los metales en los sistemas biológicos química...

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A.S.P. 1

Los metales en los sistemas biológicos

Los metales en los sistemas Los metales en los sistemas biológicosbiológicos

Química General (QFB)Química General (QFB)Química General (QFB)

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Química Bioinorgánica

Química Bio-inorgánica?

1828, Síntesis de WohlerCianuro de sodio “inorgánico” → urea “orgánica”

R. J. P. Williams, Bio-inorganic chemistry: its conceptual evolution, in Coordination Chemistry Reviews,100, 573 (1990); S. J. Lippard, Bioinorganic chemistry: a maturing frontier, Science, 261, 699 (1993).

Química orgánica

Bioquímica clásica

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A.S.P. 3

Metales presentes en sistemas biológicos

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Metales presentes en sistemas biológicos

The Nobel Prize in Chemistry 2003The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the Nobel Prize in Chemistry for 2003 "for discoveries concerning channels in cell membranes", with one half of the prize to Peter Agre "for the discovery of water channels" and one half of the prize to Roderick MacKinnon "for structural and mechanistic studies of ion channels".

http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/index.html

3

A.S.P. 5

Metales en sistemas biológicos

Papel del metal en los sistemas biológicos;Soporte estructural de un ambiente orgánicoCatálisis, redox o ácido- base, de ligantesTransportadores de cargaFotorreceptoresTransporte de ligantes,

Para que el metal realice su función en el sitio adecuado se necesitan también proteínas que lleven a cabo el transporte y almacenamiento de metales

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La química bioinorgánica hoy en día

física

Farm

acol

ogía

fisiología

Químicainorgánica

bioquímica

toxicología

Química bioinorgánica

4

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Química bio-inorgánica, en su sentido más amplio, es el estudio de la participación de cualquier elemento “inorgánico” (diferente a C, H, N, O, “S y P”) en los procesos biológicos.

Química bioinorgánica; estudio del elemento inorgánico (freq. Metal) en la macromolécula biológicaBiomimesis; modelaje de sistemas y procesos biológicos

Diseño sintético de moléculas (estructural)Desarrollo de procesos químicos (funcional)

A.S.P. 8

Métodos instrumentales utilizados en química bioinorgánicaRadiación Electromagnética

5

A.S.P. 9

4 - 1eV 8000 2000 0.1-0.01 10-4 -10-5 10-6 -10-7

X-Ray UV/vis Infrared

Microwave Radiowave

30000 25000 20000 15000 10000

Wavenumber (cm-1)

2500 3000 3500

Magnetic field (G)

1800 1900 2000 21001400 1500 1600 1700

Wavenumber (cm-1)

Q

0 δmm/s

EQ 8960 8980 9000 9020 9040 9060Energy (eV)

pre-edge

edge

near-edge

EXAFS

11 12 13 14 15 16 17Frequency (MHz)

400 500 700 800

351

676568

530

476

407

Raman Shift (cm-1)

x1/3

Gamma

EPR ENDOR

NMR

IR

Raman

ABS

MCD

CD

XAS

EXAFS

Möss-bauer

14000

Métodos instrumentales utilizados en química bioinorgánicaTécnicas Espectroscópicas

A.S.P. 10

Información obtenida de diversas técnicas espectroscópicas

•Nicolai Lehnert, Serena DeBeer George and Edward I Solomon, Recent advances in bioinorganic spectroscopy, Current Opinion in Chemical Biology 5, 176, 2001,

•E. I. Solomon, et al, Chemical Reviews, 104 (2), 2004.

6

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Estructura de Cobre A

Cu-Cu; Cu-S; Cu-Ndistances; metal coordination numbers

A.S.P. 12


Química Bio-inorgánica de:a) Metales alcalinos y alcalinoterreos (Na, K, Ca y Mg)b) Complejos con hierro (hemo y no hemo)c) Complejos con cobalto (cobalaminas)d) Complejos con magnesio (clorofila)e) Complejos de zinc (dedos de zinc)f) Proteinas con cobreg) Otros metales de ínteres biológicoh) biomineralización

7

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VI

V

IV

III

II

I

Tipo

Ínter conversión de isómeros, p.e formas ópticas (racemasas)Isomerasa

Adición o remoción de un grupo, pe. H2O (Hidrotasas)Liasa

Amplia variedad de reacciones de oxido - reducciónOxido reductasa

Formación de enlace asociado a ruptura de ATPLigasa

Hidrólisis, p.e enlace peptídico (peptídasas y proteasas), esteres fosfato (fosfátasas)

Hidrolasa

Transferencia de grupos funcionales de un sustrato a otro, pe. Kinasa, las cuales ayudan en la transferencia de un grupo fósforil entre ADP y ATP

Transferasa

Reacción catalizada

P. C. Wilkins, ref. 8, pag 27.

Tipos de metalo-enzimas

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¿Qué es química de coordinación?

Metal o Catión Metálico

+ Ligante (neutro o anión)

Complejo o Compuesto de Coordinación

8

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Z + :L Zn Ln

Electroaceptor Electrodonador

Enlace covalente coordinado

Enlazamiento: Z : L o Z Lδ- δ+

(Ácido de Lewis) (Base de Lewis)

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Ácido + :Base Aducto (Lewis)

Mn+ + 6 :L-x


Numero de coordinación (NC); número de átomos donadores (ligantes) directamente enlazados al átomo central

Mn+ + 5 :L -x

Mn+ + 4 :L -x

[M(L)6](n-x)+

[M(L)5](n-x)+

[M(L)4](n-x)+

9

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Mn+ + 6 :L M : LL :

L

L

: L

L :. .

. .

LL

L

L

L

L

Arreglo octaédrico


Arreglo geométrico de los ligantes alrededor del átomo central

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Mn+ + 4 :L tetraédrico

Otras geometrías presentes

Mn+ + 5 :L

L

ML L

L

L

MLL L

L

ML

L

L

Lcuadrado plano

bipirámide trigonal

pirámide con base cuadrada

L

ML

L

L

L

10

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Teoría ácido base duros y blandos (ABDB) de Pearson

Basada en la definición Ácido -Base de Lewis

Duro; especies de carga (positiva) alta y tamaño pequeño

Blando; especie de carga (positiva) pequeña y/ tamaño grande

Ácido

Dura; especies de carga (negativa) pequeña y tamaño pequeño

Blanda; especie de carga (negativa) alta y/ tamaño grande

Base

Interacción ácido- base favorableDuro – duro Iónica

Blando - blando covalente

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Radio atómico y iónico (propiedades periódicas)

Dentro de un mismo periodo, el radio atómico disminuye conforme el numero atómico aumenta.

Los radios atómicos de los elementos del segundo periodo siguen la siguiente tendencia:

Li > Be > B > C > N > O > F

11

A.S.P. 21

Radio iónico (propiedades periódicas)

El radio de un ión positivo es menor que el del átomo neutro, el cual a su vez es mas chico que el de la especie con carga negativa (anión). Así, el tamaño de los átomos tienen el siguiente orden :

S2- > Cl- > Ar > K+ > Ca2+ > Al3+ > Ti4+

bases de Lewis ácidos de LewisBlandos DurosBlandos Duros

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CN-, CO, S-2, RSH y R2S(incluye cis y met), I-

Cu+, Ag+, Pt+2, Cd+2, Hg+, Hg+2Blando

Donadores tipo NFe+2, Co+2, Ni+2, Cu+2, Zn+2Intermedio

O en H2O, OH-, OR-, O-2, NO3

-, CO3-, PO4

-3, RCO2-, etc.

H+, Na+, K+, Ca+2, Mg+2, Fe+3, Mn+3Duro

baseácidotipo

Clasificación de ácidos y bases duros y blandos

Interacción ácido- basefavorable

Duro – duro Iónica

Blando - blando covalente

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N

OS

N

O

O

O

N

O

O

O

N

O

N

O

NN

N

N

O

O

N N

O

O

O

N

O

N

O

N

N N

O

N

O

N

O

N

OS

N

O

N

O

NO

O

N

O O

N

O

ON

O

N

O

N

[Cys]

[Glu][Asp]

[Ala] [Arg] [Asn] [Asp]

[Gly] [His] [Ile]

[Leu] [Lys] [Met] [Phe] [Pro]

[Ser] [Thr] [Trp] [Tyr] [Val]

Ligantes naturales; aminoácidos (proteínas)

A.S.P. 24

N N

N N

O

NN

N

O

N

N

N

O

O

N

N

O

O

N N

N N

N

N

N

O

O

N N

N N

O

O

O

OP

OO

O

O

N N

N N

N

OOP

OO

O

OOP

OO

N

Guanina (G)

Citosina (C)

Tiamina (T)

Uracilo (U)

Adenina (A)

enlace fosfodiester

Ligantes naturales; purinas y pirimidinas, bases nitrogenadas (DNA)

13

A.S.P. 25

O

O PO

OO P

O

O

PO

O

NO

N

N

OON

N

O

N

N

NO

N

O

NOO

O

Adenosintrifosfato

[ATP]

- 4

Guanosina

Ligantes naturales; otras bases

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N

N

H N

N

H N

N

N

N

M

complejo metal - porfinaporfina

2.04 A

Ligantes naturales; macrociclos

El anillo de porfina puede ajustar su cavidad para que entren iónes desde 1.92 a 2.07 Å

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A.S.P. 27

Modos de enlace metal –cadena lateral

CH2

C

OO

HH2N

O

O

CH2

C

OO

HH2N

O

O

CH2

C

OO

HH2N

O

O

CH2

CH

H2NO

O

O

asp-M

M

asp-M

M

asp-M2

MM

tyr-M

M

O - donador

Los ligantes se pueden coordinar al metal de diversas formas, esdecir pueden actuar como ligantes monodentado, bidentado o grupos puente.

A.S.P. 28

Modos de enlace metal –cadena lateral

ON N

N N

O

O

O

OP

O

O

N

OM

M

M

M

p.e Pt (II) y Cu(II)

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A.S.P. 29

Complejos con hierro

Es el metal de transición mas abundante en el organismo (4-2 –6.1 g por 70 Kg de peso corporal).

Es el metal de transición mas abundante en el organismo (4-2 –6.1 g por 70 Kg de peso corporal).

No obstante la gran cantidad de hierro que presente en el organismo, la mayor parte de él se recicla requiriendo de 0.5 –1.5 mg de hierro en la ingesta diaria y su contenido es variable, p.e. En la medula ósea se estima una concentración de 20 –25 mg / día para la síntesis de Hb.

El hierro en el organismo esta distribuido de la siguiente manera:

Hemoglobina (transporte de oxigeno) 65%

Ferritina (almacenamiento de hierro) 30%

Mioglobina (almacenamiento de oxigeno) 4%

Transferrina (transporte de hierro) 0.12 %

Diversas proteínas hemo y no hemo < 1%

A.S.P. 30


El hierro presenta estados de oxidación desde –I hasta +VI, sin embargo los estados de oxidación relevantes en medios biológicos son el Fe (II) y el Fe(III).

En solución acuosa, el hierro (II) es oxidado fácilmente por el oxigeno disuelto

[Fe(H2O)6]3+ + e- ⇔ [Fe(H2O)6]2+ E Fe (III) / Fe(II) = 771 mV

1/2 O2 + 2 H+ + 2 e- ⇔ H2O E (ac) = 1229 mV

16

A.S.P. 31

El hierro (II) presenta las siguientes características:•Es un sistema d6

•Es un ácido de Lewis “intermedio”•Es paramagnético, 4 e- desapareados (4.9 – 5.5 MB)•Sus sales son mas solubles que las de Fe(III)•Se oxida fácilmente en presencia de oxígeno•Forma complejos, normalmente octaédricos y de alto espín•La hidrólisis del acuo- complejo prácticamente no se realiza


M : LL :

L

L

: L

L :. .

. .

[Fe(H2O)6]2+ + H2O ⇔ [Fe(OH)(H2O)5]+ + H3O+ K h = 3.16 x 10-9

Cabe destacar que los complejos formados con Fe(II) son menos estables que los de Fe(III) así como su alta afinidadpor ligantes nitrogenados (ácidos intermedios)

A.S.P. 32


M : LL :

L

L

: L

L :. .

. .

El hierro (III) presenta las siguientes características:•Es un sistema d5

•Es un ácido de Lewis “duro”•Es paramagnético, 5 e- desapareados (5.92 MB)•Sus sales son menos solubles que las de Fe(III)•Forma complejos, normalmente octaédricos y de alto espín•Su acuo- complejo sufre reacciones de hidrólisis

[Fe(H2O)6]3+ + H2O → [Fe(OH)3] ↓ + H3O+ K ps = 2 x 10-39

En general, Fe(III) forma complejos más estables que Fe(II) así también es más afín a ligantes oxigenados (ácidos duros) que a ligantes N-donadores

17

A.S.P. 33

Las funciones biologicas mas conocidas de las proteinas con hierro son:Transporte y almacenamiento de oxígenoProcesos de transferencia de electronesActivación de di-oxígeno y di-nitrógeno

Grupos de proteínas con hierro:

1. Tipo hemo; Proteínas con un complejo hierro-porfirina

2. Tipo no hemo

a) Cúmulos Fe-S

b) Proteínas con ligantes simples (carboxilato)


A.S.P. 34

Transporte y almacenamiento de hierro

Para que el hierro contribuya a las propiedades biológicas de laproteínas debe haber mecanismos que lo lleven a sus diversos sitios de acción.

Proteínas que permitan el fácil acceso y transportación de hierro. Además eviten la reacción con oxígeno que generaría especies peligrosas para el organismo (peróxidos y radicales súper-oxido).

Sideroforos (microorganismos aerobios);

Hidroxixamatos

Catecolatos

Transferrinas (mamíferos);

ferritinas

hemosiderina

18

A.S.P. 35

Transporte de di-oxígeno

Para que el di-oxigeno reaccione con la glucosa para generar energía que los organismos utilizaran en su funcionamiento debe haber unmecanismo que transporte el di-oxígeno a los lugares donde se lleva a cabo la siguiente reacción.

Hemoglobina

Hemocianina (artrópodos y moluscos, Cu)

Hemeritrina (algunos invertebrados marinos)

6 O2 + glucosa (C6H12O6) → 6 CO2 + 6 H2O + ∆

A.S.P. 36

N

NN

N

M

N

NN

N

H HN

H

porfina (por)

2-

metaloporfina

pirrol

Porfirina = porfina con sustituyentes

Metaloporfirinas

19

A.S.P. 37

1. Hemoglobina → transporte de O2 (animal)2. Mioglobina → almacenamiento de O2 (animal)

3. Citocromos → transferencia de electrones (animal, bacterias, plantas)

4. Oxigenasas → reacciones de oxigenación con O2

5. Oxidasas → reducción de O2 a O2-, O2

2-, O2-

6. Peroxídasas → reacciones de oxidación con H2O2

7. Catalasas → desproporción de H2O2 en H2O y O2

Hemoproteinas

A.S.P. 38

1. Transporte de O2 del pulmón a la mioglobina en los músculos

2. Transporte del CO2 producido por la oxidación metabólica de la glucosa en el músculo al pulmón

N

NN

N

Me

CH=CH2 Me

CH=CH2

Me

CH2CH2CO2HHO2CCH2CH2

Me

Fe

grupo hemo

Hemoglobina

20

A.S.P. 39

Desoxihemoglobina + O2 → Oxihemoglobina

Fe

N

NN

N

N

N

H proteína

FeN

NN

N

N

N

H proteína

OOdesoxihemoglobina

+ O2

- O2

oxihemoglobina

Hys-93

La facilidad de oxigenación se ve afectada por el pH (efecto Bohr, pH opt = 6.2), CO2, 2, 3-D-difosfoglocerato (DGP) y Cl-

PDB: 4HHB

A.S.P. 40

Hemoglobina = Fe2+ + protoporfirina + globina

Estructura de la hemoglobina

PM= 64.5 Kda

Formada por 4 sub-unidades (α1,α2, β1 y β2) , c/u conteniene un grupo hemo, de 141(α) y 146 (β) residuos de aa.

21

A.S.P. 41

1. Protege al Fe2+ de la oxidación a Fe3+ (rodea el grupo hemo). Hemo sin proteína se oxida a la hematina (Fe3+)

2. Es hidrofílica en su parte exterior ⇒ solubilidad en H2O.

3. Apoya a la coordinación de las moléculas de O2 a los 4 grupos hemo ⇒ se distorsiona cuando se adiciona al primer grupo hemo y abre las bolsas con los demás grupos hemo.

4. Algo similar sucede en el músculo ⇒ alta concentración de CO2 estimula la separación de O2 de los grupos hemo.

Funciones de la Globina (proteína)

A.S.P. 42

Se coordinan más fuertemente al grupo hemo que O2.

FeN

NN

N

N

N

H proteína

CO

Toxicidad de CN-, CO, PF3:

22

A.S.P. 43

Proteina binuclear de hierro

Hemeroritrina

Desoxihemeritrina

(PDB; 1HMD)

FeO

OFe

CH2

OOCH2

O

H

FeO

OFe

CH2

OOCH2

O

HO

O

+ O2

- O2

II II III III

PM= 13.5 Kda

Formada por 8 sub-unidades identicas, c/u contiene 2 átomos de hierro rodeados por cuatro cadenas proteicas.

A.S.P. 44

Almacenamiento de di-oxígeno

Mioglobina: es una metalo-proteína que sirve para almacenar el di-oxígeno en los tejidos musculares de los vertebrados pero también facilita la difusión del oxígeno a las mitocondrias con el objeto de alimentar la cadena respiratoria

Miohemeritrina (algunos invertebrados marinos)

desoximioglobinadesoximioglobinaoximioglobinaoximioglobina

Las formas oxi- y desoxi-Mb contienen Fe (II) en tanto la forma meta- contiene Fe(III) y no es capaz de liberar di -oxígeno.Las formas oxi- y desoxi-Mb contienen Fe (II) en tanto la forma meta- contiene Fe(III) y no es capaz de liberar di -oxígeno.

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A.S.P. 45

Procesos de transferencia de electrones

El sitio activo de la enzima. a, Tyr-217 yHis-282 se unen a sulfato, un inhibidor de la actividad enzimática. b, A esquema de reacción mínima. La estructura I representa el hemo catalítico 1 en el estado oxidado, con nitrito enlazado. En la estructura II el hierro es reducido y se forma NO. La estructura III muestra la intermediario de hidroxilamina, y en el paso final el amonio es formado (estructura IV) y entonces es desalojado como un cation amonio

P. H. Kroneck, et al, Nature, 400(6743), 476-80 (1999)

A.S.P. 46

Proteínas Fe-S

1. Rubridoxinas → transferencia de electrones (bacterias)

2. Ferredoxinas → transferencia de electrones (animal, bacteria, planta)

3. Nitrogenasas → reducción de N2 a NH3 (planta ybacterias)

Proteínas con hierro sin otros ligantes

• Transferrinas → transporte de Fe (animal)

• Ferritinas → almacenamiento de Fe (animal, planta, bacteria)

proteínas con hierro tipo no hemo:

24

A.S.P. 47

Los cúmulos Fe-S participan en la reducción de N2 del aire a NH3, fijación de N2 o asimilación de N2, con formación adicional de H2.Este proceso se realiza por bacterias, las cuales viven en las raices de las

leguminosas, p.e. frijol, etc.

Funciones de las nitrogenasas, Cúmulos Fe-S

La fotosíntesis (asimilación de CO2) y la fijación de N2 son los procesos biológicos más elementales para la vida en la tierra.

hν + NH3 + H2O + CO2 → azucares + aminoácidos + ác. Nucleicos + O2

(fitoesqueleto) (proteínas) (DNA)

A.S.P. 48

Proceso energético en las nitrogenasas

metalo-enzimas que catalizan la siguiente reacción:

La molécula N2 es una de los mas estables en la naturaleza. Las Nitrogenasas rompe este enlace bajo condiciones ambientales lo cual es de gran interés en la industria, agricultura y en estudios de ciencia básica.

N2 (g) + 3 H2 (g) 2NH3(g)>400oC, >100 bar

Cat MOx

Industrial

N2 + 8 H+ + 8 e- 2 NH3 + H2

16 ATP4- + 16 H2O

16 ADP3- + 16 H2PO4-

Probables intermediarios:

N2 → N2H2 → N2H4 → 2 NH3

Biológico

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A.S.P. 49

cúmulos [2Fe-2S] los dos átomos de hierro están “puenteados” por dos átomos de azufre inorgánicoy ligado a cuatro cisteinasdel la cadena poli péptica

cúmulos [2Fe-2S] los dos átomos de hierro están “puenteados” por dos átomos de azufre inorgánicoy ligado a cuatro cisteinasdel la cadena poli péptica

cúmulos [4Fe-4S] los cuatros átomos de hierro están unidos a cuatro cisteinas y forman una estructura cúbica con los cuatro átomos de azufre inorgánico.

cúmulos [4Fe-4S] los cuatros átomos de hierro están unidos a cuatro cisteinas y forman una estructura cúbica con los cuatro átomos de azufre inorgánico.

Cúmulos [3Fe-4S] un átomo de hierro del cúmulo [4Fe-4S] esta ausente.

Cúmulos [3Fe-4S] un átomo de hierro del cúmulo [4Fe-4S] esta ausente.

Ferredoxinas

Proteínas solubles hierro- azufre ácidas, de bajo peso molecular, transportadoras de cúmulos hierro azufre en la cual el hierro esta parcialmente coordinado por azufre (NC 4, td).Los cúmulos hierro azufre;facilitan la transferencia electrónica (oxido reducción)contribuyen a funciones catalíticas.

En muchas sistemas, el hierro esta enlazado a azufre (s) de residuos de cisteina de la cadena polipeptídica y también a azufre inorgánico en los cúmulos de hierro.

A.S.P. 50

Fe-Mo nitrogenasa = fierroproteína + fierromolibdenoproteína

FeS

Fe S

S Fe

Fe

S

S

Fe

Scis

OSer

S

Scis

cis

cis

S Fe

Fe S

S

FeS

Scis

Scis

hierroproteína = responsable para la transferencia de un electrón hacía la fierromolibdenoproteína.

Función de las nitrogenasas

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A.S.P. 51

Fe-Mo nitrogenasa = fierroproteína + fierromolibdenoproteína

Fe S

S Fe

FeS

FeSCys S

S

MoS

SFe

Fe S

Fe

O

S

O

N

O

CH2COO-CH2CH2COO-

His(R) homocitrate

hierromolibdenoproteína = responsable de la reducción del N2 (también conocida como cofactor – FeMo o FeMo-co)

Función de las nitrogenasas

J.B. Howard, D.C. Rees, Chem. Rev. 96 (1996) 2965; S.M. Mayer, D.M. Lawson, C.A. Gormal, S.M. Roe, B.E. Smith, J. Mol. Biol. 292 (1999) 871; F. Barriere, Coordination Chemistry Reviews, 236,71 (2003).

A.S.P. 52

Ferritinas

Sistemas hierro -carboxilato

27

A.S.P. 53

Complejos con cobalto

El cobalto presente en el organismo esta presente principalmente como cobalaminas

A.S.P. 54

N

NN

N

R'

R'' Me

R''

Me

R''adenosilo

R'

Me

Me R'

MeMe

Me

CoN

NN

NH

adenosilcobalamina

III R' = CH2ONH2

R'' = CH2CH2CONH2

corina

Complejos con cobalto (cobalamina)

Adenosilcobalamina = corina + grupo adenosilo

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A.S.P. 55

N

N

Me

Me

O

OP

O

CoN

NN

N

R'R'' Me

R''

MeR''

R'

Me

Me R'

MeMe

Me

R

HOCH2

CH2

CH2

NH

CH2

CH

O

OMe

H

O

OH

R = CN-

vitamina B12

1. El grupo R se puede sustituir por otros grupos orgánicos, p.e. Me, o moléculas inorgánicas, p.e. H2O (aguacobalamina),

2. Acuocobalamina ayuda en el caso de intoxicaciones con CN-

3. Con grupos R orgánicos cobalaminas se pueden reducir: CoIII → CoII → CoI

agente reductor fuerte4. Catálisis de rearreglos, p.e.

Isomerización del ácido glutámico


A.S.P. 56

1. Participa en la formación de los eritrocitos en la médula.

2. Participa en la conducción de impulsos nerviosos.

3. Influencia en el proceso de crecimiento

Cobalaminas no se pueden sintetizar por el hombre ⇒ parte de la alimentación (≈ 0.1 µg diarios, p.e. vitamina B12). Problema para vegetarianos: no hay cobalaminas en plantas

Deficiencia de cobalaminas se expresa por nerviosismo, disturbio de sentimientos y parálisis


N

N

Me

Me

O

OP

O

CoN

NN

N

R'R'' Me

R''

MeR''

R'

Me

Me R'

MeMe

Me

R

HOCH2

CH2

CH2

NH

CH2

CH

O

OMe

H

O

OH

R = CN-

vitamina B12

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Complejos con magnesio

A.S.P. 58

Funciones de la clorofila:1. Participa en el proceso de fotosíntesis (asimilación de

CO2), M. Calvin, premio Nobel de química 19612. Provee energía a través de la absorción de luz (energía

electromagnética) ⇒ excitación π−π* (λ = 680-700 nm).Esta energía se transforma posteriormente en energía química

(ATP, NADP).

N

NN

N

Me

CH=CH2 Me

Et

Me

RO2CCH2CH2

Me

OMeO2C

Mg

N

NN

NHH

clorofila a

clorina = 7,8-dihidroporfina

7

8

Complejos con magnesio (clorofila)

30

A.S.P. 59

Complejos de Zinc

Segundo elemento metálico mas abundante en el organismo después de hierro (2g por 70 Kg de peso corporal) y se requieren de 10 –20 mg de zinc en la ingesta diaria

A pH fisiológico esta presente como [Zn(H2O)6]2+;DiamagnéticoIncolorod10 (No tiene efecto de campo

cristalino)Ácido de Lewis (p/hidrólisis)

Forma enlaces cinéticamente inertes (histidina) a diferencia de Mg2+, Mn2+ HS, Fe2+ o Co2+

No es activo a reacciones redox (transferencia electrónica)Es capaz de hidrolizar moléculas de aguaprefiere numero de coordinación bajo (4 o 5), no impone una

restricción en la geometría para catálisis enzimático

A.S.P. 60

Complejos de zinc

Otras funciones:Fijación estructural de

conformación de proteínas,Estabilización de insulina,Estabilización de complejos

hormona-receptorFactores de regulación de la

trascripción (dedos de zinc)

Uso para desordenes del crecimiento humano(Interacción entre Zn y las hormonas del crecimiento)

transferencia de información genética

Hay mas de 300 proteínas diferentes de Zinc que catalizan la conversión metabólica de proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, precursores de porfirinas, entre otros importantes compuestos bio-orgánicos.

31

A.S.P. 61

Complejos de Zinc

Zn intestino

[Zn-Alb]

Tejidos periféricos

músculo

huesoHígado

Zn

funcionesReserva dinámica

Zn [Zn-α2-MG]Alb; albuminaα2-MG;macroglobulina

A.S.P. 62

Complejos de zinc

I

III

III

III

III

tipo

Función estructural2 Cys, 2 HysFactor de trascripción

Desproporción de O•-22 Hys, 1 µ2-Hys, 1 AspSuperoxido dismutasa (SOD)

Hidrólisis de esteres fosfato (pHopt=8)

2 Hys, 1 η2-Asp, 1 H20Alcalin-fosfatasa

Hidrólisis del C-terminal

2 Hys, 1 η2-Glu, 1 H20Carboxipeptidasa A

Oxidación de alcoholes 1ros y 2rios vía NAD+

2 Cys, 1 Hys, 1 H20Alcohol deshidrogenasa(ADH)

hidrólisis2 Hys, 1 η2-Glu, 1 H20termolisina

hidrólisis3 Hys, 1 H20carboanhidrasa

funciónligantesproteína

Existen proteínas de zinc en los 6 tipos de metalo-enzimas

32

A.S.P. 63

Los dedos de zinc

Las proteinas conocidas como los dedos de Zinc son las proteinas mas abundantes en genomas de eucariontes. Sus funciones son extraordinariamente diversas e incluyen reconocimiento del DNA, empacamiento del RNA, activación de la transcripción, regulación de la apoptosis, plegado y ensamble de proteínas y lípidos inding.

Las estructuras de los dedos de Zinc son tan diversas como sus funciones. Desde que la estructura de un dedo de zinc simple fue reportado en 1989*, diversas estructuras han sido reportadas recientemente mostrando nuevos dominios y nuevas topologias, dando informacion importante sobre la relacion estructura - función.

Estos nuevos estudios estructurales sobre ambientes que contienen el “clasico” ambiente de Cys2His2 en los dedos de zinc han dado nuevas guias sobre el mecanismo de union al DNA asi como un mejor entendimiento de su funcion en la regulación de la transcripción.

* Lee MS, Gippert GP, Soman KV, Case DA, Wright PE: Three-dimensional solution structure of a single zincfinger DNA-binding domain. Science, 245, 635-637, 1989.

A.S.P. 64

Cobre y las proteinas con cobre

Segundo elemento metálico con mas funciones bioquímicas en el organismo después de hierro debido posiblemente a su reciente incorporación al metabolismo de los seres vivos

Segundo elemento metálico con mas funciones bioquímicas en el organismo después de hierro debido posiblemente a su reciente incorporación al metabolismo de los seres vivos

Un adulto sano contiene en promedio 110 mg y se requieren de 2 mg de cobre en la ingesta diaria

En el organismo, el cobre esta presente principalmente en el sistema óseo (46 mg), en los músculos (26 mg), en el hígado (10 mg), el cerebro (9 mg), la sangre (6 mg), los riñones (3 mg) y el corazón (1.5 mg).

33

A.S.P. 65

cobre y las proteinas con cobre

A pH fisiológico esta presente como Cu(I) el cual es un ácido de Lewis “blando”, diamagnético, incoloro, no tiene efecto de campo cristalino (d10) y presenta números de coordinación bajos (2, 3 y 4)

En medios biológicos, el cobre esta presente como Cu (I) y Cu(II)

La estabilidad relativa de ambos estados de oxidación esta modulada por el ambiente proteico

Cu2+ + e- ⇔ Cu+ E Cu (II) / Cu(I) = 200 – 800 mV

E (ac) = 153 mV

tetraédrico

L

ML L

L

L

ML L

L

tetraédrico

A.S.P. 66


Cu(II);•es un ácido de Lewis “intermedio” •paramagnético (1 e- desapareado) •presenta color (azul o verde)•presenta distorsiones de la geometría ideal (Jahn - Teller, d 9 )•números de coordinación 4, 5 y 6•Dan lugar a un tipo de espectro EPR característico

tetraédrico

L

MLL L

L

ML

L

L

L cuadrado plano

bipirámide trigonalpirámide con

base cuadrada

L

ML

L

L

L

L

ML L

L

34

A.S.P. 67


Las principales funciones de cobre en los sistemas biológicos;

Transporte de di -oxígenoTransferencia electrónica en

la fotosíntesisParticipación en el

metabolismo de di -oxígeno (oxidasas y oxigenasas)

Desactivación de metabolitos peligrosos

Desarrolla funciones similares a hierro, sin embargo presenta algunas diferencias;•No necesita coordinarse a ligantes porfirinicos para integrarse en el centro activo de la proteína•Es mas oxidante que el par Fe(II)/Fe(III)•La mayoría de sus bio-moléculas son extracelulares (p.e. Suero sanguíneo)

A.S.P. 68

Proteinas con cobre

Para muchas ferro-proteínas, existe su análoga proteína con cobre

Nitrito reductasaconteniendo Cu

Nitrito reductasa conteniendo hemo (h)

Reducción de NO2-

súperoxido dismutasas(Cu, Zn) de eritrocitos

Peroxidasas (h)súperoxido dismutasasbacterianas (nh)

antioxidante

Proteínas azules de CuCitocromos (h)Transferencia de e-

Amino oxidasasPeroxidasas (h, nh)Oxidasa

Tirosinasa Quecentinasa(dioxigenasa)

Citocromo P-450 (h)Metano monooxigenasa (nh)Catecol dioxigenasa (nh)

Oxigenación

HemocianinaHemoglobina (h)Hemoritrina (nh)

Transporte de O2

Proteína con cobreProteína con hierroFunción

35

A.S.P. 69

centros “clásicos” de cobre en proteínas *

* ref. 9

Cu(II) + e- → Cu (I)

(EPR/ENDOR)

Transferencia electrónica reversible

Centros “azules” de cobre(λmax = 450w y 600 nm)

Itipo

Inactivo a EPR (acoplamientoantiferromagnético)

EPR normal de Cu(II)

Catálisis y transporte de oxigeno (hemocianina, tirosinasa)

Activación de O2 a partir de Cu(I) en cooperación con coenzimas

Dímeros de cobre(λmax = 350 - 600 nm)

Centro normal de cobre

IIIII

NN

SCuS

N

N

[His]

[His]

[Met]

[Cys]

NN

Cu

N

N

OH2

NN N N Cu

N

N

(X)

N

N

NNCu

N

N

N

N

A.S.P. 70

Estructura Cristalina de Plastocianina

Estructura cristalina de plastocianina (PDB code 1PLC) y una vista expandida de la estructura geométrica y electrónica de el sitio activo.

36

A.S.P. 71

“Nuevos” centros de cobre en proteínas *

Características de “nuevos” centros de cobre en proteínas (ref. 1)

Inactivo a EPR

Regulación, almacenamiento y transporte

octámero de cobre (I)

Cu-MT


Activación de O2(Ascorbato oxidasa)

(2 + 3)tipo


nitroso oxido reductasa

Transferencia de e-(citocromo c oxidasa)

Cúmulo de cobre con un puente µ4-sulfuro

Centro dinuclearCentros “púrpura” de cobre (λmax = 480, 530 y 800w nm)

Cu ZCuA

Cu S

S

Sn

[cys]

[cys][cys]

N Cu

N

(OH)

N

NCu

N

N

N

OH2

CuN

N[His] [His]

[His]

[His]

[His]

[His][His]

[His]

[His]

NCu

N S

S

NCu

N[met]

[His]

[cys][His]

[cys]

A.S.P. 72

Centros de CuZ

Representación esquemática de los centros CuZ de N2OR con sus ligantes. A) el centro original de CuZ en Pn N2OR propuesto por Brown et al. (5). B) el centro revisado de CuZ en Pn N2OR. La distancia media de las seis moléculas de en P. nautica (A y B) están indicadas en Ångstroms, y las desviaciones están dadas entre paréntesis (centésimas de Ångstroms); la naturaleza del ligante con oxigeno no ha sido definida (OH or O2 ), por lo que se señala entre paréntesis. C) el centro de CuZ en Pd N2OR. Las distancias interatómicas dentro del cúmulo de CuZ del monomero con mejor definición estan indicados en Ångstroms para A y B, respectivamente.

K. Brown , K. Djinovic-Carugo, T. Haltia , I. Cabrito, M. Saraste, J. J. G. Moura, I. Moura, M. Tegoni, Ch. Cambillau, J. Biol. Chem., 275, 41133, 2000.

37

A.S.P. 73

Proteinas con cobre

Oxidación de alcoholes en fungi

IIOxidasas no-azules (O2 → 2 H2O)Galactosa oxidasa

o-hidroxilación de fenoles y oxidación subsecuente a o-quinonas en pulpa de frutas

IIIMonooxigenasas (O2 → H2O + sustrato-O)Tirosinasa

Oxidasas azules (O2 → 2 H2O)Ascorbato oxidasa

Transferencia de electrones (Cu I → CuII + e-)plastocianina

Función y propiedades típicas

Oxidación de ascorbato a dihidroascorbato en plantas

I(E=0.4V)

Participación en la fotosíntesis de plantas

I(E=0.2-0.4V)

reactividadTipo

A.S.P. 74

Proteinas con cobre

EritrocitosIIDegradación de superoxido (2 O2 •- → O2 + O2

2-)Superoxido dismutasa –Zn, Cu

Transporte de Hemolimp en moluscos y artrópodos

IIITransporte de dioxígenohemocianina

Función en el ciclo del nitrógenoNitrito reductasaN2O reductasa

Oxidasa terminal (O2 → 2 H2O)Citocromo c oxidasa

Dioxigenasas (O2 → 2 sustrato-O)Quercentinasa

Función y propiedades típicas

Reducción de NitritoReducción de N2O a N2 en el ciclo de nitrógeno

2 CuA

Parte final de la cadena respiratoria

Ruptura oxidativa de quercentina en fungi

II

reactividadTipo

38

A.S.P. 75

Biomineralización

A.S.P. 76

Otros metales de interes biológico

Control de peso y desarrollo muscular (2do suplemento mineral mas vendido en EUA).

Picolinato de cromoPicolinato de cromo

(III)

Droga citotóxicacisplatinocis-[Pt(NH3)(Cl)2]

Usado en anormalidades del corazóncardiolite[Tc(CNR)6]+,

[R=CH2C(CH3)2OMe]

Suplemento alimenticioZ-spanZnSO4.H2O

Anti perspiranteGlicinato de Zr(IV)

imaging NMRMagnevista[Gd(DTPA)] 2-

AntimicrobialLoción de Calamina

Oxido o carbonato de Zinc

Antibacterial para quemaduras gravesflamazinaSulfadizina de Ag(I)

ObservacionesNombre comercial

Compuesto

N

NNH2 SN

OO

Sulfadiazina

NO

O

NO

O

2 2

DTPA

Christiana Xin Zhang, Stephen J.Lippard, New metal complexesas potential therapeutics, Current Opinion in Chemical Biology, 7, 481, 2003.

39

A.S.P. 77

Otros metales de interes biológico ....continuación

diabetes mellitusTipo II [V(haloperoxidasas)]

Anti-artríticomiocrisina[Au(CH2(CO2-)CH(CO2

-) S)]

Droga citotóxica de platino (2da Gen)carboplatinoCis-[Pt(NH3)(OR)2]

Agente oral para artritis reumatoideAuranofin[Au(SR)(PEt3)]

trata,miento de cáncer de colonBudotitanioCis-[Ti(AcBz)(Oet)2]

ObservacionesNombre comercial

Compuesto

PtO

O

H3N

H3NO

O

O

OTi

O

O

O SAu

OAc

AcO

OAcOAc

PEt3

O

O

AcO=

A.S.P. 78

Algunos metales presentes en sistemas biológicos

NaNa MgMg

KK CaCa VV CrCr ZnZnCuCuNiNiCoCoFeFeMnMn

MoMo

HH

WW

EsencialEsencial

PtPt AuAu

AgAg

BiBi

LiLi

SnSnTcTc

GdGd

Con valor clínicoCon valor clínico

HgHg

CdCd

TiTi PbPb

BeBe

AlAl

TóxicoTóxico

SrSr

BaBa

RuRu SbSb

AsAs

CC NN

ClCl

FFOO

PP SS

40

A.S.P. 79

1. J. Faus, E. García -España, J. Moratal, “Introduccion a la químicaBioinorgánica”, coord. por M. Vallet, Sintesis (Farmacia 15), 2001.

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4. J. J. R. Frausto Da silva , R. J. P.Williams, “Biological chemistry of the elements”, Oxford Univ. Press, 2001.

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7. G. L. Miessler, D. A. Tarr, “Inorganic Chemistry”, Prentice Hall, 1999.8. D. F. Shriver, P. W. Atkins, C. H. Langford, “Inorganic Chemistry”, Oxford

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Base de datos de grupos prostéticos y iones metálicos en sitios activos de proteinas (PROMISE)http://metallo.scripps.edu/PROMISE/SITES_LIST.htmlhttp://www.chem.sunysb.edu/koch/BioWWW.html

Paginas web del protein data bankhttp://pdb.ccdc.cam.ac.uk/pdb/index.htmlhttp://www.wwpdb.org/index.htmlhttp://www.rcsb.org/pdb/index.html

Clasificación estructural de proteinas (SCOP)http://scop.mrc-lumb.cam.ac.uk/scop/

Paginas web de la IUPAC, División Quimica bioinorganicahttp://www.chem.qmul.ac.uk/iupac/bioinorg/

Sitio de la fundacion Nobel (premio Nobel)http://www.nobel.se/index.html

Algunos sitios web recomendados

A.S.P. 82

Gracias

Por su atención

los metales en los sistemas biológicos química...

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