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 elementos Los 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 La química de la vida es la química de los elementos livianos con Z<36. Elementi “bio” 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 hombre Relación 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 elementos La 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 oxidante Hierro 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 grupos Los elementos del grupo 1 y 2 se asocian a una química de equilibrio iónico Los 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) La química de la vida es la química de los elementos livianos con Z<36. Elementi “bio” 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 proteica de la conformación de la cadena Interacción de metales con macromoléculas El Zn puede unirse a los aminoácidos de proteinas para ayudar a estabilizar sus Estructuras 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) + O2ENZ-Cu(I) + O2- + 2H+ 2O2- + 2H+ ENZ-Cu(I) + O2 ENZ-Cu(II) + H2O2 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 ribosomale 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 Coordinación por aminoácidos NH2CHRCOOH Selenocisteina ¿Como coordinan los péptidos y proteínas a los metales? -amino terminal, carboxilato terminal carboxamidas de enlace peptídico -C(=O)-NH- R = otros grupos funcionales Met -CH2CH2SCH3 Cys -CH2SH Tyr -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 Transferencia Oxidasas y Transporte de O2 de electrones y peroxidasas El transporte de oxígeno La 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 muscular Estructural y funcionalmente parecida a la Hemoglobina. Las mayores concentraciones de mioglobina se encuentran en el músculo esquelético y en El cardiaco ya que se requieren grandes Cantidades de oxígeno para satisfacer la Demanda energética de las contracciones. Propiedades de unión con O2 Mb + O2 MbO2 Hb + 4O2 Hb(O2)4 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 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 5.5 x 10 4 CO 2.0 x 10 7 O2 NO 3.0 x 1010 0.2-1.2 x 10 6 2.2-4.2 x 10 7 - Complejo Fe(II)-porfirina N N N N Posición del Fe en la deoxi y oxi Hb Diagramas de energía Forma deoxigenada 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 Citocromo c Citocromo a3 170 260 400 His/His/Met 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 transporte Éteres corona 18-corona-6 dibenzo-30-corona-10 complejo de K+ Modelos de transporte Criptatos 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 barita sensor de gravedad SiO2·nH2O sílice amorfa exoesqueletos magnetita ferrihidrita sensor magnético reservorio de Fe Fe3O4 Fe10O6(OH)18 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 inducidos El mineral precipita como consecuencia de una interacción entre la actividad biológica del organismo y el entorno físico Procesos biológicamente controlados El 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 Animales ATPas el hombre: 20 g En 10 g en los huesos 10 g en las células Plantas Costituyente esencial de la clorofila clorofila 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. Fluoruros - participa en la biomineralización - estrecho intervalo óptimo: • formación de CaF2 insoluble • inhibición de metaloenzimas Cloruros haluro más abundante en sistemas biológicos: • mantenimiento de la presión osmótica fisiológica • canales de cloruros Bromuros • acumulados por algunas algas • esencialidad controversial • utilizados como sedantes: posibles modificadores del potencial de membrana. Iodo • acumulación pronunciada tiroides (80% del total) en la • presente en compuestos orgánicos iodados (hormonas tiroideas y sus precursores) Selenio: 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 1) 2) 3) Antibióticos: Restringir iones metálicos esenciales Propiedades quelantes 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