Química bioinorgánica


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La química bioinorgánica es un campo que examina el papel de los metales en la biología . La química bioinorgánica incluye el estudio tanto de fenómenos naturales como el comportamiento de las metaloproteínas como de los metales introducidos artificialmente, incluidos los no esenciales , en medicina y toxicología . Muchos procesos biológicos , como la respiración, dependen de moléculas que pertenecen al ámbito de la química inorgánica . La disciplina también incluye el estudio de modelos inorgánicos o mímicos que imitan el comportamiento de metaloproteínas. [1]

Como mezcla de bioquímica y química inorgánica , la química bioinorgánica es importante para dilucidar las implicaciones de las proteínas de transferencia de electrones , las uniones y activación de sustratos, la química de transferencia de átomos y grupos, así como las propiedades de los metales en química biológica. El desarrollo exitoso de un trabajo verdaderamente interdisciplinario es necesario para promover la química bioinorgánica. [2]

Composición de organismos vivos

Aproximadamente el 99% de la masa de los mamíferos son los elementos carbono , nitrógeno , calcio , sodio , cloro , potasio , hidrógeno , fósforo , oxígeno y azufre . [3] Los compuestos orgánicos ( proteínas , lípidos e hidratos de carbono ) contienen la mayor parte del carbono y el nitrógeno y la mayor parte del oxígeno y del hidrógeno está presente en forma de agua. [3] Toda la colección de biomoléculas que contienen metales en unla célula se llama metalome .

Historia

Paul Ehrlich utilizó organoarsénicos ("arsenicales") para el tratamiento de la sífilis , lo que demuestra la relevancia de los metales, o al menos los metaloides, para la medicina, que floreció con el descubrimiento de Rosenberg de la actividad anticancerígena del cisplatino (cis-PtCl 2 (NH 3 ) 2 ). La primera proteína cristalizada (ver James B. Sumner ) fue la ureasa , que luego se demostró que contenía níquel en su sitio activo . La vitamina B 12 , la cura para la anemia perniciosa fue demostrada cristalográficamente por Dorothy Crowfoot Hodgkin que consiste en un cobalto en unmacrociclo de corrin . La estructura de Watson-Crick para el ADN demostró el papel estructural clave que juegan los polímeros que contienen fosfato.

Temas de química bioinorgánica

Varios sistemas distintos son identificables en química bioinorgánica. Las áreas principales incluyen:

Transporte y almacenamiento de iones metálicos

Se emplea una colección diversa de transportadores (por ejemplo, la bomba de iones NaKATPasa ), vacuolas , proteínas de almacenamiento (por ejemplo, ferritina ) y moléculas pequeñas (por ejemplo, sideróforos ) para controlar la concentración de iones metálicos y la biodisponibilidad en los organismos vivos. Fundamentalmente, muchos metales esenciales no son fácilmente accesibles para las proteínas posteriores debido a la baja solubilidad en soluciones acuosas o la escasez en el entorno celular. Los organismos han desarrollado una serie de estrategias para recolectar y transportar tales elementos limitando su citotoxicidad .

Enzimología

Muchas reacciones en las ciencias de la vida involucran agua y los iones metálicos se encuentran a menudo en los centros catalíticos (sitios activos) de estas enzimas, es decir, estas son metaloproteínas . A menudo, el agua que reacciona es un ligando (ver complejo acuoso metálico ). Ejemplos de hidrolasas enzimas son la anhidrasa carbónica , metalo fosfatasas , y metaloproteinasas . Los químicos bioinorgánicos buscan comprender y replicar la función de estas metaloproteínas.

Las proteínas de transferencia de electrones que contienen metales también son comunes. Se pueden organizar en tres clases principales: proteínas de hierro-azufre (como rubredoxinas , ferredoxinas y proteínas de Rieske ), proteínas de cobre azul y citocromos . Estas proteínas transportadoras de electrones son complementarias a los transportadores de electrones no metálicos nicotinamida adenina dinucleótido (NAD) y flavina adenina dinucleótido (FAD). El ciclo del nitrógeno hace un uso extensivo de metales para las interconversiones redox.

Los grupos 4Fe-4S sirven como relevadores de electrones en proteínas.

Toxicidad

Varios iones metálicos son tóxicos para los seres humanos y otros animales. Se ha revisado la química bioinorgánica del plomo en el contexto de su toxicidad. [4]

Proteínas de transporte y activación de oxígeno

La vida aeróbica hace un uso extensivo de metales como el hierro, el cobre y el manganeso. El hemo es utilizado por los glóbulos rojos en forma de hemoglobina para el transporte de oxígeno y es quizás el sistema metálico más reconocido en biología. Otros sistemas de transporte de oxígeno incluyen mioglobina , hemocianina y hemeritrina . Las oxidasas y oxigenasas son sistemas metálicos que se encuentran en toda la naturaleza que aprovechan el oxígeno para llevar a cabo reacciones importantes como la generación de energía en la citocromo c oxidasa o la oxidación de moléculas pequeñas en las citocromo P450 oxidasas o metano monooxigenasa.. Algunas metaloproteínas están diseñadas para proteger un sistema biológico de los efectos potencialmente dañinos del oxígeno y otras moléculas reactivas que contienen oxígeno, como el peróxido de hidrógeno . Estos sistemas incluyen peroxidasas , catalasas y superóxido dismutasas . Una metaloproteína complementaria a las que reaccionan con el oxígeno es el complejo generador de oxígeno presente en las plantas. Este sistema es parte de la compleja maquinaria proteica que produce oxígeno a medida que las plantas realizan la fotosíntesis .

La mioglobina es un tema destacado en la química bioinorgánica, con especial atención al complejo hierro-hemo que está anclado a la proteína.

Química bioorganometálica

Los sistemas bioorganometálicos presentan enlaces metal-carbono como elementos estructurales o como intermedios. Las enzimas y proteínas bioorganometálicas incluyen las hidrogenasas , FeMoco en nitrogenasa y metilcobalamina . Estos compuestos organometálicos naturales . Esta área está más enfocada a la utilización de metales por organismos unicelulares. Los compuestos bioorganometálicos son importantes en la química ambiental . [5]

Estructura de FeMoco , el centro catalítico de la nitrogenasa.

Metales en medicina

Varias drogas contienen metales. Este tema se basa en el estudio del diseño y mecanismo de acción de productos farmacéuticos que contienen metales y compuestos que interactúan con iones metálicos endógenos en sitios activos enzimáticos. El fármaco contra el cáncer más utilizado es el cisplatino . El medio de contraste para resonancia magnética comúnmente contiene gadolinio . El carbonato de litio se ha utilizado para tratar la fase maníaca del trastorno bipolar. Se han comercializado fármacos antiartríticos de oro, por ejemplo, auranofina . Las moléculas liberadoras de monóxido de carbono son complejos metálicos que se han desarrollado para suprimir la inflamación mediante la liberación de pequeñas cantidades de monóxido de carbono. El cardiovascular y neuronalSe ha examinado la importancia del óxido nítrico , incluida la enzima óxido nítrico sintasa . (Véase también: asimilación de nitrógeno ). Además, los complejos de transición metálicos basados ​​en triazolopirimidinas se han probado contra varias cepas de parásitos. [6]

Química ambiental

La química ambiental tradicionalmente enfatiza la interacción de metales pesados ​​con organismos. El metilmercurio ha causado un gran desastre llamado enfermedad de Minamata . La intoxicación por arsénico es un problema generalizado debido en gran parte a la contaminación por arsénico de las aguas subterráneas , que afecta a muchos millones de personas en los países en desarrollo. El metabolismo de los compuestos que contienen mercurio y arsénico involucra enzimas a base de cobalamina .

Biomineralización

La biomineralización es el proceso mediante el cual los organismos vivos producen minerales , a menudo para endurecer o endurecer los tejidos existentes. Estos tejidos se denominan tejidos mineralizados . [7] [8] [9] Los ejemplos incluyen silicatos en algas y diatomeas , carbonatos en invertebrados y fosfatos y carbonatos de calcio en vertebrados . Otros ejemplos incluyen cobre , hierro y oro.depósitos que involucran bacterias. Los minerales formados biológicamente a menudo tienen usos especiales, como sensores magnéticos en bacterias magnetotácticas (Fe 3 O 4 ), dispositivos sensores de gravedad (CaCO 3 , CaSO 4 , BaSO 4 ) y almacenamiento y movilización de hierro (Fe 2 O 3 • H 2 O en la proteína ferritina ). Debido a que el hierro extracelular [10] está fuertemente involucrado en la inducción de la calcificación, [11] [12] su control es esencial en el desarrollo de las cáscaras; la proteína ferritina juega un papel importante en el control de la distribución del hierro. [13]

Tipos de sustancias inorgánicas en biología.

Metales alcalinos y alcalinotérreos

Como muchos antibióticos, la monensina -A es un ionóforo que se une fuertemente al Na + (mostrado en amarillo). [14]

Los abundantes elementos inorgánicos actúan como electrolitos iónicos . Los iones más importantes son sodio , potasio , calcio , magnesio , cloruro , fosfato y bicarbonato . El mantenimiento de gradientes precisos a través de las membranas celulares mantiene la presión osmótica y el pH . [15] Los iones también son críticos para los nervios y músculos , ya que los potenciales de acción en estos tejidos son producidos por el intercambio de electrolitos entre loslíquido extracelular y el citosol . [16] Los electrolitos entran y salen de las células a través de proteínas en la membrana celular llamadas canales iónicos . Por ejemplo, la contracción muscular depende de la circulación de calcio, sodio y potasio a través de los canales iónicos en la membrana celular y los túbulos T . [17]

Metales de transición

Los metales de transición suelen estar presentes como oligoelementos en los organismos, siendo el zinc y el hierro los más abundantes. [18] [19] [20] Estos metales se utilizan como cofactores de proteínas y moléculas de señalización. Muchos son esenciales para la actividad de enzimas como la catalasa y proteínas transportadoras de oxígeno como la hemoglobina . [21]Estos cofactores están estrechamente relacionados con una proteína específica; aunque los cofactores enzimáticos pueden modificarse durante la catálisis, los cofactores siempre vuelven a su estado original después de que ha tenido lugar la catálisis. Los micronutrientes metálicos son absorbidos por los organismos mediante transportadores específicos y se unen a proteínas de almacenamiento como la ferritina o la metalotioneína cuando no se utilizan. [22] [23] El cobalto es esencial para el funcionamiento de la vitamina B12 . [24]

Compuestos del grupo principal

Muchos otros elementos además de los metales son bioactivos. El azufre y el fósforo son necesarios para toda la vida. El fósforo existe casi exclusivamente como fosfato y sus diversos ésteres . El azufre existe en una variedad de estados de oxidación, que van desde el sulfato (SO 4 2− ) hasta el sulfuro (S 2− ). El selenio es un oligoelemento involucrado en proteínas que son antioxidantes. El cadmio es importante por su toxicidad. [25]

Ver también

  • Fisiología
  • Cofactor
  • Metabolismo del hierro

Referencias

  1. ^ Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, Principios de química bioinorgánica , Libros de ciencia universitaria, 1994, ISBN  0-935702-72-5
  2. Gumerova, Nadiia I .; Rompel, Annette (31 de marzo de 2021). "Entretejiendo disciplinas para avanzar en la química: aplicación de polioxometalatos en biología" . Química inorgánica : acs.inorgchem.1c00125. doi : 10.1021 / acs.inorgchem.1c00125 . ISSN 0020-1669 . 
  3. ↑ a b Heymsfield S, Waki ​​M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Análisis químico y elemental de seres humanos in vivo utilizando modelos mejorados de composición corporal". Revista estadounidense de fisiología . 261 (2 Pt 1): E190–8. doi : 10.1152 / ajpendo.1991.261.2.E190 . PMID 1872381 . 
  4. ^ Maret, Wolfgang (2017). "Capítulo 1. La química bioinorgánica del plomo en el contexto de su toxicidad". En Astrid, S .; Helmut, S .; Sigel, RKO (eds.). Plomo: sus efectos sobre el medio ambiente y la salud . Iones metálicos en ciencias de la vida. 17 . de Gruyter. págs. 1–20. doi : 10.1515 / 9783110434330-001 . ISBN 9783110434330. PMID  28731294 .
  5. ^ Sigel, A .; Sigel, H .; Sigel, RKO, eds. (2010). Organometálicos en Medio Ambiente y Toxicología . Iones metálicos en ciencias de la vida. 7 . Cambridge: publicación de RSC. ISBN 978-1-84755-177-1.
  6. ^ Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (Marzo de 2018). "Evaluación in vitro de leishmanicidas y tripanocidas y propiedades magnéticas de los complejos de 7-amino-1,2,4-triazolo [1,5-a] pirimidina Cu (II)". Revista de bioquímica inorgánica . 180 : 26–32. doi : 10.1016 / j.jinorgbio.2017.11.027 . PMID 29227923 . 
  7. ^ Astrid Sigel, Helmut Sigel y Roland KO Sigel, ed. (2008). Biomineralización: de la naturaleza a la aplicación . Iones metálicos en ciencias de la vida. 4 . Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.
  8. ^ Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). Sobre biomineralización . Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.
  9. ^ Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). Biominerales y fósiles a través del tiempo . Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.
  10. ^ Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "El papel del hierro en el mecanismo de calcificación experimental" . J Histochem Cytochem . 11 (6): 799–803. doi : 10.1177 / 11.6.799 . Archivado desde el original el 2 de agosto de 2012.
  11. ^ Schulz, K .; Zondervan, I .; Gerringa, L .; Timmermans, K .; Veldhuis, M .; Riebesell, U. (2004). "Efecto de la disponibilidad de metales traza sobre la calcificación de cocolitofóridos" (PDF) . Naturaleza . 430 (7000): 673–676. Código Bibliográfico : 2004Natur.430..673S . doi : 10.1038 / nature02631 . PMID 15295599 .  
  12. ^ Anghileri, LJ; Maincent, P .; Córdoba-Martínez, A. (1993). "Sobre el mecanismo de calcificación de tejidos blandos inducida por hierro complejado". Patología experimental y toxicológica . 45 (5–6): 365–368. doi : 10.1016 / S0940-2993 (11) 80429-X . PMID 8312724 . 
  13. ^ Jackson, DJ; Wörheide, G .; Degnan, BM (2007). "Expresión dinámica de genes de concha de moluscos antiguos y nuevos durante las transiciones ecológicas" . Biología Evolutiva BMC . 7 : 160. doi : 10.1186 / 1471-2148-7-160 . PMC 2034539 . PMID 17845714 .  
  14. ^ Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Química de los Elementos (2ª ed.). Butterworth-Heinemann . ISBN 978-0-08-037941-8.
  15. ^ Sychrová H (2004). "La levadura como organismo modelo para estudiar el transporte y la homeostasis de cationes de metales alcalinos" (PDF) . Physiol Res . 53 Supl. 1: S91–8. PMID 15119939 .  
  16. ^ Levitan I (1988). "Modulación de canales iónicos en neuronas y otras células". Annu Rev Neurosci . 11 : 119–36. doi : 10.1146 / annurev.ne.11.030188.001003 . PMID 2452594 . 
  17. ^ Dulhunty A (2006). "Acoplamiento excitación-contracción de la década de 1950 al nuevo milenio". Clin Exp Pharmacol Physiol . 33 (9): 763–72. doi : 10.1111 / j.1440-1681.2006.04441.x . PMID 16922804 . 
  18. ^ Dlouhy, Adrienne C .; Outten, Caryn E. (2013). "Capítulo 8 El metaloma de hierro en organismos eucariotas". En Banci, Lucia (ed.). Metalómica y Celular . Iones metálicos en ciencias de la vida. 12 . Saltador. págs. 241–78. doi : 10.1007 / 978-94-007-5561-1_8 . ISBN 978-94-007-5560-4. PMC  3924584 . PMID  23595675 .libro electrónico ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electrónico- ISSN 1868-0402    
  19. ^ Mahan D, Shields R (1998). "Composición macro y micromineral de los cerdos desde el nacimiento hasta los 145 kilogramos de peso corporal" . J Anim Sci . 76 (2): 506–12. doi : 10.2527 / 1998.762506x . PMID 9498359 . Archivado desde el original el 30 de abril de 2011. 
  20. ^ Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Análisis de huellas dactilares elementales de cebada (Hordeum vulgare) mediante espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente, espectrometría de masas de relación de isótopos y estadísticas multivariadas". Anal Bioanal Chem . 378 (1): 171–82. doi : 10.1007 / s00216-003-2219-0 . PMID 14551660 . 
  21. ^ Finney L, O'Halloran T (2003). "Especiación de metales de transición en la célula: conocimientos de la química de los receptores de iones metálicos". Ciencia . 300 (5621): 931–6. Código Bibliográfico : 2003Sci ... 300..931F . doi : 10.1126 / science.1085049 . PMID 12738850 . S2CID 14863354 .  
  22. ^ Primos R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Transporte, tráfico y señales de zinc de mamíferos" . J Biol Chem . 281 (34): 24085–9. doi : 10.1074 / jbc.R600011200 . PMID 16793761 . 
  23. ^ Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Captación y metabolismo del hierro en el nuevo milenio". Trends Cell Biol . 17 (2): 93–100. doi : 10.1016 / j.tcb.2006.12.003 . PMID 17194590 . 
  24. ^ Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Capítulo 10 Transporte de cobalto y corrinoides y bioquímica". En Banci, Lucia (ed.). Metalómica y Celular . Iones metálicos en ciencias de la vida. 12 . Saltador. págs. 333–74. doi : 10.1007 / 978-94-007-5561-1_10 . ISBN 978-94-007-5560-4. PMID  23595677 .libro electrónico ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electrónico- ISSN 1868-0402    
  25. ^ Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Capítulo 1. La química bioinorgánica del cadmio en el contexto de su toxicidad". En Astrid Sigel, Helmut Sigel y Roland KO Sigel (ed.). Cadmio: de la toxicología a la esencialidad . Iones metálicos en ciencias de la vida. 11 . Saltador. págs. 1-30.

Literatura

  • Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), Conceptos y modelos en química bioinorgánica , John Wiley and Sons, 2006, ISBN 3-527-31305-2 
  • Ivano Bertini, Harry B. Gray, Edward I. Stiefel, Joan Selverstone Valentine, Química Inorgánica Biológica , Libros de Ciencias Universitarias, 2007, ISBN 1-891389-43-2 
  • Wolfgang Kaim, Brigitte Schwederski "Química bioinorgánica: elementos inorgánicos en la química de la vida". John Wiley e hijos, 1994, ISBN 0-471-94369-X 
  • Rosette M. Roat-Malone, Química bioinorgánica: un curso corto , Wiley-Interscience , 2002, ISBN 0-471-15976-X 
  • JJR Fraústo da Silva y RJP Williams, La química biológica de los elementos: La química inorgánica de la vida , 2da edición, Oxford University Press , 2001, ISBN 0-19-850848-4 
  • Lawrence Que, Jr., ed., Métodos físicos en química bioinorgánica , Libros de ciencia universitaria, 2000, ISBN 1-891389-02-5 

enlaces externos

  • Página de inicio de la Sociedad de Química Inorgánica Biológica (SBIC)
  • Sociedad Francesa de Química Bioinorgánica
  • Glosario de términos en química bioinorgánica
  • Grupos de coordinación de metales en proteínas por Marjorie Harding
  • Instituto Europeo de Bioinformática
  • MetalPDB: una base de datos de sitios metálicos en estructuras biomoleculares
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