Fe - UAB

Departamento de Química Inorgánica
Hierro y Oxígeno:
La vida es pura Bioinorgánica
Iron and Oxygen are “can’t live without it/can’t live with it” elements!
(Elizabeth Theil)
Departamento de Química Inorgánica
CH4, NH3,
Fe2+, S=
CH4, NH3,
Fe2+, S=
tierra
vida
O2
cte
O2, N2, Fe3+, CO2
+O2
atmósfera O2
depósitos de Fe2O3
organismos
plucicelulares
eones (miles de millones de años)
4.5
3.5
2.5
0.5
0
21% O2
in the atmosphere
Departamento de Química Inorgánica
Departamento de Química Inorgánica
► Fotosensibilizadores (clorofila, porfirinas…)
► El problema en plantas
β-caroteno
►El problema en humanos: protoporfiria eritroproyética
►Uso terapéutico (PDT): O2 singlete como fármaco!
►Tumores hipoxicos resistentes
► Limitaciones: penetrabilidad en la piel.
Solución: Upconvertion Nanoparticles UCNP
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Transporte y almacenamiento de O2
► Organismos unicelulares: difusión a través de la membrana
► Hemoglobina/Mioblogina (Fe)
► Otras metaloproteínas: Hemeritrina (Fe), Hemocianina (Cu)
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Mioglobina
Mb
N
N
Fe
N
N
-
OC
Hb
Hemoglobina
Protoporfirina IX
Mb= globina + propoforfirina IX
►Qué fastidio respirar! (6% Fe es Mb).
►Velocidad Mb-O2= 1/20 O2. [Mb]~30[O2]; 1Mb:1O2
►Difusión final similar al O2 libre
CO2-
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globina
Protoporfirina IX
Mr 18KDa
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O
H2N
C
CH
OH
CH2
N
NH
Histidina distal
OH
O
O
C
CH
NH2
CH3
CH
CH3
H
Val
O
O
Histidina próxima
H2N
CH
Phe
CH2
C
OH
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El papel no inocente de la globina
H2O, OH-, CN-
X
His distall
H
O
Val
Phe
Afinidad de CO-heme es 2500
afinidad O2-heme
En Mb sólo 250
En Mb-CO Fe-C-O no es lineal
O
O
His próxima
O
C
O
δ-O(O2) > δ-O(CO)
Evitar oxidación irreversible
a meta-Mb: embudo hidrofóbico.
CN-: parálisis respiratoria.
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Hb ≈ 4 x Mb
Hemoglobina
PM=64.5 KDa
Puentes salinos entre
Subunidades
α1
β1
►65% Fe es Hb.
►1,5% de O2 en plasma
β2
α2
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Hb ≠ α1+α2+β1+β2
Efecto cooperativo
Alosterismo: influencia pH, CO2, ClAlosterismo homotrópico (O2)
Alosterismo heterotrópico (CO2)
pO2
Mb
Hb
6
pH
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“Trasvase” de O2 desde Hb a Mb
↑pO2 lungs > T-state O2 affinity
T-state → R-state + H+
CO2(músculo) → H2CO3
glucosa(músculo) → ácido láctico
↓pH
O2-Hb → O2-Mb
Efecto Bohr
Fe(II) HS (grande)
Fe(III) LS (pequeño)
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Evolución natural y artificial
O2-Hb(madre) → O2-Hb(feto)
►2,3-BPG estabiliza T state
►afinidad Hb(madre)-2,3-BPG>>Hb(feto)-2,3-BPG
LHTL (living high training low)
►JJOO de México (1968)
►Estimular la producción de Hb
►EPO (dopping y terapia)
►EPO pacientes con tratamiento de cis-Pt
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Fe !
Tabla periódica de los bioelementos
Transporte de oxígeno
Transporte de electrones
Catálisis redox
Catalisis no redox
Respiración
Síntesis de ADN
Fijación de N2
Regulación de la expresión genética
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Oxigenasa
Procesos de oxidación
Ferredoxinas
transporte electrónico
no-hemo mononuclear
Fe
Fe-S
Hemo
Hemoglobina y mioglobina
transporte y almacenamiento de O2
Citocromo P-450
no-hemo dinuclear
Ribonucleotido reductasa
hidroxilación, epoxidación
reducción ribonucleotidos
Desproporcionación de H2O2
oxidación de metano
Catalasas
Metanomonoxigenasa
Hemeritrina
transporte de O2
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Por qué el hierro ?
mayor abundancia relativa en corteza
terrestre y mar
1 bombona O2, H2, N2
unos Kgs C y Ca
unos gs S, P, Fe y Mg
“pizcas” de 20 elementos
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Kps [Fe(OH)3] =10-38M
26 Fe
FeO42- (aq)
Fe3+(aq)
Hierro
O2
H2O
55,847
Fe2+(aq)
Fe(OH)3 (s)
H2O
H2
-1, 0, +I, +II, +lII, +IV, +V, +VI
(0,65Å)+3Oh
[Ar]
(0,78Å)+2Oh
3d64s2
Propiedades redox
Fe (s)
Diagrama de Pourbaix
[Fe(H2O)6]3+ → [Fe(H2O)6]2+ E= 0.77 V: oxidante importante
O2 → H2O Eº= 1.229 V
Enzimas involucradas en procesos de
transferencia electrónica y reacciones redox
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Haber–Weiss–Fenton
Generación del radical hidroxilo OH·
Fe2++O2  Fe3+ + O2-·
O2-· + 2H+  H2O2 + O2
Fe2+ + H2O2  OH· +OH- + Fe3+
Crucial para la vida evitar OH·!!!
Nunca Fe libre !!
duros O>N>Cl>C>S blandos
FeII estabilizado
1.12V
La complejación de FeIII consigue:
1. Solubilizarlo
2. Modificar su potencial redox
3. Modificar su afinidad por un sustrato
-0.12V
FeIII estabilizado
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mayor abundancia relativa en corteza
terrestre y mar
cinéticamente lábil y termodinámicamente
estable
dos estados de oxidación “accesibles”
disponibilidad limitada por su insolubilidad
“maquinaria química” capaz de captar,
transportar y almacenarlo
Departamento de Química Inorgánica
Cómo Los microorganismos capta el Fe de su forma
mineral?
SIDEROFOROS!
R'
O
N
O
Fe
Fe
O
R
O
-lg[Fe3+]
E° (mV)
30,5
26,6
-468
49,0
35,5
-750
Sideróforo
lgβ
Ferrioxamina B
Enterobactina
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II
I
III
3-
O
O
O
Fe
O
O
O
Kf=
1049
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Kf= 1031
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Sideróforo
Canales
específicos
X
Difusión
pasiva
Fe3+
Receptor
específico
[Fe(Sideroforo)]
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OH
R
OH
OH
Rh
Fe
III
Fe
II
O
I
O
O
OH HN
HO
O
O
O
O
NH
O
Rh
HN
III
O
HN
O
R
Fe
II
OH
O
OH
OH
Rh
Rh
R
NH
HO
HN
OH
O
HO
R
R
Conclusión: Dominio I no es necesario !
R
OH
MECAN
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2. [Rh(cat)3] no inhibe interacción enterobactina-membrana
N
3-
III
Fe
Fe
II
O
O
O
O
O
Rh
Rh
O
O
O
Rh
Rh
O
O
O
Rh
Rh
[Rh(cat)3]
Conclusión: Dominio II es necesario !
N
O
III
O
O
O
N
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3. MECAM sin complejar no inhibe. [Rh(R-MECAM)] (R voluminoso) no inhibe
OH
R
OH
Fe
OH
Fe
R
OH
Rh
O
R
R
HN
III
II
O
II
R
HO
HN
OH
O
OH
HN
III
R
NH
O
O
Rh
R
R
NH
HO
HO
OH
O
R
R
HN
HO
R
R
Conclusión: Dominio III con ion metálico es necesario
OH
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II
I
III
1. Dominio II y II son necesarios
2. Fe(III) es necesario: Si traes comida entras, si no, NO!
Diseño de nuevos fármacos
nuevas familias
de antibióticos
Arifamycin CGP 4832,
200 veces más activo
Rifamycin
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Fe-Desferrioxamine
1 El complejo Fe-Sideroforo se
ancla en la proteina FhuA
FhuA
2 La proteína TonB interacciona
con FhuA para que esta deje pasar
el complejo Fe-Sideroforo
FhuD
Permeasa
TonB
Citoplasma
Membrana citoplasmática
Periplasma
Membrana externa
3 La proteína FhuD transborda al
Fe-sideroforo, a través del
periplasma hasta la Permeasa
FhuD
[FeSiderophore]
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Por qué mecanismo el hierro es liberado del
complejo formado con el sideróforo ?
Dos mecanismos propuestos:
Hidrólisis del ligando biológico: estereasa.
Redución Fe(III)→Fe(II).
Complejo 1:3
Desferroxiamina E = 0.45
Enterobactina E = 0,75 V
Estereasa
Complejo 1:1
Complejo 1:3
E = 0,35 V
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TRANSFERRINA
Transferrina 80KD
Serumtransferrina
Sangre 2.5 mg/ml
lóbulo C
I
Lactoferrina
Calostro 7 mg/ml
Leche 1mg/ml
II
II
S. Inmunológico
I
Impide Reacción de Fenton
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH- + OH·
lóbulo N
Apotransferrina
His-253
Asp-60
Tyr-192
Tyr-92
Transferrina
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Espacio
Extracelular
pH 7,4
DMT1
Membrana
Celular
Clatrina
Fe2+ 25 mg/dia
Endosoma
H+ H+
Uso pertinente:
síntesis de
hemo- y nohemoproteínas
Mecanismo de liberación de
Fe(III) de la transferrina
O
O
O
O
O
Fe
O
O
+
N
NH
H+
-
HCO3 + H2Apo +
Fe3+
Almacenado
para usos
posteriores
Departamento de Química Inorgánica
Almacenado
para usos posteriores Ferririna
Uso pertinente:
síntesis de hemo- y no-hemoproteínas
Fe
Impedir el Fe (libre)
La célula regula la absorción y
almacenamiento de hierro en
función de sus necesidades
evitar efectos dañinos:
Formación de radicales
Desarrollo de microorganismos patógenos
Niveles de Fe bajos
se bloquea la síntesis de ferritina
y se incrementa la de TfR
Niveles de Fe Altos
se incrementa la síntesis de
ferritina y se disminuye la de TfR.
Departamento de Química Inorgánica
¿ Como la células mantiene
los niveles de Fe ?
IRP
IRP
Apo-IRP
holo-IRP
IRP
Niveles de
de Fe
Fe Bajos
Altos
Niveles
IRP
Ferritina m-ARN
Síntesis de Ferritina
IRP
active site
IRP (iron regulatory protein)
TfR m-ARN
IRP
IRP
IRP
IRP
Síntesis de TfR
IRP
Departamento de Química Inorgánica
¿Qué requisitos crees que debería tener una molécula para almacenar
Fe en los organismos vivos?
Departamento de Química Inorgánica
Requisitos del almacén ideal (los de cualquier almacén)
Gran capacidad
Fácil accesibilidad del Fe cuando sea necesario
Inaccesibilidad a moléculas orgánicas inapropiadas
Apoferritina 440KD
Ferritina
24 cadenas peptídicas
H =178 aa, L = 171 aa
+
Mineral de FeIII hidratado
up to 4500 Fe (0.25M)
13% Fe cuerpo humano
Apoferritin
Ferritin
Departamento de Química Inorgánica
∅2Å
L 12,5 Å
12nm
hidrófobos
8nm
L6Å
C3
∅ 3,5 Å
hidrófilos
C3
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Proceso de biomineralización
Epidocrocita/Goethita FeO(OH)
Fe3+ + H2O pH=7,4
Apoferritina
Ferrihidrita FeIII10O14(OH)2
Fe3+ + apoferritina
↓
Hidróxido Férrico
grupos funcionales
matriz orgánica
eligiendo sitio
velocidad de formación
estructura
grado de cristalinidad
Fe2+ + apoferritina
λ= 420 nm
No complejo con bipy
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Heavy Chain H
Light Chain L
Oxidación
Mineralización
Departamento de Química Inorgánica
1 Fe2+ entra por los canales C3
Se requiere Fe(II) y no Fe(III)
Centro Ferroxidasa
2 Fe2+ se oxida en los centros Ferrosidasa
Cadenas peptídicas H
Oxidación
+
Hidrólisis
2Fe2+ + O2  [FeIII-O-O-FeIII]  [FeIII-O-FeIII] + H2O2
[FeIII-O-FeIII] + xH2O  Fe2O3·(H2O)x + 4H+
Departamento de Química Inorgánica
3 FeO(OH) migra a los centros de nucleación
Cadenas peptídicas L
4 Crecimiento del núcleo
5 El núcleo actúa como catalizador Heterogéneo
Fe2+ + O2 → óxido FeIII (?)
Residuos Glutamato
Departamento de Química Inorgánica
Plantea posibles mecanismos químicos de eliminación de Fe de la
ferritina
Departamento de Química Inorgánica
Liberación Fe ferritínico
¿ De qué forma la célula vuelve a
disponer del hierro ferritínico ?
En vivo no se conoce con exactitud !
Departamento de Química Inorgánica
4 opciones:
1. Hidrólisis de la proteína y liberación de Fe
pH 3-9 ó T<85ºC
9,5 > pH < 3,5
Pros y contras….
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2. Participación directa de un agente quelatante
O
L
L
No!
L
N
O
NH
O
N
OH
N
HO
O
HO N
+H3N
L
L
L
L
lento!
L
sólo moléculas
pequeñas?
O
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O
Hechos experimentales: Robert Hider
Se detecta el complejo 1:1
Se detecta el complejo 3:1
IgG inhibe estas observaciones
OH
N
Me
R
3-hydroxypyridinone
Conclusión:
Hydroxypyridinone accede a la cavidad
?!
a través de los canales hidrofóbicos
Me
R
N
Me
R
N
O
O
Me
O
O
Fe
N
R
N
O
O
O
R
Me
O
Fe
N
Me
O
R
O
O
Me
O
O
O
O
Fe
O
O
O
N
R
3:1. Disco, 18 Å
1:1. Elipsoide, 10 Å 1:1. Elipsoide, 7 Å
Departamento de Química Inorgánica
O
O
OH
OH
NH
NH
aceto- y benzohidroxámico
4Å
%iron removed from ferritin in 1h
In abscence of urea
7Å
In presence of urea
100
pH 7.4
75
50
25
0
100mM
10mM
acetohydroxamic
100mM
10mM
benzohydroxamic
Inorg. Chem. 2005, 44, 2076
Dalton Trans. 2005, 811
Conclusión:
Aceto- y benzohidroxámico
acceden al Fe ferritínico
En disolución se detecta el complejo 3:1
La estructura de la ferritina es flexible (urea)
E. Theil
Departamento de Química Inorgánica
3. Reducción gradual de Fe(III)→Fe(II) y difusión
inner
sphere
rd
rd
L
eouter
sphere
L
rd
Dennis Chasteen
in vivo NO SE SABE el reductor !
Departamento de Química Inorgánica
Hemosiderina: la gran olvidada?
¿Forma útil o de descomposición?
Útil: segundo almacén de Fe
No Ferritina→Hemosiderina
Diferente secuencia de aa
12% de Fe Hs
↑ Iron overload
Formas degradadas de Fe
Fe insoluble
Fe menos accesible
↑Iron overload
Capa más delgada,
irregular e incompleta
Departamento de Química Inorgánica
Ferritina-Neuroquímica
Fenton reaction
Fe2++O2  Fe3+ + O2-·
O2-· + 2H+  H2O2 + O2
Fe2+ + H2O2  OH· +OH- + Fe3+
OH
+ OH.
NH2
OH
OH
NH2
HO
dopamina
OH
6-hydroxydopamina
OH
+
NH2
HO
OH
[(6-OHdopamine)3FeIII]→6-OHquinona + FeII
Departamento de Química Inorgánica
Ferritina-Alzheimer
Cerebro standard
Fe es el ión metálico más abundante
↑ Hasta los 40 años.
Ferritina composición: Fh(80) Ht(10) Mg(10)
Cerebro alzheimer
↑ ↑ Fe
Ferritina composición: Fh(15) Ht(0) Mg(80)
Se observa tendencia en humano adulto (48 años!)
Aparición de hemosiderina
Conclusión
En Alzheimer ↑ ↑ Fe fases con FeII
Facilita salida de FeII y reacción de Fenton
Desorden en ferritina origen del Alzheimer
Una posible vía para diagnosticar la enfermedad
Departamento de Química Inorgánica
Hierro-Cáncer
Departamento de Química Inorgánica
La ruta del Fe
Departamento de Química Inorgánica
Fármacos
Anemia
Nivel bajo de hemoglobina en sangre (no glóbulos rojos).
Múltiples causas: deficiencia de hierro (anemia ferropénica)
mala alimentación, mujeres embarazadas, menstruación.
Cansancio (falta de O2 en los músculos).
Fármacos: Fumarato ferroso, Gluconato ferroso, Succinato ferroso,
Sulfato ferroso, etc.
Feraheme: la nanoalternativa
EPO (recombinante)
Departamento de Química Inorgánica
Fármacos
O
OH
N
Me
R
Enfermedades asociadas con una acumulación
incontrolada de hierro
Hemocromatosis Genética (Altas acumulaciones de Fe)
Talasemia (Hemosiderosis-Altas acumulaciones en tejidos)
Ataxia de Friedreich( Altas acumulaciones en mitocondrias)
Parkinson (acumulación de Fe en la mielina)
Alzheimer (Acumulación de Fe a nivel cerebral)
Departamento de Química Inorgánica
Desferal: quelatoterapia de Fe
Requisitos del agente ideal-Desferal
Soluble en H2O. SI
Absorción oral. NO
Tiempo de metabolización adecuados. NO
Alta afinidad por Fe(III) (NTIP y TfR). SI y NO
Facilidad para excreción. SI
$ NO
Desferal al día de hoy
Infusión intravenosa 8h/día (3días/semana), 40mg/Kg.
500 mg/60 $
750 pacientes/mes
Interés de empresas por sustituirlo
Se ha probado clínicamente contra malaria
(http://the-scientist.com/2012/04/13/),
ataxia de Friedreich, Leucemia, SIDA.
to be continued...
Departamento de Química Inorgánica
Los polifenoles (catecoles en especial) tienen una enorme afinidad por
FeIII (enterobactina es un claro ejemplo).
¿Qué relación puede tener este hecho con los aspectos beneficiosos
de los polifenoles naturales?