El cobre, con 29 protones y 29 electrones, es uno de los metales que  acompaña a la humanidad desde la prehistoria. Su uso data desde los 7000 aC en el territorio que ahora constituye Turquía e Irak, donde se han encontrado utensilios de cobre. En el continente americano se hallan indicios de su uso moldeado a martillazos para fabricar puntas de flechas que datan del 4000 aC. Pero fueron los egipcios, en 2750 aC, los primeros en utilizar el cobre para ductos transportadores de agua, como hacemos hoy en día. En el 5000 aC, el uso de crisoles para extraer cobre a partir de carbonatos minerales marca el inicio de un período en la prehistoria denominada la Edad del Cobre, Calcolítico (del griego χαλκοζ – cobre y λιθοζ – piedra) o Eneolítico (del latín aeneus – cobre, y griego λιθοζ – piedra). Este período marca un momento importante para la humanidad: el uso de procesos metalúrgicos para lograr la innovación en la producción de materiales y utensilios, lo cual lleva a la intensificación del comercio y la especialización laboral. En el continente americano, la cultura Moche fue partícipe de esta innovación, al extraer cobre de minerales como malaquita en lo que hoy es Perú, aunque el desarrollo de esta tecnología es tardío (400 aC) en comparación con otras regiones del planeta. Al Calcolítico le sigue la Edad de Bronce, cuando se comienza a hacer aleaciones de cobre y estaño para producir este material metálico, usado ampliamente para monedas, joyería, armas y estatuas, entre otros.

El cobre es un metal utilizado en la sociedad moderna para una gran diversidad de aplicaciones, que van desde los cables para conducir electricidad, hasta la producción de circuitos electrónicos y como matriz para materiales superconductores. Muchas de sus aplicaciones se deben a su alta conductividad eléctrica y térmica, propiedades en las que sólo su vecina del piso de abajo en la Tabla Periódica, la plata, le gana. Su ductilidad y maleabilidad lo han hecho el metal predilecto para la confección de diversos utensilios, como las ollas hermosas que hacen los artesanos de Santa Clara del Cobre, Michoacán (Figura 1); y hasta para obras de arte, pues el gran Leonardo da Vinci y otros artistas europeos del siglo XVI pintaron en láminas delgadas de cobre. Leonardo también utilizó lápices con punta de cobre para algunos de sus dibujos, como los Estudios de Manos Adorazione di Magi, que se hicieron “invisibles” con el paso del tiempo.

Figura 1. El cobre utilizado para funciones ornamentales. De izquierda a derecha: Piezas de cobre metálico encontrados en Templo Mayor, Ciudad de México (CDMX); Ollas y artesanías de cobre en Santa Clara del Cobre, Michoacán; Disco de turquesa encontrado en la ofrenda 99 del Templo Mayor, CDMX, México.

 

¿Pero de verdad se puede hacer un dibujo invisible? Uno de sus dibujos fue analizado por fluorescencia de rayos X para determinar su contenido de cobre, encontrando que el cobre se había oxidado, formando una sal y haciendo los trazos del gran artista renacentista prácticamente invisibles para el ojo humano. La oxidación del cobre es también la responsable del color verdoso de la Estatua de la Libertad, monumento que contiene más de ochenta toneladas de cobre. Cuando este ícono de la libertad para los migrantes estadounidenses fue fabricado por manos artesanas francesas y colocado en la isla neoyorquina en 1886, su color era marrón rojizo y brillante. Su oxidación de Cu0 a Cu2+ es el proceso responsable de este cambio de color, pues al pasar de la configuración electrónica [Ar] 3d10 4s1 a  [Ar] 3d9, es posible con la luz visible inducir transiciones electrónicas que absorben en la región del rojo y amarillo, dando lugar a las tonalidades azul verdosas que son características de muchas sales de Cu2+. De ahí viene también el color azul de las turquesas, mineral utilizado para ornamentos usados por gobernantes de diferentes civilizaciones como los egipcios, persas, chinos, incas y aztecas. Un bellísimo y magnífico ejemplo de este uso es el disco de turquesa encontrado en la ofrenda 99 del Templo Mayor en CDMX (Figura 1). La fórmula de este bello mineral, CuAl6(PO4)4(OH)8.4H2O, nos dice todo: tiene cobre en su estado formal de oxidación 2+.

Si el cobre, ya sea metálico o como mineral, fue utilizado en civilizaciones que se desarrollaron en extremos opuestos del planeta, será por su abundancia y disponibilidad. En la naturaleza se encuentran dos isótopos estables del cobre: 63Cu y 65Cu, siendo el más ligero el más abundante también (69%). El cobre es un elemento químico que se originó a partir de la explosión de supernovas, quizá por ello es uno de los metales de transición más abundantes, junto con otros de su período, como el manganeso, hierro, cobalto, níquel y zinc, con quienes comparte su origen cósmico y el piso del bloque 3d de la Tabla Periódica. La biodisponibilidad es también lo que determina el uso del cobre en los organismos vivos y la evolución de proteínas y enzimas que usan cobre. Cuando nuestro planeta recién se formó, la atmósfera era anaeróbica y el cobre se encontraba principalmente como sales insolubles de Cu+, principalmente como CuS, pues este ion gusta de ligantes blandos como el sulfuro. No debe sorprender entonces que en las primeras formas de vida, otros metales, como el hierro en forma de cúmulos de Fe y S, fueron usados para funciones biológicas, pero no el cobre. Fue hasta la evolución de las cianobacterias y otros microorganismos fotosintéticos que generan oxígeno, hace 2400 millones de años, cuando la concentración de este gas en nuestro planeta aumentó, causando la lenta oxidación de las sales de Cu+ a sales de Cu2+, que son más solubles. Esto ocasionó un aumento en las concentraciones de cobre en los océanos, haciéndolo más biodisponible para su adquisición por organismos vivos. La incorporación del cobre como metal esencial para la vida coincide con el desarrollo de organismos multicelulares que requirieron de funciones especializadas, entre ellas lidiar con la creciente concentración de oxígeno en la atmósfera. La sobrevivencia en el nuevo ambiente aeróbico de nuestro planeta, requirió la evolución de sistemas capaces de transportar, activar y reducir a la molécula de oxígeno. El resultado de esa evolución es que el cobre, junto con el hierro, es uno de los metales esenciales más importantes, utilizado como cofactor de enzimas que catalizan la reducción de oxígeno a agua. Un ejemplo de estas enzimas es la citocromo c oxidasa, que cataliza dicha reacción en las mitocondrias de cada una de nuestras células, usando dos grupos hemo, un cobre mononuclear y un sitio binuclear de cobre; este último y uno de los grupos hemo son sitios de transferencia electrónica.  En esta enzima, el Fe de un grupo hemo y el Cu mononuclear actúan en equipo para lograr la ruptura del doble enlace en la molécula de O2 (Figura 2), su reducción y protonación para formar dos moléculas de H2O: O2 + 4 e+ 4 H+ → 2H2O.

Sitio activo de la plastocianina. Tomado de Chem. Rev. 2004, 104, 419-458, con permiso de American Chemical Society Copyright 2004

 

Esta simple reacción, no sólo sustenta la vida aeróbica en nuestro planeta, sino que también es la base para la formación de un gradiente de protones en la membrana mitocondrial, que es después aprovechado para la producción de trifosfato de adenosina (ATP), principal fuente de energía para nuestras células.

En sistemas biológicos, el cobre también es usado en sitios de transferencia electrónica como el cobre azul, que le da un color azul intenso a las enzimas que lo contienen, como la plastocianina, que es importante para la cadena de transferencia de electrones en la fotosíntesis (Figura 2). La ceruloplasmina humana es otra proteína de color azul, presente en nuestra sangre y que acopla la oxidación de hierro (importante para su transporte) a la reducción de oxígeno a agua. El Cu azul en esta enzima se encarga de la transferencia electrónica del sustrato, el Fe2+, al sitio de activación de O2, un cúmulo trinuclear de Cu (Figura 2). El color del Cu azul (o tipo 1 como se le llama por sus propiedades espectroscópicas) se debe a la estructura electrónica tan peculiar de este sitio, donde el cobre está coordinado a un grupo tiol de una cisteína, dos imidazoles de histidinas y en ocasiones a un cuarto ligante axial, como el tioéter de una metionina. El enlace Cu-S que se forma con la cisteína es tan covalente, que en la plastocianina se ha determinado que el 36% de la densidad del espín electrónico está deslocalizada en el azufre. La alta covalencia del enlace Cu-S origina una banda muy intensa y característica de estos sitios, que aparece a 600 nm en el espectro de absorción electrónica de estas enzimas, y que corresponde a una banda de  transferencia de carga del azufre al metal. La alta covalencia de este sitio es lo que le ayuda a “pasar” los electrones de un lado a otro de forma muy eficiente. Por otro lado, la geometría tetraédrica distorsionada del sitio de Cu azul está impuesta por la estructura de la proteína, y es intermedia entre lo que “le gusta” al ion Cu2+ (que prefiere números de coordinación de 4 a 6 en geometrías de cuadrado plano o pirámides de base cuadrada), y lo que “le gusta” al ion Cu+ (números de coordinación de 2 a 4, y geometrías lineales, trigonales o tetraédricas); de tal suerte que, en la geometría tetraédrica distorsionada de un cobre azul, ni el Cu2+, ni el Cu+ están “muy a gusto” en este sitio. Esto también facilita la transferencia electrónica, pues el sitio puede ciclar entre los dos estados de oxidación del metal con una energía de reorganización muy baja, es decir, no le cuesta trabajo mucho re-arreglo estructural ciclarse entre los dos estados de oxidación. Minimizar la energía de reorganización es una estrategia común a todos los sitios activos de metaloproteínas que tienen funciones de transferencia electrónica, y como hemos discutido el cobre azul no es la excepción.

Así pues, ya sea como cobre azul en nuestra sangre o como el azul turquesa del mineral que ornamenta el bello disco encontrado en el Templo Mayor de Tenochtitlán, el cobre es esencial para nuestra vida y la decora de hermosas tonalidades azules en formas diversas. La vida de la civilización en nuestro planeta, simplemente no sería como lo es sin este metal que nos ha acompañado desde nuestro origen.C2

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Sobre el autor

Cinvestav

Liliana es investigadora del Departamento de Química del Cinvestav. Se ha destacado por sus estudios sobre el papel que juegan los metales en el desarrollo de enfermedades neurodegenerativas como Alzheimer y Parkinson, y en padecimientos degenerativos como diabetes tipo 2 y cataratas. Obtuvo el Premio de Investigación 2017, para científicos jóvenes, en el área de ciencias exactas, que otorga la Academia Mexicana de Ciencias (AMC).

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Liliana es investigadora del Departamento de Química del Cinvestav. Se ha destacado por sus estudios sobre el papel que juegan los metales en el desarrollo de enfermedades...

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