Introdução a Bioinorgânica Prof. Fernando R. Xavier

UDESC 2018

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Polemizando de início...

“If you think that biochemistry is the organic

chemistry of living sytems, than you are misled.

Biochemistry is the Coordination Chemistry of

living systems.”

J. M. Wood

Gray Freshwater Biological Institute

University of Minessota

Navarre, MN U.S.A.

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A renaissance in inorganic chemistry, through its impact on modern biology, is illustrated

by the juxtaposition of a haem protein motif with the subject of the Italian renaissance

painting The Birth of Venus by Sandro Botticelli (1444-1510).

Venus, representing the life force, is depicted as rising from the sea, the origin of life to

which the inorganic elements were essential.

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The Society of Biological Inorganic Chemistry' motto "Bringing Inorganic Chemistry to

Life" and the Botticelli logo emphasize the importance of the synergism between science

and art that sustains creativity and enriches civilization.

A SBIC

Venus, representing the life force, is depicted as rising from the sea, the origin of life to

which the inorganic elements were essential.

http://www.sbic-home.org

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A origem... O calendário cósmico

Janeiro

Maio

Fevereiro Março

Junho Julho

Abril

Agosto

Setembro Outubro Novembro

DEZEMBRO ???

6

Dezembro

Domingo Segunda Terça Quarta Quinta Sexta Sábado

1 2 3 4 5 6 7

8 9 10 11 12 13 14

15 16 17 18 19 20 21

22 23 24 25 26 27

28 29 30 31 23h59’59’’ 1492 d.C !!!

A origem... O calendário cósmico

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Uma definição...

Bioinorgânica consiste em um campo multidisciplinar da ciência que estuda o papel

dos metais em sistemas vivos. A química bioinorgânica retrata o progresso da

química de coordenação aplicada em sistemas biológicos.

Química Bioinorgânica (Wöhler – 1828)

Química Orgânica (A partir de seres vivos)

Química Inorgânica (Matéria morta)

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Síntese de Wöhler - 1828

Histórico...

Relatos de metais ligados em proteínas ou enzimas já datam do século XVIII.

• McNunn, K3[Fe(CN)6] preparado a partir de amostras de sangue;

• Hoppe-Seyler estudou espectroscopicamente a hemoglobina;

• Bertrand estudou a “oxidase” de tecidos de plantas que veio a chamar

posteriormente de laccase;

• Nos anos 1930, Keilin e Hartree encontraram íons cobre na enzima

citocromo c oxidase.

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Problemas e percalços...

Desenvolvimento lento da área:

Íons metálicos em concentração traço

Falta de fundamentação teórica e

parque analítico-instrumental

A partir de 1960/70 – passa a ser interdisciplinar e

considerada como a ciência que traz a química inorgânica

para dentro das ciências da vida

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• Isolamento e métodos de purificação - Bioquímica

Fatores que contribuíram para o desenvolvimento da bioinorgânica:

Purificação de proteínas

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Fatores que contribuíram para o desenvolvimento da bioinorgânica:

• Esclarecimento de certos mecanismos bioquímicos

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Fatores que contribuíram para o desenvolvimento da bioinorgânica:

• Síntese e reatividade de compostos modelo na confirmação de reações

bioquímicas

ZnIIAC

hACII

Parkin, Chem. Rev, v. 104, 699-767, 2004

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• Propriedades físico-químicas em geral incluindo a análise de substâncias em

concentração traço em sistemas biológicos.

Exemplo: Um homem adulto possui ~ 2 g de Zn (1930-1940).

Fatores que contribuíram para o desenvolvimento da bioinorgânica:

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A bioinorgânica e sua interdisciplinaridade

Toxicologia

Metais na

Medicina

Cristalografia

Bioinorgânica

Microbiologia Biofísica

Físico-

Química

Genética

Molecular

Biologia

Molecular

Espectroscopia

Química de

Coordenação

Química

Orgânica

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Física – Métodos de detecção e caracterização;

Principais contribuições para a bioinorgânica

Farmacologia – interação entre fármacos e materiais inorgânicos;

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Toxicologia e Ciências Ambientais – Toxicidade de

compostos inorgânicos e estudo do problema das

concentrações a serem utilizadas.

Principais contribuições para a bioinorgânica

Agricultura e Ciências Nutricionais – Efeito dos elementos

inorgânicos e as suas interdependências;

Medicina - Diagnóstico e terapias;

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Subáreas da química bioinorgânica

• Ambiente de coordenação em metaloproteínas, ácidos nucléicos, carboidratos e

membranas

FeIIIZnII kbPAP

KLABUNDE et al. J. Mol. Biol. v. 259, p. 737-748, 1996

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• Mecanismos de reações nos centros metálicos das enzimas

Subáreas da química bioinorgânica

Mecanismo de reação proposto para a enzima catecol oxidase

Gerdemann, C. et. Al. Acc. Chem. Res. (2002), 35(3): 183–91.

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Subáreas da química bioinorgânica

• Análogos sintéticos para os sítios ativos das metaloproteínas (projeção, síntese,

estrutura, espectroscopia e reações catalíticas)

Neves, et. al. J. Am. Chem. Soc, v. 129, p. 7486-7487, 2007

C l

O -

O O

O

F e Z n

O

C H 3

N N N N

N H 2 O

O O H

2

1o Modelo para kbPAP com características

únicas

[FeIIIZnII(L)(m-OH)(H2O)](ClO4)

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Subáreas da química bioinorgânica

• Fármacos contendo metais para a cura e a prevenção de doenças (síntese e

mecanismos de ação)

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Subáreas da química bioinorgânica

• Remoção e transporte de íons e compostos metálicos para/e dos sistemas vivos

(desintoxicação)

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Subáreas da química bioinorgânica

• Processos de biomineralização e biorremediação

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Elementos químicos essenciais à vida

~ 3,5 Bilhões de anos

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Vida e a tabela periódica de elementos químicos

Amarelo = 5 Elementos presentes em maior percentual no corpo humano

Verde = Segundo grupo principal presentes no corpo humano

Azul = Elementos traço que são necessários para o corpo humano

Violeta = Elementos que são prejudiciais ao corpo humano

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Elementos essenciais à vida

1) Elementos Principais: H, C, N, O, P, S - constituem os blocos construtores para os

principais componentes celulares.

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Elementos essenciais à vida

2) Macrominerais e íons: Na, K, Mg, Ca, Cl, PO43-, SO4

2-

3) Elementos traços: Fe, Zn, Cu

4) Elementos Ultra-traços:

* Não metais: F, I, Se, Si, As, B

* Metais: Mn, Mo, Co, Cr, V, Ni, Cd, Sn, Pb, Li

Arginase (binuclear Mn)

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Elementos inorgânicos essenciais à vida

Rosa: elementos que ocorrem naturalmente

Cinza: Metais não-naturais - introduzidos na biologia humana em diagnósticos e

como fármacos

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Curva dose-resposta para um elemento essencial

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Deficiência de Elementos Químicos em Humanos

(Sintomas Característicos)

Elemento deficitário Sintomas típicos

Cálcio Crescimento retardado do esqueleto

Magnésio Paralisia de certos músculos

Ferro Anemia, desordem do sistema imunológico

Zinco Danos na pele, impedimento do crescimento,

maturação sexual retardada

Cobre Enfraquecimento das artérias, desordem no fígado,

anemia secundária

Manganês Infertilidade, diminuição do crescimento do esqueleto

Molibdênio Retardamento do crescimento celular, propensão à

cáries

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Deficiência de Elementos Químicos em Humanos

(Sintomas Característicos)

Elemento deficitário Sintomas típicos

Cobalto Anemia perniciosa

Níquel Crescimento depressivo, dermatite

Cromo Sintomas de diabete

Silício Desordem de crescimento do esqueleto

Flúor Cáries

Iodo Tiroide, metabolismo retardado

Selênio Enfraquecimento dos músculos

Arsênio Crescimento retardado

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Metais em Sistemas Biológicos:

Metal

N.C.

Geometria

Ligantes

preferenciais

Funções e Exemplos

Na+ 6

octaédrica

O-éter, hidroxil,

carboxilato

Transporte de carga, balanço

osmótico, impulsos nervosos

K+ 6-8

flexível

O-éter, hidroxil,

carboxilato

Transporte de carga, balanço

osmótico, impulsos nervosos

Carregadores de carga

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Metais em Sistemas Biológicos:

Estruturais e “disparadores”

Metal

N.C. Geometria

Ligantes preferenciais

Funções e Exemplos

Mg2+ 6 octaédrica

O-carboxilato Fosfato

Estrutural em hidrolases, isomerases, transferência de

fosfato

Ca2+ 6-8 flexível

O-carboxilato, carbonila, fosfato

Estrutural, Transporte de cargas, transferência de fosfato

Zn2+

(d10) 4

tetraédrica O-carboxilato, carbonila, S-tiolato, N-imidazol

Estrutural em dedo de zinco, regulação genética, anidrases,

desidrogenases

Zn2+

(d10) 5

Pirâmide base quadrada

O-carboxilato, carbonila, N-imidazol

Estrutural em hidrolases, peptidases

Mn2+

(d5) 6

octaédrica O-carboxilato, fosfato,

hidroxo

Fotossíntese, Estrutural em oxidases

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Metais em Sistemas Biológicos:

Transferidores de elétrons

Metal

N.C. Geometria

Ligantes preferenciais

Funções e Exemplos

Fe2+ (d6)

4 tetraédrica

S-tiolato Transferência de elétrons em oxidases, fixação de nitrogênio em nitrogenases

Fe2+ (d6)

6 octaédrica

O-carboxilato, alcoxo, oxo,fenolato

Transferência de elétrons em oxidases, fixação de nitrogênio em nitrogenases

Fe3+ (d5)

4 tetraédrica

S-tiolato

Transferência de elétrons em oxidases, fixação de nitrogênio em nitrogenases

Fe3+ (d5)

6 octaédrica

O-carboxilato, alcoxo, oxo, fenolato

Transferência de elétrons em oxidases, fixação de nitrogênio em nitrogenases

Cu+ (d10) Cu2+ (d9)

4 tetraédrica

S-tiolato, S-tioéter, N-imidazol

Transferência de elétrons em proteínas azuis de cobre (Tipo I)

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Metal

N.C.

Geometria

Ligantes

preferenciais

Funções e Exemplos

Cu2+

(d9)

5

Pirâmide

base

quadrada

6

Distorção

tetragonal

O-carboxilato,

N-imidazol

Oxidases de cobre (Tipo II),

hidroxilases

Enzima tipo III de cobre,

transporte de oxigênio molecular

em hemocianinas

Fe2+

(d6)

6

octaédrica

N-imidazol

porfirina

Transporte de oxigênio molecular

em hemoglobina e mioglobina

Transportadores de oxigênio

Metais em Sistemas Biológicos:

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Metais em Sistemas Biológicos:

Catalisadores enzimáticos

Metal

N.C.

Geometria

Ligantes

preferenciais

Funções e exemplos

Cu2+

(d9)

4

quadrado

planar

O-carboxilato,

N-imidazol

Cobre tipo II em oxidases

Co2+

(d7)

4

tetraédrica

S-tiolato,

tioéter; N-

imidazol

Transf. grupo alquil na vit. B12

(cianocobalaminas); oxidases

Co3+

(d6)

6

octaédrica

O-carboxilato;

N-imidazol

Transf. Grupo alquil na vitamina

B12

Ni2+

(d8)

4

quadrado

planar

S-tiolato.

Tioéter; N-

imidazol,

polipirrol

Hidrogenases, Hidrolases

Mo4+

(d2)

6

octaédrica

O-oxo,

carboxilato,

fenolato; S-

sulfeto, tiolato

Fiação do nitrogênio nas

nitrogenases, transferência de

oxigênio nas oxidases