Apontamentos - Bioinorgânica.pdf

7/28/2019 Apontamentos - Bioinorgnica.pdf

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Filipa Frana


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Reaoes de oxidao-reduo

1.Existem reaces enzimticas e de transferncia de electres.

Tipos de reaces enzimticas:

reaces de oxidoreductases nas quais o agente oxidante tipicamente O2. reaces de desidrogenases, nas quais NAD+ (ou FAD) recebe H- (2 e-/2H+). Decomposio redox da gua. Reaces de hidroperoxidases e catalase em que o agente oxidante anio

hidroperxido ou anio perxido. Reaces de oxigenases (monoxigenases ou dioxigenases) em que incorporado

oxignio nos produtos. Hidrogenase de nquel e outras desidrogenases

2. potencial de reduoE(S2)>E(M)>E(S1)

Electres movem-se de um local com baixo potencial para outro com alto potencial.

Os centros mais importantes so os de ferro e cobre, pelo que tem o potencial bemdefinido. Podemos alterar o potencial redox alterando os ligandos.

Quanto maior a capacidade dadora do ligando, maior a estabilizao para o estado deoxidao mais alto. A espcie mais oxidante fica menos oxidante, fica um redutor mais

forte, baixando o potencial.Efeitos electroestticos:

Esfera de coordenao: n.o. do metal, natureza e geometria dosligandos, carga total, interaces M-M

Acessibilidade ao solvente: constante dielctrica da microvizinhana Resduos polares: estabilizao de cargas Resduos carregados no interior da protena

3. Protenas e enzimas hmicasNos sistemas biolgicos encontram-se varias enzimas e protenas hmicas com potenciaisredox que variam entre -0,4V e +0,5V H 4 tipos de grupos hmicos: Tipo A: potencial redox mais elevado. Presena do grupo aldedo na periferia (distribui adensidade electrnica); Tipo B: potencial redox mais baixo; Tipo C: potencial entre 0 e +0,3V; Tipo D1.


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O ferro normalmente est ligado a ligando hmicos equatorialmente; a coordenao +einerte e muito forte pelo que o ferro no sai da porfirina quando a protena degradada.No entanto, tambm h coordenao axial pois existem duas posies axiais livres. Podemser ambas ocupadas ou s uma.

S uma posio ocupada: a posio livre pode estar mesmo livre ou ento muitofracamente ligada a H2O. Est envolvida no transporte de O2(pentacoordenao). Nestecaso o ferro est fora da porfirina pois est +2 d o seu tamanho superior a cavidade daporfirina e est distorcida.

Factores que afectam a E : Grupos perifricos da porfina N de coordenao (5/6)/posio do Fe

NC=6, maior campo de ligando, Fe(II) e Fe(III) de SB, potenciais de reduo elevados NC=5, menor campo de ligando, Fe(II) SA e Fe(III) SA ou SB, potenciais de reduobaixos

Tipo de ligando axial Ligandos aninicos (cisteinato, tirosinatoou histidinato) favorecem Fe(III) ou Fe(IV),potencial de reduo baixo

Resduos aa na vizinhana

Os centros de coordenao Fe saturados tm potencias redox muito variveis para atransio Fe(II)/Fe(III) que depende dos ligandos axiais e do ambiente de coordenao (lig de H, distribuio de cargas, distoro de geometria.

Numero de coordenao 6: nesta estrutura o tomo de ferro est localizado no centro daporfirina e sujeito a um campo de ligando forte. assim o ferro est em spin baixo . opotencial aumentado porque o electro extra adicionado na reduo no afeta o sistema.Numero de coordenao 5: o ferro no est no plano da porfirina. Sujeito a um campofraco e o Fe2+ est em spin alto. Isto estabiliza-o e reduz o potencial.

Logo, o aumento do numero de ligandos leva a um aumento do potencial de redox e daestabilizao de Fe2+. Quando h mudana de spin alto para spin baixo, h preferncia porFe 2+. No entanto, todos os factores relacionados com a carga so mais importantes emtermos de potenciais redox. Ligandos dadores estabilizam o Fe3+.


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4. Protenas com centro de ferro-enxofre

Funes Transferncia electrnica Estabilizao estrutural Sensores de Fe Catlise (redox e cido-base)

Exemplos Rubredoxina [Fe(cys)4]: s coordenada pelos S- cisteinil, e o seu potencial relativamente alto.

Ferredoxinas de plantas [Fe2S2(cys)4]: operam entre Fe2 3+/Fe2 2+. Assim, o potencialredox deste par baixo.

Protenas de Rieske [Fe2S2(cys)2(his)2]: dois S- cisteinil foram substitudos por dois Nneutros de His. Estabilizao do Fe aumentando o potencial.

Ferredoxina bacteriana [Fe4S4(cys)4]: apresenta spin de , o que sugere que haja umacoplamento antiferromagntico entre os dois ferros. a orbital molecular ligantes formadaacomoda um par de eletroes antiparalela no estado Fe2+ 2. Quando um electro extra adicionado ao sistema, ele acomodado na orbital antiligante correspondente. Istodesestabiliza o estado resduzido, o que manifestado como um potencial redox baixo.Uma exepco a protena HiPIP: ncleo de Fe4S4 mas um potencial muito elevado. HiPIPso mais hidrofbicos o que estabiliza o estado de menor oxidao, aumentando opotencial.

Nestes aglomerado os S das pontes so S2- (enxofre inorgnico) que , com o S- cisteinil,estabiliza o estado de maior oxidao do ferro, Fe(III). Tipicamente apresentam uma ampla gama de potenciais baixos.


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So distinguidas pelo tipo de agregados, no geral, os tomos de Fe esto rodeados por 4tomos de S num arranjo tetradrico distorcido. N de coordenao baixo _ advm daimposio esteroqumica a que os tomos de S grandes obrigam. tomos de Fe nos centros de Fe/S so de spin alto

5. Portenas de Cobre

Caractersticas do cobre:{ Complexos de Cu(II) com constantes de estabilidade muito elevadas (srie de

Irving Williams){ Cu(I) tambm forma complexos estveis, mas EECL=0{ E Cu(II)/Cu(I): -0,2 V a -0,8 V { A maioria das protenas de cobre so extracelulares ou ligadas membrana{ Funo mais comum transferncia de carga e catlise redox{ O cobre pode substituri o ferro nos sistemas biolgicos, mas a diferena que o

cobre est em protenas extracelulares e o ferro nas membranas eintracelular(biodisponibilidade)

{ Macio, ligado a cistenas e histidinas{ No existe grupo heme.

Oxidases Citocromo oxidase Enzimas do ciclo do azoto Protenas azuis de cobre Superxido dismutase Tirosinase Ceruloplasmina

Usadas em transferncia electrnica e activao de O2.

De um ponto de vista estrutural e espectroscpico, consideram-se trs tipos de protenascom centros activos de Cu

v Tipo 1 (T1): tem centros azuis de Cu, com o Cu coordenado a dois N e dois S. Tem mximo de absoro a 600 nm com uma absorptividade 100 x superior do Cu livre

(LMCT de cys para Cu(II), paramagnticas.(azurina e plastocianina).Locais de transfernciaelectrnica em protenas transportadoras de electres. Geometria tetradrica/bipiramidalmuito distorcida.

v Tipo 2, (T2): potenciais mais positivos, bandas de absoro menos intensas com Cucoordenado a 2 ou 3 N e O, sem caractersticas diferentes do Cu(II).

Envolvidas em oxidaes catalticas de substractos (Cu,Znsuperoxidodismutase,dioxigenases, monoxigenase). Geometria quadrangular plana (muito tpica para o cobre),envolvidos em reaces redox.


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v Tipo 3, (T3): tem dmeros de Cu. Absoro ~ 330 LMCT (O2 para Cu(II) econtm 2Cu(II) com acoplamentoantiferromagnetico; i.e.diamagntica. existem emmuitas protenas de transporte de O2 ex: catecol oxidase, hemocianinas e tirosinase.

Cobre vs Ferro Cu no existe em centros tetrapirrolicos tomo de N da histidina forma ligaes fortes e cineticamente inertes com Cu(II)e Cu(I)

Cu(I)/Cu(II) tem potenciais maiores do que Fe(II)/Fe(III) _ proteinas de cobrepodem catalizar a oxidao de Fe(II)

O Cu(II) mais soluvel que Cu(I) ao contrrio do Fe(III) que menos solvel queFe(II) _maior mobilidade do Cu(II)

Cu encontra-se muito no espao extracelular dada a sua biodisponibilidade eaparecimento tardio na evoluo dos sistemas biolgicos

Versatilidade em geometrias coordenao irregulares

6. Fatores cinticosExistem dois tipos de transferncia electrnica mecanismo de esfera interna e mecanismode esfera externa.O mecanismo de esfera interna mais rpido, mas em sistemas biolgicos no possvelocorrer, pelo que ocorre o de esfera externa, que mais lento. Para o acelerar existem doismecanismos:

[ Estado enttico : a prpria estrutura de aas fora no centro metlico um estruturadistorcida intermdia para os dois estados de oxidao, o que aumenta a velocidade.Ou seja, a estrutura adaptada intermdia aquela preferida por qualquer um dosestados de oxidao o que estabiliza os dois estados e facilita a transferncia. Aestrutura estvel do Cu(I) tipicamente tetradrica enquanto para Cu(ll) quadrangular plana. Assim, se o centro de Cu(I) tetradrico, o Cu(II) resultate noser muito estve sem alterao de estrutura. Deste modo, o centro de Cu(I)tetradrico sera resultante transferncia de um electro, abrandando o processo. Asoluo ser ter uma estrutura do centro compatvel com os dois estados deoxidao, uma estrutura intermdia entre tetraedro e quadrangular plana.

[ Efeito tnel : movimento de electres por um meio entre a origem e o destino

rapidamente.


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Enzimas e protenas de Ferro

1. Citocromo C

o Protenas solveis pequenas (ca. 12 kDa)o No espao intermembranar de mitocndriaso Transfere electres entre duas protenas membranares (respirao)o Hemo ligado covalentemente atravs dos grupos vinilo (ligaes tioter com Cys)o tomo de ferro hexacoordenado sendo equatorialmente pela porfirina e axialmente

por uma cistena e histidina.o O ferro est sempre em spin baixo e nos dois estados de oxidao possveiso Interior hidrofbico mas acessvel ao solvente e os comprimentos M-L so muito

semelhantes nos dois estados de oxidaoo

Variedade de citocromos que difere na zona em que ocorrem as bandas alfa e beta,sendo classificadas pela alfa (transies no centro porfirinico):a: 580-590 nmb: 550-560 nmc: 548-552 nm

2. Protenas de Ferro-enxofre

I Rubredoxinas [1Fe-0S*]; bactrias Protenas mais simples _ um tomo de Fe ligado a 4 resduos cistenas, num

arranjo tetradrico distorcido. -A transio entre o estado quase incolor de Fe(II) e o estado vermelho de Fe(III)

ocorre sem uma modificao significativa no comprimento da ligao Fe-S. (2.24 AFe(III);+0.05 A Fe(II).

A cor (que d o nome a estas protenas) advm de uma banda de transferncia decarga ligando-metal intensa das orbitais s e p dos ligandos tiolatos para o centrooxidado de Fe(III). FeIII(-S-R) -> [FeII(S-R)]* Funo importante estabilizar a forma trivalente em vez de uma outra reao

redox que d origem a Fe(II) e dissulfito.I Centros [2Fe-2S]; protenas de Rieske

Isolada da mitocndrias de bovino e do complexo fotossinttico b6f com propriedadesespectroscpicas nicas e com elevados potenciais de reduo. Potenciais +350 a -150 mV e dependem do pH ->papel em processos redox com acoplamento de proto.Modelos de ligandos assimtricos revelando porMossbauer os estados de oxidao para os Fe.

I Ferrodoxina Fe4S4 monoagregadoSo protenas pequenas em que o Fe est sempre coordenado por S. Temos 4 Fe e 4 S numarranjo com simetria D2, cbica distorcida.


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Mltiplos agregadosMossbauer mostra a existncia de dois pares de dmeros no estado diamagntico [4Fe-4S]2+ e 4 anies cistenicos. Ambos os pares apresentam um desvio isomrico equivalentea um estado de oxidao de +2.5, mas diferentes desdobramento quadropolar.

3. Peroxidases

-Peroxidase de rabano;-Catalase;-Citocromo oxidase c.Utilizam hidroperxido ou perxido como oxidante Substrato: p-cresol, anilina, cidoascrbico, NADH, di-hidroxifumaratoROOH + AH2 --> ROH + A + H2O

Peroxidases usam a forma perxido duplamente reduzida do O2 para oxidar substratos dotipo AH2 a caties radicalares e seus produtos. H vrios substratos para as peroxidases(compostos difceis de oxidar) como cidos gordos, aminas, fenis.Peroxidases que usam H2O2 como aceitador electres catalizam um grande n de reacesde oxidao. A enzima reage com um equivalente de H2O2 para dar I, catio radical porfirnicocontendo FeIV. Reao de ox/red 2 electres onde H2O2 reduzida a H2O e a enzimaoxidada. Um oxidante equivalente reside no ferro, dando o intermedirio (FeIV=O).Composto I oxida um substrato orgnico para dar um radical ( AH). Composto I sofreuma segunda oxidao de 1 eletro dando II, que contem o centro de ferro ligado a umaporfirina normal (dianionica). Finalmente este II, reduzido ao estado ferrico normal. Acarga global no estado de repouso e em I +1, enquanto o II neutro.

Protenas e enzimas de Cobre

1. Protenas Azuis do cobre

Agente transportadores de eltres caracterizados por cor azul, causada pela transferncia decarga M-L (S da cistena para o metal). Tem centro metlico de cobre tipo I:

Geometria distorcida (estado enttico) entre d10 Cu(I), com a coordenao preferencialtetradrica ou trigonal atravs dos ligandos de S, e d9 Cu(II) com a coordenaopreferencial quadrada plana ou de pirmide quadrada e atravs de ligandos de N.Este arranjo, de elevada energia, dos centros metlicos assemelha-se geometria do estadode transio entre as configuraes tetradrica e de pirmide quadrada dos dois estados deoxidao envolvidos e permite velocidades elevadas de transferncia electrnica. A gama depotenciais para T1 vai de 180 mV a 680.


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As 3 proteinas que fazem parte dessa categoria so: Plastocianina

Fotossntese. E=370 mV. Como ligando axial tem o enxofre de uma metionina.Como o grupo tioester macio, ter maior afinidade para o estado de menoroxidao. Portanto, o potencial ser elevado.

AzurinaDesnitrificao. Tem dois ligandos axiais, pelo que a geometria bipiramidaltrigonal. Esses ligandos axiais so o enxofre de uma metionina e o oxigniocarbonilo da cadeia principal de uma glicina. Como este centro apresenta doisgrupos que estabilizam os dois estados de oxidao o potencial ser intermdio.

EstelacianinaComo o ligando axial apresenta o oxignio (duro) carregado de uma glutamina,

estabilizar o estado de maior oxidao. Ter o potencial mais baixo.

2. Superxido dismutase(SOD)

3 tipos:

- enzima de ferro ou mangans: presente nas mitocndrias de eucariotas e nosprocariotas

-enzima de Cu/Zn : citoplasma de eucariotas

-enzima de Ni

A reaao espontnea ocorrendo a uma velocidade elevada. No entanto, o uso deenzimas permite realizar a reaao a velocidades maiores e valores de pH elevado: aph>7 a reaao catalisada ocorre a velocidade muito baixa.enzimas permitem que ocorraa ph>7. A ph inferior a 7 as enzimas esto desnaturadas e no conseguem reagir.

No centro ativo da Cu/Zn uma His a fazer ponte entre o tomo de Cu e o de Zn. Noentanto, o Zn no participa na reaco, apenas estabiliza o centro cataltico. O par

redox Cu2+/Cu1+ e o centro ativo apresenta estrutura diferente em cada estado.Reduzido- a histidina da ponte est protonada e o cobre no est coordenado por ela,estando tricoordenado.

Oxidado- a histidina est protonada, havendo coordenao ao Cu2+. Uma molcula degua tambm est coordenada o que permite a reaco enzimtica.

Cclo cataltico:

O anio superxido entra na protena atravs de um canal de 13 de profundidade e 4

de largura atravs de interaces electrostticas com resduos carregados positivamente. O


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papel do zinco provavelmente conferir estabilidade protena que bastante estvel aocalor e activa de pH 4,5 a pH 10. A etapa de oxidao (i) consiste de uma transferncia electrnica entre o superxidocoordenado e o centro de cobre(II). Ocorre concomitantemente quebra da ligao cobre imidazolato auxiliada por protonao do imidazolato pelo solvente, com libertao dedioxignio. A etapa de reduo consiste de uma transferncia electrnica entre o anio superxido e ocentro de cobre(I), embora tenha sido proposto recentemente que esta transfernciaelectrnica ocorre para um anio superxido no coordenado ao metal

Ativao e transporte de dioxigenio

Qumica do Oxignio

Espcies reactivas de oxignio(ROS)

Superxido : as enzimas protectoras so as SOD e SOR; Perxido de hidrognio: as enzimas protectoras so peroxidases ou catalases; Radical hidroxilo: agentes protectores so molculas oxidantes.

Importncia do O2 vem da sua qumica: agente oxidante muito forte e muitoelectronegativo. Muitas substncia reagem com O2 embora no geral seja necessria umaactivao.

1. Estruturas electrnicas

O tomo de oxignio encontra-se no estado de tripleto, isto , um birradical. Combina-serapidamente com radicais para formar O- ou OR.

No entanto, a reaao com molculas no estado de singuleto no permitida por spin. Oestado excitado de energia mais baixa do tomo de oxignio um estado de singuleto em

que uma das orbitais p est livre. Esta orbital pode aceitar um par de electres. O oxigniopode ento, atuar com um cido de Lewis ou electrfilo.

No dioxigenio vamos ter dois electres desemparelhados nas orbitais*, portanto amultiplicidade de spin 3. Assim, como as molculas orgnicas tem multiplicidade de spin1, a reaco com o 3O2 muito lenta. No entanto, radiao electromagntica intensa leva o3 O2 a 1O2 porque um electro altera o seu spin ou os dois electres emparelham-se.

Cintica de reaoes com oxignio ou dioxignio

- Reaao direta: lenta. A maioria dos reagentes esto num estado de spin singuleto.

- Converses de spin tripleto-singuleto: proibidas pelo que so muito lentas


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- Coliso entre duas molculas: muito mais rpida do que uma transio entre dois estadosde spin. No podem ocorrer simultaneamente e devem ser consideradas duas etapaselementares diferentes.

2. Reaoes permitidas com radicais livres

O estado fundamental do O e do O2 o tripleto. As suas reaoes com compostossinguleto so proibidas. Contudo, qualquer substancia que seja capaz de gerar radicais livrespode induzir uma reo mais rpida.

3.Reaoes permitidas com metais de transio

O estado fundamental do O2 pode reagir com os metais de transio de vrios modos.Hibridao sp2 para o oxignio. Logo, ficamos com orbitais do tipo e . Temos e *antiligantes.

Elucidao esturural dos centros de coordenao de O2:

-Magnestismo

-UV/Vis

-IR/Raman

-Moosbauer

Ligao Mononuclear

M-O-O

No conhecido, para ocorre teria de haver transferncia de um electro de uma orbitalatmica do metal para a orbital* meio varia do O2 (M+-O2-). Assim, os tomos deoxignio no O2- apresentam um par de electres numa orbital sp2, o que resulta numngulo superior a 120 (j possvel poque os tomos de O ficam em sp2)

Ligao Dinuclear (em ponte)

M-O-O-M

S ocorre se houver transferncia electrnica para que o oxignio mude de hibridao.

Transporte de O2

1.Hemoglobina e Mioglobina


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So protenas hmicas que ligam o O2. A mioglobina monomrica e apresenta uma curvade ligao ao O2 hiperblica. A hemoglobina tetramerica com um grupo heme em cadasubunidade, e apresenta uma curva sigmoidal; como os grupos heme se encontramafastados a cooperatividade feita pela protena.

Hemoglobina transporta O2 sem mudana do estado de oxidao.O grupo heme est fortemente ligado a protena numa bolsa hidrofbica. Para alm disso,existem duas histidinas que interagem com o grupo heme:

Histidina proximal- est prpxima do grupo heme e do ferro, coordenando o tomode ferro axialmente

Histima distal- prxima do grupo heme mas longe do ferro, no coordenado.

Conforme o grupo heme est ou no oxigenado fica com duas conformaes distintas.

Na ausncia de O2: o tomo de ferro est pentacoordenado e na forma reduzida Fe2+.Spin alto.

Na presena de O2: o oxignio oxida o fe2+ a fe3+ que j se pode encaixar no centro daporfirina. Assim, fica sujeito a um campo mais forte, que o faz ficam em spin baixo. Aqui, ahistidina distal estabiliza a estrutura por pontes de hidrognio. Isto leva a uma alterao daconformao da protena pois a histidina proximal puxada.

Na hemoglobina reflecte-se na cooperatividade. A hemoglbona apresenta duasconformaes diferentes:

- estado T: desoxigenada

- estado R: oxigenada

H competio com o CO;

-na hemoglobina e mioglobina oxigenadas o H do grupo imidazole da histidina distal formauma ponte de H como dioxigenio coordenado ao ferro o que impe uma ligao angular damolcula de O2.

-no CO a actividade da histidina resulta numa geometria de ligao menos favorvel pois oCO prefere coordano linear.

Natureza da ligao O2

Sabes-se que o aduto Fe-O2 diamagntico,=0, apresenta frequncia de estiramento O-O. O valor de frequncia tipo do io superxido, implica uma transferncia de electresdo Fe 2+ para dioxigenio (oxida passando a Fe3+). O fe3 um d5 e como tem menosdensidade electrnica j consegue ficar no centro da porfirina, esta sujeito a um campoforte. Implica que seja de spin baixo, o que justifica o diamagnetismo.


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do substrato, este substitui a molcula de gua e, pela entrada de um electro, o ferro reduzido a Fe2+ de spin alto.

O oxigen bound insertion mechanism:

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Entrada de substrato, sada de H2O ficando o Fe3+ de spin alto- O ferro reduzido e fica Fe2+ de spin alto:- A entrada de O2 leva a Fe3+ de spin baixo e a posterior entrada de um electro

leva a deslocalizao electrnica na porfirina- Depois da protonao do O2 e da sada de H2O, o tomo de O que fica

coordenado liga-se duplamente ao ferro.

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