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.

Tabla periódica de los bioelementos

Elementos esenciales

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

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

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 (caparazonas o cubiertas duras)

•Control de la conformación de la cadena proteica

Activación y transporte de oxígeno

¿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

Ligando porfirina

Porfina Metaloporfirina

Fe-protoporfirina IX

(hem)

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

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

Almacenamiento y transporte de O2: Mb y Hb

Mb Hb

Posición del Fe en la deoxi y oxi Hb

Diagramas de energía

Forma de-oxigenada espín alto

Forma oxigenada espín bajo

Fe(II) (d6) BS + O2 (enlazado)

Fe(III) (d5) BS + O2

•- (enlazado)

Modelo

Función

KMb/O2=[MbO2] / [Mb][O2]

KHb/O2= [HbO2] / [Hb][O2]2,8

A- Mb

B y C - Hb

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) )

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

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

Ferritina

Función: depósito de Fe

Apoferritina + Fe(III)Ferritina

Ferritina:

apoferritina·FeIIIO(OH)

CLOROFILA

METALOTIONEINAS

Modelos de transporteEteres corona

18-corona-6

dibenzo-30-corona-10

complejo de K+

Modelos de transporteCriptatos

criptato 222 criptato 221

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+