UNIDAD XI: INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA BIOINORGÁNICA • Baran, E.(1995). Química Bioinorgánica. McGrawHill/Interamericana de España,S.A. • Basolo, Fred; Johnson, Ronald.(1980) Química de los compuestos de coordinación. Editorial Reverté, S.A.

bioinorgánica bio vida inorgánico lo no viviente La Química Bioinorgánica es una rama interdisciplinaria de la Química que se ocupa de una amplia gama de problemas ubicados en la interfase entre la Química y las Ciencias Biológicas. Estudia las moléculas llamadas «biometálicas «biometálicas» » con el objeto de comprender el papel y los mecanismos de acción de los diferentes metales en sistemas biológicos, haciendo uso de técnicas y métodos de la fisicoquímica inorgánica.

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

Tabla Periódica de los Bioelementos

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

Fe, Zn y Cu

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

Interrogante: ¿por qué los seres vivos han seleccionado precisamente algunos elementos «inorgánicos» y no otros? Respuesta: directamente por la abundancia relativa de los elementos en la corteza terrestre y en las aguas de mar

Los llamados elementos traza reciben este nombre porque el organismo los precisa en cantidades muy pequeñas, y tienen la condición de esenciales. Se los denomina oligoelementos porque su ausencia produce anomalías fisiológicas y/o estructurales que pueden prevenirse, y a veces tratarse mediante su administración. Habitualmente son ingeridos en la dieta en cantidades suficientes, pero en algunas circunstancias deben ser aportados de forma intencionada.

Requisitos para que a un elemento le sea asignado el carácter de esencial: • Su ingesta insuficiente produce deficiencias funcionales, que pueden revertirse cuando el elemento recupera su nivel fisiológico óptimo. • El organismo no puede crecer ni completar su ciclo vital sin ese elemento . • El elemento debe poseer una influencia directa sobre el organismo y estar involucrado en sus procesos metabólicos . • El efecto de un elemento esencial no puede ser logrado totalmente por ningún otro elemento. En general forman parte de complejos enzimáticos, bien sea de forma estructural, en la proteína que forma el enzima, o como grupos indispensables para la acción de las enzimas.

Ligandos «biológicos» para iones metálicos “biomoléculas biomoléculas” ” Enzimas que forman las metaloenzimas. Bases nucleicas tienen una gran capacidad de coordinación, la que probablemente está exaltada por las variadas posibilidades tautoméricas que 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 bioinorgánica del hierro El hierro es el elemento de transición mas ampliamente difundido entre los seres vivos. Es utilizado en el transporte de oxigeno, de electrones, en la fijación de nitrógeno y en procesos enzimáticos de diversos tipos. Los seres vivos, además, han desarrollado diversos sistemas capaces de concentrar, transportar y almacenar cantidades relativamente importantes de hierro.

Clasificación:

Ejemplos de Proteínas de hierro que contienen grupos “hemo “hemo”” 1.-- Hemoglobina y Mioglobina 1.

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 Hb se lo transfiera sin dificultad.

Ejemplos de Proteínas de hierro que contienen grupos “hemo “hemo”” 2.-- Citocromo 2. Son hemoproteinas que actúan en cadenas de transferencia de electrones en mitocondrias la cual está asociada a la cupla redox Fe(II)/Fe(III). El más estudiado es el citocromo c

Ejemplos de Proteínas de hierro que contienen grupos “hemo “hemo”” 3.-- Peroxidazas y catalasas 3. Peroxidasas Catalizan las oxidaciones con peróxido de hidrógeno Catalasas catalizan la desproporción del agua oxigenada

Protegen a los seres vivos del peligro de un crecimiento descontrolado de la concentración de H2O2 que puede formarse por la reducción parcial del oxígeno.

2. PROTEÍNAS DE HIERRO Y AZUFRE 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. HEMERITRINAS Son proteínas que no contienen el grupo hem .Transportan oxígeno en especies marinas . Están formadas por ocho subunidades idénticas, cada una con dos átomos de hierro capaz de ligar una molécula de O2 con probable formación de un complejo puenteado de dioxigeno dioxigeno..

4. TRANSPORTE Y ALMACENAMIENTO DE HIERRO Son procesos que implican la utilización de ligandos hidroxomato y fenolato segregados por los organismos para soIubilizar y movilizar el hierro inorgánico y llevarlo a las células (Sistemas microbianos). En organismos superiores los sistemas de regulación son más complejos. Ejemplos: transferrinas transferrinas,, ferritina y hemosiderina

Química bioinorganica del cobre Contienen metaloproteinas . Cumplen la función de transporte de electrones en los proceso de oxidación de sustratos varios, en el transporte de oxigeno (hemocianina). Los sistemas enzimáticos que lo contienen son azules. Clasificación : Cobre de tipo I (en proteínas azules). Tienen alto potencial redox redox.. Son paramagéticos,, con banda de absorción muy intensas (100 veces mayor paramagéticos que lo usual). Cobre de tipo II. II. Son también paramagnéticos. Tienen espectro electrónico típico de los complejos octaédricos normales de Cu II. Cobre de tipo III. III. Se caracterizan por tener un par de iones Cu(II) sometidos a fuerte acoplamiento antiferromagnético que torna diamagnético el sistema).

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

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

Oxidasas Transfiere electrones de un sustrato al oxigeno. Transfieren directamente los electrones al oxigeno reduciéndolo a agua. Ejemplos: # ascorbato oxidasa 8 a tomos de cobre. Cataliza la oxidación del ácido ascórbico a ácido dehidroascórbico # citocromo-oxidasa Cataliza 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-oxidasa Oxidasa “no azul'. Cu de tipo II. Cataliza la oxidación de dgalactosa a d-galactohexodialdosa, con reducción de oxigeno a agua oxigenada.

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

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

Química bioinorganica del 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 carbónica Cataliza la hidratación reversible del CO2 y por lo tanto es esencial en la respiración. Carboxipeptidasa Cataliza 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 alcalina Cataliza 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 bioinorgánica del cobalto El 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 12 Consiste de 4 componentes principales: un átomo de cobalto un 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 bioinorganica molibdeno 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.