Los metales en los sistemas biológicos Química...
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Los metales en los sistemas biológicos
Los metales en los sistemas Los metales en los sistemas biológicosbiológicos
Química General (QFB)Química General (QFB)Química General (QFB)
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Química Bioinorgánica
Química Bio-inorgánica?
1828, Síntesis de WohlerCianuro de sodio “inorgánico” → urea “orgánica”
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).
Química orgánica
Bioquímica clásica
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Metales presentes en sistemas biológicos
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Metales presentes en sistemas biológicos
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
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Metales en sistemas biológicos
Papel del metal en los sistemas biológicos;Soporte estructural de un ambiente orgánicoCatálisis, redox o ácido- base, de ligantesTransportadores de cargaFotorreceptoresTransporte de ligantes,
Para que el metal realice su función en el sitio adecuado se necesitan también proteínas que lleven a cabo el transporte y almacenamiento de metales
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La química bioinorgánica hoy en día
física
Farm
acol
ogía
fisiología
Químicainorgánica
bioquímica
toxicología
Química bioinorgánica
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Química Bioinorgánica
Química bio-inorgánica, en su sentido más amplio, es el estudio de la participación de cualquier elemento “inorgánico” (diferente a C, H, N, O, “S y P”) en los procesos biológicos.
Química bioinorgánica; estudio del elemento inorgánico (freq. Metal) en la macromolécula biológicaBiomimesis; modelaje de sistemas y procesos biológicos
Diseño sintético de moléculas (estructural)Desarrollo de procesos químicos (funcional)
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Métodos instrumentales utilizados en química bioinorgánicaRadiación Electromagnética
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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 δmm/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
Möss-bauer
14000
Métodos instrumentales utilizados en química bioinorgánicaTécnicas Espectroscópicas
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Información obtenida de diversas técnicas espectroscópicas
•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.
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Estructura de Cobre A
Cu-Cu; Cu-S; Cu-Ndistances; metal coordination numbers
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Química Bioinorgánica
Química Bio-inorgánica 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 ínteres biológicoh) biomineralización
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VI
V
IV
III
II
I
Tipo
Ínter conversión de isómeros, p.e formas ópticas (racemasas)Isomerasa
Adición o remoción de un grupo, pe. H2O (Hidrotasas)Liasa
Amplia variedad de reacciones de oxido - reducciónOxido reductasa
Formación de enlace asociado a ruptura de ATPLigasa
Hidrólisis, p.e enlace peptídico (peptídasas y proteasas), esteres fosfato (fosfátasas)
Hidrolasa
Transferencia de grupos funcionales de un sustrato a otro, pe. Kinasa, las cuales ayudan en la transferencia de un grupo fósforil entre ADP y ATP
Transferasa
Reacción catalizada
P. C. Wilkins, ref. 8, pag 27.
Tipos de metalo-enzimas
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¿Qué es química de coordinación?
Metal o Catión Metálico
+ Ligante (neutro o anión)
Complejo o Compuesto de Coordinación
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Z + :L Zn Ln
Electroaceptor Electrodonador
Enlace covalente coordinado
Enlazamiento: Z : L o Z Lδ- δ+
(Ácido de Lewis) (Base de Lewis)
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Ácido + :Base Aducto (Lewis)
Mn+ + 6 :L-x
Enlace covalente coordinado
Numero de coordinación (NC); número de átomos donadores (ligantes) directamente enlazados al átomo central
Mn+ + 5 :L -x
Mn+ + 4 :L -x
[M(L)6](n-x)+
[M(L)5](n-x)+
[M(L)4](n-x)+
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Mn+ + 6 :L M : LL :
L
L
: L
L :. .
. .
LL
L
L
L
L
Arreglo octaédrico
Enlace covalente coordinado
Arreglo geométrico de los ligantes alrededor del átomo central
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Mn+ + 4 :L tetraédrico
Otras geometrías presentes
Mn+ + 5 :L
L
ML L
L
L
MLL L
L
ML
L
L
Lcuadrado plano
bipirámide trigonal
pirámide con base cuadrada
L
ML
L
L
L
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Teoría ácido base duros y blandos (ABDB) de Pearson
Basada en la definición Ácido -Base de Lewis
Duro; especies de carga (positiva) alta y tamaño pequeño
Blando; especie de carga (positiva) pequeña y/ tamaño grande
Ácido
Dura; especies de carga (negativa) pequeña y tamaño pequeño
Blanda; especie de carga (negativa) alta y/ tamaño grande
Base
Interacción ácido- base favorableDuro – duro Iónica
Blando - blando covalente
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Radio atómico y iónico (propiedades periódicas)
Dentro de un mismo periodo, el radio atómico disminuye conforme el numero atómico aumenta.
Los radios atómicos de los elementos del segundo periodo siguen la siguiente tendencia:
Li > Be > B > C > N > O > F
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Radio iónico (propiedades periódicas)
El radio de un ión positivo es menor que el del átomo neutro, el cual a su vez es mas chico que el de la especie con carga negativa (anión). Así, el tamaño de los átomos tienen el siguiente orden :
S2- > Cl- > Ar > K+ > Ca2+ > Al3+ > Ti4+
bases de Lewis ácidos de LewisBlandos DurosBlandos Duros
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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
baseácidotipo
Clasificación de ácidos y bases duros y blandos
Interacción ácido- basefavorable
Duro – duro Iónica
Blando - blando covalente
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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; aminoácidos (proteínas)
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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)
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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
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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 iónes desde 1.92 a 2.07 Å
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Modos de enlace metal –cadena lateral
CH2
C
OO
HH2N
O
O
CH2
C
OO
HH2N
O
O
CH2
C
OO
HH2N
O
O
CH2
CH
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.
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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)
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Complejos con hierro
Es el metal de transición mas abundante en el organismo (4-2 –6.1 g por 70 Kg de peso corporal).
Es el metal de transición 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 él 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 ósea se estima una concentración de 20 –25 mg / día para la síntesis 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 proteínas hemo y no hemo < 1%
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Complejos con hierro
El hierro presenta estados de oxidación desde –I hasta +VI, sin embargo los estados de oxidación relevantes en medios biológicos son el Fe (II) y el Fe(III).
En solución acuosa, el hierro (II) es oxidado fácilmente por el oxigeno disuelto
[Fe(H2O)6]3+ + e- ⇔ [Fe(H2O)6]2+ E Fe (III) / Fe(II) = 771 mV
1/2 O2 + 2 H+ + 2 e- ⇔ H2O E (ac) = 1229 mV
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El hierro (II) presenta las siguientes características:•Es un sistema d6
•Es un ácido de Lewis “intermedio”•Es paramagnético, 4 e- desapareados (4.9 – 5.5 MB)•Sus sales son mas solubles que las de Fe(III)•Se oxida fácilmente en presencia de oxígeno•Forma complejos, normalmente octaédricos y de alto espín•La hidrólisis del acuo- complejo prácticamente 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) así como su alta afinidadpor ligantes nitrogenados (ácidos intermedios)
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Complejos con hierro
M : LL :
L
L
: L
L :. .
. .
El hierro (III) presenta las siguientes características:•Es un sistema d5
•Es un ácido de Lewis “duro”•Es paramagnético, 5 e- desapareados (5.92 MB)•Sus sales son menos solubles que las de Fe(III)•Forma complejos, normalmente octaédricos y de alto espín•Su acuo- complejo sufre reacciones de hidrólisis
[Fe(H2O)6]3+ + H2O → [Fe(OH)3] ↓ + H3O+ K ps = 2 x 10-39
En general, Fe(III) forma complejos más estables que Fe(II) así también es más afín a ligantes oxigenados (ácidos duros) que a ligantes N-donadores
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Las funciones biologicas mas conocidas de las proteinas con hierro son:Transporte y almacenamiento de oxígenoProcesos de transferencia de electronesActivación de di-oxígeno y di-nitrógeno
Grupos de proteínas con hierro:
1. Tipo hemo; Proteínas con un complejo hierro-porfirina
2. Tipo no hemo
a) Cúmulos Fe-S
b) Proteínas con ligantes simples (carboxilato)
Complejos con hierro
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Transporte y almacenamiento de hierro
Para que el hierro contribuya a las propiedades biológicas de laproteínas debe haber mecanismos que lo lleven a sus diversos sitios de acción.
Proteínas que permitan el fácil acceso y transportación de hierro. Además eviten la reacción con oxígeno que generaría especies peligrosas para el organismo (peróxidos y radicales súper-oxido).
Sideroforos (microorganismos aerobios);
Hidroxixamatos
Catecolatos
Transferrinas (mamíferos);
ferritinas
hemosiderina
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Transporte de di-oxígeno
Para que el di-oxigeno reaccione con la glucosa para generar energía que los organismos utilizaran en su funcionamiento debe haber unmecanismo que transporte el di-oxígeno a los lugares donde se lleva a cabo la siguiente reacción.
Hemoglobina
Hemocianina (artrópodos y moluscos, Cu)
Hemeritrina (algunos invertebrados marinos)
6 O2 + glucosa (C6H12O6) → 6 CO2 + 6 H2O + ∆
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N
NN
N
M
N
NN
N
H HN
H
porfina (por)
2-
metaloporfina
pirrol
Porfirina = porfina con sustituyentes
Metaloporfirinas
19
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1. Hemoglobina → transporte de O2 (animal)2. Mioglobina → almacenamiento de O2 (animal)
3. Citocromos → transferencia de electrones (animal, bacterias, plantas)
4. Oxigenasas → reacciones de oxigenación con O2
5. Oxidasas → reducción de O2 a O2-, O2
2-, O2-
6. Peroxídasas → reacciones de oxidación con H2O2
7. Catalasas → desproporción de H2O2 en H2O y O2
Hemoproteinas
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1. Transporte de O2 del pulmón a la mioglobina en los músculos
2. Transporte del CO2 producido por la oxidación metabólica de la glucosa en el músculo al pulmón
N
NN
N
Me
CH=CH2 Me
CH=CH2
Me
CH2CH2CO2HHO2CCH2CH2
Me
Fe
grupo hemo
Hemoglobina
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Desoxihemoglobina + O2 → Oxihemoglobina
Fe
N
NN
N
N
N
H proteína
FeN
NN
N
N
N
H proteína
OOdesoxihemoglobina
+ O2
- O2
oxihemoglobina
Hys-93
La facilidad de oxigenación se ve afectada por el pH (efecto Bohr, pH opt = 6.2), CO2, 2, 3-D-difosfoglocerato (DGP) y Cl-
PDB: 4HHB
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Hemoglobina = Fe2+ + protoporfirina + globina
Estructura de la hemoglobina
PM= 64.5 Kda
Formada por 4 sub-unidades (α1,α2, β1 y β2) , c/u conteniene un grupo hemo, de 141(α) y 146 (β) residuos de aa.
21
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1. Protege al Fe2+ de la oxidación a Fe3+ (rodea el grupo hemo). Hemo sin proteína se oxida a la hematina (Fe3+)
2. Es hidrofílica en su parte exterior ⇒ solubilidad en H2O.
3. Apoya a la coordinación de las moléculas de O2 a los 4 grupos hemo ⇒ se distorsiona cuando se adiciona al primer grupo hemo y abre las bolsas con los demás grupos hemo.
4. Algo similar sucede en el músculo ⇒ alta concentración de CO2 estimula la separación de O2 de los grupos hemo.
Funciones de la Globina (proteína)
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Se coordinan más fuertemente al grupo hemo que O2.
FeN
NN
N
N
N
H proteína
CO
Toxicidad de CN-, CO, PF3:
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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 átomos de hierro rodeados por cuatro cadenas proteicas.
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Almacenamiento de di-oxígeno
Mioglobina: es una metalo-proteína que sirve para almacenar el di-oxígeno en los tejidos musculares de los vertebrados pero también facilita la difusión del oxígeno a las mitocondrias con el objeto de alimentar la cadena respiratoria
Miohemeritrina (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 -oxígeno.Las formas oxi- y desoxi-Mb contienen Fe (II) en tanto la forma meta- contiene Fe(III) y no es capaz de liberar di -oxígeno.
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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 enzimática. b, A esquema de reacción mínima. La estructura I representa el hemo catalítico 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)
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Proteínas Fe-S
1. Rubridoxinas → transferencia de electrones (bacterias)
2. Ferredoxinas → transferencia de electrones (animal, bacteria, planta)
3. Nitrogenasas → reducción de N2 a NH3 (planta ybacterias)
Proteínas con hierro sin otros ligantes
• Transferrinas → transporte de Fe (animal)
• Ferritinas → almacenamiento de Fe (animal, planta, bacteria)
proteínas con hierro tipo no hemo:
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Los cúmulos Fe-S participan en la reducción de N2 del aire a NH3, fijación de N2 o asimilación de N2, con formación 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, Cúmulos Fe-S
La fotosíntesis (asimilación de CO2) y la fijación de N2 son los procesos biológicos más elementales para la vida en la tierra.
hν + NH3 + H2O + CO2 → azucares + aminoácidos + ác. Nucleicos + O2
(fitoesqueleto) (proteínas) (DNA)
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Proceso energético en las nitrogenasas
metalo-enzimas que catalizan la siguiente reacción:
La molécula N2 es una de los mas estables en la naturaleza. Las Nitrogenasas rompe este enlace bajo condiciones ambientales lo cual es de gran interés en la industria, agricultura y en estudios de ciencia básica.
N2 (g) + 3 H2 (g) 2NH3(g)>400oC, >100 bar
Cat MOx
Industrial
N2 + 8 H+ + 8 e- 2 NH3 + H2
16 ATP4- + 16 H2O
16 ADP3- + 16 H2PO4-
Probables intermediarios:
N2 → N2H2 → N2H4 → 2 NH3
Biológico
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cúmulos [2Fe-2S] los dos átomos de hierro están “puenteados” por dos átomos de azufre inorgánicoy ligado a cuatro cisteinasdel la cadena poli péptica
cúmulos [2Fe-2S] los dos átomos de hierro están “puenteados” por dos átomos de azufre inorgánicoy ligado a cuatro cisteinasdel la cadena poli péptica
cúmulos [4Fe-4S] los cuatros átomos de hierro están unidos a cuatro cisteinas y forman una estructura cúbica con los cuatro átomos de azufre inorgánico.
cúmulos [4Fe-4S] los cuatros átomos de hierro están unidos a cuatro cisteinas y forman una estructura cúbica con los cuatro átomos de azufre inorgánico.
Cúmulos [3Fe-4S] un átomo de hierro del cúmulo [4Fe-4S] esta ausente.
Cúmulos [3Fe-4S] un átomo de hierro del cúmulo [4Fe-4S] esta ausente.
Ferredoxinas
Proteínas solubles hierro- azufre ácidas, de bajo peso molecular, transportadoras de cúmulos hierro azufre en la cual el hierro esta parcialmente coordinado por azufre (NC 4, td).Los cúmulos hierro azufre;facilitan la transferencia electrónica (oxido reducción)contribuyen a funciones catalíticas.
En muchas sistemas, el hierro esta enlazado a azufre (s) de residuos de cisteina de la cadena polipeptídica y también a azufre inorgánico en los cúmulos de hierro.
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Fe-Mo nitrogenasa = fierroproteína + fierromolibdenoproteína
FeS
Fe S
S Fe
Fe
S
S
Fe
Scis
OSer
S
Scis
cis
cis
S Fe
Fe S
S
FeS
Scis
Scis
hierroproteína = responsable para la transferencia de un electrón hacía la fierromolibdenoproteína.
Función de las nitrogenasas
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Fe-Mo nitrogenasa = fierroproteína + fierromolibdenoproteína
Fe S
S Fe
FeS
FeSCys S
S
MoS
SFe
Fe S
Fe
O
S
O
N
O
CH2COO-CH2CH2COO-
His(R) homocitrate
hierromolibdenoproteína = responsable de la reducción del N2 (también conocida como cofactor – FeMo o FeMo-co)
Función 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).
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Ferritinas
Sistemas hierro -carboxilato
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Complejos con cobalto
El cobalto presente en el organismo esta presente principalmente como cobalaminas
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N
NN
N
R'
R'' Me
R''
Me
R''adenosilo
R'
Me
Me R'
MeMe
Me
CoN
NN
NH
adenosilcobalamina
III R' = CH2ONH2
R'' = CH2CH2CONH2
corina
Complejos con cobalto (cobalamina)
Adenosilcobalamina = corina + grupo adenosilo
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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
CH2
CH
O
OMe
H
O
OH
R = CN-
vitamina B12
1. El grupo R se puede sustituir por otros grupos orgánicos, p.e. Me, o moléculas inorgánicas, p.e. H2O (aguacobalamina),
2. Acuocobalamina ayuda en el caso de intoxicaciones con CN-
3. Con grupos R orgánicos cobalaminas se pueden reducir: CoIII → CoII → CoI
agente reductor fuerte4. Catálisis de rearreglos, p.e.
Isomerización del ácido glutámico
Complejos con cobalto (cobalamina)
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1. Participa en la formación de los eritrocitos en la médula.
2. Participa en la conducción de impulsos nerviosos.
3. Influencia en el proceso de crecimiento
Cobalaminas no se pueden sintetizar por el hombre ⇒ parte de la alimentación (≈ 0.1 µg diarios, p.e. vitamina B12). Problema para vegetarianos: no hay cobalaminas en plantas
Deficiencia de cobalaminas se expresa por nerviosismo, disturbio de sentimientos y parálisis
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
CH2
CH
O
OMe
H
O
OH
R = CN-
vitamina B12
29
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Complejos con magnesio
A.S.P. 58
Funciones de la clorofila:1. Participa en el proceso de fotosíntesis (asimilación de
CO2), M. Calvin, premio Nobel de química 19612. Provee energía a través de la absorción de luz (energía
electromagnética) ⇒ excitación π−π* (λ = 680-700 nm).Esta energía se transforma posteriormente en energía química
(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 metálico mas abundante en el organismo después de hierro (2g por 70 Kg de peso corporal) y se requieren de 10 –20 mg de zinc en la ingesta diaria
A pH fisiológico esta presente como [Zn(H2O)6]2+;DiamagnéticoIncolorod10 (No tiene efecto de campo
cristalino)Ácido de Lewis (p/hidrólisis)
Forma enlaces cinéticamente inertes (histidina) a diferencia de Mg2+, Mn2+ HS, Fe2+ o Co2+
No es activo a reacciones redox (transferencia electrónica)Es capaz de hidrolizar moléculas de aguaprefiere numero de coordinación bajo (4 o 5), no impone una
restricción en la geometría para catálisis enzimático
A.S.P. 60
Complejos de zinc
Otras funciones:Fijación estructural de
conformación de proteínas,Estabilización de insulina,Estabilización de complejos
hormona-receptorFactores de regulación de la
trascripción (dedos de zinc)
Uso para desordenes del crecimiento humano(Interacción entre Zn y las hormonas del crecimiento)
transferencia de información genética
Hay mas de 300 proteínas diferentes de Zinc que catalizan la conversión metabólica de proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, precursores de porfirinas, entre otros importantes compuestos bio-orgánicos.
31
A.S.P. 61
Complejos de Zinc
Zn intestino
[Zn-Alb]
Tejidos periféricos
músculo
huesoHígado
Zn
funcionesReserva dinámica
Zn [Zn-α2-MG]Alb; albuminaα2-MG;macroglobulina
A.S.P. 62
Complejos de zinc
I
III
III
III
III
tipo
Función estructural2 Cys, 2 HysFactor de trascripción
Desproporción de O•-22 Hys, 1 µ2-Hys, 1 AspSuperoxido dismutasa (SOD)
Hidrólisis de esteres fosfato (pHopt=8)
2 Hys, 1 η2-Asp, 1 H20Alcalin-fosfatasa
Hidrólisis del C-terminal
2 Hys, 1 η2-Glu, 1 H20Carboxipeptidasa A
Oxidación de alcoholes 1ros y 2rios vía NAD+
2 Cys, 1 Hys, 1 H20Alcohol deshidrogenasa(ADH)
hidrólisis2 Hys, 1 η2-Glu, 1 H20termolisina
hidrólisis3 Hys, 1 H20carboanhidrasa
funciónligantesproteína
Existen proteínas 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, activación de la transcripción, regulación de la apoptosis, plegado y ensamble de proteínas y lípidos 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 - función.
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 regulación de la transcripción.
* 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 metálico con mas funciones bioquímicas en el organismo después de hierro debido posiblemente a su reciente incorporación al metabolismo de los seres vivos
Segundo elemento metálico con mas funciones bioquímicas en el organismo después de hierro debido posiblemente a su reciente incorporación 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 óseo (46 mg), en los músculos (26 mg), en el hígado (10 mg), el cerebro (9 mg), la sangre (6 mg), los riñones (3 mg) y el corazón (1.5 mg).
33
A.S.P. 65
cobre y las proteinas con cobre
A pH fisiológico esta presente como Cu(I) el cual es un ácido de Lewis “blando”, diamagnético, incoloro, no tiene efecto de campo cristalino (d10) y presenta números de coordinación bajos (2, 3 y 4)
En medios biológicos, el cobre esta presente como Cu (I) y Cu(II)
La estabilidad relativa de ambos estados de oxidación esta modulada por el ambiente proteico
Cu2+ + e- ⇔ Cu+ E Cu (II) / Cu(I) = 200 – 800 mV
E (ac) = 153 mV
tetraédrico
L
ML L
L
L
ML L
L
tetraédrico
A.S.P. 66
cobre y las proteinas con cobre
Cu(II);•es un ácido de Lewis “intermedio” •paramagnético (1 e- desapareado) •presenta color (azul o verde)•presenta distorsiones de la geometría ideal (Jahn - Teller, d 9 )•números de coordinación 4, 5 y 6•Dan lugar a un tipo de espectro EPR característico
tetraédrico
L
MLL L
L
ML
L
L
L cuadrado plano
bipirámide trigonalpirámide 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 biológicos;
Transporte de di -oxígenoTransferencia electrónica en
la fotosíntesisParticipación en el
metabolismo de di -oxígeno (oxidasas y oxigenasas)
Desactivación 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 proteína•Es mas oxidante que el par Fe(II)/Fe(III)•La mayoría de sus bio-moléculas son extracelulares (p.e. Suero sanguíneo)
A.S.P. 68
Proteinas con cobre
Para muchas ferro-proteínas, existe su análoga proteína con cobre
Nitrito reductasaconteniendo Cu
Nitrito reductasa conteniendo hemo (h)
Reducción de NO2-
súperoxido dismutasas(Cu, Zn) de eritrocitos
Peroxidasas (h)súperoxido dismutasasbacterianas (nh)
antioxidante
Proteínas 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)
Oxigenación
HemocianinaHemoglobina (h)Hemoritrina (nh)
Transporte de O2
Proteína con cobreProteína con hierroFunción
35
A.S.P. 69
centros “clásicos” de cobre en proteínas *
* ref. 9
Cu(II) + e- → Cu (I)
(EPR/ENDOR)
Transferencia electrónica reversible
Centros “azules” de cobre(λmax = 450w y 600 nm)
Itipo
Inactivo a EPR (acoplamientoantiferromagnético)
EPR normal de Cu(II)
Catálisis y transporte de oxigeno (hemocianina, tirosinasa)
Activación de O2 a partir de Cu(I) en cooperación con coenzimas
Dímeros de cobre(λmax = 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 geométrica y electrónica de el sitio activo.
36
A.S.P. 71
“Nuevos” centros de cobre en proteínas *
Características de “nuevos” centros de cobre en proteínas (ref. 1)
Inactivo a EPR
Regulación, almacenamiento y transporte
octámero de cobre (I)
Cu-MT
EPR normal de Cu(II)
Activación de O2(Ascorbato oxidasa)
(2 + 3)tipo
EPR normal de Cu(II)
nitroso oxido reductasa
Transferencia de e-(citocromo c oxidasa)
Cúmulo de cobre con un puente µ4-sulfuro
Centro dinuclearCentros “púrpura” de cobre (λmax = 480, 530 y 800w nm)
Cu ZCuA
Cu S
S
Sn
[cys]
[cys][cys]
N Cu
N
(OH)
N
NCu
N
N
N
OH2
CuN
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 CuZ
Representación esquemática 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 moléculas de en P. nautica (A y B) están indicadas en Ångstroms, y las desviaciones están dadas entre paréntesis (centésimas de Ångstroms); la naturaleza del ligante con oxigeno no ha sido definida (OH or O2 ), por lo que se señala entre paréntesis. C) el centro de CuZ en Pd N2OR. Las distancias interatómicas dentro del cúmulo de CuZ del monomero con mejor definición estan indicados en Ångstroms 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
Oxidación de alcoholes en fungi
IIOxidasas no-azules (O2 → 2 H2O)Galactosa oxidasa
o-hidroxilación de fenoles y oxidación 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
Función y propiedades típicas
Oxidación de ascorbato a dihidroascorbato en plantas
I(E=0.4V)
Participación en la fotosíntesis de plantas
I(E=0.2-0.4V)
reactividadTipo
A.S.P. 74
Proteinas con cobre
EritrocitosIIDegradación de superoxido (2 O2 •- → O2 + O2
2-)Superoxido dismutasa –Zn, Cu
Transporte de Hemolimp en moluscos y artrópodos
IIITransporte de dioxígenohemocianina
Función en el ciclo del nitrógenoNitrito reductasaN2O reductasa
Oxidasa terminal (O2 → 2 H2O)Citocromo c oxidasa
Dioxigenasas (O2 → 2 sustrato-O)Quercentinasa
Función y propiedades típicas
Reducción de NitritoReducción de N2O a N2 en el ciclo de nitrógeno
2 CuA
Parte final de la cadena respiratoria
Ruptura oxidativa de quercentina en fungi
II
reactividadTipo
38
A.S.P. 75
Biomineralización
A.S.P. 76
Otros metales de interes biológico
Control de peso y desarrollo muscular (2do suplemento mineral mas vendido en EUA).
Picolinato de cromoPicolinato de cromo
(III)
Droga citotóxicacisplatinocis-[Pt(NH3)(Cl)2]
Usado en anormalidades del corazóncardiolite[Tc(CNR)6]+,
[R=CH2C(CH3)2OMe]
Suplemento alimenticioZ-spanZnSO4.H2O
Anti perspiranteGlicinato de Zr(IV)
imaging NMRMagnevista[Gd(DTPA)] 2-
AntimicrobialLoción de Calamina
Oxido 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 biológico ....continuación
diabetes mellitusTipo II [V(haloperoxidasas)]
Anti-artríticomiocrisina[Au(CH2(CO2-)CH(CO2
-) S)]
Droga citotóxica de platino (2da Gen)carboplatinoCis-[Pt(NH3)(OR)2]
Agente oral para artritis reumatoideAuranofin[Au(SR)(PEt3)]
trata,miento de cáncer 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 biológicos
NaNa MgMg
KK CaCa VV CrCr ZnZnCuCuNiNiCoCoFeFeMnMn
MoMo
HH
WW
EsencialEsencial
PtPt AuAu
AgAg
BiBi
LiLi
SnSnTcTc
GdGd
Con valor clínicoCon valor clínico
HgHg
CdCd
TiTi PbPb
BeBe
AlAl
TóxicoTóxico
SrSr
BaBa
RuRu SbSb
AsAs
CC NN
ClCl
FFOO
PP SS
40
A.S.P. 79
1. J. Faus, E. García -España, J. Moratal, “Introduccion a la químicaBioinorgánica”, coord. por M. Vallet, Sintesis (Farmacia 15), 2001.
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Base de datos de grupos prostéticos y iones metálicos en sitios activos de proteinas (PROMISE)http://metallo.scripps.edu/PROMISE/SITES_LIST.htmlhttp://www.chem.sunysb.edu/koch/BioWWW.html
Paginas web del protein data bankhttp://pdb.ccdc.cam.ac.uk/pdb/index.htmlhttp://www.wwpdb.org/index.htmlhttp://www.rcsb.org/pdb/index.html
Clasificación estructural de proteinas (SCOP)http://scop.mrc-lumb.cam.ac.uk/scop/
Paginas web de la IUPAC, División Quimica bioinorganicahttp://www.chem.qmul.ac.uk/iupac/bioinorg/
Sitio de la fundacion Nobel (premio Nobel)http://www.nobel.se/index.html
Algunos sitios web recomendados
A.S.P. 82
Gracias
Por su atención