Química bioinorgânica: diferenças entre revisões

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=== Transporte e Armazenamento de Metais ===
=== Transporte e Armazenamento de Metais ===
A movimentação precisa de metais dentro dos sistemas biológicos é um espetáculo de coreografias moleculares meticulosamente orquestradas. A pesquisa nesta área se aprofunda na compreensão dos mecanismos pelos quais as células garantem a entrada, saída e redistribuição de metais, equilibrando as demandas fisiológicas.
A pesquisa nesta área se aprofunda na compreensão dos mecanismos pelos quais as células garantem a entrada, saída e redistribuição de metais, equilibrando as demandas fisiológicas.


Além dos canais iônicos e transportadores de membrana, a exploração de sideróforos e outras moléculas envolvidas na solubilização e captura de metais proporciona uma visão detalhada de como os organismos se adaptam a diferentes ambientes e competem por recursos escassos.
Além dos canais iônicos e transportadores de membrana, a exploração de sideróforos e outras moléculas envolvidas na solubilização e captura de metais proporciona uma visão detalhada de como os organismos se adaptam a diferentes ambientes e competem por recursos escassos.<ref name=":6">{{Citar periódico |url=https://www.scielo.br/j/rbhh/a/HLcTcgqkgV7VmpRWyWTTVXw/ |título=Metabolismo do ferro: uma revisão sobre os principais mecanismos envolvidos em sua homeostase |data=2008-10 |acessodata=2023-11-14 |periódico=Revista Brasileira de Hematologia e Hemoterapia |ultimo=Grotto |primeiro=Helena Z. W. |paginas=390–397 |lingua=pt |doi=10.1590/S1516-84842008000500012 |issn=1516-8484}}</ref>


No âmbito da regulação intracelular, a pesquisa analisa como proteínas especializadas mantêm homeostase, ajustando os níveis de metais essenciais para otimizar funções biológicas. Essas coreografias moleculares revelam a engenhosidade das estratégias evolutivas desenvolvidas pelos organismos para prosperar em ambientes dinâmicos
No âmbito da regulação intracelular, a pesquisa analisa como proteínas especializadas mantêm homeostase, ajustando os níveis de metais essenciais para otimizar funções biológicas. Essas coreografias moleculares revelam a engenhosidade das estratégias evolutivas desenvolvidas pelos organismos para prosperar em ambientes dinâmicos.<ref name=":6" /><ref>{{Citar periódico |url=https://www.scielo.br/j/rbhh/a/DBW7X6wnFGpbLPmr6m63sGM/ |título=Fisiologia e metabolismo do ferro |data=2010-06 |acessodata=2023-11-14 |periódico=Revista Brasileira de Hematologia e Hemoterapia |ultimo=Grotto |primeiro=Helena Z. W. |paginas=08–17 |lingua=pt |doi=10.1590/S1516-84842010005000050 |issn=1516-8484}}</ref>


== Bibliografia ==
== Bibliografia ==

Revisão das 00h14min de 14 de novembro de 2023

A química bioinorgânica, também chamada de bioquímica inorgânica, é o ramo da bioquímica que estuda o papel dos metais (em particular dos metais de transição) em sistemas biológicos.

O campo de estudos da química bioinorgânica abrange o efeito da adição de metais exteriores aos sistemas vivos (como por exemplo na avaliação da sua toxicidade ou na sua aplicação medicinal) e a determinação da estrutura e função de metaloproteínas. Esta disciplina evoluiu a partir dos estudos da química inorgânica aplicada a sistemas vivos.

História

A designação de um campo de química em rápido desenvolvimento como "bioinorgânica" parece implicar uma contradição de termos, mas essa aparente contradição reflete, na verdade, um equívoco que remonta ao início da ciência moderna. No século XIX, a química ainda era categorizada em "orgânica", referindo-se a substâncias isoladas de "organismos", e "inorgânica", relacionada a "matéria morta".[1] No entanto, essa distinção perdeu seu significado após a síntese de ureia "orgânica" a partir de cianeto de amônio "inorgânico" realizada por Wohler em 1828.[2] Atualmente, a química orgânica é definida como o estudo de hidrocarbonetos e seus derivados, incluindo certos heteroelementos não metálicos, como N, O e S, independentemente da origem do material.[3] A demanda crescente por uma designação coletiva na química dos organismos vivos resultou na criação do termo "bioquímica". No entanto, avanços analíticos destacaram a presença crucial de elementos inorgânicos em processos bioquímicos. Diversos produtos naturais parcialmente inorgânicos foram identificados, incluindo metaloenzimas, metaloproteínas não enzimáticas, produtos de baixo peso molecular, coenzimas, vitaminas, ácidos nucleicos, hormônios, antibióticos e biominerais.[3]

Embora a química bioinorgânica tenha sido explorada há muitos anos, com registros do uso de metais em poções farmacêuticas nas antigas civilizações da Mesopotâmia, Índia, China e Egito, suas primeiras aplicações práticas se manifestaram no campo agrícola.[4] Paralelamente, a bioinorgânica revelou-se crucial não apenas para avanços médicos, mas também para a compreensão de fenômenos como biomineralização e aspectos da química ambiental.[5][6][7] Cientistas renomados, como Paul Ehrlich, Minot, Murphy e Barnett Rosenberg, foram pioneiros na exploração da bioinorgânica. Suas descobertas revolucionárias não apenas ressaltaram a importância dessa área científica, mas também a destacaram como uma fonte vital de insights para a medicina moderna.

Salvarsan

Figura 1- Estrutura molecular tradicional do salvarsan (a), bem como as estruturas de trímero (b) e pentâmero (c) sugeridas pela análise espectral de massa.

Paul Ehrlich usou organoarsénico no tratamento da sífilis, numa das primeiras demonstrações da importância da química de metais em sistemas vivos.[8] Em 1907, o salvarsan foi pela primeira vez sintetizado como resultado de uma investigação sistemática realizada pelo laboratório de Ehrlich. Esse esforço tinha como objetivo analisar centenas de compostos na busca por medicamentos, conhecidos como "balas mágicas", que demonstrassem atividade antimicrobiana sem causar impactos adversos nos pacientes humanos.[9] Ehrlich e seus colaboradores publicaram, em 1912, resultados destacando as propriedades antissifilíticas do salvarsan.[8] Após modificações químicas, incluindo a introdução de mercúrio e bismuto, as penicilinas substituíram os compostos organoarsênicos no tratamento da sífilis após a Segunda Guerra Mundial.[10] Apesar de seu uso extensivo, a composição exata do Salvarsan permanece desconhecida.[11] Inicialmente, acreditava-se que uma ligação dupla ocupava o centro da molécula, conjugada com dois grupos aminofenol (Figura 1a). No entanto, em 2005, a análise espectral de massa revelou que o núcleo do salvarsan pode, na verdade, ser ocupado por ligações simples (Figura 1a e 1b).[4]

Vitamina B12

Figura 2- A estrutura da vitamina B12. A substituição do ciano por um grupo metila resultaria em metilcobalamina, um derivado da vitamina B12.

Na década de 1920, Minot e Murphy fizeram uma descoberta crucial ao encontrar um tratamento eficaz para a antes fatal anemia perniciosa. Ao suplementar a dieta com fígado, eles conseguiram reverter essa condição.[12] Essa reversão foi possível devido à presença de cianocobalamina, ou vitamina B12, no fígado. No entanto, apenas em 1948, Folkers e Smith conseguiram isolar com êxito a vitamina B12.[13] Dorothy Crowfoot Hodgkin demonstrou a presença de cobalto na vitamina B12, usada no tratamento da anemia perniciosa.[14] A molécula, apresentada na Figura 2, exibe a estrutura monomérica mais complexa encontrada na natureza e tem sido extensivamente estudada devido à sua ampla gama de funções no corpo.[15] Descobriu-se que as ligações C-Co covalentes dentro da molécula promovem a atividade catalítica. [15]A B12 atua como cofator para diversas enzimas envolvidas em reações relacionadas à síntese de ácidos nucleicos e lipídios.[16] A vitamina B12 faz parte do grupo de moléculas conhecidas como corrinoides[17], que apresentam uma estrutura cíclica com quatro anéis de pirrol semelhante à do heme e de outras porfirinas.[18]

Diferentes substituintes no anel de corrina na posição beta resultam em moléculas diferentes. Por exemplo, quando um grupo CN- está ligado a essa posição, é conhecido como vitamina B12 comum. Essa molécula é então um sistema diamagnético de Co (III) com uma configuração d6. No entanto, quando um grupo metila está ligado na posição beta, a molécula se torna o cofator biológico metilcobalamina. Esses compostos relacionados à vitamina B12 são chamados cobalamins, muitos dos quais são cofatores importantes para reações biológicas.[4]

Cisplatina

Figura 3- Estrutura quadrado planar da cisplatina.

Uma das primeiras descobertas significativas no tratamento do câncer surgiu de maneira acidental em 1965, graças ao trabalho do Dr. Barnett Rosenberg.[19] Sua pesquisa inicial sobre células em divisão o levou a realizar experimentos adicionais usando eletrodos de platina e um campo elétrico para investigar maneiras de interromper a divisão celular. Após dois anos de experimentação, Rosenberg e sua equipe perceberam que não era o campo elétrico que parava a divisão celular, mas sim o composto de platina liberado pelos eletrodos.[19] Essa descoberta levou ao desenvolvimento da cisplatina, um medicamento usado no tratamento de tumores cancerígenos.[20]

Os primeiros ensaios clínicos foram conduzidos em 1972.[19] Apesar do ceticismo inicial de alguns críticos sobre o uso de um metal pesado venenoso em um medicamento, a cisplatina foi aprovada pelo FDA em 1978 para tratar cânceres testiculares e de bexiga.[21] Ao longo do tempo, o uso da cisplatina foi expandido para incluir o tratamento de vários outros tipos de câncer, marcando o início de extensas pesquisas sobre terapias combinadas para o tratamento do câncer.[22] Mesmo sendo considerado parte da terapia padrão para muitas formas de câncer, a cisplatina ainda enfrenta limitações devido aos seus efeitos colaterais adversos.[23] Esses efeitos colaterais resultaram em restrições na dosagem administrada a pacientes, visando minimizar complicações. O íon que contém platina, [Pt(NH3)2]2+, pode se ligar covalentemente às bases nitrogenadas do DNA, alterando as vias celulares e impactando a replicação, transcrição, reparo de DNA, ciclo celular e levando à morte celular por apoptose. [20]

A molécula de cisplatina é composta por dois átomos de cloro e dois grupos NH3 que cercam um átomo central de platina (Figura 3). Quando quatro ligantes envolvem um átomo central de metal, podem adotar uma geometria tanto tetraédrica quanto planar quadrada. Contudo, devido à presença de oito elétrons d no Pt2+, há uma preferência energética para que os ligantes se organizem em uma geometria planar quadrada.[24]

Áreas de estudo

Resultando de uma mistura entre a bioquímica e a química inorgânica, a química bioinorgânica tem importância no estudo de proteínas de transferência electrónica (eletronica), actividade (atividade) enzimática de metaloenzimas, transporte e armazenamento de metais em sistemas biológicos, proteínas de transporte e activação (ativação) de oxigénio molecular (dioxigénio), entre outros.

Proteínas de transferência electrónica (eletrônica)

Proteínas de transferência eletrônica são aquelas capazes de reduzir o centro activo (ativo) de uma outra enzima (muitas vezes, também uma metaloproteína) fornecendo-lhe os electrões (eletrons) necessários para a sua actividade (atividade) enzimática.

Podem ser intermediárias entre duas outras proteínas de transporte electrónico (eletrônico), oxidando a proteína doadora e reduzindo a receptora, ou um doador electrónico (eletrônico) não proteico, como o NADH, e uma proteína. As maiores classes de proteínas de transferência electrónica (eletrônica) são:

Estas proteínas complementam a actividade (atividade) de transporte electrónico (eletrônico) da nicotinamida adenina dinucleótido (NAD) e flavina adenina dinucleótido (FAD).

Transporte e armazenamento de metais

O transporte e armazenamento de metais refere-se em específico a canais de transporte de iões (íons) através de membranas, sideróforos (moléculas que complexam metais para ajudar à sua solubilização, captura e assimilação, especialmente em bactérias) e outras proteínas envolvidas na regulação dos níveis intra e extracelulares de iões (íons) metálicos.

As metaloproteínas envolvidas no transporte e activação (ativação) do oxigênio molecular possuem na sua maioria ferro, cobre e manganês na sua estrutura. A proteína hemoglobina é possivelmente o exemplo mais conhecido de metaloproteína de transporte de oxigénio: o grupo hemo contido na estrutura da hemoglobina possui um átomo de ferro no seu centro, ao qual se liga e desliga a molécula de dioxigênio. Outros sistemas de transporte de oxigênio incluem a mioglobina, a hemocianina e a hemeritrina.

As oxidases e as oxigenases são grupos de metaloproteínas responsáveis por reacções (reações) de grande importância nos sistemas vivos, como geração de energia na citocromo c oxidase ou oxidação de pequenas moléculas na citocromo P450 oxidase ou metano monooxigenase. Algumas metaloproteínas protegem sistemas biológicos de danos causados por espécies reactivas de oxigénio, como o anião (ânion) radical superóxido ou o peróxido de hidrogénio; nestas incluem-se enzimas como as superóxido dismutases, e peroxidases como a catalase.

Sistemas bioorganometálicos como as hidrogenases e a metilcobalamina são exemplos de química organometálica encontrada em sistemas biológicos.

As vias de metabolismo de azoto usam diversas metaloproteínas. A mais reconhecida é a nitrogenase. Outra enzima de relevo nestas vias é a óxido nítrico sintase, responsável pela produção de óxido nítrico.

Metais na medicina

Vários medicamentos contêm metais. Esse tema se baseia no estudo do design e mecanismo de ação de produtos farmacêuticos que contêm metais, assim como compostos que interagem com íons de metal endógenos nos sítios ativos de enzimas. O medicamento anticancerígeno mais amplamente utilizado é o cisplatino[3].[25]

Agentes de contraste de ressonância magnética comumente contêm gadolínio. O carbonato de lítio tem sido utilizado para tratar a fase maníaca do transtorno bipolar. Medicamentos antiartríticos à base de ouro, como o auranofin, foram comercializados. Moléculas liberadoras de monóxido de carbono, que são complexos de metal, foram desenvolvidas para suprimir a inflamação liberando pequenas quantidades de monóxido de carbono. A importância cardiovascular e neuronal do óxido nítrico foi examinada, incluindo a enzima óxido nítrico sintase. Além disso, complexos de transição metálica baseados em triazolopirimidinas foram testados contra várias cepas de parasitas.[3]

Metais em Sistemas Biológicos

A interação entre metais e organismos vivos é um balé evolutivo de grande complexidade. Esta área de estudo investiga não apenas a presença de metais essenciais nos sistemas biológicos, mas também como esses elementos desempenharam papéis fundamentais na seleção natural. A evolução de vias metabólicas específicas, adaptadas para a captação e utilização eficiente de metais, revela uma história intricada de coevolução entre os organismos e seus ambientes.[26]

Além disso, a pesquisa explora como as mutações genéticas ao longo do tempo podem ter contribuído para a adaptação de organismos a ambientes ricos ou deficientes em determinados metais. A compreensão dessa dança evolutiva proporciona insights valiosos não apenas sobre a história da vida na Terra, mas também sobre como os organismos podem se adaptar a mudanças ambientais ao longo do tempo[27]

Em um nível molecular, as interações entre proteínas e metais essenciais são investigadas em detalhes, elucidando como essas macromoléculas se tornaram arquitetos evolutivos, moldando a complexidade da vida celular[28]

Transporte e Armazenamento de Metais

A pesquisa nesta área se aprofunda na compreensão dos mecanismos pelos quais as células garantem a entrada, saída e redistribuição de metais, equilibrando as demandas fisiológicas.

Além dos canais iônicos e transportadores de membrana, a exploração de sideróforos e outras moléculas envolvidas na solubilização e captura de metais proporciona uma visão detalhada de como os organismos se adaptam a diferentes ambientes e competem por recursos escassos.[29]

No âmbito da regulação intracelular, a pesquisa analisa como proteínas especializadas mantêm homeostase, ajustando os níveis de metais essenciais para otimizar funções biológicas. Essas coreografias moleculares revelam a engenhosidade das estratégias evolutivas desenvolvidas pelos organismos para prosperar em ambientes dinâmicos.[29][30]

Bibliografia

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Referências

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