Iones (II) ¡en tus células!

Hace tiempo escribí acerca de la verdadera naturaleza química de los iones: “un ión es un átomo que ha perdido o ganado (dependiendo de si es catión o anión) dos electrones. Es decir, que si el mundo material en que vivimos está compuesto de átomos, tiene lógica que también esté hecho de iones siempre y cuando estos sean más estables que el átomo neutro o estén estabilizados.”

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Me gustaría recordar a los confiados usuarios de las Powerbalance, fundas y plantillas de iones; que previamente a dichos timos ¿inventos? los químicos ya usábamos soluciones iónicas o electrolitos: sustancias que contienen átomos en estado iónico (con dos electrones más o menos de los que corresponden a su estado neutro) y, que son conductores de la electricidad: ¿de dónde proviene la palabra electricidad, sino es de electrón (y más griegamente de ‘elektron’ o ámbar)? Normalmente los electrolitos suelen encontrarse en disolución (y por eso, si quieres experimentar el efecto placebo ‘iónico’, lo más recomendable es que eches sal en un vaso de agua, o bien que des un buen trago la próxima vez que te bañes en el mar). Pero también existen los electrolitos en estado sólido o fundido.

Precisamente debido a sus propiedades conductoras, encontraremos iones en las pilas, y también en el interior del cuerpo humano también: en fisiología, los iones primarios de los electrolitos son sodio (Na⁺), potasio (K⁺), calcio (Ca²⁺), magnesio (Mg²⁺), cloruro (Cl⁻), fosfato (PO₄³⁻) y bicarbonato (HCO₃⁻).

El sodio es uno de los electrolitos o iones libres más importante para el organismo. Se encarga de regular la distribución de agua en el cuerpo, y también actúa como transmisor de las conexiones entre neuronas, y en las contracciones del músculo. De hecho, la bomba de sodio-potasio es uno de los componentes esenciales en la membrana celular, gracias al cual se genera un potencial eléctrico necesario para la vida de la célula. Además, el potasio es necesario para transportar nutrientes al interior de la célula mientras que se desechan los residuos celulares. El calcio que se encuentra en un 99% en los huesos, también es usado como ión para el correcto funcionamiento de los músculos, regular el transporte de nutrientes en la membrana celular y actúa en la coagulación sanguínea. Un 15% del total de fósforo en el cuerpo está en forma de iones fosfato (PO₄³⁻) que actúan en la transmisión del impulso nervioso o en la contracción de los músculos. El hierro, en sus estados Fe²⁺ y Fe³⁺, está relacionado con el reparto del oxígeno a las células.

El magnesio es el segundo ión intracelular más abundante después del potasio. Está relacionado con las enzimas, actuando como cofactor, pero además estabiliza las cadenas de ADN y ARN, facilita la formación de glucógeno en el metabolismo de la glucosa, participa en la absorción de calcio y vitamina C, y es importante para los sistemas nervioso y muscular. Y nos va a permitir realizar una incursión al inicio de la vida en la Tierra, porque el Mg²⁺ es esencial para la catálisis y plegamiento del RNA. Sin embargo, para los primeros miles de millones de años de LA VIDA, el RNA habitó en una Tierra anóxica (sin oxígeno) con abundante y benigno Fe²⁺. Por lo que se ha sugerido que el Fe²⁺ fue un cofactor del RNA posteriormente reemplazado por Mg²⁺ en el período de tiempo conocido como la “gran oxidación”, que tuvo lugar con la aparición de la fotosíntesis. Se ha conseguido demostrar que revirtiendo la sustitución del metal en un ambiente anóxico, mediante la eliminación del Mg²⁺ y adición de Fe²⁺, se expande el repertorio catalítico del RNA. Fe²⁺ puede conferir a algunos RNAs la capacidad de catalizar la transferencia de un solo electrón. La catálisis de transferencia electrónica podría haber sido atenuada en el RNA por la fotosíntesis y el aumento del O₂. La hipótesis de RNA–Fe²⁺ a RNA–Mg²⁺ es una analogía cercana a las sustituciones metálicas que se conocen para algunas metaloproteínas.

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Esta hipótesis está apoyada por las observaciones de que el plegamiento de RNA se conserva entre complejos con Fe²⁺ y Mg²⁺; y que al menos algunas ribozimas de transferencia de fosforilo son más activas en la presencia de Fe²⁺ que de Mg²⁺.

Sin cationes, el RNA es incapaz del reconocimiento molecular o catálisis. El RNA requiere cationes en la forma de Na⁺, K⁺ y Mg²⁺ para su plegamiento y la realización de su función. Originalmente, se demostró que el Mg²⁺ era especialmente importante en el plegamiento del tRNA y se sabe ahora que es crítico en la compactación de RNAs grandes. Los iones de Mg²⁺ neutralizan la carga negativa del esqueleto de RNA y se unen específicamente al RNA. El Mg²⁺ se requiere por muchos ribozimas para organizar RNA o moléculas de agua dentro de sitios activos, y para estabilizar reactivos o estados de transición.

Usando un ensayo estándar de peroxidasa. se investigaron las propiedades catalíticas de muchos ácidos nucleicos para determinar si pueden catalizar la transferencia de un electrón en asociación con Fe²⁺ en lugar de Mg²⁺.  En este ensayo, una tinta orgánica (un agente reductor) fue oxidada por el peróxido de hidrógeno (un agente oxidante) vía transferencia electrónica. Específicamente, un electrón fue transferido del 3,3’,5,5’-tetrametilbenzidina (TMB) al peróxido de hidrógeno para formar un catión radical (TMB^•+) según la ecuación: 

En general, esta reacción se usó para detectar la transferencia electrónica. Las absorbancias a 370 nm y 652 nm se usaron para monitorizar el curso de la reacción.

Fe²⁺ puede ser sustituido por Mg²⁺ en la compactación de RNA, que se pliega al mismo estado con iones ya sean de Mg²⁺ o Fe²⁺, con sitios de unión comunes para cada metal. Se observa que el reemplazo del Mg²⁺ por Fe²⁺ in vitro altera y expande las capacidades funcionales de algunos RNAs biológicos para incluir la actividad redox. Los resultados sugieren la posibilidad de que el RNA colabora con el hierro y una gran cantidad de otros metales en varios papeles funcionales in vivo. Esta interpretación es consistente con las observaciones previas de interacciones directa de Fe²⁺ con RNA in vivo.

En estudios anteriores se observa que los RNAs más abundantes y más conservados evolutivamente tienen una funcionalidad intrínseca redox que es activada simplemente por interacción con  Fe²⁺. Los resultados muestran que hay más funciones potenciales para las secuencias de RNA, de las que se esperaba previamente. La expansión del aparente poder catalítico del RNA añade una nueva dimensión a las hipótesis acerca del RNA y sugiere que las transformaciones bioquímicas sofisticadas, como la reducción de ribonucleótidos a desoxiribonucleótidos, fueron posibles en un mundo de RNA.

Y después de viajar tanto en el tiempo, volvamos al presente, a nuestras células eucariotas que forman nuestro cuerpo. Donde es necesario que haya un complejo balance de electrolitos entre el medio intracelular y el extracelular, y sobre todo para mantener el gradiente osmótico imprescindible en la regulación de fenómenos como la hidratación, el pH de la sangre, y la respiración celular, además de hacer de mensajeros en el tejido muscular y neuronal. Este equilibrio electrolítico se mantiene mediante la ingesta de alimentos y bebidas, pero en caso de emergencia se pueden administrar electrolitos por vía intravenosa. Un desequilibrio electrolítico serio, como puede ser la deshidratación, puede llevar a complicaciones cardíacas y neurológicas, y a la muerte. Por eso, en situaciones de gastroenteritis o de olas de calor, se recomienda mucho mantenerse hidratado.

Los electrólitos pueden encontrarse en las bebidas isotónicas, que contienen sales de sodio y potasio, o incluso pueden recetarse por el médico como el Citorsal®, en casos de riesgo de deshidratación.

Este post participa en la XXVI Edición del Carnaval de Química acogida por el electrón Luis Moreno en su muy recomendable blog El cuaderno de Calpurnia Tate

Referencias

http://www.enciclopediasalud.com/categorias/cuerpo-humano/articulos/electrolitos-en-el-cuerpo-humano

            http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish/ency/article/000982.htm

Hsiao C, Chou IC, Okafor CD, Bowman JC, O'Neill EB, Athavale SS, Petrov AS, Hud NV, Wartell RM, Harvey SC, & Williams LD (2013). RNA with iron(II) as a cofactor catalyses electron transfer. Nature chemistry, 5 (6), 525-8 PMID: 23695635