Química Bioinorgánica del Manganeso

Química Bioinorgánica del Manganeso
Santiago Cañellas Román Buenos días a todos. Yo soy Santy y os voy a hablar sobre la Química Bioinorgánica del Manganeso

Química Bioinorgánica. 4º Curso. Grado de Química
Índice Introducción a la Química del Mn Complejos de diferentes estados de oxidación de Mn Introducción a la Química Bioinorgánica del Mn Mn-SOD Mecanismo Mn-Catalasa Mecanismo y estructura Manganeso en la fotosíntesis Complejo liberador de oxígeno del fotosistema II El esquema que voy a seguir en esta exposición consta de los siguientes puntos: … 3

Introducción a la Química del Mn Configuración electrónica [Ar] 3 𝑑 5 4 𝑠 2 Gran variedad de EO [desde (-III) hasta (+VII)] Los EO (+V), (+VI) y (+VII) son incompatibles con el medio biológico debido a su gran carácter oxidante Como ya sabemos, el Manganeso pertenece al grupo 7 de la tabla periódica y su capa de valencia es 3d5 4s2, lo que le permite adoptar una gran variabilidad de estados de oxidación, que formalmente pueden ir desde -3 hasta +7, aunque solamente los estados de oxidación +2, +3 y +4 son compatibles con el medio biológico. Si observamos los potenciales de reducción del Mn(IV) y Mn(III) se observa su carácter oxidante, aunque evidentemente dependiendo del entorno del metal se moderarán estos potenciales haciéndolos más bajos en valor absoluto. En todo caso, podemos ver de manera visual en el diagrama de Frost que el estado de oxidación más estable será el Mn(II). Cabe mencionar que este diagrama está realizado en disolución acuosa a pH 0, con lo que a pH fisiológico se verán distorsionadas las pendientes, pero cualitativamente será similar.

Continuamos Introducción a la Química del Mn Complejos de diferentes estados de oxidación de Mn Introducción a la Química Bioinorgánica del Mn Mn-SOD Mecanismo Mn-Catalasa Mecanismo y estructura Manganeso en la fotosíntesis Complejo liberador de oxígeno del fotosistema II Una vez repasadas sus características similares, vamos a ver los complejos que forman los distintos cationes de Mn 5

Introducción a la Química del Mn Complejos de diferentes estados de oxidación de Mn Los tres iones de mayor frecuencia tienen preferencia por distribuciones octaédricas, y mayoritáriamente de alto espín Mn(II). Ión grande y poco cargado. EECC nula. Adopta geometrías que minimizan repulsiones electrostáticas (Oh y algunos Td) Mn(III). Incremento de carga. IC mayores. Puede presentar IC 5 (Pirámide de base cuadrada) Mn(IV). Gran estabilización del campo del cristal. Estas diferencias confieren al Mn una capacidad para realizar reorganizaciones significativas en la esfera de coordinación, que pueden ser aprovechadas por un sistema biológico para realizar una actividad bioquímica determinada. Generalmente, los tres iones comentados tienen preferencia por geometrías octaédricas y mayoritariamente de alto espín. Por ejemplo, en el Mn(II) observamos que es un ión grande y poco cargado, y además tiene una EECC nula, con lo que adoptará aquellas geometrías que minimicen las repulsiones electrostáticas, como es el caso de la geometría octaédrica, y algunos de geometría Td. En el caso del Mn(III) tenemos un incremento de carga, con lo que tendrá tendencia a formar complejos con mayores índices de coordinación. Si observamos la configuración electrónica para un complejo octaédrico observamos que presenta efecto Jahn-Teller, y además, presentará geometrías con índice de coordinación 5, donde la EECC es considerable quedando el orbital más desestabilizado vacío. Finalmente, el ión Mn(IV) presenta una gran EECC, con lo cual tendrá preferencia para formar complejos octaédricos. Estas diferencias confieren al catión Mn …blabla… En esta tabla se resumen las características comentadas: Efecto Jahn-Teller

Continuamos Introducción a la Química del Mn Complejos de diferentes estados de oxidación de Mn Introducción a la Química Bioinorgánica del Mn Mn-SOD Mecanismo Mn-Catalasa Mecanismo y estructura Manganeso en la fotosíntesis Complejo liberador de oxígeno del fotosistema II Bien, una vez visto las características del Mn y su química de coordinación, vamos a introducirnos en los sistemas biológicos. 7

Su importancia en procesos Bioquímicos deriva de: Presencia en metaloenzimas o metaloproteínas Activador de otras enzimas mediante un enlace con el sustrato Gran variabilidad de estados de oxidación Química Bioinorgánica. 4º Curso. Grado de Química Introducción a la Química Bioinorgánica del Mn Esta metaloproteína tiene la capacidad de enlazar pequeñas moléculas glucídicas mediante este mecanismo. Se ha demostrado mediante difracción de rayos X de alta resolución que la velocidad de reacción con la proteína desmetalada es despreciable frente a la velocidad de la proteína metalada Funciones Estructurales Catalíticas Hidrólisis Redox Su importancia en los procesos bioquímicos deriva de: … Entonces, sus funciones en estas metaloenzimas pueden ser meramente estructurales o bien participar en procesos catalíticos, tanto hidrolíticos como redox, siendo ésta la función más importante de las metaloenzimas de manganeso como ya hemos comentado debido a su variabilidad de estados de oxidación. A modo de ejemplo, aquí se muestra la primera metaloenzima de manganeso encontrada, la Concanavalina A, cuya función principal es la de enlazar pequeñas moléculas glucídicas, y además se demostró mediante la técnica de rayos X que la velocidad de reacción de la proteína desmetalada era despreciable frente a la proteína metalada, lo cual pone de manifiesto la importancia de la presencia de este catión para su función.

Continuamos Introducción a la Química del Mn Complejos de diferentes estados de oxidación de Mn Introducción a la Química Bioinorgánica del Mn Mn-SOD Mecanismo Mn-Catalasa Mecanismo y estructura Manganeso en la fotosíntesis Complejo liberador de oxígeno del fotosistema II A continuación se van a explicar las tres metaloenzimas de manganeso más importantes en los sistemas biológicos que son la Mn-SOD, la Mn-Catalasa y el complejo liberador de oxígeno del fotosistema II en la fotosíntesis. 9

Mn-SOD Las enzimas SOD catalizan la dismutación del tóxico anión radical superóxido Están presentes en las mitocondrias eucariotas desde Saccharomyces a humanos. Un 5% de los electrones de la cadena respiratoria reducen el dioxígeno al anión radical superóxido SOD Catalasa Vamos con las superóxidodismutasas de manganeso, y para ello vamos a recordar qué es la SOD. La SOD cataliza la dismutación del tóxico anión radical superóxido mediante la primera reacción generando dioxígeno y peróxido de hidrógeno, seguidamente, este peróxido de hidrógeno es dismutado por la catalasa. Estas SOD están presentes en mitocondrias eucariotas desde Saccharomyces hasta humanos. Además, cabe destacar que un 5% de los electrones de la cadena respiratoria reducen el dioxígeno al anión radical superóxido, que es tóxico, con lo cual se generan continuamente este tipo de especies que es importante controlar.

Continuamos Introducción a la Química del Mn Complejos de diferentes estados de oxidación de Mn Introducción a la Química Bioinorgánica del Mn Mn-SOD Mecanismo Mn-Catalasa Mecanismo y estructura Manganeso en la fotosíntesis Complejo liberador de oxígeno del fotosistema II Vamos ahora con el mecanismo de acción de la Mn-SOD 11

Mn-SOD Mecanismo (1) Una enzima que catalice este proceso debe tener el potencial entre -330 y mV (2) (4) 2 𝐻 + Para empezar, hemos comentado anteriormente que el potencial de reducción del Mn(III) es muy elevado, con lo que no nos serviría para establecer un ciclo de oxidación/reducción, ya que se quedaría en la forma reducida. En este caso, una SOD debe tener un potencial entre -330 y +890 mV. En el caso de la Mn-SOD, debido al entorno de coordinación que presenta, su potencial de reducción se ve reducido considerablemente hasta +310 mV, permitiéndole llevar a cabo su función. Por lo que respecta al mecanismo, se ha propuesto el siguiente ciclo catalítico: En un primer paso se produce una asociación de una base de Lewis, en este caso, el anión superóxido. Seguidamente se da una eliminación reductiva, es decir, el anión radical transfiere un electrón al Mn(III) liberándose dioxígeno. En el paso 3 se vuelve a asociar una base de Lewis, que es otro anión superóxido Y finalmente se producen simultáneamente una adición oxidativa, es decir, el Mn(II) le transfiere un electrón al radical formándose formalmente un dianión, que por protonación libera la molécula de peróxido de hidrógeno. También cabe comentar que en el caso de este complejo puede haber dos isómeros dependiendo del tipo de coordinación que presente, una coordinación de tipo Pauling-Weiss (isómero productivo) o de tipo Griffith (isómero no productivo), que implica un estado de oxidación del Mn no apto para la adición oxidativa. (3) Asociación de una base de Lewis Eliminación reductiva Protonación del ligando + adición oxidativa + inserción del 𝐻 + + disociación de una base de Lewis Isómero productivo Isómero no productivo

Continuamos Introducción a la Química del Mn Complejos de diferentes estados de oxidación de Mn Introducción a la Química Bioinorgánica del Mn Mn-SOD Mecanismo Mn-Catalasa Mecanismo y estructura Manganeso en la fotosíntesis Complejo liberador de oxígeno del fotosistema II Bien, ahora vamos a ver la enzima de Mn-Catalasa, recordemos que la catalasa es una familia de enzimas que actuarían junto con las SOD para eliminar las especies reactivas de oxígeno. 13

Mn-Catalasa Las enzimas catalasa son aquellas que catalizan el proceso de dismutación del peróxido de hidrógeno Normalmente las enzimas catalasa utilizan hierro ‘hemo’ como grupo prostético, sin embargo hay un gran número de bacterias que utilizan las Mn-Catalasa Como hemos comentado anteriormente, las enzimas catalasa son aquellas que catalizan el proceso de dismutación del peróxido de hidrógeno mediante esta reacción. Las más conocidas utilizan el hierro ‘hemo’ como grupo prostético, no obstante hay un gran número de bacterias que presentan este tipo de metaloenzimas de manganeso.

Continuamos Introducción a la Química del Mn Complejos de diferentes estados de oxidación de Mn Introducción a la Química Bioinorgánica del Mn Mn-SOD Mecanismo Mn-Catalasa Mecanismo y estructura Manganeso en la fotosíntesis Complejo liberador de oxígeno del fotosistema II Vamos a comentar el mecanismo de acción y su la estructura de esta enzima 15

Mn-Catalasa Mecanismo y estructura Disociación y asociación de una base de Lewis. (Migración del protón) Eliminación reductora (con migración de protón) + asociación de una base de Lewis. Se produce un intercambio de bases de Lewis y el resto glutamato capta un protón. El resto glutámico vuelve a protonar el O y se elmina el agua oxidando el centro bimetálico Estructura (1) (2) (4) Como hemos comentado, las enzimas más importantes eran aquellas que presentaban el grupo ‘hemo’ como grupo prostético, pero ya a principios de los años 60 se encontraron algunas que no eran inhibidas por cianuro o el anión azida, que era conocido que las del grupo hemo eran inhibidas por estos aniones. En el año 1983 se lograron aislar, cristalizar y resolver por difracción de rayos X obteniendo las estructuras que se muestran aquí, tanto en su forma oxidada como en su forma reducida. Por lo que respecta al mecanismo, volvemos a tener un ciclo catalítico propuesto y vamos a explicar paso a paso: Se produce la disociación de una base de Lewis, en este caso, el agua lábil coordinada para dejar lugar al peróxido de hidrógeno. También se produce una migración de un protón del peróxido de hidrógeno al oxígeno puente. Seguidamente se produce una eliminación rectora de dos electrones, reduciendo los dos Mn(III) a Mn(II), un electrón captado cada centro metálico. También observar que el protón que le quedaba al peróxido de hidrógeno se ha transmitido al hidroxilo puente. Ahora, el agua puente se intercambia por otra molécula de peróxido de hidrógeno, y el glutamato asistente capta un protón. Finalmente el ácido glutámico asistente vuelve a ceder el protón liberando agua y oxidando el centro bimetálico a su estado inicial, un electrón cada centro, dos electrones en total, que son los que se lleva el agua. A principios de los años 60 se encontraron catalasas que no se inhibían en presencia de 𝐶𝑁 − o 𝑁 3 − , lo que descartaba que estuviesen formadas por Fe (ya que eran las que se conocían, y se podían inhibir de esta forma). En 1983 se lograron aislar, cristalizar y resolver por difracción de rayos X (3)

Continuamos Introducción a la Química del Mn Complejos de diferentes estados de oxidación de Mn Introducción a la Química Bioinorgánica del Mn Mn-SOD Mecanismo Mn-Catalasa Mecanismo y estructura Manganeso en la fotosíntesis Complejo liberador de oxígeno del fotosistema II Y finalmente vamos a ver uno de los complejos más importantes de manganeso, que es el que forma el complejo liberador de oxígeno del fotosistema II en la fotosíntesis, y para ello vamos a recordar brevemente la fotosíntesis. 17

En los cloroplastos tiene lugar la reacción redox En la reacción luminosa, la radiación absorbida se almacena de forma química mediante la formación de especies ricas en energía En la reacción oscura se utilizan para reducir al CO2 mediante el proceso de Calvin Manganeso en la fotosíntesis Lo que pone en la diapositiva… El proceso se inicia en el fotosistema II donde una clorofila (P680) capta un fotón pasando a un estado excitado y oxidando el agua a dioxígeno más protones. A partir de aquí hay una serie de transferencias electrónicas en las cuales no nos centraremos ya que donde se situa y actúa el complejo liberador de oxígeno es en este fotosistema, en el que se libera el oxígeno en lo que hemos denominado como fase luminosa.

Continuamos Introducción a la Química del Mn Complejos de diferentes estados de oxidación de Mn Introducción a la Química Bioinorgánica del Mn Mn-SOD Mecanismo Mn-Catalasa Mecanismo y estructura Manganeso en la fotosíntesis Complejo liberador de oxígeno del fotosistema II Vamos a ver cómo es este complejo liberador de oxígeno: 19

Manganeso en la fotosíntesis Complejo liberador de oxígeno del fotosistema II (Sn : Diferentes ‘estados redox’) Algunos de estos estados redox son muy reactivos y difíciles de aislar. Según los estudios realizados con EXAFS y EPR, se ha determinado que la estructura que mejor se adapta al mecanismo es la de ‘dímero de dímeros’ La estructura del complejo liberador de oxígeno ha sido resuelta por difracción de rayos X, aunque la baja resolución no nos permite resolverla con claridad. No obstante, por los resultados obtenidos por rayos X, EXAFS y EPR se han determinado que estos complejos son tetrametálicos y se han propuesto distintas disposiciones de los centros metálicos. Lo que sí resulta importante son estos oxo-puentes que serán los que actuarán en el mecanismo que luego explicaré, y éstos se repiten en todos los modelos planteados. El proceso que estamos estudiando se puede resumir en el siguiente esquema. Recordemos que es un centro tetrametálico, y que cada Mn puede presentar distintos estados de oxidación, con lo cual, se puede resumir que el centro tetrametálico tiene un estado de oxidación global representado por Sn, y por cada fotón que capta, se libera un electrón y un protón pasando a un estado de oxidación mayor, de S0 a S1, de S1 a S2 y así sucesivamente. En el último paso, como veremos en el mecanismo, se oxida la molécula de agua a dioxígeno recuperando el centro metálico en su estado de oxidación global inicial. Según los estudios realizados, la estructura que mejor se adapta al mecanismo es la de ‘dímero de dímeros’, que será en la que me basaré para explicar el mecanismo, aunque en las otras estructuras el mecanismo sería análogo. Bien, entendido esto, vamos a explicar el mecanismo propuesto: El complejo tetrametálico está formado por dos Mn(IV), un Mn(III) y un Mn(II), formando el estado de oxidación global S0. Al incidir el primer fotón, se oxida el Mn(II) a Mn(III) liberando un electrón. El segundo fotón hace lo propio con el centro metálico de Mn(III) El tercer fotón libera un electrón del oxo-puente, dejándonos un radical Luego, el oxígeno puente vecino se oxida formando otro radical, que se une con el radical vecino formando una especie reactiva que nos recuerda a la molécula de dioxígeno. Finalmente se produce una eliminación reductora liberando el dioxígeno y reduciendo el Mn(IV) y Mn(III) a Mn(III) y Mn(II) respectivamente, dejando libre la posición de coordinación para la entrada de dos moléculas de agua. En este diagrama no se representan todos los protones y la liberación de los mismos, pero en global sí que cuadran el número de protones de entrada y de salida. Ha sido estudiada por difracción de rayos X (aunque la baja resolución no nos permite resolverla con claridad), y mediante técnicas espetroscópicas como EXAFS (Extended X-ray absorption fine estructure) y EPR (Electronic paramagnetic resonance)

Resumen El Mn tiene una gran variabilidad de EO e IC Desempeña funciones tanto estructurales como catalíticas en metaloenzimas Mn-SOD Mn-Catalasa CLO (fotosíntesis) … No se conocen con gran detalle algunas estructuras y mecanismos A modo de resumen, cabe recordar los siguientes puntos: El manganeso tiene una gran variabilidad de estados de oxidación, aunque sólo tres de ellos son compatibles con sistemas biológicos, pero aun así tres estados de oxidación son muchos, y además, la estabilidad relativa de ellos le permite adoptar distintos índices de coordinación. Por todo ello, desempeña funciones tanto estructurales como catalíticas en diferentes enzimas, y las más importantes son las superóxido dismutasas, las catalasas y los complejos liberadores de oxígeno en las fotosíntesis, aunque hay otras de menor extensión como la Concanavalina A u otras. Finalmente, remarcar que no se conocen con gran detalle algunas estructuras y mecanismos, con lo cual todavía hay un amplio recorrido en este campo para investigar.

Bibliografía y referencias web
Química Bioinorgánica. 4º Curso. Grado de Química Bibliografía y referencias web CASAS FERNÁNDEZ, J.S., MORENO MARTÍNEZ, V., SÁNCHEZ GONZÁLEZ, A., SÁNCHEZ LÓPEZ, J.L. y SORDO RODRÍGUEZ, J. (2002). Química bioinorgánica. Ed. Síntesis. Madrid, ISBN: pp COWAN, J.A. (1996). Inorganic biochemistry. Ed. Wiley-VCH. Ohio, ISBN: SIERRA ALONSO, I., MORANTE ZARCERO, S., PÉREZ QUINTANILLA, D. (2007). Experimentación en Química Analítica. Ed. Dykinson S.L. Madrid, ISBN: pp LUBERT STRYER. (1995). Bioquímica. Ed. Reverté S.A. Barcelona. ISBN: pp Página web de la Universidad de Córdoba, apartado de la asignatura de Química Inorgánica Avanzada ( Página web de la Universidad de Granada, apartado de la asignatura de Microbiología ( Base de datos de proteínas Bioinformatics: Base de datos de proteínas PDB: XVII Congreso argentino de fisicoquímica y química inorgánica. Artículo presentado por Sandra Signorella

Muchas gracias por su atención
Química Bioinorgánica. 4º Curso. Grado de Química Muchas gracias por su atención ¿Preguntas? Santiago Cañellas Román

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