UNIDAD XI: UNIDAD XI: INTRODUCCIÓN A LA INTRODUCCIÓN A LA

QUÍMICA QUÍMICA BIOINORGÁNICABIOINORGÁNICA

• Baran, E.(1995). Química Bioinorgánica. McGraw-Hill/Interamericana de España,S.A.

• Basolo, Fred; Johnson, Ronald.(1980) Química de los compuestos de coordinación. Editorial Reverté, S.A.

bioinorgánicabioinorgánicabiobio vida vida

inorgánico inorgánico lo no vivientelo no viviente

La Química Bioinorgánica es una rama La Química Bioinorgánica es una rama interdisciplinaria de la Química que se ocupa de interdisciplinaria de la Química que se ocupa de una amplia gama de problemas ubicados en la una amplia gama de problemas ubicados en la interfaseinterfase entre la Química y las Ciencias entre la Química y las Ciencias Biológicas.Biológicas.Estudia las moléculas llamadas «Estudia las moléculas llamadas «biometálicasbiometálicas» » con el objeto de comprender el papel y los con el objeto de comprender el papel y los mecanismos de acción de los diferentes mecanismos de acción de los diferentes metales en sistemas biológicos, haciendo uso metales en sistemas biológicos, haciendo uso de técnicas y métodos de la fisicoquímica de técnicas y métodos de la fisicoquímica inorgánica.inorgánica.

La Química Bioinorgánica se ocupa tanto La Química Bioinorgánica se ocupa tanto del estudio de los sistemas y compuestos del estudio de los sistemas y compuestos inorgánicos presentes en tejidos y fluidos inorgánicos presentes en tejidos y fluidos biológicos como de sistemas inorgánicos biológicos como de sistemas inorgánicos «modelos» mediante los cuales se puede «modelos» mediante los cuales se puede simular o reproducir en forma parcial o simular o reproducir en forma parcial o

total el comportamiento químico detotal el comportamiento químico delos sistemas naturales.los sistemas naturales.

Tabla Periódica de los BioelementosTabla Periódica de los Bioelementos

Clasificación Clasificación En el primer grupo: los elementos mayoritarios, representan En el primer grupo: los elementos mayoritarios, representan prácticamente más del 98 por 100 del peso de un humano adulto e prácticamente más del 98 por 100 del peso de un humano adulto e incluye a los elementos incluye a los elementos NaNa, K, Mg, Ca, CI, S y P. , K, Mg, Ca, CI, S y P.

En el segundo grupo: En el segundo grupo: elementos traza elementos traza Fe, Zn y CuFe, Zn y Cu

En el tercer grupo: elementos microEn el tercer grupo: elementos micro--traza y ultratraza y ultra--micromicro--traza, traza, que incluyen a:que incluyen a:••elementos de esencialidad reconocida: Mo, I, Coelementos de esencialidad reconocida: Mo, I, Co••elementos cuyas concentraciones y/o funciones todavía no están elementos cuyas concentraciones y/o funciones todavía no están claramente establecidas : Cr, Ni, As, Vclaramente establecidas : Cr, Ni, As, V••elementos que aparecen como esenciales a ciertas especies elementos que aparecen como esenciales a ciertas especies biológicas definidas: B, Brbiológicas definidas: B, Br••elementos cuya esencialidad está actualmente en discusión: Li, elementos cuya esencialidad está actualmente en discusión: Li, Cd, Cd, Sn.Sn.

Interrogante:Interrogante:¿por qué los seres vivos han seleccionado¿por qué los seres vivos han seleccionadoprecisamente algunos elementos precisamente algunos elementos «inorgánicos» y no otros?«inorgánicos» y no otros?

Respuesta:Respuesta:directamente por la abundancia relativa de losdirectamente por la abundancia relativa de loselementos en la corteza terrestre y en las elementos en la corteza terrestre y en las aguas de maraguas de mar

Los llamados elementos traza reciben este nombre Los llamados elementos traza reciben este nombre porque el organismo los precisa en cantidades muyporque el organismo los precisa en cantidades muypequeñas, y tienen la condición de esenciales. pequeñas, y tienen la condición de esenciales.

Se los denomina Se los denomina oligoelementosoligoelementos porque su porque su ausencia produce anomalías fisiológicas y/o ausencia produce anomalías fisiológicas y/o estructurales que pueden prevenirse, y a veces estructurales que pueden prevenirse, y a veces tratarse mediante su administración. tratarse mediante su administración.

Habitualmente son ingeridos en la dieta en Habitualmente son ingeridos en la dieta en cantidades suficientes, pero en algunascantidades suficientes, pero en algunascircunstancias deben ser aportados de forma circunstancias deben ser aportados de forma intencionada.intencionada.

Requisitos para que a un elemento le sea asignado el Requisitos para que a un elemento le sea asignado el carácter de esencial:carácter de esencial:• Su ingesta insuficiente produce deficiencias • Su ingesta insuficiente produce deficiencias funcionales, que pueden revertirse cuando el elemento funcionales, que pueden revertirse cuando el elemento recupera su nivel fisiológico óptimo.recupera su nivel fisiológico óptimo.• El organismo no puede crecer ni completar su ciclo • El organismo no puede crecer ni completar su ciclo vital sin ese elemento .vital sin ese elemento .• El elemento debe poseer una influencia directa sobre • El elemento debe poseer una influencia directa sobre el organismo y estar involucrado en sus procesos el organismo y estar involucrado en sus procesos metabólicos .metabólicos .• El efecto de un elemento esencial no puede ser • El efecto de un elemento esencial no puede ser logrado totalmente por ningún otro elemento. logrado totalmente por ningún otro elemento.

En general forman parte de complejos enzimáticos, bien sea de forma En general forman parte de complejos enzimáticos, bien sea de forma estructural, en la proteína que forma el enzima, o como grupos estructural, en la proteína que forma el enzima, o como grupos

indispensables para la acción de las enzimas.indispensables para la acción de las enzimas.

LigandosLigandos «biológicos» para iones metálicos«biológicos» para iones metálicos

““biomoléculasbiomoléculas””Enzimas que forman las metaloenzimas.

Bases nucleicas tienen una gran capacidad de coordinación, la que probablemente está exaltada por las variadas posibilidades tautoméricasque ellas poseen.

Macrociclos tetrapirrólicos que actúan como quelantes tetradentados.

Porfirinas: de ellas derivan la clorina, macrociclo presente en las clorofilas, la corrina, ligando de la vitamina B12 y el recientemente descubierto factor F -430, relevante a la química bioinorgánica del níquel.

Las porfirinas tienen como ligante al macrociclo llamado porfina (I). Los derivados de la porfina, por sustitución en las posiciones de 1 a 8 reciben el nombre de porfirinas, y cuando ambos hidrógenos de los grupos NH son desplazados, por incorporación de un ion metálico, se las llama metaloporfirinas (II) .

Química Química bioinorgánicabioinorgánica del hierrodel hierro

El hierro es el elemento de transición mas El hierro es el elemento de transición mas ampliamente difundido entre los seres vivos. ampliamente difundido entre los seres vivos. Es utilizado en el transporte de oxigeno, de Es utilizado en el transporte de oxigeno, de electrones, en la fijación de nitrógeno y en procesos electrones, en la fijación de nitrógeno y en procesos enzimáticos de diversos tipos.enzimáticos de diversos tipos.Los seres vivos, además, han desarrollado diversos Los seres vivos, además, han desarrollado diversos sistemas capaces de concentrar, transportar y sistemas capaces de concentrar, transportar y almacenar cantidades relativamente importantes de almacenar cantidades relativamente importantes de hierro.hierro.

Clasificación:Clasificación:

Ejemplos de Ejemplos de Proteínas de hierro que contienen grupos “Proteínas de hierro que contienen grupos “hemohemo””1.1.-- Hemoglobina y Hemoglobina y MioglobinaMioglobina

La Mb y la Hb muestran comportamiento diferente en su interacción con el O2. La Mb debe tener mas afinidad por el O2 para que la Hbse lo transfiera sin dificultad.

Ejemplos de Ejemplos de Proteínas de hierro que contienen grupos “Proteínas de hierro que contienen grupos “hemohemo””2.2.-- CitocromoCitocromo

Son Son hemoproteinashemoproteinas que actúan en cadenas de transferencia de que actúan en cadenas de transferencia de electrones en mitocondrias la cual está asociada a la electrones en mitocondrias la cual está asociada a la cuplacupla redoxredoxFe(II)/Fe(III). El más estudiado es el Fe(II)/Fe(III). El más estudiado es el citocromocitocromo cc

PeroxidasasPeroxidasasCatalizan las oxidaciones con peróxido de Catalizan las oxidaciones con peróxido de hidrógenohidrógeno

CatalasasCatalasascatalizan la desproporción del agua oxigenadacatalizan la desproporción del agua oxigenada

Protegen a los seres vivos del peligro de un Protegen a los seres vivos del peligro de un crecimiento descontrolado de la concentración de crecimiento descontrolado de la concentración de HH22OO22 que puede formarse por la reducción parcial que puede formarse por la reducción parcial

del oxígeno.del oxígeno.

Ejemplos de Ejemplos de Proteínas de hierro que contienen grupos “Proteínas de hierro que contienen grupos “hemohemo””3.3.-- PeroxidazasPeroxidazas y catalasasy catalasas

2. PROTEÍNAS DE HIERRO Y AZUFRE2. PROTEÍNAS DE HIERRO Y AZUFRE

Ejemplos:Ejemplos:Rubredoxina: La proteína oxidada es roja, reducida es incolora. Su estado de oxidación varia de Fe(III) a Fe(II) en forma reversible.El entorno del hierro es tetraédrico. Tanto el Fe(II) como el Fe (III) son de alto espin.

Ferredoxinas: Contiene más de un átomo de hierro por molécula. Tiene los dos tipos de azufre. Se conocen ferredoxinas con 2, 4 y 8 átomos de hierro.

3. HEMERITRINAS3. HEMERITRINASSon proteínas que no contienen el grupo Son proteínas que no contienen el grupo hemhem .Transportan oxígeno .Transportan oxígeno en especies marinas . Están formadas por ocho subunidades en especies marinas . Están formadas por ocho subunidades idénticas, cada una con dos átomos de hierro capaz de ligar una idénticas, cada una con dos átomos de hierro capaz de ligar una molécula de Omolécula de O22 con probable formación de un complejo puenteado con probable formación de un complejo puenteado de de dioxigenodioxigeno..

4. TRANSPORTE Y ALMACENAMIENTO DE 4. TRANSPORTE Y ALMACENAMIENTO DE HIERROHIERRO

Son procesos que implican la utilización de Son procesos que implican la utilización de ligandosligandoshidroxomatohidroxomato y y fenolatofenolato segregados por los organismos para segregados por los organismos para soIubilizarsoIubilizar y movilizar el hierro inorgánico y llevarlo a las células y movilizar el hierro inorgánico y llevarlo a las células (Sistemas microbianos). (Sistemas microbianos). En organismos superiores los sistemas de regulación son más En organismos superiores los sistemas de regulación son más complejos.complejos.Ejemplos: Ejemplos: transferrinastransferrinas, ferritina y hemosiderina, ferritina y hemosiderina

Química Química bioinorganicabioinorganica del cobredel cobre

Contienen Contienen metaloproteinasmetaloproteinas . Cumplen la función de transporte . Cumplen la función de transporte de electrones en los proceso de oxidación de sustratos varios, de electrones en los proceso de oxidación de sustratos varios, en el transporte de oxigeno (hemocianina). en el transporte de oxigeno (hemocianina). Los sistemas enzimáticos que lo contienen son azules.Los sistemas enzimáticos que lo contienen son azules.

Clasificación :Clasificación :Cobre de tipo I Cobre de tipo I (en proteínas azules). Tienen alto potencial (en proteínas azules). Tienen alto potencial redoxredox. Son . Son paramagéticosparamagéticos, con banda de absorción muy intensas (100 veces mayor , con banda de absorción muy intensas (100 veces mayor que lo usual).que lo usual).

Cobre de tipo IICobre de tipo II. Son también paramagnéticos. Tienen espectro electrónico . Son también paramagnéticos. Tienen espectro electrónico típico de los complejos octaédricos normales de Cu II.típico de los complejos octaédricos normales de Cu II.

Cobre de tipo IIICobre de tipo III. Se caracterizan por tener un par de iones Cu(II) sometidos . Se caracterizan por tener un par de iones Cu(II) sometidos a fuerte acoplamiento a fuerte acoplamiento antiferromagnéticoantiferromagnético que torna diamagnético el que torna diamagnético el sistema).sistema).

El entorno del cobre II es aproximadamente tetraédrico. La esfera de coordinación está constituida por dos nitrógenos imidazolínicosprovenientes de restos de histidina y dos azufres de tipo orgánico, uno de un resto de cisteína y otro de resto de metionina.

Las de tipo I se encuentran en bacterias, plantas, Las de tipo I se encuentran en bacterias, plantas, mamíferos. mamíferos. Ejemplo: Ejemplo: plastocianinaplastocianina

OxidasasTransfiere electrones de un sustrato al oxigeno. Transfieren directamente los electrones al oxigeno reduciéndolo a agua.Ejemplos:# ascorbato oxidasa8 a tomos de cobre. Cataliza la oxidación del ácido ascórbico a ácido dehidroascórbico

# citocromo-oxidasaCataliza la etapa final de la cadena redox de citocromos, en la cual el O2 pasa al agua. Sistema en el cual junto al cobre ha y un hierro de tipo hemo.

# galactosa-oxidasaOxidasa “no azul'. Cu de tipo II. Cataliza la oxidación de d-galactosa a d-galactohexodialdosa, con reducción de oxigeno a agua oxigenada.

# superoxidodismutasaFunción protectiva. Cataliza la desproporción del ion superoxido , con dos subunidades, con un átomo de Cu y uno de Zn cada una.

# hemocianinaProteína de transporte de O2 que no posee grupo hem.Forma desoxigenada (incolora) implica Cu (I)Forma oxigenada (azul) implica Cu (II)

Química Química bioinorganicabioinorganica del zincdel zinc

Metal esencial a toda forma de vida. Muchas enzimas lo contienen.

Incluyen peptidasas, deshidrogenasas, carboxipeptidasas , fosfatasas, etc.

El Zn no puede participar en procesos redox. Actúa como ácido de Lewis.

Las enzimas que lo contienen participan en procesos de hidrólisis y transferencias de grupos funcionales.

Ejemplos: Anhidrasa carbónicaCataliza la hidratación reversible del CO2 y por lo tanto es esencial en la respiración.CarboxipeptidasaCataliza la hidrólisis de uniones peptídicas próximas al carboxilo terminal de las cadenas.El Zn esta en el centro de un tetraedro fuertemente distorsionado de ligandos. La esfera de coordinación está constituida por dos N imidazolinicos provenientes de dos residuos de histidina, un O proveniente de un residuo de ácido glutámico y otro de una molécula de agua.Actúa hidrolizando uniones peptídicas donde los restos poseen grupos voluminosos (resto aromático, cadenas amificadas,etc ).Fosfatasa alcalinaCataliza la hidrólisis de monoesteres del ácido ortofosfórico con actividad máxima a pH 8.Contiene 4 átomos de Zn , dos para la actividad catalítica y dos para mantener su conformación estructural.No se conoce bien su esfera de coordinación. Se piensa que el ataque enzimático produce la ruptura del enlace P O y no el del O C.

Química Química bioinorgánicabioinorgánica del cobaltodel cobaltoEl cobalto tiene una única e importante función biológica y es su presencia en la vitamina B 12 la que participa como cofactor en un amplio e importante grupo de reacciones enzimáticas.

Estructura de la vitamina B 12Consiste de 4 componentes principales:un átomo de cobaltoun ligando macrocíclico, la corrina, que posee varios sustituyentes. El anillo básico recuerda al anillo porfirínico con algunas diferencias.un resto orgánico complejo, constituido por un grupo fosfato, un azúcar y una base orgánica la cual se une al átomo metálico a través de uno de sus nitrógenos.un sexto ligando, X.

Química Química bioinorganicabioinorganica molibdenomolibdeno

Es el único metal de la segunda serie de transición reconocido como esencial para los seres vivos.

La mayoria de los complejos del molibdeno Mo(VI) presentan coordinación seis y contienen al menos un enlace terminal MoO.

Los sistemas enzimáticos que lo contienen: xantina-oxidasa, xantina- deshidrogenasa, aldehido-oxidasa, nitrato- reductasa, nitrogenasas.

Las nitrogenasas son las mejor estudiadas dado la importancia que tiene la fijación del nitrógeno en los ciclos biológicos.