Química Bioinorgánica I Química Bioinorgánica I Primer Primer cuatrimestre 2011 cuatrimestre 2011 Prof. Dra. Marisa Repetto Prof. Dra. Marisa Repetto Cátedra de Química General e Inorgánica Cátedra de Química General e Inorgánica Facultad de Farmacia y Bioquímica Facultad de Farmacia y Bioquímica Universidad de Buenos Aires Universidad de Buenos Aires
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Química Bioinorgánica IQuímica Bioinorgánica I Primer cuatrimestre 2011Primer cuatrimestre 2011
Prof. Dra. Marisa RepettoProf. Dra. Marisa Repetto
Cátedra de Química General e InorgánicaCátedra de Química General e Inorgánica
Facultad de Farmacia y BioquímicaFacultad de Farmacia y Bioquímica
Universidad de Buenos AiresUniversidad de Buenos Aires
Los seres vivos como Los seres vivos como sistemas químicossistemas químicos
Las contribuciones de Pasteur,Las contribuciones de Pasteur,Buchner y LeloirBuchner y Leloir
Los seres vivos como sistemas Los seres vivos como sistemas químicosquímicos
Los seres vivos son sistemas químicos Los seres vivos son sistemas químicos complejos, organizados espacialmente, que complejos, organizados espacialmente, que siguen las Leyes Generales de la Química:siguen las Leyes Generales de la Química:
Tendencia al equilibrio químico,Tendencia al equilibrio químico, Ley de acción de las masas Ley de acción de las masas
(concentración),(concentración), Efecto de la temperatura,Efecto de la temperatura, Efecto de los catalizadores, Efecto de los catalizadores, Efectos de interfase (superficie, tensión Efectos de interfase (superficie, tensión
superficial) superficial)
Los seres vivos como sistemas químicos
Los mamíferos (incluye a los seres humanos) Los mamíferos (incluye a los seres humanos) somos máquinas químicas de combustión somos máquinas químicas de combustión (Lavoisier, 1786).(Lavoisier, 1786).
(CHOH) + O(CHOH) + O22 CO CO22 + H + H22OO
Los mamíferos (incluye a los seres humanos) Los mamíferos (incluye a los seres humanos) somos máquinas químicas que operamos a somos máquinas químicas que operamos a temperatura constante con energía química temperatura constante con energía química para producir trabajo químico y mecánico.para producir trabajo químico y mecánico.
Los seres vivos como sistemas Los seres vivos como sistemas químicosquímicos
Louis Pasteur (1822-1895) Louis Pasteur (1822-1895) mostró que mostró que los los procesoprocesoss de de fermentación fermentación y y descomposición orgánica se debedescomposición orgánica se debenn a la a la acción de acción de bacteriasbacterias y que el y que el crecimiento de crecimiento de éstas éstas en caldos en caldos nutritivos no nutritivos no es por generación es por generación espontánea.espontánea.
Los seres vivos como sistemas Los seres vivos como sistemas químicosquímicos
Las reacciones en los seres vivos se Las reacciones en los seres vivos se reconocieron reconocieron catalizadas catalizadas por enzimaspor enzimas (proteínas).(proteínas).
En 1943 Luis F. Leloir (*) y Juan M. Muñoz, En 1943 Luis F. Leloir (*) y Juan M. Muñoz, desde Buenos Aires, describen la desde Buenos Aires, describen la organización de las enzimas en estructuras organización de las enzimas en estructuras subcelulares.subcelulares.
(*) Premio Nobel de Química 1970; (**) (*) Premio Nobel de Química 1970; (**) mitocondriasmitocondrias
Composición química de los Composición química de los humanoshumanos
O (65.0%) O (65.0%)
C (18.5%)C (18.5%)
H (9.5%)H (9.5%)
N (3.2%)N (3.2%)
Ca (1.5%)Ca (1.5%)
P (1.0%)P (1.0%)
K (0.4%)K (0.4%)
S (0.3%)S (0.3%)
Na (0.2%)Na (0.2%)
Cl (0.2%)Cl (0.2%)
Mg (0.1%)Mg (0.1%)
I (0.1%)I (0.1%)
Fe (0.1%)Fe (0.1%)
Cr (trazas)Cr (trazas)
Co (trazas)Co (trazas)
Cu (trazas)Cu (trazas)
F (F (trazastrazas))
Mn (Mn (trazastrazas))
Mo (Mo (trazastrazas))
Se (Se (trazastrazas))
Sn (trazas)Sn (trazas)
V (trazas)V (trazas)
Zn (trazas)Zn (trazas)
Elementos químicos en la naturalezaElementos químicos en la naturaleza
Toda la materia en el planeta está compuesta por 92 elementos naturales y 17 elementos sintéticos
s
SulfurosCloruros
Óxidos
NativosOtros compuestos
Bioinorgánica
Compuestos inorgánicosCompuestos inorgánicos
Sales iónicas simplesSales iónicas simples
Complejos metálicosComplejos metálicos
Complejos de coordinación Complejos de coordinación
Elementos químicos y salud Elementos químicos y salud
Elementos esenciales para la vidaElementos esenciales para la vida
Los elementos, respecto de su presencia o Los elementos, respecto de su presencia o ausencia y la salud humana.ausencia y la salud humana.
Patologías relacionadas con los elementosPatologías relacionadas con los elementos
Toxicidad de los elementosToxicidad de los elementos
Clasificación de los elementos Clasificación de los elementos según disponibilidad en el medio según disponibilidad en el medio
ambiente y toxicidadambiente y toxicidad
1. Elementos 1. Elementos con efectos biológicos desconocidoscon efectos biológicos desconocidos, , presentes con altos o moderados niveles de presentes con altos o moderados niveles de concentración: RB, Sc, Sr y tierras raras.concentración: RB, Sc, Sr y tierras raras.2. Elementos con 2. Elementos con efectos tóxicosefectos tóxicos, presentes en , presentes en niveles altos y moderados, niveles altos y moderados, solubles en aguasolubles en agua: Co, Sb, : Co, Sb, As, Zn.As, Zn.3. Elementos 3. Elementos tóxicostóxicos presentes en niveles altos y presentes en niveles altos y moderados, moderados, poco solubles en aguapoco solubles en agua: Ba, Cr, Ga, Tl, : Ba, Cr, Ga, Tl, Zr, Pb.Zr, Pb.4. 4. Elementos solubles en agua sin efectos Elementos solubles en agua sin efectos biológicos bajo condiciones naturalesbiológicos bajo condiciones naturales: Al, Ca, Cl, K, : Al, Ca, Cl, K, Fe, Na y MgFe, Na y Mg..
BioelementosBioelementos
Tienen una función fisiológica en los Tienen una función fisiológica en los sistemas biológicos.sistemas biológicos.
ABUNDANCIA DE LOS ELEMENTOS (en % de átomos)
Cuerpo humano Agua de mar Corteza terrestre
H 63 H 66 O 47O 25.5 O 33 Si 28C 9.5 Cl 0.33 Al 7.9N 1.4 Na 0.28 Fe 4.5Ca 0.31 Mg 0.03 Ca 3.5P 0.22 S 0.017 Na 2.5Cl 0.08 Ca 0.006 K 2.5K 0.06 K 0.006 Mg 2.2
BioelementosBioelementos
Sólo 27 elementos de la naturaleza forman parte de los seres vivosSon los bioelementos o elementos biogénicos
Bioelementos
PRIMARIOS:
• Constituyen el 95 % del peso de cualquier organismo
• C, H, O, N
SECUNDARIOS:
• Constituyen el 4 % del peso de cualquier organismo
• P, S, Ca, Na, K, Cl, I, Mg, Fe
OLIGOELEMENTOS:
• Constituyen el 0,1 % del peso de cualquier organismo
• Cu, Zn, Mn, Co, Mo, Ni Si, ……..
Elementos esencialesElementos esenciales
Cuando la reducción de su exposición Cuando la reducción de su exposición bajo un cierto límite produce la bajo un cierto límite produce la disminución de una función fisiológica disminución de una función fisiológica importante.importante.
Cuando forma parte integral der una Cuando forma parte integral der una estructura orgánica que desarrolla una estructura orgánica que desarrolla una función vital en el organismo: función vital en el organismo: bioelementobioelemento..
BiomoléculasBiomoléculas
Los bioelementos se unen originando las biomoléculas que forman la materia viva
CompuestosInorgánicos Orgánicos• Agua
• Sales minerales
• Glúcidos
• Lípidos
• Proteínas
• Ácidos nucleicosUnión de numerosos
monómeros
POLÍMEROSMacromoléculas
formadas a base de moléculas más sencillas
BioelementosBioelementos
Electrolitos: Gases:Electrolitos: Gases: Sodio Oxígeno y NitrógenoSodio Oxígeno y NitrógenoPotasioPotasioMagnesioMagnesioCalcioCalcioFósforo Fósforo (como Fosfatos)(como Fosfatos)
Elementos esenciales para la vidaElementos esenciales para la vida
OligoelementosOligoelementos
A.- BIOELEMENTOS A.- BIOELEMENTOS
Primarios Secundarios Oligoelementos
Azufre (S) Fósforo (P)
Magnesio (Mg)
Calcio (Ca)
Sodio (Na)
Potasio (K)
Cloro (Cl)
Carbono (C)
Hidrógeno (H)
Oxígeno (O)
Nitrógeno (N)
Hierro (Fe) Silicio (Si)
Manganeso (Mn) Vanadio (V)
Cobre (Cu) Cromo (Cr)
Zinc (Zn) Cobalto (Cu)
Flúor (F) Selenio (Se)
Yodo (I) Molibdeno (Mb)
Boro (B) Estaño (Sn)
Todas las formas de vida están constituidas por los mismos elementos químicos que forman los mismos tipos de moléculas. Ello refleja el origen evolutivo común de las células y organismos
1.- COMPONENTES DE LA MATERIA VIVA1.- COMPONENTES DE LA MATERIA VIVA
Bioelementos Primarios: C, H, O, NBioelementos Primarios: C, H, O, N
Bioelementos Principales:Bioelementos Principales:Elementos mayoritarios de la materia viva (el 95% de la Elementos mayoritarios de la materia viva (el 95% de la masa total de todos los seres vivientes)masa total de todos los seres vivientes)
Las propiedades físico-químicas :Las propiedades físico-químicas :1.- Forman enlaces covalentes, compartiendo electrones1.- Forman enlaces covalentes, compartiendo electrones2.- El carbono, nitrógeno y oxígeno, pueden compartir más 2.- El carbono, nitrógeno y oxígeno, pueden compartir más de un par de electrones, formando enlaces dobles y triples, de un par de electrones, formando enlaces dobles y triples, lo cual les dota de una gran versatilidad para el enlace lo cual les dota de una gran versatilidad para el enlace químicoquímico3.- Son los elementos más ligeros con capacidad de formar 3.- Son los elementos más ligeros con capacidad de formar enlace covalente (estables)enlace covalente (estables)4.- Configuración tetraédrica de los enlaces del carbono, 4.- Configuración tetraédrica de los enlaces del carbono, responsable de la actividad biológica.responsable de la actividad biológica.5.- Las combinaciones del carbono con otros elementos, 5.- Las combinaciones del carbono con otros elementos, (O, N, H) permiten la aparición de una gran variedad de (O, N, H) permiten la aparición de una gran variedad de grupos funcionales que dan lugar a las diferentes familias grupos funcionales que dan lugar a las diferentes familias
de sustancias orgánicas . de sustancias orgánicas .
AzufreSe encuentra en dos aminoácidos (cisteína y metionina) , presentes en todas las
proteínas. También en algunas sustancias como el Coenzima A
Fósforo
Forma parte de los nucleótidos, compuestos que forman los ácidos nucléicos. Forman
parte de coenzimas y otras moléculas como fosfolípidos, sustancias fundamentales de
membranas celulares. También forma parte de los fosfatos, sales minerales abundantes
en los seres vivos.
MagnesioForma parte de la molécula de clorofila, y en forma iónica actúa como catalizador,
con las enzimas , en muchas reacciones químicas del organismo.
Calcio
Forma parte de los carbonatos de calcio de estructuras esqueléticas. En forma iónica
interviene en la contracción muscular, coagulación sanguínea y transmisión del impulso
nervioso.
SodioCatión abundante en el medio extracelular; necesario para la conducción nerviosa y la
contracción muscular
PotasioCatión más abundante en el interior de las células; necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular
CloroAnión más frecuente; necesario para mantener el balance de agua en la sangre y fluídointersticial
BIOELEMENTOS SECUNDARIOS
Hierro Fundamental para la síntesis de clorofila, catalizador en reacciones químicas y formando parte de citocromos que intervienen en la respiración celular, y en la hemoglobina que interviene en el transporte de oxígeno.
Manganeso Interviene en la fotolisis del agua , durante el proceso de fotosíntesis en las plantas.
Iodo Necesario para la síntesis de la tiroxina, hormona que interviene en el metabolismo
Flúor Forma parte del esmalte dentario y de los huesos.
Cobalto Forma parte de la vitamina B12, necesaria para la síntesis de hemoglobina .
Silicio Proporciona resistencia al tejido conjuntivo, endurece tejidos vegetales como en las gramíneas.
Cromo Interviene junto a la insulina en la regulación de glucosa en sangre.
Zinc Actúa como catalizador en muchas reacciones del organismo.
Litio Actúa sobre neurotransmisores y la permeabilidad celular. En dosis adecuada puede prevenir estados de depresiones.
Molibdeno Forma parte de las enzimas vegetales que actúan en la reducción de los nitratos por parte de las plantas.
OLIGOELEMENTOS
Oligoelementos esencialesOligoelementos esencialesElementoElemento Cantidad en un serCantidad en un ser Rango de ingestaRango de ingesta (mg) (mg)
humano de 70 kg (mg)humano de 70 kg (mg) diaria humanadiaria humanaCromoCromo 77 0,06-0,360,06-0,36CobaltoCobalto 11 0,015-0,1600,015-0,160CobreCobre 75-15075-150 0,75-1,200,75-1,20FlúorFlúor 26002600 0,5-1,70,5-1,7YodoYodo 10-2010-20 0,3-0,70,3-0,7HierroHierro 4000-50004000-5000 10-1710-17ManganesoManganeso 12-2012-20 1,5-3,01,5-3,0MolibdenoMolibdeno 99 0,1-0,20,1-0,2NíquelNíquel 1010 0,10-0,150,10-0,15SelenioSelenio -------- 0,6-1,00,6-1,0SilicioSilicio 1800018000 ----------EstañoEstaño 1717 1,5-3,51,5-3,5VanadioVanadio 10-2510-25 0,01-0,020,01-0,02ZincZinc 1400-23001400-2300 8-168-16
Oligoelementos en enzimasOligoelementos en enzimas
Mg 2+ fosfohidrolasa , fosfotransferasa y ATPasafosfohidrolasa , fosfotransferasa y ATPasa
Mn Mn 2+2+ Arginasa y fosfotransferasa y SOD Arginasa y fosfotransferasa y SOD
Fe Fe 2+2+ y Fe y Fe 3+3+ Citocromos, peroxidasa, catalasa y ferredoxina Citocromos, peroxidasa, catalasa y ferredoxina
Cu Cu 2+2+ y Cu y Cu ++ Tirosinasa, citocromo oxidasa, SOD Tirosinasa, citocromo oxidasa, SOD
K K ++ Piruvato kinasa, ATPasaPiruvato kinasa, ATPasa
Cromo Levadura de cerveza desecada, Cereales refinados salvado y germen de granos de azúcar refinada cereales, melaza, hígado. Cobalto Verduras de hoja Leche, cereales . Cobre Hígado, riñón, mariscos, nueces, Leche, fibra de la legumbres secas, cereales de carne,huevos,frutas grano seco verduras Flúor Pescado de mar, carnes rojas Leche huevos, té. Yodo Pescado de mar, mariscos, sal yodada, leche. Hierro Hígado, riñón, mariscos, fibra de Leche, azúcar refi- la carne, aves de corral, corazón, nada. yema de huevo, legumbres secas, melaza de caña, nueces Manganeso Cereales de grano entero, legumbre Leche, aves de secas, tubérculos, frutas, verduras corral , pescado no de hoja. Molibdeno Hígado, riñón, legumbres secas, Frutas, raíces y ta- cereales de grano entero, verduras llos de verduras, fi- de hoja bra de carne, leche. Níquel Cereales de grano entero, verduras Fibra de carne, gra- sas, huevos, leche. Selenio Hígado, riñón. Silicio Cereales de grano entero, piel de Alimentos de origen pollo, cerveza. animal. Estaño Cereales, fibra de carne Leche Vanadio Hígado, fibra de carne, nueces, Leche, la mayoría pescado, pan, algunos cereales , de las verduras. grano seco, algunas raíces de ver- duras, aceites de maíz y soja Zinc Carne, yema de huevo, cereales de Frutas, pescado, grano entero, ostras, aves de caza, verduras leche.
Distribución de los oligoelementos esenciales en los alimentos.
Las sales y complejos de la Las sales y complejos de la química inorgánica como química inorgánica como
medicamentosmedicamentos
Principios inorgánicos en Principios inorgánicos en especialidades medicinalesespecialidades medicinales
Medicamentos Medicamentos con Sodiocon Sodio
Bario
Diagnóstico por sustancias radiopacas
Colon por enema
Colirios con Colirios con boratosboratos
Comprimidos de aluminio
El flúor y los dientesEl flúor y los dientes
El Platino en la salud
Radioterapia con CobaltoRadioterapia con Cobalto
Elementos de Elementos de transicióntransición
ManganesoManganeso– en la SOD mitocondrialen la SOD mitocondrial– crecimientocrecimiento– su falta produce intolerancia a la glucosa, su falta produce intolerancia a la glucosa,
desórdenes óseos, coágulos en sangre desórdenes óseos, coágulos en sangre
– Envenenamiento: afecta el sistema respiratorio Envenenamiento: afecta el sistema respiratorio y el cerebro ( alucinaciones y Parkinsony el cerebro ( alucinaciones y Parkinson))
Elemento/Sustancia n Elemento/Sustancia n Elemento/Sustancia n
GRUPO 7 (transición) GRUPO 13 GRUPO 16 Boro (z = 5) Oxígeno (z = 8) BO3H3 (ác. bórico)- 14 Agua (H2O) 18 Manganeso (z = 25) B4O7Na2 (borato Na) 4 Agua termal 17 SO4Mn 2 BO3Na (perborato) 3 H2O2 4 Grupo 16 (continúa) GRUPO 17 Azufre (z = 16) Fluor (z = 9) S (polvo) 29 FNa 23 Selenio (z = 34) F(PO4)Na2 4 SeS 3 F2Ca 1 SeO3H2 2 F2Sr 1 Se (generico) 1 Cloro (z = 17) ClNa (*) 53 ClONa 3 Yodo (z = 53) IK 3
INa 1 I2 1
I2Ca 1 I2Ba 1
La designación genérica “Minerales”, utilizada en 39 productos farmacéuticos, indica mezclas variables de sales de Zn, Cu, Se, Mn, Mg, Fe y Ca. La designación genérica “Electrolitos”, utilizada en 4 productos farmacéuticos, indica mezclas variables de sales de Na, K, Ca y Mg.
Elemento/Sustancia n Elemento/Sustancia n Elemento/Sustancia n
GRUPO 12 PO4Fe 3 Zinc (z = 30) P2O7Na4 1 GRUPO 4 (transición) OZn 24 Bismuto (z = 83) Titanio (z = 22) OZn (calamina) 6 (HO)3Bi
Elemento/Sustancia n Elemento/Sustancia n Elemento/Sustancia n
GRUPO 7 (transición) GRUPO 13 GRUPO 16 Boro (z = 5) Oxígeno (z = 8) BO3H3 (ác. bórico)- 14 Agua (H2O) 18 Manganeso (z = 25) B4O7Na2 (borato Na) 4 Agua termal 17 SO4Mn 2 BO3Na (perborato) 3 H2O2 4 Grupo 16 (continúa) GRUPO 17 Azufre (z = 16) Fluor (z = 9) S (polvo) 29 FNa 23 Selenio (z = 34) F(PO4)Na2 4 SeS 3 F2Ca 1 SeO3H2 2 F2Sr 1 Se (generico) 1 Cloro (z = 17) ClNa (*) 53 ClONa 3 Yodo (z = 53) IK 3
INa 1 I2 1
I2Ca 1 I2Ba 1
La designación genérica “Minerales”, utilizada en 39 productos farmacéuticos, indica mezclas variables de sales de Zn, Cu, Se, Mn, Mg, Fe y Ca. La designación genérica “Electrolitos”, utilizada en 4 productos farmacéuticos, indica mezclas variables de sales de Na, K, Ca y Mg.
PRINCIPIOS ACTIVOS INORGÁNICOS EN LOS PRODUCTOS FARMACÉUTICOS DE VENTA POR CONSEJO FARMACÉUTICO.
1. Cloruro de sodio (ClNa) Electrolito 18. Zn-undecilenato Antimicótico 2. Cloruro de potasio (ClK) Electrolito 19. Zinc (genérico; Zn2+) Elemento esencial 3. Carbonato de Mg (CO3Mg) Antiácido 20. Acido bórico (BO3H3) Antiséptico 4. Hidróxido de Mg ((OH)2Mg) Antiácido 21. Borato de Na (B4O7Na2) Antiséptico 5. Magnesio (genérico; Mg2+) Energizante 22. Carbón (C) Adsorvente 6. Carbonato de Ca (CO3Ca) Antiácido 23. Bicarbonato de Na (CO3HNa) Antiácido 7. Lactato de Ca Regenerador capilar 24. Nitrato de K (NO3K) Antiséptico bucal 8. Calcio (genérico; Ca2+) Constituyente óseo 25. Subnitrato de Bi (NO3BiO) Antiácido 9. Cloruro de Sr (Cl2Sr) Tratamiento encías 26. Subsalicilato de Bi Antiácido 10. Estroncio (genérico; Sr2+) Constituyente óseo 27. Agua (H2O) Líquido corporal 11. Dióxido de Titanio (TiO2) Pantalla solar 28. Agua termal Cuidado de la piel 12. Cromo, picolinato Tonificante muscular 29. Agua oxigenada (H2O2) Antiséptico 13. Cromo (generico, Cr3+) Elemento esencial 30. Azufre (S) Tratamiento de la piel 14. Hierro (genérico, Fe2+/3+) Antianémico 31. Sulfuro de Se (SSe) Anticaspa 15. Sulfato de cobre (SO4Cu) Tratamiento encías 32. Fluoruro de sodio (FNa) Esencial dentina 16. Oxido de cinc (OZn) Protector de la piel 33. Hipoclorito de Na (ClONa) Desinfectante 17. Zn-piritiona Antiseborreico 34. Minerales (genérico, ver arriba)
MEDICAMENTOS DE VENTA BAJO MEDICAMENTOS DE VENTA BAJO RECETA CON PRINCIPIOS ACTIVOS DE RECETA CON PRINCIPIOS ACTIVOS DE
Abundancia natural:Abundancia natural: contenido total de un contenido total de un elemento, concentración en que se elemento, concentración en que se encuentran en la naturalezaencuentran en la naturalezaGeodisponibilidad:Geodisponibilidad: fracción de ese contenido fracción de ese contenido disponible por erosión y meteorización.disponible por erosión y meteorización.Biodisponibilidad:Biodisponibilidad: grado libre o disponible grado libre o disponible del elemento para entrar o salir de un del elemento para entrar o salir de un organismo, depende de factores fisiológicos organismo, depende de factores fisiológicos o exógenos.o exógenos.