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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 )

12/3/2014 RUYANNE A. CAMILO 2

Fonte: FERNANDES, R, F Química de Coordenação, fundamentos e atualidades, 2002.’

Química Inorgânica em Sistemas Biológicos (BIOINORGÂNICA)


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


(a) (b) (c) Corpo Humano Crosta Terrestre Oceanos

Composição Química Elementar Média do Corpo Humano (70Kg).


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.


Importância dos Elementos em sistemas biológicos


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


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


Fonte: SUSSUCHI, E. M. Alguns aspectos da química bioinorgânica. UFS, 2012.

Mas, porque um Íon Metálico e não outro desempenha um papel biológico espécifico?


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)


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


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


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)



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).



N N

N NH

H

A Hemoglobina


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



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+



Grupo Heme


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


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


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


Fonte: http://qnint.sbq.org.br/qni/visualizarTema.php?idTema=31

Hidrólise da Cis-Platina



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?



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



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.

Obrigada!


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