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Bioquímica

Bioinorgânica

Química Inorgânica

Resolução de problemas- Química- Física- Biologia Molecular

Impacto- Medicina- Farmacologia- Agricultura- Ciências do meio ambiente

Nos sistemas biológicos compostos orgânicos e inorgânicos

70 % água10 % matéria orgânica20 % biominerais (ossos…) em alguns organismos0.7% matéria inorgânica

Elements mais abundantes nos organismos vivos: C, H, O, N, S, P

compostos orgânicos (> 99% da Biosfera)

Elementos Inorgânicos : 0.7%Na, K, Mg, Ca, Fe: macronutrientes (> 1mM)Zn, Cu, Mo, Se, …: micronutrientes (< 1mM)

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Tabela periódica onde estão indicados os elementos essenciais, algunselementos tóxicos e elementos de interesse farmacológico.

Essenciais abundantes Essenciais vestigiais Possivelmente esenciais Tóxicos De interesse farmacológico

Lr

Lu

No

Yb

Md

Tm

Fm

Er

Es

Ho

Cf

Dy

Bk

Tb

Cm

Gd

Am

Eu

Pu

Sm

Np

PmNd

UPa

Pr

Th

Ce

ArAl

Ne

Kr

Xe

Rr

118

He

At

(117)

Te

Po

116

Sb

(115)

Ge

114

In

(113)112

Ag

111

Pd

110

Rh

Ir

Mt

Os

Hs

Re

BhSg

Nb

Ta

Db

Zr

Hf

Rf

TiSc

YSr

Ba

Ra

Rb

Cs

Fr

Li

I

Cl

F

Se

S

O

P

N

BiPb

Si

C

Tl

Ga

B

Hg

Zn

Au

Cu

Pt

NiCo

Ru

Fe

Tc

Mn

W

Mo

CrVCa

Mg

K

Na

H

La

Ac

11

22

33 44 55 66 77 88 99 1010 1111 1212

1313 1414 1515 1616 1717

1818

Cd Sn

As Br

Be

Elementos Essenciais

Macronutrientes

Micronutrientes

Elementos Tóxicos

Elementos usados em Medicina

Terapia

Diagnóstico

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Figura 1.2. Representação do efeito fisiológico em função da concentração para um:(a) elemento essencial; (b) elemento tóxico; (c) elemento não essencial-não tóxico.

Região detolerancia

Efe

ito

fisi

ológ

ico

Concentraçãopositivo

negativo

(c)(b)

Sobrevivencia

Deficiencia Gama óptima Toxicidade

Letalidade

Efe

ito

fisi

ológ

ico

(a)

Concentração

Critérios para a essencialidadedos elementos

Eliminando da dieta o elemento, aparece uma deficiencia fisiológica

Esta deficiencia desaparecequando se administra o elementoespecífico

Possibilidade de associar uma função bioquímica específica ao elemento que se consideraessencial

Efeito fisiológico vs [elemento]

Essencial

Tóxico

Classificação Funcional dos Elementos em Biologia

- Elementos essenciais: macro (Na, K, Mg, Ca) e micro (Mn, Fe, Co, Zn, Mo,…) nutrientes

- Elementos tóxicos : não têm função biológica (Pb, Cd, Hg, Al, As,…)

Bloco s

Bloco d

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-Elementos usados em terapia: têm uma acção farmacológica (Li, Pt, Bi, Au…)

- Elementos usados em diagnóstico: (Gd, 99mTc, 67Ga, 111In…)

-Elementos essenciais: Bloco s – iões metálicos mais abundantes em biologia.Conc na célula ~mMNa, K: transportadores de carga, gradientes osmóticosMg, Ca: estabilizadores estruturasCa: trigger processos biológicos

Bloco dZn: catalizador acido-base Lewis a pH 7Cu, Fe, Mo: catalizadores redox

Proteínas e Enzimas contendo centros metálicos

- 33% das enzimas contêm iões metálicos

- os iões metálicos promovem reacções...

formação e quebra de ligações

transferência de electrões e de outros grupos (oxo), etc

- Os iões metálicos promovem o enrolamento (‘folding’) de

proteínas

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Ferro e Enxofre em Biologia

EnxofreFerro

Cis

CisCis

Cis

Cis

CisCis

CisCis

CisCis

CisCis

CisCis

[2Fe-2S]

[3Fe-4S]

[4Fe-4S]

Hemo

“Complexos Inorgânicos” em Biologia

Nitrogenase (Mo,Fe) Ferritina (Homem)

Clorofila a

Citocromo c

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Os Metais de Transição e o seu papel na Biologia

- Replicação celular

- Produção de energia (síntese de ATP)

- Transporte e armazenamento de O2

- Síntese dos neuro transmissores

- Combate o efeito do envelhecimento ao nível da oxidação radicalar de proteínas e DNA

- Síntese de RNA

- Síntese de hormonas

- Fotossíntese

.... entre outros!

Adaptado de Lippard & Berg ‘Principles of Bioinorganic Chemistry’, 1994

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Elementos tóxicos Elementos de interesse farmacológico

Biomoléculas não proteicas:Sideróforos (Fe)Clorofila (Mg)

Elementos essenciais

Química Bioinorgânica

Metaloproteínas:•Transporte e armazenamento:

Proteínas azuis (Cu)Ferritina (Fe)Hemoglobina (Fe)

•Enzimas:Carboxipeptidases (Zn)Superóxidodismutase (Cu, Zn, Mn)Coenzima B12 (Co)

Cd, Hg, Pb, AsTerapia:Cancro (Pt, Ti)Artrite (Au)

Diagnóstico:MRI (Gd, Mn)Radiofármacos (99mTc)

Estrutura dos centros metálicos nos sistemas biológicos

Química de Coordenação

Função dos elementos metálicos in vivo

Relação estrutura-função in vivo

Química Inorgânica Síntese e estudo de compostos modelo simples que mimetizam as propriedades dos centros metálicos

Modo de ligação de iões metálicos a moléculas fundamentais àVida

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Estruturas de

aminoácidos

Apolares

Polares (neutros)

Acídicos

Básicos

Formação do peptídeo

Estrutura de um aminoácido

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ESTRUTURA DE PROTEÍNAS

Estrutura primária

Folha β

Estrutura mista

Estrutura secundária

Estrutura terciária

Hélice α

Estrutura Quaternária de uma Proteina

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Estrutura de Bases Purínicas e Pirimidínicas

Unidades de açúcar no DNA e RNA

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Nucleotídeo

- ao nível da estrutura do DNA

Ligações de HIões estabilizadores: Na+, Mg2+

Iões instabilizadores: Cd2+, Pb2+, Hg2+

Hidratos de Carbono

Iões “duros”

ex.: Mg2+, Ca2+

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Lípidos

Ácidos gordos Glicerídeos

Fosfolípidos

Iões “duros”

ex.: Mg2+, Ca2+

Função: Mensageiro intra e intercelular

Na+, Ca2+

Na+, Ca2+ “Triggers” intracelulares:

• Influxo rápido de Na+ activa neurónios

• Quando a [Ca2+] intracelular aumenta de 10-8 M para 10-6 M:

muitas proteinas ligam Ca2+ e activam processos intracelulares

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Roderick MacKinnon, M.D. (Tufts Medical School, 1982 - Professor of Molecular Neurobiology and Biophysics at The Rockefeller University in New York, USA- 2003 Nobel Prize in Chemistry)

Domínios EF em proteinas que ligam Ca2+

Helice-loop-helice - domínios estruturadospor ligação de Ca2+ ao loop

Ca2+ liga 7 ou 8 oxigénios da ligaçãopeptidica, água e grupos carboxilato dacadeia lateral de Asp ou Glut

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Calmodulina

Tem 4 domínios Helice-loop-helicecom 4 locais de ligação a Ca2+

2 de baixa afinidade e 2 de alta afinidade

Papel estrutural de Ca2+

Ca2+ mensageiro intracelular

Estudo das propriedades termodinâmicas e cinéticas dos metais de transição

- Geometria

- Isómeros

- Cor

- Ligação química

- Redox