departamento de química inorgánica hierro y … · efecto bohr fe(ii) hs (grande) fe(iii) ls...

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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)

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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

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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?

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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

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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

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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

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Plantea posibles mecanismos químicos de eliminación de Fe de la ferritina

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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

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Pros y contras….

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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)

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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?