Principios de Bioinorgánica

5/24/2018 Principios de Bioinorgnica

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Qumica y aplicaciones de los elementos

qumicos en bioinorgnica

Dra. Kareen Brown A.

*La Qumica Bioinorgnica es una rama de la qumica queestudia el rol biolgico de los metales. Incluyendo el estudiotanto de fenmenos naturales como el comportamiento de lasmetaloprotenas, as como de metales introducidosartificialmente, incluso aquellos que son elementos noesenciales, en medicina y toxicologa. Muchos procesosbiolgicos como la respiracin, dependen de molculas quecaen en el campo de estudio de la qumica inorgnica. Estadisciplina incluye tambin el estudio de modelos inorgnicosque imitan el comportamiento de las metaloprotenas.

*Como mezcla de la bioqumica y la qumica inorgnica, laqumica bioinorgnica es importante en el estudio de lasprotenas transportadoras de metales, unin al sustrato yactivacin, qumica de la transferencia de tomos y gruposfuncionales, as como las propiedades de los metales en laqumica biolgica.


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La Qumica Bioinorgnica es una rama interdisciplinaria de

la Qumica, que se ocupa de una amplia gama de

problemas ubicados en la interfase entre la qumica y las

ciencias biolgicas.

Bioinorgnica

Microbiologa

Qumica orgnica

Farmacologa

Bioqumica

Qumica Inorgnica

Fisiologa

Medicina

*En la actualidad, se han llegado a reconocer como elementos

esenciales para los organismos, 27 elementos y presentan

en la tabla peridica de los bioelementos.

*A parte de los elementos C, H, N y O, que son constituyentes

bsicos y caractersticos de los compuestos orgnicos,

todos los dems son elementos que podemos llamar

inorgnicos


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Elemento o metal esencial

*Elemento en el cual su ingesta insuficiente produce deficiencias

funcionales, las que pueden revertirse cuando el elemento

recupera su nivel fisiolgico ptimo.

*El organismo no puede crecer ni completar su ciclo vital sin ese

elemento.

*El elemento debe poseer una influencia directa sobre el

organismo y estar involucrado en sus procesos metablicos.

*El efecto de un elemento esencial no puede ser logrado

totalmente por ningn otro elemento.

*Se debe enfatizar que el normal funcionamiento de los

organismos vivos requiere un balance y un equilibrio

delicado entre los diferentes elementos que ellos

necesitan. Esto significa que un elemento esencial puede

transformarse en un elemento txico, cuando se

sobrepasan ciertos lmites de concentracin.

*Los organismos pasan por diferentes etapas cuando la

concentracin de un elemento esencial pasa de deficiente

a excesiva.

*Cuando se incorpora un exceso del elemento, el mismo

comienza a tener efectos txicos y finalmente letales.


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*Todos los elementos pueden ser divididos en tres grandesgrupos de acuerdo a su abundancia en los sistemas biolgicos.

Elemento g/ 70 Kg de peso

Constituyentesmayoritarios OCNHCaPSKNaClMg

45.500012.6002.1007.0001.05070017514010510535

Elementos traza FeZnSiCuFBr

4,22,31,40,10,80,2

Elementos ultramicrotraza

IMn, V, SiAs, B, NiCr, Mo

Co

0,030,020,010,0050,003

Supervivencia

Deficiencia

Rango ptimo

Toxicidad

Letalidad

Respuesta

Elemento esencial (dosis)

Efecto de la dosis de un elemento esencial sobre la respuesta fisiolgica


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ELEMENTOS QUMICOS

LA MATERIA VIVA

BIOELEMENTOS

PIIMARIOS

ENLACES QUMICOS

INORGNICO

SALES MINERALES

OLIGOELEMENTOSSECUNDARIOS

BIOMOLCULAS

AGUA

GLCIDOS

LPIDOS

PROTENAS

ACID.NUCLICOS

ORGNICODINMICA

ENERGTICA

ESTRUCTURAL

Est formada por

Por su abundancia son

Si su proporcin es muy pequea son

Establecen

Formando

de tipo de funcin

son

son


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*Los elementos biolgicos en cantidad esenciales para

cualquier forma de vida son C, N, H y O (los cuatro elementosms abundantes en los sistemas biolgicos) junto con Na, K,

Mg, Ca, P, S y Cl.

*Los elementos fundamentales que forman los bloques de

construccin de las biomolculas (por ejemplo aminocidos,

pptidos, carbohidratos, protenas, lpidos y cidos nucleicos)

son C, N, H y O adems del P que desempea un papel en ATP

y ADN y el S que es la clave en la capacidad de coordinacin

de los residuos de la cistena en las protenas.

*Entre las funciones de los elementos menos abundantes, peroesenciales, estn:

a) Na, K y Cl (Control osmtico y la accin nerviosa)b) Mg2+, Procesos de sntesis de clorofila y enzimas que

involucran la hidrlisis de fosfatos.

c) Ca2+, funciones estructurales (huesos, dientes, conchas) yefectos desencadenantes (msculos)

Los metales traza son: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn y Mo.No metales traza incluyen: B, Si, Se, F2y I2


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metal Masa/mg Funcin biolgica

V 0.11 Enzimas (nitrogenasas, haloperoxidasas)

Cr 14 Metabolismo de la glucosa en mamiferos*

Mn 12 Enzimas (fosfatasas, superxidos dismutasa mitocondrial,glicosil transferasa, actividad fotorredox en el fotosistema

Fe 4200 Sistemas de transferencia electrnica (protenas Fe-S,citocromos); almacenamiento y transporte de O2(hemoglobina, mioglobina, hemeritrina); almacenamiento deFe (ferritina, transferritina); protenas de transporte de Fe(siderforos); en enzimas (nitrogenasas, hidrogenasas,oxidasas, reductasas)

Co 3 Coenzima de la vitamina B12

Ni 15 Enzimas (ureasa, algunas hidrogenasas)

Cu 72 Sistemas de transferencia electrnica (protena azules decobre); almacenamiento y transporte de O2(hemocianina);protenas de transporte de Cu (ceruloplasmina)

Zn 2300 Acta como cido de Lewis, funciones estructurales

Mo 5 Enzimas (nitrogenasas, reductasas, hidroxilasas)

Metales y Biologa: clasificacin de acuerdo a la funcin

EnzimasTransporte y almacenamiento

de protenas Sistemas aproteicos Metales en medicin

Transp.delectrones

AlmacenajeTransporte

A. estructurales

Coordinacinde O2

Foto-redox Transp. demetales

TeraputicasInter. con

cidos nucleicos

Diagnosis

Citocromo (Fe)Hierro-azufre (Fe)Cobre azul (Cu)

Ferritina (Fe)Transferrina (Fe)

Ceruloplasmina (Cu)

Mioglobina (Fe)Hemoglobina (Fe)Hemeritrina (Fe)Hemocianina (Cu)

Clorofila (Mg)Fotosistema II

(Mg, Mn)

Sideroforas (Fe)Metalochaperonas

Apoptosis (Mn, Zn)Diabetes (V)

Alzheimer (Zn, Fe, Al)Anticancer (Pt; Ru)ADN/proteinas (Zn)

Hidrolasas oxidoreductosas Isomerasas y sintetasas

carbopeptidasas (Zn)aminopeptidasas (Mg, Mn, Cu)

fosfatasas (Mg, Zn, Cu, Fe)

oxidasas (Fe, Cu, Mo)Peroxidasas (Fe, Mn, V)

Dehidrogenasas (Fe, Cu, Mo, Ni; Zn)Hidrolasas (Fe, Cu; Mo)

Oxigenasa (Fe)Superxido dismutasa (Cu, Zn, Mn)

Nitrogenasa (Fe, MoHidrogenasa (Fe, Ni)

Vitamina B-12 (Co)


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Principios de Qumica Bioinorgnica

Nociones fundamentales sobre la Qumica de las protenas

Pptidos y aminocidos

Estructura de las protenas

Qumica de coordinacin de los metales de transicin

Naturaleza del metal de transicin

Aspectos estructurales y geomtricos

Coordinacin de protenas a metales de transicin

Modos de coordinacin

Coordinacin directa a aminocidos

Coordinacin va-cofactores

Usos de tcnicas de Qumica bioinorgnica

Espectroscopia UV-vis

Espectroscopia Vibracional (IR o Raman) EXAFS

EPR

Resonancia paramagntica RMN

Mssbauer

*Los aminocidos (aa) son molculas orgnicas pequeas con un grupo

amino (NH2) y un grupo carboxilo (COOH). La gran cantidad de protenas

que se conocen estn formadas nicamente por 20 aa diferentes.

*Desde el punto de vista biolgico, los nicos aminocidos importantes son

los llamados -aminocido de configuracin L, es decir, son aminocidos

en la cul el grupo NH2 est unido al C vecino al grupo carboxilo y adems

desde el punto de vista ptico, son levorotarios.

*Todos los aminocidos tiene la misma formula general:


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Estructura de las protenas

Estructura primaria: secuencia de aminocidos unidos entre sa travs de uniones peptdicas (estructura esqueleto covalente).

Estructura secundaria: est determinada por la conformacin dela cadena polipeptdica. Las conformaciones mscomunes son -helice (puentes de hidrgeno N-H yC=O de las uniones peptdicas).

Estructura Terciaria: se refiere al plegamiento especficode las cadenas polipeptdicas que ya tienen una estructura secundaria,reordenamiento estructural espacial y tridimensional de motivospre-organizados. Las estructuras comunes son globular y fibrilar.

Estructura cuaternaria: organizacin a travs de las subunidades.


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*Los aminocidos se encuentran unidos linealmente por medio deuniones peptdicas. Estas uniones se forman por la reaccin desntesis (va deshidratacin) entre el grupo carboxilo del primer

aminocido con el grupo amino del segundo aminocido.

Qumicamente son macromolculas, polmeros de

aminocidos (ms de 100) dispuestos en una secuencia

lineal, sin ramificaciones. Una secuencia de menos de 100

aminocidos se denomina pptido.

Con la posibilidad de que 20 aminocidos diferentes

puedan ser ordenados en cualquier orden para conformar

polipptidos de cientos de aminocidos, tienen elextraordinario potencial de producir una gran cantidad de

variantes en su conformacin. Esta variedad permite a las

protenas funciones tan refinadas como las de las enzimas

que permiten el metabolismo celular.


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*Enzimas: Protenas altamente especializadas, quecatalizan diversas reacciones qumicas implicadas en losprocesos vitales. Las enzimas se nombran agregando el

sufijo asa al nombre del sustrato, osea el compuesto sobreel cual acta la enzima. Por ejemplo la fosfatasa catalizala hidrlisis de los steres fosfricos.

*Metaloenzimas: enzima que contiene un catin metlicocomo grupo prosttico y cuya participacin es esencialpara el proceso cataltico.

*Cofactores: enzimas cuya actividad depende tanto de susestructura proteca como de un cofactor. Un cofactorpuede ser simplemente un ion metlico como Mg(II), Zn(II)

o Fe(II), que cuando est fuerte y permanece unido a laprotena es un grupo prosttico.

Holoenzimas: una enzima catalticamente activa y completa, consu coenzima o cofactor recibe el nombre de holoenzima.

apoenzima + cofactor = holoenzima

Nucleotidos: son biomolculas importantes, constituyentes de loscidos nucleicos. Un nucleotido est formada por una baseorgnica (purnica o pirimidnica), una pentosa y un grupo fosfato(mono, di o tri- fosfato).

cidos nucleicos: polmeros constitudos por nucletidos, unidos

por puentes fosfatos


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Qumica de coordinacin de los metales de

transicin

Naturaleza del metal de transicin

Aspectos estructurales y geomtricos

Propiedades generales de los cationes metlicosEn principio los iones di y tri-valentes utilizados en los sistemas

biolgicos pueden manejarse como cidos , vale decir que

potencialmente pueden actuar de aceptores electrnicos por va

.

Para los cationes divalentes, la acidez sigue el orden de la serie

de Irving y Williams:

Mg< Mn< Fe< Co < Ni < Cu > Zn

Por otra parte, las variaciones de acidez tambin estn

fuertemente influenciadas por los ligandos en los sistemas

biolgicos. Por ejemplo: Fe(II) se incorpora a la porfirina o el

Co(II) a la corrina, disminuye la acidez , generndose un mayor

poder donor .


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*La aparicin de sta capacidad donora es fundamental para la

realizacin de ciertas funciones, por ejemplo: la interaccin del

hierro porfirnico con la molcula de O2 para su activacin ytransporte

Desde otro punto de vista, podemos clasificar tambin a loscationes utilizando el concepto ms general de cidos y bases

duros y blandos, que resulta muy til para el manejo de las

interacciones metal-ligando.

Clasificacin:

*cidos duros: H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+ , Co3+ y Fe3+

*cidos intermedios: Zn2+, Cu2+, Ni2+, Fe2+, Mn2+ y Co2+

De acuerdo a la regla de Pearson, stos cidos tendern a

coordinarse a bases duras, tales como tomos de oxgeno (H2O),

grupos carboxilato, restos de fosfatos o funciones alcohlicas o de

nitrgeno (grupos imidazol, uniones peptdicas, bases nuclicas).


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Esto significa que los organismos vivos son desde ste punto de

vista sistemas duros, por el contrario elementos txicos y

contaminantes inorgnicos: Tl+, Cd2+, Hg2+o Pb2+ , son sistemas

blandos y muestran tendencia por ligandos blandos (grupos

tiolato, sulfuro y seleniuro)

Ligandos Biolgicos para iones metlicos.

Las biomolculas contienen tomos o grupos de tomosdisponibles para interactuar con centros metlicos.

Las cadenas laterales de protenas, contienen toda una seriede grupos con gran afinidad por los centros metlicos(carboxilatos, grupos OH, N-imidazolnico).

Las bases nucleicas tienen gran capacidad de coordinacin,grupos fosfatos y las pentosas de los nucletidos son ligandosapropiados para muchos centros metlicos.

Sistemas biolgicos constituidos por macrociclostetrapirrlicos (quelantes tetradentados, porfirinas).

Estructura de laFe-protoporfirina IXporfirina


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Espectros de complejos de metales de transicin

El espectro de los complejos de metales de transicin pueden tener varios orgenes:

a) Espectros asociados principalmente con los ligandos:

Frecuentemente se encuentran molculas orgnicas como ligandos de complejos

de metales de transicin y si en particular estas molculas tienen un sistema de

electrones-poseen entonces unos espectros caractersticos localizados en la

regin del ultravioleta. El espectro esta formado, por intensas bandas debidas

a transiciones permitidas *- .

a) Espectros implicando transiciones electrnicas entre el ion central y los ligandos

llamados espectros de transferencia de carga:

A causa de la proximidad entre el tomo central y los ligandos, existe la posibili-

dad de nuevas transiciones que implican la transferencia de un electrn del ligando

al tomo central o viceversa.


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c) Espectros asociados principalmente con el ion central, influen

ciado por la presencia de los ligandos, llamados espectros d-d.

Estas transiciones son prohibidas por la regla de Laporte, por lo

mismo son bandas muy dbiles en intensidad. Las bandas aparecen

en la regin visible del espectro. La geometra de los complejos

tiene un gran efecto sobre el espectro, no slo en el nmero y

posicin de sus bandas sino tambin por las intensidades.


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Funciones biolgicas en las que participan los iones metlicos

Las funciones generales ms importantes asociadas con

metales son las siguientes:

1.- Funciones estructurales

2.- Activacin y transporte de oxgeno

3.- Transporte de electrones

4.- Funciones catalticas en procesos redox

5.- Funciones catalticas en procesos cido-base

A parte de los grupos anteriormente mencionados, se hanencontrado otros sistemas que tambin contienen metales:

a) Sistemas que participan en la captacin, el transporte y laacumulacin de metales. Varios de ellos son muy bienconocidos en el caso del hierro y del cobre.

b) Sistemas que participan en procesos fotoqumicos, como laclorofila, que contiene magnesio.

c) Sistemas que participan en procesos o mecanismos dedetoxificacin, como las metalotionenas.

d) Sistemas catinicos que ejercen funciones de control ,regulacin y transmisin. (cationes alcalinos, alcalinos trreos)y que aparecen involucrados en procesos tales, como elcontrol de presin osmtica, contraccin muscular y latransmisin del impulso nervioso.


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Tcnicas espectroscpicas

EspectroscopiaVibracional: IR y Raman

Espectroscopa Uv-Vis

EspectroscopiaMssbauer

Espectroscopia deresonancia magntica

nuclear RMN

Espectroscopa deresonancia de espn

electrnico: EPR

Difraccin deelectrones: EXAFS


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*Los estudios por difraccin de rayos-X constituyen un

mtodo totalmente seguro de conocer la estructura y lageometra completa de un compuesto qumico.

*Para el caso de biomolculas existen una serie decomplicaciones debidas, por un lado, al gran tamao de lossistemas y adems por el hecho de que un elevado nmerode los tomos presentes son tomos livianos.

*La resolucin de los mtodos difractomtricos

a veces no es suficiente como para extraer con-

clusiones precisas sobre detalle del entorno

metal-protena y adems por su difcil cristalizacin.

Por stas razones, la qumica bioinorgnica ha trabajado conotra metodologa de anlisis estructural.

Mtodos Difractomtricos

*Espectrocopa (extented X-ray analysis fine structure).

*Aporta informacin valiosa y muy precisa sobre las distancias de

enlace metal-ligando, la geometra del centro metlico y del

estado de oxidacin del metal involucrado, con la ventaja

adicional que no se requiere de muestras cristalinas.

*Se trata de un mtodo de anlisis de estructura local, cuyainformacin est asociada a una difraccin de electrones. Para

una metaloprotena, la fuente de electrones y el detector es el

propio tomo metlico a investigar.


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La espectroscopia de absorcin en el ultravioleta y el visible, tambin

llamada espectroscopia electrnica.

Este mtodo se basa en las bandas de absorcin observadas en los

espectros electrnicos que pueden estar asociadas a:

1.-transiciones del tipo d-d entre niveles energticos delocalizados

esencialmente sobre el ion metlico.

2.- bandas de transferencias de carga que involucran tanto a orbitales

del metal como del ligando.

3.- transiciones internas de los ligandos transiciones electrnicas entre

O.M del ligando.


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*La espectroscopia infrarroja se basa en el hecho de quelas molculas tienen frecuencias a las cuales rotan yvibran, es decir, los movimientos de rotacin y vibracinmoleculares tienen niveles de energa discretos (modosnormales vibracionales).

*Para que un modo vibracional en una molcula sea activaal IR, debe estar asociada con cambios en el dipolopermanente.


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Espectro IR experimental

Tcnica espectroscpica usada en qumica y fsica de la

materia condensada para estudiar modos de baja frecuencia

como los vibratorios, rotatorios. Para que una molcula sea

activa en Raman, la vibracin tiene que cambiar la

polarizabilidad de la molcula para que sea activa.

La espectroscopia infrarroja proporciona una informacin

similar, pero complementaria.


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ste mtodo, es una tcnica de esctroscopa nuclear

basada en la absorcin resonante de rayos . Si bien se

aplica a un nmero limitado de elementos es una

herramienta valiosa en el estudio de metalobiomolculas,

especialmente de aquellas conteniendo hierro, yodoy

potasio y entre los de inters bio-mdico o farmacolgico el

oro, estao, platino y rutenio.

Un espectro de absorcin Mssbauer del 57Fe,una divisin Zeeman. Divisin de un picosencillo, en tpicamente seis picos nodegenerados, como resultado de la interaccinentre el ncleo y cualquier campo magnticocircundante.

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