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INTRODUCCION En los últimos años se advierten avances en el desarrollo de la química bioinorgánica dentro de la sociedad para superar y crear soluciones a problemas de hoy que al no darnos cuenta de su aporte. Para la realización de este trabajo monográfico recurrí a diversas páginas de internet que me brindaron información y orientación para seguir una práctica de lo aprendido. Además una experimentación es lo mejor se sometió a un carnero a un frio intenso dentro de ese lapso no se le administro la suficiente cantidad de vegetales por lo que se observa después de ese tiempo que la oveja llamada “cami” había enflaquecido de una manera muy abismal ya que solo había comido pasto seco. Lo que quiero demostrar es que la importancia de el hierro es fundamental para el desarrollo físico y que debemos de aprovecharlo al máximo para no sufrir un retraso en nuestra sociedad porque nosotros esperamos que algún país industrializado lo descubra y nos ofrezca luego un producto nuestro pero a la vez industrializado.

Bio Inorganic A

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INTRODUCCION

En los ltimos aos se advierten avances en el desarrollo de la qumica bioinorgnica dentro de la sociedad para superar y crear soluciones a problemas de hoy que al no darnos cuenta de su aporte.

Para la realizacin de este trabajo monogrfico recurr a diversas pginas de internet que me brindaron informacin y orientacin para seguir una prctica de lo aprendido.

Adems una experimentacin es lo mejor se someti a un carnero a un frio intenso dentro de ese lapso no se le administro la suficiente cantidad de vegetales por lo que se observa despus de ese tiempo que la oveja llamada cami haba enflaquecido de una manera muy abismal ya que solo haba comido pasto seco.

Lo que quiero demostrar es que la importancia de el hierro es fundamental para el desarrollo fsico y que debemos de aprovecharlo al mximo para no sufrir un retraso en nuestra sociedad porque nosotros esperamos que algn pas industrializado lo descubra y nos ofrezca luego un producto nuestro pero a la vez industrializado.

QUMICA BIOINORGNICA

Es una ciencia interdisciplinaria que se auxilia tanto de laBioqumicacomo de la Qumica de Coordinacin para alcanzar su objetivo final: estudiar el efecto que tiene la presencia de elementos metlicos en la funcin que una biomolcula desempea en un organismo.Los metales pueden formar compuestos de coordinacin con las molculas biolgicas o, como en el caso de los metales alcalinos y alcalinotrreos, pueden estar presentes en su forma inica libre (coordinados solamente con solvente). La funcin que desempean estos centros metlicos depende no slo de la geometra y tipo de ligandos de la esfera de coordinacin, adems hay que tomar en cuenta otros factores cuando el entorno qumico de este complejo es complicado.No obstante el prominente papel que las interacciones no covalentes tienen en las estructuras secundarias, terciarias y cuaternarias de biomolculas as como en su actividad biolgica, la determinacin cuantitativa de sus fortalezas es limitada debido al gran nmero de interacciones involucradas en los sistemas biolgicos. Sin duda, no conviene subestimar el papel que juega la coordinacin de ligandos con iones metlicos. Algunos de los esfuerzos encaminados a la evaluacin de datos termodinmicos de este tipo de interacciones es el reportado porRodgers y Armentrouten 2004 cuyo trabajo sienta las bases necesarias para la evaluacin de la magnitud de estos tipos de enlaces.Un ejemplo del sutil juego entre interacciones no covalentes es puesto de relieve porSmith y cols.Con respecto al grupo tiolato. El grupo tiolato es una parte integral de la esfera de coordinacin de muchas metaloprotenas de zinc. Esta esfera de coordinacin se repite en diversas familias de metaloprotenas, pero el papel que desempea es muy variado. Por ejemplo, en el caso de los dedos de zinc de la familia GATA participa como nuclefilo reactivo mientras que en la protena reparadora de ADN, Ada, tiene un papel estructural. De lo anterior se desprenden preguntas acerca de cmo dos sistemas con una esfera de coordinacin tan similar pueden tener diversos roles, adems de cmo uno solo de los grupos tiolato es especficamente reactivo. De acuerdo conSmith y cols.el factor preponderante en la regulacin de la reactividad y especificidad de los enlaces de zinc con tiolato son los puentes de hidrgeno N-H---S que se forman de la interaccin de los grupos tiolato y el esqueleto amdico de las protenas que contienen el motivo tipo dedos de zinc.Los metales desempean una gran variedad de funciones en los sistemas biolgicos. Pueden participar como elemento estructural que ayuda al pliegue de las protenas o pueden actuar como centros reactivos o catalticos en metaloprotenas con funcin enzimtica (metaloenzimas).

ESTRUCTURAS BIOMOLECULARES

La estructura tridimensional de una protena no queda determinada al azar. Es decir, las protenas tienen siempre la misma forma en igualdad de condiciones del entorno. La estructura tridimensional se mantiene generalmente gracias a interacciones de tipo dbil (efecto hidrofbico,enlaces de hidrgeno,puentes salinos,puentes disulfuro, entre otros). Una vez sintetizada la protena en la clula, su estructura qumica puede variar en muchos sentidos debido a las llamadasmodificaciones postraduccionales.Para describir la estructura de una protena, utilizamos niveles estructurales establecidos por convencin; as, hablamos deestructura primaria,estructura secundaria,estructura terciariay, en algunos casos,estructura cuaternaria.En muchas protenas no toda la estructura es polipeptdica, sino que aparecen grupos moleculares distintos, llamadosgrupos prostticos, los cuales cumplen con funciones muy bien definidas. Las protenas con grupos prostticos reciben el nombre de protenas conjugadas.

ESTRUCTURA PRIMARIA

La estructura primaria de una protena es el nmero y orden en el cual los aminocidos se unen e incluye la ubicacin de los puentes disulfuro.ESTRUCTURA SECUNDARIA

La estructura secundaria es el ordenamiento local de secuencias de aminocidos por efecto de interacciones dbiles, tales como los puentes de hidrgeno. Las estructuras secundarias incluyen las unidades de hlice alfa regulares, las hojas beta y los giros beta y asas.

HLICE ALFA

Cuando se gira el esqueleto de un polipptido por una magnitud igual alrededor de cada carbn alfa, se forma una hlice. Los diferentes tipos de hlices formados cuando los giros tienen direccin y extensin diferentes se describen segn el nmero de residuos aminocidos por vuelta y el paso o distancia por vuelta que la hlice se eleva alrededor de su eje. Los tipos de hlices polipeptdicas presentes en las protenas, adems estn limitadas por factores estricos adicionales y por el nmero de posibles puentes de hidrgeno e interacciones de Van der Waals que pueden formar y estabilizar un tipo determinado de hlice.Las hlices alfa tienen ngulos favorables y y un patrn de uniones de hidrgeno que les confiere la mxima estabilidad. Las hlices alfa de protenas contienen de 4 a 50 residuos. Los parmetros relevantes de una hlice alfa son n=3.6 residuos por vuelta y p=0.54 nm. La distancia a lo largo del eje de la hlice que separa tomos equivalentes en las cadenas principales, de los residuos adyacentes es de 0.15 nm. Los grupos R aminoacil se dirigen hacia fuera del eje de la hlice, lo cual reduce al mnimo la interferencia estrica.

HOJA BETA

La segunda conformacin regular presente en la mayor parte de las protenas es la hoja beta plegada. El trmino hoja plegada describe su aspecto cuando se le observa con el borde hacia arriba. Los carbones alfa y sus grupos R relacionales alternan entre un plano ligeramente arriba y otro ligeramente debajo de la cadena principal del polipptido. Las hojas beta tienen ngulos y repetitivos, estabilizados con el mximo nmero posible de uniones de hidrgeno. Los polipptidos se alinean a lo largo y estn estabilizados por puentes de hidrgeno que se forman entre los hidrgenos de los pptidos nitrogenados y los de los carboxilos oxigenados de tiras adyacentes. El esqueleto peptdico de una hoja beta esta casi por completo extendido. Las cadenas adyacentes de polipptidos de una lmina antiparalela proceden en direcciones opuestas; aquellas de lminas paralelas, en la misma direccin. Para estabilizar las hojas antiparalelas se encuentran ubicados pares alternos de puentes de hidrgeno. Los puentes de hidrgeno que estabilizan cordones paralelos estn regularmente espaciados pero angulados transversalmente a travs de las tiras.

ASA

Las conformaciones asa son estructuras con un ordenamiento irregular con gran importancia biolgica. Regiones en asa de tamao y forma variables constituyen una de las principales caractersticas de superficie de las protenas. Cuando se exponen a solventes ricos en residuos cargados y polares pero que carecen de estructura secundaria regular, las asas en gancho u horquilla se conectan a las hojas beta adyacentes antiparalelas. Con frecuencia, el sitio para interacciones ligando, regiones de asa de estructura primaria y longitud variables forman los sitios de unin de antgenos en los anticuerpos.

GIROS BETA

Las tiras de hojas beta estn conectadas por regiones de polipptidos que con frecuencia contienen hlices alfa. Estas vueltas invertidas o incuraciones beta afectan cuatro residuos unidos por puentes de hidrgeno en varias formas y se presentan de manera primaria en la superficie de las protenas.

REPRESENTACIONES VISUALES DE ESTRUCTURAS SECUNDARIASSe emplean representaciones convencionales simplificadas para exhibir las caractersticas estructurales de las protenas. Los smbolos que se emplean son cilindros para hlices alfa, flechas anchas para tiras beta y listones para las dems estructuras como asas y giros beta.

ESTRUCTURAS SUPERSECUNDARIAS

En muchas protenas, las formas estructurales secundarias forman grupos reconocibles. Algunos de estos grupos son: la horquilla o gancho beta hojas antiparalelas beta conectadas por una regin corta de asa beta-alfa-beta dos tiras de hoja beta conectadas por una hlice alfa el motivo o figura "llave griega" denominada as porque recuerda un motivo decorativo de un vaso griego antiguo Para una revisin ms completa de las estructuras supersecundarias vealas notas de Jon Cooper.

ESTRUCTURA TERCIARIA

La estructura terciaria se refiere a la arquitectura tridimensional de una protena, las relaciones espaciales de todos los tomos entre s para dar una conformacin especfica. Varias interacciones no covalentes estabilizan la conformacin de una protena. Estas fuerzas incluyen puentes de hidrgeno, interacciones hidrfobas, interacciones electrostticas y fuerzas de Van der Waals.Un polipptido puede adoptar un gran nmero de conformaciones, sin embargo, en solucin predominan slo unas pocas de esas conformaciones. Estas conformaciones resultan favorecidas debido a factores como bloqueo espacial, interacciones coulmbicas, puentes de hidrgeno e interacciones hidrfobas entre otros, aunque el problema de cmo determinar la conformacin preferida de una protena y la ruta energtica para llegar a ella no est resuelto, y es una rea muy activa de investigacin.Cuando se considera como los metales afectan la estructura y funcin de una protena no debemos dejar a un lado la posibilidad de la participacin de estos en el plegado de las protenas. Esto da origen a motivos estructurales tan bien conocidos como los "dedos de zinc".Pliegue beta-beta-alfa o dedo de zincConfiguracin de una protena que asemeja a un dedo. Una protena puede tener ms de un dedo en una cadena. Cada dedo consiste de 2 hilos beta antiparalelos seguidos por una hlice alfa. El ion zinc estabiliza el motivo por coordinacin tetradrica a residuos bsicos (Cys o His).Un ejemplo donde el metal participa en ms de una funcin es elcitocromo c(una protena conjugada) donde el grupo prosttico (grupo hemo que contiene Fe) es esencial tanto en la formacin de la estructura tridimensional como en la funcin cataltica de la protena.

ENZIMAS Y MECANISMO DE LA ACCIN ENZIMTICA

La catlisis enzimtica sigue todas las ecuaciones comunes de la cintica qumica. Sin embargo, las aceleraciones obtenidas son impresionantes: es comn hallar velocidades de reaccin 1012veces mayores que la de la reaccin sin enzima catalizadora. Aunque las enzimas aumentan dramticamente las velocidades de las reacciones, no afectan la constante de equilibrio ni los cambios globales en la energa libre de esas reacciones.La fijacin y catlisis del sustrato se produce en el sitio activo o cataltico de la enzima. Estos sitios catalticos con frecuencia radican en hendiduras en las enzimas o en la interfase de las subunidades que forman enzimas multimricas.Muchas enzimas necesitan, adems de su sustrato, una segunda molcula orgnicaconocida como coenzimasin la cual son inactivas. Las coenzimas se definen como compuestos orgnicos termoestables, de peso molecular bajo, necesarios para la actividad de las enzimas. La mayora de las coenzimas se unen a las enzimas por fuerzas no covalentes. La mayora de las enzimas tienen especificidad elevada por sus sustratos, coenzimas y tipo de reaccin catalizada. Algunos factores que alteran las velocidades de las reacciones catalizadas por enzimas son la temperatura, el pH, la concentracin enzimtica y de sustrato y la presencia de inhibidores.La ecuacin de Michaelis-Menten describe los efectos de la concentracin de sustrato sobre la actividad de numerosas enzimas. Esta ecuacion surge de un mecanismo sencillo que se ajusta a la mayora de las reacciones catalizadas por enzimas. En este modelo la enzima se combina reversiblemente con su sustrato para formar un complejo enzima-sustrato (ES) que luego se rompe para formar el producto, hecho que regenera la enzima. El modelo para una molcula de sustrato se muestra a continuacin:

k1k2E + S ES E + Pk-1

Al aumentar la concentracin del sustrato [S], conservando constantes las dems condiciones, la velocidad inicial medida, vi, crece hasta un valor mximo Vmax. La velocidad crece al aumentar la concentracin de sustrato hasta que se estabiliza en el punto donde decimos que la enzima est saturada con el sustrato.La concentracin del sustrato que produce la mitad de la velocidad mxima, llamada valor Kmo constante de Michaelis se puede determinar experimentalmente graficando vicomo funcin de la concentracin de sustrato [S]. Cuando [S] es aproximadamente igual a Km, vies muy sensible a los cambios en [S] y la enzima est trabajando precisamente a la mitad de su velocidad mxima. De hecho, muchas enzimas poseen valores de Kmque se aproximan a la concentracin fisiolgica de sus sustratos.La expresin de Michaelis-Menten:Vmax[S]

vi=----------

Km+[S]

donde Km= (k1+ k2)/k1describe el comportamiento de muchas enzimas de acuerdo a las variaciones de la concentracin de sustrato. La dependencia de la velocidad inicial de una reaccin catalizada por enzimas en [S] y en Kmpuede aclararse analizando la ecuacin de Michaelis-Menten como sigue:1. Cuando [S] Km, el valor de la [S] en el denominador puede ser eliminado y dado que Vmaxy Kmson constantes,Vmax[S]Vmax[S]

vi=------------- ------------- K [S]

KM+ [S]KM

2. Cuando la concentracin del sustrato es considerablemente inferior a la requerida para producir la mitad de la velocidad mxima, la velocidad inicial depende de la concentracin del sustrato.3. Cuando [S] Km, el valor de Kmen el denominador puede ser eliminado,Vmax[S]Vmax[S]

vi=------------- ------------- Vmax

KM+ [S][S]

4. Cuando la concentracin del sustrato es considerablemente superior al valor de Km,la velocidad inicial es mxima.5. Cuando [S] = Km,Vmax[S]Vmax[S]Vmax

vi=------------- ------------- --------

KM+ [S]2[S]2

6. Cuando la concentracin del sustrato es igual al valor de Km,la velocidad inicial es semimxima. Adems indica la forma de evaluar Km, esto es, de determinar de manera experimental la concentracin del sustrato donde la velocidad inicial es la mitad de la mxima.

Puesto que numerosas enzimas dan curvas de saturacin que no permiten fcilmente la valoracin de Vmax(y por tanto de Km), cuando la vies graficada contra [S], es conveniente reordenar la expresin de Michaelis-Menten para simplificar la valoracin de Kmy Vmax. La ecuacin de Michaelis-Menten puede ser linearizada como sigue:11Km

--- =--- +-------------

VVmaxVmax[S]

As, graficando el inverso de la velocidad inicial versus el inverso de la concentracin de sustrato, se obtiene la grfica de Lineweaver-Burk o del doble recproco, la cual simplifica la evaluacin de Kmy Vmax.

PRINCIPIOS DE LA QUMICA DE COORDINACIN RELACIONADOS A LA BIOINORGNICA

La qumica de coordinacin trata de compuestos en los que un pequeo nmero de molculas o iones denominadosligandosrodean a un ion o tomo metlico central. El enlace ligando-metal a menudo se representa como M:L y es un ejemplo deenlace covalente coordinadoen el que ambos electrones provienen de un mismo tomo.Elnmero de coordinacines el nmero de ligandos que rodean a un ion o tomo metlico dado. Los valores ms comunes son cuatro y seis. El conjunto de ligandos constituye laesfera de coordinacin.La mayora de los metales en los compuestos de coordinacin son metales de transicin. Los metales de transicin tienen como caracterstica propia la presencia de subcapas d incompletas, ya sea en su estado base o en forma de ion.Dependiendo del nmero de tomos donadores presentes en la molcula o ion complejo, los ligandos se pueden clasificar como monodentados, bidentados o polidentados.ligandos monodentados ligandos que slo ceden un par de electrones al centro metlico.

Ligandos bi y polidentadosTambin se denominan agentes quelantes por su habilidad para atrapar al tomo metlico y formar uno o ms anillos con dicho tomo central. Efecto quelato gran estabilidad que presentan aquellos compuestos de coordinacin en los que los ligandos son polidentados.Los compuestos de coordinacin pueden presentarisomerismo. De esta manera se pueden distinguir losestereoismeros(incluyen ismeros pticos o enantimeros y los ismeros geomtricos) y losismeros estructurales (incluyen los ismeros de coordinacin, de ionizacin y de enlace).Lageometra de la esfera de coordinacindepende del nmero y tipo de ligandos. En la siguiente tabla se presentan las geometras ms comunes de acuerdo al nmero de coordinacin:No. coordinacin

2Lineal

3Trigonal

4TetradricaPlano cuadrada

5Bipirmide trigonalPirmide cuadrada

6OctadricaPrisma trigonal

7Bipirmide pentagonalOctaedro monoapicado trigonalmentePrisma trigonal monoapicado tetragonalmnte

8Antiprisma cuadradoDodecaedro de caras triangulares

9Prisma trigonal triapicado

A lo largo de la historia se han desarrollado variasteoras de enlaceque se han aplicado a los compuestos de coordinacin con el objeto de describir el enlace covalente coordinado y racionalizar y predecir las propiedades de tales compuestos.Neville Sidgwick aplic ideas de cido y base de Lewis a los compuestos de coordinacin. As, un tomo metlico de transicin (ya sea neutro o cargado) acta como cido de Lewis, aceptando o compartiendo pares de electrones de las bases de Lewis.A principios de la dcada de los sesenta, Ralph Pearson introdujo la idea decidos y bases duros y blandos. Loscidos durosse definen como aceptores de pares de electrones, pequeos, compactos y de elevada carga, mientras que lasbases durasson donadores de pares de electrones, pequeos y muy electronegativos. Loscidos blandos y bases blandasson especies de mayor volumen, difusas y polarizables. Lo fundamental de la idea de los cidos-base-duros-blandos es que los cidos blandos se unen, preferentemente, a las bases blandas y los cidos duros a las bases duras. Esta regla est basada en numerosas observaciones y es til para predecir la estabilidad relativa de los complejos de metales de transicin y otros compuestos. La base terica hasta ahora propuesta para esta generalizacin se centra en la idea de que las interacciones duro-duro tienden a ser estabilizadas por fuerzas inicas de gran intensidad, mientras que las interacciones blando-blando son estabilizadas por enlaces covalentes y/o fuerzas de London o dispersin.Lateora del campo cristalino, desarrollada en gran medida por los fsicos Hans Bethe y John Van Vleck, considera la unin ligando-metal como una interaccin puramente electrosttica y consiste en examinar el efecto de un campo elctrico octadrico, tetradrico o cuadrado plano de ligandos en la energa de los orbitales atmicos del metal. Esta es una teora de enlace muy atractiva debido a su simplicidad conceptual.La magnitud de la energa de desdoblamiento del campo cristalino determina el nmero de electrones desapareados de un determinado compuesto. La teora de campo cristalino permite la explicacin de laspropiedades magnticasde los compuestos de coordinacin. El diamagnetismo es una propiedad inducida de todos los compuestos que resulta de la repulsin de una sustancia por un campo magntico. El paramagnetismo es una propiedad de los compuestos con uno o ms electrones desapareados que resulta de la atraccin de una sustancia por un campo magntico aplicado.Lateora de enlace valencia, trabajo de Linus Pauling, considera que el enlace se caracteriza por el traslapamiento de orbitales atmicos o hbridos de los tomos individuales. El modelo utiliza la hibridacin de los orbitales de valencia metlicoss,pydpara explicar las estructuras que se observan. A su vez estos orbitales hbridos participan en enlaces covalentes con los ligandos. Esta teora cay en desuso debido a su incapacidad para explicar diversas propiedades magnticas, electrnicas y espectroscpicas de estos compuestos de coordinacin.Lateora de orbitales molecularesrepresenta a los orbitales que constituyen una molcula mediante una combinacin lineal de los orbitales atmicos de sus tomos constituyentes. Estos orbitales moleculares se extienden sobre todos los tomos de la molcula (estn deslocalizados) y estn organizados en niveles de energa que explican la estabilidad de las distintas molculas. Una de las propiedades ms llamativas de los compuestos de coordinacin es la gran variedad de brillantes e intensos colores que suelen presentar. La teora de orbitales moleculares permite calcular las energas de las transicines electrnicas responsables de la absorcin de luz visible. Esta teora es conceptualmente fcil de entender, pero su aplicacin cuantitativa a molculas poliatmicas es muy abstracta y matemtica.

ESTUDIO DE METAL O PROTENAS.Citocromo cLos citocromos fueron descubiertos por C. MacMunn en 1866 y sus funciones biolgicas fueron descritas por D. Keilin en el siglo XX, adems, los agrup en tres clases diferentes: a, b y c, segn las bandas caractersticas de cada uno.Cada tipo de citocromo en estado reducido exhibe tres bandas de absorcin caractersticas en el espectro de luz visible, , , y o Soret. Estas propiedades espectroscpicas del grupo hemo han hecho a la familia de los citocromos un objetivo bastante recurrente en estudios de metaloprotenas.[4-8]Principio del formulario

Final del formularioEl citocromo c es unaprotena monomricapequea de aproximadamente 100 aminocidos. La mayora de los citocromos c contienen 4 hlices con laexpuesta al solvente y laformando parte del seno de la protena. Las hlices tambin son representadas porEl resto de la protena consiste de caireles y giros.El citocromo c tiene unido un grupo prosttico constituido por un grupoEl hemo de este citocromo est unido a la protena porentre el anillo de porfirina y dos residuos de Cys.En estas protenas, el hierro forma un: est coordinado a cuatro tomos de nitrgeno en el grupo porfirina y los residuos histidina y metionina se encuentran en posicintransuno respecto al otro.Elcontiene un residuo His axial y dos residuos Cys que forman los enlaces covalentes tioter con el grupo hemo. Eles largo y con forma de J, forma una capa sobre la cara del grupo hemo y dona la metionina axial al grupo hemo.

En virtud de que los 6 tomos ligandos estn fuertemente enlazados al ion metlico, estos ligandos no pueden ser desplazados por otros ligandos, as, los citocromos, a diferencia de otras protenas, actan como acarreadores de electrones jugando una parte esencial en los procesos metablicos. En los citocromos, el hierro est sujeto a rpidas reacciones redox reversibles: Fe3++ e- Fe2+ecuacin (1) que se asocian a la oxidacin de molculas orgnicas.

AzurinaLa azurina es una protena pequea de 128 aminocidos, tambin llamada cupredoxina. Esta enzima participa en algunos procesos que involucran transferencia electrnica en plantas y bacterias (reduccin del grupo nitrilo de la nitriloreductasa en el proceso de desnitrificacin disimilatoria). Es una de las protenas denominadas de cobre azul debido al color azul resultante de la longitud de mxima absorcin, aproximadamente a 630 nm, resultado del enlace fuertemente covalente entre el cobre y la cistena. Adicionalmente tiene un alto potencial de reduccin, lo que le provee de un gran poder reductor. La azurina puede asociarse en forma tetramricaPrincipio del formulario

Final del formularioLa azurina tiene unay ocho; que se pliegan en una estructura deen una estructura de topologa de doble llave griega.En esta protena, la esfera de coordinacin del cobre es mononuclear, de tipo 1. El cobre forma un: est coordinado a dos tomos de nitrgeno (e), dos de azufre (y) y uno de oxgeno (). El enlace entre el tomo de cobre y el azufre de la cistena es inusitadamente corto (210 pm) y este puede variar cuando el cobre transita entre sus dos estados de oxidacin.

Una caracterstica adicional de esta protena es que las estructuras cristalinas de las formasapoyholoson idnticas, lo que indica que no necesita a un ion metlico para adquirir su conformacin plegada nativa. Adems, est demostrado en estudiosin vitroque el metal de esta metaloprotena mantiene su esfera de coordinacin an en el estado no plegado del polipptido.

SUPERXIDO DISMUTASAFerroquelatasa

La ferroquelatasa es codificada en el ncleo, sintetizada en el citoplasma y transportada a las mitocondrias, donde su forma activa tiene peso aproximado de 42 kDa. Datos de la especificidad a los sustratos y parmetros cinticos indican que el mecanismo de catlisis es conservado aunque la especificidad al sustrato vara ligeramente entre las especies.Las ferroquelatasas de mamferos utilizan Fe2+como sustrato metlico y utilizan un mecanismo ordenado de reaccin de dos pasos: enlace de los sustratos - el fierro se enlaza antes que la porfirina, la cual sufre una distorsin alcanzando una conformacin no planar que facilita la metalacin - y metalacin del macrocilo con remocin de dos protones de los nitrgenos pirrlicos. Los detalles del mecanismo enzimtico de la ferroquelatasa humana, junto con la naturaleza de los aminocidos especficos involucrados en la catlisis, era desconocida hasta queSellers y cols.estudiaron el papel que tienen diversos residuos presentes en el sitio activo. Hicieron uso de la mutagnesis dirigida, de anlisis cinticos y de informacin estructural para proponer un modelo de metalacin y desprotonacin de la porfirina. Basados en los resultados, propusieron que el fierro inicialmente se une a D383 y H231 y que este ion es transportado por una serie de residuos conservados (W227 y Y191) hacia el interior de la enzima para llegar al centro cataltico (R164 y Y165). Este sitio de enlace inicial est separado del sitio cataltico. Los resultados muestran que el ion Fe2+se inserta a la protoporfirina y desplaza dos protones, siendo ste un paso concertado. La metalacin del macrociclo profirnico distorsionado puede ocurrir con desprotonacin mediada por H263 y el transporte de estos protones hacia fuera del sitio cataltico por los residuos carboxilatos conservados (E343, H341 y D340). Lo anterior es evidente partiendo de las observaciones de que la alteracin de la regin rica en carboxilos afecta al poder cataltico de la enzima pero no altera la afinidad de la enzima por los sustratos. El modelo implica que, en ferroquelatasa humana, el acceso al sitio activo ocurre por dos vas distintas para los dos sustratos: la porfirina entra al sitio activo desde la superficie de la membrana, mientras que el fierro entra por la superficie de la molcula que est expuesta a la matriz mitocondrial. Adems, se encontr que el sitio de coordinacin inicial identificado como D383 est localizado en lugar especfico para que interacten los transportadores de fierro con la enzima ferroquelatasa.El paso terminal de la biosntesis del grupo hemo es la insercin del ion Fe2+en la protoporfirina IX para formar protohemo. Este paso es catalizado por la enzima ferroquelatasa.

METALES DE TRANSICIN EN REACCIONES BIOLGICAS REDOX.

El cobre es un oligoelemento esencial ya que es el cofactor metlico de diversas enzimas. Su importancia radica en su propiedad redox, la cual es utilizada por diversas enzimas para su funcin cataltica: acepta y dona electrones y participa en reacciones que implican dismutacin, hidroxilacin y oxidacin. Sin embargo, el cobre es un elemento potencialmente txico, dado que en su forma reducida puede directamente actuar con oxgeno molecular y perxido de hidrgeno, ambos presentes en las clulas, y producir radicales superxido o catalizar la formacin de radicales hidroxilo.Se ha descrito la actividad de diversos mecanismos fisiolgicos destinados a mantener un suministro adecuado del metal y al mismo tiempo controlar su exceso. Estos mecanismos de homeostasis celular de cobre estn destinados a controlar la entrada, el almacenamiento (cantidad y localizacin) y la salida del metal en la clula.La destinacin intracelular de cobre en los sitios catalticos de las metaloprotenas es un proceso fundamental para el metabolismo celular normal. Se han identificado protenas, denominadas chaperonas, involucradas en la regulacin del cobre intracelular. Estas protenas presentan una alta afinidad por cobre y tienen una funcin dual que involucra la transferencia del metal y previenen la existencia de cobre libre intracelular; esto ha sido demostrado en estudiosin vivoa travs de la transferencia de cobre desde la chaperona Ccs1 hacia SOD1 porRae y cols. Por medio de la cuantificacin de la abundancia de la chaperona, del cobre intracelular y de la cantidad y actividad de la enzima en condiciones fisiolgicas, se encontr que la ausencia de Ccs disminuye la relacin entre las formas activa y no activa de la SOD1; asimismo, se observ que la cantidad total de cobre celular no es funcin de la concentracin de Ccs, no as la cantidad de cobre libre. Se demostr que la SOD1 permanece inactiva cuando la Ccs est ausente an a concentraciones celulares de cobre normales. As, se determin que las funciones de Ccs son como secuestrador del cobre y como director del cofactor hacia la enzima para activarla. Lo anterior indica que la actividad de las metaloenzimas requiere de la destinacin directa del metal mediante la interaccin protena-protena y no del casual encuentro de tomos en su forma libre.

TRANSPORTADORES DE OXGENO

Numerosas reacciones biolgicas comprenden procesos de oxidacin. El trmino oxidacin se refiere a la prdida de electrones en una sustancia con la subsecuente reduccin de otra que acta como aceptor de dichos electrones. En la mayora de las oxidaciones biolgicas, en condiciones aerobias, el aceptor de electrones es el oxgeno molecular; asimismo, muchas oxidaciones biolgicas pueden tener lugar acompaadas de una deshidrogenacin.Las oxidasas catalizan la eliminacin de hidrgeno de un sustrato usando al oxgeno como aceptor de hidrgeno y formando agua o perxido de hidrgeno. Los procesos de oxidacin y reduccin de estas enzimas son complejos y poco se sabe acerca del mecanismo mediante el cual el oxgeno es activado por las enzimas redox; de esta manera, algunos investigadores se han abocado al estudio de los mismos. Estos esfuerzos comprenden la caracterizacin de los intermediarios de reaccin de los procesos biolgicos.En 1999,Wilmot y cols.determinaron mediante cristalografa de rayos X de monocristal las estructuras de tres intermediarios relacionados con la media reaccin de oxidacin de la amino oxidasa que contiene cobre denominada ECAO (Escherichia coli Amine Oxidase). Esto proporcion informacin mecanstica detallada acerca de la interaccin del oxgeno con la metaloenzima. Los cristales de los intermediarios fueron aislados en condiciones aerobias y anaerobias y sus estructuras fueron resueltas a 2.1 y 2.4 . Las estructuras revelaron que el sitio de enlace del dioxgeno es la posicin axial de una molcula de agua de la esfera de coordinacin del metal. Encontraron adems, que el cofactor quinnico TPQ, 2,4,5-trihidroxifenilalaninquinona se regenera en la media reaccin de oxidacin, a partir de un intermediario con estructura iminoquinnica, mediante la hidrlisis de residuo Asp383 con la transferencia de 2 electrones al dioxgeno y demostraron que este residuo de aminocido tiene un papel cataltico. Los espectros visibles de la forma reducida de la enzima evidenciaron que sta puede existir como dos confrmeros: aminoquinol-Cu2+y radical semiquinnico-Cu+. A pesar de que la forma de aminoquinol es la conformacin dominante de la enzima en su estado oxidado nativo, el radical semiquinona-Cu+es requerido para que el oxgeno molecular se enlace directamente al cobre y que la transferencia electrnica de los dos electrones sea rpida; as, se determin que la velocidad global de este proceso se ve limitada debido a que la forma dominante de la enzima es como aminoquinol. Se concluy que, mientras que en la media reaccin reductiva el cobre no participa, la reaccin de oxidacin s involucra al ion cobre y al oxgeno molecular, produciendo amoniaco, agua oxigenada y la forma reducida de la enzima.La activacin de la molcula de oxgeno por complejos que contienen ion ferroso es de importancia fundamental en biologa puesto que las especies de hierro con ligandos oxo terminales estn implicadas como intermediarios en varios ciclos catalticos bioqumicos. Desafortunadamente, existe poca informacin estructural acerca de este tipo de complejos debido a su inestabilidad, que dificulta su aislamiento. Los esfuerzos por modelar especies oxofrricas mononucleares derivadas de oxgeno molecular son poco comunes debido a que los complejos de Fe3+tienden a formar especies dinucleares con un ligando -oxo. De esta manera, la sntesis y el aislamiento de sistemas biomimticos podra permitir la investigacin de la relacin estructura funcin y el papel de las interacciones no covalentes en la reactividad de los iones metlicos en las enzimas.MacBeth y cols.reportan la sntesis, el aislamiento y la caracterizacin de complejos de Fe3+con ligandos terminales tipo oxo, derivados de dioxgeno. Para lo anterior, se desarrollaron sistemas sintticos que regulan la estructura y funcin alrededor de un centro metlico (hierro) usando el ligando tripodal tris[(N'-tert-butilurealato)-N-etil)]aminato. La difraccin de rayos X muestra que el metal tiene una esfera de coordinacin con geometra bipiramidal trigonal donde el plano trigonal est formado por tres nitrgenos uricos y el oxgeno oxo est posicionado entranscon respecto al nitrgeno apical. Se encontr que los complejos aislados eran estables debido a que la unidad oxofrrica se encontraba en una cavidad formada por puentes de hidrgeno, lo que permite la regulacin de la activacin de oxgeno. Estas cavidades comparten propiedades con los sitios activos de las metaloprotenas donde la funcin est fuertemente correlacionada con la estructura. La similitud entre estos complejos resalta la importancia de los microambientes creados por las interacciones de puentes de hidrgeno en la regulacin de las funciones.

ALMACENAMIENTO Y TRANSPORTE DE FE.

El hierro es uno de los metales ms abundantes de los sistemas biolgicos. Este es necesario para la activacin de algunas enzimas o como centro activo de ellas. As tambin tiene un papel importante en el transporte de oxgeno. El ion Fe3+es poco soluble y, en su estado libre, puede ser txico debido a la posible catlisis de la produccin de radicales hidroxilo y perxido; as, la difusin del ion libre a travs del periplasma no es deseable, para esto es necesaria la presencia de un transportador eficiente.Las clulas estn dotadas de sistemas de protenas que pueden transportar los iones metlicos desde el espacio periplsmico hasta el citoplasma, para que estos metales lleguen a las protenas objetivo. Para todos los transportadores periplasma-citosol, la participacin de protenas periplsmicas, permeasas citoplsmicas y protenas nucletidas son crticas en el transporte efectivo de los iones. Se puede inferir que el proceso de transporte involucra interacciones protena-protena entre estos componentes. Estas interacciones pueden depender de los cambios conformacionales de las protenas involucradas.Una protena encargada del transporte de fierro en el periplasma es la FbpA. FbpA es una protena enlazante periplsmica y es crtica en el transporte de fierro entre las membranas externa e interna (espacio perisplsmico). Esta es una protena caracterstica de las protenas enlazantes periplsmicas pero es nica debido a su funcin de transportar fierro; es estructuralmente parecida a la familia de las transferrinas (molculas bilobales que enlazan un catin Fe3+ por cada lbulo y que sufren cambios conformacionales durante el proceso de la liberacin de fierro; estos cambios conformacionales son crticos para el reconocimiento del receptor y la transferencia del fierro). FbpA es casi del tamao de un lbulo de transferrina y coordina una molcula de Fe3+ usando el mismo nmero de residuos aminocidos y de ligandos aninicos.La habilidad para existir en dos formas distintas es caracterstica de la familia de las transferrinas. Los homlogos de FbpA sugieren que estas protenas tienen cambios conformacionales durante el transporte de fierro.Nowalk y cols.proporcionan evidencia de la existencia de FbpA en dos conformaciones distintas dependiendo de la presencia de hierro. Los estados conformacionales de FbpA pueden tener implicaciones en el reconocimiento de protenas durante el transporte de fierro entre las membranas y puede explicar cmo estas protenas funcionan en el contexto del transporte de fierro entre el periplasma y el citosol. Esto es demostrado mediante la sntesis de protenas mutantes que enlazan metal o no lo enlazan y la evaluacin de la sensibilidad a la tripsinisacin de las formasapoyholode la FbpA: el enlace de Fe3+-FbpA disminuye considerablemente la habilidad de la tripsina para romper la protena. La construccin de mutantes donde se disminuye o se elimine la capacidad para enlazar hierro asegura que la protena se encuentra en su forma conformacionalapoy que sea susceptible a tripsinisacin. Los resultados sugieren que el residuo Tir195 est involucrado directamente en el enlace de fierro y que el residuo Tir 264 est involucrado en otras interacciones estructurales que estabilizan la conformacinholode la protena - como puentes de hidrgeno entre dominios o interacciones que estabilizan la estructura terciaria. Los resultaron soportan la hiptesis de que FbpA asume dos conformaciones estructurales distintas dependiendo de la presencia del metal.

METALES ALCALINOS Y ALCALINOTRREOS EN BIOLOGALa concentracin intracelular de calcio es aproximadamente de 1 10-4mM, 4 rdenes de magnitud inferior al magnesio y 6 menor que el potasio. El ion calcio es un componente estructural esencial en el proceso de biomineralizacin y acta como mensajero secundario que controla numerosos procesos celulares como la divisin y el crecimiento celular, la secrecin, transporte inico, contraccin muscular, entre otros.Las clulas gliales han sido consideradas como elementos pasivos en el sistema nervioso central pero se sabe que pueden generar respuestas activas incluyendo seales de calcio intracelulares. Estas ondas de calcio pueden constituir un mecanismo de seal extraneuronal en el sistema nervioso central y pueden modular la actividad neuronal; por lo anterior, se ha probado si las ondas de calcio sucedenin situen clulas gliales.La retina de rata contiene dos tipos de clulas gliales: los astrocitos y las clulas de Mller. Para probar si las ondas de calcio aparecen en este tipo de clulas gliales,Newman y Zahsdeterminaron la concentracin de calcio en estas clulas por fluorescencia del indicador Calcium-Green1 cuando eran sometidas a estmulos qumicos, elctricos y mecnicos. Se encontr que la estimulacin de los astrocitos incrementa la concentracin intracelular de calcio y que este efecto se puede propagar, radial y sincronizadamente, como ondas entre las clulas vecinas, ya sean astrocitos o clulas de Mller. La velocidad de propagacin de las ondas de calcio prcticamente no vari con el tipo de estmulo sugiriendo que, una vez iniciadas, las ondas se propagan por el mismo mecanismo. Adems, se encontr que la velocidad de propagacin disminuye a medida que la onda se aleja del punto de estimulacin. El incremento de la concentracin de calcio en los astrocitos y las clulas de Mller aparentemente se debe al calcio de los almacenes intracelulares que est mediado por el receptor 1,4,5-trisfosfato inositol (IP3) ms que por un influjo extracelular de calcio debido a que las ondas de calcio se observaron aun cuando no hubo calcio extracelular presente y, en contraste, la aplicacin de thapsigargin y heparina redujo la respuesta de calcio. La ausencia de cambios de potencial de membrana sugiere que las ondas de calcio no se deben a la activacin de los canales inicos en las clulas gliales que, aparentemente, tienen influencia en la regulacin de potasio y de neurotransmisores.El diseo de protenas es una herramienta para la elucidacin de las relaciones estructura-plegado-funcin de protenas. El diseo de sitios que enlazan calcio en una protena, que naturalmente no lo hace, contribuye al entendimiento del papel del calcio en los procesos biolgicos.La fortaleza de la selectividad del metal parece estar relacionada con los procesos fisiolgicos. El entendimiento de los factores que afectan la afinidad y selectividad de las protenas por el calcio en los cambios conformacionales dependientes es un paso esencial en el esclarecimiento del proceso de las seales de calcio.El diseo de sitios para coordinacin de calcio est limitado debido a que, por lo general, tiene una esfera de coordinacin tipo bipirmide pentagonal u octaedro distorsionados y puede tener nmeros de coordinacin variables de 6 a 9 con 1 a 3 molculas de solvente como ligandos. El nmero de coordinacin ms comn es 7 y el tipo de tomos ligandos preferentes son oxgenos de carboxilatos, carbonilo o hidroxilos.Yang y cols.presentan el diseo de un sitio enlazante de calcio en una protena desprovista de este sitio. La estrategia de diseo toma en cuenta las propiedades de la esfera de coordinacin de calcio como el tipo de ligandos, la carga y la geometra de la esfera de coordinacin primaria del centro metlico. Se escogi como sitio anfitrin el dominio N-terminal (99 aminocidos) del receptor de adhesin superficial de clulas de rata CD2, el cual tiene una estructura de lminas beta con el plegado caracterstico de la familia de las inmunoglobulinas. Para realizar el diseo del sitio de coordinacin se realiz un anlisis estructural detallado de los sitios probables de coordinacin en la protena. Se escogi la geometra bipiramidal pentagonal para la esfera de coordinacin siendo uno de los ligandos una molcula de solvente lo que reduce el impedimento estrico. Se propuso que dos tomos de oxgeno fueran de un ligando bidentado Glu y que las posiciones remanentes fueran ocupadas por oxgenos de residuos como Asp, Asn y Glu. Los criterios de seleccin adems incluyen que el calcio estuviera expuesto al solvente, que la protena mutante no tuviera una conformacin parecida a la protena normal y que tres o cuatro residuos estuvieran cargados. Se identific un sitio que involucra 5 mutaciones. Los residuos ligandos son de tres secuencias diferentes con un total de cuatro ligandos cargados. El ligando bidentado Glu80 se localiza en el hilo F mientras que los otros cuatro oxgenos restantes provienen de los hilos F (V78), G (I89 y K91) y del giro flexible BC (F21). Este sitio est prximo a varios residuos aromticos (Tir81 y Trp32) que permiten el uso de la tcnica de transferencia de energa resonante por fluorescencia para monitorizar el enlace de calcio. Se encontr que la constante de disociacin de Ca-CD2 es de aproximadamente 40 M y que la protena exhibe selectividad por calcio frente a magnesio y potasio (constantes de disociacin 670 y >10,000 respectivamente) con una afinidad comparable a la de las protenas extracelulares naturales que enlazan calcio. Esta selectividad tambin fue estudiada por1H NMR. Adems se utilizaron las tcnicas de dicrosmo circular y ICP-MS para determinar la constante de formacin de los complejos Ca-CD2, Mg-CD2 y K-CD2, siendo consistentes los resultados. La magnitud de esta selectividad es una de las propiedades ms importantes de las protenas intracelulares para el control de los niveles de calcio y la respuesta a los cambios de las seales debidas a calcio en la presencia de exceso de magnesio y potasio. Los resultados demuestran la factibilidad del diseo de un sitio de enlace de calcio en una protena anfitrin tomando en cuenta solo propiedades locales de la esfera de coordinacin de calcio lo que hace posible entender y manipular los procesos de seales por diseo de protenas moduladoras de calcio con funciones especficas y afectar su estabilidad.

NO-METALES COMO ELEMENTOS TRAZA

El selenio es un microelemento esencial para los mamferos y algunas plantas superiores; su funcin principal es como componente de la glutatin peroxidasa, la cual protege contra los radicales libres oxidantes que daan a las clulas.El selenio es esencial para la fertilidad de roedores y est implicado en la capacidad de fertilizacin de ganado y humanos. La deficiencia de selenio est asociada con prdida de la movilidad, alteraciones estructurales y prdida de flagelo en espermatozoides; sin embrago, a pesar del conocimiento de su importancia, los detalles de la relacin de este elemento y la fertilidad son desconocidos.Una protena que contiene selenio es la denominada PHGPx que se encuentra en concentraciones apreciables en espermtidos y tiene actividad enzimtica en los testculos postpubertales. En los espermatozoides maduros, el selenio se puede encontrar como constituyente de una estructura tipo queratina - que envuelve a la hlice de la mitocondria en la parte media del espermatozoide; se ha pensado que forma parte de una protena rica en cistena asociada a la mitocondria del espermatozoide (SMCP).A partir de del conocimiento acerca de la ausencia del codn que sintetiza la SMCP en roedores machos, L Floh y cols. ("Dual Function of The Selenoprotein PHGPx During Sperm Maturation") se cuestionaron acerca del papel de PHGPx, como protena estructural, y la explicacin de la inestabilidad mecnica de las cpsulas mitocondriales de espermatozoides cuando existe deficiencia de selenio. La metodologa experimental seguida consisti de la separacin de los componentes de la cpsula mitocondrial de espermatozoides maduros mediante electroforesis con gel de poliacrilamida uni- y bidimensional. Se determin que uno de los componentes corresponda a PHGPx, la cual constitua alrededor del 50% del contenido total de los componentes de la cpsula, mientras que SMCP no fue detectada. As tambin, se realizaron experimentos para regenerar la actividad enzimtica de PHGPx, partiendo de la protena inactiva presente en la cpsula mitocondrial. De esta manera, se determin que la PHGPx es una protena con actividad enzimtica en espermtidos y es un elemento estructural en espermatozoides maduros, lo que permite la conclusin de que la selenoprotena hidroperoxiglutation peroxidasa fosfolpido (PHGPx) cambia sus caractersticas fsicas y funciones biolgicas durante la maduracin de los espermatozoides. Se piensa que la PHGPx inhibe la actividad de los radicales perxido por medio de dos mecanismos: mediante la actividad enzimtica, propia de la protena, o por la formacin de aglomerados de protena cuando los radicales perxido atacan a las clulas en ausencia de glutatin.

RETOS RECIENTES

El descubrimiento de fierro, cobre y zinc como elementos esenciales para reacciones fisiolgicas fue el primer paso fundamental en el campo de la ciencia conocido como Qumica Bioinorgnica.La Qumica Bioinorgnica, o Qumica Inorgnica Biolgica, es la disciplina que se encarga de estudiar las interacciones entre las sustancias inorgnicas y las biomolculas, el papel de los elementos esenciales en la vida, la respuesta de los organismos a las sustancias inorgnicas txicas y el desarrollo de modelos tericos para la explicacin de los temas anteriores, entre otros.Los iones metlicos pueden desempear varias funciones en los organismos, entre las que destacan: centro activo en las enzimas, activacin de protenas, transmisin de seales elctricas y el plegado de protenas, por mencionar algunos.De acuerdo a Bertini y Rosato ("Bioinorganic Chemistry in the Postgenomic Era"), el reto principal de los qumicos bioinorgnicos es la explicacin de los mecanismos mediante de los cuales suceden los procesos fisiolgicos que involucran iones metlicos. Para lograr el entendimiento de estos procesos se requiere de esfuerzos sinergticos de un nmero de diferentes disciplinas que incluyen la gentica, la biologa, la qumica, la biofsica, la enzimologa y ms.Para entender la homeostasis de metales es importante destacar los mecanismos de regulacin y transporte de metales (que involucran interacciones protena-protena) dedicados a mantener el delicado balance del metal en varios organelos y en el entorno celular; asimismo, se debe considerar el aspecto de toxicidad de los metales y los mecanismos de resistencia celular a la toxicidad de esos metales.Algunas de las herramientas que sirven a los qumicos bioinorgnicos para el estudio de metaloprotenas son: la secuenciacin gentica, con la cual es posible deducir las secuencias primarias de prcticamente todas las protenas que un organismo puede producir, y la informacin estructural tridimensional de estas protenas, obtenida a partir de anlisis espectroscpicos.Existen varios servidores web que disponen de bases de datos de protenas; sin embargo, hay muy pocas que ponen atencin a la interaccin entre los iones metlicos y los residuos de las protenas que actan como ligantes. Una base de datos disponible es la Metalloprotein Database que provee informacin cuantitativa de parmetros geomtricos de los sitios de enlace de metal de metaloprotenas y cuyo objetivo principal es ser una fuente de informacin para el diseo de metaloprotenas y el modelado molecular.

http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Q.Bio1_17290.pdf