Química Bioinorgánica

Una introducción

• Qué estudia:

• Interacción de iones metálicos con biomoléculas

¿Cuáles iones metálicos?

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 VIII A

1 18 1

H Hidrógeno 2.2

IIA 2

III A

13

IV A

14

V A

15

VI A

16

VII A

17

2 He

3

Li +1 90

0.98

4 Be

+2 59 1.57

5

B

+3 41

2.04

6 C

+4 30

2.55

7 N

+5 27

3.04

8 O

3.44

9

F

3.98

10 Ne

11 Na

+1 116

0.93

12 Mg

+2 86

1.31

III B 3

IVB

4

V B 5

VI B 6

VII B 7

VIII B 8

VIII B 9

VIII B

10

I B

11

II B

12

13 Al

+3 67

1.61

14 Si

+4 54

1.9

15 P

2.19

16 S

2.58

17 Cl

+7 41

3.16

18 Ar

19 K

+1 152 0.82

20 Ca

+2 114 1.00

21 Sc

+3 88 1.36

22 Ti

+2 100 +3 81 1.54

23 V

+2 93 +3 78 1.63

24 Cr

+2 94 +3 75 1.66

25 Mn

+2 97 +3 78 1.55

26 Fe

+2 92 +3 78 1.83

27 Co

+2 88 +3 75 1.88

28 Ni

+2 83 1.91

29 Cu

+1 91 +2 87 1.90

30 Zn

+2 88 1.65

31 Ga

+3 76 1.81

32 Ge

+2 87 +4 67 2.01

33 As

+3 72 2.18

34 Se

+4 64 +6 56 2.55

35 Br

+7 53 2.96

36 Kr

3.00

37 Rb

+1 166 0.82

38 Sr

+2 132 0.95

39 Y

+3 104 1.22

40 Zr

+4 86 1.33

41 Nb

+3 86 1.60

42 Mo

+4 79 +6 73

2.16

43 Tc

+4 78

1.90

44 Ru

+3 82 +4 76

2.20

45 Rh

+3 80 2.28

46 Pd

+2 100

2.20

47 Ag

+1 129

1.93

48 Cd

+2 109

1.69

49 In

+3 94 1.78

50 Sn

+2 92 +4 83 1.80

51 Sb

+3 86 2.05

52 Te

+4 111 +6 70 1.50

53 I

+5 109 +7 69 2.66

54 Xe

2.60

55 Cs

+1 181 0.79

56 Ba

+2 149 0.89

* 72

Hf

+4 85 1.30

73 Ta

+3 86 +4 82 1.50

74 W

+4 80 +6 74 2.36

75 Re

+4 77 +5 72 1.90

76 Os

+4 77 +5 71 2.20

77 Ir

+3 82 +4 76 2.20

78 Pt

+2 94 +4 76 2.28

79 Au

+1 151 +3 99 2.54

80 Hg

+2 116 2.00

81 Tl

+1 164 1.60

82 Pb

+2 133 1.87

83 Bi

+3 117 2.02

84 Po

+4 108 2.00

85 At

+7 76 2.20

86 Rn

Radón

87 Fr

+1 194 0.70

88 Ra

0.90

**

*

57 La

+3 117

1.10

58 Ce

+3 115

1.12

59 Pr

+3 113

1.13

60 Nd

+3 112

1.14

61

Pm +3 111

62

Sm +3 110

1.17

63 Eu

+3 109

64 Gd

+3 108

1.20

65 Tb

+3 106

66 Dy

+3 105

1.22

67 Ho

+3 104

1.23

68 Er

+3 103

1.24

69 Tm

+3 102

1.25

70 Yb

+3 101

71 Lu

+3 100

**

89 Ac

+3 126

1.10

90 Th

+4 108

1.30

91 Pa

+3 118

1.50

92 U

+3 116

1.38

93 Np

+3 115

1.36

94 Pu

+3 114

1.28

95 Am

+3 111

1.30

96 Cm

+3 111

1.30

97 Bk

+3 110

1.30

98 Cf

+3 109

1.30

99 Es

100 Fm

101 Md

102 Nb

103 Lw

Elementos

estructurales

Macrominerales

(iones)

Elementos

traza

Metales ultra-

traza

No-metales ultratraza

Fe 4-5 gramos Zn 2-3 gramos Cu 0.1 gramos

FeII , FeIII ZnII CuI, CuIIFeII , FeIII ZnII CuI, CuII

Transferencia de electrones,

Fijación de nitrógeno,

Acarreo de oxígeno

“hormador” estructural

Anhidrasas

Deshidrogenasas

Transferencia de electrones

Hidroxilasas

Acarreo de oxígeno

¿QUÉ BIOMOLÉCULAS INTERACTÚAN CON IONES METÁLICOS?

¿Qué biomoléculas hay?

Biomoléculas

• Azúcares Carbohidratos• Nucleotidos Ácidos nucleicos• Grasas• Aminoácidos Proteínas

Aminoácidos y residuos

En enlace peptídico

Keq << 1, la hidrólisis está termodinámicamente favorecida, pero es cinéticamente inerte

+ HOH

Por lo tanto, la síntesis está desfavorecida termodinámicamente Y también es cinéticamente inerte

REPRESENTACIONES GRÁFICAS DE LAS PROTEÍNAS

¿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)

Porfirina y corrina

Suelen tener diferentes sustituyentes en la periferia.

Presencia de las porfirinas

clorofila hemoglobina

Porfirina + Fe = grupo hemo

PROTEÍNAS DE HIERRO

Reactividad rédox

Proteínas de hierro

hemoglobina

mioglobina

• Primera pregunta: ¿por qué se necesita un acarreador de oxígeno? ¿por qué no hay acarreadores de CO2?

• Segunda pregunta ¿Cómo se une el oxígeno a la hemoglobina?

Fe2+ Paramagética (el O2 también) Fe3+ + O2- Diamagnética

Puede enlazarse con el :CO (más fuerte que con el O2)

Citocromos

• Proteínas (enzimas) intensamente coloridas que participan en las reacciones de transporte de energía en las células (respiración, fotosíntesis).

– Respiración: glucosa + O2 CO2 + H2O

– Fotosíntesis: CO2 + H2O glucosa + O2

• 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 + O2 + 2H+ + 2e– ROH + H2O

Citocromo c

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

Citocromo c oxidasa

El Cu participa en la transferencia de electrones

4 Fe2+-citocromo c + 8 H+in + O2

4 Fe3+-citocromo c + 2 H2O + 4 H+fuera

¿ CO ?

Esta reacción produce energía que se utiliza para sintetizar ATP que es un “almacén” de energía

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

PROTEÍNAS DE FE CON AZUFRE

Ejemplos de proteínas de hierro con azufre

Rubredoxinas (bacterias anaerobias)

Ferredoxinas (organismos fotosintéticos)

Nitrogenasa

Ausencia total

de Mo

1 ppb de Mo

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

El N2 es un ligante aceptor

MECANISMO de la reducción de N2 a NH3

en SISTEMAS MODELO

OTRAS PROTEÍNAS DE (TRANSPORTE Y ALMACENAMIENTO)HIERRO

Problemas con el Fe• El Fe2+(ac) es muy tóxico porque reacciona con el oxígeno

molecular formando radicales superóxido que son malísimos

• FeII +O2 Fe III + O2-

• El Fe3+(ac) tiene una gran tendencia a precipitar como Fe(OH)3

Kps = 2.7 x 10-39 pH de precipitación 4.48

• El Fe3+ es un ion duro, forma complejos estables con donadores poroxígenos.

• Los donadores por oxígeno son ligantes de campo débil, El Fe3+ con ligantes de campo débil tiene EECC = 0, por lo que para formarcomplejos con constantes de estabilidad grandes, se requierenligantes polidentados o quelatantes.

Transporte de Fe (TRANSFERRINAS)

La transferrina puede complejar a otros metales?

Mn+ Log

Cd2+ 5.95

Zn2+ 7.8

Al3+ 13.5

Fe3+ 22.8

Ferritina (proteína) Ferrhidrita (mineral)[FeO(OH)]8[FeO(H2PO4]

Almacenamiento: Ferritina y hemo siderina

4500 átomos de Fe por molécula

• El Fe3+ 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 Fe3+ de modo que forma cristales de oxido-hidróxido férrico (ya que es pocosoluble)

• A este tipo de procesos se les llama biomineralización

• Otro ejemplo de biomineralización:

• Se sabe que en el cerebro de algunas aves hay cristales de óxido férrico (tipo magnetita), queactúan como brújula para orientarlos en susmigraciones.

PROTEÍNAS DE CINC

Cinc, ¿para qué?, ¿por qué?

• Ácido de Lewis– Alta carga nuclear efectiva, pequeño radio iónico.– Semejante al Mg2+, pero más electronegativo.– Semejante el Cu2+, Ni2+ ó Co2+, 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.

• 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

Anhidrasa carbónica (1940)

• Zn coordinado a histidinas(buenos aceptores , hacen al Zn2+ un mejor ácido de Lewis, ¿o más duro?)

– CO2(ac) + H2O H2CO3

muy lenta a pH = 7

– CO2(ac) + OH- HCO3-sin enzima requiere pH10

Carboxypeptidasa (1955)

• Zn coordinado a 2 histidinas y un glutamato

• Rompe enlaces peptídicos(digestión)

• http://www.angelo.edu/faculty/nflynn/Biochemistry/CA%20Catalytic%20Mechanism.htm

Nótese la “geometría”

Zn++

Od

d d

R

C

N H

H-C CO2-

O

H-C-RNH

C O

Glu72

d

H

H

C-O-

O

Glu270

His69

His196

Zn actúa como ácido de Lewis; el 4°ligante es agua, que es muy lábil y se intercambia con el sustrato. Estamolécula de agua es la que hará la hidrólisis

Glutamato actúa como un cocatalizadorbásico polarizando al agua para que haga el ataque nucleofílico al carbonilo

AA

AA

Otros AA de la cadena ayudan a fijar al sustrato

Alcohol deshidrogenasas

Alcohol deshidrogenasa

“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,

Metalotioneínas

• Cerca de un 30% de sus aminoácidos son cisteínas

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?

¿Una enzima de Zn con actividad rédox?

• Superóxido dismutasa

• Supéróxido = O2.-

• Oxidante y radical libre

H2O

H2O2 O2- .

O2agua

radical hidroxilo

peróxido de hidrógeno radical superóxido

O2- .H2O2

peróxido de hidrógeno

radical hidroxilo

-1e-

-1e-

-1e-

+1e-

+1e-

+1e- OH .

OH .

- H+

-2H+

+ 2H++H+

• Dismutación

• 4O2.- + 4H+

O22- + O2

¿para qué sirve el Zn?

PROTEÍNAS DE COBREClasificación

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-1cm-1

• Comportamiento magnético normal en el espectro de RPE

• Cu(II)/Cu(I): transporte de electrones

• Plastocianina, azurina,

Tipo II: proteínas “normales” de Cobre

• Pirámide cuadrada

• Espectro electrónico y de RPE “normal”

• Oxigenasas

• Amino oxidasas

• Nitritoreductasa (fotosíntesis)

• SOD

Tipo III : proteínas “silenciosas” en RPE

• Dos átomos de Cu (II) fuertemente acoplados “antiferromagnéticamente”

• Tirosinasa y Catecol oxidasa

CuN N

His

Cu

O

O N N

HisN

N

His

NN

His

NN

His N

N

His

Hemocianina

• ¿De dónde le viene el nombre?

• ni hemo ni ciano, sino de “sangre azul”

• acarreador de oxígeno en moluscos y crustáceos

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