Química Bioinorgânica
Docente: Prof.ª Teresa M. Santos Ano Lectivo: 2000/01
Curso(s): Licenciatura em Química - Ramo Bioquímica e Química Alimentar
Escolaridade: 3h T - 0h TP - 0h P Unidades de Crédito: 3.0
OBJECTIVOS
1. Áreas de acção da Química Bioinorgânica: intercâmbio entre a Química Inorgânica e a Biologia. Os elementos químicos em biologia. Selecção natural dos elementos. Essencialidade e toxicidade. Funções, biodisponibilidade e selecção natural dos elementos.
2. Química de Coordenação de iões metálicos por biomoléculas.
3. Métodos Físicos em Química Bioinorgânica.
4. Catálise enzimática de reacções de hidrólise e de transferência de grupos.
5. Química bioinorgânica do fósforo.
6. Fixação do azoto.
7. Armazenamento e transporte de ferro.
8. Metais de transição em reacções redox biológicas.
9. Metais em Medicina
METODOLOGIA
Esta disciplina é leccionada sob a forma de Aulas teóricas (exposições complementadas, de um modo geral, com projecção de acetatos).
Após cobertura de cerca de um terço da matéria a leccionar é apresentada aos alunos uma lista de elementos com importância relevante em Bioionorgânica, para que estes escolham um Tema sobre o qual irão escrever uma pequena monografia (máximo 10 páginas A4 dactilografadas), que irá ser apresentada e discutida nas últimas aulas da disciplina. Para a feitura desta Monografia os alunos contam com a ajuda do professor, quer no aconselhamento da bibliografia a consultar, quer no desenvolvimento do trabalho.
1 - N.º total de Aulas previstas: 37 Aulas
2 - 3 Aulas teóricas (1 hora) / Semana
Avaliação
Testes escritos: 1º Teste (80%)
2º Teste (repescagem) (conta a melhor nota)
Monografia : Tema escolhido pelos alunos ou por consenso
Apresentação (10%)
Trabalho escrito (10%).
Alunos do Currículo Antigo: a classificação desta disciplina é feita por média ponderada entre a nota obtida em Bioinorgânica e uma das componentes (Inorgânica) de Q506.
Programa
1. Química Bioinorgânica: áreas de acção; novas áreas de interesse. Contribuição da Química Inorgânica para a Química Bioinorgânica.
1.1. Elementos químicos em biologia. Selecção natural dos elementos: evolução das formas químicas versus evolução dos sistemas biológicos. Abundância e disponibilidade: elementos "bulk", vestigiais e ultravestigiais.
1.2. Noções de essencialidade e de toxicidade.
1.3. Funções dos elementos químicos nos sistemas biológicos. Como actuam os elementos essenciais (vestigiais).
1.4. Biodisponibilidade dos elementos: implicações da química da água na química dos meios biológicos. Diagrama de predominância da água. Diagramas de Frost. Estabilidade dos diferentes elementos em água (metais e não metais) versus biodisponibilidade.
2. Química de Coordenação de iões metálicos por biomoléculas (revisão).
2.1. Química de iões metálicos em solução aquosa: reacções de hidrólise, de substituição e redox.
2.2. Compostos de coordenação em solução aquosa; constantes de formação (globais e parciais); factores entálpicos e entrópicos; efeitos quelato e de macrociclo.
2.3.Factores a considerar na discussão da estabilidade termodinâmica e cinética de compostos de coordenação.
2.3.1. Factores associados ao centro metálico: carga/raio iónico; estrutura electrónica/polarizabilidade; ácidos/bases duros/macios; Série de Irving-Williams. Geometria de coordenação preferencial; estabilidade por emparelhamento de spin.
2.3.2. Factores associados ao ligando; regra de estabilidade; constantes condicionais (dependência do pH).
2.4. Ligandos biológicos.
2.4.1. Aminoácidos, peptídeos e proteínas. Aspectos estruturais e estereoquímicos fundamentais. Modos de coordenação.
2.4.2. Nucleósidos, nucleótidos e ácidos nucleicos. Modos de coordenação a iões metálicos.
2.4.3. Outras biomoléculas com capacidade de coordenar a iões metálicos: grupos prostéticos, coenzimas B12, bleomicina e sideróforos.
2.5. Compostos de coordenação
2.5.1. Números de coordenação comuns em sistemas biológicos e respectiva estereoquímica. Isomerismo em compostos quadrangulares planos e tetraédricos. Isomerismo geométrico. Estereoquímica de compostos de coordenação octaédricos; isomerismo geométrico cis-trans e fac-mer; enanteomerismo; factores de quiralidade. Dissimetria; configurações absolutas; aspectos da nomenclatura de isómeros.
2.5.2. Métodos de medida de propriedades quirais: DRO e DC. Exemplos de aplicação do DC ao estudo de reacções químicas. Isomeria de ligação, de ionização e de coordenação. Referência aos trabalhos de Werner.
2.5.3. Estrutura electrónica de compostos de coordenação de elementos de transição. Teoria do campo cristalino e teoria das orbitais moleculares. Ligandos com carácter p-dador e carácter p-aceitador. Série espectroquímica de ligandos. Complexos de spin alto e de spin baixo. Propriedades magnéticas de compostos de coordenação. Simetrias octaédrica, tetraédrica, tetragonal e quandrangular plana. Efeito de Jahn-Teller.
2.5.4. Algumas noções de química organometálica, estrutura electrónica; natureza da ligação; sinergismo da ligações p e s; regra dos 18 electrões; estados de oxidação comuns no metal. Relevância da Química Organometálica em Química Bioinorgânica: alquilação de metais e de não metais; modelos da vitamina B12; metanogénese (breve referência).
2.5.5. Aspectos cinéticos da Química de Coordenação.
2.5.5.1. Noções de labilidade e de inércia. Reacções de substituição de ligandos. Efeito trans em complexos octaédricos e quadrangulares planos. Reacções de isomerização e de racemização. Velocidades de troca de ligandos em aqua-iões.
2.5.5.2. Reacções de transferência de electrões. Mecanismos de esfera interna e de esfera externa. Considerações sobre este tipo de reacções em sistemas biológicos.
3. Métodos Físicos em Química Bioinorgânica.
3.1. Objectivos do Capítulo.
3.2. Introdução.
3.3. Escalas de tempo associadas aos vários métodos físicos.
3.4. Espectroscopia electrónica e vibracional: UV/Vis, DC, DCM, IV, Raman e Ressonância de Raman; características, aplicações e exemplos em Química Bioinorgânica.
3.5. Medidas de propriedades electroquímicas: determinação de potenciais de reacção e determinação potenciométrica de constantes de formação ião metálico/ligando biológico. Voltametria cíclica. Exemplos.
3.6. Métodos de Raios-X: difracção de Raios-X e EXAFS: base física dos métodos; informação obtida e vantagens/desvantagens da utilização de cada uma destas técnica; exemplos de aplicação em Química Bioinorgânica.
3.7. Métodos de ressonância: ressonância magnética nuclear (RMN): aplicação à determinação da estrutura de uma metaloproteína em solução aquosa.
4. Catálise enzimática de reacções de hidrólise e de transferência de grupos.
4.1. Introdução. Metaloenzimas, enzimas activadas por iões metálicos e apoenzimas. Características gerais.
4.2. Anidrase carbónica.
4.2.1. Funções catalíticas: reacções de hidrólise. Fundamentação experimental para a estrutura do centro activo: difracção de raios-X, espectroscopias de UV/Vis, IV e potenciometria.
4.2.2. Mecanismos da acção enzimática da A.C.; ênfase para estudos recentes.
4.3. Carboxipeptidade.
4.3.1. Funções catalíticas; características estruturais do centro activo; novas evidências experimentais.
4.3.2. Mecanismo de acção enzimática.
5. Bioquímica do fósforo.
5.1. Aspectos gerais da química do fósforo: tipos de ligação; nºs de coordenação; geometrias de ligação. Oxoaniões e seus derivados.
5.2. Fosfatos em Bioquímica. Complexos de ATP e de ADP com Mg2+. Quinases de piruvato e da creatina: estruturas dos locais activos.
6. Armazenamento e transporte de ferro.
6.1. Considerações gerais. Ciclo metabólico de um elemento.
6.2. Química biológica do ferro. Propriedades em solução aquosa: hidrólise de Fe(III); reacções redox Fe(II) / Fe(III).
6.3. Biodisponibilidade, transporte e armazenamento de ferro.
(i) Sideróforos: exemplos e modos de coordenação. Enterobactina (exemplo detalhado);
(ii) Transferrinas: funções e características estruturais. Propostas de mecanismos de actuação.
(iii) Ferritina: características estruturais do centro inorgânico.
6.4. Transporte de O2. Noção de transportadores de oxigénio.
6.4.1. Química de coordenação do oxigénio. Peroxo e superoxocomplexos: características gerais e exemplos.
6.4.2. Hemoglobina e mioglobina: estrutura, características dos centros metálicos, funções e mecanismos de acção. Alterações estruturais devidas à ligação de O2: mecanismo cooperativo.
6.4.3. Compostos modelo para a ligação reversível do O2: porfirinas "picket fence" e porfirinas "capped".
7. Metais de transição em reacções redox biológicas.
7.1. Reacções de transferência de electrões. Factores que afectam os potenciais redox em complexos de metais de transição e em metaloproteínas; sintonização de potenciais redox. Principais sistemas redox em Química Bioinorgânica.
8.2. Metaloproteínas com ferro.
7.2.1. Citocromos: funções biológicas. Citocromo c do coração do cavalo: estrutura do centro activo.
7.2.2. Rubredoxina e ferredoxinas. "Clusters" de Fe-S. Centros [1Fe-0S], [2Fe-2S], [3Fe-4S] e [4Fe-4S]: características estruturais. Exemplos da investigação desenvolvida para a elucidação estrutural de alguns centros Fe-S. Características redox: ferredoxinas e proteínas HiPIP. Problemas da "sintonização" do potencial redox de centro Fe-S pelo "ambiente" circundante: hidrofobicidade e formação de ligações de hidrogénio.
7.3. Proteínas azuis de cobre: características espectroscópicas. Plastocianina e azurina: características estruturais. Aspectos importantes na determinação da estrutura do centro activo redox da plastocianina.
8. Fixação do azoto; processo de Haber e fixação biológica.
8.1. Química do azoto: aspectos fundamentais. Química de coordenação do N2; complexos com N2 ; reactividade do N2 coordenado. Química redox; redução do N2 coordenado.
8.2. Fixação biológica do azoto; organismos envolvidos. Nitrogenase: características e modo de funcionamento. Clusters de Fe-S (centros de Fe-S) na nitrogenase. FeMoco cofactor: compostos modelo.
9. Metais em Medicina.
9.1. Referência à utilização de alguns metais, e seus compostos, em medicina: ouro, platina, ruténio, cálcio-EDTA, cobre.
Bibliografia
i). Empréstimo condicionado:
S. Lippard, J. B. Berg, Principles of Bioinorganic Chemistry,
University Science Books, Mill Valley, California, 1994
J. J. Fraústo da Silva, R. J. Williams, The Biological Chemistry of the Elements (The Inorganic Chemistry of Life), Clarendon Press, Oxford, 1991
M. N. Hughes, The Inorganic Chemistry of Biological Processes, J. Wiley, 2ª ed., 1980
R. W. Hay, Bioinorganic Chemistry, Ellis Horwood Series (Chemical Science), 1987
ii). Outros:
J. J. Fraústo da Silva, Introdução à Química da Vida, Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e de Tecnologia, Lisboa, 1985
W. Kaim, B. Schwederski, Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life (An Introduction and Guide), A Textbook Series, J. Wiley, 1st ed., Chichester, 1994
A. Cavaleiro, Química Inorgânica , Universidade de Aveiro, 1995
E. Frieden, "New Perspectives on the Essential Trace Elements", J. Chem. Educ., 1985, 62(11), 917-923
O Regente da Disciplina