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Casa abierta al tiempo UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA DIVISION DE CIENCIAS BIOLOGICAS Y DE LA SALUD DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA SALUD Nombre : JUAN ANTONIO LUG0 RIOS. Telefono : 557-1795. Horas/semana : 2 O horas. DIVISION DE CIENCIAS BIOLOGICAS Y DE LA SALUD, U A M - Izt. Fecha/inicio : 2 8 DE FEBRERO 1990. Fecha/termino : 1 O D E S E P T I E M B R E 1 9 9 O. Tutor : M.ENC. R A U L ALVA GARCI A. Puesto/adscrip. : PROFESOR ASOCIADO ttDtt, DEPTO. CIENCIAS DE LA SALUD, DCBS. U.A.M.-Izt. DE COMPLEJOS Firma/alumno Firma/tutor IONICOS DE

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Casa abierta al tiempo

UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA DIVISION DE CIENCIAS BIOLOGICAS Y DE LA SALUD DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA SALUD

Nombre : J U A N A N T O N I O L U G 0 R I O S .

Telefono : 5 5 7 - 1 7 9 5 .

Horas/semana : 2 O horas.

DIVISION DE CIENCIAS BIOLOGICAS Y DE LA SALUD, U A M - Izt. Fecha/inicio : 2 8 D E F E B R E R O 1 9 9 0 .

Fecha/termino : 1 O D E S E P T I E M B R E 1 9 9 O.

Tutor : M.ENC. R A U L A L V A G A R C I A. Puesto/adscrip. : PROFESOR ASOCIADO ttDtt, DEPTO. CIENCIAS

DE LA SALUD, DCBS. U.A.M.-Izt.

DE COMPLEJOS

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Firma/tutor

IONICOS DE

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INTRODUCCION

El transporte de cationes metdlicos mediado por

acarreadores modelo se ha estudiado desde hace casi 50 años.

En 1944, Hochtkins descubrió alteraciones en la permeabilidad

membranal de células por el efecto de antibióticos. Sin

embargo, estas hallazgos permanecieron sin mayor investigación

durante mucho tiempo.

En 1968 Pressman y Estrada-O. y colaboradores,

encuentran, de forma simultánea, que la actividad biológica de

los antibióticos tipo Valinomicina y Nigericina se debe al

transporte de especies iónicas a través de las membranas

celulares. Estrada-O. y colaboradores (1968), proponen que

dicho efecto es causado por la interacción directa de los

antibióticos con cationes de metales alcalinos.

Actualmente se conoce una gran variedad de acarreadores

modelo, todos ellos con la capacidad de unir cationes

metálicos alcalinos y transportarlos a través de membranas

lipídicas. Estas moléculas, por lo general, se aislan de

actinomicetos (Pressman, 1968; Cronquist, 1984), y se les ha

dado el nombre genérico de translocadores (Eisemann, 1968).

Además, se han usado ampliamente en la investigación del

transporte de iones a través de membranas biológicas, así como

en el estudio de los gradientes iónicos existentes entre el

interior y el exterior de la células y sus organelos (Latorre

y col., 1984; Pressman, 1976).

Los translocadores se han clasificado en dos grupos

generales: los canales y los ionóforos o acarreadores móviles.

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Los canales

Los canales son moléculas con la capacidad de formar

poros en las membranas, con lo que se incrementa la

permeabilidad de las mismas, ya sea por aglomeración de varias

subunidades o al combinarse con algunos lípidos estructurales

(Gómez-P. , 1976).

Los ionóforos

Los ionofóros se dividen a su vez en dos clases: neutros

y carboxíl icos . Los neutros tienen una estructura covalente cíclica y

grupos polares hacia el interior de la molécula (Figura 1) que

interactúan con el catión a transportar; el exterior de la

molécula muestra a los grupos no polares, altamente

hidrófobos, que permiten solvatar al complejo ionóforo-catión

en la matriz lípidica de la membrana (Pressman, 1968).

M+ . cation.

-: Enlace de union.

Estructura.

O : Oxigeno.

Figura 1. Modelo esquembtico de interacci6n ion6foro neutro

cation metblico. Tomada de A r t 2 ( 1 9 8 4 ) .

2

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-: Enlace de union.

Estructura.

o : oxigeno.

! T:'. Figura 3. Modelos de transporte mediado por ion6foros carboxllicos

A)Modelo Uniport para ion6foros neutros . B) Modelo Antiport para

iondforos carboxllicos, propuesto por Pressman.

3

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Arzt (1984) describe que las caracteristicas de los

ionóforos son: la formación de complejos estables en solventes

orgánicos; la incapacidad para transportarse en membranas

congeladas; la inalterabilidad a los cambios de pH, asi como

una estequimetria 1:l. Además, el complejo resultante de la

unión ionóforo-catión con dicha estequiometria posee una carga

neta positiva (Pressman, 1968).

El modelo del mecanismo del transporte mediado por los

ionóforos neutros, con algunas excepciones, es de tipo

uniport; éste se caracteriza por ser electrogénico, es decir,

tranporta una carga eléctrica positiva que modifica los

gradientes eléctricos preexistentes (Figura 3 ) . Los ionóforos carboxílicos son ácidos orgánicos débiles,

monopróticos en su mayoria, y con peso molecular entre 500 y

1000 g mol''. Su estructura quimica básica consiste en una

cadena hidrocarbonada abierta, formada por anillos de

tetrahidropiranos y tetrahidrofuranos sustituidos. Poseen,

además, el grupo carboxilo en uno de sus extremos y uno o

varios hidroxilos en el otro.

Cuando se encuentran en medios poco polares, los

ionóforos carboxílicos adquieren un forma ciclica estabilizada

por puentes de hidrógeno, lo que origina una cavidad polar

ión-clatrante rodeada por grupos hidrófobos (Pressman, 1968).

De todos los ionóforos carboxilicos aislados hasta el

momento, los que se han estudiado exhaustivamente, tanto en

SUS efectos biológicos como en sus propiedades fisicoquimicas

son: la Nigericina (Estrada y col., 1967; Steinirauf y col.,

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1968; Toro y col., 1976; Toro y col., 1987; Alva y col., en

prensa), la Monensina (Reed, 1979) y la Grixorixina (Allaume y

col., 1972) el Lasalocido (Degani y Friedman, 1974) y la

Calcimicina (Chaney y col., 1974) . El modelo propuesto por Pressman (1968) para el

transporte de cationes catalizado por los ionóforos

carboxflicos es de tipo antiport electroneutro; se caracteriza

por intercambiar especies iónicas sin alterar los gradientes

eléctricos a través de las membranas (Figura 2).

Los poliéteres carboxílicos han sido clasificados en

monovalentes -nigericina y monensina- y divalentes -1asalócido

y calcimicina- en función del número de oxidación del catión

metálico que transportan (Westley, 1982).

Sin embargo, existen evidencias de que el ionóforo

nigericina interactua, tanto con cationes monovalentes como

polivalentes, independientemente de su capacidad para

transportarlos a través de membranas lipidicas (Piedras y

col., 1986; Toro y col., 1987). En este sentido, afín queda por

aclarar cuáles son los parámetros fisicoquimicos del catión y

del poliéter, que regulan la interacción, ya sea para el

transporte o para formar clatratos fijos lipofilicos.

En este trabajo se demuestra, a partir de parámetros

fisicoquimicos de asociación, que los poliéteres carboxilicos

forman complejos con cationes metálicos alcalinos,

irrespectivo de su capacidad para transportarlos a través de

barreras hidrofóbicas.

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OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Contribuir a determinar las bases fisicoquimicas de la

formación de complejos iónicos de los poliéteres carboxilicos

Nigericina, Monensina e Isolasalócido, para correlacionarlas

con su actividad ionoforética.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

A ) Determinar los pKa de los poliéteres Nigericina, Monensina

e Isolasalócido en un medio de constante dielétrica ( )

de 38.48, para conocer la capacidad de disociación dcida

de estas moléculas.

B) Determinar la Ks de los complejos Nigericina, Monensina e

Isolasalócido con los metálicos alcalinos, para

determinar la estabilidad de unión de los complejos

formados.

DISEÑO EXPERIMENTAL

Para lograr los objetivos arriba planteados se desarrolló

el siguiente diseño experimental:

1) Se formaron los ácidos libres de los poliéteres

isolasalócido y monensina por el método descrito por Yañez y

col. (1991) . E l ácido libre de nigericina fue una donación de

los laboratorios Hoffman-La Roche, New Jersey.

2) El pKa de los ácidos libres de monensina e isolasalócido se

obtuvo por el método descrito por Toro y col. (1987).

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3) Las Ks de los complejos poliéter-catión se determinaron en

el mismo medio del inciso 2).

4) Se graficaron las isotermas de unión, relacionando el

catión total con el unido al poliéter.

METODOLOGIA

a ) Deterrninacion de los pKa

El pKa es un parámetro que indica la capacidad de una

molécula para disociarse. Este parámetro se relaciona con el

tamaño de la molécula y los grupos substituyentes que ésta

posea. Esto es de particular importancia pues lo que indica es

el punto en la escala del pH donde la mitad de la

concentración de la molécula está en forma ionizada (libre de

su proton en este caso) y la otra mitad conjugada

El pKa de los ácidos libres de monensina e isolasalócido,

en un medio de dioxano/H20 45 % ( = 38.48), se obtuvo por

titulación potenciométrica con hidróxido de tetrametil amonio

(TMAOH). El pH se registró con un electrodo combinado (A.H.

Thomas 4094-510) y un potenciómetro (ORION 701A). La solución

se mantuvo con agitación continua y temperatura constante.

b) Determinacih de l a K,

Las constantes de estabilidad (Ks) de la reacción de

formación de los complejos poliéter-catión, en solución, se

determinaron a temperatura ambiente Por técnicas

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potenciométricas. Las mediciones se hicieron, al equilibrio,

teniendo el poliéter a 100 pM y concentraciones equivalentes

de cloruro del catión alcalino. Los experimentos se hicieron

en una solución homogénea de 1,4-dioxano/H20 45 % (vol/vol) a

pH = pKa, como fue previamente publicado para el complejo de

nigericina-potasio (Toro y col., 1987). Los electrodos ion

selectivos (Orion 8411 para sodio y Beckman 39047 para litio,

cesio) se equilibraron con soluciones de cloruro del metal

alcalino durante una semana; su respuesta Nernstiana se

verificó antes de usarse en un potenciómetro Beckman 4500

junto con un electrodo de referencia Beckman 41230. Todos los

reactivos utilizados fueron grado RA (Merck).

c ) Isotermas de unión

Las razones de unión se obtuvieron por titulación

potenciométrica en el mismo medio utilizado para la

determinación de las Ks. Los esperimentos se hicieron a

concentración constante de los 6cidos libres de los

poliéteres, añadiendo el catión metálico y graficando su razán

de unión como una función de [METAL UNIDO]/[METAL TOTAL],

según la técnica descrita por Smith (1981) . Durante la

titulación se midió el pH con un electrodo de vidrio (A.H.

Thomas 4094-510).

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RESULTADOS

Estabilidad en la formación de los complejos poliéter-catión.

Las Tablas I , 11, I11 muestran las diferencias entre los

valores de Ks para los complejos de los poliéteres Nigericina,

Monensina e Isolasalócido con los cationes litio, sodio y

cesio en solución homogénea. La estimación de los valores

de G o , a partir de los datos de Ks, muestran que la

nigericina interactúa de manera equivalente con los tres\. ' -..,

cationes alcalinos probados (Tabla I).

Tabla I. Valores de Log Ks y G o para los complejos

nigericina-catión metalico alcalinoa.

Complejo de Nigericina log K, G o (Kcal/mol)

Litio

Sodio

Cesio

~~ ~ ~~

4.16 f 0.34

3.91 f 0.22

3.82 f 0.34

~ ~~~

-5,681

-5,339

-5,271

aEl &ido libre se disolvió en una solución de 1,4-

dioxano/H20 45 % (vol/vol) ( 38.48). ajustado a pH ( 7 . 7 6 ) con

Trietanolamina y HC1.

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El isolasalócido,presenta un comportamiento similar al de

nigericina con los cationes probados.sin embargo, los valores

de Ks y de G o estimados, son entre una cuarta y quinta parte

de los obtenidos para nigericina (Tabla 11).

Tabla 11. Valores de Log Ks y G o para los complejos

isolasalócido-catión metálico alcalinoa.

Complejo de Isolasalócido log K, G o (Kcal/mol)

Litio

Sodio

Cesio

0.806 k 0.38 -1, o99

0.787 f 0.36 -1,072

0.709 k 0.25 - 966

aEl ácido libre se disolvió en una solución de 1,4-

dioxano/H20 45 % (vol/vol) (38.48). ajustado a pH = pKa con

Trietanolamina y HC1.

Por su parte, la monensina (Tabla 111) muestra un

comportamiento diferente a los dos poliéteres anteriores,

partir de sus valores de Ks y de las estimaciones de . G O ,

para los tres cationes, formando con el Na' los complejos m6s

estables, seguidos por los de Li', habiendo una mayor

diferencia con respecto a los de Cs'.

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Tabla 111. Valores de Log Ks y G o para los complejos

monensina-catión metalico alcalinoa.

Complejo de Monensina log K, G o (Kcal/mol)

Litio

Sodio

Cesio

1.55 2 0.40

1.94 2 0.52

0.48 f 0.32

-2 , 117 -2 , 646 - 658

aEl dcido libre se disolvió en una solución de 1,4-

dioxano/H20 45 % (vol/vol) ( 38.48). ajustado a pH = pKa con

Trietanolamina y HC1.

Razones de unión.

El comportamiento de la unión del poliéter con los

cationes alcalinos se siguió por titulación potenciométrica en

solución homogénea. La Figura 4 muestra las isotermas de unión

de poliéter-metal en función de la concentración de metal

total a concentración constante de poliéter. Con cada catión

alcalino ensayado se produce una reacción de primer orden

aparente. Sin embargo, existen diferencias en la rapidez de

unión de los poliéteres con los distintos metales.

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I

t O

cu O

\

*\ii N Y

O

12

O

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P 0 a W CD O

O

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[METAL unido] (x 10-4M)

0.3 5

0.3

0.25

0.2

0.15

o. 1

0.0 5

O I 1 1 1 1 1 1

O 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

[Metal total] (x 10-4M) Figura 5. lsotermas de nigericina.

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se observa un claro perfil de selectividad iónica para la

nigericina (Na' > Cs' > Li') , en este trabajo se muestra que este ionóforo interactúa, en solución homogénea, con valores

de afinidad casi idénticos con los cationes alCalinOS

mencionados (Tabla I).

El hallazgo de que no existen diferencias significativas

entre los valores de Ks, claramente indica que la nigericina

puede formar complejos de demandas energéticas equivalentes

con los metales alcalinos, irrespectivo de su capacidad para

transportarlos. Asi, los requerimientos energéticos de la

reacción de complejación parecen no ser el paso limitante del

proceso de transporte y, por lo tanto, no son responsables de

la selectividad observada en sistemas multifdsicos, tales como

tubos en llU1v y membranas lipidicas (Taylor y col., 1982).

También parece ser, a partir de los resultado

presentados, que no existe relación entre la estabilidad del

complejo y el tamaño del catión (por ejemplo, los radios

iónico, atómico o hidratado) ni con la electronegatividad. Por

lo tanto, se plantea la hipótesis de que la nigericina es

capaz de formar complejos virtualmente con cualquier catión

metdlico, sin importar su volumen.

La intensidad de unión determina la rapidez del transporte

iónico.

Parece ser que la intensidad de unión entre el poliéter y

el catión determina la rapidez del transporte iónico. Esto se

desprende de las diferencias de rapidez obtenidas a partir de

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la razón existente entre la concentración de metal unido -o

complejo formado- y la de metal total, que se muestran en la

Figura 4 , donde se observan dos patrones generales de

comportamiento. Primero, se muestra una mayor rapidez de unión

con litio y cesio, lo que sugiere mayores fuerzas de atracción

entre estos cationes y el poliéter (Figura 5). Segundo, la

menor rapidez de unión con los cationes que son transportados

sugiere una fácil disociación entre éstos y el acarreador. ,

La intensidad de interaccón sugiere que litio y cesio se

unen fuertemente a la nigericina, no se disocian fácilmente y,

por lo tanto, el ionóforo es incapaz de transportarlos a

través de las barreras lipídicas. A s í , la disociación puede C ) ;i c .d.!

ser un paso limitante mayor del transporte mediado por 3 9 I;,, ~

4-, E acarreadores móviles, como ha sido sugerido para potasio y P' !-

rubidio (Riddell y col., 1988). U) rj ' r r l rr: , n

La mayor afinidad e intensidad de interacción de litio y p ? , u Z'

cesio muestrada por la nigericina parece relacionarse con la 7: ,,-, "I ¿-)

z U) mayor afinidad electrónica (ea) y con los valores de potencial

-7 - g 5;

de reducción (EO) de ambos cationes, más que con su tamaño y

electronegatividad. Esto se desprende de que los valores de Eo

de Li' (-3.02 V) y Cs' (-3.02 V) son mayores que los de Na'

(-2.71 V) como indican Cotton y Wilkinson (1966). También a

partir de datos (Day y Selbin, 1969) que muestran que el ea de

litio (0 .58 eV) es menor que el de sodio (eaNa+ 0.78 eV) . En consecuencia, las propiedades energéticas intrinsecas de los

átomos metálicos pueden

selectividad de unión y

jugar un papel central en la

de transporte iónico. Estos datos

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complementan evidencias previas que indican que las

variaciones en la estructura quimica de los poligteres

determinan las transiciones de selectividad iónica para el

transporte (Eisenman y col., 1968).

Los perfiles de interacción iónica de los poliéteres.

En conclusión, la correlación de los diversos resultados

entre si mostrada en este trabajo difiere respecto a las

selectividades de extracción y transporte previamente

publicados para estos poliéteres en sistemas experimentales

diversos (Tabla 111). Además, ello ilustra que los ionóforos

son capaces de interactuar con cationes metálicos que no son

translocados a través de fases lipldicas. En consecuencia, los

perfiles de interacción iónica mostrados en este trabajo

pueden apoyar nuevas lineas de interpretación para explicar la

actividad biológica de los ionóforos carboxilicos (Osborne y

col., 1977; Ben-Hayyim y Krause, 1980; Hatefi y col., 1982;

Osborne y col., 1982) a través de la unión de metales fijos

dentro de enzimas, dentro de complejos proteicos y en ligandos

de superficie membranal.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue apoyado parcialmente por CONACyT

P228CCOX891754, DGICSA C89-01-0216 y (290-01-0287.

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ACTIVIDADES REALIZADAS

Lugo-R., J.A., Alva, R., Rivera, B.E., Toro, M., Estrada-O.,

S. Sobre el mecanismo de transporte de cationes mediado

por poliéteres carboxílicos. I SIMPOSIO DEL DEPARTAMENTO

DE CIENCIAS DE LA S A L U D . U.A.M. Iztapalapa, octubre, 1990

Alva, R., Lugo-R., J.A., Rivera, B.E., Toro, M. y Estrada-O.,

S. 1990. Comportamiento dual del poliéter carboxílico

nigericina: acarreador iónico vs ligando iónico fijo. En

Memorias d e l N Simposio d e E s t u d i a n t e s d e Posgrado en

Química "Fernando Romott, A. Domínguez O., M.E. Ortiz

Romero V., M.T. Ramírez S. y S. Tello S., ed. U.A.M.,

U.A.Z., México, D.F. pp. 69-73.

Alva, R., Lugo-R., J.A. , Arzt, E., Cerbón, J., Rivera, B.E.,

Toro, M. y Estrada-O. , S. Nigericin forms highly stable

complexes with lithium and caesium. J. Bioenerq.

B i o m e m b r . En prensa.

OBJETIVOS ALCANZADOS

Se determinaron los valores de pKa para la Niger ic ina ,

Monensina e Isolasalócido. Además, se obtuvieron las Ks de sus

complejos con los cationes metálicos probados. Todo esto

coadyuvó a la publicación de un artículo, que contribuirá al

entendimiento de las bases fisicoquímicas que regulan la

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formación de los complejos iónicos de los poliéteres

carboxilicos mencionados, y su correlación con la actividad

ionoforética de estos.

RECOMENDACIONES

3 )

Se deberá continuar esta linea de trabajo con otros iones

met6licos diferentes, para dilucidar el mecanismo

fisicoquimico de acción de los poliéteres.

Se deben utilizar otras metodologias de cuantificación para

incrementar la información sobre los fenómenos que

ocurren durante la formación de complejos iónicos.

Es recomendable favorecer la integración de grupos de

investigación, con un enfoque multidisciplinario, para

complementar la información sobre estos fenómenos.

BIBLIOGRAFIA

Allaume, M. y Hickel, D. (1972). J. Chem. Soc. Corn. 175, 176.

Alva, R., Lugo-R., J . A . , Arzt, E., Cerbón, J., Rivera, B . E . ,

Toro, M. y Estrada-O., S. Nigericin forms highly stable

complexes with lithium and caesium. J. Bíoenerg.

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Arzt S , E. (1984). Tesis de Maestria en Biología Experimental.

Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa, México.

Ben-Hayyim, G . y Krause, G.H. (1980). Arch. Biochem. Biophys.

202, 546-557.

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Ramirez S. y S. Tello S., ed. U.A.M., México, D.F. PP.

124-128.

ANEXO

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