The nitrogen cycle, including the metal cofactors in each enzymatically catalyzed step Morel & Price (2003) Science 300, 944

Primary metal requirements for C, N, and P acquisition and assimilation by marine phytoplankton Morel & Price (2003) Science 300, 944

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Oligoelementos Hierro Proteínas hemínicas Grupo hemo (Fe-protoporfirina IX) Mioglobina y hemoglobina Citocromos (a, b, c, d, f, P-450, etc) Oxigenasas, peroxidasas y óxido-reductasas Grupo sirohemo Sulfito y nitrito reductasas

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Pulmones Tejidos CO2 CO2 CO2 CO2 H2O H2O H+ H+ HCO3- HCO3- Cl- Cl-

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Pulmones Tejidos O2 O2 HbH+-CO2 HbH+-CO2 O2 O2 CO2 CO2 Hb-O2 Hb-O2 CO2

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Oligoelementos Hierro Proteínas no hemínicas Agrupaciones Fe-S Ferredoxina y Rubredoxina Ferritina y Transferrina Oxigenasas, Hidrogenasa y Nitrogenasa Agrupaciones híbridas (Fe-S-O) Función no asignada (ciclo N?, protección frente al estrés oxidativo?)

[ 2Fe – 2S ] [ 3Fe – 3S ] [ 4Fe – 4S ] S Fe Fe S S Fe Fe Fe S S S Fe S Los Elementos y Moléculas de la Vida Losada, Vargas, Florencio y De la Rosa Editorial Rueda, Madrid (1998-99)

Iron Sulfur Centers 2Fe.2S iron sulfur center from Rieske protein of the bc1-complex Two 4Fe.4S iron sulfur centers ferredoxin

Iron Sulfur Centers Rees & Howard (2003) Science 300, 929-931

Hybrid Cluster Proteins (HCPs) The hybrid cluster contains both -S and -O bridges between pairs of iron atoms Aragao et al. (2003) J Biol Inorg Chem 8, 540

Biological Iron Transport Agents All multi-cellular and essentially all single-celled organisms require iron for growth, even though the biological availability of iron is extremely limited by the insolubility of iron hydroxide. To overcome this difficulty, microbes synthesize low-molecular weight chelating agents called siderophores which bind and solubilize iron. These ferric siderophore complexes are then transported into the bacteria by specific receptor proteins. In mammals, dietary iron is absorbed and bound to the iron transport protein transferrin. In cells, iron is stored by the protein ferritin. http://www.cchem.berkeley.edu/~knrgrp/iron.html

Siderophores Competition for iron between a host and bacteria is one of the most important factors determining the course of a bacterial infection. Different organisms utilize structurally varied siderophores to also competitively bind iron and gain selective growth advantages. http://www.nd.edu/~mmiller1/page2.html

Ferritin: Iron Storage Mammalian ferritins are 24-mers assembled from two types of polypeptide chain which provide the molecule with different functions. H(eavy) chains catalyse the first step in iron storage, the oxidation of iron(II). L(ight) chains promote the nucleation of the mineral ferrihydrite enabling storage of iron(III) inside the protein shell.

Iron Transport Protein Transferrin Iron Transport Protein Database of Macromolecular Movements

Oligoelementos Cobre Tipo 1. Disposición tetraédrica Proteínas azules de cobre: plastocianina, azurina, amicianina, etc. Tipo 2. Complejo plano-cuadrado Nitrito reductasa Superóxido dismutasa Amino oxidasa Galactosa oxidasa

Oligoelementos Cobre Tipo 3. Centro dinuclear: dos pirámides trigonales opuestas Hemocianina (transporte de oxígeno) Tirosinasa (hidroxilación de fenoles)

Oligoelementos Cobre Tipo 4. Centro trinuclear (mixto tipos 2 y 3) Ascorbato oxidasa Ceruloplasmina (transporte de Cu) Lacasa (oxidación de fenoles)

Ceruloplasmin (PDB: 1kcw) There are six copper atoms: three are monocluclear (Type I); the three others form a trinuclear cluster (see above).

Cu trafficking in S. cerevisiae Finney & O’Halloran (2003) Science 300, 931

Oligoelementos Tipo 5. CuA (dinuclear) y CuB (mononuclear) Citocromo c oxidasa (complejo IV) CuB CuA

Cytochrome c oxidase – Complex IV Subunit III (in blue) with an embedded phospholipid. Subunit IV (green, unique to this enzyme) Subunit I (yellow) - Subunit II (purple) Antibody fragment (cyan) used to drive crystallization. Cytochrome Oxidase Home Page http://www-bioc.rice.edu/~graham/CcO.html

Complex IV The copper A center in subunit II Iwata et al. (1995) Nature 376, 660-669

Complex IV: The cytochrome a3-CuB binuclear center Iwata et al. (1995) Nature 376, 660-669

Oligoelementos Molibdeno Cofactor de molibdeno (MoCo) Xantina oxidasa Xantina deshidrogenasa Nitrato reductasa (fotosintética) Sulfito reductasa (animales y bacterias) Aldehído oxidasa (mamíferos) CO2 reductasa (bacterias) Cofactor de hierro y molibdeno (MoFeCo) Nitrogenasa (bacterias)

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Nitrogenase

Oligoelementos Manganeso Cobalto Complejo fotooxidante del agua (OEC) Lectinas (proteínas que unen polisacáridos) Piruvato carboxilasa Superóxido dismutasa Cobalto Cianocobalamina (o vitamina B12) Enzimas que participan en reacciones de transferencia de hidrógeno y grupos metilo

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Mn PSII from cyanobacteria Cyt c-549

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..\..\PcMolecule Lite\Mols\Vitamin B12.mcm

Oligoelementos Cinc Regulador de la actividad de enzimas Estabilizador de proteínas y polinucleótidos En enzimas: Anhidrasa carbónica Aldolasa Fosfatasa alcalina Deshidrogenasas Polimerasas de DNA y RNA Peptidasas y proteinasas \biomodel\model1\INICIO.HTM

Structure of Zn(II) b-lactamase (3bc2) The Zn(II) is tetrahedrally coordinated by His86, His88, His149 and a water/hydroxide molecule Dal Peraro et al. (2002) JBIC 7, 704-712

Oligoelementos Níquel Vanadio Ureasa CO deshidrogenasa Hemovanadina (en la sangre de los tunicados) Regulador de ATPasas y fosfatasas En enzimas: Bromoperoxidasa (algas pardas y rojas) Nitrogenasa (sustituye al molibdeno)

Oligoelementos Wolframio Cromo Aldehído óxido-reductasas (termófilos) En el factor de tolerancia a la glucosa (potencia la acción de la insulina)

O CH C H ( OH 3 2 riboflavina ( vitamina B ) 2

Los Elementos y Moléculas de la Vida ..\..\PCM2L\Mols\FAD.mcm Los Elementos y Moléculas de la Vida Losada, Vargas, Florencio y De la Rosa Editorial Rueda, Madrid (1998-99) ..\PcMolecule Lite\Mols\FAD.mcm

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Oligoelementos No metales y semimetales Selenio Silicio Boro Como seleno-cisteína en: Glutatión peroxidasa Reductasas y deshidrogenasas Silicio Esqueleto de SiO2 de las diatomeas Boro Estabiliza las estructuras de los heterocistos (células fijadoras de N2 en cianobacterias filamentosas)

Cyanobacteria Synechocystis sp. PCC 6803 Anabaena sp. PCC 7119 Pseudanabaena sp. PCC 6903

Metales en biología Transporte de dioxígeno (hemoglobina y mioglobina)    Metaloproteínas no enzimáticas Transporte de dioxígeno (hemoglobina y mioglobina) Transferencia de electrones (citocromos) Función estructural de los iones metálicos (proteínas con Zn que regulan la expresión génica) Metaloenzimas Enzimas hidrolíticos (anhidrasa carbónica) Enzimas redox de dos electrones (deshidrogenasas) Enzimas redox multielectrónicos (nitrito reductasa) Reorganizaciones (aconitasa, en el ciclo de Krebs)

Metales en biología Magnetita para la navegación magnética en animales    Comunicación Magnetita para la navegación magnética en animales Na+, K+ y Ca2+ en la transducción de señales celulares Interacción con los ácidos nucleicos Na+ y Mg2+ en la estabilización de las estructuras de DNA y RNA Transporte y almacenamiento Transferrina (transporte) y ferritina (almacenamiento) en animales Ceruloplasmina para el transporte de Cu Metalotioneína para eliminación de tóxicos como Cd o Pb Sideróforos para la entrada de Fe en bacterias

Metales en Medicina Mercurio Tratamiento de la sífilis Hierro Tratamiento de la anemia Magnesio Tratamiento de desórdenes intestinales Oro Contra la artritis reumatoide Titanio Implantes (dentales, p.e.) Tecnecio-99 Marcador radioisotópico Cisplatino Quimioterapia: Anticancerígeno Ac-225 y Bi-213 Radioterapia: Generadores de partículas alfa como terapia contra el cáncer

Metal ions in Medicine Thompson & Orvig (2003) Science 300, 936

Metal ions in Medicine A 3D high-resolution magnetic resonance angiogram of a human foot, showing blood vessels containing a Gadolinium-based contrast agent. Science, 9 May 2003

False teeth (iron-made dental implant) of the Roman world Crubzy et al. (1998) Nature 391, 29

Cl H3N Pt Cl NH3 Cisplatino, un anticancerígeno

SANGRE CITOPLASMA Aductos Cisplatino-DNA DNA (célula tumoral) Cl H3N Pt NH3 SANGRE Cl H3N Pt NH3 CITOPLASMA Cl H2O H3N Pt NH3 H2O H3N Pt NH3 HO- H2O H3N Pt NH3 DNA (célula tumoral) Aductos Cisplatino-DNA

Doble hélice de DNA ..\..\Estructuras\CisPlatinoDNA.msv

Efecto del exceso de metales no biológicos en el hombre y animales