Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Química bioinorgánica

La química bioinorgánica es un campo que examina el papel de los metales en la biología . Incluye el estudio de fenómenos naturales, como el comportamiento de las metaloproteína...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

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

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

Composición de los 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 y carbohidratos ) contienen la mayor parte del carbono y el nitrógeno, y la mayor parte del oxígeno y el hidrógeno está presente como agua. [ 3 ] El conjunto completo de biomoléculas que contienen metales en una célula se llama metaloma .

Historia

Paul Ehrlich utilizó compuestos organoarsénicos ("arsenicales") para el tratamiento de la sífilis , demostrando la relevancia de los metales, o al menos de los metaloides, para la medicina, que floreció con el descubrimiento de Rosenberg de la actividad anticancerígena del cisplatino (cis-PtCl₂ ( NH₃ ) ₂ ) . La primera proteína cristalizada (véase James B. Sumner ) fue la ureasa , que posteriormente se demostró que contenía níquel en su sitio activo . La vitamina B₁₂ , la cura para la anemia perniciosa, fue demostrada cristalográficamente por Dorothy Crowfoot Hodgkin como compuesta por un átomo de cobalto en un macrociclo de corrina .

Temas en química bioinorgánica

En química bioinorgánica se pueden identificar varios sistemas distintos. Las áreas principales incluyen:

Transporte y almacenamiento de iones metálicos

Diversos transportadores (por ejemplo, la bomba de iones NaKATPasa ), vacuolas , proteínas de almacenamiento (por ejemplo, ferritina ) y moléculas pequeñas (por ejemplo, sideróforos ) se utilizan para controlar la concentración y la biodisponibilidad de iones metálicos en los organismos vivos. Es fundamental destacar que muchos metales esenciales no son fácilmente accesibles para las proteínas posteriores debido a su baja solubilidad en soluciones acuosas o a su escasez en el entorno celular. Los organismos han desarrollado diversas estrategias para recolectar y transportar estos elementos, limitando al mismo tiempo su citotoxicidad .

Enzimología

Muchas reacciones en las ciencias biológicas involucran agua, y los iones metálicos suelen estar presentes en los centros catalíticos (sitios activos) de estas enzimas, es decir, se trata de metaloproteínas . A menudo, el agua que reacciona actúa como ligando (véase complejo metal-acuo ). Ejemplos de enzimas hidrolasas son la anhidrasa carbónica , las metalofosfatasas y las 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 hierro-azufre (como las rubredoxinas , las ferredoxinas y las proteínas de Rieske ), proteínas de cobre azul y citocromos . Estas proteínas de transporte de electrones son complementarias a los transportadores de electrones no metálicos nicotinamida adenina dinucleótido (NAD) y flavina adenina dinucleótido (FAD). El ciclo del nitrógeno utiliza ampliamente metales para las interconversiones redox.

Los cúmulos 4Fe-4S actúan como relés de electrones en las proteínas.

Toxicidad

Varios iones metálicos son tóxicos para los 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 de metales más reconocido en biología. Otros sistemas de transporte de oxígeno incluyen la mioglobina , la hemocianina y la hemeritrina . Las oxidasas y oxigenasas son sistemas de metales que se encuentran en toda la naturaleza y 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 oxidasas del citocromo P450 o la 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 cuando 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 intermediarios. Las enzimas y proteínas bioorganometálicas incluyen las hidrogenasas , FeMoco en la nitrogenasa y la metilcobalamina . Estos son compuestos organometálicos que se encuentran en la naturaleza . Esta área se centra más en 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

Varios fármacos contienen metales. Este tema se basa en el estudio del diseño y el mecanismo de acción de los fármacos que contienen metales, y de los compuestos que interactúan con iones metálicos endógenos en los sitios activos de las enzimas. El fármaco anticancerígeno más utilizado es el cisplatino . Los agentes de contraste para resonancia magnética suelen contener gadolinio . El carbonato de litio se ha utilizado para tratar la fase maníaca del trastorno bipolar. Se han comercializado fármacos antiartríticos a base de oro, como la auranofina . Se han desarrollado moléculas liberadoras de monóxido de carbono, complejos metálicos, para suprimir la inflamación mediante la liberación de pequeñas cantidades de monóxido de carbono. Se ha examinado la importancia cardiovascular y neuronal del óxido nítrico , incluida la enzima óxido nítrico sintasa . (Véase también: asimilación de nitrógeno ). Además, se han probado complejos de transición metálicos basados ​​en triazolopirimidinas contra varias cepas de parásitos. [ 6 ]

Química ambiental

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

Biomineralización

La biomineralización es el proceso por el cual los organismos vivos producen minerales , a menudo para endurecer o rigidizar los tejidos existentes. Dichos tejidos se denominan tejidos mineralizados . [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Algunos ejemplos incluyen silicatos en algas y diatomeas , carbonatos en invertebrados y fosfatos y carbonatos de calcio en vertebrados . Otros ejemplos incluyen depósitos de cobre , hierro y oro que involucran bacterias. Los minerales formados biológicamente a menudo tienen usos especiales, como sensores magnéticos en bacterias magnetotácticas (Fe 3 O 4 ), dispositivos de detección 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 conchas; 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

Al igual que 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 el sodio , el potasio , el calcio , el magnesio , el cloruro , el fosfato y el bicarbonato . El mantenimiento de gradientes precisos a través de las membranas celulares mantiene la presión osmótica y el pH . [ 15 ] Los iones también son fundamentales para los nervios y los músculos , ya que los potenciales de acción en estos tejidos se producen por el intercambio de electrolitos entre el líquido 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 del movimiento de calcio, sodio y potasio a través de 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 unidos a una proteína específica; aunque los cofactores enzimáticos pueden modificarse durante la catálisis, siempre vuelven a su estado original después de que esta se haya producido. 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

Además de los metales , muchos otros elementos son bioactivos. El azufre y el fósforo son esenciales para la vida. El fósforo existe casi exclusivamente como fosfato y sus diversos ésteres . El azufre existe en diversos estados de oxidación, desde sulfato ( SO₄²⁻ ) hasta sulfuro (S²⁻ ) . El selenio es un oligoelemento que participa en proteínas antioxidantes. El cadmio es importante debido a su toxicidad . [ 25 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, Principios de química bioinorgánica , University Science Books, 1994, ISBN 978-0-935702-72-9
  2. ↑ Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (31 de marzo de 2021). "Interconectando disciplinas para avanzar en la química: aplicación de polioxometalatos en biología" . Química inorgánica . 60 (9): 6109– 6114. doi : 10.1021/acs.inorgchem.1c00125 . ISSN 0020-1669 . PMC 8154434. PMID 33787237 .   
  3. 1 2 Heymsfield S, Waki ​​M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Análisis químico y elemental de humanos in vivo utilizando modelos mejorados de composición corporal". American Journal of Physiology . 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 en el medio ambiente y la salud . Iones metálicos en ciencias de la vida. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20 . doi : 10.1515/9783110434330-001 . ISBN   978-3-11-043433-0. PMID 28731294 . 
  5. ↑ Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, RKO, eds. (2010). Compuestos organometálicos en medio ambiente y toxicología . Iones metálicos en ciencias de la vida. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN  978-1-84755-177-1.
  6. ↑ Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (marzo de 2018). "Evaluación leishmanicida y tripanocida in vitro y propiedades magnéticas de complejos de Cu(II) de 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pirimidina". Journal of Inorganic Biochemistry . 180 : 26–32 . doi : 10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027 . PMID 29227923 .  
  7. ↑ Astrid Sigel, Helmut Sigel y Roland KO Sigel, eds. (2008). Biomineralización: De la naturaleza a la aplicación . Iones metálicos en ciencias de la vida. Vol. 4. Wiley. ISBN  978-0-470-03525-2.
  8. ↑ Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). Sobre la 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 la calcificación experimental" . J Histochem Cytochem . 11 (6): 799– 803. doi : 10.1177/11.6.799 .
  11. ↑ Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Efecto de la disponibilidad de metales traza en la calcificación de cocolitofóridos" (PDF) . Nature . 430 (7000): 673– 676. Bibcode : 2004Natur.430..673S . doi : 10.1038/nature02631 . PMID 15295599 . 
  12. ↑ Anghileri, LJ; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "Sobre el mecanismo de calcificación de tejidos blandos inducida por hierro complejado". Patología experimental y toxicológica . 45 ( 5– 6): 365– 368. Bibcode : 1993EToxP..45..365A . doi : 10.1016/S0940-2993(11)80429-X . PMID 8312724 . 
  13. ↑ Jackson, DJ; Wörheide, G.; Degnan, BM (2007). "Expresión dinámica de genes de conchas de moluscos antiguos y novedosos durante transiciones ecológicas" . BMC Evolutionary Biology . 7 (1) 160. Bibcode : 2007BMCEE...7..160J . doi : 10.1186/1471-2148-7-160 . PMC 2034539. PMID 17845714 .  
  14. ↑ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Química de los elementos (2.ª ed.). Butterworth-Heinemann. doi : 10.1016/C2009-0-30414-6 . ISBN  978-0-08-037941-8.
  15. ↑ Sychrová H (2004). "La levadura como organismo modelo para estudiar el transporte y la homeostasis de los cationes de metales alcalinos" (PDF) . Physiol Res . 53 (Supl. 1): S91–8. doi : 10.33549/physiolres.930000.53.S91 . PMID 15119939 . 
  16. ↑ Levitan I (1988). "Modulación de los 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 desde la década de 1950 hasta el 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). "El metaloma de hierro en organismos eucariotas". En Banci, Lucia (ed.). Metalómica y la célula . Iones metálicos en ciencias de la vida. Vol. 12. Springer. pp. 241–78 . doi : 10.1007/978-94-007-5561-1_8 . ISBN   978-94-007-5560-4. PMC 3924584 . PMID 23595675 .  ISBN del libro electrónico 978-94-007-5561-1ISSN electrónico 1559-0836 - ISSN electrónico 1868-0402  
  19. ↑ Mahan D, Shields R (1998). "Composición macro y micromineral de 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 del original el 30 de abril de 2011. 
  20. ↑ Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Análisis de huella dactilar elemental de cebada (Hordeum vulgare) mediante espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente, espectrometría de masas de relación isotópica y estadística multivariante". Anal Bioanal Chem . 378 (1): 171–82 . Bibcode : 2004ABiCh.378..171H . doi : 10.1007/s00216-003-2219-0 . PMID 14551660 . 
  21. ↑ Finney L, O'Halloran T (2003). "Especiación de metales de transición en la célula: perspectivas desde la química de los receptores de iones metálicos". Science . 300 (5621): 931– 6. Bibcode : 2003Sci...300..931F . doi : 10.1126/science.1085049 . PMID 12738850 . S2CID 14863354 .  
  22. ↑ Cousins ​​R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Transporte, tráfico y señales de zinc en 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). "Transporte y bioquímica de cobalto y corrinoides". En Banci, Lucia (ed.). Metalómica y la célula . Iones metálicos en ciencias de la vida. Vol. 12. Springer. pp. 333–74 . doi : 10.1007/978-94-007-5561-1_10 . ISBN   978-94-007-5560-4. PMID 23595677 . ISBN del libro electrónico 978-94-007-5561-1ISSN electrónico 1559-0836 - ISSN electrónico 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 (eds.). Cadmio: De la toxicología a la esencialidad . Iones metálicos en ciencias de la vida. Vol. 11. Springer. pp. 1–30 .  

Literatura

  • Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), Conceptos y modelos en química bioinorgánica , John Wiley and Sons, 2006, ISBN 978-3-527-31305-1
  • Ivano Bertini, Harry B. Gray, Edward I. Stiefel, Joan Selverstone Valentine, Química inorgánica biológica , University Science Books, 2007, ISBN 978-1-891389-43-6
  • Wolfgang Kaim, Brigitte Schwederski «Química bioinorgánica: Elementos inorgánicos en la química de la vida». John Wiley and Sons, 1994, ISBN 978-0-471-94369-3
  • Rosette M. Roat-Malone, Química bioinorgánica  : un curso breve , Wiley-Interscience , 2002, ISBN 978-0-471-15976-6
  • JJR Fraústo da Silva y RJP Williams, La química biológica de los elementos: La química inorgánica de la vida , 2.ª edición, Oxford University Press , 2001, ISBN 978-0-19-850848-9
  • Lawrence Que, Jr., ed., Métodos físicos en química bioinorgánica , University Science Books, 2000, ISBN 978-1-891389-02-3
  • Página principal de la Sociedad de Química Inorgánica Biológica (SBIC)
  • La 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. Archivado el 15 de septiembre de 2015 en Wayback Machine.