Química Bioinorgánica. Una introducción


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1 Química Bioinorgánica Una introducción

2 Qué estudia: Interacción de iones metálicos con biomoléculas

3 Cuáles iones metálicos?

4 T A B L A P E R I Ó D I C A D E L O S E L E M E N T O S I A 1 18 IIA III A IV A V A VI A VII A 2 He 1 H Hidrógeno Li Be Na 12 Mg K Rb Cs Ca Sr Fr Ra Ba III B 3 21 Sc Y * ** IVB 4 V B 5 VI B 6 VII B 22 Ti V Cr Mn Zr Hf Nb Ta Mo W Tc Re VIII B 8 VIII B 9 VIII B 10 I B 11 II B B Al Fe Co Ni Cu Zn Ga Ru Os Rh Ir Pd Pt Ag Cd In C Au 80 Hg 81 Tl Si Ge Sn Pb N O 9 17 F VIII A 10 Ne P 16 S 17 Cl 18 Ar As Sb Bi Se Br Kr Xe Te Po I At Rn Radón * 57 La 58 Ce ** 89 Ac Th Pr Pa Nd Pm U Np Sm Eu Pu Gd Tb Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb Lu Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 Nb 103 Lw Elementos estructurales Macrominerales (iones) Elementos traza Metales ultratraza No-metales ultratraza

5 Fe 4-5 gramos Zn 2-3 gramos Cu 0.1 gramos Fe Fe II II, Fe Fe III III Zn Zn II II Cu Cu I I, Cu Cu II II Transferencia de electrones, Fijación de nitrógeno, Acarreo de oxígeno hormador estructural Anhidrasas Deshidrogenasas Transferencia de electrones Hidroxilasas Acarreo de oxígeno

6 QUÉ BIOMOLÉCULAS INTERACTÚAN CON IONES METÁLICOS? Qué biomoléculas hay?

7 Biomoléculas Azúcares Carbohidratos Nucleotidos Ácidos nucleicos Grasas Aminoácidos Proteínas

8 Aminoácidos y residuos

9 En enlace peptídico Por lo tanto, la síntesis está desfavorecida termodinámicamente Y también es cinéticamente inerte K eq << 1, la hidrólisis está termodinámicamente favorecida, pero es cinéticamente inerte + HOH

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11 REPRESENTACIONES GRÁFICAS DE LAS PROTEÍNAS

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17 Cómo están unidos los iones metálicos a las proteínas? Por el O o el N del enlace peptídico Por los O, N ó S en los grupos laterales de los aminoácidos A través de porfirinas (o corrinas)

18 Porfirina y corrina Suelen tener diferentes sustituyentes en la periferia.

19 Presencia de las porfirinas clorofila hemoglobina Porfirina + Fe = grupo hemo

20 PROTEÍNAS DE HIERRO Reactividad rédox

21 Proteínas de hierro

22 hemoglobina mioglobina

23 Primera pregunta: por qué se necesita un acarreador de oxígeno? por qué no hay acarreadores de CO 2? Segunda pregunta Cómo se une el oxígeno a la hemoglobina?

24 Fe 2+ Paramagética (el O 2 también) Fe 3+ + O 2 - Diamagnética Puede enlazarse con el :C O (más fuerte que con el O 2 )

25 Citocromos Proteínas (enzimas) intensamente coloridas que participan en las reacciones de transporte de energía en las células (respiración, fotosíntesis). Respiración: glucosa + O 2 CO 2 + H 2 O Fotosíntesis: CO 2 + H 2 O glucosa + O 2 Metaloporfirinas en las que el sitio metálico hay Fe(II) o Fe(III). Algunas tienen además Cu. Se pueden coordinar con el CO y el CN -, de ahí la toxicidad de éste Los más célebres son: el Citocromo P 450, el citocromo C, la citocromo C oxidasa Principal acción: monooxigenasa: RH + O 2 + 2H + + 2e ROH + H 2 O

26 Citocromo c Hay una cisteína coordinada en la posición axial. Este azufre coordinado hace más fácilmente accesible al estado de oxidación (II)

27 Citocromo c oxidasa El Cu participa en la transferencia de electrones 4 Fe 2+ -citocromo c + 8 H + in + O 2 4 Fe 3+ -citocromo c + 2 H 2 O + 4 H + fuera Esta reacción produce energía que se utiliza para sintetizar ATP que es un almacén de energía CO?

28 Citocromo P450 Baja especificidad, lo que permite que sean capaces de metabolizar un número casi ilimitado de substratos, principalmente a través de reacciones de oxidación, pero también de reducción e hidrólisis. Las oxidaciones catalizadas por el P-450 son reacciones de monooxigenación dependientes de NADPH y para las que utiliza oxígeno molecular. Como consecuencia de estas reacciones el P- 450 acelera la eliminación del organismo de gran número de fármacos y compuestos tóxicos, pero también es el responsable de la activación de toxinas o precarcinógenos

29 PROTEÍNAS DE FE CON AZUFRE

30 Ejemplos de proteínas de hierro con azufre Ferredoxinas (organismos fotosintéticos) Rubredoxinas (bacterias anaerobias)

31 Nitrogenasa Ausencia total de Mo 1 ppb de Mo

32 La nitrogenasa es producida por bacterias que viven en las raíces de las leguminosas-

33 El N 2 es un ligante aceptor

34 MECANISMO de la reducción de N 2 a NH 3 en SISTEMAS MODELO

35 OTRAS PROTEÍNAS DE (TRANSPORTE Y ALMACENAMIENTO)HIERRO

36 Problemas con el Fe El Fe 2+ (ac) es muy tóxico porque reacciona con el oxígeno molecular formando radicales superóxido que son malísimos Fe II +O 2 Fe III + O 2 - El Fe 3+ (ac) tiene una gran tendencia a precipitar como Fe(OH) 3 K ps = 2.7 x ph de precipitación 4.48 El Fe 3+ es un ion duro, forma complejos estables con donadores por oxígenos. Los donadores por oxígeno son ligantes de campo débil, El Fe 3+ con ligantes de campo débil tiene EECC = 0, por lo que para formar complejos con constantes de estabilidad grandes, se requieren ligantes polidentados o quelatantes.

37 Transporte de Fe (TRANSFERRINAS)

38 La transferrina puede complejar a otros metales? M n+ Log Cd Zn Al Fe

39 Almacenamiento: Ferritina y hemo siderina Ferritina (proteína) Ferrhidrita (mineral) [FeO(OH)] 8 [FeO(H 2 PO 4 ] 4500 átomos de Fe por molécula

40 El Fe 3+ llega a la ferritina acarreado por la transferrina, Éste se mueve a través de canales en la proteína, ricos en grupos carboxilato, El interior de la proteína, también rica en carboxilatos, facilita el acomodo de los iones Fe 3+ de modo que forma cristales de oxido-hidróxido férrico (ya que es poco soluble) A este tipo de procesos se les llama biomineralización

41 Otro ejemplo de biomineralización: Se sabe que en el cerebro de algunas aves hay cristales de óxido férrico (tipo magnetita), que actúan como brújula para orientarlos en sus migraciones.

42 PROTEÍNAS DE CINC

43 Cinc, para qué?, por qué? Ácido de Lewis Alta carga nuclear efectiva, pequeño radio iónico. Semejante al Mg 2+, pero más electronegativo. Semejante el Cu 2+, Ni 2 + ó Co 2+, pero éstos son mucho más escasos. No participa en equilibrios rédox. No tiene EECC, no tiene número ni geometría de coordinación preferidas, por lo tanto tiene mucha flexibilidad. Ni duro ni blando: intermedio, por lo tanto es afín por donadores de O, de N y de S.

44 Se conocen más de 300 enzimas de Zn Cuerpo humano: 4-6g Fe, 2-3g de Zn, 0.25g de Cu Tres tipos Enzimas Proteínas de Zn (no enzimas, sólo rol estructural) Metalotioneínas

45 Anhidrasa carbónica (1940) Zn coordinado a histidinas (buenos aceptores, hacen al Zn 2+ un mejor ácido de Lewis, o más duro?) CO 2 (ac) + H 2 O H 2 CO 3 muy lenta a ph = 7 CO 2 (ac) + OH- HCO 3 - sin enzima requiere ph 10

46 Carboxypeptidasa (1955) Zn coordinado a 2 histidinas y un glutamato Rompe enlaces peptídicos (digestión) flynn/biochemistry/ca%20catalyt ic%20mechanism.htm Nótese la geometría

47 Glu 270 His 196 His 69 O Zn actúa como ácido de Lewis; el 4 ligante es agua, que es muy lábil y se intercambia con el sustrato. Esta molécula de agua es la que hará la hidrólisis C-O - Glu 72 H d Zn ++ O d H d O R H-C CO 2 - N d C H H-C-R NH Glutamato actúa como un cocatalizador básico polarizando al agua para que haga el ataque nucleofílico al carbonilo C O AA AA Otros AA de la cadena ayudan a fijar al sustrato

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49 Alcohol deshidrogenasas

50 Alcohol deshidrogenasa

51 dedos de Zn Pequeñas regiones de una proteína El Zn sólo sirve para estabilizar los pliegues Tienen funciones de ensamblaje molecular (i.e colaborando en la síntesis de DNA, RNA,

52 Metalotioneínas Cerca de un 30% de sus aminoácidos son cisteínas

53 Metalotioneínas Hasta un 30% de sus aminoácidos son cisteínas Almacenamiento y transporte de Zn Excelentes quelatantes para Cd y Hg, ayudan a la desintoxicación La presencia de Cd induce una mayor síntesis de metalotioneína Aún se conoce poco de su funcionamiento La naturaleza previó la contaminación por metales pesados?

54 Una enzima de Zn con actividad rédox? Superóxido dismutasa Supéróxido = O.- 2 Oxidante y radical libre H 2 O agua radical hidroxilo OH. peróxido de hidrógeno H 2 O 2 O H + -2H + radical superóxido O 2-1e- -1e- -1e- +H+ + 2H + +1e- OH. radical hidroxilo H 2 O 2 peróxido de hidrógeno +1e- +1e- O 2 -.

55 Dismutación 4O H + O O 2 para qué sirve el Zn?

56 Clasificación PROTEÍNAS DE COBRE

57 Tipo I: Proteínas azules de cobre Un solo cobre unido a dos histidinas, (N) una cisteína (S) formando un triángulo y algún otro ligante apical, a menudo metionina (S) azules? 5000 M -1 cm -1 Comportamiento magnético normal en el espectro de RPE Cu(II)/Cu(I): transporte de electrones Plastocianina, azurina,

58 Tipo II: proteínas normales de Cobre Pirámide cuadrada Espectro electrónico y de RPE normal Oxigenasas Amino oxidasas Nitritoreductasa (fotosíntesis) SOD

59 Tipo III : proteínas silenciosas en RPE Dos átomos de Cu (II) fuertemente acoplados antiferromagnéticamente Tirosinasa y Catecol oxidasa N His His N His N N N N Cu O N N Cu O N N His N His His N

60 Hemocianina De dónde le viene el nombre? ni hemo ni ciano, sino de sangre azul acarreador de oxígeno en moluscos y crustáceos

61 Otros tipos: Lacassa Tiene un cobre tipo I, un cobre tipo II y una pareja tipo III Se extrae de microorganismos y se utiliza industrialmente como catalizador

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