Introducción a la Química Bioinorgánica: introQ.B.

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. introQ.B.

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La tabla

Los elementos Los sistemas biológicos concentran ciertos elementos y descartan otros, y estos procesos pueden requerir energía. Existe una selección natural de los elementos. Cuatro elementos (H, O, C, N) son esa base, >99% del número de átomos Otros 7 elementos (Na, K, Ca, Mg, P, S y Cl) son absolutamente esenciales, 0,9% del número de átomos Otros elementos (Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) son necesarios en algunas especies.

Presencia de algunos elementos en el cuerpo humano

La química de la vida es la química de los elementos livianos con Z<36. Están representados casi todos los grupos Elementi “bio”

La tabla

Abundancia y disponibilidad Los elementos biológicos son aquellos más abundantes Deben ser solubles en agua, de hecho hay semejanza entre la composición del agua de mar y de los animales y plantas (los elementos del grupo 3 y 4 son muy poco solubles!) En general la Naturaleza usa criterios económicos, escogiendo los elementos más disponibles para la función para la que son necesarios. Debe considerarse que las variaciones de temperatura y de la atmósfera han cambiado en milenios la disponibilidad de los elementos. (Ej. falta de hierro disponible)

Abundancia y disponibilidad de los elementos Abundancia de los elementos en el universo en función del Z

En el océano y en el hombre Relación entre la concentración de los elementos en el océano y en el hombre: hay un paralelismo pero también una dificultad para mantener el balance en el hombre Concentración de los elementos en el mar

pH y potencial rédox En el agua a pH 7 el potencial rédox tiene por extremos la cupla H+/H2 y O2/OH-, es decir el intervalo entre –0,4 y +0,8 V. Esto limita los estados de oxidación de los metales: Fe(II) y Fe(III), Cu(I) y Cu(II). Los metales alcalinos son +1, los alcalino térreos +2, Zn y Cd solo +2. (Cl solo como Cl-). En los no metales la reacciones rédox permitidas son C (-4/+4), O (0/-2)

Forma de los elementos La atmósfera ha cambiado en la evolución de la tierra de reductora (mucho azufre) a oxidante (mucho oxígeno). Esto ha influido en la solubilidad (y disponibilidad) de algunos elementos Elemento Medio reductor Medio oxidante Hierro Fe(II) (alta) Fe(III) (baja) Cobre Como sulfuro (baja) Cu(II) (moderada) Azufre HS- (alta) SO42- (alta) Molibdeno [MoO6S4]2-, MoS2 (baja) MoO42- (moderada) Vanadio Sulfuros de V3+, V(IV) (moderada) VO43- (moderada)

Proceso evolutivo Elemento tóxico Elemento tolerable Elemento útil Elemento esencial

Los grupos Los elementos del grupo 1 y 2 se asocian a una química de equilibrio iónico Los de transición se asocian a la química de iones en solución, a reacciones rédox de un solo electrón, mostrando un aumento de química covalente y de fuerza como ácidos de Lewis. Los no metales dominan la covalencia y los equilibrios relacionados: formación de polímeros, reacciones rédox con intercambio de 2 electrones y reacciones ácido base. Los del grupo 17 son simples aniones (ej. Cl)

La química de la vida es la química de los elementos livianos con Z<36. Están representados casi todos los grupos Elementi “bio”

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 (caparazones o cubiertas duras) Control de la conformación de la cadena proteica

Interacción de metales con macromoléculas

El Zn puede unirse a los aminoácidos de proteinas para ayudar a estabilizar sus Estructuras y mantener las correspondientes funciones.

Activación y transporte de oxígeno

Grupo hemo

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))

Estructura de la unidad monomérica de superóxido dismutasa 2 humana.La enzima superóxido dismutasa (SOD) cataliza la dismutación de superóxido en oxígeno y peróxido de hidrógeno. Debido a esto es una importante defensa antioxidante en la mayoría de las células expuestas al oxígeno . Una de las excepciones se da en Lactobacillus plantarum y en lactobacilli relacionados que poseen un mecanismo diferente.

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

catalizan la conversión rápida de dióxido de carbono y agua a bicarbonato y protones, una reacción que ocurre más lenta en ausencia del catalizador.

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 transmisión

Un sideróforo (del griego: «transportador de hierro») es un compuesto quelante de hierro secretado por microorganismos. El ion hierro Fe3+ tiene muy poca solubilidad a pH neutro y por ende no puede ser utilizado por los organismos. Los sideróforos disuelven estos iones a complejos de Fe3+, que pueden ser asimilados por mecanismos de transporte activo . Muchos sideróforos son péptidos no ribosomales.

La ferritina es la principal proteína almacenadora de hierro en los vertebrados. Se encuentra principalmente en el hígado, bazo, mucosa intestinal y médula ósea. Está constituida por una capa externa de proteína soluble, la apoferritina, y un interior compuesto por hidroxifosfato férrico

Polipéptido ligero de ferritina

Ceruloplasmina, o como es conocida oficialmente: ferroxidasa. Es la proteína transportadora de la mayor cantidad de cobre en la sangre. Fue descrita por primera vez en 1948.1

Ceruloplasmina

¿Que tipos de moléculas pueden funcionar como ligandos biológicos? Aminoácidos, péptidos, proteínas Macrociclos Bases nucleicas y ácidos nucleicos Otros: lípidos, carbohidratos, vitaminas, hormonas, metabolitos

Interacción de metales con macromoléculas Fosfolipasa A2

La fosfolipasa es una enzima que hidroliza los enlaces éster presentes en los fosfolípidos. Hay cuatro clases de fosfolipasas, llamadas A, B, C y D.

Interacción de metales con macromoléculas Centro hemo de mioglobina

Interacción de metales con macromoléculas Clorofila a

Interacción de metales con macromoléculas Vitamina B12

Hemocianina

Coordinación por aminoácidos NH2CHRCOOH Selenocisteina

¿Como coordinan los péptidos y proteínas a los metales? -amino terminal, carboxilato terminal carboxamidas de enlace peptídico -C(=O)-NH- R = otros grupos funcionales Met -CH2CH2SCH3 Cys -CH2SH Tyr -CH2--OH Asp -CH2COOH Glu -CH2CH2COOH Generalmente son ligandos polidentados

Centros metálicos con ligandos proteicos His: Zn(II), Cu(II), Cu(I), Fe(II) Met: Fe(II), Fe(III), Cu(I), Cu(II) Cys: Zn(II), Cu(II), Cu(I), Fe(III), Fe(II) Tyr: Fe(III) Glu y Asp: Fe(III), Mn(III), Fe(II), Zn(II), Mg(II), Ca(II) Centros metálicos insaturados cuando están coordinados a cadenas de aminoácidos Geometrías no regulares (estado entático)

Efecto macrocíclico Log K = 5,2 G= -30 kJ/mol a 300ºK Así como un ligante quelato n-dentado produce un complejo más estable que n ligantes unidentados de tipo similar, el cual es un fenómeno llamado ef. Quelato, un ligante macrocíclico n dentado produce complejos aún más estables que el ligante n dentado de cadena abierto más similar. Siempre se obtiene una constante de estabilidad mayor, con el macrociclo como ligando. Como en el caso del ef. Quelato se debe a una combinación de efectos entálpicos y entrópicos de importancia relativa variable según los casos. Cuando se hace la comparación hay que tener cuidado que en el caso del macrociclo no haya mayores tensiones de enlace que en el otro caso. Por ej en el caso del 2,3,2-tet vs 13-aneN4 el anillo de tres C permite un mejor acomodamiento respecto a las posiciones octaédricas que resulta en menores tensiones al cerrar el ciclo. La comparación es menos válida por ej. para el 2,2,2-tet vs 12-ane-N4, donde la contribución entálpica casi se anula por efecto de las tensiones de enlace. La interpretación de las constantes de estabilidad para los ligandos encapsulados es de aplicación, por ej. para algunos antibióticos y moléculas biológicas que intervienen por ej. en el transporte de Na+ y K+ (éteres corona) introQ.B.

Estado entático Estado apropiado para la catálisis, intrínseco al sitio activo

Estado entático

Por qué la fama del Fe? Se encuentra desde bacterias hasta en el hombre Participa en variedad de sistemas y funciones biológicas Se encuentra complejeado con diferentes ligandos: Fe porfirínico Fe no porfirínico

Ligando porfirina Porfina Metaloporfirina Fe-protoporfirina IX (hemo)

Características de las porfirinas Anillo planar estable Desprotonado es apto para complejear metales, aún relativamente lábiles Hueco selectivo (ri = 0,60-0,70Å) Uniones pi conjugadas esenciales para la reactividad Provocan configuración de bajo spin Fe y no otro metal: causas cinéticas

Propiedades de complejos Fe(II)-porfirina Fácilmente oxidable Energía de estados de HS y LS 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 hemo: reguladores celulares del Fe libre

Funciones de los grupos hemo en proteínas Almacenamiento y Transporte de O2 Transferencia de electrones Oxidasas y peroxidasas

El transporte de oxígeno La solubilidad del O2 en la sangre es mayor que en H2O pura En H2O la solubilidad es de 6,59 cm3 en 1 dm3 a 293 K y 1 atm  3 x 10-4 M En la sangre, en las mismas condiciones de T y P, la solubilidad es de 200 cm3  9 x 10-3 M

La globina Contiene un hemo b En la forma reducida, Fe(II), forma un complejo estable con O2 El Fe(II) pasa de alto a bajo espin Se distinguen las formas: Oxi Deoxi Met

El transporte de oxígeno O2 es un oxidante y tiene un potencial tal de poder oxidar Fe(II) a Fe(III) O2 + Fe2+  O2¯ + Fe3+ O=O Fe(II) acompleja O2 Fe(III) no acompleja O2

Hemoglobina Es un tetrámero constituido de copias de subunidades, denominadas  y , con otra homología de secuencia (95%) La forma tetramérica es necesaria para modular la afinidad del O2 y permitir el transporte desde los pulmones a los tejidos

Almacenamiento y transporte de O2: Mb y Hb O2 + 4H+ + 4e-  2 H2O

La mioglobina es una hemoproteina muscular Estructural y funcionalmente parecida a la Hemoglobina. Las mayores concentraciones de mioglobina se encuentran en el músculo esquelético y en El cardiaco ya que se requieren grandes Cantidades de oxígeno para satisfacer la Demanda energética de las contracciones.

Propiedades de unión con O2 Mb + O2  MbO2 Hb + 4O2  Hb(O2)4 La solubilidad de un gas en un líquido depende de la presión parcial del gas sobre la solución En los pulmones la pO2 es 3 veces mayor que en los tejidos

Hemoglobina-mioglobina En presencia de baja presión de O2 Hb es menos eficiente que Mb  la transferencia de O2 de oxi-Hb a oxi-Mb está termodinámicamente favorecida

Función KMb/O2=[MbO2] / [Mb][O2] KHb/O2= [HbO2] / [Hb][O2]2.8 A- Mb B y C - Hb

Unión cooperativa La forma deoxi es estructuralmente distinta a la forma oxi La unión de O2 a una subunidad favorece la unión de otro O2 a la misma molécula

Constantes de equilibrio de diferentes gases con la Hb y la Mb

Complejo Fe(II)-porfirina

Posición del Fe en la deoxi y oxi Hb

Fe(II) (d6) LS + O2 (enlazado) Diagramas de energía Forma de-oxigenada Forma oxigenada Fe(II) (d6) LS + O2 (enlazado) Fe(III) (d5) LS + O2•- (enlazado)

Estructura de rayos-X

Modelos 1

Modelos 2

Modelos 3

Transferencia de electrones Citocromos (pigmentos de la célula): hemoproteínas que actúan en las cadenas de transferencia de electrones, proceso asociado a la cupla redox Fe(II)/Fe(III) Clasificación espectroscópica: a (>570 nm), b (555-560), c (548-552) Función: cadena respiratoria, fotosíntesis, entre otros Transportadores de energía química

citocromo

Esquema de la estructura del citocromo c

Potenciales redox de complejos de Fe

Oxidasas y peroxidasas Citocromo oxidasa Citocromo P-450 Peroxidasas y catalasas

Respuesta celular a especies tóxicas Mecanismos de defensa natural desarrollados por las células para neutralizar productos de los metabolismos normales Resistencia química natural a sustancias exógenas Uso de reactivos sintéticos como terapéuticos

Elementos del bloque s Elementos mas abundantes en biología, presentes en casi todas las células en concentración elevada (mM) Crucial para el crecimiento de las plantas dificiles de reconocer importante para el esqueleto (Ca) inician muchos procesos bioquímicos (Ca, Mg) Activadores de la actividad enzimática (K, Mg) Estabilizadores de estructura molecular (Mg, Ca)

Metales alcalinos y alcalino térreos Gran diferencia entre la cantidad intra y extracelular de Na, K, Ca

Aspectos químico-físicos Los iones del bloque s no tienen electrones libres, son diamagnéticos e incoloros, dificil de reconocer Son cationes duros, con mayor afinidad por O (excepto Mg) El agua de coordinación se intercambia rapidamente (excepto Mg) Son complejantes pobres (Ca es el mejor), necesitan ligandos fuertes es decir macrociclicos o proteínas para hacer entidades estables.

Aspectos Biológicos Junto con cloruro y fosfato son los electrolitos de todos los sistemas biológicos Existen como acuo-iones y funcionan como trasportadores de carga así como para formar gradientes en la membrana Estabilizan la molécula (excepto Na) Inducen/estabilizan cambios conformacionales de proteínas (Ca) Tienden a unirse debilmente a la proteína (excepto Ca) y ligan u orientan el sustrato.

Iones sodio y potasio La ATPas transporta Na+ y K+ através de la membrana celular Bomba Na-K. Mantiene una concentración interna de K mayor que la externa a expensa de Na

Modelos de transporte Éteres corona dibenzo-30-corona-10 18-corona-6 complejo de K+

Modelos de transporte Criptatos criptato 222 criptato 221

Ionóforos naturales valinomicina nonactina monensina

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+

Biominerales Funciones Compuestos inorgánicos sólidos de estructura definida, formados por mecanismos de control molecular que operan en sistemas biológicos Funciones Soporte estructural Reservorio de elementos esenciales Sensores Protección mecánica Depósito de elementos tóxicos

Biominerales CaCO3 calcita aragonita vaterita exoesqueletos sensor de gravedad reservorio de Ca Ca10(OH)2(PO4)6 hidroxiapatita endoesqueletos CaSO4·2H2O BaSO4 yeso barita SiO2·nH2O sílice amorfa Fe3O4 Fe10O6(OH)18 magnetita ferrihidrita sensor magnético reservorio de Fe

Los formadores de biominerales Cationes: Mg(II), Ca(II), Sr(II), Fe(II,III) Aniones: carbonato, fosfato, sulfato, fluoruro, silicato, sulfuro, óxido, hidróxido La composición química de los biominerales está determinada principalmente por la disponibilidad de sus componentes

Formación de los biominerales Equilibrio termodinámico catión(ac) + anión(ac) biomineral(s) El biomineral debe tener baja solubilidad en condiciones fisiológicas Constante de equilibrio KPS = [catión][anión] (condiciones fisiológicas)

Los mecanismos de la biomineralización Procesos biológicamente inducidos El mineral precipita como consecuencia de una interacción entre la actividad biológica del organismo y el entorno físico Procesos biológicamente controlados El mineral precipita bajo control (estructural, espacial, químico) de una matriz orgánica

Control biológico en la formación de CaCO3 Caparazones de moluscos Depósito de calcita o aragonita, embebido en una matriz orgánica Matriz orgánica: predominio de secuencia Asp-X-Asp-X

Ferritina Función: depósito de Fe Apoferritina Fe(III) Ferritina: apoferritina·FeIIIO(OH)

Magnesio Se une a nucleótidos (ATP, ADP) y polinucleótidos (RNA, DNA). Estabiliza el RNA. 90% del Mg intracelular está asociado al ribosoma Estabiliza la estructura neutralizando la carga de los polianiones Tiene un rol estructural y catalítico en algunas enzimas

Iones magnesio Animales Plantas ATPas En el hombre:  20 g clorofila 10 g en los huesos 10 g en las células Plantas Costituyente esencial de la clorofila ATPas clorofila

CALCIO (= versatilidad) Intracelular Actua como mensajero secundario intracelular cambiando rápidamente su concentración en respuesta a estímulos externos. Troponin C y calmodulina cambian de conformación ligándose a Ca. Ca debe asociarse específicamente y rápidamente

Ca extracelular En las enzimas extracelulares La concentración es mM y la afinididad puede ser mas baja. Ca puede estabilizar las enzimas, puede además tener rol catalítico.

Fluoruros - participa en la biomineralización - estrecho intervalo óptimo: formación de CaF2 insoluble inhibición de metaloenzimas

Cloruros haluro más abundante en sistemas biológicos: mantenimiento de la presión osmótica fisiológica canales de cloruros

Bromuros acumulados por algunas algas esencialidad controversial utilizados como sedantes: posibles modificadores del potencial de membrana.

Iodo acumulación pronunciada en la tiroides (80% del total) presente en compuestos orgánicos iodados (hormonas tiroideas y sus precursores)

Selenio: en sistemas biológicos Tóxico poderoso: “plantas venenosas” capaces de incorporar selenio y utilizarlo en lugar del azufre Elemento traza esencial Enfermedades y desórdenes fisiológicos asociados con su deficiencia en regiones pobres en Se.

Ambas son revertidas mediante suplementación con Se Deficiencias de Selenio: enfermedad de Keshan (cardiomiopatía infantil) mal de Kashin y Beck (afecta el desarrollo óseo) Ambas son revertidas mediante suplementación con Se

Algunos problemas básicos de la contaminación del ambiente y de toxicología generados por elementos y sistemas inorgánicos Se ha alterado notablemente el ritmo geológico en el movimiento de los elementos Varios elementos considerados tóxicos están ubicados en la tabla periódica muy cerca de otros que son esenciales Ciclos geológicos y eliminación de residuos

Mecanismos de toxicidad Bloqueo de un grupo funcional esencial de alguna biomolécula (enzimas, polinucléotidos) Desplazamiento de un metal esencial de una biomolécula Modificación estructural de un sitio activo Ruptura de biomembranas

Mecanismos de defensa y detoxificación Tolerancia, Evasión, Adaptación, Resistencia, Defensa Clasificación difícil se pueden reconocer mecanismos típicos y de características mas definidas: Retención o absorción por las membranas celulares Inmovilización en forma de gránulos o corpúsculos insolubles Transformación en una especie química no tóxica

Química medicinal Antibióticos: Restringir iones metálicos esenciales Propiedades quelantes Ionóforos Agentes quelantes Sondas metálicas

Premios Nobel de Química 1915 Willstatter: constitución de la clorofila 1930 Fisher: constitución del sistema hemo 1962 Kendrew y Perutz: estructura de la Hb y mioglobina (rayos X) 1964 Crowfoot-Hodgkin: estructura de la vit B12 1965 Woodward: síntesis de clorofila y vit. B12 1988 Deisenhofer, Huber y Michel: estructura de los centros de reacción fotosintéticos con grupos hemo y clorofílicos en bacterias