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Departamento de Química Inorgánica
Hierro y Oxígeno: La vida es pura Bioinorgánica
Iron and Oxygen are “can’t live without it/can’t live with it” elements! (Elizabeth Theil)
Departamento de Química Inorgánica
eones (miles de millones de años)
tierra vida atmósfera O2organismos plucicelulares
4.5 3.5 2.5 0.5
CH4, NH3,Fe2+, S=
CH4, NH3,Fe2+, S= +O2
O2, N2, Fe3+, CO2
depósitos de Fe2O3
0
O2cte
21% O2
in the atmosphere
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► Fotosensibilizadores (clorofila, porfirinas…)► El problema en plantas
►El problema en humanos: protoporfiria eritroproyética►Uso terapéutico (PDT): O2 singlete como fármaco!
►Tumores hipoxicos resistentes► Limitaciones: penetrabilidad en la piel.Solución: Upconvertion Nanoparticles UCNP
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β-caroteno
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Transporte y almacenamiento de O2► Organismos unicelulares: difusión a través de la membrana► Hemoglobina/Mioblogina (Fe)► Otras metaloproteínas: Hemeritrina (Fe), Hemocianina (Cu)
N
N N
N
-OCCO2
-
Fe
Protoporfirina IX
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MioglobinaMb
HbHemoglobina
Mb= globina + propoforfirina IX
►Qué fastidio respirar! (6% Fe es Mb). ►Velocidad Mb-O2= 1/20 O2. [Mb]~30[O2]; 1Mb:1O2
►Difusión final similar al O2 libre
globina
Protoporfirina IX
Mr 18KDa
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Histidina próxima
H
OO
Histidina distal
Val PheH2N CH C
CH2
OH
O
NH2
CH
C
CH
OH
O CH3
CH3
H2N CH C
CH2
OH
O
N
NH
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His próxima
H
OO
His distall
Val Phe
Afinidad de CO-heme es 2500 afinidad O2-hemeEn Mb sólo 250En Mb-CO Fe-C-O no es lineal
δ-O(O2) > δ-O(CO)Evitar oxidación irreversiblea meta-Mb: embudo hidrofóbico.CN-: parálisis respiratoria.
O O OC
H2O, OH-, CN-
X
El papel no inocente de la globina
HemoglobinaHb ≈ 4 x Mb
α1
α2
β2
β1
PM=64.5 KDaPuentes salinos entre Subunidades
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►65% Fe es Hb.►1,5% de O2 en plasma
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Hb ≠ α1+α2+β1+β2
Efecto cooperativoAlosterismo: influencia pH, CO2, Cl-Alosterismo homotrópico (O2)Alosterismo heterotrópico (CO2)
pH
pO2
6
Hb
Mb
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“Trasvase” de O2 desde Hb a Mb↑pO2 lungs > T-state O2 affinity
T-state → R-state + H+
CO2(músculo) → H2CO3
glucosa(músculo) → ácido láctico
↓pH
O2-Hb → O2-MbEfecto Bohr
Fe(II) HS (grande) Fe(III) LS (pequeño)
Evolución natural y artificial
O2-Hb(madre) → O2-Hb(feto)
►2,3-BPG estabiliza T state►afinidad Hb(madre)-2,3-BPG>>Hb(feto)-2,3-BPG
LHTL (living high training low)►JJOO de México (1968)►Estimular la producción de Hb►EPO (dopping y terapia)►EPO pacientes con tratamiento de cis-Pt
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Fe !Tabla periódica de los bioelementos
Transporte de oxígeno Transporte de electrones Catálisis redox Catalisis no redox
Respiración Síntesis de ADN Fijación de N2Regulación de la expresión genética
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Ferredoxinastransporte electrónico
HemoHemoglobina y mioglobinatransporte y almacenamiento de O2
Citocromo P-450hidroxilación, epoxidaciónCatalasasDesproporcionación de H2O2
Ribonucleotido reductasareducción ribonucleotidosMetanomonoxigenasaoxidación de metanoHemeritrinatransporte de O2
OxigenasaProcesos de oxidación
Fe
Fe-S
no-hemo dinuclear
no-hemo mononuclear
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Por qué el hierro ?mayor abundancia relativa en corteza
terrestre y mar
1 bombona O2, H2, N2unos Kgs C y Caunos gs S, P, Fe y Mg“pizcas” de 20 elementos
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[Fe(H2O)6]3+ → [Fe(H2O)6]2+ E= 0.77 V: oxidante importanteO2 → H2O Eº= 1.229 V
[Ar] 3d64s2
Fe2655,847
Hierro
(0,65Å)+3Oh (0,78Å)+2
Oh
-1, 0, +I, +II, +lII, +IV, +V, +VI
Diagrama de Pourbaix
O2H2O
H2
H2OFe2+(aq)
Fe (s)
Fe3+(aq)
Fe(OH)3 (s)
FeO42- (aq)
Propiedades redox
Enzimas involucradas en procesos de transferencia electrónica y reacciones redox
Kps [Fe(OH)3] =10-38M
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FeII estabilizado
FeIII estabilizado
-0.12V
1.12V
La complejación de FeIII consigue:1. Solubilizarlo2. Modificar su potencial redox3. Modificar su afinidad por un sustrato
duros O>N>Cl>C>S blandos
Haber–Weiss–FentonGeneración del radical hidroxilo OH·
Fe2++O2 Fe3+ + O2-·
O2-· + 2H+ H2O2 + O2
Fe2+ + H2O2 OH· +OH- + Fe3+
Crucial para la vida evitar OH·!!!Nunca Fe libre !!
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mayor abundancia relativa en corteza terrestre y mar
cinéticamente lábil y termodinámicamente estable
dos estados de oxidación “accesibles”
disponibilidad limitada por su insolubilidad
“maquinaria química” capaz de captar, transportar y almacenarlo
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Cómo Los microorganismos capta el Fe de su forma mineral?
SIDEROFOROS!O
O
FeN
O
OR'
R
Fe
Sideróforo lgβ -lg[Fe3+] E° (mV) Ferrioxamina B 30,5 26,6 -468 Enterobactina 49,0 35,5 -750
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Fe
O
O
O
O
O
O
3-
Kf= 1049
I
II
III
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Kf= 1031
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Difusiónpasiva
Canalesespecíficos
Fe3+Sideróforo
[Fe(Sideroforo)]
ReceptorespecíficoX
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Conclusión: Dominio I no es necesario !
Fe
HN OO
O O O
NH
O
O
OHN
O
OHOH
OHOH
OHHO
I
II
III
RhR
R
HO
HO
O NH
HN
O
HN
O OH
R
R
OH
OH
OH
R
R
IIIII
MECAN
RhFeRh
Rh
Fe
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RhO
O
OO
OO
N
O
N ON
O
II
IIIRhRhO
O
OO
OO
3-
III
Rh
[Rh(cat)3]
Rh
Fe
Rh
Fe
Conclusión: Dominio II es necesario !
2. [Rh(cat)3] no inhibe interacción enterobactina-membrana
Departamento de Química Inorgánica
R
R
HO
HO
O NH
HN
O
HN
O OH
R
R
OH
OH
OH
R
R
IIIII
Fe Fe
Rh
R
R
HO
HO
O NH
HN
O
HN
O OH
R
R
OH
OH
OH
R
R
IIIII
Rh
3. MECAM sin complejar no inhibe. [Rh(R-MECAM)] (R voluminoso) no inhibe
Conclusión: Dominio III con ion metálico es necesario
I
II
III
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1. Dominio II y II son necesarios2. Fe(III) es necesario: Si traes comida entras, si no, NO!
Diseño de nuevos fármacos
nuevas familias de antibióticos
Arifamycin CGP 4832, 200 veces más activo
Rifamycin
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1 El complejo Fe-Sideroforo se ancla en la proteina FhuA
2 La proteína TonB interacciona con FhuA para que esta deje pasar el complejo Fe-Sideroforo
3 La proteína FhuD transborda al Fe-sideroforo, a través del periplasma hasta la Permeasa
FhuD
[FeSiderophore]
Membrana externa
Membrana citoplasmática
Periplasma
Citoplasma
FhuD
TonB
Fe-Desferrioxamine
FhuA
Permeasa
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Por qué mecanismo el hierro es liberado del complejo formado con el sideróforo ?
Dos mecanismos propuestos:Hidrólisis del ligando biológico: estereasa.Redución Fe(III)→Fe(II).
Desferroxiamina E = 0.45
Enterobactina E = 0,75 V
Complejo 1:1 Complejo 1:3E = 0,35 V
Estereasa
Complejo 1:3
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Impide Reacción de FentonFe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH- + OH·
TRANSFERRINA
Apotransferrina
Transferrina
lóbulo N
lóbulo C
I
III
II
Transferrina 80KD
LactoferrinaSerumtransferrinaSangre 2.5 mg/ml Calostro 7 mg/ml
Leche 1mg/mlS. Inmunológico
His-253
Asp-60
Tyr-192
Tyr-92
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Clatrina
Espacio Extracelular pH 7,4
Membrana Celular
DMT1
Endosoma
Fe
O
O
O
O
O
O
N NH
O + H+ HCO3- + H2Apo + Fe3+
Mecanismo de liberación de Fe(III) de la transferrina
Fe2+
H+H+
Uso pertinente:síntesis de hemo- y no-hemoproteínas
Almacenado para usos posteriores
25 mg/dia
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evitar efectos dañinos: Formación de radicalesDesarrollo de microorganismos patógenos
Uso pertinente: síntesis de hemo- y no-hemoproteínas
Almacenado para usos posteriores Ferririna
Fe
Impedir el Fe (libre)La célula regula la absorción y almacenamiento de hierro en función de sus necesidades
Niveles de Fe AltosNiveles de Fe bajosse bloquea la síntesis de ferritina y se incrementa la de TfR
se incrementa la síntesis de ferritina y se disminuye la de TfR.
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IRP (iron regulatory protein)
TfR m-ARN
IRP
IRP
Ferritina m-ARN
Síntesis de Ferritina Síntesis de TfR
IRP IRPIRP
IRP IRP
IRP
Apo-IRP holo-IRP
¿ Como la células mantiene los niveles de Fe ?
Niveles de Fe BajosIRP
Niveles de Fe AltosIRP
IRP active site
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¿Qué requisitos crees que debería tener una molécula para almacenar Fe en los organismos vivos?
Departamento de Química Inorgánica
Requisitos del almacén ideal (los de cualquier almacén)Gran capacidad Fácil accesibilidad del Fe cuando sea necesarioInaccesibilidad a moléculas orgánicas inapropiadas
Ferritina
Apoferritina 440KD24 cadenas peptídicasH =178 aa, L = 171 aa
Mineral de FeIII hidratado up to 4500 Fe (0.25M)13% Fe cuerpo humano
Apoferritin Ferritin
+
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8nm
12nm
C3
∅ 2 Å
∅ 3,5 Å
L 12,5 Å
C3L 6 Å
hidrófobos
hidrófilos
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Proceso de biomineralización
matriz orgánica
grupos funcionales
Fe3+ + H2O pH=7,4Apoferritina
Ferrihidrita
Epidocrocita/Goethita FeO(OH)
eligiendo sitiovelocidad de formaciónestructura grado de cristalinidad
Fe2+ + apoferritinaλ= 420 nm
No complejo con bipy
Fe3+ + apoferritina↓
Hidróxido Férrico
FeIII10O14(OH)2
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Heavy Chain H Light Chain L
Oxidación Mineralización
Departamento de Química Inorgánica
Se requiere Fe(II) y no Fe(III)
2Fe2+ + O2 [FeIII-O-O-FeIII] [FeIII-O-FeIII] + H2O2
[FeIII-O-FeIII] + xH2O Fe2O3·(H2O)x + 4H+
1 Fe2+ entra por los canales C3
Cadenas peptídicas H
2 Fe2+ se oxida en los centros Ferrosidasa
Centro Ferroxidasa
Oxidación+
Hidrólisis
Departamento de Química Inorgánica
Cadenas peptídicas L
Fe2+ + O2 → óxido FeIII (?)
3 FeO(OH) migra a los centros de nucleación Residuos Glutamato
4 Crecimiento del núcleo
5 El núcleo actúa como catalizador Heterogéneo
Departamento de Química Inorgánica
Plantea posibles mecanismos químicos de eliminación de Fe de la ferritina
Departamento de Química Inorgánica
Liberación Fe ferritínico
¿ De qué forma la célula vuelve a disponer del hierro ferritínico ?
En vivo no se conoce con exactitud !
4 opciones:
pH 3-9 ó T<85ºC9,5 > pH < 3,5
1. Hidrólisis de la proteína y liberación de Fe
Departamento de Química Inorgánica
Pros y contras….
Departamento de Química Inorgánica
L L
2. Participación directa de un agente quelatante
LL
L L L
No!
lento!
sólo moléculas pequeñas?
N
N
O
N
NH
OHO
O
NHO
O
O
+H3N
OH
L
Departamento de Química Inorgánica
FeN
O
O
N
OO
N
OO
Me
MeMe
R
R
R FeN
O
OO
O
N
OO
Me
Me
R
R FeO
OO
O
N
OO
MeR
1:1. Elipsoide, 7 Å3:1. Disco, 18 Å 1:1. Elipsoide, 10 Å
N
OHO
Me
R3-hydroxypyridinone
Hechos experimentales:Se detecta el complejo 1:1Se detecta el complejo 3:1IgG inhibe estas observaciones
Conclusión:Hydroxypyridinone accede a la cavidad a través de los canales hidrofóbicos ?!
Robert Hider
Departamento de Química Inorgánica
0
25
50
75
100
%iro
n re
mov
ed fr
om fe
rritin
in 1
h
pH 7.4
In abscence of urea
In presence of urea
acetohydroxamic benzohydroxamic
100mM 10mM 100mM 10mM
O
NH
OH O
NH
OH
aceto- y benzohidroxámico4Å
7Å
Conclusión:Aceto- y benzohidroxámico acceden al Fe ferritínicoEn disolución se detecta el complejo 3:1La estructura de la ferritina es flexible (urea)
Inorg. Chem. 2005, 44, 2076Dalton Trans. 2005, 811
E. Theil
Departamento de Química Inorgánica
3. Reducción gradual de Fe(III)→Fe(II) y difusión
rdrd L
rd
innersphere
outersphere
e-
L
in vivo NO SE SABE el reductor !
Dennis Chasteen
Departamento de Química Inorgánica
Hemosiderina: la gran olvidada?¿Forma útil o de descomposición?
No Ferritina→HemosiderinaDiferente secuencia de aa12% de Fe Hs↑ Iron overload
Fe insolubleFe menos accesible
↑Iron overloadCapa más delgada,
irregular e incompleta
Útil: segundo almacén de Fe Formas degradadas de Fe
Departamento de Química Inorgánica
Ferritina-NeuroquímicaFenton reaction
Fe2++O2 Fe3+ + O2-·
O2-· + 2H+ H2O2 + O2
Fe2+ + H2O2 OH· +OH- + Fe3+
OH
OH
NH2+ OH.
OH
OH
NH2
HO
dopamina 6-hydroxydopamina
OH
OH
NH2
HO+ [(6-OHdopamine)3FeIII]→6-OHquinona + FeII
Departamento de Química Inorgánica
Ferritina-Alzheimer
Fe es el ión metálico más abundante↑ Hasta los 40 años.Ferritina composición: Fh(80) Ht(10) Mg(10)
↑ ↑ FeFerritina composición: Fh(15) Ht(0) Mg(80)Se observa tendencia en humano adulto (48 años!)Aparición de hemosiderina
Cerebro standard
Cerebro alzheimer
En Alzheimer ↑ ↑ Fe fases con FeII
Facilita salida de FeII y reacción de FentonDesorden en ferritina origen del AlzheimerUna posible vía para diagnosticar la enfermedad
Conclusión
Hierro-CáncerDepartamento de Química Inorgánica
Departamento de Química Inorgánica La ruta del Fe
Departamento de Química Inorgánica Fármacos AnemiaNivel bajo de hemoglobina en sangre (no glóbulos rojos).Múltiples causas: deficiencia de hierro (anemia ferropénica)
mala alimentación, mujeres embarazadas, menstruación.Cansancio (falta de O2 en los músculos).
Fármacos: Fumarato ferroso, Gluconato ferroso, Succinato ferroso, Sulfato ferroso, etc.
Feraheme: la nanoalternativaEPO (recombinante)
Departamento de Química Inorgánica Fármacos
N
OHO
Me
R
Enfermedades asociadas con una acumulación incontrolada de hierro Hemocromatosis Genética (Altas acumulaciones de Fe)Talasemia (Hemosiderosis-Altas acumulaciones en tejidos)Ataxia de Friedreich( Altas acumulaciones en mitocondrias)Parkinson (acumulación de Fe en la mielina)Alzheimer (Acumulación de Fe a nivel cerebral)
Departamento de Química Inorgánica
Desferal: quelatoterapia de Fe
to be continued...
Soluble en H2O. SIAbsorción oral. NOTiempo de metabolización adecuados. NOAlta afinidad por Fe(III) (NTIP y TfR). SI y NOFacilidad para excreción. SI$ NO
Requisitos del agente ideal-Desferal
Infusión intravenosa 8h/día (3días/semana), 40mg/Kg.500 mg/60 $750 pacientes/mesInterés de empresas por sustituirloSe ha probado clínicamente contra malaria(http://the-scientist.com/2012/04/13/), ataxia de Friedreich, Leucemia, SIDA.
Desferal al día de hoy
Departamento de Química Inorgánica
Los polifenoles (catecoles en especial) tienen una enorme afinidad por FeIII (enterobactina es un claro ejemplo).
¿Qué relación puede tener este hecho con los aspectos beneficiosos de los polifenoles naturales?