Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

1. Biologiczna chemia pierwiastków - wprowadzenie S. Lippard, J.M. Berg „Podstawy chemii bionieorganicznej” PWN 2. Metalobiocząsteczki – struktura i funkcja.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "1. Biologiczna chemia pierwiastków - wprowadzenie S. Lippard, J.M. Berg „Podstawy chemii bionieorganicznej” PWN 2. Metalobiocząsteczki – struktura i funkcja."— Zapis prezentacji:

1 1. Biologiczna chemia pierwiastków - wprowadzenie S. Lippard, J.M. Berg „Podstawy chemii bionieorganicznej” PWN 2. Metalobiocząsteczki – struktura i funkcja 3. Reakcje bionieorganiczne 4. Związki nieorganiczne w medycynie i środowisku Literatura R.W. Hay „Chemia bionieorganiczna” PWN

2 Biologiczna chemia pierwiastków - wprowadzenie

3 CHEMIA BIOLOGICZNA Chemia bioorganicznaChemia bionieorganiczna CHEMIA ŻYCIA (CHEMISTRY OF LIFE) Organiczna chemia życia (Organic Chemistry of Life) Nieorganiczna chemia życia (Inorganic Chemistry of Life) Podejście (systemy zintegrowane) Podejście molekularne

4 Transfer energii i materii Skorupa ziemska i biosfera Jądro ziemi Reakcje chemiczne h (ciepło) ciepło Materiały wulkaniczne h (ciepło) Materiały (straty) Słońce h (światło) szczątki

5 Chemia biologiczna pierwiastków - izolowane molekuły z określonymi właściwościami - umiejscowione lub/i poruszające się w komórce -aktywne jako wydzielone struktury w pewnych okresach czasu

6 Genome (genom) Proteome (proteom) Metallome (metallom)

7 Środowisko nieorganiczne Energia ze środowiska Środowisko organiczne Wewnętrzny wolny metallom [M] Proteom [P] Ligandy wewnętrzne [X] Kombinowany metallom [MX] + [MP]

8 A. Jakie pierwiastki (szczególne metale) w żywych organizmach Dlaczego one zostały wybrane przez przyrodę W jaki sposób dostają się do żywych komórek Jak jest regulowane ich stężenie B. Aspekty strukturalne Wiązanie się jonów metali z biopolimerami Wpływ jonów metali na strukturę i działanie biopolimerów Włączanie się jonów metali w miejsca aktywne C. Rola tych pierwiastków (szczególnie metali) w układach biologicznych -przenośniki elektronów -centra wiązania i aktywacji substratu (centra aktywne) -przenoszenie atomów i grup -„chipy bionieorganiczne ” D. Medycyna i środowisko diagnostyka terapia zanieczyszczenia ochrona E. Żywienie i toksykologia F. Sondy (do badania struktury i funkcji)

9 makroelementy pierwiastki śladowe uważane za niezbędne dla bakterii, roślin i zwierząt pierwiastki śladowe prawdopodobnie niezbędne dla niektórych organizmów

10

11

12 FeO 4 2- /Fe 3+ MnO 2 /Mn 2+ O 2 /H 2 O VO 2+ /V 3+ Cu 2+ /Cu + (Cu) SeO/SeH - Fe 3+ /Fe 2+ Mo(VI)/Mo(IV) H + /H 2 Mg 2+ /Mg Na + /Na K + /K SiO 2 /SiH 4 H 3 PO 4 /PH 3 H 3 BO 3 /BH 3 CO 2 /HCHO H + /H 2 N 2 /NH 4 + CO 2 /CH 4 HCHO/CH 4 NO 3 - /NH 4 + I 2 /HI O 2 /H 2 O Cl 2 /HCl niemetale metale S/SH 2, SO 4 2- / SH 2 4 x 10 9 lat temu dzisiaj Wzrost utlenienia

13 Formy występowania niektórych pierwiastków PierwiastekŚrodowisko redukujące Środowisko utleniające Żelazo Fe(II) (wysoka)Fe(III) (niska) Miedź w postaci siarczków (niska) Cu(II) (umiarkowana) Siarka HS - (wysoka)SO 4 2- (wysoka) Molibden [MoO n S 4-n ] 2-, MoS 2 (niska) MoO 4 2- (umiarkowana) Wanad V 3+, V(IV) siarczki (umiarkowana) VO 3 3- (umiarkowana)

14 Kation Anion Kompleksy hydroksylowe, oksykationy lub oxyaniony Kompleksy węglanowe Kompleksy chlorkowe Ekstrakcja pierwiastków z powierzchni ziemi do morza Grupy w układzie okresowym Główne formy występowania Log (rozpowszechnienie (ocean/skorupa ziemska))

15 Metale pH=7 Tworzenie wodorotlenków Stopień utlenienia, n MnO 4

16 Niemetale pH=7 Reakcje protonacji Stopień utlenienia, n

17 Specjacja związków nieorganicznych niektórych metali śladowych w systemach morskich (25 o C, 1 atm, pH=8, zasolenie 3.5%)

18 Kationy Aniony Cząsteczki obojętne NH 4 +, H 3 O + HCO 3 -, CO 3 2-, NO 3 - H 2 O, B(OH) 3 Na +, K + H 2 PO 4 -, HPO 4 2- CO 2, SiO 2, ( n H 2 O) Mg 2+, Ca 2+ OH -, F -, Cl -, Br -, I -, SO 4 2- N 2, NH 3, O 2 Formy występowania głównych pierwiastków o znaczeniu biologicznym (gleba, rzeki, jeziora, morze, osocze krwi w obecności tlenu)

19 Porównianie stężenia molowego pierwiastka w ciele ludzkim i w morzu Log [pierwiastek] ludzkie ciało Log [pierwiastek] woda morska Cl K Ca Mg Si P Zn Fe Cu Co Al

20 Niezbędne pierwiastki śladowe w organizmach pierwotnych Funkcja Pierwiastek Osmoza, równowaga elektrolityczna Na, K, Cl Reakcje fosforanów Mg Reakcje redoks, e, H, H 2 S, CH 4, CO Fe Reakcje H, CO Ni, Co Przenoszenie atomu tlenu Mo, (W)? Hydroliza cytoplazmatyczna Mn, Co * ? Wiązanie azotu V? Rola strukturalna (?) Zn?

21 Procent atomów w ludzkim ciele Pierwiastek Procenty Wodór Tlen Węgiel Azot Inne

22 Pierwiastki podstawowe i jony mineralne Tlen44 kgFosfor680 g Węgiel12.6 kgPotas250 g Wodór6.6 kgChlor115 g Azot1.8 kgSiarka100 g Wapń1.7 kgSód70 g Magnez42 g Pierwiastki śladowe i ultra-śladowe Żelazo5000 mgBar21 mg Krzem3000 mgMolibden14 mg Cynk1750 mgBor14 mg Rubid360 mgArsen3 mg Miedź280 mgKobalt3 mg Stront280 mgChrom3 mg Brom140 mgNikiel3 mg Cyna140 mgSelen2 mg Mangan 70 mg Lit 2 mg Jod70 mgWanad2 mg Glin35 mg Ołów35 mg Szacunkowy skład pierwiastkowy dla typowego człowieka o wadze ok.70kg

23 Środowisko Absorpcja– (ligandy wychwytujące) Przenośniki (białka) Błona komórkowa/selekcja Błony organelii / selekcja Eliminacja Transport aktywny (gradienty) Przyłączenie do białek komórkowych Białko/selekcja, wbudowanie w błony i organelle Selektywne wytrącanie Eliminacja

24 M – gleba M – gleba/roztwór (blisko powierzchni) (2) dyfuzja M – gleba/roztwór ML – powierzchnia roślin (3) M + L =ML ML 1 – w głębi komórki (4) ML + L 1 =ML 1 + L (5) ML 1 + L 2 =ML 2 + L 1 ML 2 – miejsce docelowe (1’) + L (1)

25 Separacja w biologii Błona komórkowa może być użyta jako fizyczna bariera w dyfuzji wolnych lub związanych jonów albo może zawierać selektywne pompy (in, out). Pierwiastek wolny bądź związany może być magazynowany w obrębie wewnętrznych pęcherzyków lub organelli po przejściu przez drugą błonę. Wewnętrzne polimery mogą wiązać pierwiastek (równowaga) Wewnętrzne polimery mogą przyłączać pierwiastek tworząc termodynamicznie niestabilne ale kinetycznie trwałe wiązania np. kowalencyjne wiązania w związkach organicznych Dwa spułapkowane pierwiastki mogą reagować tworząc osady (równowaga)     

26 Ładunek Wielkość jonu Rodzaj liganda Preferowaną geometrię Stabilizację Wiązanie w klaster Kontrolę stężenia metalu i liganda Współczynniki transferu (woda/białko, błona)     Selekcja ze względu na:    

27 Pompowanie metalu przez błony do płynów zewnętrznych w formie jonów lub specjalnych cząsteczek Pompowanie do wnętrza pęcherzyków magazynujących, wakuoli, jako jony lub związki Strącanie osadów w pęcherzykach, które mogą być odrzucane w postaci kulek lub zatrzymywane   Eliminacja jonów metalu 

28 Wybór, transport i magazynowanie metali w układach biologicznych  dostępność biologiczna jonów metali Podsumowanie  Przyroda wykorzystuje dość rozpowszechnione, kinetycznie labilne i termodynamicznie trwałe jednostki do tworzenia aktywnych centrów metaloprotein.  strategia wzbogacania i wewnątrzkomórkowa chemia metali mało rozpowszechnionych  samorzutne powstawanie klasterów  jednostki wyspecjalizowane (kofaktory)  korzystne i toksyczne działanie jonów metali  Wybór jonu mało rozpowszechnionego do pełnienia specyficznych funkcji jest procesem wymagającym energii.  Jony metali przenikają do komórki w wyniku pasywnej dyfuzji lub przez specyficzne kanały.  Kofaktory (z M) zwiększają przyswajalność (dostępność biologiczna) jonów metali nierozpuszczalnych w warunkach biologicznych (bionieorganiczne chipy)

29 Kontrola i wykorzystanie stężenia jonów metali w komórce  poznanie mechanizmów kontrolowania stężeń jonów metali w komórkach Podsumowanie  Wiązanie się jonów metali z niewłaściwymi miejscami oraz zachodzące następnie reakcje chemiczne to istotne przyczyny toksyczności jonów metali  szczegółowa charakterystyka strukturalna systemów transportu jonów i kanałów jonowych  udział jonów metali w komunikacji wewnątrzcząsteczkowej i miedzy- cząsteczkowej  układy w których jony metali odgrywają centralna rolę w sieciach komunikacji wewnątrzcząsteczkowej i miedzycząsteczkowej chociaż same nie są przekaź- nikami; przykład: rola NO  Stężenia jonów metali w komórkach mieszczą się w pewnych granicach  Homeostazę jonów metali i detoksykacji zapewniają m.in..: - poza komórkowe przenośniki metalu - strukturalne zmiany białek zachodzące z udziałem związków metali i kontrolujące transport przez błonę komórkową  Zmiany pH i stopnia utlenienia są wykorzystywane przez komórkę do wiązania jonów metali i przekazywania ich cząsteczkom receptora  Gradienty stężenia jonów metali umożliwiają magazynowanie oraz przekazywanie energii i informacji

30 Dwa sposoby absorpcji jonów metalu przez komórki: dyfuzja pasywna i transport przez kanały jonowo specyficzne ML n M n+ dyfuzja pasywna kanał specyficzny jonowo

31 ENERGIA WSPÓŁRZĘDNE MIEJSCA bramka pompa

32 Pompy Mg 2+ H + bio-energetyczne Pompa Ca 2+ Mg 2+ +ATP Mg ATP Pompa Na + K+K+ Pompa H + ATP H + Cl - Pobranie substratu

33 MacKinnon Roderick Agre Peter


Pobierz ppt "1. Biologiczna chemia pierwiastków - wprowadzenie S. Lippard, J.M. Berg „Podstawy chemii bionieorganicznej” PWN 2. Metalobiocząsteczki – struktura i funkcja."

Podobne prezentacje


Reklamy Google