivos acuáticos toman el CO2 del agua. La solubilidad de este gas en el agua es

muy superior a la de otros gases, como el O2 o el N2, porque reacciona con el agua

formando ácido carbónico. En los ecosistemas marinos algunos organismos convierten

parte del CO2 que toman en CaCO3 que necesitan para formar sus conchas, caparazones o

masas rocosas en el caso de los arrecifes. Cuando estos organismos mueren sus caparazones

se depositan en el fondo formando rocas sedimentarias calizas en el que el C queda retirado

del ciclo durante miles y millones de años. Este C volverá lentamente al ciclo cuando se

van disolviendo las rocas.

El petróleo, carbón y la materia orgánica acumulados en el suelo son resultado de épocas en

las que se ha devuelto menos CO2 a la atmósfera del que se tomaba. Así apareció el O2 en la

atmósfera. Si hoy consumiéramos todos los combustibles fósiles almacenados, el O2

desaparecería de la atmósfera. Como veremos el ritmo creciente al que estamos

devolviendo CO2 a la atmósfera, por la actividad humana, es motivo de preocupación

respecto al nivel de infecto invernadero que puede estar provocando, con el cambio

climático consiguiente.



EL CICLO DE CARBONO

b) Dióxido de carbono CO2. Química de importancia biológica.

La reactividad química del CO2 es moderada comportándose como acido de Lewis débil, su

propiedad química más adecuada, que le permite reaccionar con una variedad de sustancias

básicas como el agua, las aminas o los carbaniones.

a. Reacciones acido-base

El CO2 se disuelve apreciablemente con el agua, sobre todo a presión superior a la

ambiente. Una pequeña parte del CO2 reacciona con el agua dando ácido carbónico.

CO2 + H2O=H2CO3 K = 1.6 x 10-11

El acido carbónico es acido diprotico, originando en disolución iones

hidrogenocarbonato, HCO3-

y carbonato, CO3 2-

.La concentración de ion carbonato solo es

significativa en medios muy básicos .La pequeña solubilidad de muchos carbonatos

metálicos hace que precipiten cuando se añade un ion metálico a una disolución de HCO 3 -

:

2HCO3 -+Ca

2+ =CaCO3+ CO2+H2O



Todos los organismos vivos que consumen y/o producen CO2 poseen una enzima que

cataliza este proceso, la anhídrida carbónica, una proteína de cinc. Este enzima es muy

eficaz, aumentado la velocidad de reacción con el factor 106.

El dióxido de carbono reacciona también con las aminas primarias y secundarias en

disolución acuosa par dar correspondientes ácidos carbamicos que se desprotonan para dar

iones carbamato:

R-NH2+CO2= R-NH-COOH= R-NH-COO-+H

+ …. . (6.7)

Esta reacción es estrictamente análoga a la reacción con el agua. El nitrógeno amino ataca

al átomo de carbono dando un complejo acido-base que sufre una transposición de un

protón del N a un O. El proceso global se puede describir como una inserción de CO2 en

un enlace N-H.

Reacción del dióxido de carbono con el agua y las aminas

La reacción (6.7) no representa un método adecuado de síntesis de carbamatos, que

suelen obtener por otras vías, por lo que su importancia química es muy limitada .Sin

embargo, tiene una gran importancia bioquímica.. Además la formación de una carbamato

entre la hemoglobina desoxigenada y el CO2 da cuenta de parte del transporte de CO2

desde las células donde se genera hasta los pulmones.



Otra reacción del CO2 es el que manifiesta con los compuestos carbaniónicos, por ejemplo

los reactivos de Grignard, originando ácidos carboxílicos.

RMgX + CO2 RCOOMgX

RCOOMgX + H2O RCOOH+ MgX (OH)

El dióxido de carbono es capaz de actuar como ligando en la formación de complejos

metálicos.

Uno de los modos de coordinación usuales del CO2 como ligando.

b. Reacciones redox

Muchas bacteria son capaces de reducir el CO2 a CO o de oxidar el CO a CO2 en

condiciones suaves, reacción catalizada por el enzima monóxido de carbono

deshidrogenasa (CODH). Esta enzima es una proteína de Ni y Fe en las bacterias

anaeróbicas, mientras que es una proteína de Mo en las aerobias.



Metanogénesis

Es la formación de metano por microbios. Es una forma de metabolismo microbiano muy

importante y extendido. Producción de metano por reducción del CO2

La descomposición biológica de la materia orgánica conduce generalmente a la formación de

CO2. Sin embargo, hay bacterias anaeróbicas que descomponen los compuestos orgánicos por

reducción en vez de por oxidación, produciendo metano. Hay microorganismos

metanogénicos que utilizan exclusivamente para estos fines ácidos carboxílicos producidos

por organismos fermentadores o incluso CO2. Los sedimentos acuáticos son lugares con más

actividad metanogénica. Se libera metano a la atmosfera en zonas pantanosas, el gas de los

pantanos, así como en algunas prácticas agrícolas como el cultivo de arroz. Se forma también

metano en el estomago de los aminales rumiantes las vacas o camellos y en el intestino de los

equinos y otros mamíferos como los seres vivos. En las plantas de tratamientos de residuos,

uno de los procesos biotecnológicos más importantes por su volumen, se producen también

cantidades de metano (biogás). La mayor parte del metano biogénico resulta de la

degradación del acetato, pero tal vez desde el punto de vista químico sea más interesante su

formación a partir de CO2.

Producción de metano por reducción del CO2

La metanogénesis por reducción del CO2 es una forma de respiración anaeróbica. Los

metanógenos no utilizan el oxígeno para respirar; de hecho, el oxígeno inhibe el crecimiento

de los metanógenos. El aceptor de electrones terminal en la metanogénesis no es el oxígeno,

sino el carbono. El carbono puede aparecer en un pequeño número de compuestos orgánicos

con poco peso molecular. Los dos caminos mejor descritos implican la utilización de dióxido

de carbono y acetato como aceptores terminales de electrones:

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O



Producción de metano a partir de moléculas orgánicas

Las bacterias metanógenas pueden producir también metano a partir de sustratos orgánicos

sencillos como el ácido acético, el formiato, el metanol, la metilamina, el sulfuro de dimetilo y

el metanotiol. Mediante 14C se ha demostrado que el metano se origina exclusivamente a

partir del carbono metílico del ácido acético.

CH3COOH → CH4 + CO2

Por tanto, estas bacterias pueden producir metano a partir de formas parcialmente reducidas de

carbono contenido en compuestos orgánicos: tales reacciones pueden considerarse como

verdaderas fermentaciones.

La metanogénesis es el paso final en la descomposición de la materia orgánica en condiciones

anaeróbicas. Durante el proceso de descomposición, aceptores de electrones (como el oxígeno,

hierro, sulfato, nitrato y manganeso) se reducen, mientras que se acumulan hidrógeno (H2) y

dióxido de carbono. También se acumulan compuestos orgánicos ligeros por fermentación.

Durante las fases avanzadas de la descomposición orgánica, todos los aceptores de electrones

quedan reducidos excepto el dióxido de carbono. El dióxido de carbono es un producto de la

mayoría de los procesos catabólicos, por lo que no se reduce como otros aceptores de

electrones potenciales.

Solo la metanogénesis y la fermentación pueden darse en ausencia de aceptores de electrones

distintos al carbono. La fermentación sólo permite la ruptura de compuestos orgánicos más

grandes y produce compuestos orgánicos pequeños. La metanogénesis elimina con efectividad

los productos casi finales de la descomposición: el hidrógeno, los compuestos orgánicos

pequeños y el dióxido de carbono. Sin la metanogénesis se acumularía una gran cantidad de

carbono (en forma de productos de la fermentación) en los ambientes anaeróbicos.

La metanogénesis es útil para la humanidad. Mediante ella, los residuos orgánicos se pueden

convertir en el útil biogás metano. La metanogénesis se da en el intestino de muchos animales.

Aunque se piensa que la metanogénesis no es esencial para la digestión humana, es necesaria

en la nutrición de los animales rumiantes, como las vacas y las cabras. En el rumen, organismos

anaeróbicos (incluyendo metanógenos) digieren la celulosa en formas utilizables por el animal.

Sin los microbios del rumen, las vacas no podrían sobrevivir sin ser alimentadas con una dieta

especial.



El ciclo de Calvin

También conocido como ciclo de Calvin-Benson o fase de fijación del CO2 de la fotosíntesis

consiste en una serie de procesos bioquímicos que se realizan en el estroma de los

cloroplastos de los organismos fotosintéticos. Fueron descubiertos por Melvin Calvin y Andy

Benson de la Universidad de California Berkeley mediante el empleo de isotopos radiactivos

de carbono.

Durante la fase luminosa de la fotosíntesis, la energía lumínica ha sido almacenada en

moléculas orgánicas sencillas e inestables (ATP), que aportarán energía para realizar el

proceso y poder reductor, es decir, la capacidad de donar electrones (reducir) a otra molécula

(dinucleótido de nicotinamida y adenina fosfato o NADPH+H+). En general, los compuestos

bioquímicos más reducidos (es decir, los que tienen mayor cantidad electrones) almacenan

más energía que los oxidados (con menos electrones) y son, por tanto, capaces de generar

más trabajo (por ejemplo, aportar la energía necesaria para generar ATP en la fosforilacion

oxidativa). En el ciclo de Calvin se integran y convierten moléculas inorgánicas de dióxido de

carbono en moléculas orgánicas sencillas a partir de las cuales se formará el resto de los

compuestos bioquímicos que constituyen los seres vivos. Este proceso también se puede, por

tanto, denominar como de asimilación del carbono.

La primera enzima que interviene en el ciclo y que fija el CO2 atmosférico uniéndolo a una

molécula orgánica (ribulosa-1,5-bifosfato) se denomina RuBisCO (por las siglas de Ribulosa-

1,5-bisfosfato carboxilasa-oxigenasa).

Para un total de 6 moléculas de CO2 fijado, la estequiometría final del ciclo de Calvin se puede

resumir en la ecuación:

6RuBP + 6CO2 + 12NADPH + 18 ATP + 12H+ + 6H2O → 6RuBP + C6H12O6 + 12NADP

+ + 18ADP + 18 Pi



EL SILICIO

El Silicio está presente en el organismo en muy pequeñas cantidades. Su símbolo es Si y su

número atómico 14. Es el segundo elemento más importante de la corteza terrestre (27,7%

en peso) después del oxígeno. Sus propiedades son intermedias entre las del carbono y el

germanio.

A pesar de que realiza múltiples funciones en nuestro cuerpo, la más importante sin duda es

su papel en la formación del tejido conjuntivo y con ello, en la estructura del cabello, la piel

y las uñas.

Además, el ácido silícico es una sustancia básica para el tejido de sostén que requieran

consistencia y firmeza, los huesos, los cartílagos y los dientes. Se absorbe en el intestino y

se elimina por la orina.

El silicio se encuentra casi exclusivamente en forma de sílice, silicatos y aluminosilicatos,

compuestos insolubles en agua. Para que un elemento sea absorbido por un ser vivo debe

formar alguna especie química soluble en agua a pH neutro. En el caso del silicio la única

forma ligeramente soluble en agua en estas condiciones es el acido silícico, Si(OH)4, que

puede encontrarse a pH 7 a una concentración máxima 2mM. A mayor concentración se

producen reacciones de condensación y polimerización a través de la formación de enlaces

Si-O-Si, precipitando en último termino dióxido de silicio hidratado y amorfo.

Las diatomeas, microorganismos unicelulares de vida acuática, son capaces de absorber y

concentrar el acido silícico presente en el agua en compartimiento especial en los que

precipita en forma de SiO2 nH2O con el que construyen un exoesqueleto protector. Este

caparazón puede adoptar formas muy diversas y complejas de una gran belleza. Cuando el

organismo muere sus restos se depositan en el fondo acuático, donde la materia orgánica se

descompone dejando únicamente el microscópico exoesqueleto silíceo.

El silicio se halla en:

- La piel

- Las Uñas

- El esmalte dental

- Los cartílagos

- Los ligamentos

- Los huesos



Beneficios, funciones o propiedades del Silicio orgánico

Como muchos minerales el Silicio orgánico no se debe de tomar en forma ponderal

(mineral tal cual) sino solamente en forma de oligoelemento. Una de las propiedades más

destacable del Silicio orgánico es que colabora o favorece la síntesis de colágeno lo cual es

básico en la formación del tejido conjuntivo. Esto hará que sus beneficios sean muy

diversos y afecten a partes muy distintas de nuestro organismo:

Fortalece los dientes, uñas y el cabello.

Recupera la elasticidad de la piel.

A nivel externo se puede aplicar en quemaduras, llagas y heridas que cicatrizan mal.

También se fabrican cremas que ayudan a calmar el dolor y la inflación.

Ayuda en muchas enfermedades cardiovasculares ya que mantiene elásticas las

paredes de las arterias. La hipertensión y la arteriosclerosis son algunos casos en los

que el Silicio orgánico puede ayudar.

Tomado calma mucho la acidez de estómago así como también alivia las úlceras.

Ayuda a remineralizarnos. Osteoporosis, fracturas óseas, épocas de crecimiento,

artrosis, reumatismos, artritis y la mayoría de enfermedades que afectan a huesos,

tendones, cartílagos y articulaciones y que cursan con dolor o inflamación pueden

beneficiarse de las propiedades del Silicio orgánico.

El Silicio orgánico es uno de los minerales que primero perdemos (y en mayor

cantidad) cuando hay enfermedades o fases de desmineralización.

Su déficit puede provocar:

Su carencia puede ocasionar una serie de trastornos, estos son algunos de ellos:

Problemas articulares afectando a cartílagos y huesos.

Menor elasticidad en la piel.

Debilidad en uñas y pelo.

Alteraciones importantes cardiovasculares.

Falta de elasticidad en las venas.

Artritis reumatoide u osteoartritis.

Mayor lentitud en la cicatrización de quemaduras, heridas y roturas.



Fuentes naturales de Silicio orgánico

Los cereales integrales son una de las fuentes naturales más ricas en Silicio orgánico. Las

legumbres y las hortalizas como la remolacha, la patata y la alfalfa también son buenas

fuentes. Entre las plantas medicinales ricas en Silicio orgánico destaca sin lugar a dudas la

Cola de caballo, es el vegetal conocido más rico en Silicio orgánico ya que puede (según el

clima y el tipo de suelo) contener entre un 10 y un 60 % de este mineral. Y en origen

animal lo contiene el queso.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1.-VALLET, M (2004). Introducción a la Química Bioinorgánica. Ed. Síntesis:

España. Pp.: 115-135.

2.-CALVO, M (2000).Tratado de reciclado y recuperación de los productos de

los residuos. Ed. Mundi -prensa .España.Pp: 71-72.

3.- BROWN, T. (2004). QUIMICA: La ciencia central (9°, ed). México: PEARSON

EDUCACIÓN .Pp.: 900-901

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