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Introducción a la Química Bioinorgánica:. Química Bioinorgánica. Abarca el estudio de: sistemas y compuestos inorgánicos presentes en tejidos biológicos sistemas inorgánicos (modelos) que simulan o reproducen en forma parcial o total el comportamiento químico de los sistemas naturales - PowerPoint PPT Presentation
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Introducción a la Química
Bioinorgánica:
Química Bioinorgánica Abarca el estudio de:
sistemas y compuestos inorgánicos presentes en tejidos biológicos
sistemas inorgánicos (modelos) que simulan o reproducen en forma parcial o total el comportamiento químico de los sistemas naturales
la correlación entre la actividad biológica de un sistema inorgánico con las características estructurales, electrónicas y químicas del mismo.
Areas relacionadas
La tabla
Los elementosLos sistemas biológicos concentran ciertos
elementos y descartan otros, y estos procesos pueden requerir energía.
Existe una selección natural de los elementos. Cuatro elementos (H, O, C, N) son esa base,
>99% del número de átomos Otros 7 elementos (Na, K, Ca, Mg, P, S y Cl)
son absolutamente esenciales, 0,9% del número de átomos
Otros elementos (Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) son necesarios en algunas especies.
Presencia de algunos elementos en el cuerpo humano
Elementi “bio” La química de la vida es la química de los
elementos livianos con Z<36. Están representados casi todos los grupos
La tabla
Abundancia y disponibilidad Los elementos biológicos son aquellos más
abundantes Deben ser solubles en agua, de hecho hay
semejanza entre la composición del agua de mar y de los animales y plantas (los elementos del grupo 3 y 4 son muy poco solubles!)
En general la Naturaleza usa criterios económicos, escogiendo los elementos más disponibles para la función para la que son necesarios.
Debe considerarse que las variaciones de temperatura y de la atmósfera han cambiado en milenios la disponibilidad de los elementos. (Ej. falta de hierro disponible)
Abundancia y disponibilidad de los elementos
Abundancia de los elementos en el universo en función del Z
En el océano y en el hombreRelación entre la concentración de los elementos en el océano y en el hombre: hay un paralelismo pero también una dificultad para mantener el balance en el hombre
Concentración de los elementos en
el mar
Forma de los elementosLa atmósfera ha cambiado en la evolución de la tierra de reductora (mucho azufre) a oxidante (mucho oxígeno). Esto ha influido en la solubilidad (y disponibilidad) de algunos elementos
Elemento Medio reductor Medio oxidanteHierro Fe(II) (alta) Fe(III) (baja)
Cobre Como sulfuro (baja) Cu(II) (moderada)
Azufre HS- (alta) SO42- (alta)
Molibdeno [MoO6S4]2-, MoS2 (baja)
MoO42- (moderada)
Vanadio Sulfuros de V3+, V(IV) (moderada)
VO43- (moderada)
Proceso evolutivo
Elemento tóxico
Elemento tolerable
Elemento útil
Elemento esencial
Los gruposLos elementos del grupo 1 y 2 se asocian a una
química de equilibrio iónicoLos de transición se asocian a la química de
iones en solución, a reacciones rédox de un solo electrón, mostrando un aumento de química covalente y de fuerza como ácidos de Lewis.
Los no metales dominan la covalencia y los equilibrios relacionados: formación de polímeros, reacciones rédox con intercambio de 2 electrones y reacciones ácido base.
Los del grupo 17 son simples aniones (ej. Cl)
Elementi “bio” La química de la vida es la química de los
elementos livianos con Z<36. Están representados casi todos los grupos
Funciones biológicas de los metales
Estructural Activación y transporte de oxígeno Transporte de electrones Catalíticas en procesos redox Catalíticas en reacciones ácido-base y
otras
Función estructural
Tejidos de sostén: hidroxiapatita cálcica Ca10(PO4)6(OH)2 (fase inorgánica de huesos y dientes), CaCO3 (caparazones o cubiertas duras)
Control de la conformación de la cadena proteica
Interacción de metales con macromoléculas
El Zn puede unirse a los aminoácidos de proteinas para ayudar a estabilizar susEstructuras y mantener las correspondientes funciones.
Activación y transporte de oxígeno
Grupo hemo
Transporte de electrones
Iones con diferentes estados de oxidación: Fe(II)/Fe(III), Cu(I)/Cu(II), Mo(IV)/Mo(V)/Mo(VI)
Aceptan electrones de un agente más reductor y los transfieren a otro más oxidante
Se han detectado estados de oxidación inusuales (Fe(IV), Co(I), Ni(III))
Superóxido dismutasa
Estructura de la unidad monomérica de superóxido dismutasa 2 humana.La enzima superóxido dismutasa (SOD) cataliza la dismutación de superóxido en oxígeno y peróxido de hidrógeno. Debido a esto es una importante defensa antioxidante en la mayoría de las células expuestas al oxígeno. Una de las excepciones se da en Lactobacillus plantarum y en lactobacilli relacionados que poseen un mecanismo diferente.
Catalítica en procesos redox
Superóxidodismutasa
ENZ-Cu(II) + O2- ENZ-Cu(I) + O2
ENZ-Cu(I) + O2- + 2H+ ENZ-Cu(II) + H2O2
2O2- + 2H+ O2 + H2O2
Catalítica en procesos ácido-base
Anhidrasa carbónica: CO2+H2O = H2CO3
catalizan la conversión rápida de dióxido de carbono y agua a bicarbonato y protones, una reacción que ocurre más lenta en ausencia del catalizador.
Funciones específicas
Captación, transporte y acumulación de metales (sideróforos, ferritina, ceruloplasmina)
Procesos fotoquímicos (clorofila) Detoxificación de los organismos
(metalotioneínas) Sistemas catiónicos que ejercen función
de control, regulación y transmisión
Un sideróforo (del griego: «transportador de hierro») es un compuesto quelante de hierro secretado por microorganismos. El ion hierro Fe3+ tiene muy poca solubilidad a pH neutro y por ende no puede ser utilizado por los organismos. Los sideróforos disuelven estos iones a complejos de Fe3+, que pueden ser asimilados por mecanismos de transporte activo. Muchos sideróforos son péptidos no ribosomales.
La ferritina es la principal proteína almacenadora de hierro en los vertebrados. Se encuentra principalmente en el hígado, bazo, mucosa intestinal y médula ósea. Está constituida por una capa externa de proteína soluble, la apoferritina, y un interior compuesto por hidroxifosfato férrico
Polipéptido ligero de ferritina
Ceruloplasmina, o como es conocida oficialmente: ferroxidasa. Es la proteína transportadora de la mayor cantidad de cobre en la sangre. Fue descrita por primera vez en 1948.1
Ceruloplasmina
¿Que tipos de moléculas pueden funcionar como ligandos biológicos? Aminoácidos, péptidos, proteínas
Macrociclos
Bases nucleicas y ácidos nucleicos
Otros: lípidos, carbohidratos, vitaminas, hormonas, metabolitos
Interacción de metales con macromoléculas
Fosfolipasa A2
La fosfolipasa es una enzima que hidroliza los enlaces éster presentes en los fosfolípidos. Hay cuatro clases de fosfolipasas, llamadas A, B, C y D.
Interacción de metales con macromoléculas
Centro hemo de mioglobina
Interacción de metales con macromoléculas
Clorofila a
Interacción de metales con macromoléculas
Vitamina B12
Hemocianina
Selenocisteina
Coordinación por aminoácidos
NH2CHRCOOH
¿Como coordinan los péptidos y proteínas a los metales?
-amino terminal, carboxilato terminal
carboxamidas de enlace peptídico
-C(=O)-NH-
R = otros grupos funcionalesMet -CH2CH2SCH3 Cys -CH2SHTyr -CH2--OH Asp -CH2COOH Glu -CH2CH2COOH
Generalmente son ligandos polidentados
Centros metálicos con ligandos proteicos
His: Zn(II), Cu(II), Cu(I), Fe(II)
Met: Fe(II), Fe(III), Cu(I), Cu(II)
Cys: Zn(II), Cu(II), Cu(I), Fe(III), Fe(II)
Tyr: Fe(III)
Glu y Asp: Fe(III), Mn(III), Fe(II), Zn(II), Mg(II), Ca(II)
Centros metálicos insaturados cuando están coordinados a cadenas de aminoácidos
Geometrías no regulares (estado entático)
Efecto macrocíclico
Log K = 5,2
G= -30 kJ/mol a 300ºK
Estado entático
Estado apropiado para la catálisis, intrínseco al sitio activo
Estado entático
Características de las porfirinas
Anillo planar estable Desprotonado es apto para complejear
metales, aún relativamente lábiles Hueco selectivo (ri = 0,60-0,70Å) Uniones pi conjugadas esenciales para la
reactividad Provocan configuración de bajo spin Fe y no otro metal: causas cinéticas
Propiedades de complejos Fe(II)-porfirina
Fácilmente oxidable Energía de estados de HS y LS cercanas,
dependientes de la proteína y de ligandos axiales, además de las porfirinas
Complejo: una nueva unidad Naturaleza hidrofóbica de la superficie de las
porfirinas Potenciales redox dependen de las proteínas Grupos hemo: reguladores celulares del Fe libre
Funciones de los grupos hemo en proteínas
Almacenamiento y Transporte de O2
Transferencia de electrones
Oxidasas y peroxidasas
El transporte de oxígenoLa solubilidad del O2 en la sangre es mayor
que en H2O pura
En H2O la solubilidad es de 6,59 cm3
en 1 dm3 a 293 K y 1 atm 3 x 10-4 M
En la sangre, en las mismas condiciones de T y P, la solubilidad es de 200 cm3 9 x 10-3 M
La mioglobina es una hemoproteina muscularEstructural y funcionalmente parecida a la Hemoglobina.
Las mayores concentraciones de mioglobina se encuentran en el músculo esquelético y enEl cardiaco ya que se requieren grandesCantidades de oxígeno para satisfacer la Demanda energética de las contracciones.
Propiedades de unión con O2
La solubilidad de un gas en un líquido depende de la presión parcial del gas sobre la solución
En los pulmones la pO2 es 3 veces mayor que en los tejidos
Mb + O2 MbO2 Hb + 4O2 Hb(O2)4
Hemoglobina-mioglobina
En presencia de baja
presión de O2 Hb es
menos eficiente que Mb
la transferencia de O2
de oxi-Hb a oxi-Mb está termodinámicamente favorecida
Función
KMb/O2=[MbO2] / [Mb][O2]
KHb/O2= [HbO2] / [Hb][O2]2.8
A- Mb
B y C - Hb
Unión cooperativa
La forma deoxi es estructuralmente distinta a la forma oxi
La unión de O2 a una subunidad favorece la unión de otro O2 a la misma molécula
Constantes de equilibrio de diferentes gases con la Hb y la Mb
Hb Mb
O2 5.5 x 104 0.2-1.2 x 106
CO 2.0 x 107 2.2-4.2 x 107
NO 3.0 x 1010 -
Complejo Fe(II)-porfirina
N
N
N
N
Posición del Fe en la deoxi y oxi Hb
Diagramas de energía
Forma de-oxigenada
Forma oxigenada
Fe(II) (d6) LS + O2 (enlazado)
Fe(III) (d5) LS + O2
•- (enlazado)
Estructura de rayos-X
Modelos 1
Modelos 2
Modelos 3
Transferencia de electrones
Citocromos (pigmentos de la célula): hemoproteínas que actúan en las cadenas de transferencia de electrones, proceso asociado a la cupla redox Fe(II)/Fe(III)
Clasificación espectroscópica: a (>570 nm), b (555-560), c (548-552)
Función: cadena respiratoria, fotosíntesis, entre otros Transportadores de energía
química
citocromo
Esquema de la estructura del citocromo c
Potenciales redox de complejos de Fe
Compuesto Eo’ (mV) AA axial
Fe(H2O)62+/3+ 771 -
Fe(bpy)32+/3+ 960 -
Fe(CN)64-/3- 358 -
Hemoblobina 170 His/-Citocromo c 260 His/MetCitocromo a3 400 His/-
Citocromo P-450 -400 Cys-/-
Oxidasas y peroxidasas
Citocromo oxidasa
Citocromo P-450
Peroxidasas y catalasas
Respuesta celular a especies tóxicas
Mecanismos de defensa natural desarrollados por las células para neutralizar productos de los metabolismos normales
Resistencia química natural a sustancias exógenas
Uso de reactivos sintéticos como terapéuticos
Elementos del bloque s
Elementos mas abundantes en biología, presentes en casi todas las células en concentración elevada (mM)
Crucial para el crecimiento de las plantas dificiles de reconocer importante para el esqueleto (Ca) inician muchos procesos bioquímicos (Ca, Mg) Activadores de la actividad enzimática (K, Mg) Estabilizadores de estructura molecular (Mg, Ca)
Metales alcalinos y alcalino térreos
Gran diferencia entre la cantidad intra y extracelular de Na, K, Ca
Aspectos químico-físicos
Los iones del bloque s no tienen electrones libres, son diamagnéticos e incoloros, dificil de reconocer
Son cationes duros, con mayor afinidad por O (excepto Mg)
El agua de coordinación se intercambia rapidamente (excepto Mg)
Son complejantes pobres (Ca es el mejor), necesitan ligandos fuertes es decir macrociclicos o proteínas para hacer entidades estables.
Aspectos Biológicos
Junto con cloruro y fosfato son los electrolitos de todos los sistemas biológicos
Existen como acuo-iones y funcionan como trasportadores de carga así como para formar gradientes en la membrana
Estabilizan la molécula (excepto Na) Inducen/estabilizan cambios conformacionales de
proteínas (Ca)Tienden a unirse debilmente a la proteína (excepto
Ca) y ligan u orientan el sustrato.
Iones sodio y potasio
La ATPas transporta Na+ y K+ através de la membrana celular
Bomba Na-K.
Mantiene una concentración interna de K mayor que la externa a expensa de Na
Modelos de transporteÉteres corona
18-corona-6
dibenzo-30-corona-10
complejo de K+
Modelos de transporteCriptatos
criptato 222 criptato 221
Ionóforos naturales
valinomicina
nonactina
monensina
Transporte a través de las membranas biológicas
Transporte pasivo:
• ionóforos
• canales de iones
Transporte activo:
•bombas
BOMBA DE SODIO
3 Na+(int) + 2 K+(ext) + ATP4- + H2O 3 Na+(ext) + 2 K+(int) + ADP3- + HPO42-+ H+
Biominerales Compuestos inorgánicos sólidos de estructura
definida, formados por mecanismos de control molecular que operan en sistemas biológicos
Funciones Soporte estructural
Reservorio de elementos esenciales
Sensores
Protección mecánica
Depósito de elementos tóxicos
Biominerales
CaCO3
calcita
aragonita
vaterita
exoesqueletos
sensor de gravedad
reservorio de Ca
Ca10(OH)2(PO4)6 hidroxiapatita endoesqueletos
CaSO4·2H2O
BaSO4
yeso
baritasensor de gravedad
SiO2·nH2O sílice amorfa exoesqueletos
Fe3O4
Fe10O6(OH)18
magnetita
ferrihidrita
sensor magnético
reservorio de Fe
Los formadores de biominerales
Cationes: Mg(II), Ca(II), Sr(II), Fe(II,III) Aniones: carbonato, fosfato, sulfato, fluoruro,
silicato, sulfuro, óxido, hidróxido La composición química de los biominerales
está determinada principalmente por la disponibilidad de sus componentes
Formación de los biominerales
Equilibrio termodinámico
catión(ac) + anión(ac) biomineral(s)
El biomineral debe tener baja solubilidad en condiciones fisiológicas
Constante de equilibrio
KPS = [catión][anión]
(condiciones fisiológicas)
Los mecanismos de la biomineralización
Procesos biológicamente inducidosEl mineral precipita como consecuencia de
una interacción entre la actividad biológica del organismo y el entorno físico
Procesos biológicamente controladosEl mineral precipita bajo control (estructural,
espacial, químico) de una matriz orgánica
Control biológico en la formación de CaCO3
Caparazones de moluscos
Depósito de calcita o aragonita, embebido en una matriz orgánica
Matriz orgánica: predominio de secuencia
Asp-X-Asp-X
Ferritina
Función: depósito de Fe
Apoferritina Fe(III) Ferritina:
apoferritina·FeIIIO(OH)
Magnesio
Se une a nucleótidos (ATP, ADP) y polinucleótidos (RNA, DNA). Estabiliza el RNA.
90% del Mg intracelular está asociado al ribosoma
Estabiliza la estructura neutralizando la carga de los polianiones
Tiene un rol estructural y catalítico en algunas enzimas
Iones magnesio
AnimalesEn el hombre:
20 g 10 g en los huesos 10 g en las células
Plantas Costituyente
esencial de la clorofila
clorofila
ATPas
CALCIO (= versatilidad)Intracelular Actua como mensajero secundario intracelular
cambiando rápidamente su concentración en respuesta a estímulos externos.
Troponin C y calmodulina cambian de conformación ligándose a Ca.
Ca debe asociarse específicamente y rápidamente
Ca extracelular
En las enzimas extracelulares La concentración es mM y la afinididad
puede ser mas baja. Ca puede estabilizar las enzimas, puede
además tener rol catalítico.
FluorurosFluoruros
- participa en la biomineralización
- estrecho intervalo óptimo:
• formación de CaF2 insoluble
• inhibición de metaloenzimas
ClorurosCloruros
haluro más abundante en sistemas biológicos:
• mantenimiento de la presión osmótica fisiológica
• canales de cloruros
BromurosBromuros
• acumulados por algunas algas
• esencialidad controversial
• utilizados como sedantes: posibles modificadores del potencial de membrana.
IodoIodo
• acumulación pronunciada en la tiroides (80% del total)
• presente en compuestos orgánicos iodados (hormonas tiroideas y sus precursores)
Selenio: en sistemas biológicosSelenio: en sistemas biológicos
Tóxico poderoso:
“plantas venenosas” capaces de incorporar selenio y utilizarlo en lugar del azufre
Elemento traza esencial
Enfermedades y desórdenes fisiológicos asociados con su deficiencia en regiones pobres en Se.
Deficiencias de Selenio:
• enfermedad de Keshan (cardiomiopatía infantil)
• mal de Kashin y Beck (afecta el desarrollo óseo)
Ambas son revertidas mediante suplementación con Se
Algunos problemas básicos de la contaminación del ambiente y de toxicología
generados por elementos y sistemas inorgánicos
Se ha alterado notablemente el ritmo geológico en el movimiento de los elementos
Varios elementos considerados tóxicos están ubicados en la tabla periódica muy cerca de otros que son esenciales
Ciclos geológicos y eliminación de residuos
Mecanismos de toxicidad
1) Bloqueo de un grupo funcional esencial de alguna biomolécula (enzimas, polinucléotidos)
2) Desplazamiento de un metal esencial de una biomolécula
3) Modificación estructural de un sitio activo
4) Ruptura de biomembranas
Mecanismos de defensa y detoxificación
Tolerancia, Evasión, Adaptación, Resistencia, Defensa
Clasificación difícil se pueden reconocer mecanismos típicos y de características mas definidas:
Retención o absorción por las membranas celulares Inmovilización en forma de gránulos o corpúsculos
insolubles Transformación en una especie química no tóxica
Química medicinal
Antibióticos:
1) Restringir iones metálicos esenciales
2) Propiedades quelantes
3) Ionóforos Agentes quelantes Sondas metálicas
Premios Nobel de Química
1915 Willstatter: constitución de la clorofila 1930 Fisher: constitución del sistema hemo 1962 Kendrew y Perutz: estructura de la Hb y
mioglobina (rayos X) 1964 Crowfoot-Hodgkin: estructura de la vit B12 1965 Woodward: síntesis de clorofila y vit. B12 1988 Deisenhofer, Huber y Michel: estructura de
los centros de reacción fotosintéticos con grupos hemo y clorofílicos en bacterias