Fe nos sistemas biológicos Flashcards
(45 cards)
Fe nos sistemas biológicos
papel central nos sistemas biológicos:
em processos biológicos tão diversos como a fotossíntese e a respiração, a fixação N2, metanogenese, metabolismo do H2, transporte de oxigénio e biossíntese de DNA
pq: 1. disponibilidade geral (abundante e omnipresente nas geo e biosferas) e
2. propriedades “biologicamente mais adequadas” de que outros metais de transição:
(1) Facilidade de alteração entre os estados de oxidação +II e +III (e disponibilidade também dos estados de oxidação +IV e +V);
(2) Formação de hexaaqua catiões em água; que funcionam como ácidos de Brønsted;
(3) Tendência para formar oligo e polímeros por condensação;
(4) Fácil alteração entre os estados de alto e baixo spin em campos de ligandos de força média;
(5) Flexibilidade em relação à natureza de ligandos, número de coordenação e geometria.
Fe presente onde?
Proteinas de transporte e armazenamento de Fe: Transferrin, Ferritin, Hemosiderina
Proteinas de transporte e armazenamento de O2: Mioglobina, Hemoglobina, Hemeritrina
Enzimas Oxido-Reductases: Catalase, Peroxidase (Fe); Nitrogenase (Fe, M)o; Citocrome oxidase (Fe, Cu); Hidrogenase (Fe, Ni)
Isomerases: Aconitase (Citrato sintase)
Oxigenases: Citocrome P450, Sintase de óxido nítrico
Transportadores de electrões: Citocromos, Ferredoxina
Agentes transportadores não proteicos: Sideroforos
Óxidos de ferro: magnetite (Fe3O4) e greigite (Fe3S4)
Porque necessário Sistemas de transporte e armazenagem de Fe?
- extrema baixa solubilidade dos complexos [Fe(OH)3] (potencial redox para Fe2+/Fe3+ a pH = 7 indica que FeII é facilmente oxidado a FeIII em condições aeróbicas; Fe nos sistemas biológicos; hexaaqua complexos de Fe(III) são ácidos de Brønsted;
solubility product L = 2·10-39, solubility (pH 7) l =10-18 mol·l-1) - Toxicidade de Fe2+ - Produção de especies radicalares (reação de Fenton etc- com O2 –> radical O2.-, com H2O2 faz radicais HO. e HOO.)
=> altamente regulado! Precisa de estruturas que escudam ferro
bacterias… –> SIDERÓFOROS!
Nós: transporte na transferida e armazenado na ferritina…
Sideroforos
Agentes transportadores não proteicos
Efeito quelante: Estabilização de um complexo por ligandos multidentados! é um efeito entrópico (alta entropia = alta desordem [aumento do número de partículas]).
Exemplo: complexo formado entre o sideróforo enterobactina (ent6-, um lig hexadentado) e Fe3+ é particularmente estável:
[Fe (H2O)6]3+ + ent6- –> [Fe(ent)]3- + 6H2O
sem metal: lineares (forma apo), na presença do metal dobram-se => “gaiola de proteção”!! (forma alo)
E.coli: 4 tipos de sideroforos (existem pq têm difs afinidades para o metal (se calhar se meio com poucos iões precisam de sideroforo de grande afinidade para poder quelatar); variam os ligs que estabelecem lig com ferro: carboxilatos, hidroxamatos, catecolatos ou fenolatos OU tipo misto!)
enterobacterina: grupos catecolatos, anel com grupos OH, havendo desprotonação, cada oxigénio faz de lig do Fe(III) –> geometria de campo oct!
- como fatores de virulência! Desencadear processos tóxicos… fazem desequilíbrio homeostásico!! (Fe armazenado no epitélio entra na corrente sanguínea… e começa a sair da Hb tmb?): bacterias Anthrax- 2 sideroforos (bacillibactin, petrobactin)! 1 nos combatemos, o outro passa despercebido –> anemia extrema!
- Também como fator de simbiose!!
Entrada do ferro na cel bacteriana:
ALTAMENTE REGULADO:
Gram -:
ferro ligado a ferri-sideróforo endógeno ou exógeno ou grupo hemo; liga a recetor específico ao ligando na membrana externa
liga-se no periplasma a proteína específica que os leva ao transportador da membrana externa –> gasta ATP para interiorizar os sideroforo com Fe
no interior: liberta Fe do sideroforo, esse pode voltar a sair ou é degradado
Gram +: sem membrana externa, prot que conduz siderofo pelo periplasma está associada à membrana (lipoprot para não se perder no meio onde vive…) e capta siderofero na forma alo e direcione-o para transportador da membrana cit
Absorção, transporte e utilização de Fe (Humanos)
Altamente regulada!
Dieta diária –> absorção intestinal –> transferrina (Fe no interior, bem protegido)
pode ser logo armazenada na
=> medula óssea (sintetizar Hb/ glóbulos brancos, eritropoiese)
=> outras prots/ processos…
=> ferritina (armazenamento)
(ver %)
Fe que vem em hemo –> transportador específicos (há outro pra se ião livre, 1º reduzido por ascorbato) –> logo armazenado na ferritina; se necessário: outro transportador (regulado por hormona) ferro3+ liga-se a transferrina e passa toda a corrente sanguínea –> células:
Geometria do Fe em proteínas
oct (AS ou BS) ou tet
Proteínas hémicas: hemoglobina (depende! sem lig a O2: oct, AS), mioglobina , citocromos (oct, BS), P450
Proteínas ferro-enxofre (tet normalmente) – Transferência electrónica, catalise enzimática (ex aconitase)
Proteínas ferro-enxofre com outros centros metálicos– ex NiFe cluster :H2ase, CODH
Proteínas de ferro mononuclear– ex peroxidação de ácidos gordos insaturados, superóxido dismutases e superóxido reductases
Proteínas de di-ferricas- ex transporte de oxigenio, activação, oxidação de ferro.
Transporte do Ferro- Ciclo da Transferrina
TF = dímero, glicoproteína
(binding site é constituído por átomos N e O (de Asp,His, 2 Tyr… e Arg estabiliza); e também [CO3]2- como lig externo!; estabilidade para o complexo Fe3+ é muito alta)
Apo TF –> Alo TF (quando associa a Fe3+, que é transportado por DMT, divalent metal transporter): TFR, recetores da TF na membrana cel, ligam-se! –> formação de endossoma, coberto por clatrinas => TF com Fe interiorizada
Na cél, por ação bombas protónicas –> baixa pH intracelular => Fe2+ libertado para fora do endossoma! Pelo transportador de iões bivalentes! (depois vai para ferritina etc)
Transportador, recetor voltam à membrana cel… voltam a ligar…
Proteinas de armazenamento- Ferritina
Bundle de 4 hélices
24 desses monómeros
~capa proteica, dentro dela depositados iões Fe:
No interior podem ser armazenados até 4500 iões de ferro sob 3 formas minerais difs:
magnetite (Fe3O4),
hematite (Fe2O3)
e ferrihidrite (5Fe2O3•9H2O)
Proteinas de armazenamento- hemosiderina
- estruturas dos núcleos de ferro da hemosiderina semelhantes à da ferritina.
- estrutura proteica desconhecida
- aprox. 35 % de Fe, sendo a razão ferro/proteína ainda maior na hemosiderina
(em nenhum dos casos das prots de armazenamento pode haver reação de Fenton, Fe totalmente protegido!)
Armazenamento e orientação - Magnetossoma
Magnetobacterias têm magnetossomas!
- Vesícula de bicamada lipídica (!!Não proteínas!!!)
- Com cristais de ferro: magnetite (Fe3O4) e greigite (Fe3S4) –> funcionam como magnetos
- Organizados em cadeias lineares, funcionam com agulha de bússola => orientam célula com o campo geomagnético –> provoca movimento!
Processo de magnetotaxis
Porquê? Hipótese: Loc de habitats com dif [O2]: bactérias usam o campo geomagnético para localizar habitats anaeróbicos (ou de O2 mais baixos? ou interface oxido-anóxido!)
Magnetossoma- Formação
Fe3+ incorporado por complexos sideróforos! e depositado nas vesículas
(resultam de invaginações membranares, que se dissociam, e incorporam os iões…todas associadas ao filamento magnetossoma –> estrutura filamentosa para funcionarem como “agulha” de bússola)
Magnetossoma- Outros orgs
Também no salmão!
e no crânio dos pássaros!
=> orientação segundo o campo magnético terrestre!
Há vários oxidos de Fe, que permitem a magnetotaxis, darem força mecânica (constituintes dos dentes)
Proteínas Hémicas
- Mb, Cyt c, Monooxigenase
- hemo como grupo prostético: só para translocar e- ou centro catalítico!
- 4 anéis pirrólicos = anel tetrapirrólico; fornece 4 ligs para o Fe –> COORDENAÇÃO EQUATORIAL! Dps Fe pode ter + 2 ligs axiais
- grupos propinado, metilo e vinilo podem ser substituídos –> hemos diferentes!
+ simples: hemo b (Hb); todos sintetizados a partir deste
hemo a (propionil, formil); hemo c (está lig cov a cadeia proteica por cys –> C-X-X-CH); hemo d, d1, P460 (benzendo…), Sirohemo
Hemos - caracterização bq
- todos os hemos têm espero característico (ex cyt c campo octaédrico, hexacoordenado, low spin):
oxidado: banda Soret + intensa ~450 nm
reduzido: banda Soret shifta para cdo maiores, outras 2 bandas (alpha, 550 nm; beta)
Espetro de Abs pode variar conforme os ligs axiais! => desnatura-se prot! dps obter hemo e fazer piridina-hemocromo (2 ligs axiais do hemo => ficam todos iguais) => consoante o max abs do pico alpha consegue-se determinar o hemo
det potencial de redução de cyt c: adicionar redutor: estado red –> estado ox, observar a variação de um pico de abs: com aumento do estado de ox –> alteração da abs => det ponto 1/2 estado ox 1/2 estado red => det potencial de red
Proteínas hémicas- funções
Mioglobina/ Hemoglobina:
Fe2+ -O2-> Fe2+-O=O (liga ao Oxigénio, não o ativa/cataliza)
Citocromos:
Fe2+ -e–> Fe3+
(=> transportador de e- entre mols?)
Cytocromos P-450
Fe3+ -(RH –> ROH; O2, 2H+, 2e- –> H20)-> Fe3+
(transportadores, funcionam como monoixigenases, introduzem átomo de oxigénio em molécula)
Catalase, Peroxidase
(produzem ox ou retiram H+ de composto)
Fe3+ -(H2O2 –> H2O)-> Fe(IV)=O (catalase: -(+H2O2 –> O2+2H+)-> Fe3+; peroxidase
-(2RH –> R)-> Fe3+
Cyt c oxidase
2 Fe3+ –> 2 Fe3+
3 Cu2+ -(O2, 4H+, 4e- –> 2H20)-> 3 Cu2+
(também tem centros de cobre –> mais à frente…; reduz oxigénio e água; nas bacterias há semelhante só com hemos: cyt bd)
O2
oxigénio tem potencial de oxidação mto elevado –> oxidante mto forte… pq não combustão espontânea? Distribuição e- nas orbs do oxigénio…
Tripleto - O2, 3O2 - estável, birradical, paramagnética
–> forma mais frequente, por isso não combustão espontânea (alta barreira de ativação para alterar o spin…)
———————————————-
Singleto - O2 1O2 - Muita energia de estabilização, instável, diamagnética
Ozono, O3 - tóxica, muito reactiva
Anião radical superoxido, O2.- oxidante muito forte, tóxico, muito reactivo
Dianião peroxido, O2 2- oxidante muito forte, tóxico, muito reactivo
[estudar esquema reações e relação entre as mols]
Proteínas hémicas – transporte e armazenamento de O2 - Porquê?
O2 pouco solúvel em sol aquosa!
Multicels, dimensões elevadas… transporte só dissolvido no plasma sanguíneo não eficiente! Não pode ser transportado para tecidos em quantidade suficiente
+ difusão do O2 pelos tecidos também é ineficaz em distâncias maiores que alguns mm! => evolução de proteínas transportadoras (Hb…) e armazenadoras O2 (Mb) em organismos multicels
+ Mb importante para armazenamento local –> oxphos…
Hb
Ar ~ 21 % de O2 (tripleto);
- 1 L de água a 20 °C dissolve 31 mL de O2 vs.
- Nos alvéolos pulmonares, O2 absorvido pela Hb em saturação: 1 L de sangue dissolve ~ 200 mL de O2
Hemo da Hb, His a fazer coordenação, 6a pos livre/ H2O, onde se liga o O2: distribuição eletrónica difere! Fe passa de um estado hs para ls com estados de oxidação 2+ ou 3+ (mais estável, menor núvem eletrónica –> “já cabe” dentro do anel tetrapirrólico! HS –> LS), respetivamente
=> peq alteração conformational! (Fe “puxa” cad lat His que “puxa” hélice…) propaga-se a toda a estrutura terciária e quaternária! Na base da cooperatividade observada para a Hb! (Ligação a 1 mol O2 favorece ligação a outra mol… propagada a outras subs)
=> peq ALTERAÇÃO NÚVEM ELETRÓNICA propaga-se => grande efeito!
Transferencia electrónica – citocromo c
Prot peq, 1 hemo
Hemo, lig cov a cys (cys-x-x-cys-his); Cadeia lat Met –> 6a posição indisponível –> não transporta O2: mas e-! na cad respiratória mit (mas não só!tmb apoptose!)
cadeia resp: todos com grupos prostéticos
(complexo 1 é o maior)
cyt c reduzido pelo CIII
e cyt c oxidado pelo CIV
os complexos associam a energia libertada de reações para transportar H+ e gerar potencial de membrana –> sintetizar ATP
Quando mit despolariza (perde pot de membrana: cyt c sai do mit e inicia cascata de sinal de morte cel programada!
“moonlight protein” (tem varias funções)
ver esquemas
Transferencia electrónica – Proteínas multihémicas: bacterias que “respiram” Fe
ex: bacteria Gram -
prots multihémicas (até 50/60 hemos! muito sofisticadas! Conduzem e- de menaquinol ao exterior, onde está a fonte de Fe(III)!)
na membrana interna (como na mit) temos pool de quinina, substrato para difs complexos
CymA transfere os e- para outras pros
Nestas bacterias: Fe(III) é o último aceitador de e-!!! Não O2!!! “Respiram Fe” (possíveis pilhas naturais?) [nos não podemos, teríamos de estar agarrados a rocha pq é um mineral…]
ex. MtrA (metal reductase) tem 10 hemos!
\ver esquema!
[em grande distância, ou quando são precisos para muitos e-…]
Transferencia electrónica – Proteínas multihémicas: outros exs
- hidroxilamina oxidoredutase:
de bacteria que faz fixação de azoto, 1a cuja estrutura foi conhecida
24 hemos! por molécula (alguns só para condução de e-, 1 é centro catalítico)
ammonia (NH3) –> hydroxylamine (NH2OH) –> nitrite (NO2-) (nitrato)
- Complexo III respiratório Alternativo (prof estuda) (nas bacterias, tem mesma act dos mits, quinol cyt c oxidoredutase, mas estruturalmente muito dif!
parte membranar e periférica, quinol liga-se perto do centro Fe-S, depois tem condução dos e- por todos os hemos até cyt c… que vai ser oxidado (cyt c o2 oxidoredutase) –> faz parte da cadeia transportadora de e-
(espessura de membrana ~40Angstrom)
Transferencia electrónica- Teoria de Marcus
condução eletrónica tem determinadas regras! e- não podem ser conduzidos por grandes distâncias…
Teoria de Marcus (Rudolph Marcus, PN física):
=> calcular vels de transferência electrónica em processos de esfera externa!
Ampliado e refinado –> abordar difs tipos de transformações: processos bio relevancia na transferência e- e H+
eq complexa… (ver!)
depende de:
- distancia dador-aceitador (- acoplamento electrónico)
- Energia livre da reacção de transferência electrónica
- Energia de reorganização da transferência electrónica (alterações na solvatação/ geometrias do centros redox )
+ dependencia da vel em função da distancia tmb dependente do ambiente beta: (vacuo, solvente, covalente… Ambiente proteico comporta-se como outros solventes)
Transferência de electrões entre centros de Fe de longo alcance, de tunneling e- através da proteína
!!!! vel da transferência electrónica < exp. com o aumento da distancia r entre os centros metálicos!!
=> Para haver transferência (40A) é preciso grupos prostéticos a distância <15A (e quanto < dist, > vel)!!!
Transferencia electrónica – Potencial de oxidação redução
hemos cobrem grande gama de potenciais redox
~-400 mV –> ~450 mV
(vs. eletrodo de H standard)
(no lab usa-se com eletrodo prata/cloreto de prata, depois converter para o de H)
! ==> Transferencia eletrónica depende de 2 fatores:
- Potencial de ox red
- distância entre os difs centros
