1
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
2
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)
3
Procesos de captación
Unicelular:
Pasaje por membrana
Célula humana:
TGIMucosaPrimer pasajeHígadoTorrente sanguíneoÓrganoMembrana celular
Procesos de captación
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
Mecanismos de transporte
1
2lnRCCTG =Δ
C2
C1
Transporte pasivoC2 < C1
Especies neutras
Transporte activoC1 < C2
acopladoGCCTG Δ+=Δ
1
2lnR
Mecanismos de transporte
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
Mecanismos de transporte
5
Mecanismos de transporteTransporte pasivo facilitado por proteínas
Mecanismos de transporteTransporte pasivo facilitado por proteínas
Mecanismos de transporte
Transporte activo
6
Mecanismos de transporte
Transporte activo
3Na+i + 2K+
e + ATP4- + H2O 3Na+e +2K+
i + ADP3- + HPO42- + H+
Mg2+
Mecanismos de transporte
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
7
Procesos de selección de iones
Afinidad de iones metálicos por tejido celular
1.79hojacaña azúcarMn2+
1.95hojacaña azúcarZn2+
1.87hojacaña azúcarCu2+
1.00enterasalgasK+
1.42hojamaízK+
1.68raízcebadaK+
log KtejidoespecieIon
Procesos de selección de iones
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
8
Captación selectiva
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]
Captación selectiva
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]+ ...
Captación selectiva
extracelular intracelular
M
pH variablePotencial alto
pH fijo 7.5Potencial bajo
+L1
ML1
M
+L2
ML2
9
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
Mecanismos de captación selectiva
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
Mecanismos de captación selectiva
10
Mn+(ac) + Xn-(ac) → MX(ac) +x H2O
⎩⎨⎧
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
−⎭⎬⎫
+∝Δ−+−+
MX
nn
X
n
M
n
dzzb
rz
rzcG
Selección por tamaño
Li+>Na+>K+>Rb+>Cs+
Be2+>Mg2+>Ca2+>Sr2+>Ba2+ Aniones pequeños
Aniones grandes
Mecanismos de captación selectiva
Selección por tamaño
Mecanismos de captación selectiva
Selección por tamaño
Mecanismos de captación selectiva
11
Selección por tamaño
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
Mecanismos de captación selectiva
Selección por ligando dador
N/S = CysN/N = enN/O = GlyO/O = ox
Mecanismos de captación selectiva
Selección por geometría
Octaédrica>otrasFe3+, Co3+, Cr3+
Octaédrica>otrasMn2+
Tetraédrica>octaédrica>pentacoordZn2+
Octaédrica>tetraédrica>otrasCo2+
Octaédrica>otrasNi2+
Tetragonal>pentacoord>tetraédricaCu2+, Mn3+
GeometríaIon
Mecanismos de captación selectiva
12
Selección por geometría
Mn2+, Fe2+
Cu2+
Zn2+
N / N,O
Cu2+
N-
Mo(V)
Cu2+
Zn2+, Fe3+, Cu+
RS-
Fe3+octaédricaMn3+tetragonalFe3+tetraédricaRO-geometría
Mecanismos de captación selectiva
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
Mecanismos de captación selectiva
Selección por unión a clusters
Especies derivadas de procesos de hidrólisis:Fe2O4+, Cu2(OH)2
2+, Mn2O4+
Producto de reacciones intracelulares:
Fe4S44+
ferredoxina
Mecanismos de captación selectiva
13
Selección por hidrólisis
H
HMz+ O Mz+ OH + H+ Mz+ O + 2H+
+L
MLMoO4+ MoO2
2+ MoO3(s) MoO42-
Mecanismos de captación selectiva
Selección por control de EO
Cu(II)via Cu(I)
Fe(III)selección por carga
reducción
Mecanismos de captación selectiva
MoO42- MoO2(OH)4
2-
+ 2RSH
[MoO2(OH)2(RS)]2-
Incorporación como aniones
VO2+ [VV(L)]-
Mecanismos de captación selectiva
14
Selección por transferencia a proteínasFe3+/Fe2+ = 105
Mecanismos de captación selectiva
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
Termodinámica vs. Cinética
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
15
Termodinámica vs. Cinética
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
16
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