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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