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Introducción a la Química Bioinorgánica
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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.
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Tabla periódica de los bioelementos
Elementos esenciales
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Constituyentes mayoritarios
Elemento g/70kg de peso
Abundancia en agua
de mar (g/mL) Na 70 104 K 250 380
Mg 42 1,3 x 103 Ca 1700 400 Cl 115 2 x 104 S 100 885
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Elementos trazas y ultramicrotrazas
Elemento g/70kg de peso
Abundancia en agua de mar (g/mL)
Mn <1 2 x 10-3 Fe 7 1 x 10-2
Co <<1 1 x 10-4
Cu <1 3 x 10-3
Zn <2 1 x 10-2
Mo <1 1 x 10-2
I <1 6 x 10-2
GII
Se <<1 4 x 10-4
GIII Cd, Cr, Ni, As, F, Si, V, Br
ultratrazas
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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
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Función estructural
•Tejidos de sostén: hidroxiapatita cálcica Ca10(PO4)6(OH)2 (fase inorgánica de huesos y dientes), CaCO3 (caparazonas o cubiertas duras)
•Control de la conformación de la cadena proteica
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Activación y transporte de oxígeno
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¿Por qué el Fe?
Se encuentra en bacterias hasta en el hombre
Participa en variedad de sistemas y funciones biológicas
Se encuentra complejado con diferentes ligandos: Fe porfirínico Fe no porfirínico
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Ligando porfirina
Porfina Metaloporfirina
Fe-protoporfirina IX
(hem)
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Características de las porfirinas
Anillo planar estable Desprotonado es apto para complejear
metales, aún relativamente lábiles Hueco selectivo Uniones pi conjugadas esenciales para la
reactividad Provocan configuración de bajo espín Fe y no otro metal: causas cinéticas
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Propiedades de complejos Fe(II)-porfirina
Fácilmente oxidable Energía de estados de alto y bajo espín
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 hem: reguladores celulares del Fe
libre
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Almacenamiento y transporte de O2: Mb y Hb
Mb Hb
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Posición del Fe en la deoxi y oxi Hb
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Diagramas de energía
Forma de-oxigenada espín alto
Forma oxigenada espín bajo
Fe(II) (d6) BS + O2 (enlazado)
Fe(III) (d5) BS + O2
•- (enlazado)
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Modelo
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Función
KMb/O2=[MbO2] / [Mb][O2]
KHb/O2= [HbO2] / [Hb][O2]2,8
A- Mb
B y C - Hb
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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) )
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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
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Catalítica en procesos ácido-base
• Anhidrasa carbónica: CO2+H2O = H2CO3
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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 trasmisión
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Ferritina
Función: depósito de Fe
Apoferritina + Fe(III)Ferritina
Ferritina:
apoferritina·FeIIIO(OH)
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CLOROFILA
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METALOTIONEINAS
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Modelos de transporteEteres corona
18-corona-6
dibenzo-30-corona-10
complejo de K+
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Modelos de transporteCriptatos
criptato 222 criptato 221
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Transporte a través de las membranas biológicas
Transporte pasivo:
• ionóforos
• canales de iones
Transporte activo:
•bombas
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BOMBA DE SODIO
3 Na+(int) + 2 K+(ext) + ATP4- + H2O 3 Na+(ext) + 2 K+(int) + ADP3- + HPO42-+ H+