Química bioinorgânica - Bioinorganic chemistry

Para a revista, consulte Bioinorganic Chemistry (journal) .

A química bioinorgânica é um campo que examina o papel dos metais na biologia . A química bioinorgânica inclui o estudo de fenômenos naturais, como o comportamento de metaloproteínas , e de metais introduzidos artificialmente, incluindo aqueles que não são essenciais , na medicina e na toxicologia . Muitos processos biológicos , como a respiração, dependem de moléculas que se enquadram no domínio da química inorgânica . A disciplina também inclui o estudo de modelos inorgânicos ou mimetizadores que imitam o comportamento de metaloproteínas.

Como uma mistura de bioquímica e química inorgânica , a química bioinorgânica é importante para elucidar as implicações das proteínas de transferência de elétrons , ligações e ativação de substratos, química de transferência de átomo e grupo, bem como propriedades de metal na química biológica. O desenvolvimento bem-sucedido de um trabalho verdadeiramente interdisciplinar é necessário para o avanço da química bioinorgânica.

Composição de organismos vivos

Cerca de 99% da massa dos mamíferos são os elementos carbono , nitrogênio , cálcio , sódio , cloro , potássio , hidrogênio , fósforo , oxigênio e enxofre . Os compostos orgânicos ( proteínas , lipídios e carboidratos ) contêm a maior parte do carbono e nitrogênio e a maior parte do oxigênio e hidrogênio está presente como água. Toda a coleção de biomoléculas contendo metal em uma célula é chamada de metaloma .

História

Paul Ehrlich usou organoarsenic ("arsenicais") para o tratamento da sífilis , demonstrando a relevância dos metais, ou pelo menos metalóides, para a medicina, que floresceu com a descoberta de Rosenberg da atividade anticancerígena da cisplatina (cis-PtCl 2 (NH 3 ) 2 ). A primeira proteína a se cristalizar (ver James B. Sumner ) foi a urease , que mais tarde mostrou conter níquel em seu sítio ativo . A vitamina B 12 , a cura para a anemia perniciosa, foi mostrada cristalograficamente por Dorothy Crowfoot Hodgkin como consistindo de um cobalto em um macrociclo corrin . A estrutura de Watson-Crick para o DNA demonstrou o papel estrutural chave desempenhado pelos polímeros contendo fosfato.

Temas em química bioinorgânica

Vários sistemas distintos são identificáveis ​​na química bioinorgânica. As principais áreas incluem:

Transporte e armazenamento de íons metálicos

Uma coleção diversa de transportadores (por exemplo, a bomba de íons NaKATPase ), vacúolos , proteínas de armazenamento (por exemplo, ferritina ) e pequenas moléculas (por exemplo, sideróforos ) são empregados para controlar a concentração de íons metálicos e a biodisponibilidade em organismos vivos. Crucialmente, muitos metais essenciais não são prontamente acessíveis às proteínas a jusante devido à baixa solubilidade em soluções aquosas ou à escassez no ambiente celular. Os organismos desenvolveram uma série de estratégias para coletar e transportar tais elementos enquanto limitam sua citotoxicidade .

Enzimologia

Muitas reações nas ciências biológicas envolvem água e íons metálicos geralmente estão nos centros catalíticos (sítios ativos) dessas enzimas, ou seja, são metaloproteínas . Freqüentemente, a água que reage é um ligante (ver complexo aquoso metálico ). Exemplos de hidrolases enzimas são anidrase carbónica , metalo fosfatases , e metaloproteinases . Químicos bioinorgânicos buscam entender e replicar a função dessas metaloproteínas.

Proteínas de transferência de elétrons contendo metal também são comuns. Eles podem ser organizados em três classes principais: proteínas de ferro-enxofre (como rubredoxinas , ferredoxinas e proteínas de Rieske ), proteínas de cobre azul e citocromos . Estas proteínas de transporte de elétrons são complementares aos transportadores de elétrons não metálicos nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD) e flavina adenina dinucleotídeo (FAD). O ciclo do nitrogênio faz uso extensivo de metais para as interconversões redox.

Os clusters 4Fe-4S servem como relés de elétrons em proteínas.

Toxicidade

Vários íons metálicos são tóxicos para humanos e outros animais. A química bioinorgânica do chumbo no contexto de sua toxicidade foi revisada.

Proteínas de transporte e ativação de oxigênio

Artigo principal: Complexo de dióxido de metal de transição

A vida aeróbica faz uso extensivo de metais como ferro, cobre e manganês. O heme é utilizado pelos glóbulos vermelhos na forma de hemoglobina para o transporte de oxigênio e é talvez o sistema de metal mais reconhecido na biologia. Outros sistemas de transporte de oxigênio incluem mioglobina , hemocianina e hemeritrina . As oxidases e as oxigenases são sistemas metálicos encontrados em toda a natureza que aproveitam o oxigênio para realizar reações importantes, como a geração de energia na citocromo c oxidase ou a oxidação de pequenas moléculas nas oxidases do citocromo P450 ou metano monooxigenase . Algumas metaloproteínas são projetadas para proteger um sistema biológico dos efeitos potencialmente prejudiciais do oxigênio e de outras moléculas reativas contendo oxigênio, como o peróxido de hidrogênio . Esses sistemas incluem peroxidases , catalases e superóxido dismutases . Uma metaloproteína complementar àquelas que reagem com o oxigênio é o complexo de evolução do oxigênio presente nas plantas. Este sistema faz parte da complexa maquinaria de proteínas que produz oxigênio enquanto as plantas realizam a fotossíntese .

A mioglobina é um assunto proeminente na química bioinorgânica, com particular atenção para o complexo ferro-heme que está ancorado na proteína.

Química bioorganometálica

Os sistemas bioorganometálicos apresentam ligações metal-carbono como elementos estruturais ou intermediários. As enzimas e proteínas bioorganometálicas incluem as hidrogenases , FeMoco na nitrogenase e metilcobalamina . Estes compostos organometálicos de ocorrência natural . Esta área está mais voltada para a utilização de metais por organismos unicelulares. Os compostos bioorganometálicos são significativos na química ambiental .

Estrutura do FeMoco , o centro catalítico da nitrogenase.

Metais na medicina

Artigo principal: Metais na medicina

Vários medicamentos contêm metais. Este tema se baseia no estudo do desenho e mecanismo de ação de fármacos contendo metais e compostos que interagem com íons metálicos endógenos em sítios ativos de enzimas. A droga anticâncer mais usada é a cisplatina . O agente de contraste de IRM geralmente contém gadolínio . O carbonato de lítio tem sido usado para tratar a fase maníaca do transtorno bipolar. Foram comercializados medicamentos antiartríticos de ouro, por exemplo, auranofina . As moléculas que liberam monóxido de carbono são complexos metálicos que foram desenvolvidos para suprimir a inflamação, liberando pequenas quantidades de monóxido de carbono. A importância cardiovascular e neuronal do óxido nítrico foi examinada, incluindo a enzima óxido nítrico sintase . (Veja também: assimilação de nitrogênio .) Além disso, complexos de transição metálica baseados em triazolopirimidinas foram testados contra várias cepas de parasitas.

Química ambiental

Artigo principal: Química Ambiental

A química ambiental tradicionalmente enfatiza a interação de metais pesados ​​com organismos. O metilmercúrio causou um grande desastre chamado doença de Minamata . O envenenamento por arsênico é um problema generalizado devido em grande parte à contaminação das águas subterrâneas por arsênio , que afeta milhões de pessoas nos países em desenvolvimento. O metabolismo dos compostos contendo mercúrio e arsênio envolve enzimas baseadas na cobalamina .

Biomineralização

Artigo principal: Biomineralização

Biomineralização é o processo pelo qual os organismos vivos produzem minerais , muitas vezes para endurecer ou endurecer os tecidos existentes. Esses tecidos são chamados de tecidos mineralizados . Os exemplos incluem silicatos em algas e diatomáceas , carbonatos em invertebrados e fosfatos e carbonatos de cálcio em vertebrados . Outros exemplos incluem depósitos de cobre , ferro e ouro envolvendo bactérias. Minerais formados biologicamente muitas vezes têm usos especiais, como sensores magnéticos em bactérias magnetotáticas (Fe 3 O 4 ), dispositivos de detecção de gravidade (CaCO 3 , CaSO 4 , BaSO 4 ) e armazenamento e mobilização de ferro (Fe 2 O 3 • H 2 O em a proteína ferritina ). Como o ferro extracelular está fortemente envolvido na indução da calcificação, seu controle é essencial no desenvolvimento de conchas; a proteína ferritina desempenha um papel importante no controle da distribuição do ferro.

Tipos de substâncias inorgânicas em biologia

Metais alcalinos e alcalino-terrosos

Como muitos antibióticos, a monensina-A é um ionóforo que se liga fortemente ao Na + (mostrado em amarelo).

Os elementos inorgânicos abundantes atuam como eletrólitos iônicos . Os íons mais importantes são sódio , potássio , cálcio , magnésio , cloreto , fosfato e bicarbonato . A manutenção de gradientes precisos através das membranas celulares mantém a pressão osmótica e o pH . Os íons também são críticos para os nervos e músculos , pois os potenciais de ação nesses tecidos são produzidos pela troca de eletrólitos entre o fluido extracelular e o citosol . Os eletrólitos entram e saem das células através de proteínas na membrana celular chamadas canais iônicos . Por exemplo, a contração do músculo depende do movimento do cálcio, sódio e potássio através de canais iónicos na membrana celular e t-túbulos .

Metais de transição

Os metais de transição geralmente estão presentes como oligoelementos nos organismos, sendo o zinco e o ferro os mais abundantes. Esses metais são usados ​​como cofatores de proteínas e moléculas de sinalização. Muitos são essenciais para a atividade de enzimas como a catalase e proteínas transportadoras de oxigênio como a hemoglobina . Esses cofatores estão ligados a uma proteína específica; embora os cofatores enzimáticos possam ser modificados durante a catálise, os cofatores sempre retornam ao seu estado original após a catálise. Os micronutrientes metálicos são absorvidos pelos organismos por transportadores específicos e ligados a proteínas de armazenamento, como ferritina ou metalotioneína, quando não estão sendo usados. O cobalto é essencial para o funcionamento da vitamina B12 .

Compostos do grupo principal

Muitos outros elementos além dos metais são bioativos. O enxofre e o fósforo são necessários para toda a vida. O fósforo existe quase exclusivamente como fosfato e seus vários ésteres . O enxofre existe em uma variedade de estados de oxidação, variando de sulfato (SO 4 2− ) até sulfeto (S 2− ). O selênio é um oligoelemento envolvido em proteínas que são antioxidantes. O cádmio é importante devido à sua toxicidade.

Veja também

Referências

Literatura

  • Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), Concepts and Models in Bioinorganic Chemistry , John Wiley and Sons, 2006, ISBN   3-527-31305-2
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  • Wolfgang Kaim, Brigitte Schwederski "Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." John Wiley and Sons, 1994, ISBN   0-471-94369-X
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