Procesos de captación biológica - FQdec.fq.edu.uy/catedra_inorganica/electivas/solucionacuosa/captbiologica.pdf · Lípido agua Coeficiente distribución en medio intracelular ancho

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Procesos de captación biológica

Procesos de captación biológica

•Captación de iones por células

•Selección específica de iones

•Selectividad y toxicidad

•Mecanismos de selección y su relación con la termodinámica

¿Por qué los seres vivos necesitan iones metálicos?

•Síntesis de polímeros

•Requerimiento de energía

•Reproducibilidad de los procesos biológicos

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Funciones celulares asociadas a iones metálicos

•Estructural: Ca Mg Zn

•Balance eléctrico y osmótico: Na K

•Catálisis ácido base: Zn Ni Fe Mn

•Catálisis redox: Fe, Cu, Mn, Mo, Se, Co, Ni, V

•Funciones electroquímicas (mensajeros): Ca Mg

•Otras funciones específicas: Mg Fe Cu ...

Composición química de las células

H, C, N, O: 99%H, C, N, O, Na, Mg, P, S, Cl, K, Ca: 99.9% mayoritarios

todos: < 100mg/kg traza

Iones metálicos de transición 3d, Zn, Se, I, B y Si esenciales

Procesos de captación

2210160Plasma2.5

50

52

Mg2+

92

400

10

K+

1x10-4

1.5

10

Ca2+

11Eritrocitos

80Valonia sp460MarNa+sistema

Concentraciones (mM)

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Unicelular:

Pasaje por membrana

Célula humana:

TGIMucosaPrimer pasajeHígadoTorrente sanguíneoÓrganoMembrana celular


exterior

interior

Moléculas solublesen lípidos

Mecanismos de transporte

Transporte pasivo

Transporte activo

ΔS>0 • facilitado por ionóforos• facilitado por proteínas que forman canales

Cinética favorable

ΔS<0, ΔH<0 • acoplado a la hidrólisis de ATP

4


1

2lnRCCTG =Δ

C2

C1

Transporte pasivoC2 < C1

Especies neutras

Transporte activoC1 < C2

acopladoGCCTG Δ+=Δ

1

2lnR


Transporte pasivo:

0ψZlnR1

2 <Δℑ+=ΔCCTG

Potencial de membrana

Carga del ion

Transporte Activo:

0ψZlnR1

2 <Δ+Δℑ+=Δ ⇒ADPATPTOTAL GCCTG

Especies cargadas

Transporte pasivo facilitado por macromoléculas


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Mecanismos de transporteTransporte pasivo facilitado por proteínas

Mecanismos de transporteTransporte pasivo facilitado por proteínas


Transporte activo

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Transporte activo

3Na+i + 2K+

e + ATP4- + H2O 3Na+e +2K+

i + ADP3- + HPO42- + H+

Mg2+


Transporte activo secundario

sinporte

antiporte

Procesos de selección de iones

•Unión a biomoléculas

•Barreras físicas: membranas, organelos

•Unión a polímeros internos

•Unión cinéticamente irreversible a polímeros

•Formación de precipitados

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Afinidad de iones metálicos por tejido celular

1.79hojacaña azúcarMn2+

1.95hojacaña azúcarZn2+

1.87hojacaña azúcarCu2+

1.00enterasalgasK+

1.42hojamaízK+

1.68raízcebadaK+

log KtejidoespecieIon


Afinidad de iones metálicos por ligandos inorgánicos

1.982.314.91.331.851.24Ca2+

2.302.35.12.42.971.57Zn2+

2.211.84tiosulfato2.42.32.20sulfato 7.34.65.4pirofosfato3.21.60fosfato5.551.341.95malonato2.231.151.25acetatoCu2+Ba2+Mg2+ligando

Captación selectiva

KML x [Mlibre]

10-17<10-12<10-910-310-1[ion]/M

Fe3+Cu2+Zn2+Mg2+, Ca2+Na+, K+ion

Concentraciones promedio en medios acuáticos naturales

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Afinidad de ligandos por varios cationes metálicos

>106

<1<100<0.1

0.1<0.1

Ligandos N o S

<106

<0.1>1000>1

1<0.1

Di-tri carboxilatos

<108

<0.1<100<0.1

>10>1

O-macrociclos

Zn2+, Cu2+Mg2+, Ca2+Na+, K+KML/ KML[M]


log KMLeff = log KML - log αM - log αL

α M = 1 + KML2 [L2] + β2 (ML22) [L2]2 ... + β-11/[H+] + β-21/[H+]2 +...,

α L = 1 + ∑ β iH[H+]i + KM2L [M2]+ ...


extracelular intracelular

M

pH variablePotencial alto

pH fijo 7.5Potencial bajo

+L1

ML1

M

+L2

ML2

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Mecanismos de captación selectiva

•Carga•Tamaño•Ligando dador•Geometría•Estabilización de espín•Unión a clusters•Hidrólisis•Control del EO•Regulación del pH•Transferencia a proteínas•Canales selectivos

Selección por carga/tamaño


hidroxamatos, fenolatos(Tyr)

Cys, tiolatos

Gly, His

Selección por tamaño

Li+>Na+>K+>Rb+>Cs+

Be2+>Mg2+>Ca2+>Sr2+>Ba2+ Aniones pequeños

Mn+(ac) + Xn-(ac) → MX(s) +x H2O

⎩⎨⎧

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

−⎭⎬⎫

+∝Δ−+−+

MX

nn

X

n

M

n

dzzb

rz

rzcG

Aniones grandes


10

Mn+(ac) + Xn-(ac) → MX(ac) +x H2O

⎩⎨⎧

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

−⎭⎬⎫

+∝Δ−+−+

MX

nn

X

n

M

n

dzzb

rz

rzcG


Li+>Na+>K+>Rb+>Cs+

Be2+>Mg2+>Ca2+>Sr2+>Ba2+ Aniones pequeños

Aniones grandes






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Ca vs. Mg r Mg2+ = 0.6År Ca2+= 0.95Å

x 1000bajav intercambioSi

2.05 Å

Octaédrica

Mg2+

No

Irregular

Irregular

Ca2+

Unión a NDistancia M-OGeometría


Selección por ligando dador

N/S = CysN/N = enN/O = GlyO/O = ox


Selección por geometría

Octaédrica>otrasFe3+, Co3+, Cr3+

Octaédrica>otrasMn2+

Tetraédrica>octaédrica>pentacoordZn2+

Octaédrica>tetraédrica>otrasCo2+

Octaédrica>otrasNi2+

Tetragonal>pentacoord>tetraédricaCu2+, Mn3+

GeometríaIon


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Selección por geometría

Mn2+, Fe2+

Cu2+

Zn2+

N / N,O

Cu2+

N-

Mo(V)

Cu2+

Zn2+, Fe3+, Cu+

RS-

Fe3+octaédricaMn3+tetragonalFe3+tetraédricaRO-geometría


Selección por estabilización de espín

CN-, citocromosH2O, Cl-Fe3+

CN-La mayoríaMn3+

CN-, F430La mayoríaNi2+

La mayoría

H2O, Cl-La mayoría

Alto espín

CN-, vitamina B12

CN-, NO2, citocromos

CN-

Bajo espín

Co2+

Fe2+

Mn2+

ion


Selección por unión a clusters

Especies derivadas de procesos de hidrólisis:Fe2O4+, Cu2(OH)2

2+, Mn2O4+

Producto de reacciones intracelulares:

Fe4S44+

ferredoxina


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Selección por hidrólisis

H

HMz+ O Mz+ OH + H+ Mz+ O + 2H+

+L

MLMoO4+ MoO2

2+ MoO3(s) MoO42-


Selección por control de EO

Cu(II)via Cu(I)

Fe(III)selección por carga

reducción


MoO42- MoO2(OH)4

2-

+ 2RSH

[MoO2(OH)2(RS)]2-

Incorporación como aniones

VO2+ [VV(L)]-


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Selección por transferencia a proteínasFe3+/Fe2+ = 105


Fe2+ + Tf +CO32- FeIITf(CO3

2-) + x H+

FeIITf(CO32-) +O2 FeIIITf(CO3

2-) +O2-

Termodinámica vs. Cinética

M (bajo EO) + L →

Cl-, SO42- aa, glúcidos

Na, K, Mg, Ca, Mn, Fe2+: siempre control termodinámico

Mo, Co, Ni, Cu, Zn (bajos EO): predomina control termodinámico


M + L1 ML1

ML1 M + L1

M + L2 ML2

ΔG < 0

¿Qué limitaciones cinéticas pueden aparecer?•Distribución ML1•Receptores de membrana•Disponibilidad de L1

¿Cómo se libera M de ML2?•Cambio de EO•Cambios de pH•Cambio conformacional•Hidrólisis de L2

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M + L1 ML1

¿Cómo se lleva a cabo una reacción termodinámicamente no favorable?

•Costo energético•Unión cinéticamente irreversible (L2)

ML1 M + L1

M + L2 ML2

ΔG > 0

¿Cómo se regula la concentración de M?

•Síntesis controlada de L2•Unión específica de ML2 a proteínas

Control cinético

)()(21

21 CCplCCKDv −∝

−∝

Constante repartoLípido agua Coeficiente distribución

en medio intracelular

ancho membrana

Coeficiente de permeabilidad

Control cinético

M+L1 → ML1 → ML2 + L1

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Captación de Feprocariotas

Fe(II)

Proteína TON B+ TON B

FeIII(TON B)

FeIII(TON B)Fe3+

via Fe(II)

Fe (hemo)

Fe(ferritina)

DNA/RNA control

Captación de Feeucariotas

Fe(II)

transferrina+ transferrina

FeIII(transferrina)

FeIII

DNA/RNA control

Fe2+H+

Transferrina, CO32-

Fe(ferritina)

Fe(III)-cit o prot

Fe (hemo) O2

hemo

FeIII

Cs

Rb

K

Na

Li

Ba

Sr

Ca

Mg

Be

La

Y

Sc

Hf

Zr

Ti

Ta

Nb

V

W

Mo

Cr

Re

Tc

Mn

Os

Ru

Fe

Ir

Rh

Co

Pt

Pd

Ni

Au

Ag

Cu

Hg

Cd

Zn

Tl

In

Ga

Al

Pb

Sn

Ge

Bi

Sb

Metales abundantes

Metales esenciales

Metales posiblemente esenciales

Selectividad y toxicidad

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Res

pues

ta fi

siol

ógic

a

dosis

Síntomas de deficiencia Efectos tóxicos

Estado saludable

muerte muerte

Selectividad y toxicidad

Se(ug/d): 10 50 200 1000 10000F(ug/d): 0.5 2 10 20 100

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