Aula 9

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QUÍMICA BIOINORGÂNICA
Química Bioinorgânica
Foco Principal:
Íons metálicos e suas interações (estrutural e dinâmica) com os ligantes
biológicos;
E nas propriedades químicas que eles são capazes de exibir e conferir a um
organismo vivo.
As propriedades envolvem:
• ligação com ligantes;
• catálise;
• sinalização;
• regulação;
• sensibilidade;
• defesa e suporte estrutural.
Estuda as espécies Inorgânicas em sistemas Biológicos
Elementos Biologicamente Essenciais
Elementos essenciais para o ser humano (requer diariamente: 25 mg)
Elementos essenciais presumivelmente
Exemplos:
K, Mg, Fe, e Mo – necessidade universal (todos os organismos vivos)
Ca – abundante nas formas de vidas superiores, mas pequena participação nos
microorganismos;
V – é usado por animais, plantas inferiores e algumas bactérias;
Ni – é essencial para a maioria dos microorganismos e é usado pelas plantas, mas não existe
evidência de participação direta nos animais.
Essencialidade dos Elementos
A essencialidade dos elementos é definida por:
Uma deficiência fisiológica aparece quando o elemento é removido da dieta;
A deficiência é avaliada pela adição deste elemento na dieta
Uma função biológica é associada com o elemento.
Todo elemento essencial segue uma curva de dose-resposta
A falta pode causar sérios 
problemas de saúde, enquanto 
o excesso pode levar à morte
As concentrações ideais de 
metais para manutenção da 
vida nos organismos podem 
variar de micrograma a gramas.
Diagrama de resposta fisiológica a alteração na homeostase metálica
Classes de Elementos Biológicos 
Elementos Químicos em Sistemas Biológicos podem ser divididos
em:
 Elementos Predominantes - majoritários ( bulk): C, H, N, O, P, S
Macrominerais e íons: Na, K, Mg, Ca, Cl, PO4
3-, SO4
2-
 Elementos traço: Fe, Zn, Cu
 Elementos ultratraço:
(a) Não metais: F, I, Se, Si, As, B
(b) Metais: Mn, Mo, Co, Cr, V, Ni, Cd, Sn, Pb, Li.
Essencialidade dos Elementos
Concentrações de metais: excesso (e) e deficiência (d)
Anemia: Fe (d), Co (d), Cu (d), Mo(e)
Doença pulmão: Si (e), Ni (e), Cr(e)
Desordem psiquiátrica: Mn (e) 
Bócio: I (d e (e))
Problemas no coração (falha): Co (e)
Convulsões: Mg (d) 
Doença de Wilson (manifesta sintomas neurológicos e doença hepática): Cu (d
e (e)) 
Inibição do crescimento: Si, V, Ni, Zn, As, Mo, Mn (todos d) 
Essencialidade dos Elementos
Conteúdo de Metal Corpo Humano
Conteúdo de metal de um corpo humano ( 70 kg)
Concentrações baixas: uso para catálise
Não metais:
Conteúdo de Metal Corpo Humano x Crosta Terrestre 
Exemplo: o Al apesar de apresentar uma abundância relativa extremamente significativa só
se encontra disponível na crosta terrestre na forma de óxidos e hidróxidos insolúveis em pH
fisiológico (6-8), o que acarretará na baixa disponibilidade para ser incorporado ao
metabolismo celular.
A atividade biológica de um elemento metálico é ditada por uma combinação
de sua abundância relativa e sua biodisponibilidade.
Funções 
biológicas dos 
íons metálicos
Muitas das 
biomoléculas que 
utilizam íons metálicos 
são proteínas. 
Cerca de 30% das 
enzimas possuem um 
metal no sítio ativo
Qual a importância dos metais em sistemas biológicos?
Metaloproteínas
Transporte de O2
Hemoglobina e Hemocianina
Transferência de elétrons
Clusteres de Fe-S, proteínas do cobre e citocromos
Estrutura
Proteínas zinc-finger (dedos de zinco)
Metaloenzimas
Enzimas hidrolíticas
Catálise: adição ou remoção de H ou O em um substrato
Enzimas redox 2-elétrons (metaloenzimas protetoras)
Fixação de nitrogênio
Enzimas que catalisam reações que envolvem oxidação ou redução do substrato.
Geralmente são reações relacionadas a um processo redox de 2 elétrons:
Comunicação celular
Interações com ácidos nucléicos
Metais em Medicina
Diagnóstico e drogas (fármacos)
Qual a importância dos metais em sistemas biológicos?
Quais as características dos metais que os torna tão 
importantes como componentes dos seres vivos?
O que torna os metais tão importantes como componentes (funcionais e estruturais) dos
seres vivos é sua propensão em perder elétrons facilmente, formando íons com cargas
positivas, que tendem a ser solúveis em fluidos biológicos;
É na forma catiônica que os metais desempenham suas principais funções biológicas;
Os íons metálicos exercem um efeito indutivo pela coordenação ao sítio de reação e
servem como sítios de oxirredução pela transferência de elétrons ou átomos;
A seletividade é atingida pela disponibilização de íons de tamanho apropriado,
preferência estereoquímica, caráter duro-mole, ou potencial de redução para executar
uma determinada tarefa.
Biomoléculas x íons metálicos
Íons metálicos apresentam-se deficientes de elétrons;
Biomoléculas tais como proteínas e DNA são ricas em elétrons.
A atração entre estas oposições conduz a uma tendência geral de íons metálicos
interagirem com moléculas biológicas.
Sítios Biológicos de Coordenação dos Metais
Os íons metálicos coordenam-se com:
Lipídios
Proteínas
E, a mais uma variedade de outras moléculas.
Os sítios ligantes variam desde as carbonilas
das cadeias principais dos peptídios até aquelas
das cadeias laterais que oferecem complexação
peptídica mais específica;
Dos sítios ligantes para os íons metálicos, os
principais são fornecidos pelos aminoácidos que
forma as moléculas protéicas;
Ácidos nucléicos
Polares ácidos
P
o
la
re
s
 n
e
u
tr
o
s
P
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la
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 b
á
s
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o
s
A
p
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la
re
s
 
AminoácidosSítios Biológicos de Coordenação dos Metais:
Além dos aminoácidos,
existem vários ligantes
pequenos importantes,
dentre os quais:
• sulfeto
• carbonato
• cianeto
• monóxido de carbono
• monóxido de nitrogênio
• ácidos orgânicos
• citratos
• e a água.
Sítios Biológicos de Coordenação dos Metais
Metais e AminoácidosExemplo:
Sítios Biológicos de Coordenação dos Metais
Exemplo: Complexos – ATP e Mg2+
Ácido duro
Base duras
(Adenosina Trifosfato)
Sítios Biológicos de Coordenação dos Metais
Exemplo: DNA
A característica fundamental do DNA é aquela associada a hélice dupla e 
para isso requer íons metálicos.
POR QUE?
A hélice dupla é unida por ligações
hidrogênio;
Mas, devido a essas ligações os grupos
fosfatos se aproximem e como eles são
carregados negativamente, há uma
repulsão mútua causando uma
perturbação no sistema;
Sítios Biológicos de Coordenação dos Metais
Mg(II) > Co(II) > Ni (II) > Mn (II) > Zn (II) > Cd (II) > Cu(II)
Ordem de preferência dos fosfatos (bases duras) a se ligarem aos metais.
Para superar essa repulsão e evitar a perturbação que
poderá acarretar na não formação da hélice dupla , os
grupos fosfatos devem ser neutralizados;
Para a neutralização usa-se íons metálicos, que
permite desta forma a existência da hélice dupla.
Ligantes especiais: porfirinas
Sítios Biológicos de Coordenação dos Metais
Transporte de Oxigênio
Mioglobina
Hemoglobina
Hemocianina
Hemeritrina
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Cada uma desta proteínas faz uso de um átomo ou
par de átomos metálicos em proteínas que se
desenvolvem para servir a um tipo específico de
organismo.
1. Hemoglobina e Mioglobina: transporte de O2 nos mamíferos e na
maioria de outros animais e plantas.
2. Hemocianina: transporte de O2 em animais como moluscos e
artrópodes.
3. Hemeritrina: transporte de O2 em vermes marinhos.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transporte de Oxigênio
Mioglobina - monomérica
É uma proteína de ferro que coordena o O2
reversivelmente e controla sua concentração
no tecido.
A molécula contém vários regiões, o que lhe
confere mobilidade, e um único grupo
porfirínico localizado numa fenda entre as
hélices E e F.
O quinto ligante do Fe é o N da histidina da
hélice F.
A sexta posição do Fe é onde o oxigênio se
liga.
Região distal 
Região proximal
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transporte de Oxigênio
Mioglobina
Desoximioglobina (Mb)
Vermelha-azulada e contém 
Fe (II) e é pentacoordenada
Oximioglobina (oxiMb)
Vermelha
e é hexacoordenada
A extremidade não ligada da molécula de O2 se junta a um NH imidazólico de uma
histidina da hélice E (região distal) por ligação hidrogênio.
Quando o O2 se liga, ele coordena-se
por uma ligação mono-hapto com o
átomo de Fe, que tem sua estrutura
eletrônica ajustada pelo ligante
histidina da hélice F (região proximal).
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transporte de Oxigênio
Mioglobina
A coordenação do O2 (um ligante
receptor  de campo forte) faz com
que o Fe(II) passe de spin alto para
spin baixo, com todos os elétrons d
nos orbitais t2g. O Fe move-se para
dentro do plano do anel.
Fe2+  3d6
A ligação é frequentemente descrita em termos da coordenação do Fe (II) com um O2
singleto, com o orbital antiligante 2g duplamente ocupado do O2 atuando como um
doador  e o orbital 2g vazio do O2 recebendo um par de elétrons do Fe.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transporte de Oxigênio
Mioglobina (Mb)
O2
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transporte de Oxigênio
Mioglobina (Mb)
Em alguns casos, a desoximioglobina é oxidada a Fe(III) e é chamada de metmioglobina
(metMb).
Os íons Cl- deslocam o O2 ligado, que é liberado como superóxido.
Fe(II)O2 + Cl
-  Fe(III)Cl + O2
-
Esta reação é um tipo de oxirredução induzida por substituição de ligantes.
Em tecidos sadios, está disponível uma enzima (meta-hemoglobina 
redutase) que reduz a forma met de volta à forma Fe(II).
Desta forma é difícil o O2
ficar ligado ao ferro.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transporte de Oxigênio
Hemoglobina (Hb) - tetramérica
Presente nas células vermelhas do sangue e é utilizada pelos vertebrados para transportar
O2 dos pulmões ou das guelras para os tecidos em que o O2 será usado e no processo
reduzido a CO2.
A ligação do O2 com a Hb é igual ao da Mb.
Estrutura Proteína
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transporte de Oxigênio
Estado tenso (T)
Estado relaxado (R)
Quando em baixa pressão parcial de O2 e maior
acidez, a Hb apresenta baixa afinidade pelo O2.
Isso possibilita à Hb transferir suas moléculas de O2
para a Mb.
A medida que a pressão aumenta, a afinidade da Hb
pelo O2 também aumenta e como resultado a Hb
pode capturar o O2 nos pulmões.
Isso é atribuído a existência de duas conformações:
Indicativo que a captura e a liberação de sucessivas
moléculas de O2 é cooperativa.
Curvas de ligação do O2 com a 
Hb e com a MbMaior acidez: Sague venoso 
nos tecidos musculares após 
exercício
Estado tenso (T)
Estado relaxado (R)
Músculo em 
trabalho
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transporte de Oxigênio
Cooperatividade
Quando o O2 liga a primeira 
subunidade da Hb (ligação 
fraca pois a Hb encontra no 
estado tenso (T)
Fe2+ contrai e permite que ele se 
mova para dentro do plano do 
anel porfirínico
Este movimento é importante 
para a Hb, pois ele puxa a 
histidina proximal
Este movimento é transmitido aos outros 
sítios de ligação do O2, fazendo com que 
os outros átomos de Fe movam-se para 
uma posição mais próxima dos 
respectivos planos dos anéis
Move a hélice F, e há 
mudança conformacional
Desta forma, converte a proteína do 
estado tenso (T) ao estado relaxado (R) e 
fica aberto o caminho para estes sítios se 
ligarem ao O2 com mais facilidade
Este fenômeno é chamado de efeito 
cooperativo 
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transporte de Oxigênio
Cooperatividade
Desoxi-Hb: estado tenso (T)
Oxi-Hb: estado relaxado (R)
Mudança conformacional
A oxi-Hb é um ácido mais forte que 
a desoxi-Hb
A afinidade de Hb por O2 aumenta
também com o aumento do pH
O armazenamento do O2 na Hb
aumenta com aumento do pH
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transporte de Oxigênio
Hemocianina
proteína de Cu 
Artrópodes
Moluscos 
 No estado desoxi, cada átomo de Cu encontra-se tricoordenado e liga-se a três resíduos de
histidina através de um arranjo piramidal.
 Quando uma molécula de O2 se liga, dois átomos de Cu(I) são oxidados a Cu(II) e o
oxigênio é reduzido a O2
2-.
 Para acomodar a ligação do O2, a proteína ajusta sua conformação para promover a
aproximação dos dois átomos de Cu e os sítios do Cu tornam-se pentacoordenados – Típico
de Cu(II).
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transporte de Oxigênio
Hemeritrina
 Os dois átomos de Fe do sítio ativo da hemeritrina estão, cada um, coordenados por
cadeias laterais de aminoácidos, mas estão também ligado por duas pontes de grupos
carboxilato e por um ligante pequeno.
 Quando uma molécula de O2 se liga, dois átomos de Fe(II) são oxidados a Fe(III) e a
molécula de oxigênio se liga por uma extremidade como um íon HO2
-.
 A coordenação do O2 ocorre em apenas um dos átomos de Fe e o átomo de O distal forma
uma ligação hidrogênio com o átomo de H do hidróxido em ponte.
Desoxi-hemeritrina oxi-hemeritrina
Asp
Glu
NC = 5, 6 
Alguns organismos 
marinhos
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transferência de Elétrons
Os processos de conversão de energia envolvem reações de oxirredução.
Energia pode ser considerada com fluxo de elétrons do combustível para o oxidante.
Nos organismos vivos, os elétrons são retirados dos alimentos (o combustível) e fluem
para um oxidante, descendo de potencial que é formado por uma sequência de
receptores e doadores conhecido como cadeia respiratória.
Estes receptores e doadores são centros de Transferência de Elétrons (TE) que contêm
metal. Estes são distribuídos em três classes:
1. Clusters FeS
2. Citocromos
3. Sítios de Cu
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transferência de Elétrons
1. Clusters FeS: Ferredoxinas
Os clusters FeS são formados por
Fe(II) ou Fe(III)
Spin alto.
ligantes enxofre e em geral em
ambiente tetraédrico.
Coordenação: aos grupos tiolato (RS-)
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transferência de Elétrons: Clusters FeS
A eficiência dos clusters FeS como centros de TE rápidos é grande devido à possibilidade
de deslocalizar o elétron adicionado em vários graus, o que minimiza as alterações nos
comprimentos de ligação e diminui a energia de reorganização.
Os Clusters geralmente
efetuam transferência de
elétrons e são bons
exemplos de sistemas de
valência mista contendo
Fe(II) e Fe(III).
Eles têm potenciais de
redução negativos.
São bons agentes
redutores.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transferência de Elétrons: Clusters FeS
Potenciais de redução de alguns importantes mediadores de transferência de elétrons em
células biológicas em pH = 7
Redutores mais fortes
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transferência de ElétronsTransferência de Elétrons
2. Citocromos
Contêm um grupo de porfirina de Fe.
Os citocromos envolvidos no processo de
transferência de elétrons (TE) usam o par Fe3+/Fe2+ .
O íons Fe3+/Fe2+ são geralmente hexacoordenados
com duas ligações axiais estáveis com aminoácidos
doadores (histidina liga ao Fe pelo N imidazólico e
metionina que se liga pelo S do tioéter), estando o Fe
com spin baixo, em ambos os estados de oxidação.Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transferência de ElétronsTransferência de Elétrons
2. Citocromos
A metionina não é um ligante comum em metalproteínas,
mas como ela é um doador macio (base mole) e neutra,
espera-se que estabilize o Fe(II) em vez de Fe (III).
O potencial de redução do citocromo c é +0,26 V
mitocondria
O citocromo c mitocondrial é
encontrado no espaço intramembrana
mitocrodrial, onde ele fornece elétrons
para o citocromo oxidase, a enzima
responsável pela redução do O2 a H2O no
final da cadeia respiratória transdutora
de energia.
(III) citocromo c
(IV) Citocromo oxidase NAD =nicotinamida adenina dinucleotídeo
Citocromo c 
mitocondrial
No citocromo c, o lado do anel porfiríncio está
exposto ao solvente, sendo o sítio mais provável
para os elétrons entrarem e saírem.
A capacidade dos citocromos transferir elétrons
rapidamente está correlacionada aos orbitais d do
Fe(II) e Fe(III) em termos de um campo ligante
octaédrico, levando em consideração a
sobreposição entre os orbitais t2g, praticamente
antiligantes mas ricos em elétrons e os orbitais da
porfirina.
Fe (II) t62g e Fe(III) t
5
2g
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transferência de ElétronsTransferência de Elétrons
2. Citocromos
O elétron entra ou sai de um orbital do metal que faz sobreposição  com o orbital
molecular * (vazios) antiligante do sistema do anel.
Este arranjo permite uma melhor transferência de elétrons porque os orbitais d do átomo de
Fe estendem-se além da extremidade do anel profirínico, diminuindo a distância que um
elétron precisa vencer para se transferir entre os integrantes de um par oxirredutor.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transferência de ElétronsTransferência de Elétrons
3. Sítios de Cu
As proteínas transportadoras de elétrons que contêm cobre: Centros azuis
 Azurina plastocianina
Geometria: 
bipirâmide trigonal
(distorcida)
Geometria: tetraédrica
(distorcida)
Importante no processo de 
fotossíntese 
Cu2+Pc + e- → Cu+Pc
reduzida pelo citocromo f 
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transferência de Elétrons
3. Sítios de Cu
Nas proteínas de centros azuis, na forma oxidada, o Cobre está coordenado na forma de
complexos de cobre (II).
Potencial de redução do par oxirredutor Cu(II)/Cu(I): 0,15 a 0,7 V .
São mais oxidantes que os citrocromos.
A cor azul intensa, estado oxidado, resulta da transferência de carga do ligante (tiolato)
para o metal.
A geometria fortemente distorcida é em virtude dos dois estados de oxidação em
equilíbrio:
Cu (I) – d10  preferência geométrica de coordenação: tetraédrica ou bipirâmide trigonal.
Cu(II) – d9  preferência geométrica de coordenação: quadrado planar ou piramidal
quadrada.
Cu2+ + e-  Cu+ Reversível 
As posições dos ligantes nas formas oxidada e reduzida são relativamente as mesmas, assim, 
energia de reorganização é pequena  transferência rápida e eficiente de elétrons
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transferência de Elétrons
3. Sítios de Cu
O centro binuclear do Cu conhecido como CuA está
presente na citocromo c oxidase e na N2O redutase.
N2O redutase cataliza a etapa final do processo de
desnitrificação (redução do nitrato a N2 por bactérias).
N2O + 2H
+ + 2e- → N2 + H2O
O papel do centro binuclear do CuA é ser aceptor de
elétrons.
Os dois átomos de Cu estão, cada um deles, coordenados
a dois grupos imidazóis e a um par de ligantes tiolato de
cisteínas que agem como ligantes em ponte.
Na forma reduzida os átomos de Cu são Cu(I).
A forma reduzida sofre oxidação de um único elétron
para fornecer uma espécie paramagnética púrpura em que
o elétron desemparelhado é compartilhado entre os dois
átomos de Cu.
Novo cluster: CuZ
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Transferência de Elétrons
3. Sítios de Cu
Cluster: CuZ, possui 4 átomos de Cu – tetraédro distorcido 
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas
Estrutura
2. Proteínas zinc-finger (dedos de zinco)
O íon zinco é fundamental para garantir a estabilidade
deste tipo de domínio.
Na ausência do íon, o domínio desdobra-se e torna-se
demasiado pequeno para hospedar um núcleo
hidrofóbico
Dedos de zinco são proteínas estruturais – caracterizados pela sequência:
CX2-4C...HX2-4H (C = cisteína, H= histidina e X = um aminoácido qualquer).
Têm a propriedade de se ligarem ao DNA.
Dois resíduos de cisteína e dois de histidina interagem com o íon zinco.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Ferro
1. Transporte e armazenamento seletivo de ferro
O ferro é essencial para quase todos as formas de vida, principalmente, para assegurar o
transporte de oxigênio e catalisar reações de transferência de elétrons, de fixação de
nitrogênio ou síntese DNA.
No entanto, o Fe é dificil de ser obtido e o excesso representa um sério risco - é tóxico por
causa de sua capacidade para reagir com o oxigênio.
Estados de oxidação mais comum: Fe (II) e Fe(III).
Mas, o Fe(III) que é o estado de oxidação mais estável encontrado na maioria dos
minerais, não é muito solúvel (em pH 7 o Fe(III) é insolúvel) e torna a captura efetiva por
uma célula uma grande dificuldade.
Outro problema do ferro, além toxicidade na “forma livre” é a geração de radicais OH.
Fe(II) + 3O2→Fe(III) + O
2•−
Para evitar a reação descontrolada do Fe com espécies oxigenadas, é necessário um
ambiente de coordenação protetor.
Os organismos vivos desenvolveram um grande número de proteínas que permitem
transportar o ferro dentro de fluidos biológicos ou através das membranas celulares, pelo
que, se encontra facilmente em reserva sob uma forma não tóxica.
São ligantes polidentados pequenos que possuem uma afinidade muito grande pelo ferro
(III).
Todos os compostos com os sideróforos são octaédricos e átomos doadores duros, N e O
(campo forte – alta energia).
1. Transporte e armazenamento seletivo de ferro
Afinidade por diferentes ligantes (S, O, N)
Alterna a configuração de alto a baixo spin (depende da força ligante do meio).
2. Sideróforos
Baixa afinidade por Fe(II)
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Ferro
2. Sideróforos
Esses ligantes são liberados por muitas células
bacterianas no meio externo, onde irão sequestrar o Fe,
formando um complexo solúvel que irá reentrar no
organismo através de um receptor específico.
Uma vez dentro da célula o ferro é liberado.
2. Proteínas transportadores de ferro em organismos 
superiores
Transferrinas (glicoproteínas):
• Sorotransferrina (plasma sanguíneo);
• Ovotransferrina (da clara do ovo)
• Lactoferrina (leite)
A complexação do Fe(III) em cada sítio envolve a ligação
simultânea de HCO3
- e CO3
2- e liberação de H+.
Apo-TF + Fe (III) + HCO3
-  Fe-TF + H+
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Ferro
2. Proteínas transportadores de ferro em organismos superiores
Transferrinas
Os ligantes nas proteínas são: um oxigênio carboxilato (Asp), o outro não está
coordenado; dois oxigênios fenólicos (Tyr) e um nitrogênio imidazólico (His).
A coordenação se completa com uma ligação bidentada de um carbonato exógeno que
é chamado de ligante sinérgico, pois a ligação com o Fe depende de usa presença.
A esfera de coordenação é octaédrica distorcida.
como os ligantes são aniônicos, o Fe (III) se liga mais fortemente que o Fe(II).
Íons similares a Fe (III), principalmente Ga (III) e Al (III), também se liga fortemente, de
forma que esses metais também podem usar o mesmo sistema de transporte para chegar
aos tecidos.
Estabilidade do complexo diminui a medida que diminui o pH.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloproteínas - Ferro
3. Liberação de ferro da transferrina
As células que necessitam de ferro produzem uma grandequantidade de uma proteínas
chamada de receptor de transferrina.
Esta proteínas encontra-se incorporada dentro do plasma de sua membrana.
Esta proteínas liga-se a transferrina carregada de Fe.
O Ferro é liberado pela diminuição do pH para aproximadamente 5 para a
sorotransferrina e 2 a 3 para a lactoferrina.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: : Metaloproteínas - Ferro
Lactoferrina
com Fe Lactoferrina
sem Fe
Lactoferrina
com Fe
Lactoferrina
sem Fe
4. Armazenamento de ferro: Ferritina (proteína globular)
Esta proteína é o principal armazenador de
ferro não-heme nos animais.
A maioria do ferro é empregado na
hemoglobina e na mioglobina e contém 20% em
massa de ferro quando completamente
carregado.
Nos mamíferos são encontradas no baço e
sangue.
As ferritinas contêm dois componentes, um
núcleo “mineral” que contem até 4500 átomos de
ferro.
De um modo geral, as ferritinas catalisam a
oxidação do íon tóxico Fe2+ convertendo-o na
forma oxidada, Fe3+, menos tóxica (ferroxidação) e
armazenam o ferro oxidado na cavidade interior
na forma de mineral (mineralização).
A função global das ferritinas pode 
ser descrita como o processo de 
entrada (ferroxidação e 
mineralização) e o processo de 
remoção do ferro férrico do interior 
da cavidade para posterior utilização 
pela célula.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: : Metaloproteínas - Ferro
Catálise Ácido-Base: 
Vários metais são utilizados na catálise ácido-base: Zn, Fe, Mg, Mn e Ni.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloenzimas
Na catálise biológica, o zinco é um dos elementos mais utilizados devido suas
propriedades intrínsecas:
Possui alta velocidade de troca de ligante, devido seu poder polarizante:
 ligação forte com os ligantes protéicos: devido ao preenchimento dos orbitais d, a EECL é zero em
todas as geometrias de ligação encontradas, fazendo uma das geometrias ser tão estável quanto as outras.
 troca rápida de moléculas de H2O ou moléculas de substrato.
Flexibilidade da geometria de coordenação.
Ausência de uma química de oxirredução: orbital d10 complexo impossibilitando a sua participação
nas reações de oxirredução.
 o zinco se ajusta bem ao seu papel de catalisador de reações ácido-base.
1. Enzimas de Zinco:
zinco é o segundo elemento traço essencial mais abundante no organismo humano 
e é necessário à atividade de mais de 300 enzimas dos 6 tipos de classes existentes.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloenzimas
1. A família das Enzimas de Zinco:
i. Anidrase carbônica
O papel do Zn2+ nesta enzima é promover a
desprotonação da molécula de H2O ligada e
gerar o íon OH- que ataca o CO2 para formar
bicarbonato – transporte de CO2.
Zn2+ reduz o pKa da H2O de 15,7 para 7,0 e o
OH- é um nucleófilo mais poderoso do que a
H2O.
Controle do pH do sangue.
Anidrase carbônica torna mais 
rápida uma reação rápida.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloenzimas
1. A família das Enzimas de Zinco:
i. Anidrase carbônica: A catálise (básica) ocorre em 4 etapas:
O OH- coordenado que é produzido
após a desprotonação é
suficientemente nucleofílico para
atacar a molécula vizinha do CO2
ligado de forma não-covalente.
Este ataque resulta num HCO3
-
coordenado que é então liberado.
Encontrada no pâncreas para
secreção do trato digestivo, seu
papel é hidrólisar o primeiro
peptídeo ou amida ligada ao carboxil
ou C-terminal final de proteínas e
peptídeos.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloenzimas
1. A família das Enzimas de Zinco:
ii. Carboxipeptidases
Inibidor peptídico
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloenzimas
1. A família das Enzimas de Zinco:
iii. Fosfatase alcalina
Catalisa a hidrólise do monoéster de
fosfato produzindo fosfato inorgânico e
grupo fenólico:
R-OPO3
2- + H2O ROH + HOPO3
2-
Catalisa a quebra geral dos fosfatos
orgânicos, incluindo o ATP, para fornecer
fosfato necessário ao crescimento dos
ossos.O sítio ativo contém 2 átomos de Zn 
localizados a apenas 0,4 nm de 
distância, com um íon Mg próximo.
O íon fosfato faz ponte com os dois átomos 
de Zn.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloenzimas
1. A família das Enzimas de Zinco:
iv. Lactamase 
v. Álcool desidrogenase (ADH)
Produzido por algumas bactérias que são
resistentes a antibióticos como o beta-
lactâmicos (penicilinas).
O Zn é um ácido de Lewis e encontra-se ligado
ao etanol.
O Zn ativa o grupo C-OH em relação à
transferência do H como uma entidade hidreto
para a molécula de NAD+ (aceptor de H). O Zn
polariza o grupo carbonila e induz o ataque pelo
átomo de H hidrídico nucleofílico do NADH.
catalisa a oxidação do etanol a acetaldeído
CH3CH2OH + NAD
+ AD → CH3CHO + NADH + H
+
NAD =nicotinamida adenina dinucleotídeo
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloenzimas
2. Enzimas de Magnésio
O cátion Mg2+ confere menor polarização ao ligante coordenado do que o Zn2+
Mg2+ é um ácido mais franco do que o Zn2+
Mais móvel que o Zn2+ e as células contêm altas concentrações de íons Mg2+ não-
complexados.
Papel principal na catálise enzimática é no complexo Mg-ATP – enzimas que transferem
grupos fosfato, ativando o composto alvo ou fazendo com que eles mudem suas
conformações.
O Mg2+ como um complexo ligado por substrato ao
sítio ativo das quinases.
Na hexoquinase, o fosfato terminal do ATP é
transferido para glicose, formando glicose 6-fosfato.
Mg2+ coordena com o ATP para formar o verdadeiro
substrato, e pode fragilizar a ligação P-O terminal do
ATP para facilitar transferência do fosfato para glicose
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloenzimas
3. Enzimas de Ferro
Fosfatases ácidas “púrpuras” (PAPs)
Fe(II)Fe(III)
Spin alto
Zn(II) Fe(III)
sítio mole sítio duro
Ocorrem nos mamíferos (baço bovino) e no útero suíno.
Catalisam a hidrólise dos ésteres de fosfato – boa atividade em
condições leve de acidez (pH 4,9 – 6,0).
(RCH2O - PO3
2- + H2O  RCH2OH + HPO4
2-
Manutenção dos ossos e na hidrólise de proteínas fosforiladas.
Transporte de ferro e no controle fisiológico dos níveis de fosfato 1
Cor púrpura: transição de transferência de 
carga tirosinato Fe(III) (510 a 550 nm).
ocorrem em 
plantas: Fe 
reduzido é 
substituído por Zn 
ou Mn.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloenzimas
4. Enzimas que atuam sobre H2O2 e O2
 Peroxidases: 
peroxidase de rábano-de-cavalo e a citocromo c 
peroxidase
Primeiro redução de 2 e- do O2 produzindo H2O2 depois a 
reação:
H2O2 (aq) + 2e
- + 2H+ (aq)  2H2O (l)
 Oxidases
 Oxigenases
Redução do O2 cataliticamente:
A redução tetraeletrônica de O2 a H2O é uma reação fundamental
realizada pelos organismos vivos no final da cadeia respiratória, durante
o ciclo de produção de energia nas mitocôndrias.
produção de energia
síntese de moléculas
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloenzimas
4. Enzimas que atuam sobre H2O2 e O2
Catalase, peroxidade e superóxido dismutase
Ambos altamente reativo e tóxico
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloenzimas
4. Enzimas que atuam sobre H2O2 e O2
Dismutase superóxido bovina (BSOD)
Catálise via redução e reoxidacão do íon Cu para formar H2O2 ou oxigênio.
Proteínas que contém dímeros de Zn e Cu
O sítio catalítico tem Cu
O papel do Centro do Zn é estrutural
Varredora de radicais 
livres
“defesa antioxidante na 
maioria das células 
expostas ao oxigênio”
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloenzimas
4. Enzimas que atuam sobre H2O2 e O2
Peroxidases (rábano-de-cavalo)
Reage para dar mais radicais
Neste processo está envolvido a formação de Fe(IV) – Fe (IV) é um intermediário
importante para inúmeros processos biológicos.
Oxida substratos orgânicos
H2O2 aceitadorde e
-
A é a molécula que sobre a oxidação
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloenzimas
4. Enzimas que atuam sobre H2O2 e O2
Catalase
Uma rota altamente eficiente para remoção do peróxido de hidrogênio
Mecanismo:
Catalase remove o H2O2 sem
produção de radicais, é uma
das enzimas mais eficiente que
se conhece para esse processo.
Catalase tem 4 
grupos heme e tem 
4 cadeias 
polipeptidicas com 
mais de 500 
aminoácidos
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Metaloenzimas
5. Reações de enzimas contendo Cobalto
Coenzima B12 é conhecida como
cobalaminas, são complexos
macrocíclicos de cobalto.
O átomo de cobalto ocorre em
três estados de oxidação, Co(III),
Co(II) e Co(I).
Todos de spin baixo
Co(III) é hexacoordenado (d6)
Co(II) é pentacoordenado (d7) e o
elétron desemparelhado está no
orbital dz2.
C(I) é tetracoordenado com
geometrias quadrática plana.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Medicina
1. Terapia por quelação
O ferro livre é muito tóxico, devido
sua capacidade de produzir radicais
através da reação com o O2.
Seus níveis são controlados por
sistemas reguladores.
Pessoas com desordem genética resulta na quebra de desta capacidade reguladora,
ocorrendo uma sobrecarga de Fe, pois o corpo não é capaz de produzir porfirinas em
quantidades suficientes.
As desordens são tratadas com uma terapia de quelação, que corresponde à
administração de um ligantes sequestrador de Fe, que permite que o Fe seja excretado.
Também são usados este tipo de ligante para tratamento de pessoas que foram
contaminadas com o Pu (IV) e Pu (III), pois possuem densidades de carga próximas às do
Fe(II) e Fe(III).
Ligantes quelantes do tipo sideróforo foram desenvolvidos para 
esse fim também, exemplo ligante com grupo Catecol.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Medicina
2. Tratamento do câncer
O complexo cis-platina – cis-[PtCl2(NH3)2], descoberto em 1964 foi um dos primeiros a ser
usado.
O isômero trans-[PtCl2(NH3)2], é inativo.
A base molecular da ação quimioterápica da cisplatina e de outras drogas correlatas é a
formação de um complexo estável entre a Pt(II) e o ADN (DNA).
A coordenação da Pt causa a dobra da
hélice do DNA.
Os Grandes problemas dessa droga são os
efeitos colaterais.
O grande desafio na quimioterapia do
câncer é identificar complexos que serão
seletivos para as células malignas, deixando
as células sadias sem serem atacadas.
Alguns complexos de Ru estão sendo usados para essa finalidade. O tratamento é conhecido
como fototerapia, porque o Ru sobre interação seletiva como ADN e são ativados por
irradiação.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Medicina
3. Drogas antiartríticas
Complexos de Au são usados no
tratamento da artrite reumática
doença inflamatória que afeta o tecido ao 
redor das juntas. A inflamação começa pela 
ação de enzimas hidroliticas nos 
compartimentos das células conhecidas 
como lisossomos.
Uma das hipóteses é que o Au acumula-
se nos lisossomos e inibe as enzimas
hidrolíticas.
A outra é que os compostos de Au (I)
desativam o O2 singleto, uma espécie
prejudicial que pode ser formada por
oxiadação do superóxido.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Medicina
3. Drogas antiartríticas
Todos os compostos de Au com essa finalidade apresentam coordenação linear e o
Au está no estado de oxidação +1.
Como o Au é um ácido mole, seu alvo são os grupos sulfurados das cadeias laterais
de cisteína das proteínas.
No entanto, os compostos de Au causam efeitos colaterais, como alergias de pele,
problemas renais e gastrointestinais.
(1) sodium aurothiomalate (Myochrisin TM) , (2) aurothioglucose (Solganol TM), (3) Auranofin (Riduara TM)
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Medicina
4. Agentes de Contraste
Dentre os complexos metálicos (Fe(III) e Mn(II)) os complexos de Gd (III) (f7) são os mais
usados como agentes de contraste para obtenção de imagem por ressonância magnética.
Os complexos de Gd são capazes de aumentar o contraste entre diferentes tecidos e
realçar detalhes tais como anomalias da barreira sangue-cerébro.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Medicina
4. Agentes de Contraste
Gd3+ : como agentes de contraste para imagem por RM
momento magnético elevado
 só tem um estado de oxidação disponível em
potenciais acessíveis biologicamente, o que é uma
vantagem assumindo-se que o metabolismo pela
oxidação ou redução tem tendência para produzir
baixa tolerância in vivo.
 Dy3+ e Ho3+ possuem momentos magnéticos maiores
que o Gd(III), mas a assimetria dos seus estados
eletrônicos leva a uma rápida relaxação dos spins
eletrônicos, induzindo uma velocidade de relaxação
muito lenta dos prótons da água.
 lenta relaxação do seu spin eletrônico.
Apesar do Gd3+:
Paramagnetismo elevado.
E da coordenação direta com várias moléculas de H2O
Gd(H2O)n
3+, n = 8 e 9 (R1 = 26,5 mM-1S-1 a 25ºC)*
R1 = relaxividade: é definida como sendo o aumento da relaxação longitudinal dos prótons
da água para uma concentração de um milimolar (1mM) do composto paramagnético.
A administração do íon livre é impraticável devido à sua elevada toxicidade em condições
in vivo.
Por esta razão ele é ligado a agentes quelantes ou macromoléculas biológicas de forma a
reduzir a sua toxicidade e, ao mesmo tempo, melhorar a sua especificidade para
determinados tecidos ou órgãos.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Medicina
4. Agentes de Contraste
Quelatos iônicos e hidrofílico
*R1 = 4,3 mM-1S-1 *R1= 4,2 mM-1S-1
LD50 = 5,6 mmol K
-1 LD50 = 11 mmol K
-1
*a 25ºC, pH = 7,4 e 1H freq.(MHz) =20 
não-iônicos e hidrofílico
(Gd-HP-DO3A)(Gd-DTPA-BMA)
R1 = 4,39 mM-1S-1 ( 25ºC) R1= 3,7 mM-1S-1 (40ºC, 20 MHz)
iônicos e lipofílico
(Gd-EOB-DTPA)
R1 = 5,3 mM-1S-1 (37ºC)
LD50 = 14,8 mmol K
-1 LD50 = 12 mmol K
-1
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Medicina
5. Quelatos de Gd usados em RM
Atualmente todos os quelatos de Gd aprovados para uso em IRM tem número de 
coordenação (NC) nove.
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Medicina
5. Quelatos de Gd usados em RM
 alta estabilidade  baixa osmolalidade
 alta tolerância
As principais características requeridas são:
 alta relaxividade
Funções Biológicas e Íons Metálicos: Medicina
4. Agentes de Contraste
dendrímeros: nova classe de ligantes estudada
Questões para nota:
1. Descreva, justificando, por que o DNA necessita de íons metálicos nas
suas estruturas?
2. A mioglobina é uma proteína de ferro responsável pelo transporte de
oxigênio, ela contém um grupo porfirínico ao qual o ferro está ligado aos
seus 4 N. A quinta ligação do Fe é ao átomo de N da histidina. O sexto
ligante é um dos átomos da molécula de O2. O que acontece com o Fe (II)
quando o O2 é ligado a ele? Comente a respeito das propriedades
magnéticas, antes e depois da ligação com a molécula de O2.
3. Quais são os metais classificados como elemento traço nos sistemas
biológicos?
4. Os ligantes sideróforos possuem como átomos doadores o N e O. Estes
formam complexos octaédricos com o ferro. Esse ligantes têm mais
afinidade pelo Fe(II) ou pelo Fe (III). Justifique.
Responder duas questões: Questão 2 (que é obrigatória) e mais uma outra 
questão de livre escolha.