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São Cristovão - SE
Ruyanne Andreza Camilo
Profº Dr. Antônio Reinaldo Cestar i
Complexos de Metais de Transição em Sistemas
Biológicos – Teorias e Aplicações
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA
Introdução
Inorgânica – “estuda elementos que não fazem parte da composição dos organismos vivos”.
Síntese de Wöhler (1828): Cianato de amônio → uréia.
Surgimento da Química Orgânica. ( C, O, H, N )
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Fonte: FERNANDES, R, F Química de Coordenação, fundamentos e atualidades, 2002.’
Química Inorgânica em Sistemas Biológicos (BIOINORGÂNICA)
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Fonte: FERNANDES, R, F Química de Coordenação, fundamentos e atualidades, 2002.
Compostos inorgânicos que desempenham papéis importantes na manutenção
da vida.
Em 1960 tornou-se uma área de pesquisa independente, devido ao desenvolvimento, nas últimas décadas,
de métodos mais sofisticados para análise de traços .
Abundância Relativa dos Elementos Químicos
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(a) (b) (c) Corpo Humano Crosta Terrestre Oceanos
Composição Química Elementar Média do Corpo Humano (70Kg).
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Você
Sabia?
Função Biológica
Estruturais:
O Cálcio é principal constituinte da estrutura óssea do corpo humano.
Transportadores de Elétrons e Oxigênio:
Ferro e Cobalto são os principais centro-ativos de várias metaloenzimas e também de proteínas transportadoras.
Catalisadores da reações de oxirredução e ácido-base:
Mg, Co e Zn são constituintes do sítio ativo de enzimas que catalisam reações como hidrólise e descarboxilação de vários compostos.
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Importância dos Elementos em sistemas biológicos
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Ca Constituinte dos esqueleto dos animais, mensageiro de ação hormonal.
Mg Coordena-se a grupos fosfatos, participa das reações enzimáticas .
Fe Centro-ativos de várias metaloenzimas e também de proteínas transportadoras de oxigênio.
Zn Constituinte de sítio ativo de enzimas que catalisam diversas reações.
Cu Centro-ativos de várias metaloenzimas e também de proteínas transportadoras de oxigênio.
Mn Constituinte de sítio ativo de enzimas que catalisam diversas reações.
Mo Participa de reações como co-fator de enzimas.
Co Constituinte de sítio ativo de enzimas que catalisam diversas reações.
Cr Importante tanto no metabolismo dos açúcares, melhorando a ação da insulina, como das
gorduras.
K Principal constituinte dos fluidos biológicos e citoplasma, ativador de algumas enzimas.
I Utilizado na síntese dos hormônios tireoidianos.
Na Principal constituinte dos fluidos biológicos e citoplasma, ativador de algumas enzimas.
Alguns sintomas característicos da deficiência dos elementos químicos em humanos
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Ca Retarda o crescimento dos ossos
Mg Contração muscular
Fe Anemia, desordem do sistema imunológico
Zn Doença de pele, crescimento, retardamento da maturidade sexual
Cu Enfraquecimento das artérias, desordem do fígado e anemia secundária
Mn infertilidade, crescimento desigual dos ossos
Mo Retarda o crescimento celular, propicia a formação de cárie
Co Anemia
Ni Aumento da depressão, dermatite
Cr Sintomas de diabetes
Si Desordem no crescimento dos ossos
F Cárie
I Desordem da tireóide, retarda metabolismo
Se Enfraquecimento muscular, cardiomiopatia
As Crescimento desigual (em animais)
Diagrama dose-resposta dos elementos essenciais
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Fonte: SUSSUCHI, E. M. Alguns aspectos da química bioinorgânica. UFS, 2012.
Mas, porque um Íon Metálico e não outro desempenha um papel biológico espécifico?
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Ochiai (1798) Abordou essa questão com base em quatro princípios básicos:
1. Regra da abundância: Se dois ou mais elementos são capazes de desempenhar a mesma função
o organismo seleciona o mais abundante. Ex: Uso do cálcio nos materiais de proteção ou
esqueleto. Carbonato e Fosfato de Sr também são insolúveis em água e poderiam desempenhar
esse papel.
2. Regra do Ajuste Básico: O elemento selecionado precisa ser capaz de ajustar-se as condições do
meio.
3. Regra da Eficiência: Depois de selecionado e ajustado ele precisa realizar sua função de forma
eficiente.
4. Aperfeiçoamento evolucionário da eficiência e especialidade
Ex: As reações acontecem em meio aquoso, em faixa de temperatura relativamente estreita, e os
ligantes possíveis são limitados.
Para que uma espécie possa efetuar reações de oxidorredução em meio aquoso ele não deve reduzir
nem oxidar a água
Aplicações de alguns princípios da química de coordenação à química bioinorgânica
Conceitos de àcidos e bases duros e macios:
• Ácidos duros/ Bases duras
• Ácidos macios/ Bases macias
A estabilidade de complexos metálicos segue a série de Irving- Williams.
Ba(II)<Sr(II)<Ca(II)<Mg(II)<Mn(II) < Fe(II) <
Co(II) < Ni(II) < Cu(II) > Zn(II)
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Fonte: SILVA, M. Ácidos e bases em sistemas inorgânicos.
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA0roAD/acidos-bases-sistemas-inorganicos?part=3,
2013.
O efeito quelato é determinado principalmente pelo
aumento de entropia associada a formação desses compostos.
Isso ocorre porque, na reação de formação, cada ligante
polidentado substitui pelo menos dois ligantes
monodentados, aumentando o número de íons, de moléculas
ou de radicais livres, o que resulta no aumento da entropia,
favorecendo assim a formação dos quelatos.
É evidente que a entalpia e a entropia favorecem a
formação do complexo quelato, mas que a contribuição da
entropia é a mais importante.
Efeito Quelato
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Estrutura da Porfina
Fe
Fe
Formação de Complexo em Solução
p[M] + q[L] [(M)p(L)q] K = [(M)p(L)q] / [M]p . [L]q
No entanto a concentração do ligante [L], em dado valor de pH, é dada pela reação:
p[H] + q[M] [(H)p(L)q] K = [(H)p(L)q] / [L]q . [H]p
Portanto o equilíbrio global pode ser representado pela equação:
p[H] + q[M] + r[L] [(H)p(M)q(L)r]
A concentração do íon metálico depende da sua reação de hidrólise
p[M] + q[H2O] [(M)p(OH)q] + qH
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1. Para exercer sua função, em geral, o seu substrato deve se coordenar ao centro metálico. Em
muitos casos, o substrato substitui o ligante na esfera de coordenação do metal.
2. A rapidez das substituições é maior para íons de maior carga.
3. Cátions metálicos muito inertes como Cr(III), Ru(II) e Rh(II) de spin baixo, não são muito
usados em sistemas biológicos.
4. A velocidade de uma reação enzimática depende da energia de ativação, que pode ser vista
como a diferença de energia potencial entre o estado inicial e o estado de transição.
5. A energia de ativação depende principalmente da energia necessária para reorganizar a
estrutura ML de modo a permitir a ligação do substrato.
6. Quanto menor for a diferença estrutural entre o estado inicial e o estado de transição, menor
será a energia de ativação e maior a velocidade de reação.
Reação de Substituição de Ligante (Enzimática)
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Fonte: FERNANDES, R, F Química de Coordenação, fundamentos e atualidades, 2002.
ML + S (MLS)*
Proteínas Azuis do Cobre
Complexos de Cu(II) com número de coordenação quatro geralmente apresentam geometria quadrada.
O complexo de Cu(I) de configuração d10 prefere a geometria tetraédrica.
Para evitar gastos energéticos as proteínas azuis possuem uma estrutura rígida que mantém o cobre em uma estrutura tetraédrica distorcida.
Efeito Entático (Entre o inicial e transição).
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A Hemoglobina
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1. É uma metaloproteína presente nos
glóbulos vermelhos e que permite o
transporte de oxigênio pelo sistema
circulatório.
2. É envolvida no transporte de outros
gases, como o dióxido de
carbono (cerca de 10% do total).
3. Em algumas células tem como função
regular o metabolismo do ferro .
Incorporação de Ferro por bactérias
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Fonte: FERNANDES, R, F Química de Coordenação, fundamentos e atualidades, 2002.
Baixa Solubilidade. Concentração disponível pequena. Kps Fe(OH) ~ 10-39.
Microorganismos desenvolveram os Sideróforos.
As bactérias liberam sideróforos no meio ambiente, onde eles sequestram o ferro, originando um complexo que é incorporado pelas células.
Dentro da célula o complexo é dissociado.
Transporte de Ferro em mamíferos
O ferro (III) é incorporado pelas células na forma complexada à transferrina.
Nas membranas celulares existem receptores para a transferrina.
Complexo de Ferro da transferrina + Proteína Receptora + Diminuição do pH = Fe2+
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Fonte: FERNANDES, R, F Química de Coordenação, fundamentos e atualidades, 2002.
Grupo Heme
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Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/hemoglobina
Do grego, significa sangue.
Sinônimo do grupo ferro-porfirina.
Hb é feita de 4 subunidades de cadeia
peptídicas.
Liga-se a 4 moléculas de O.
A estabilidade do complexo
HbFe(II)O2. Orbitais preenchidos
dxy dyz do Fe(II) com os orbitais p
do O2 e da sobreposição do orbital
s com o orbital vazio dz2.
Cooperatividade
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Hemoglobina (pH = 7,6)
Hemoglobina (pH = 6,8)
Pressão Parcial de O2 (kPa)
Gra
u d
e S
atu
ração
(%)
Pressão Parcial (Músculo)
Pressão Parcial (Pulmão)
Arterial
Pulmonar
Passando de um estado de baixa
afinidade, para alta
Comparação entre as ligações de O2 e CO na Hemoglobina
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Orbitais híbridos sp2 do O,
Angulares (120º)
CO é um subproduto gerado pelo metabolismo celular.
Orbitais híbridos sp do
C, Lineares (180º)
Fonte: FERNANDES, R, F Química de Coordenação, fundamentos e atualidades
A palavra câncer vem do latim “cancer”, que significa caranguejo. Esse nome se deve à semelhança entre as pernas do crustáceo e os vasos do tumor, que se infiltram nos tecidos sadios do corpo.
O câncer, um conjunto de doenças causadas pela multiplicação descontrolada de células anormais
O estudo de complexos metálicos para uso na quimioterapia teve grande impulso depois da descoberta das propriedades antitumorais do cis-diaminodicloroplatina (II)],cis[Pt(NH3)2Cl2], comumente chamado “cisplatina”, e que é um dos compostos mais utilizados no tratamento do câncer hoje em dia.
Químioterapia
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Fonte: http://qnint.sbq.org.br/qni/visualizarTema.php?idTema=31
Hidrólise da Cis-Platina
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Fonte: http://qnint.sbq.org.br/qni/visualizarTema.php?idTema=31
Antes de alcançar as
células, os complexos
passam por reações de
substituição, sendo a
mais importante a
reação de hidrólise.
Como age a Cis-Platina?
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Fonte: http://qnint.sbq.org.br/qni/visualizarTema.php?idTema=31
Adenina Guanina
A ligação da platina com o DNA ocorre preferencialmente através de um dos átomos de nitrogênio de guanina ou de
adenina. A interação mais estável é com o nitrogênio da guanina, em razão da possibilidade de formação de ligação de
hidrogênio do grupo NH3.
• Intrafita: quando as duas ligações ocorrem na mesma fita do DNA.
• Interfitas: quando cada ligação é feita em uma fita diferente do DNA.
• Para a cisplatina, o aduto encontrado em maior quantidade é o que corresponde à ligação intrafita, envolvendo bases guaninas adjacentes, o que sugere ser a formação desse aduto o maior responsável pela sua atividade anticancerígena, uma vez que provoca lesões mais difíceis de serem reparadas. A habilidade da cisplatina de se ligar ao DNA e de distorcer sua estrutura sugere que o composto interfere no funcionamento normal desse componente celular.
Adutos formados
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Fonte: http://qnint.sbq.org.br/qni/visualizarTema.php?idTema=31
É o produto da adição direta de duas ou mais moléculas
diferentes, resultando em um único produto de reação
contendo todos os átomos dos componentes iniciais.