Química Bioinorgânica e Ciclo de Elementos na Biosfera

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BIOINORGÁNICA 
Cátedra de Química II 
Facultad de Ingeniería 
UNJu 
 
 
La Química Bioinorgánica se ocupa del estudio 
de todos aquellos sistemas biológicos que 
involucran la presencia o participación de 
metales u otros elementos y compuestos 
típicamente inorgánicos. 
 
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CICLO DE LOS ELEMENTOS EN LA BIOSFERA 
 
El intercambio de elementos entre la atmósfera, litosfera e hidrosfera, 
ilustrado en la figura 1, es un punto esencial para la existencia de la 
biosfera. 
• El nitrógeno molecular no siempre está disponible, por ser poco 
reactivo. Su transformación en productos más útiles, como el NH3, 
involucra catalizadores, además de presiones y temperaturas 
elevadas. En los sistemas biológicos las enzimas nitrogenasas 
contienen Fe y Mo, y son capaces de convertir el nitrógeno molecular 
en amoníaco, en condiciones ambientales utilizando energía 
producida por el metabolismo .Se encuentran en microorganismos 
que viven libres, o asociados a raíces de plantas, como las 
leguminosas. De esa manera, transforman el nitrógeno molecular en 
disponible por la biosfera. 
• El nitrógeno, en forma de NH3 o sus derivados, es absorbido por las 
plantas, entrando en la constitución de aminoácidos y compuestos 
nitrogenados. Viaja a través de la cadena alimentaria, hasta que, por 
la degradación biológica, el elemento nuevamente es devuelto a la 
atmósfera, completándose el ciclo. 
 
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• El oxígeno está disponible para la biosfera, como componente 
fundamental del agua y del aire. En la forma de oxígeno 
molecular, su asimilación y transporte se hacen a través de 
pigmentos que contienen hierro (por ejemplo, hemoglobina y 
mioglobina) o cobre (por ejemplo, hemocianina).las enzimas 
redox que contienen Fe o Cu, se encargan la oxidación de 
sustratos orgánicos por el oxígeno molecular , dando como 
productos finales CO2 y H2O.El proceso inverso, que hace el 
ciclo del elemento en la biosfera, es desempeñado por el 
pigmento verde de las plantas, la clorofila. En la fotosíntesis, 
CO2 y H2O se convierten en carbohidratos, por la acción de la 
luz, liberando oxígeno molecular. Al mismo tiempo, el C es 
incorporado a la biosfera. 
• Los elementos metálicos, así como los iones halogenuros, 
fosfato, sulfato y nitrato, se proporcionan a la biosfera, 
continuamente, a través de la hidrosfera y litosfera. Los 
mecanismos de incorporación desarrollados, permiten la 
acumulación selectiva de esas especies en los seres vivos. 
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Los elementos constituyentes de la biosfera 
existen en cantidades apreciables en la corteza 
terrestre, en las aguas y en el aire. Cada 
elemento en la biosfera desempeña una función 
necesaria. El papel de cada elemento en los 
sistemas biológicos introduce la cuestión de 
esencialidad de tal elemento- 
 
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MACROELEMENTOS MICROELEMENTOS, 
OLIGOELEMENTOS O 
ELEMENTOS TRAZA 
ULTRAMICROTRAZA: 
Representa 
Ref: adulto de 70 kg 
35 g y 45,5kg del 
peso 
de 0,2 a 4,2 g del 
peso 
0,003 a 0,03 g 
requerimiento superior a los 100 
mg 
inferior a los 100 
mg 
Algunos esenciales y 
otros no 
elementos Na K Cl Ca Mg P 
 C O H S N 
 
Fe F Cu Si Zn Br 
 
Mn, Mo, I, Co, Se 
(esencialidad 
reconocida) y 
Cr, Ni, As, V 
(funciones no 
bien establecidas) 
Li, Cd, Sn de 
esencialidad 
discutida 
CLASIFICACIÓN DE LOS BIOLELEMENTOS 
MACROELEMENTOS (primarios) 
 Seis de estos elementos forman parte de macromoléculas y compuestos orgánicos. 
Además, el carbono forma parte de aniones inorgánicos (bicarbonato) y el fósforo de 
compuestos orgánicos. 
 
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MACROELEMENTOS ( SECUNDARIOS) 
• Están generalmente presentes en forma iónica 
o como compuestos inorgánicos 
MICROELEMENTOS 
 
• - Fe (II/III): 
 participa de sistemas de transferencia de electrones (proteínas Fe–S, citocromos) 
 transporte y almacenamiento de oxígeno (hemoglobina, mioglobina) 
 almacenamiento de Fe (ferritina, transferritina) 
 transporte de Fe (sideroforos) 
• - Zn(II): 
 actúa como un ácido de Lewis en procesos de hidrólisis que involucran enzimas 
(carboxipeptidasa, anhidrasa carbónica) 
• - Cu: 
 sistemas de transferencia de electrones (proteínas azules) 
 transporte de Cu (ceruloplasmina) 
 enzimas (tirosinasa, citocromo oxidasa, superóxido dismutasa) 
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• Algunos problemas causados por deficiencia 
(d) o exceso (e) de elementos esenciales: 
• ✔ anemia: Fe (d), Co (d) 
• ✔ enfermedades pulmonares: Si (e), Fe (e), Cr 
(e) 
• ✔ bocio: I (e y d) 
• ✔ problemas cardíacos: Co (e), Ni (e), Mg (d), 
Se (d) 
• ✔ problemas de crecimiento: Si (d), As(d), Co 
(d), V (d), Ni (d), Zn (d), Mo (d 
El efecto de una sustancia en un organismo vivo se puede representar en 
un diagrama dosis respuesta. La forma de la curva depende de cada 
elemento, depende de variables fisiológicas y de la química del elemento 
en particular. 
• Diagrama de Bertrand 
 
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TÓXICOS 
• Tóxico es cualquier sustancia, artificial o natural, 
que posea toxicidad (es decir, cualquier sustancia 
que produzca un efecto dañino sobre los seres 
vivos al entrar en contacto con ellos). El estudio 
de los tóxicos se conoce como toxicología. 
Metales tan conocidos y utilizados como el 
plomo, mercurio, cadmio, níquel, vanadio, cromo, 
cobre, aluminio, arsénico o plata, entre otros, son 
sustancias tóxicas si están en concentraciones 
altas. Especialmente tóxicos son sus iones y 
compuestos. 
Funciones biológicas de moléculas que contienen iones metálicos 
 
 
• Muchas moléculas biológicas, llamadas biomoléculas, están 
formadas por polímeros de alto peso molecular, como 
polisacáridos, ácidos nucleicos o proteínas. Cuando una 
biomolécula se coordina a un ion metálico se forma una 
metalobiomolécula, cuyo centro es un catión metálico 
inorgánico rodeado ligandos como proteínas, porfirina o 
corrina Estructura de porfirina 
(izquierda) y corrina (derecha) La 
estructura permite que en su interior 
puedan fluir libremente electrones, los 
cuales son transportados y localizados en 
otros sitios, actuando en dos procesos 
fundamentales de la vida: 
la fotosíntesis y la respiración aeróbica. 
https://es.wikipedia.org/wiki/T%C3%B3xico
https://es.wikipedia.org/wiki/Toxicolog%C3%ADa
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Hemoglobina 
• Grupo Hemo de la hemoglobina. 
Un átomo de hierro (Fe) en el centro aparece 
en rojo, formando complejo con cuatro átomos 
de nitrógeno interiores que aparecen en azul. 
Clorofila 
https://es.wikipedia.org/wiki/Hemo
https://es.wikipedia.org/wiki/Hemoglobina
https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo
https://es.wikipedia.org/wiki/Hierro
https://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3geno
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De esta solución acuosa 
filtrada tomará distintas 
porciones para ensayar en la 
muestra vegetal la presencia 
de: 
Calcio (Ca2+) , Potasio(K+), 
Cloruros(Cl-), Hierro(Fe3+) y 
Manganeso(Mn2+ ) 
Presencia de Calcio: en un tubo de ensayo con la muestra 
filtrada agregue gotas de amoníaco concentrado y cristales 
de ácido oxálico, agite y observe. 
Reacción característica: 
 
 Ca2+(ac) + 2 NH3© + H2C2O4(s) → CaC2O4(sólido blanco) 
+ 2 NH4
+(ac) 
 
 
 
Presencia de Potasio: a una porción de la solución filtrada 
agregue Cristales de Na3[Co(NO2)6].Agite y observe. 
Reacción característica: 
 
K+ (ac) + Na3[Co(NO2)6](s) → K2Na [Co(NO2)6](sólido 
amarillo) + 2Na+ (ac) 
 
 
 
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Presencia de Cloruros: a una porción de la 
solución filtrada agregue gotas de solución de AgNO3. 
Agite y observe. 
 
Reacción característica: 
Cl- (ac) + AgNO3(ac) → AgCl (sólido blanco) + 
NO3
-(ac) 
 
Presencia de hierro y Manganeso: Disuelva el 
sólido contenido en el papel de filtro con una solución 
acuosa de HNO3 6 M. Filtre esta solución ácida y 
fraccioneen dos tubos de ensayos. 
Agregue gotas de KSCN (ac),para determinar Fe+3 
y cristales de NaBiO3(s) para Mn+2 
 
Reacciones características: 
 
 
Fe+3(ac) + 6 KSCN (ac) → K3[Fe(SCN)6](ac) + 3 K
+1 
(ac) 
 rojo sangre 
 
 
 
 
2 Mn +2(ac) + 5 BiO3 
–(s) +14 H+ → 2MnO4
- (ac) + 5 
Bi+3(ac) + 7 H2O 
 
 rosado 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Para una muestra de acelga se obtuvieron los 
siguientes resultados: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La muestra de acelga 
contiene: 
 
 
Hierro 
 
Potasio 
 
Calcio 
 
Manganeso 
 
 
 iones Cloruros