Transcript Descarga - Químicos UIB

Bioquímica del
Vanadio, Cromo y Níquel
Maria Magdalena Moya y Beatriz Rayo
Grado de química 2013/2014
INDICE
• VANADIO
–
–
–
–
–
Abundancia
En los tunicados
Amavadina
Haloperoxidasas de vanadio
Diabetes
• CROMO
– Abundancia en la tierra
– Bioquímica
– Esencialidad del Cromo en los
mamíferos.
– Consumo
– Alimentos ricos en Cromo
– Cromodulina
– Función biológica de la
cromodulina
• NÍQUEL
– Bioquímica
– Ureasas
• Estructura
• Mecanismo
– Hidrogenasas
• Estructura
• Mecanismo
– CO deshidrogenasas
– Acettil CoA sintetasa
– Metil-CoM reductasa
VANADIO
• Abundancia.
– No existe concentrada en los minerales, pero esta en casi
todos lo suelos
– En agua se encuentra en muy bajas concentraciones
– El ión más común: VO43-, vanadato con EO= 5 reducible a
4 y 3.
– Esencial para los humanos
– Tóxico: interfiere en bioquimica del ión PO43-
• En los tunicados.
– Se acumulan en los vacuolas en forma de V(III):
• [V(SO4)(H2O)5]+
• [V(H2O)6]3+
– En H2O el V (V) se reduce a V (III) dificilmente 
mediante reductores energéticos (tunicromo)
– V (III) forma complejos con tunicromo: se cree que el
[V(H2O)6] es el dador electronico terminal de una cadena
de transporte electronico
• Amavadina.
– Complejo V (IV)[VL2]2-. IC= 8. L, actúa como
tetradentado y se une a V con:
• Carboxilato
• N imino
• O de OH- (desprotonado)
– En las setas amanita
– Complejo muy estable hongo extrae V con
facilidad del suelo selectivamente
– Función similar a oxidasas de cobre
• Amavadina.
• Haloperoxidasas de vanadio.
– Catalizan reacción de oxidación de iones haluro con
agua para dar ácido hipoaloso:
H2O2 + X- + H+  H2O + HOX
– En algas marinas y hongos
– En todo este ciclo catalítico es V (V), IC= 5 Bipiramide
triangular, VO3-. La carga se neutraliza mediante enlaes
de hidrógeno entre oxígenos y restos de Aá.
• Estructura haloperoxidasas de vanadio.
– Posición ecuatorial: 3 O de los oxo no protéicos
– Posición axial: N imidazol de histidina.
• Mecanismo haloperoxidasas de vanadio
• Diabetes.
– La deficiencia de insulina o resistencia celular a su
función conduce a diabetes.
– Mimetizadores de insulina: Na3VO4, VOSO4·H2O,
VOSO4·3H2O.
– Se ha demostrado que el vanadio representa un
elemento asociado a la regulación del metabolismo de
la glucosa y mejora la sensibilidad del receptor a la
insulina.
– También se conoce que ciertos complejos de Vanadio
reducen los niveles de glucemia en diabéticos 2.
– Tomando en consideración que la proteína tirosin
fosfatasa se considera como un regulador negativo de la
vía de señalización de la insulina, se sugiere que el
vanadio puede acentuar este evento gracias a la
capacidad de inhibir la acción de estas fosfatasas e
incrementar la fosforilación de la tirosina.
CROMO
• Abundancia en la tierra.
– Elemento abundante en la corteza terrestre
(110ppm).
• Puesto 24
• Por delante de: Cu y Zn.
– Cr(III) ESENCIAL
• Estado de oxidación más común y estable
• Presente en muchos silicatos
• Única mena importante  la cromita FeCr2O4
– Elemento escaso en el agua de mar (10-4 ppm)
• Cr(VI) TOXICO
• Ion cromato CrO4 2-
• Bioquímica de Cromo.
– 1959  Se establece la esencialidad del cromo para a vida.
– Bioquímica muy limitada.  Ha empezado a conocerse en los
últimos años.
– Comparación con el Mo.
Mo
Cr
Bioquímica amplia
Bioquímica limitada
Poco abundante
Abundante
Estabilidad relativa de los estados de oxidación
Mo(VI) EO más estable
Cr(VI) muy oxidante (acción mutagénica
y cancerígena)
Mo(V) y Mo(IV) EO importantes
Cr (V) y Cr(IV) no forma especies estables
en disolución
Cr (III) común y estable
Cr (II) fuerte reductor
Bioquímica de Mo  química redox
Mo(VI) Mo(IV)
Bioquímica del Cr
NO química redox
NO química acido-base
• Bioquímica del Cromo.
– Una única función biológica.
APLIFICACIÓN DE LA SEÑAL DE LA INSULINA
– Tipo de función semejante al Ca
• Cr mucho más limitado.
INSULINA
Hormona importante en la regulación del metabolismo de los carbohidratos y
los lípidos.
Su función es la de favorecer la incorporación de glucosa de la sangre hacia las
células
• Esencialidad del Cromo en los mamíferos.
– Experimento.
– Ratas alimentadas con una dieta con déficit de
cromo
 incapaces de responder a un aumento de glucosa
en sangre.
Alteración del metabolismo de glucosa
• Administración de sales de Cr(III)
DESAPARECE LA PATOLOGÍA
IMP: Evitar el contacto del anima con objetos de
acero inoxidable.
Acero inoxidable
Aleación de hierro
Carbono
0,03-1,075%
Cromo
10-12%
• Consumo de Cromo
– Seres vivos  [Cr(III)] muy baja
– Humanos.
•
•
•
•
[Cr(III)] = 120nM
Dieta normal  Ingestión diaria de entre 0,01 y 1,2 mg Cr(III)
Absorción muy pequeña  alrededor del 0,5%
Las necesidades diarias de este elementos son mínimas.
– Difícil encontrar personas con deficiencia de Cr(III).
• Cantidades superiores a 200mg tiene efectos tóxicos.
Complejos metálicos de cromo  mejor absorción (más eficaz)
-Tris(picolinato)cromo(III)
 Absorbe entre 2% y un 5% de Cr(III)
 no tiene actividad biológica. Solo es una fuente de Cr(III)
-Se comercializa como suplemento alimenticio.
PBL: efectos perjudiciales
(Pic = 2-carboxipiridina)
• Alimentos ricos en Cromo.
• Cromodulina.
– Único complejo metálico de cromo que presenta
actividad biológica.
• LMWCr = sustancia de baja masa molecular que se une al cromo
• Cromodulina, Por su similitud con la calmodulina (bioquímica
del Ca; )
– Cadena polipeptídica. Formada: mayoritariamente por restos
aspartato y glutamato.
– Cuatro centros Cr(III)
– Complejo bastante estable
– Efecto cooperativo
– No se conoce la estructura
– Estudios espectroscópicos y químicos sugieren
que la estructura es:
» Complejo tetranuclear
» Ligandos puente oxo o hidroxo entre los
iones metálicos
• Función biológica de la cromodulina.
– Modo de acción.
NIQUEL
• EO: 0,I,II,III y IV  más común y con gran tendencia a formar complejos
Oh  EO=II.
• Finales de los 70.  esencialidad del Ni es sistemas bacterianos.
• 5 Tipos de enzimas que contienen Níquel.
Enzima
Centro Ni
Reacción
Ureasas
Dímero de Ni(II), alto espín
Urea  NH3 + CO2
Hidrogenasa
Centro monomérico
2H+ + 2e- ↔H2
Metil-CoM reductasa
F-430
CH3-CoM  CH4
Acettil CoA sintetasa
NiFe3S4 (?)
CO + [CH3] + CoA + 2e- 
CH3COCoA
CO deshidrogenasa
?
CO + [aceptor] CO2
• Predominantes en el metabolismo de bacterias anaeróbicas
 Bacterias metanogénicas
• Las diferentes enzimas, no presentan aspectos comunes:
 Complejos de Ni involucrados, distintos.
 Reacciones catalizadas distintas.
• Ureasas.
– Presentes en algas, hongos y bacterias.
– Cataliza la hidrólisis de urea.
 Hidrólisis espontanea
Hidrólisis catalizada (velocidad 1014 mayor)
• Estructura ureasas.
– Constituida por 6 subunidades idénticas
• Con dos iones Ni(II) cada una.
– Esfera de coordinación del Ni(II)
• Propuesta a base de estudios espectroscópicos.
• Constituida por O, N pero no S.
• Geometría: Oh distorsionada
• Mecanismo de la ureasa.
• Hidrogenasas.
– Catalizan la generación o consumo de hidrógeno
gaseoso.
2H+ + 2e- ↔ H2
H2 FUENTE DE ENERGÍA PRODUCTO FINAL DE PROCESOS REDUCTIVOS
– Papel importante en:
• la fijación del N2
• Procesos de fermentación de biomasa.
– Presente en microorganismos aeróbicos y
anaeróbicos
– Tipos de hidrogenasas. (Ferredoxinas 4:4 Fe:S)
• [Fe]-hidrogenasas
• [Fe/Ni]-hidrogenasas
• [Fe/Ni/Se]-hidrogenasas
– Pueden catalizar la reacción en una única dirección o
en ambas.
– Inhibidores de hidrogenasas: moléculas gaseosas O2,
CO, NO, acetileno
• Estructura hidrogenasas Ni-Fe.
– Resuelta por difracción de rayos X
– Estructura de la hidrogenasa Ni-Fe de
Desulfovibrio gigas (forma inactiva)
• Dos subunidades distintas
– Centro activo Fe-Ni
– Diferentes cluster [4Fe-4S] y [3Fe-4S]
– Centro activo
Forma inactiva
-Fe (II) d6 de alto espín.
-Ni(III), d7
-Ligando Cys68 protonado
Forma activa (más reducida)
-Ni(II) , d8
-- perdida del ligando puente hidroxo
- Fe(II) pentacoordinado; N(II) geometría cuadrada
• Mecanismo catalítico de las hidrogenasas NiFe.
• CO deshidrogenasa(CODH)/Acetilcoenzima Sintasa(ACS).
– Sensibles al O2 atm.
– Presente en microbios anaeróbicos
– CODH: cataliza procesos redox
• CO+ H2O CO2+ H++ 2 e-
– ACS: activan condensaciones no redox de metilo, carbonilo y
tiol
• MeB12+ CO+ HS-CoA  CH3(CO)SCoA+ H++ B12r
– CODH+ ACS= complejo
– Papel importante:
• Química medioambiental: microorganismos metabolizan CO bajan
nivel CO (gas tóxico)
• Química biomédica: en tracto gastrointestinal bacterias
hidrogenotróficas transforman H2 en otros gases
• Estructura CODH/ ACS.
– 2 unidades enlazadas convalentemente con 5 clústers
metálicos:
• Clúster C: Ni- 4 Fe- 5 S
• Clúster B: 4 Fe- 4 S
• Clúster D: adicional entre subunidades, 4 Fe- 4 S
– Cluster C: centro activo para oxidacion CO. Metales se
unen a la proteína por 5 Cys y 1 His
– Fe: coordinacion Td
– Ni (II): geometria de coordinacion cuadrada
distorsionada, bajo espin, diamagnético.
– Centros activos de ambos enzimas conectados por un
tunel para que pase el CO (oxidación) donde se
consume H2O
• Estructura CODH/ ACS.
• Mecanismo CODH/ ACS.
– Oxidación CO: aporta 2 e- a centro activo
formacion intermedio Ni(I) o desolcalizacion de ed en los orbitales de ligandos y Fe
– Centros activos C y C ’: actuan ndependientemente
por su separacion, son el punto de partida de 2
cadenas de transporte que se unen en cluster D.
– Cluster D: facilita paso de los e- a aceptores
externos
• Mecanismo CODH/ ACS.
• Metil-coenzima M reductasa.
– Enzima que cataliza la reduccion de CO2 hasta CH4
– En bacterias metanogénicas
– Sustratos:
• Metil coenzima M: 2- [metiltio] etanosulfonato
(CH3-S-CoM)
• Coenzima B: 7- tioheptanoil- treonina fosfato (CoB-S-H)
• Estructura MCR.
– Inactiva:
• Proteina formada por 3 subunidades: α, β, γ
• Ni(II):
– Geometria Oh
– Complejado por cofactor P430 (ecuatorial). Situado en el fondo del
canal
– Unido a la proteina por O glutámico (axial)
– Unido a CoM- S- CH3 por S (axial). S interacciona con H2O.
• H2O: nexo de union de CoB
• CoB: situado en parte estrecha del canal. Bloquea el paso a
muchas moleculas (H2O también)
• CoM: situado paralelamente a cofactor F430
• Cavidad: proteina con subunidad α con Ni (II) con: cofactor
F430+ CoM-S-CH3+ CoB-S-H o cofactor F430+ CoM-S-S-CoB
– Activa: Ni (I)+ cofactor F430
• Estructura MCR.
• Mecanismo MCR
– Centro activo: accesible para moléculas con un tamaño
<6Å
– Molécula H2o: desplazada por CoM-S-CH3
– CoM-S-CH3: se une a CoB y da CH4 (en zona hidrofóbica)
– Pasos:
• Ataque nucleófilo de Ni (I) al -CH3 del CH3-S-CoM formación
enlace organometálico Ni (III)- CH3
• Ni (III) (oxidante fuerte) arranca 1 e- al –SH formación radical
(ácido) disociación
• El –CH3 se protona formación enlace –S-S- generación 1 e reducción Ni (II) a Ni (I)
• Eliminación de CH4 y disulfuro entrada de nuevos
sustratos reiniciación ciclo catalítico
• Mecanismo MCR
• Mecanismo MCR
BIBLIOGRAFIA
Enrique J. Baran. Química bioinorgánica.McGrawHill (1995)
VVAA. Itroducción a la química
bioinorgánica.Editorial sintesis (2003)
Recursos electroicos:
http://es.wikipedia.org/wiki/Acero_inoxidable#Acer
os_inoxidables_comerciales
http://es.wikipedia.org/wiki/Acero
http://www.lenntech.es/periodica/elementos/cr.ht
m
http://biolcell4350.wikispaces.com/15.+Senales+int
ercelulares+IV
PROTEIN DATA BANK
http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do
BIBLIOGRAFIA
•
Libros
– Conceptos y modelos de química inorgánica / Bodie E. Douglas, Darl H. McDaniel, John J.
Alexander ; versión española de José Gálvez Flores, Gregorio López López y Vicente Iranzo
Rubio. Barcelona : Reverte, 1994. 2a. ed.
– Química inorgánica básica / F. Albert Cotton, Geoffrey Wilkinson. México : Limusa, 1980.
•
Páginas:
–
–
–
–
–
–
–
http://www.ptable.com/?lang=es
http://www.atsdr.cdc.gov/es/toxfaqs/es_tfacts58.pdf
http://www.uam.es/docencia/museovir/web/Museovirtual/tperiodica/elementos2/v.htm
http://www.quimicaweb.net/tablaperiodica/paginas/vanadio.htm
http://www.keckmedicalcenterofusc.org/condition/document/125167
http://ces.iisc.ernet.in/energy/HC270799/HDL/ENV/envsp/Vol348.htm
http://www.scielo.org.ar/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S185137432006000200002&lang=es
– http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/2681/III__Vanadio._Generalidades.pdf?sequence=7
– http://books.google.es/books?id=8QMxhRyAOGYC&pg=PA485&lpg=PA485&dq=VO4+quimica
&source=bl&ots=qEUkssmi_s&sig=bMRxETOVV7hOxKZEeAmmB6cQ9s&hl=es&sa=X&ei=aIL2UOr8LZO10QWl84G4CQ&ved=0CEwQ6AEwBA#v=onepage&q=V
O4%20quimica&f=false
– http://www.saber.ula.ve/bitstream/123456789/16702/1/catalizadores.pdf
RESUMEN
• VANADIO
• Tunicados: en vacuolas,
• Abundancia: No
V(III)
existe concentrada
• En H2O: V (V) se reduce
en minerales, si todos
a V (III) difícilmente 
lo suelos
reductores energéticos
• En agua: muy bajas
(tunicromo, complejo
concentraciones
3++ tunicromo
3v
• Ión más común: VO4
EO= 5 reducible a 4 y • [V(H2O)6]: dador
3.
electrónico terminal de
• Interfiere en
cadena de transporte
bioquímica de PO43electrónico
RESUMEN
• Amavadina: V (IV)[VL2]2-.
IC= 8.
• Hongo extrae V con facilidad
del suelo selectivamente
• Oxidación de alcoholes
primarios a aldehídos, usando
O2 reduciendo a H2O2
• H aloperoxidasas de vanadio: V (V), IC=
5 Bipiramide triangular, VO3-. Carga
neutralizada con enlaces de hidrógeno
entre oxígenos y restos de Aá
• Algas marinas y hongos
• Oxidación de iones haluro con agua para
dar ácido hipoaloso:
H2O2 + X- + H+  H2O + HOX
RESUMEN
• Diabetes: deficiencia
de insulina o
resistencia celular a su
función conduce a
diabetes.
• Se ha demostrado que
el vanadio representa
un elemento asociado
a la regulación del
metabolismo de la
glucosa y mejora la
sensibilidad del
receptor a la insulina.
RESUMEN
• CROMO
• Cr (III)  Elemento
abundante y esencial
• Bioquímica 
Amplificación de la señal
de la insulina
• Consumo (0,01 y 1,2 mg
Cr(III) diarios)  levadura
de cerveza.
– Difícil encontrar personas
con déficit de Cr.
• Complejo metálico con
actividad biológica
CROMODULINA
• Estructura desconocida
• 4 centros Cr(III)
• Efecto cooperativo
RESUMEN
• Modo de acción
•
•
•
•
•
•
•
Células capaces de acumular apo-cromodulina
↑[glucosa]  Insulina
Insulina se une a un receptor especifico
Cambio estructural  incorporación de Cr
Holo-cromodulina  se une al receptor
Mantiene forma activa  amplificando su actividad
Desaparece la señal  se relaja la conformación del
receptor
• Cromodulina expulsada de la célula, excretada a traves de la
orina.
RESUMEN
• NIQUEL
• Elemento traza esencial  sistemas
bacterianos
• EO (II)  complejos Oh
• Bioquímica  5 tipos de enzimas
– Catalizan, distintas reacciones.
RESUMEN
Enzima
Centro Ni
Reacción
UREASAS
Dímero de Ni(II)
Urea  NH3 + CO2
Reacción catalizada
HIDROGENASAS
2H+ + 2e- ↔H2
IMP
Clusters
[4Fe-4S] y [3Fe-4S]
RESUMEN
• Mecanismo ureasas
RESUMEN
• Mecanismo hidrogenasas
Metil-CoM
reductasa
F-430
CH3S-CoM  CH4
Acettil CoA
sintetasa/CO
deshidrogenasa
Ni- 4 Fe- 5 S
CO deshidrogenasas:
CO+ H2O CO2+ H++ 2 eAcetil CoA sintasa:
MeB12+ CO+ HS-CoA 
CH3(CO)SCoA+ H++ B12r
RESUMEN
• Mecanismo CO
deshidrogenasa(CODH)/Acetilcoenzima
Sintasa(ACS).
RESUMEN
• Mecanismo Metil-coenzima M reductasa.