Enfoque didáctico para la enseñanza de la química de los metales de transición: Bioinorgánica, homeostasis redox y toxicidad de los metales de transición en biología.

REPETTO, MARISA

Buenos Aires

Congreso; Primer Congreso en Docencia Universitaria. Universidad de Buenos Aires.; 2013

Universidad de Buenos Aires

La enseñanza de la química inorgánica representa un desafío para los docentes de la asignatura Química General e Inorgánica tanto a nivel medio como universitario. La búsqueda de una estrategia didáctica que permita relacionar las propiedades químicas con las funciones biológicas, homeostasis y toxicidad permite a los alumnos integrar la química básica con la salud. Se pueden integrar diferentes enfoques de la química y biología de los metales de transición como puerta de entrada al estudio de los mismos, interrelacionando las propiedades químicas, funciones biológicas, requerimientos nutricionales, concentración intracelular, toxicidad, mecanismos de acción y fisiopatología de las enfermedades neurodegenerativas. En las últimas dos décadas ha crecido el interés y se ha avanzado en el conocimiento de los efectos biológicos de los elementos químicos y compuestos inorgánicos, como así también acerca del rol de los metales de transición en el metabolismo y fisiología de las plantas superiores y la salud humana. Los diferentes enfoques abarcan conocimientos previos de la química básica relacionados con los contenidos de la química inorgánica: soluciones, propiedades coligativas, configuración electrónica, enlace químico, equilibrio químico y dinámico, equilibrio ácido base, reacciones de óxido-reducción, formación de complejos, termodinámica, cinética química, y parten de la base de considerar a los metales de transición como esenciales, horméticos y pro-oxidantes. Los mecanismos de toxicidad de los elementos traza Fe y Cu, involucran unión a grupos tioles proteicos, generación de especies reactivas del oxígeno mediante reacciones de auto-oxidación, reacción de Fenton y descomposición homolítica de los fosfolípidos de membrana. 1. Enfoque nutricional: La química inorgánica presente en los seres vivos. En este enfoque se aborda el estudio de los metales de transición considerando la clasificación de los elementos químicos según los requerimientos nutricionales que garanticen la homeostasis química celular en esenciales y no esenciales para la vida de los organismos vivos, siendo algunos de ellos considerados como elementos con posible efectos beneficiosos para la vida y otros elementos con efectos tóxicos aun a bajas concentraciones. En función del mecanismo de acción se los puede clasificar en elementos que participan en reacciones químicas de óxido-reducción (redox activos) o en elementos que no participan en dichos procesos (redox inactivos), quienes ejercen su efecto a través de la unión covalente a macromoléculas, específicamente a proteínas y a grupos tioles. Desde este enfoque se abordan contenidos ya aprendidos por los alumnos: cálculo de concentración, comparación y equivalencia entre diferentes formas de expresar la concentración, tipo de reacciones químcas, ecuaciones redox y propiedades periódicas de los metales de transición 2. Enfoque químico: Propiedades químicas de los metales de transición La presencia de electrones desapareados en la configuración electrónica de los metales de transición les permite participar en reacciones de óxido-reducción (redox), que involucran la pérdida (oxidación) o ganancia (reducción) de uno o más electrones. Esta propiedad permite clasificar a estos elementos como radicales libres. Las propiedades químicas de estos elementos dependen de su estructura química, el Fe y el Cu pueden actuar tanto como pro-oxidantes y antioxidantes, mientras que el Co y el Zn previene la acción catalítica de otros metales redox activos. Se aborda en este enfoque el concepto de reacción química redox, conceptos de oxidante y reductor y transferencia de electrones. 3. Enfoque biológico: Propiedades biológicas de los metales de transición Los metales de transición participan en reaccionas químicas asociadas a procesos fisiológicos y al metabolismo intracelular. Por ejemplo, el Mn está asociado al desarrollo de los huesos y al metabolismo de lípidos, aminoácidos y carbohidratos; Fe, Cu y Zn poseen propiedades estructurales formando parte de los grupos prostéticos de las enzimas. Se aborda en este enfoque los contenidos de cinética ya que los metales de transición actúan como sitios activos de enzimas y como catalizadores de reacciones químicas enzimáticas y no enzimáticas, como también se relaciona directamente con la última unidad del programa de la asignatura: bioinorgánica. 4. Enfoque fisiopatológico: Toxicología por acumulación de los metales de transición en sistemas biológicos La mayoría de los elementos traza son metales de transición, la acumulación de los mismos, especialmente de Fe y Cu en sistemas biológicos, produce toxicidad y disfunción en tejidos y órganos, siendo el hígado y el cerebro los órganos más afectados. Actualmente existe un creciente interés por el estudio de los efectos tóxicos de los metales de transición sobre la salud humana, ya que el daño oxidativo generado por la peroxidación de fosfolípidos está relacionado con la neurotoxicidad de los metales Fe y Cu. El punto en común de muchas enfermedades neurodegenerativas puede ser la activación de proteínas que responden frente a una situación de estrés, y particularmente la formación de agregados proteicos insolubles en el cerebro. Estos conceptos se relacionan con la propiedad de los metales de transición de formar complejos ya que se comportan como ácidos de Lewis deficientes en electrones, que al recibir electrones actúan como oxidantes (conceptos de equilibrio ácido-base y óxido-reducción), que depende a su vez de la configuración electrónica. 5. Enfoque fisiopatológico: Daño oxidativo asociado a los metales de transición El daño oxidativo por toxicidad aguda con Fe está asociado a oxidación de biomoléculas. Los resultados obtenidos por nuestro laboratorio indicaron que en hígado, riñón y cerebro el daño oxidativo es proporcional a la dosis del metal, que la oxidación de lípidos y proteínas es mayor en hígado y riñón que en cerebro y que los efectos tóxicos se producen a partir de pequeños incrementos de Fe en el órgano. Estos experimentos permiten ejemplificar la relación de la Química Inorgánica con los sistemas biológicos y los principios básicos de la química. Conclusiones El abordaje a la enseñanza de la Química Inorgánica de los metales de transición puede hacerse a partir de diferentes enfoques, integrando los mecanismos de acción con los procesos bioquímicos que involucran la transferencia de electrones en reacciones químicas redox. Estos conceptos tienen su andamiaje en los conocimientos previos adquiridos por los alumnos en Química General: los organismos vivos resultan de la combinación organizada y con un nivel superior de complejidad de los elementos de la Tabla Periódica dirigidos por los principios básicos de la química.