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Para la revista, consulte Bioinorganic Chemistry (revista) .

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 [ editar ]

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 [ editar ]

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 [ editar ]

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

Transporte y almacenamiento de iones metálicos [ editar ]

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 [ editar ]

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 [ editar ]

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 activación y transporte de oxígeno [ editar ]

Artículo principal: complejo de dioxígeno de metal de transición

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 [ editar ]

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 [ editar ]

Artículo principal: 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 agente 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 [ editar ]

Artículo principal: 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 [ editar ]

Artículo principal: 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 [ editar ]

Metales alcalinos y alcalinotérreos [ editar ]

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 [ editar ]

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 [ editar ]

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 [ editar ]

  • Fisiología
  • Cofactor
  • Metabolismo del hierro

Referencias [ editar ]

  1. ^ Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, Principios de química bioinorgánica , Libros de ciencia universitaria, 1994, ISBN  0-935702-72-5
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  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 . 
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Literatura [ editar ]

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  • Wolfgang Kaim, Brigitte Schwederski "Química bioinorgánica: elementos inorgánicos en la química de la vida". John Wiley e hijos, 1994, ISBN 0-471-94369-X 
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  • Lawrence Que, Jr., ed., Métodos físicos en química bioinorgánica , Libros de ciencia universitaria, 2000, ISBN 1-891389-02-5 

Enlaces externos [ editar ]

  • 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