Introducción a la Química Bioinorgánica:

1. Introducción a la Química Bioinorgánica:

2. 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.

3. Areas relacionadas

4. La tabla

5. 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.

6. Presencia de algunos elementos en el cuerpo humano

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

8. La tabla

9. 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)

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

11. 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

12. 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

13. Proceso evolutivo Elemento tóxico Elemento tolerable Elemento útil Elemento esencial

14. Los grupos Los elementos del grupo1 y 2se asocian a una química deequilibrio iónico Los detransiciónse asocian a la química de iones en solución, areacciones rédoxde un solo electrón, mostrando un aumento de química covalente y de fuerza como ácidos de Lewis. Losno metalesdominanla covalenciay los equilibrios relacionados: formación de polímeros, reacciones rédox con intercambio de 2 electrones y reacciones ácido base. Los del grupo17son simplesaniones (ej. Cl)

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

16. 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

17. 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

20. Interacción de metales con macromoléculas

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

22. Activación y transporte de oxígeno

23. Grupo hemo

25. 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))

26. Superóxido dismutasa Estructura de la unidad monomérica de superóxido dismutasa 2 humana.La enzimasuperóxido 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.

27. 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

28. Catalítica en procesos ácido-base • Anhidrasa carbónica: CO2+H2O = H2CO3

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

30. 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

31. 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.

32. 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

33. Polipéptido ligero de ferritina

34. 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

35. Ceruloplasmina

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

37. Interacción de metales con macromoléculas Fosfolipasa A2

38. 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.

39. Interacción de metales con macromoléculas Centro hemo de mioglobina

40. Interacción de metales con macromoléculas Clorofila a

41. Interacción de metales con macromoléculas Vitamina B12

42. Hemocianina

43. Coordinación por aminoácidos NH2CHRCOOH Selenocisteina

44. ¿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-CH2CH2SCH3Cys -CH2SH Tyr -CH2--OH Asp -CH2COOH Glu -CH2CH2COOH • Generalmente son ligandos polidentados

45. 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)

46. Efecto macrocíclico Log K = 5,2 G= -30 kJ/mol a 300ºK

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

48. Estado entático

49. 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

50. 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