Aula 2 de BioIn Datei - Moodle @ FCT-UNL

Bioquímica
Química Inorgânica
Bioinorgânica
Impacto
- Medicina
- Farmacologia
- Agricultura
- Ciências do meio ambiente
Resolução de problemas
- Química
- Física
- Biologia Molecular
Nos sistemas biológicos
compostos orgânicos e inorgânicos
70 %
10 %
20 %
0.7%
água
matéria orgânica
biominerais (ossos…) em alguns organismos
matéria inorgânica
Elements mais abundantes nos organismos vivos:
C, H, O, N, S, P
compostos orgânicos (> 99% da Biosfera)
Elementos Inorgânicos : 0.7%
Na, K, Mg, Ca, Fe: macronutrientes (> 1mM)
Zn, Cu, Mo, Se, …: micronutrientes (< 1mM)
1
1
H
18
2
Li Be
Na Mg
3
7
8
9
10
11
12
14
15
16
17
He
C
N
O
F
Ne
Al
Si
P
S
Cl Ar
4
5
K Ca Sc
Ti
V
Rb Sr
Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In
Y
6
13
B
Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Cs Ba La Hf Ta W Re Os
Ir
Sn Sb Te
I
Xe
Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rr
Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt
110
111
112 (113) 114 (115) 116 (117) 118
Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Th Pa
Essenciais abundantes
U
Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Essenciais vestigiais
Possivelmente esenciais
Tóxicos
De interesse farmacológico
Tabela periódica onde estão indicados os elementos essenciais, alguns
elementos tóxicos e elementos de interesse farmacológico.
Macronutrientes
Elementos Essenciais
Micronutrientes
Elementos Tóxicos
Terapia
Elementos usados em Medicina
Diagnóstico
2
Efeito fisiológico vs [elemento]
Efeito fisiológico
Essencial
Sobrevi
vencia
Deficiencia
Gama óptima
Toxicidad
e
Letalidad
e
(a)
Critérios para a essencialidade
dos elementos
Concentração
positivo
Região de
tolerancia
Concentração
Efeito fisiológico
negativo
(b)
Eliminando da dieta o elemento,
aparece uma deficiencia fisiológica
Esta
deficiencia
desaparece
quando se administra o elemento
específico
Possibilidade de associar uma
função bioquímica específica ao
elemento
que
se
considera
essencial
(c)
Tóxico
Figura 1.2. Representação do efeito fisiológico em função da concentração para um:
(a) elemento essencial; (b) elemento tóxico; (c) elemento não essencial-não tóxico.
Classificação Funcional dos Elementos em Biologia
- Elementos essenciais:
macro (Na, K, Mg, Ca) e micro (Mn, Fe, Co, Zn, Mo,…) nutrientes
- Elementos tóxicos : não têm função biológica (Pb, Cd, Hg, Al, As,…)
Bloco d
Bloco s
3
-Elementos usados em terapia:
têm uma acção farmacológica (Li, Pt, Bi, Au…)
- Elementos usados em diagnóstico: (Gd,
99mTc, 67Ga, 111In…)
-Elementos essenciais:
Bloco s – iões metálicos mais abundantes em biologia.
Conc na célula ~mM
Na, K: transportadores de carga, gradientes osmóticos
Mg, Ca: estabilizadores estruturas
Ca: trigger processos biológicos
Bloco d
Zn: catalizador acido-base Lewis a pH 7
Cu, Fe, Mo: catalizadores redox
Proteínas e Enzimas contendo centros metálicos
-
33%
-
os
das
iões
formação
enzimas
metálicos
e
contêm
iões
promovem
quebra
de
metálicos
reacções...
ligações
transferência de electrões e de outros grupos (oxo), etc
- Os iões metálicos promovem o enrolamento (‘folding’) de
proteínas
4
Ferro e Enxofre em Biologia
Cis
Cis
Cis
Cis
Cis
Cis
Cis
Enxofre
[2Fe-2S]
Cis
Ferro
Cis
Cis
Cis
Cis
Cis
[3Fe-4S]
Cis
Cis
Hemo
[4Fe-4S]
“Complexos Inorgânicos” em Biologia
Nitrogenase
(Mo,Fe)
Ferritina (Homem)
Citocromo c
Clorofila a
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Os Metais de Transição e o seu papel na Biologia
- Replicação celular
- Produção de energia (síntese de ATP)
- Transporte e armazenamento de O2
- Síntese dos neuro transmissores
- Combate o efeito do envelhecimento ao nível da oxidação
radicalar de proteínas e DNA
- Síntese de RNA
- Síntese de hormonas
- Fotossíntese
.... entre outros!
Adaptado de Lippard & Berg ‘Principles of Bioinorganic Chemistry’, 1994
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Química Bioinorgânica
Elementos essenciais
Elementos tóxicos
Elementos de interesse
farmacológico
Metaloproteínas:
•Transporte e armazenamento:
Cd, Hg, Pb, As
Proteínas azuis (Cu)
Ferritina (Fe)
Hemoglobina (Fe)
•Enzimas:
Carboxipeptidases (Zn)
Superóxidodismutase (Cu, Zn, Mn)
Coenzima B12 (Co)
Terapia:
Cancro (Pt, Ti)
Artrite (Au)
Diagnóstico:
MRI (Gd, Mn)
Radiofármacos (99mTc)
Biomoléculas não proteicas:
Sideróforos (Fe)
Clorofila (Mg)
Química de Coordenação
Estrutura dos centros metálicos nos sistemas biológicos
Função dos elementos metálicos in vivo
Relação estrutura-função in vivo
Química Inorgânica
Síntese e estudo de compostos modelo simples que mimetizam
as propriedades dos centros metálicos
Modo de ligação de iões metálicos a moléculas fundamentais à
Vida
7
Estruturas
de
aminoácidos
Apolares
Polares (neutros)
Acídicos
Básicos
Estrutura de um aminoácido
Formação do peptídeo
8
ESTRUTURA DE PROTEÍNAS
Estrutura primária
Hélice α
Folha β
Estrutura terciária
Estrutura secundária
Estrutura mista
Estrutura Quaternária de uma Proteina
9
Estrutura de Bases Purínicas e Pirimidínicas
Unidades de açúcar no DNA e RNA
10
- ao nível da estrutura do DNA
Iões estabilizadores: Na+, Mg2+
Ligações de H
Iões instabilizadores: Cd2+, Pb2+, Hg2+
Nucleotídeo
Hidratos de Carbono
Iões “duros”
ex.: Mg2+, Ca2+
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Lípidos
Ácidos gordos
Glicerídeos
Iões “duros”
ex.: Mg2+, Ca2+
Fosfolípidos
Função:
Mensageiro intra e intercelular
Na+, Ca2+
Na+, Ca2+ “Triggers” intracelulares:
•
Influxo rápido de Na+ activa neurónios
•
Quando a [Ca2+] intracelular aumenta de 10-8 M para 10-6 M:
muitas proteinas ligam Ca2+ e activam processos intracelulares
12
Roderick MacKinnon, M.D. (Tufts
Medical School, 1982 - Professor of
Molecular Neurobiology and
Biophysics at The Rockefeller
University in New York, USA- 2003
Nobel Prize in Chemistry)
Domínios EF em proteinas que ligam Ca2+
Helice-loop-helice - domínios estruturados
por ligação de Ca2+ ao loop
Ca2+ liga 7 ou 8 oxigénios da ligação
peptidica, água e grupos carboxilato da
cadeia lateral de Asp ou Glut
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Calmodulina
Tem 4 domínios Helice-loop-helice
com 4 locais de ligação a Ca2+
2 de baixa afinidade e 2 de alta afinidade
Papel estrutural de Ca2+
Ca2+ mensageiro intracelular
Estudo das propriedades termodinâmicas e cinéticas dos
metais de transição
- Geometria
- Isómeros
- Cor
- Ligação química
- Redox
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