Date post: | 25-Nov-2015 |
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1A.S.P. 1
Los metales en los sistemas biolgicos
Los metales en los sistemas Los metales en los sistemas biolgicosbiolgicos
Qumica General (QFB)Qumica General (QFB)Qumica General (QFB)
A.S.P. 2
Qumica Bioinorgnica
Qumica Bio-inorgnica?
1828, Sntesis de WohlerCianuro de sodio inorgnico urea orgnica
R. J. P. Williams, Bio-inorganic chemistry: its conceptual evolution, in Coordination Chemistry Reviews,100, 573 (1990); S. J. Lippard, Bioinorganic chemistry: a maturing frontier, Science, 261, 699 (1993).
Qumica orgnica
Bioqumica clsica
2A.S.P. 3
Metales presentes en sistemas biolgicos
A.S.P. 4
Metales presentes en sistemas biolgicos
The Nobel Prize in Chemistry 2003The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the Nobel Prize in Chemistry for 2003 "for discoveries concerning channels in cell membranes", with one half of the prize to Peter Agre "for the discovery of water channels" and one half of the prize to Roderick MacKinnon "for structural and mechanistic studies of ion channels".
http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/index.html
3A.S.P. 5
Metales en sistemas biolgicos
Papel del metal en los sistemas biolgicos;; Soporte estructural de un ambiente orgnico; Catlisis, redox o cido- base, de ligantes; Transportadores de carga; Fotorreceptores; Transporte de ligantes,
Para que el metal realice su funcin en el sitio adecuado se necesitan tambin protenas que lleven a cabo el transporte y almacenamiento de metales
A.S.P. 6
La qumica bioinorgnica hoy en da
fsica
Farm
acol
oga
fisiolo
ga
Qumicainorgnica
bioqumica
toxicologa
Qumica bioinorgnica
4A.S.P. 7
Qumica Bioinorgnica
Qumica bio-inorgnica, en su sentido ms amplio, es el estudio de la participacin de cualquier elemento inorgnico (diferente a C, H, N, O, S y P) en los procesos biolgicos.
Qumica bioinorgnica; estudio del elemento inorgnico (freq. Metal) en la macromolcula biolgicaBiomimesis; modelaje de sistemas y procesos biolgicos
9Diseo sinttico de molculas (estructural)9Desarrollo de procesos qumicos (funcional)
A.S.P. 8
Mtodos instrumentales utilizados en qumica bioinorgnicaRadiacin Electromagntica
5A.S.P. 9
4 - 1eV 8000 2000 0.1-0.01 10-4 -10-5 10-6 -10-7
X-Ray UV/vis Infrared
Microwave Radiowave
30000 25000 20000 15000 10000
Wavenumber (cm-1)
2500 3000 3500
Magnetic field (G)
1800 1900 2000 21001400 1500 1600 1700
Wavenumber (cm-1)
Q
0 mm/s
EQ 8960 8980 9000 9020 9040 9060Energy (eV)
pre-edge
edge
near-edge
EXAFS
11 12 13 14 15 16 17Frequency (MHz)
400 500 700 800
351
676568
530
476
407
Raman Shift (cm-1)
x1/3
Gamma
EPR ENDOR
NMR
IR
Raman
ABS
MCD
CD
XAS
EXAFS
Mss-bauer
14000
Mtodos instrumentales utilizados en qumica bioinorgnicaTcnicas Espectroscpicas
A.S.P. 10
Informacin obtenida de diversas tcnicas espectroscpicas
Nicolai Lehnert, Serena DeBeer George and Edward I Solomon, Recent advances in bioinorganic spectroscopy, Current Opinion in Chemical Biology 5, 176, 2001,
E. I. Solomon, et al, Chemical Reviews, 104 (2), 2004.
6A.S.P. 11
Estructura de Cobre A
Cu-Cu; Cu-S; Cu-Ndistances; metal coordination numbers
A.S.P. 12
Qumica Bioinorgnica
Qumica Bio-inorgnica de:a) Metales alcalinos y alcalinoterreos (Na, K, Ca y Mg)b) Complejos con hierro (hemo y no hemo)c) Complejos con cobalto (cobalaminas)d) Complejos con magnesio (clorofila)e) Complejos de zinc (dedos de zinc)f) Proteinas con cobreg) Otros metales de nteres biolgicoh) biomineralizacin
7A.S.P. 13
VI
V
IV
III
II
I
Tipo
nter conversin de ismeros, p.e formas pticas (racemasas)Isomerasa
Adicin o remocin de un grupo, pe. H2O (Hidrotasas)Liasa
Amplia variedad de reacciones de oxido - reduccinOxido reductasa
Formacin de enlace asociado a ruptura de ATPLigasa
Hidrlisis, p.e enlace peptdico (peptdasas y proteasas), esteres fosfato (fosftasas)
Hidrolasa
Transferencia de grupos funcionales de un sustrato a otro, pe. Kinasa, las cuales ayudan en la transferencia de un grupo fsforil entre ADP y ATP
Transferasa
Reaccin catalizada
P. C. Wilkins, ref. 8, pag 27.
Tipos de metalo-enzimas
A.S.P. 14
Qu es qumica de coordinacin?
Metal o Catin Metlico
+ Ligante (neutro o anin)
Complejo o Compuesto de Coordinacin
8A.S.P. 15
Z + :L Zn Ln
Electroaceptor Electrodonador
Enlace covalente coordinado
Enlazamiento: Z : L o Z L- +
(cido de Lewis) (Base de Lewis)
A.S.P. 16
cido + :Base Aducto (Lewis)
Mn+ + 6 :L-x
Enlace covalente coordinado
Numero de coordinacin (NC); nmero de tomos donadores (ligantes) directamente enlazados al tomo central
Mn+ + 5 :L -x
Mn+ + 4 :L -x
[M(L)6](n-x)+
[M(L)5](n-x)+
[M(L)4](n-x)+
9A.S.P. 17
Mn+ + 6 :L M : LL :
L
L
: L
L :. .
. .
LL
L
L
L
L
Arreglo octadrico
Enlace covalente coordinado
Arreglo geomtrico de los ligantes alrededor del tomo central
A.S.P. 18
Mn+ + 4 :L tetradrico
Otras geometras presentes
Mn+ + 5 :L
L
ML L
L
L
MLL L
L
ML
L
L
Lcuadrado plano
bipirmide trigonal
pirmide con base cuadrada
L
ML
L
L
L
10
A.S.P. 19
Teora cido base duros y blandos (ABDB) de Pearson
Basada en la definicin cido -Base de Lewis
Duro; especies de carga (positiva) alta y tamao pequeo
Blando; especie de carga (positiva) pequea y/ tamao grandecido
Dura; especies de carga (negativa) pequea y tamao pequeo
Blanda; especie de carga (negativa) alta y/ tamao grandeBase
Interaccin cido- base favorableDuro duro Inica
Blando - blando covalente
A.S.P. 20
Radio atmico y inico (propiedades peridicas)
9Dentro de un mismo periodo, el radio atmico disminuye conforme el numero atmico aumenta.
Los radios atmicos de los elementos del segundo periodo siguen la siguiente tendencia:
Li > Be > B > C > N > O > F
11
A.S.P. 21
Radio inico (propiedades peridicas)
El radio de un in positivo es menor que el del tomo neutro, el cual a su vez es mas chico que el de la especie con carga negativa (anin). As, el tamao de los tomos tienen el siguiente orden :
S2- > Cl- > Ar > K+ > Ca2+ > Al3+ > Ti4+
bases de Lewis cidos de LewisBlandos DurosBlandos Duros
A.S.P. 22
CN-, CO, S-2, RSH y R2S(incluye cis y met), I-
Cu+, Ag+, Pt+2, Cd+2, Hg+, Hg+2Blando
Donadores tipo NFe+2, Co+2, Ni+2,
Cu+2, Zn+2Intermedio
O en H2O, OH-, OR-, O-2, NO3-, CO3-, PO4-3, RCO2-, etc.
H+, Na+, K+, Ca+2, Mg+2, Fe+3, Mn+3Duro
basecidotipo
Clasificacin de cidos y bases duros y blandos
Interaccin cido- basefavorable
Duro duro Inica
Blando - blando covalente
12
A.S.P. 23
N
OS
N
O
O
O
N
O
O
O
N
O
N
O
NN
N
N
O
O
N N
O
O
O
N
O
N
O
N
N N
O
N
O
N
O
N
OS
N
O
N
O
NO
O
N
O O
N
O
ON
O
N
O
N
[Cys]
[Glu][Asp]
[Ala] [Arg] [Asn] [Asp]
[Gly] [His] [Ile]
[Leu] [Lys] [Met] [Phe] [Pro]
[Ser] [Thr] [Trp] [Tyr] [Val]
Ligantes naturales; aminocidos (protenas)
A.S.P. 24
N N
N N
O
NN
N
O
N
N
N
O
O
N
N
O
O
N N
N N
N
N
N
O
O
N N
N N
O
O
O
OP
OO
O
O
N N
N N
N
OOP
OO
O
OOP
OO
N
Guanina (G)
Citosina (C)
Tiamina (T)
Uracilo (U)
Adenina (A)
enlace fosfodiester
Ligantes naturales; purinas y pirimidinas, bases nitrogenadas (DNA)
13
A.S.P. 25
O
O PO
OO P
O
O
PO
O
NO
N
N
OON
N
O
N
N
NO
N
O
NOO
O
Adenosintrifosfato
[ATP]
- 4
Guanosina
Ligantes naturales; otras bases
A.S.P. 26
N
N
H N
N
H N
N
N
N
M
complejo metal - porfinaporfina
2.04 A
Ligantes naturales; macrociclos
El anillo de porfina puede ajustar su cavidad para que entren ines desde 1.92 a 2.07
14
A.S.P. 27
Modos de enlace metal cadena lateral
CH2C
OO
HH2N
O
O
CH2C
OO
HH2N
O
O
CH2C
OO
HH2N
O
O
CH2CH
H2NO
O
O
asp-M
M
asp-M
M
asp-M2
MM
tyr-M
M
O - donador
Los ligantes se pueden coordinar al metal de diversas formas, esdecir pueden actuar como ligantes monodentado, bidentado o grupos puente.
A.S.P. 28
Modos de enlace metal cadena lateral
ON N
N N
O
O
O
OP
O
O
N
OM
M
M
M
p.e Pt (II) y Cu(II)
15
A.S.P. 29
Complejos con hierro
Es el metal de transicin mas abundante en el organismo (4-2 6.1 g por 70 Kg de peso corporal).
Es el metal de transicin mas abundante en el organismo (4-2 6.1 g por 70 Kg de peso corporal).
No obstante la gran cantidad de hierro que presente en el organismo, la mayor parte de l se recicla requiriendo de 0.5 1.5 mg de hierro en la ingesta diaria y su contenido es variable, p.e. En la medula sea se estima una concentracin de 20 25 mg / da para la sntesis de Hb.
El hierro en el organismo esta distribuido de la siguiente manera:
Hemoglobina (transporte de oxigeno) 65%
Ferritina (almacenamiento de hierro) 30%
Mioglobina (almacenamiento de oxigeno) 4%
Transferrina (transporte de hierro) 0.12 %
Diversas protenas hemo y no hemo < 1%
A.S.P. 30
Complejos con hierro
El hierro presenta estados de oxidacin desde I hasta +VI, sin embargo los estados de oxidacin relevantes en medios biolgicos son el Fe (II) y el Fe(III).
En solucin acuosa, el hierro (II) es oxidado fcilmente por el oxigeno disuelto
[Fe(H2O)6]3+ + e- [Fe(H2O)6]2+ E Fe (III) / Fe(II) = 771 mV1/2 O2 + 2 H+ + 2 e- H2O E (ac) = 1229 mV
16
A.S.P. 31
El hierro (II) presenta las siguientes caractersticas:Es un sistema d6Es un cido de Lewis intermedioEs paramagntico, 4 e- desapareados (4.9 5.5 MB)Sus sales son mas solubles que las de Fe(III)Se oxida fcilmente en presencia de oxgenoForma complejos, normalmente octadricos y de alto espnLa hidrlisis del acuo- complejo prcticamente no se realiza
Complejos con hierro
M : LL :
L
L
: L
L :. .
. .
[Fe(H2O)6]2+ + H2O [Fe(OH)(H2O)5]+ + H3O+ K h = 3.16 x 10-9
Cabe destacar que los complejos formados con Fe(II) son menos estables que los de Fe(III) as como su alta afinidadpor ligantes nitrogenados (cidos intermedios)
A.S.P. 32
Complejos con hierro
M : LL :
L
L
: L
L :. .
. .
El hierro (III) presenta las siguientes caractersticas:Es un sistema d5Es un cido de Lewis duroEs paramagntico, 5 e- desapareados (5.92 MB)Sus sales son menos solubles que las de Fe(III)Forma complejos, normalmente octadricos y de alto espnSu acuo- complejo sufre reacciones de hidrlisis
[Fe(H2O)6]3+ + H2O [Fe(OH)3] + H3O+ K ps = 2 x 10-39
En general, Fe(III) forma complejos ms estables que Fe(II) as tambin es ms afn a ligantes oxigenados (cidos duros) que a ligantes N-donadores
17
A.S.P. 33
Las funciones biologicas mas conocidas de las proteinas con hierro son:
9 Transporte y almacenamiento de oxgeno9 Procesos de transferencia de electrones9 Activacin de di-oxgeno y di-nitrgenoGrupos de protenas con hierro:
1. Tipo hemo; Protenas con un complejo hierro-porfirina
2. Tipo no hemo
a) Cmulos Fe-S
b) Protenas con ligantes simples (carboxilato)
Complejos con hierro
A.S.P. 34
Transporte y almacenamiento de hierro
Para que el hierro contribuya a las propiedades biolgicas de laprotenas debe haber mecanismos que lo lleven a sus diversos sitios de accin.
Protenas que permitan el fcil acceso y transportacin de hierro. Adems eviten la reaccin con oxgeno que generara especies peligrosas para el organismo (perxidos y radicales sper-oxido).
9Sideroforos (microorganismos aerobios);
Hidroxixamatos
Catecolatos
9Transferrinas (mamferos);ferritinas
hemosiderina
18
A.S.P. 35
Transporte de di-oxgeno
Para que el di-oxigeno reaccione con la glucosa para generar energa que los organismos utilizaran en su funcionamiento debe haber unmecanismo que transporte el di-oxgeno a los lugares donde se lleva a cabo la siguiente reaccin.
9Hemoglobina9Hemocianina (artrpodos y moluscos, Cu)9Hemeritrina (algunos invertebrados marinos)
6 O2 + glucosa (C6H12O6) 6 CO2 + 6 H2O +
A.S.P. 36
N
NN
N
M
N
NN
N
H HN
H
porfina (por)
2-
metaloporfina
pirrol
Porfirina = porfina con sustituyentes
Metaloporfirinas
19
A.S.P. 37
1. Hemoglobina transporte de O2 (animal)2. Mioglobina almacenamiento de O2 (animal)3. Citocromos transferencia de electrones
(animal, bacterias, plantas)4. Oxigenasas reacciones de oxigenacin con O25. Oxidasas reduccin de O2 a O2-, O22-, O2-6. Peroxdasas reacciones de oxidacin con H2O27. Catalasas desproporcin de H2O2 en H2O y O2
Hemoproteinas
A.S.P. 38
1. Transporte de O2 del pulmn a la mioglobina en los msculos
2. Transporte del CO2 producido por la oxidacin metablica de la glucosa en el msculo al pulmn
N
NN
N
Me
CH=CH2 Me
CH=CH2
Me
CH2CH2CO2HHO2CCH2CH2
Me
Fe
grupo hemo
Hemoglobina
20
A.S.P. 39
Desoxihemoglobina + O2 Oxihemoglobina
Fe
N
NN
N
N
N
H protena
FeN
NN
N
N
N
H protena
OOdesoxihemoglobina
+ O2
- O2
oxihemoglobina
Hys-93
La facilidad de oxigenacin se ve afectada por el pH (efecto Bohr, pH opt = 6.2), CO2, 2, 3-D-difosfoglocerato (DGP) y Cl-
PDB: 4HHB
A.S.P. 40
Hemoglobina = Fe2+ + protoporfirina + globina
Estructura de la hemoglobina
PM= 64.5 Kda
Formada por 4 sub-unidades (1,2, 1 y 2) , c/u conteniene un grupo hemo, de 141() y 146 () residuos de aa.
21
A.S.P. 41
1. Protege al Fe2+ de la oxidacin a Fe3+ (rodea el grupo hemo). Hemo sin protena se oxida a la hematina (Fe3+)
2. Es hidroflica en su parte exterior solubilidad en H2O.
3. Apoya a la coordinacin de las molculas de O2 a los 4 grupos hemo se distorsiona cuando se adiciona al primer grupo hemo y abre las bolsas con los dems grupos hemo.
4. Algo similar sucede en el msculo alta concentracin de CO2 estimula la separacin de O2 de los grupos hemo.
Funciones de la Globina (protena)
A.S.P. 42
Se coordinan ms fuertemente al grupo hemo que O2.
FeN
NN
N
N
N
H protena
CO
Toxicidad de CN-, CO, PF3:
22
A.S.P. 43
Proteina binuclear de hierro
Hemeroritrina
Desoxihemeritrina
(PDB; 1HMD)
FeO
OFe
CH2
OOCH2
O
H
FeO
OFe
CH2
OOCH2
O
HO
O
+ O2
- O2
II II III III
PM= 13.5 Kda
Formada por 8 sub-unidades identicas, c/u contiene 2 tomos de hierro rodeados por cuatro cadenas proteicas.
A.S.P. 44
Almacenamiento de di-oxgeno
9Mioglobina: es una metalo-protena que sirve para almacenar el di-oxgeno en los tejidos musculares de los vertebrados pero tambin facilita la difusin del oxgeno a las mitocondrias con el objeto de alimentar la cadena respiratoria
9Miohemeritrina (algunos invertebrados marinos)desoximioglobinadesoximioglobinaoximioglobinaoximioglobina
Las formas oxi- y desoxi-Mb contienen Fe (II) en tanto la forma meta- contiene Fe(III) y no es capaz de liberar di -oxgeno.Las formas oxi- y desoxi-Mb contienen Fe (II) en tanto la forma meta- contiene Fe(III) y no es capaz de liberar di -oxgeno.
23
A.S.P. 45
Procesos de transferencia de electrones
El sitio activo de la enzima. a, Tyr-217 yHis-282 se unen a sulfato, un inhibidor de la actividad enzimtica. b, A esquema de reaccin mnima. La estructura I representa el hemo cataltico 1 en el estado oxidado, con nitrito enlazado. En la estructura II el hierro es reducido y se forma NO. La estructura III muestra la intermediario de hidroxilamina, y en el paso final el amonio es formado (estructura IV) y entonces es desalojado como un cation amonio
P. H. Kroneck, et al, Nature, 400(6743), 476-80 (1999)
A.S.P. 46
Protenas Fe-S
1. Rubridoxinas transferencia de electrones (bacterias)2. Ferredoxinas transferencia de electrones (animal,
bacteria, planta)
3. Nitrogenasas reduccin de N2 a NH3 (planta ybacterias)
Protenas con hierro sin otros ligantes
Transferrinas transporte de Fe (animal) Ferritinas almacenamiento de Fe (animal, planta,
bacteria)
protenas con hierro tipo no hemo:
24
A.S.P. 47
Los cmulos Fe-S participan en la reduccin de N2 del aire a NH3, fijacin de N2 o asimilacin de N2, con formacin adicional de H2.Este proceso se realiza por bacterias, las cuales viven en las raices de las
leguminosas, p.e. frijol, etc.
Funciones de las nitrogenasas, Cmulos Fe-S
La fotosntesis (asimilacin de CO2) y la fijacin de N2 son los procesos biolgicos ms elementales para la vida en la tierra.
h + NH3 + H2O + CO2 azucares + aminocidos + c. Nucleicos + O2(fitoesqueleto) (protenas) (DNA)
A.S.P. 48
Proceso energtico en las nitrogenasas
metalo-enzimas que catalizan la siguiente reaccin:
La molcula N2 es una de los mas estables en la naturaleza. Las Nitrogenasas rompe este enlace bajo condiciones ambientales lo cual es de gran inters en la industria, agricultura y en estudios de ciencia bsica.
N2 (g) + 3 H2 (g) 2NH3(g)>400oC, >100 bar
Cat MOxIndustrial
N2 + 8 H+ + 8 e- 2 NH3 + H2
16 ATP4- + 16 H2O
16 ADP3- + 16 H2PO4-
Probables intermediarios:
N2 N2H2 N2H4 2 NH3
Biolgico
25
A.S.P. 49
cmulos [2Fe-2S] los dos tomos de hierro estn puenteados por dos tomos de azufre inorgnicoy ligado a cuatro cisteinasdel la cadena poli pptica
cmulos [2Fe-2S] los dos tomos de hierro estn puenteados por dos tomos de azufre inorgnicoy ligado a cuatro cisteinasdel la cadena poli pptica
cmulos [4Fe-4S] los cuatros tomos de hierro estn unidos a cuatro cisteinas y forman una estructura cbica con los cuatro tomos de azufre inorgnico.
cmulos [4Fe-4S] los cuatros tomos de hierro estn unidos a cuatro cisteinas y forman una estructura cbica con los cuatro tomos de azufre inorgnico.
Cmulos [3Fe-4S] un tomo de hierro del cmulo [4Fe-4S] esta ausente.
Cmulos [3Fe-4S] un tomo de hierro del cmulo [4Fe-4S] esta ausente.
Ferredoxinas
Protenas solubles hierro- azufre cidas, de bajo peso molecular, transportadoras de cmulos hierro azufre en la cual el hierro esta parcialmente coordinado por azufre (NC 4, td).Los cmulos hierro azufre;facilitan la transferencia electrnica (oxido reduccin)contribuyen a funciones catalticas.
En muchas sistemas, el hierro esta enlazado a azufre (s) de residuos de cisteina de la cadena polipeptdica y tambin a azufre inorgnico en los cmulos de hierro.
A.S.P. 50
Fe-Mo nitrogenasa = fierroprotena + fierromolibdenoprotena
FeS
Fe S
S Fe
Fe
S
S
Fe
Scis
OSer
S
Scis
cis
cis
S Fe
Fe S
S
FeS
Scis
Scis
hierroprotena = responsable para la transferencia de un electrn haca la fierromolibdenoprotena.
Funcin de las nitrogenasas
26
A.S.P. 51
Fe-Mo nitrogenasa = fierroprotena + fierromolibdenoprotena
Fe S
S Fe
FeS
FeSCys S
S
MoS
SFe
Fe S
Fe
O
S
O
N
O
CH2COO-CH2CH2COO-
His(R) homocitrate
hierromolibdenoprotena = responsable de la reduccin del N2 (tambin conocida como cofactor FeMo o FeMo-co)
Funcin de las nitrogenasas
J.B. Howard, D.C. Rees, Chem. Rev. 96 (1996) 2965; S.M. Mayer, D.M. Lawson, C.A. Gormal, S.M. Roe, B.E. Smith, J. Mol. Biol. 292 (1999) 871; F. Barriere, Coordination Chemistry Reviews, 236,71 (2003).
A.S.P. 52
Ferritinas
Sistemas hierro -carboxilato
27
A.S.P. 53
Complejos con cobalto
El cobalto presente en el organismo esta presente principalmente como cobalaminas
A.S.P. 54
N
NN
N
R'
R'' Me
R''
Me
R''adenosilo
R'
Me
Me R'
MeMe
Me
CoN
NN
NH
adenosilcobalamina
III R' = CH2ONH2R'' = CH2CH2CONH2
corina
Complejos con cobalto (cobalamina)
Adenosilcobalamina = corina + grupo adenosilo
28
A.S.P. 55
N
N
Me
Me
O
OP
O
CoN
NN
N
R'R'' Me
R''
MeR''
R'
Me
Me R'
MeMe
Me
R
HOCH2
CH2
CH2
NH
CH2CH
O
OMe
H
O
OH
R = CN-
vitamina B12
1. El grupo R se puede sustituir por otros grupos orgnicos, p.e. Me, o molculas inorgnicas, p.e. H2O (aguacobalamina),
2. Acuocobalamina ayuda en el caso de intoxicaciones con CN-
3. Con grupos R orgnicos cobalaminas se pueden reducir: CoIII CoII CoI
agente reductor fuerte4. Catlisis de rearreglos, p.e.
Isomerizacin del cido glutmico
Complejos con cobalto (cobalamina)
A.S.P. 56
1. Participa en la formacin de los eritrocitos en la mdula.
2. Participa en la conduccin de impulsos nerviosos.
3. Influencia en el proceso de crecimiento
Cobalaminas no se pueden sintetizar por el hombre parte de la alimentacin ( 0.1 g diarios, p.e. vitamina B12). Problema para vegetarianos: no hay cobalaminas en plantas
Deficiencia de cobalaminas se expresa por nerviosismo, disturbio de sentimientos y parlisis
Complejos con cobalto (cobalamina)
N
N
Me
Me
O
OP
O
CoN
NN
N
R'R'' Me
R''
MeR''
R'
Me
Me R'
MeMe
Me
R
HOCH2
CH2
CH2
NH
CH2CH
O
OMe
H
O
OH
R = CN-
vitamina B12
29
A.S.P. 57
Complejos con magnesio
A.S.P. 58
Funciones de la clorofila:1. Participa en el proceso de fotosntesis (asimilacin de
CO2), M. Calvin, premio Nobel de qumica 19612. Provee energa a travs de la absorcin de luz (energa
electromagntica) excitacin * ( = 680-700 nm).Esta energa se transforma posteriormente en energa qumica
(ATP, NADP).
N
NN
N
Me
CH=CH2 Me
Et
Me
RO2CCH2CH2
Me
OMeO2C
Mg
N
NN
NHH
clorofila a
clorina = 7,8-dihidroporfina
7
8
Complejos con magnesio (clorofila)
30
A.S.P. 59
Complejos de Zinc
Segundo elemento metlico mas abundante en el organismo despus de hierro (2g por 70 Kg de peso corporal) y se requieren de 10 20 mg de zinc en la ingesta diaria
A pH fisiolgico esta presente como [Zn(H2O)6]2+;9Diamagntico9Incoloro9d10 (No tiene efecto de campo cristalino)9cido de Lewis (p/hidrlisis)
Forma enlaces cinticamente inertes (histidina) a diferencia de Mg2+, Mn2+ HS, Fe2+ o Co2+No es activo a reacciones redox (transferencia electrnica)Es capaz de hidrolizar molculas de aguaprefiere numero de coordinacin bajo (4 o 5), no impone una restriccin en la geometra para catlisis enzimtico
A.S.P. 60
Complejos de zinc
Otras funciones:9Fijacin estructural de conformacin de protenas,9Estabilizacin de insulina,9Estabilizacin de complejos hormona-receptor9Factores de regulacin de la trascripcin (dedos de zinc)
Uso para desordenes del crecimiento humano(Interaccin entre Zn y las hormonas del crecimiento)
transferencia de informacin gentica
Hay mas de 300 protenas diferentes de Zinc que catalizan la conversin metablica de protenas, cidos nucleicos, lpidos, precursores de porfirinas, entre otros importantes compuestos bio-orgnicos.
31
A.S.P. 61
Complejos de Zinc
Zn intestino
[Zn-Alb]
Tejidos perifricos
msculo
huesoHgado
Zn
funcionesReserva dinmica
Zn [Zn-2-MG]Alb; albumina2-MG;macroglobulina
A.S.P. 62
Complejos de zinc
I
III
III
III
III
tipo
Funcin estructural2 Cys, 2 HysFactor de trascripcin
Desproporcin de O-22 Hys, 1 2-Hys, 1 AspSuperoxido dismutasa (SOD)
Hidrlisis de esteres fosfato (pHopt=8)
2 Hys, 1 2-Asp, 1 H20Alcalin-fosfatasa
Hidrlisis del C-terminal
2 Hys, 1 2-Glu, 1 H20Carboxipeptidasa A
Oxidacin de alcoholes 1ros y 2rios va NAD+
2 Cys, 1 Hys, 1 H20Alcohol deshidrogenasa(ADH)
hidrlisis2 Hys, 1 2-Glu, 1 H20termolisina
hidrlisis3 Hys, 1 H20carboanhidrasa
funcinligantesprotena
Existen protenas de zinc en los 6 tipos de metalo-enzimas
32
A.S.P. 63
Los dedos de zinc
Las proteinas conocidas como los dedos de Zinc son las proteinas mas abundantes en genomas de eucariontes. Sus funciones son extraordinariamente diversas e incluyen reconocimiento del DNA, empacamiento del RNA, activacin de la transcripcin, regulacin de la apoptosis, plegado y ensamble de protenas y lpidos inding.
Las estructuras de los dedos de Zinc son tan diversas como sus funciones. Desde que la estructura de un dedo de zinc simple fue reportado en 1989*, diversas estructuras han sido reportadas recientemente mostrando nuevos dominios y nuevas topologias, dando informacion importante sobre la relacion estructura - funcin.
Estos nuevos estudios estructurales sobre ambientes que contienen el clasico ambiente de Cys2His2 en los dedos de zinc han dado nuevas guias sobre el mecanismo de union al DNA asi como un mejor entendimiento de su funcion en la regulacin de la transcripcin.
* Lee MS, Gippert GP, Soman KV, Case DA, Wright PE: Three-dimensional solution structure of a single zincfinger DNA-binding domain. Science, 245, 635-637, 1989.
A.S.P. 64
Cobre y las proteinas con cobre
Segundo elemento metlico con mas funciones bioqumicas en el organismo despus de hierro debido posiblemente a su reciente incorporacin al metabolismo de los seres vivos
Segundo elemento metlico con mas funciones bioqumicas en el organismo despus de hierro debido posiblemente a su reciente incorporacin al metabolismo de los seres vivos
Un adulto sano contiene en promedio 110 mg y se requieren de 2 mg de cobre en la ingesta diaria
En el organismo, el cobre esta presente principalmente en el sistema seo (46 mg), en los msculos (26 mg), en el hgado (10 mg), el cerebro (9 mg), la sangre (6 mg), los riones (3 mg) y el corazn (1.5 mg).
33
A.S.P. 65
cobre y las proteinas con cobre
A pH fisiolgico esta presente como Cu(I) el cual es un cido de Lewis blando, diamagntico, incoloro, no tiene efecto de campo cristalino (d10) y presenta nmeros de coordinacin bajos (2, 3 y 4)
En medios biolgicos, el cobre esta presente como Cu (I) y Cu(II)
La estabilidad relativa de ambos estados de oxidacin esta modulada por el ambiente proteico
Cu2+ + e- Cu+ E Cu (II) / Cu(I) = 200 800 mVE (ac) = 153 mV
tetradrico
L
ML L
L
L
ML L
L
tetradrico
A.S.P. 66
cobre y las proteinas con cobre
Cu(II);es un cido de Lewis intermedio paramagntico (1 e- desapareado) presenta color (azul o verde)presenta distorsiones de la geometra ideal (Jahn - Teller, d 9 )nmeros de coordinacin 4, 5 y 6Dan lugar a un tipo de espectro EPR caracterstico
tetradrico
L
MLL L
L
ML
L
L
L cuadrado plano
bipirmide trigonalpirmide con
base cuadrada
L
ML
L
L
L
L
ML L
L
34
A.S.P. 67
cobre y las proteinas con cobre
Las principales funciones de cobre en los sistemas biolgicos;9Transporte de di -oxgeno9Transferencia electrnica en la fotosntesis9Participacin en el metabolismo de di -oxgeno (oxidasas y oxigenasas)9Desactivacin de metabolitos peligrosos
Desarrolla funciones similares a hierro, sin embargo presenta algunas diferencias;No necesita coordinarse a ligantes porfirinicos para integrarse en el centro activo de la protenaEs mas oxidante que el par Fe(II)/Fe(III)La mayora de sus bio-molculas son extracelulares (p.e. Suero sanguneo)
A.S.P. 68
Proteinas con cobre
Para muchas ferro-protenas, existe su anloga protena con cobre
Nitrito reductasaconteniendo Cu
Nitrito reductasa conteniendo hemo (h)
Reduccin de NO2-
speroxido dismutasas(Cu, Zn) de eritrocitos
Peroxidasas (h)speroxido dismutasasbacterianas (nh)
antioxidante
Protenas azules de CuCitocromos (h)Transferencia de e-
Amino oxidasasPeroxidasas (h, nh)Oxidasa
Tirosinasa Quecentinasa(dioxigenasa)
Citocromo P-450 (h)Metano monooxigenasa (nh)Catecol dioxigenasa (nh)
Oxigenacin
HemocianinaHemoglobina (h)Hemoritrina (nh)
Transporte de O2
Protena con cobreProtena con hierroFuncin
35
A.S.P. 69
centros clsicos de cobre en protenas *
* ref. 9
Cu(II) + e- Cu (I)(EPR/ENDOR)
Transferencia electrnica reversible
Centros azules de cobre(max = 450w y 600 nm)
Itipo
Inactivo a EPR (acoplamientoantiferromagntico)
EPR normal de Cu(II)
Catlisis y transporte de oxigeno (hemocianina, tirosinasa)
Activacin de O2 a partir de Cu(I) en cooperacin con coenzimas
Dmeros de cobre(max = 350 - 600 nm)
Centro normal de cobre
IIIII
NN
SCuS
N
N
[His]
[His]
[Met]
[Cys]
NN
Cu
N
N
OH2
NN N N Cu
N
N
(X)
N
N
NNCu
N
N
N
N
A.S.P. 70
Estructura Cristalina de Plastocianina
Estructura cristalina de plastocianina (PDB code 1PLC) y una vista expandida de la estructura geomtrica y electrnica de el sitio activo.
36
A.S.P. 71
Nuevos centros de cobre en protenas *
Caractersticas de nuevos centros de cobre en protenas (ref. 1)
Inactivo a EPR
Regulacin, almacenamiento y transporte
octmero de cobre (I)
Cu-MT
EPR normal de Cu(II)
Activacin de O2(Ascorbato oxidasa)
(2 + 3)tipo
EPR normal de Cu(II)
nitroso oxido reductasa
Transferencia de e-(citocromo c oxidasa)
Cmulo de cobre con un puente 4-sulfuro
Centro dinuclearCentros prpura de cobre (max = 480, 530 y 800w nm)
Cu ZCuA
Cu S
S
Sn
[cys]
[cys][cys]
N Cu
N
(OH)
N
NCu
N
N
N
OH2CuN
N[His] [His][His]
[His]
[His]
[His][His]
[His]
[His]
NCu
N S
S
NCu
N[met]
[His]
[cys][His]
[cys]
A.S.P. 72
Centros de CuZRepresentacin esquemtica de los centros CuZ de N2OR con sus ligantes. A) el centro original de CuZ en Pn N2OR propuesto por Brown et al. (5). B) el centro revisado de CuZ en Pn N2OR. La distancia media de las seis molculas de en P. nautica (A y B) estn indicadas en ngstroms, y las desviaciones estn dadas entre parntesis (centsimas de ngstroms); la naturaleza del ligante con oxigeno no ha sido definida (OH or O2 ), por lo que se seala entre parntesis. C) el centro de CuZ en Pd N2OR. Las distancias interatmicas dentro del cmulo de CuZ del monomero con mejor definicin estan indicados en ngstroms para A y B, respectivamente.
K. Brown , K. Djinovic-Carugo, T. Haltia , I. Cabrito, M. Saraste, J. J. G. Moura, I. Moura, M. Tegoni, Ch. Cambillau, J. Biol. Chem., 275, 41133, 2000.
37
A.S.P. 73
Proteinas con cobre
Oxidacin de alcoholes en fungi
IIOxidasas no-azules (O2 2 H2O)Galactosa oxidasa
o-hidroxilacin de fenoles y oxidacin subsecuente a o-quinonas en pulpa de frutas
IIIMonooxigenasas (O2 H2O + sustrato-O)Tirosinasa
Oxidasas azules (O2 2 H2O)Ascorbato oxidasa
Transferencia de electrones (Cu I CuII + e-)plastocianina
Funcin y propiedades tpicas
Oxidacin de ascorbato a dihidroascorbato en plantas
I(E=0.4V)
Participacin en la fotosntesis de plantas
I(E=0.2-0.4V)
reactividadTipo
A.S.P. 74
Proteinas con cobre
EritrocitosIIDegradacin de superoxido (2 O2 - O2 + O2 2-)Superoxido dismutasa Zn, Cu
Transporte de Hemolimp en moluscos y artrpodos
IIITransporte de dioxgenohemocianina
Funcin en el ciclo del nitrgenoNitrito reductasaN2O reductasa
Oxidasa terminal (O2 2 H2O)Citocromo c oxidasa
Dioxigenasas (O2 2 sustrato-O)Quercentinasa
Funcin y propiedades tpicas
Reduccin de NitritoReduccin de N2O a N2 en el ciclo de nitrgeno
2 CuA
Parte final de la cadena respiratoria
Ruptura oxidativa de quercentina en fungi
II
reactividadTipo
38
A.S.P. 75
Biomineralizacin
A.S.P. 76
Otros metales de interes biolgico
Control de peso y desarrollo muscular (2do suplemento mineral mas vendido en EUA).
Picolinato de cromoPicolinato de cromo
(III)
Droga citotxicacisplatinocis-[Pt(NH3)(Cl)2]
Usado en anormalidades del corazncardiolite
[Tc(CNR)6]+, [R=CH2C(CH3)2OMe]
Suplemento alimenticioZ-spanZnSO4.H2O
Anti perspiranteGlicinato de Zr(IV)
imaging NMRMagnevista[Gd(DTPA)] 2-
AntimicrobialLocin de CalaminaOxido o carbonato de Zinc
Antibacterial para quemaduras gravesflamazinaSulfadizina de Ag(I)
ObservacionesNombre comercial
Compuesto
N
NNH2 SN
OO
Sulfadiazina
NO
O
NO
O
2 2
DTPA
Christiana Xin Zhang, Stephen J.Lippard, New metal complexesas potential therapeutics, Current Opinion in Chemical Biology, 7, 481, 2003.
39
A.S.P. 77
Otros metales de interes biolgico ....continuacin
diabetes mellitusTipo II [V(haloperoxidasas)]
Anti-artrticomiocrisina[Au(CH2(CO2-)CH(CO2-) S)]
Droga citotxica de platino (2da Gen)carboplatinoCis-[Pt(NH3)(OR)2]
Agente oral para artritis reumatoideAuranofin[Au(SR)(PEt3)]
trata,miento de cncer de colonBudotitanioCis-[Ti(AcBz)(Oet)2]
ObservacionesNombre comercial
Compuesto
PtO
O
H3N
H3NO
O
O
OTi
O
O
O SAu
OAc
AcO
OAcOAc
PEt3
O
O
AcO=
A.S.P. 78
Algunos metales presentes en sistemas biolgicos
NaNa MgMg
KK CaCa VV CrCr ZnZnCuCuNiNiCoCoFeFeMnMn
MoMo
HH
WW
EsencialEsencial
PtPt AuAu
AgAg
BiBi
LiLi
SnSnTcTc
GdGd
Con valor clnicoCon valor clnico
HgHg
CdCd
TiTi PbPb
BeBe
AlAl
TxicoTxico
SrSr
BaBa
RuRu SbSb
AsAs
CC NN
ClCl
FFOO
PP SS
40
A.S.P. 79
1. J. Faus, E. Garca -Espaa, J. Moratal, Introduccion a la qumicaBioinorgnica, coord. por M. Vallet, Sintesis (Farmacia 15), 2001.
2. J. S. Casas, V. Moreno, A. Snchez, J. L. Snchez, J. Sordo, QumicaBioinorgnica, Sintesis (bibliotecas de qumica 6), 2001.
3. Rodgers, G. E., Qumica inorgnica; introduccin a la qumica de coordinacin, del estado slido y descriptiva, Mc Graw- Hill,1995.
4. J. J. R. Frausto Da silva , R. J. P.Williams, Biological chemistry of the elements, Oxford Univ. Press, 2001.
5. J. E. Huheey, E. A. Keiter, R. L. Keiter, Inorganic Chemistry, Harper Collins, 1993.
6. W. W. Porterfield, Inorganic chemistry; a unified approach, Academic press, 1993.
7. G. L. Miessler, D. A. Tarr, Inorganic Chemistry, Prentice Hall, 1999.8. D. F. Shriver, P. W. Atkins, C. H. Langford, Inorganic Chemistry, Oxford
Univ. Press, 1994.9. P. C. Wilkins , R.G. Wilkins, Inorganic Chemistry in Biology, Oxford
Univ. Press (Oxford Chemistry Primers 46), 1997.
Bibliografa
A.S.P. 80
9. J. A. Cowan, Inorganic Biochemistry: an introduction), Wiley-VCH, 1996.10. I. Bertini, H. B. Gray, S. J. Lippard, J. S. Valentine, Bioinorganic
Chemistry, Univ. Sci. Books, 1994.11. W. Kaim, B. Schwederski, Bioinorganic Chemistry: inorganic elements in
the chemistry of life, un introduction and guide, Wiley (Inorganic Chemistry a textbook series), 1994.
12. J. Reedijk, E. Bouwman, Bio-inorganic Catalisis, 2th edic, Marcel Dekker, 1999.
13. I. Bertini, A. Sigel, H. Sigel, Handbook of metalloproteins, Marcel Dekker, 2001.
14. Messersmith (editor), Handbook of metalloproteins, Wiley, 2003.15. Memorias de Seventh International Symposium on Applied Bioinorganic
Chemistry, Guanajuato, Mxico, 2003.
Bibliografa
* Chemical Reviews, Vol 96, No. 11, 1996 (Bioinorganic Enzymology).Vol 104, No. 2, 2004 (Biomimetic Inorganic Chemistry).
41
A.S.P. 81
Base de datos de grupos prostticos y iones metlicos en sitios activos de proteinas (PROMISE)
9 http://metallo.scripps.edu/PROMISE/SITES_LIST.html9 http://www.chem.sunysb.edu/koch/BioWWW.html
Paginas web del protein data bank9 http://pdb.ccdc.cam.ac.uk/pdb/index.html9 http://www.wwpdb.org/index.html9 http://www.rcsb.org/pdb/index.html
Clasificacin estructural de proteinas (SCOP)9 http://scop.mrc-lumb.cam.ac.uk/scop/
Paginas web de la IUPAC, Divisin Quimica bioinorganica9 http://www.chem.qmul.ac.uk/iupac/bioinorg/
Sitio de la fundacion Nobel (premio Nobel)9 http://www.nobel.se/index.html
Algunos sitios web recomendados
A.S.P. 82
Gracias
Por su atencin