Introducción a la Química_Bioinorganica_2014

Introducción a la
Química
Bioinorgánica:
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.
Areas relacionadas
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.
Elementi
“bio”
Están representados casi todos los grupos
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
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.
Elementi
“bio”
Están representados casi todos los grupos
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
proteica
de la conformación de la cadena
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))

Superóxido dismutasa
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) + O2ENZ-Cu(I) + O2- + 2H+
2O2- + 2H+
ENZ-Cu(I) + O2
ENZ-Cu(II) + H2O2
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 ribosomale
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
Estado entático
Estado apropiado para la catálisis,
intrínseco al sitio activo
Estado entático
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
 Transferencia
 Oxidasas
y Transporte de O2
de electrones
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 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
Hb
Mb
5.5 x 10
4
CO 2.0 x 10
7
O2
NO 3.0 x 1010
0.2-1.2 x 10
6
2.2-4.2 x 10
7
-
Complejo Fe(II)-porfirina
N
N
N
N
Posición del Fe en la deoxi y oxi Hb
Diagramas de energía
Forma deoxigenada
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
Compuesto
Eo’ (mV)
AA axial
Fe(H2O)62+/3+
771
-
Fe(bpy)32+/3+
960
-
Fe(CN)64-/3-
358
-
Hemoblobina
Citocromo c
Citocromo a3
170
260
400
His/His/Met
His/-
Citocromo P-450
-400
Cys-/-
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
18-corona-6
dibenzo-30-corona-10
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

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
sensor de
gravedad
SiO2·nH2O
sílice amorfa
exoesqueletos
magnetita
ferrihidrita
sensor
magnético
reservorio de Fe
Fe3O4
Fe10O6(OH)18
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
ATPas
el hombre: 
20 g
 En
10 g en los huesos
 10 g en las células


Plantas

Costituyente
esencial de la
clorofila
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
tiroides (80% del total)
en
la
• 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.
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
1) Bloqueo de un grupo funcional esencial
de alguna biomolécula (enzimas,
polinucléotidos)
2) Desplazamiento de un metal esencial de
una biomolécula
3) Modificación estructural de un sitio activo
4) 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

1)
2)
3)


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