Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

1. Biologiczna chemia pierwiastków - wprowadzenie 2. Metalobiocząsteczki – struktura i funkcja 3. Reakcje bionieorganiczne 4. Związki nieorganiczne w medycynie.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "1. Biologiczna chemia pierwiastków - wprowadzenie 2. Metalobiocząsteczki – struktura i funkcja 3. Reakcje bionieorganiczne 4. Związki nieorganiczne w medycynie."— Zapis prezentacji:

1 1. Biologiczna chemia pierwiastków - wprowadzenie 2. Metalobiocząsteczki – struktura i funkcja 3. Reakcje bionieorganiczne 4. Związki nieorganiczne w medycynie i środowisku

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

3 GŁÓWNE FUNKCJE METALI W BIOLOGIIMetal Oddziaływanie metal- ligand bilogiczny Funkcja Na +, K + bardzo słabe równowaga osmotyczna przenośnik ładunku mechanizmy gradientu i kontroli neutralizacja ładunku stabilizacja struktury (K + ) Mg 2+, Ca 2+ umiarkowane stabilizacja struktury wyzwalanie sygnałów (Ca 2+ ) aktywacja enzymów (Mg 2+ słaby kwas Lewisa) hydroliza Metale przejściowe mocne lub bardzo mocne Reakcje utleniania-redukcji Transport O 2 (Fe, Cu) Zn 2+ mocne aktywacja enzymów (kwas Lewisa) stabilizacja struktury kontrola pH

4 Ligandy biologiczne 1. Białka, peptydy 2. Kwasy nukleinowe, nukleotydy 1. Makrocykle 2. Dimery i klastery metali (S 2- lub O 2- ) 3. Polisacharydy 4. Lipidy Specyficzne ugrupowania 5. Małe cząsteczki i jony

5 (D) chlorofil Domena wiążąca Ca 2+ (fosfolipaza A 2 ) Centrum hemowe w mioglobinie Palec cynkowy

6 NH 2 N - końcowego aminokwasu CO 2 - C - końcowego aminokwasu grupy funkcyjne w łańcuchach bocznych reszt aminokwasowych (O, N, S donory) N, O wiązanie peptydowe Białka, peptydy O - donory Kwas asparaginowy –CH 2 CO 2 H Kwas - hydroksyasparaginowy –CH(OH)CO 2 H Kwas -karboksyglutaminowy –CH 2 CH(CO 2 H) 2 Tyrozyna –CH 2 OH Kwas glutaminowy –CH 2 CH 2 CO 2 H S - donory Cysteina –CH 2 SH Metionina –CH 2 CH 2 SMe N - donory Histydyna –CH 2 N NH Lizyna –CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 NH 2 Arginina –CH 2 CH 2 CH 2 NH C + NH 2

7 Struktura karboksypeptydazy A z trzustki wołu i jej zawierającego cynk miejsca aktywnego

8 Struktura dysmutazy ponadtlenkowej Cu-Zn i jej katalitycznego dwumetalicznego rdzenia Miedź Cynk Azot Tlen Węgiel

9 Struktura deoksyhemocyjaniny i jej dwujadrowego rdzenia Cu Miedź Azot Węgiel

10 Struktura anhydrazy węglanowej i geometria jej cynkowego miejsca aktywnego

11 Jon metalu DNA R - białko Oddziaływanie białko - DNA

12 Palec cynkowy

13 Ca 2+ Polisacharydy Schematyczny model chelatowania jonów wapnia przez polisacharydy Typy oddziaływań polisacharydów z jonami nieorganicznymi (niespecyficzne i specyficzne) Istotne efekty: 1. Ogólny efekt solny (Debey-Hiickel- Onsager) 2. Specyficzne efekty wiązania kationów (Bjerum)

14 K +, Mg 2+, RPO 4 2- R – C – O - CH 2 O R – C - O – CH - CH 2 - O O PO 2 - O-CH 2 -CH 2 -N + (CH 3 ) 3 Na + Ca 2+ Cl - SO 4 2- Podwójna warstwa lipidowa Lipidy

15 Porfiryna Koryna Chloryna Faktor 430 Wyspecjalizowane jednostki Tetramakrocykle

16 Struktura mioglobiny

17 Fe SCys S S Fe S Cys S S Fe S Cys FeS Cys Dimery i klastery z jonami metali Poliferooksoklastery (Fe 2 O) 2+ Białka żelazowo-siarkowe Fe1 Fe2

18 Struktura białka R2 bakteryjnej reduktazy rybonukleotydowej; widoczny jest dwujądrowy rdzeń Fe i pobliski rodnik tyrozylowy

19 Fe SCys S S S Fe S S S S S SCys S Fe SCys S S Fe SCys S Fe SCys

20 a) Struktura miejsca aktywnego zredukowanej postaci białka wysokopotencjałowego z Chromatium vinosum, a [4Fe-4S]Fd2[4Fe-4S]Fd b b) Schemat struktury utlenionej postaci ferredoksyny z Peptoccocus aerogenes, ukazujący dwa skupiska [4Fe-4S]

21 Chemia Koordynacyjna Chemia Bionieorganiczna 1.1 Twarde-miękkie kwasy-zasady 1.2 Stałe trwałości 1.3 Efekt chelatowy 1.4 pK a skoordynowanych ligandów 1.5 Modyfikowanie potencjałów redoks 1.6 Efekt biopolimerowy 2.1 Wymiana własna ligandów 2.2 Reakcje substytucji 2.3 Reakcje przeniesienia elektronu 3. Struktura elektronowa i stereochemia jonów metali w układach biologicznych 4. Reakcje skoordynowanych ligandów 5. Kompleksy modelowe i koncepcje spontanicznej samoorganizacji 1. Aspekty termodynamiczne 2. Aspekty kinetyczne

22 Kation Liczba koordynacji Geometria Na + 6Oktaedryczna K+K+K+K+6-8Zmienna Mg 2+ 6Oktaedryczna Ca Zmienna Mn 2+ (d 5 ) 6Oktaedryczna Fe 2+ (d 6 ) 4Tetraedryczna 6Oktaedryczna Fe 3+ (d 5 ) 4Tetraedryczna 6Oktaedryczna Co 2+ (d 7 ) 4Tetraedryczna 6Oktaedryczna Ni 2+ (d 8 ) 4Kwadrat 6Oktaedryczna Cu + (d 10 ) 4Tetraedryczna Cu 2+ (d 9 ) 4Kwadrat Zn 2+ (d 10 ) 4Tetraedryczna 5 Piramida kwadratowa

23 Twarde i miękkie jony metali i ligandy ważne w chemii bionieorganicznej METALE LIGANDY

24 Prawdopodobne ligandy dla biologicznie ważnych jonów metali

25 Struktura utlenionej plastocyjaniny z topoli, jej miejsce Cu i parametry dla miejsc Cu w różnych stanach plastocyjaniny Atomy donorowe przy jonie Cu: N (pierścienie imidazolowe z His 87 i His 37) S (z Cys-83 i Met-92) Odkształcony tetraedr (struktura przejściowa miedzy płaską preferowana przez Cu(II) a tetraedryczna preferowaną przez Cu(I) N – Twarde zasady S – Miękkie zasady kompromis pomiędzy Cu(I) a Cu(II) Długość wiązań

26 CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA TRWAŁOŚĆ ZWIĄZKÓW KOMPLEKSOWYCH 1. Rozmiary jonów i ich ładunek Mg 2+ > Ca 2+ > Sr 2+ > Ba 2+ Lu 3+ > Eu 3+ > La 3+ trwałość rośnie gdy promień maleje Na + < Ca 2+ < Y 3+ < Th 4+ trwałość rośnie gdy ładunek rośnie 2. Konfiguracja elektronowa i LFSE 3. Polaryzowalność i elektroujemność ligandów 4. Zdolność do tworzenia wiązań 5. Liczba i wielkość pierścieni chelatowych Trwałość zależy od: a) rodzaju jonu centralnego (jego kwasowości) b) rodzaju liganda (jego zasadowości i efektu chelatowego) Mn 2+ Zn 2+ d 5 d 6 d 7 d 8 d 9 d 10 SZEREG IRVINGA-WILIAMSA

27 0,2 -0,4 -0,2 0 0,4 0,6 0,8 NAD + / NADH Flawoproteiny Cytochrom c (+0,26) Oksydaza cytochromowa Plastocyjanina (+ 0,37) Potencjały redoks (V) układów biologicznych przy pH 7 w temp C Hipip (+ 0,35) Rubredoksyna (- 0,06) Ferredoksyna (- 0,4) ½ O 2 + H + + e - ½ H 2 O (+ 0,816) H + + e - ½ H (- 0,43)

28 Al 3+ Be 2+ Mg 2+ Ni 2+ V 2+ Co 2+ Fe 2+ Mn 2+ Cr 2+ Cu 2+ Cd 2+ Zn 2+ Hg 2+ Ba 2+ Ca 2+ Sr 2+ Cs + Rb + K+K+ Na + Li + Ga 3+ In 3+ Y 3+ La 3+ Sc 3+ Lu 3+ Dy 3+ Tb 3+ Gd 3+ Ce 3+ Stała szybkości [s -1 ] Charakterystyczne stałe szybkości (s -1 ) dla reakcji wymiany cząsteczki wody w akwajonach

29 Efekt biopolimerowy - Zdolność biopolimeru do kontrolowania za pomocą trójwymiarowej struktury stereochemii i ligandów, które mogą być skoordynowane do metalu - Wpływ na lokalną hydrofilowość/ hydrofobowość - Przestrzenne blokowanie miejsc koordynacyjnych - Wiązanie wodorowe

30 FUNKCJE PIERWIASTKÓW W BIOLOGII (blok s, p, d)

31 p- blok BCNOF SiPSCl AsSeBr Sn I składniki żywych organizmów (H 2 O i związków organicznych, węglowodanów, kwasów nukleinowych i białek) obecne w wielu cząsteczkach gazowych jako aniony, pomocne w gromadzeniu materiału szkieletowego C, H, N i O stanowią 99% ludzkiego ciała (gramowe ilości)

32 s- blok H Na Mg K Ca najbardziej rozpowszechnione jony metali występujące w większości komórek w wysokich stężeniach (~mM) inicjator wielu procesów biochemicznych (Ca, Mg) trudne do obserwacji ważna rola w budowie szkieletu (Ca) niezbędne do wzrostu roślin (K) aktywatory enzymów (K, Mg) i stabilizatory struktury biomolekuł (Mg, Ca)

33 d- blok VCrMnFeCoNiCuZn Mo W uprzywilejowane w biologii, zwykle w śladowych ilościach wszystkie występują w organizmie ludzkim łatwe do obserwacji występują w sześciu klasach enzymów; ważne w aktywacji H 2, O 2 and CO 2 uczestniczą w procesach przeniesienia elektronów, łańcuchu oddechowym(Fe, Cu), fotosyntezie (Mn, Fe, Cu) oraz magazynowaniu i transporcie O 2 (Fe, Cu) ważne w metaloproteinach, w procesach katalitycznych, pełnia rolę strukturalna i regulatorową; kontrola aktywności genów (Zn)

34 Przenośniki elektronów - Cytochromy, Fe - Białka żelazo-siarkowe, - Niebieskie miedzio- proteiny, Cu METALOBIOCZĄSTECZKI Białka Inne ligandy Transport i magazynowanie Gospodarka metalami Gospodarka tlenem - Ferrytyna, Fe - Transferyna, Fe - Ceruloplazmina, Cu - Mioglobina, Fe - Hemoglobina, Fe - Hemoerytryna, Fe - Hemocyjanina, Cu Transport i magazynowanie metalu Fotoredoks Enzymy HydrolazyOksydoreduktazy Izomerazy i syntetazy - Fosfatazy, Mg, Zn, Cu - Aminopeptydazy, Mg, Zn, - Karboksypeptydazy, Zn - Oksydazy, Fe, Cu - Reduktazy, Fe, Cu, Mo - Nitrogenazy, Fe, Mo, V - Hydroksylazy, Fe, Cu, Mo - Hydrogenazy, Fe, Ni - Dysmutaza ponadtlenkowa Fe, Cu, Mn - Witamina B 12, koenzym, Co - Chlorofil, Mg - Fotosystem II, Mn - Syderofory, Fe - Szkielet Ca, Si - Na, K, transfer Inne funkcje

35 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)

36 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 detoksykację 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

37 Strukturalne aspekty biochemii metali (przefałdowanie i usieciowanie biocząsteczek) stabilizacja strukturalna białka przez jony metali Podsumowanie Powstawanie wiązań poprzecznych ma istotne znaczenie dla mechanizmów działania niektórych leków zawierających metale stabilizacja struktury kwasów nukleinowych przez jony metali wiązanie się białek do DNA struktury zorganizowane przez metal jako wskażniki konformacji Wiążąc się z miejscami aktywnymi białek tracą wszystkie lub większość skoordynowanych cząsteczek wody Przy oddziaływaniu z kwasami nukleinowymi i nukleotydami większość skoordynowanych cząsteczek wody powstaje i ułatwia organizowanie struktury Struktury trzeciorzędowe utworzone w wyniku wiązania metalu mogą ułatwiać oddziaływanie między makrocząsteczkami Metale mają działać jako szablony organizujące trójwymiarowe struktury białkowe


Pobierz ppt "1. Biologiczna chemia pierwiastków - wprowadzenie 2. Metalobiocząsteczki – struktura i funkcja 3. Reakcje bionieorganiczne 4. Związki nieorganiczne w medycynie."

Podobne prezentacje


Reklamy Google