Introduccin a la Qumica Bioinorgnica:

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Introducción a la Química Bioinorgánica
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Química Bioinorgánica

• Abarca el estudio de
• sistemas y compuestos inorgánicos presentes en
  tejidos biológicos
• sistemas inorgánicos (modelos) que simulan o
  reproducen en forma parcial o total el
  comportamiento químico de los sistemas naturales
• la correlación entre la actividad biológica de un
  sistema inorgánico con las características
  estructurales, electrónicas y químicas del mismo.

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Areas relacionadas
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Elementos esenciales
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Constituyentes mayoritarios
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Elementos trazas y ultramicrotrazas
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Funciones biológicas de los metales

• Estructural
• Activación y transporte de oxígeno
• Transporte de electrones
• Catalíticas en procesos redox
• Catalíticas en reacciones ácido-base y otras

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Función estructural

• Tejidos de sostén hidroxiapatita cálcica
  Ca10(PO4)6(OH)2 (fase inorgánica de huesos y
  dientes), CaCO3 (caparazonas o cubiertas duras)
• Control de la conformación de la cadena proteica

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Interacción de metales con macromoléculas
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Activación y transporte de oxígeno
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Transporte de electrones

• Iones con diferentes estados de oxidación
  Fe(II)/Fe(III), Cu(I)/Cu(II), Mo(IV)/Mo(V)/Mo(VI)
• Aceptan electrones de un agente más reductor y
  los transfieren a otro más oxidante
• Se han detectado estados de oxidación inusuales
  (Fe(IV), Co(I), Ni(III) )

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Catalítica en procesos redox

• Superóxidodismutasa
• ENZ-Cu(II) O2- ENZ-Cu(I) O2
• ENZ-Cu(I) O2- 2H ENZ-Cu(II) H2O2
• 2O2- 2H O2 H2O2

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Catalítica en procesos ácido-base

• Anhidrasa carbónica CO2H2O H2CO3

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Funciones específicas

• Captación, transporte y acumulación de metales
  (sideróforos, ferritina, ceruloplasmina)
• Procesos fotoquímicos (clorofila)
• Detoxificación de los organismos
  (metalotioneínas)
• Sistemas catiónicos que ejercen función de
  control, regulación y trasmisión

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Estado entático
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Efecto macrocíclico

• Log K 5,2
• ?G -30 kJ/mol a 300ºK

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Por qué el Fe?

• Se encuentra en bacterias hasta en el hombre
• Participa en variedad de sistemas y funciones
  biológicas
• Se encuentra complejeado con diferentes ligandos
• Fe porfirínico
• Fe no porfirínico

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Ligando porfirina
Metaloporfirina
Porfina
Fe-protoporfirina IX (hem)
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Características de las porfirinas

• Anillo planar estable
• Desprotonado es apto para complejear metales, aún
  relativamente lábiles
• Hueco selectivo (ri0,60-0,70Å)
• Uniones pi conjugadas esenciales para la
  reactividad
• Provocan configuración de BS
• Fe y no otro metal causas cinéticas

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Propiedades de complejos Fe(II)-porfirina

• Fácilmente oxidable
• Energía de estados de HS y LS cercanas,
  dependientes de la proteína y de ligandos
  axiales, además de las porfirinas
• Complejo una nueva unidad
• Naturaleza hidrofóbica de la superficie de las
  porfirinas
• Potenciales redox dependen de las proteínas
• Grupos hem reguladores celulares del Fe libre

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Almacenamiento y transporte de O2 Mb y Hb

• O2 4H 4e- ? 2 H2O

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Posición del Fe en la deoxi y oxi Hb
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Diagramas de energía
Forma de-oxigenada
Forma oxigenada
Fe(II) (d6) LS O2 (enlazado)
Fe(III) (d5) LS O2- (enlazado)
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Modelos 1
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Modelos 2
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Modelos 3
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Función
KMb/O2MbO2 / MbO2
KHb/O2 HbO2 / HbO22,8
A- Mb B y C - Hb
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Respuesta celular a especies tóxicas

• Mecanismos de defensa natural desarrollados por
  las células para neutralizar productos de los
  metabolismos normales
• Resistencia química natural a sustancias exógenas
• Uso de reactivos sintéticos como terapéuticos

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Modelos de transporte
Eteres corona
dibenzo-30-corona-10
18-corona-6
complejo de K
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Modelos de transporte
Criptatos
criptato 222
criptato 221
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Transporte a través de las membranas biológicas

• Transporte pasivo
• ionóforos
• canales de iones

• Transporte activo
• bombas

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Ionóforos naturales
valinomicina
nonactina
monensina
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BOMBA DE SODIO
3 Na(int) 2 K(ext) ATP4- H2O ? 3 Na(ext)
2 K(int) ADP3- HPO42- H
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Biominerales

• Compuestos inorgánicos sólidos de estructura
  definida, formados por mecanismos de control
  molecular que operan en sistemas biológicos

Funciones

• Soporte estructural
• Reservorio de elementos esenciales
• Sensores
• Protección mecánica
• Depósito de elementos tóxicos

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Biominerales
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Los formadores de biominerales

• Cationes Mg(II), Ca(II), Sr(II), Fe(II,III)
• Aniones carbonato, fosfato, sulfato, fluoruro,
  silicato, sulfuro, óxido, hidróxido
• La composición química de los biominerales está
  determinada principalmente por la disponibilidad
  de sus componentes

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Formación de los biominerales

• Equilibrio termodinámico
• catión(ac) anión(ac) biomineral(s)
• El biomineral debe tener baja solubilidad en
  condiciones fisiológicas
• Constante de equilibrio
• KPS catiónanión
• (condiciones fisiológicas)

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La formación de CaCO3

• Las estructuras posibles calcita, aragonita,
  vaterita
• CaCO3 amorfo
• Estructura y estabilidad
• Estructura y solubilidad
• La formación del precipitado

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Los mecanismos de la biomineralización

• Procesos biológicamente inducidos
• El mineral precipita como consecuencia de una
  interacción entre la actividad biológica del
  organismo y el entorno físico
• Procesos biológicamente controlados
• El mineral precipita bajo control (estructural,
  espacial, químico) de una matriz orgánica

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Control biológico en la formación de CaCO3

• Caparazones de moluscos
• Depósito de calcita o aragonita, embebido en una
  matriz orgánica
• Matriz orgánica predominio de secuencia
• Asp-X-Asp-X

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Ferritina

• Función depósito de Fe
• Apoferritina
• Fe(III)
• Ferritina
• apoferritinaFeIIIO(OH)

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Fluoruros

• - participa en la biomineralización
• - estrecho intervalo óptimo
• formación de CaF2 insoluble
• inhibición de metaloenzimas

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Cloruros

• haluro más abundante en sistemas biológicos
• mantenimiento de la presión osmótica fisiológica
• canales de cloruros

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Bromuros

• acumulados por algunas algas
• esencialidad controversial
• utilizados como sedantes posibles
  modificadores del potencial de membrana.

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Iodo

• acumulación pronunciada en la tiroides (80 del
  total)
• presente en compuestos orgánicos iodados
  (hormonas tiroideas y sus precursores)

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Selenio en sistemas biológicos
Tóxico poderoso plantas venenosas capaces de
incorporar selenio y utilizarlo en lugar del
azufre
Elemento traza esencial Enfermedades y desórdenes
fisiológicos asociados con su deficiencia en
regiones pobres en Se.
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• Deficiencias de Selenio
• enfermedad de Keshan (cardiomiopatía infantil)
• mal de Kashin y Beck (afecta el desarrollo óseo)
• Ambas son revertidas mediante suplementación con
  Se

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Hemocianina
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Estructura de los anillos corrina y porfirina
Corrina
Porfirina