Study of High-Valent Iron Intermediates in biological and biomimetic systems

Abstract

Los compuestos intermediarios ferrilos son relevantes en los mecanismos catalíticos durante la activación de oxígeno molecular en una amplia gama de metaloproteínas y compuestos sintéticos inorgánicos. En ese sentido, la activación de oxigeno ocurre a través de dos mecanismos de transferencia electrónica del átomo de hierro al oxígeno: esfera interna y esfera externa; es importante recalcar que el mecanismo de esfera externa es el más común en procesos de sistemas biológicos. La presencia de compuestos de hierro-oxígeno en los cuales el metal de transición se encuentra en altos estados de oxidación como intermediarios de reacción (ferril-Fe IV y ferrol-Fe V) hacen que esta reactividad sea un gran reto para un químico, debido a la dificultad que tiene el aislamiento y caracterización de dichas especies. Paralelo a esta investigación sobre sistemas biológicos, una importante rama de la química inorgánica se ha desarrollado, en esta, la síntesis de compuestos inorgánicos con características estructurales similares a los sitios activos de las metaloproteínas son capaces de imitar la reactividad de estas últimas, ayudando a comprender mucho mejor los procesos biológicos.En el presente trabajo se presentan los resultados del aislamiento y caracterización de un intermediario ferrilo generado durante el ciclo catalítico de la enzima bi-funcional catalasa-peroxidasa (CAT2) obtenida a partir del hongo Neurospora crassa. Cabe señalar que nosotros trabajamos con una mutante de la CAT2 en la cual el aminoácido aspartato 120 que es crítico para la actividad de catalasa, fue modificado genéticamente. La caracterización espectroscópica fue llevada a cabo usando UV-Vis y RPE, los resultados muestran que el sitio activo de la proteína preserva el átomo de hierro con la misma estructura electrónica cuando es comparada con la enzima en su forma nativa (HS-Fe III), sin embargo la zimografía demostró que la actividad de catalasa se ve afectada severamente mientras que la de peroxidasa está aún intacta. A través de una reacción con ácido peroxiacético fue posible generar un intermediario ferrilo de manera artificial el cual fue caracterizado mediante espectroscopias UV-Vis y RPE demostrando la presencia de Fe IV y un radical libre en un compuesto que es asignado a especies conocidas como Compuesto I (Fe IV=O Por+.). Por otro lado en un esfuerzo de intentar entender el mecanismo de reacción de esta enzima bi-funcional y otras en las cuales el mecanismo de reacción envuelve la formación de intermediarios ferrilos, en la segunda parte de este trabajo los resultados de la síntesis y la caracterización de un compuesto bio-mimético son presentados. Una de las más importantes contribuciones de esta parte, es la propuesta del uso de la clorofila como una fuente natural para obtener el ligante porfirínico para nuestro compuesto, así, la extracción de la clorofila a partir de la espinaca fue hecha y el átomo de magnesio fue extraído para generar el ligante feofitina. El proceso entero de extracción fue llevado a cabo usando técnicas cromatográficas, demostrando la composición química de los extractos en cada paso por espectroscopia electrónica. Un complejo feofitina-hierro (II) fue sintetizado y caracterizado por medio de las espectroscopias de UV-Vis y RPE, evidenciando la presencia del anillo porfirínico de la feofitina y el hierro (II) de bajo spin. La evaluación de la reactividad del compuesto frente a ácido peroxiacético fue hecha mediante un estudio cinético y espectroscopía RPE, demostrando que el PAA efectivamente reaccionaba frente al átomo de hierro causando la oxidación posterior de Fe II a Fe III. Desafortunadamente, no fue posible aislar un compuesto de hierro en altos estados de oxidación en este sistema inorgánico, sin embargo, el hecho de haber logrado demostrar que el compuesto es capaz de mostrar reactividad frente al ácido peroxi-acético es la base de la construcción de un sistema bio-mimético en el futuro cercano.