Complexos de Metais de Transição em Sistemas Biológicos Teorias e Aplicações

(1)

R u y a n n e A n d r e z a C a mi l o

P r o f º D r. A n t ô n i o R e i n a l d o C e s t a r i

Complexos de Metais de Transição em Sistemas

Biológicos – Teorias e Aplicações

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE

PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA

(2)

Introdução



Inorgânica – “estuda elementos que não fazem parte da composição

dos organismos vivos”.



Síntese de Wöhler (1828): Cianato de amônio → uréia.

(3)

Química Inorgânica em Sistemas Biológicos (BIOINORGÂNICA)

Fonte: FERNANDES, R, F Química de Coordenação, fundamentos e atualidades, 2002.



Compostos inorgânicos que desempenham papéis importantes na manutenção

da vida.

(4)

Abundância Relativa dos Elementos Químicos

(5)

Composição Química Elementar Média do Corpo Humano (70Kg).

Você

Sabia?

(6)

Função Biológica



Estruturais:

O Cálcio é principal constituinte da estrutura óssea do corpo humano.



Transportadores de Elétrons e Oxigênio:

Ferro e Cobalto são os principais centro-ativos de várias metaloenzimas e também

de proteínas transportadoras.



Catalisadores da reações de oxirredução e ácido-base:

Mg, Co e Zn são constituintes do sítio ativo de enzimas que catalisam reações como

(7)

Importância dos Elementos em sistemas biológicos

Ca Constituinte dos esqueleto dos animais, mensageiro de ação hormonal.

Mg Coordena-se a grupos fosfatos, participa das reações enzimáticas .

Fe Centro-ativos de várias metaloenzimas e também de proteínas transportadoras de oxigênio.

Zn Constituinte de sítio ativo de enzimas que catalisam diversas reações.

Cu Centro-ativos de várias metaloenzimas e também de proteínas transportadoras de oxigênio.

Mn Constituinte de sítio ativo de enzimas que catalisam diversas reações.

Mo Participa de reações como co-fator de enzimas.

Co Constituinte de sítio ativo de enzimas que catalisam diversas reações.

Cr Importante tanto no metabolismo dos açúcares, melhorando a ação da insulina, como das

gorduras.

K Principal constituinte dos fluidos biológicos e citoplasma, ativador de algumas enzimas.

I Utilizado na síntese dos hormônios tireoidianos.

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Alguns sintomas característicos da deficiência dos elementos

químicos em humanos

Ca Retarda o crescimento dos ossos

Mg Contração muscular

Fe Anemia, desordem do sistema imunológico

Zn Doença de pele, crescimento, retardamento da maturidade sexual

Cu Enfraquecimento das artérias, desordem do fígado e anemia secundária

Mn infertilidade, crescimento desigual dos ossos

Mo Retarda o crescimento celular, propicia a formação de cárie

Co Anemia

Ni Aumento da depressão, dermatite

Cr Sintomas de diabetes

Si Desordem no crescimento dos ossos

F Cárie

I Desordem da tireóide, retarda metabolismo

Se Enfraquecimento muscular, cardiomiopatia

(9)

Diagrama dose-resposta dos elementos essenciais

(10)

Mas, porque um Íon Metálico e não outro desempenha um

papel biológico espécifico?

Ochiai (1798) Abordou essa questão com base em quatro princípios básicos:

1. Regra da abundância: Se dois ou mais elementos são capazes de desempenhar a mesma função

o organismo seleciona o mais abundante. Ex: Uso do cálcio nos materiais de proteção ou

esqueleto. Carbonato e Fosfato de Sr também são insolúveis em água e poderiam desempenhar

esse papel.

2. Regra do Ajuste Básico: O elemento selecionado precisa ser capaz de ajustar-se as condições do

meio.

3. Regra da Eficiência: Depois de selecionado e ajustado ele precisa realizar sua função de forma

eficiente.

4. Aperfeiçoamento evolucionário da eficiência e especialidade

Ex: As reações acontecem em meio aquoso, em faixa de temperatura relativamente estreita, e os

ligantes possíveis são limitados.

Para que uma espécie possa efetuar reações de oxidorredução em meio aquoso ele não deve reduzir

nem oxidar a água

(11)

Aplicações de alguns princípios da química de coordenação à

química bioinorgânica



Conceitos de àcidos e bases duros e

macios:

• Ácidos duros/ Bases duras

• Ácidos macios/ Bases macias



A

estabilidade

de

complexos

metálicos segue a série de Irving-

Williams.

Ba(II)<Sr(II)<Ca(II)<Mg(II)<Mn(II) < Fe(II) <

Co(II) < Ni(II) < Cu(II) > Zn(II)

Fonte: SILVA, M. Ácidos e bases em sistemas inorgânicos. http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA0roAD/acidos-bases-sistemas-inorganicos?part=3, 2013.

(12)



O efeito quelato é determinado principalmente pelo

aumento de entropia associada a formação desses compostos.



Isso ocorre porque, na reação de formação, cada ligante

polidentado

substitui

pelo

menos

dois

ligantes

monodentados, aumentando o número de íons, de moléculas

ou de radicais livres, o que resulta no aumento da entropia,

favorecendo assim a formação dos quelatos.



É evidente que a entalpia e a entropia favorecem a

formação do complexo quelato, mas que a contribuição da

entropia é a mais importante.

Efeito Quelato

Estrutura da Porfina

Fe

(13)

Formação de Complexo em Solução

p[M] + q[L] [(M)p(L)q] K = [(M)p(L)q] / [M]p . [L]q

No entanto a concentração do ligante [L], em dado valor de pH, é dada pela reação:

p[H] + q[M] [(H)p(L)q] K = [(H)p(L)q] / [L]q . [H]p

Portanto o equilíbrio global pode ser representado pela equação:

p[H] + q[M] + r[L] [(H)p(M)q(L)r]

A concentração do íon metálico depende da sua reação de hidrólise

(14)

1. Para exercer sua função, em geral, o seu substrato deve se coordenar ao centro metálico. Em

muitos casos, o substrato substitui o ligante na esfera de coordenação do metal.

2. A rapidez das substituições é maior para íons de maior carga.

3. Cátions metálicos muito inertes como Cr(III), Ru(II) e Rh(II) de spin baixo, não são muito

usados em sistemas biológicos.

4. A velocidade de uma reação enzimática depende da energia de ativação, que pode ser vista

como a diferença de energia potencial entre o estado inicial e o estado de transição.

5. A energia de ativação depende principalmente da energia necessária para reorganizar a

estrutura ML de modo a permitir a ligação do substrato.

6. Quanto menor for a diferença estrutural entre o estado inicial e o estado de transição, menor

será a energia de ativação e maior a velocidade de reação.

Reação de Substituição de Ligante (Enzimática)

Fonte: FERNANDES, R, F Química de Coordenação, fundamentos e atualidades, 2002.

ML + S (MLS)*

(15)

Proteínas Azuis do Cobre



Complexos de Cu(II) com número de coordenação

quatro geralmente apresentam geometria quadrada.



O complexo de Cu(I) de configuração d

10

prefere a

geometria tetraédrica.



Para evitar gastos energéticos as proteínas azuis

possuem uma estrutura rígida que mantém o cobre em

uma estrutura tetraédrica distorcida.

(16)

N

H

(17)

A Hemoglobina

1. É uma metaloproteína presente nos

glóbulos vermelhos e que permite o

transporte de oxigênio pelo sistema

circulatório.

2. É envolvida no transporte de outros

gases,

como

o

dióxido

de

carbono (cerca de 10% do total).

3. Em algumas células tem como função

regular o metabolismo do ferro .

(18)

Incorporação de Ferro por bactérias



Baixa Solubilidade. Concentração disponível

pequena. Kps Fe(OH) ~ 10

-39.



Microorganismos desenvolveram os Sideróforos.



As bactérias liberam sideróforos no meio

ambiente, onde eles sequestram o ferro, originando

um complexo que é incorporado pelas células.

(19)

Transporte de Ferro em mamíferos

O ferro (III) é incorporado pelas células na forma complexada à transferrina.

Nas membranas celulares existem receptores para a transferrina.

(20)

Grupo Heme

Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/hemoglobina

Do grego, significa sangue.

Sinônimo do grupo ferro-porfirina.

 Hb é feita de 4 subunidades de cadeia

peptídicas.

Liga-se a 4 moléculas de O.

A estabilidade do complexo

HbFe(II)O

_2.

Orbitais preenchidos

d

_xy

d

_yz

do Fe(II) com os orbitais p

do O

₂

e da sobreposição do orbital

(21)

Cooperatividade

Hemoglobina (pH = 7,6)

Hemoglobina (pH = 6,8)

Pressão Parcial de O

₂

(kPa)

Grau

de

Satura

ção

(%)

Pressão Parcial

(Músculo)

Pressão Parcial

(Pulmão)

Arterial

Pulmonar

Passando de um estado de baixa

afinidade, para alta

(22)

Comparação entre as ligações de O

₂

e CO na Hemoglobina

Orbitais híbridos sp

2

_{do O,}

Angulares (120º)

CO é um subproduto gerado pelo metabolismo celular.

Orbitais híbridos sp do

C, Lineares (180º)

(23)



A palavra câncer vem do latim “cancer”, que significa caranguejo. Esse nome se deve à

semelhança entre as pernas do crustáceo e os vasos do tumor, que se infiltram nos tecidos sadios

do corpo.



O câncer, um conjunto de doenças causadas pela multiplicação descontrolada de células

anormais



O estudo de complexos metálicos para uso na quimioterapia teve grande impulso depois da

descoberta das propriedades antitumorais do cis-diaminodicloroplatina (II)],cis[Pt(NH

₃

)

₂

Cl

₂

],

comumente chamado “cisplatina”, e que é um dos compostos mais utilizados no tratamento do

câncer hoje em dia.

Químioterapia

(24)

Hidrólise da Cis-Platina

Antes de alcançar as

células, os complexos

passam por reações de

substituição, sendo a

mais

importante

a

reação de hidrólise.

(25)

Como age a Cis-Platina?

Fonte: http://qnint.sbq.org.br/qni/visualizarTema.php?idTema=31