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1: Almacenamiento, transporte y biomineralización de metales de transición

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    Los organismos vivos almacenan y transportan metales de transición tanto para proporcionar concentraciones adecuadas de los mismos para su uso en metaloproteínas o cofactores como para protegerse contra los efectos tóxicos de los excesos metálicos; metaloproteínas y cofactores metálicos se encuentran en plantas, animales y microorganismos. El rango de concentración normal para cada metal en los sistemas biológicos es estrecho, con deficiencias y excesos que provocan cambios patológicos. En los organismos multicelulares, compuestos por una variedad de tipos celulares especializados, el almacenamiento de metales de transición y la síntesis de las moléculas transportadoras no son realizadas por todo tipo de células, sino por células específicas que se especializan en estas tareas. La forma de los metales es siempre iónica, pero el estado de oxidación puede variar, dependiendo de las necesidades biológicas. Los metales de transición para los que el almacenamiento y transporte biológico son significativos son, en orden decreciente de abundancia en los organismos vivos: hierro, zinc, cobre, molibdeno, cobalto, cromo, vanadio y níquel. Aunque el zinc no es estrictamente un metal de transición, comparte muchas propiedades bioinorgánicas con los metales de transición y es considerado con ellos en este capítulo. El conocimiento del almacenamiento y transporte de hierro es más completo que para cualquier otro metal del grupo.

    II. Sistemas Biológicos de Almacenamiento, Transporte y Mineralización de Metales

    1. Almacenamiento

      1. Hierro
      2. Zinc, Cobre, Vanadio, Cromo, Molibdeno, Cobalto, Níquel y Manganeso

    2. Transporte

      1. Hierro
      2. Zinc, Cobre, Vanadio, Cromo, Molibdeno y Cobalto

    3. Biomineralización de Hierro

    III. Resumen

    Los metales de transición (Fe, Cu, Mo, Cr, Co, Mn, V) desempeñan un papel clave en procesos biológicos como la división celular (Fe, Co), la respiración (Fe, Cu), la fijación de nitrógeno (Fe, Mo, V) y la fotosíntesis (Mn, Fe). El Zn participa en muchas reacciones hidrolíticas y en el control de la actividad génica por proteínas con “dedos de zinc”. Entre los metales de transición, el Fe predomina en abundancia terrestre; dado que el Fe está involucrado en un gran número de reacciones biológicamente importantes, su almacenamiento y transporte han sido ampliamente estudiados. Se conocen dos tipos de portadores de Fe: proteínas específicas y complejos de bajo peso molecular. En animales superiores, la proteína de transporte transferrina une dos átomos de Fe con alta afinidad; en los microorganismos, el hierro se transporta a células complejadas con catecolatos o hidroxamatos llamados sideróforos; y en las plantas, pequeñas moléculas como el citrato, y posiblemente sideróforos vegetales, portan Fe. Los complejos de hierro ingresan a las células a través de caminos complicados que involucran sitios específicos de membrana (proteínas Un problema aún por resolver es la forma de hierro transportado en la célula después de la liberación de transferrina o sideróforos pero antes de su incorporación a las proteínas Fe.

    El hierro se almacena en la proteína ferritina. La cubierta proteica de ferritina es una esfera hueca de 24 cadenas polipeptídicas a través de las cuales pasa Fe 2+, se oxida y mineraliza en su interior en diversas formas de Fe 2 O 3 hidratado. El control de la formación y disolución del núcleo mineral por la proteína y el control de la síntesis de proteínas por Fe son temas de estudio actual.

    La biomineralización ocurre en el océano (por ejemplo, Ca en conchas, Si en arrecifes de coral) y en tierra tanto en plantas (por ejemplo, Si en pastos) como en animales (por ejemplo, Ca en hueso, Fe en ferritina, Fe en partículas magnéticas). Las superficies orgánicas específicas o matrices de proteínas y/o lípidos permiten que los organismos vivos produzcan minerales de forma y composición definidas, a menudo en estados termodinámicamente inestables.

    IV. Referencias

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    Estas referencias contienen revisiones generales de los temas señalados:

    • Cromo: 27, 30
    • Cobalto: 12
    • Cobre: 8
    • Hierro
      • Bioquímica; 7, 31, 37, 42
      • Modelos polinucleares de biomineralización: 6, 42, 56, 57, 58
      • Sideróforos: 42
      • Estructura de las proteínas de almacenamiento y transporte: 32, 62, 63
    • Manganeso: 17
    • Molibdeno: 19
    • Níquel: 13, 14
    • Vanadio: 18
    • Zinc: 8, 9, 11, 35

    Colaboradores y Atribuciones

    • Elizabeth C. Theil (Universidad Estatal de Carolina del Norte, Departamento de Bioquímica)
    • Kenneth N. Raymond (Universidad de California en Berkeley, Departamento de Química)

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