3. Compusi bioanorganici

COMPUŞI COMPUŞI BIOANORAGANIBIOANORAGANI

CICI

METAL-POFIRINEMETAL-POFIRINECea mai importantă clasă de compuşi metalici din sistemele biologice este aceea, care cuprinde complecşii ionilor metalelor cu liganzii porfirinici.Porfirinele sunt o clasa de macrocicli cu azot derivaţi de la porfirină:

Una din cele mai răspândite, atât din punct de vedere al apariţiei într-o varietate de organisme, cât şi al variaţiei de funcţii este:• hemul, o porfirină de Fe(II); •clorofila, prezentă într-o formă sau alta în plantele verzi, este o combinaţie complexă a magneziului, care conţine un sistem ciclic modificat; •vitamina B12 este un complex de cobalt cu structura oarecum diferită.Importanţa complecşilor porfirinici în sistemele biologice poate fi apreciată din doua puncte de vedere:- metal-porfirinele sunt compuşi succesibili biologic, ale caror funcţiuni pot varia prin modificarea ionului metalic, a starii lui de oxidare sau a naturii substituenţilor la ciclul porfirinei;- ca un principiu general, evoluiţia tinde să se desfaşoare prin modificarea structurii şi funcţiunilor moleculelor care sunt prezente în organism, mai curand decat prin producerea altora noi.

HEMOPROTEINEHEMOPROTEINE -- HEMOGLOBINA HEMOGLOBINA ŞŞI MIOGLOBINAI MIOGLOBINA

Porfirinele de fier constituie grupări prostetice (grupări active) pentru o clasa importantă de proteine şi enzime, cunoscută sub denumirea de hemoproteine.

Aceste proteine pot prezenta funcţii diferite:

•transportarea oxigenului (hemoglobina);

•depozitarea oxigenului (mioglobina);

•transferul de electroni;

•utilizarea peroxidului de hidrogen (catalaze, peroxidaze).

Hemoglobina (chelat al Fe+2) - un pigment respirator asociat unei proteine (globina), un complex tetrapirolic al Fe(II), hemul. Funcţia cea mai importantă a hemoglobinei este de a transporta prin sânge oxigenul de la plămâni la ţesuturi şi de a prelua dioxidul de carbon transportându-l (ca ion HCO3

-) la plămâni, unde este eliminat.

4

În gruparea hem Fe(II) coordinează la 4 atomi de azot din grupul porfină şi la un atom alt atom de azot provenit de la un heterociclu ataşat la o proteină. În absenţa oxigenului, al şaselea punct coordinativ este ocupat de o moleculă de apă, formându-se astfel un complex octaedric. Acest complex se numeşte deoxihemoglobina, este de culoare albastră, prezent în sângele venos. Când locul apei în sfera de coordinare a Fe(II) este luat de o moleculă de oxigen, se formează complexul oxihemoglobină, de culoare roşie, prezentă în sângele arterial.

Culoarea şi proprietăţile magnetice ale oxihemoglobinei (roşie, diamagnetică) şi deoxihemoglobinei (albastră, paramagnetică) sunt diferite datorită configuraţiei electronice diferite a ionului Fe2+ (3d6) în câmpul creat de liganzii diferiţi:

O2 – ligand generator de câmp puternic H2O, CO2 / HCO3

− – liganzi generatori de câmp slab

În cazul în care monoxidul de carbon se leagă de ionul de Fe(II) se formează carboxihemoglobina, un complex stabil, care împiedică transportul oxigenului de către hemoglobină şi determină moartea prin asfixie (hemoglobina leagă molecula de CO mai puternic decât molecula de O2, afinitatea ei pentru CO fiind de aproape 250 ori mai mare decât pentru oxigen.Legarea CO de hemoglobină depinde de presiunea parţială a O2; concentraţia maximă admisibilă de CO este de 0,03 mol/m3/oră).

Fiecare moleculă de hemoglobină poate lega 4 molecule de O2, pentru că are în componenţă patru unităţi de hem.

Multe metaloenzime funcţionează adecvat dacă ionul metalic fiziologic este înlocuit cu alţi ioni metalici. Porfirinele formează complecşi stabili cu cei mai mulţi ioni metalici. Totuşi, singura proteina funcţională, în care ionul de Fe(II) al Mb şi Hb este înlocuit cu un alt ion metalic este coglobina, care conţine Co(II) în locul Fe(II). Afinitatea coglobinei derivate de la Hb pentru O2 este de aproximativ 3 ori mai mică decît cea a Hb. De asemenea, coglobina derivată de la Mb are o afinitate pentru O2 mai mica decat Mb. În multe privinţe, reacţiile coglobinei sunt similare cu cele ale Hb şi Mb.

Exista însa, unele diferenţe importante: - oxigenarea coglobinei nu presupune o modificare a stării de spin, aşa cum se întîmplă la Mb si Hb, deoarece ambele forme oxi- şi deoxi- ale coglobinei sunt complecşi de tip spin minim; - oxidul de carbon(II) nu se coordinează la coglobina, pe cînd Hb şi Mb au o afinitate mai mare pentru CO decît pentru O2;

Hemoglobine şi mioglobine în care Fe(II) este înlocuit cu Mn(II,III), Ni(II), Cu(II) sau Zn(II) au fost de asemenea preparate. Totuşi, nici unul din aceşti derivaţi nu fixează reversibil O2.

Culoarea sîngelui Metal-proteina Metalul Reprezentanţi

Rosie, aprinsă(în vene albastru)

Hemoglobina Fierul Toate vertebratele, unele nevertebrate

Violetă(în vene roz)

Hemeritrina Fierul Unele crustacee

Verde (în vene incolor)

Clorocruorina Fierul Unii viermi

Incoloră Hemovanadiu Vanadiul Ascidii marine

Albastră (în vene albă)

Hemocianina CuprulMajoritatea crustaceelor

Hemeritrina reprezintă o metal-proteină ce se conţine în sîngele unor nevertebrate capabilă să lege reversibil oxigenul, asigurînd transportul lui în organism. Centrul activ al hemeritrinei este reprezentat de doi atomi de fier, uniţi prin intermediul unei grupe hidroxilice. La atomii de fier coordinează la fel şi atomii de azot ai ciclurilor imidazolice, precum şi grupele carboxilice ale acizilor glutamic şi aspartic.

Forma neoxigenată a hemeritrinei este de culoare violetă aşa cum atomii de fier sunt în gradul de oxidare +2, unul din atomi de fier posedă n.c. egal cu 5, iar al doilea – 6. În forma oxigenată ambii atomi de fier primesc numărul de coordinare 6, se află în starea de oxidare +3 şi această formă oferă sîngelui culoarea roză.

Clorocruorina Hemoglobina

Clorocruorina reprezintă o altă fier-proteină (de culoare verde) capabilă să lege oxigenul şi să asigure transportul lui în organism. Se conţine la unii viermi. Grupa prosterică a clorocruorinei se deosebeşte de cea a hemoblobinei prin aceea că o grupă vinilică este înlocuită prin grupa aldehidică.

Hemocianina

Structura subunităţii

hemocianinei oxigenate

Cu-proteină ce fixează reversibil dioxigenul şi conţine centre active formate de doi atomi de Cu+. Se găseşte în sîngele moluştelor. Forma dezoxigenată este incoloră, iar cea oxigenată este albastră. Hemocianinele provenite de la diferite microorganisme apar în formă de mono-, di-, tetra-, hexa- şi octameri. Monomerul proteinei este un octaedru şi conţine 6 subunităţi. În compoziţia unei subunităţi sunt incluse cîteve sute de resturi de aminoacizi, care se unesc în hexamer.

Structura centrului activ al hemocianinei deoxigenate şi oxigenate

În forma deoxigenată distanţa Cu...Cu este de 4,6 Å, În forma oxigenată distanţa Cu...Cu este de 3,6 Å,Distanţa Cu...O este de 1,8-1,9 Å.

Clorofila (chelat al Mg+2) - un pigment cu rol esenţial în fotosinteză (centrul reacţional al fotosintezei), care conţine un inelul porfirinic, având ca ion central ionul Mg (II).

Ciancobalamina (chelat al Co+3) - vitamina B12 un factor “anti-anemie”, este singura vitamină cunoscută care conţine un ion metalic, singurul compus organometalic natural. Molecula este construită un inel corrinic (un ciclu porfirinic modificat) conţinând un ion de Co(III).

COMPLECŞI TRANSPORTATORI DE SARCINĂCOMPLECŞI TRANSPORTATORI DE SARCINĂTransportatori de electroni în sistemele vii sunt ionii metalelor (Fe, Cu, Mn, Co, Mo, Ti etc.). Adiţia sau cedarea electronului este însoţită numai de schimbarea configuraţiei electronice a ionului de metal, neafectînd structura componentei organice a complexului. Din categoria complecşilor de acest tip face parte ferredoxinele – nişte fier-proteină ce îndeplinesc funcţia de transport a electronului în multe procese redox ce decurg în sistemele biologice. Au fost găsite în unele bacterii, plante (spanac), în organele animalelor (ficat, glande suprarenale).Aceste proteine conţin fier şi sulf, iar atomii de sulf, la rîndul său, se conţin parţial în compoziţia aminoacidului – cisteina, şi, parţial într-o altă formă, numită formă labilă (cu toate că se cunosc şi proteine ce nu conţin sulf labil). Acest sulf labil se elimină sun formă de hidrogen sulfurat la acidularea proteinei.

Complecşi metalici ca medicamente

•Îndepărtarea ionilor metalici din organism;

•Aportul de bioelemente esentiale în organism;

•Medicamente cu actiune antitumorală;

•Medicamente antiinflamatoare, antireumetismale;

•Medicamente antimicrobiene.

11

Hematocromatoza – stocarea ionului Fe(III) - tratament cu desferioxamină = Desferal (chelatant eficient pentru ionul Fe3+ şi cu afinitate mică pentru bioionii Cu2+, Zn2+, Ca2+ şi Mg2+) sau cu 3-hidroxipiridin-4-ona = deferiprona:

Maladia Wilson – acumularea ionului Cu2+ în diferite organe (creier, ficat, ochi, etc.) - tratament cu D–penicilamină sau trietilentetramina (TREN):

Tratamentul intoxicaţilor cu ioni metalici exogeni:

1. Chelatare cu EDTA pentru ionii metalici: Pb, Ni, Cr, Co, Cu, Mn, Cd, Hg, Ca;

2. Chelatare cu D-penicilamina sau N-acetil derivatul pentru ionii de Hg;

3. Chelatare cu BAL = 2,3-dimercapto-1-propanol = dimercaprol sau cu 2,3-dimercaptopropansulfonat pentru ionii metalici: Hg, As, Au, Sb.

Aportul de bioelemente esenţiale în organism:• 1.Aportul ionilor M(II) = Zn, Mn, Cu, Mo sub formă de chelaţi cu aminoacizi - [M(AA)2] sau [M(AA)3] , unde AA = histidina, cisteina, acidul aspartic sau metionina;2.Aportul ionilor Cr(III) - [Cr(C6H5NO2)3] – chelat al acidului picolinic;3.Aportul ionilor Fe (II) - săruri/complecşi ai Fe(II) - cu:- acizi – lactic, citric, gluconic, fumaric, succinic;- AA – acid aspartic, serină, cisteină;4. Aportul ionilor Fe(III) - chelaţi polihidroxilici ai Fe(III) cu: dextran, polimaltoza, sorbitol – citrat, etc;5. Aportul ionilor Ca, Mg(II) - săruri/complecşi:- Ca2+ - gluconat, pantotenat, aspartat;- Mg2+ - orotat, aspartat, gluconolactat;- complecşi [Ca2+]:[Mg2+] = 1:1 sau 2:1 cu acid gluconolactic, citric, fumaric.

Medicamente cu acţiune antitumorală: complecşi ai unor ioni metalici - Pt(II), Pd(II), Rh(III), Ir(III), Ru(III), Fe(II), Co(II).Co(III), Ni(II), Cu(II), Au(III), Sn(II), Sn(IV), Ti(IV) etc.

Medicamente antiinflamatoare, antireumatismale: complecşi aiunor ioni metalici - Cu(II), Zn(II), Au(III) etc. În calitate de liganzi servesc:1) glucocorticosteroizi;2) acid salicilic şi derivaţii lui; acid antranilic; acid niflumic; fenilbutazona; indometacin; diclofenac.

Medicamente antimicrobiene

Proprietăti antimicrobiene posedă complecşii unor ioni metalici: Cu(II), Ag(I), Zn(II), Hg(II), etc. cu diverşi liganzi organici. Sistemele enzimatice ale multor microorganisme sunt dependente de prezenţa unor ioni metalici. Activitatea antimicrobiană sau antivirală se obţine prin privarea sistemelor enzimatice ale bacteriilor, fungilor şi virusurilor de aceşti ioni metalici, ca urmare a complexării lor cu liganzi specifici.

8-hidroxichinolina în chelaţi cu ionii Cu(II) şi Fe(III) tip 1:1; 1:2; 1:3

Sulfadiazina în chelaţi cu ioniul Ag(I) – indicat în arsuri infectate, răni, suparinfectate etc.

COMPUŞI ORGANOMETALICI

Sunt compuşii cu legături directe METAL – CARBON. În această categorie de compuşi intră: carbonilii metalici sau metalcarbonilii, complecşii π (complecşi care au ca liganzi achene, alchine sau hidrocarbuei aromatice; între acestea metalocenele ocupă un loc important).

• sunt utilizaţi pe scară largă în producţia de medicamente, arome, parfumuri, compuşi agro – chimici, semiconductori, energie, etc.• primul sintetizat a fost „sarea lui Zeise” adică tricloro(etilen)platinat (II) de potasiu în anul 1827.

METALOCENELE

Compuşi, care conţin ca liganzi cicluri de patru, cinci, şase, şapte sau opt atomi, care participă la coordinarea ionului sau atomului metalic cu orbitalii lor π. Acest tip de legătură a determinat la începutul anilor 1950 o adevărată revoluţie în teoriile asupra legăturilor chimice. Complecşii care conţineau ionul sau atomul metalic între două cicluri carbonate paralele au fost denumiţi “complecşi sandwich”.

Ferocenul = Fe(η5-C5H5)2 este un complex al ionului Fe+2, având ca ligand ionul ciclopentadienil C5H5

- - un ciclu aromatic. A fost primul complex sanwich căruia i s-a stabilit structura (1951):

Cromocenul = Cr(C6H6)2 conţine atomul de Cr0 între două cicluri aromatice de benzen:

Diclortitanocenul = Ti(η5-C5H5)2Cl2, un complex al Ti(IV), având ca liganzi ionii ciclopentadienil şi clorură, are proprietăţi antitumorale:

Metalocene cu proprietăţi antitumorale:

HydroxiferrocifenTitanocen