Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

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

Podobne prezentacje


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

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

2 Transformacje chemiczne 2. Reakcje kwasowo-zasadowe, hydroliza 1. Przepływ jonów, sygnalizacja i kontrola, elektrolity 3. Reakcje przeniesienia elektronów, 4. Reakcje przeniesienia atomów (reakcje redoks) 5. Reakcje przeniesienia grup 6. Reakcje wolnych rodników 7. Zmiany konformacyjne

3 G = H - T S k = kT h e - G / RT k = kT h e S / R e - H / RT G o = H o - T S o G o = -nFE o G o = -RTlnK Energia swobodna Przebieg reakcji Substraty Kompleks aktywny 1 Produkt pośredni Kompleks aktywny 2 Produkt y końcowe G # 1 G # 2 G o 1 G o 2 G o

4 Energia swobodna Współrzędna reakcji 1 Stan końcowy Stan początkowy Stan pośredni Efekt katalizatora

5 Kinetyczna analiza reakcji enzymatycznej 1. Model Michaelisa-Menten Zależność szybkości reakcji od stężenia substratu dla kinetyki enzymatycznej odpowiadającej modelowi Michaelisa- Menten. Wysycenie enzymu substratem ogranicza szybkość reakcji E + S ES EP E + P szybkość reakcji V K M V max V max /2 V max stężenie substratu [S] V max - maksymalna szybkość reakcji odpowiadająca wysyceniu enzymu K M – stężenie substratu, przy którym reakcja przebiega z szybkością równą ½ V max K M /V max – miara efektywnej stałej szybkości drugiego rzędu dla reakcji enzymatycznej k kat = V max /E 0 – (tzw. Liczba obrotów) / E o = całkowite [E]

6 Wybrane funkcje metaloenzymów N 2 + 8e - + 8H + 2NH 3 + H 2 Wiązanie atomu nitrogenaza izomeraza glukozowa Izomeryzacja usuwa końcowe aminokwasy z białek karboksypeptydaza anhydraza węglanowa fosfataza alkaliczna Enzymy hydrolityczne Reakcja Enzym Funkcja Przykłady Ochronne metaloenzymy H 2 + CO 2 H 2 CO 3 H + + HCO 3 - hydroliza estrów fosforanowych dysmutaza ponadtlenkowa katalaza 2O H + H 2 O 2 + O 2 - 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 Dehydrogenazy dehydrogenaza alkoholowa watroby CH 3 CH 2 OH + NAD + CH 3 CHO + NADH + H + Reakcje metal-nukleotydreduktaza rybonukleotydowa ryboza deoksyryboza D-glukoza D-fruktoza Fotosynteza 2H 2 O O 2 + 4H + + 4e -

7 1. Nieredoksowe mechanizmy wiązania i aktywacji substratu 2. Procesy przenoszenia elektronu. Białka przenoszące elektrony 3. Reakcje przenoszenia atomów i grup Wybrane procesy bionieorganiczne

8 Nieredoksowe mechanizmy wiązania i aktywacji substratu 1. Reguły i zależności 2. Biochemia Zn 2+, Mg 2+, Ni 2+ (funkcje katalityczne) 3. Przykładowe cynkoenzymy a) Hydrolazy: b) Liazy: karboksypeptydaza A fosfataza alkaliczna anhydraza węglanowa c) Oksydoreduktazy: dehydrogenaza alkoholowa d) Inne (fosfodiesterazy, nukleazy) Przykładowe enzymy aktywowane przez Mg 2+

9 Nieredoksowe mechanizmy wiązania i aktywacji substratu (ogólne zależności) 3. Zwiększenie szybkości reakcji w wyniku wewnętrznego ataku w sferze koordynacyjnej jonu metalu lub umiejscowienia liganda substratu w pobliżu istotnej grupy w miejscu aktywnym metaloenzymu 1. Ładunek M n+ pK a skoordynowanej H 2 O [OH - ] lokalne 2. M n+ (kwas Lewisa) aktywacja cząsteczki substratu zmiana aktywności po koordynacji 4. Wpływ bocznych łańcuchów białka na powstanie aktywnego kompleksu katalitycznego / oddziaływanie elektrostatyczne

10 Funkcje kofaktorów metalicznych (Zn 2+, Mg 2+ ) 1. Stabilizacja produktu pośredniego M n+ + S M n+ - Y M n+ + P M n+ + SX M n+ - XS M n+ X + S 2. Stabilizacja grupy zwolnionej 3. Równoczesne wiązanie dwóch reaktywnych substratów; ułatwienie przebiegu reakcji przez efekt zbliżenia (matryca) M n+ + S + X M n+ M n+ + SX S X

11 Hydroliza estru katalizowana jonem metalu

12 Kondensacja polimeru Monomery Kat(1) + H 2 O Kat(2) - H 2 O Hydroliza i kondensacja biopolimerów

13 Synteza Monomer przez degradację Białko + X BiałkoX Hydroliza białek, RNA, DNA i innych polimerów X = jon metalu lub proces redox prowadzący do -S-S-mostków

14 H 3 N + COO - aminopeptydaza endopeptydaza (=proteinaza) karboksypeptydaza - R 1 – C – O – R 2 + H 2 O R 1 – C – C + HO – R 2 + H + O O-O- O ester kwas alkohol - C – C – N – C – C + H 2 O N – C – C + H 3 N – C – C R1R1 R1R1 H R2R2 H OO H H H HO R1R1 O-O- O peptyd składowa karboksylowa składowa aminowa - Zn – O: C O N *. H optymalne miejsce dla nukleofilowego podstawnika

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

16 Żelazo Azot Tlen Węgiel Wodór Karboksypeptydaza A z inhibitorem glicylo-L-tyrozyną (linia przerywana) związanym w miejscu aktywnym. Wiązania wodorowe z kluczowymi resztami miejsca aktywnego liniami kropkowanymi

17 Mechanizm katalizowanej przez karboksypeptydazę A hydrolizy wiązania peptydowego obejmujący ułatwione przez grupę karboksylanową utworzenie związanego z cynkiem jonu hydroksylowego, który atakuje peptydowa grupę karbonylową

18 Funkcje enzymu hydrolitycznego 1. Ułatwienie ataku nukleofilowego na peptydową grupę karbonylową: 2. Stabilizowanie tetraedrycznego produktu przejściowego, który powstaje w wyniku nukleofilowego ataku na węgiel karbonylowy 3. Stabilizowanie amidowego atomu azotu co umożliwia uwolnienie grupy aminowej i rozpad tetraedrycznego produktu przejściowego po rozerwaniu wiązania C-N a) wytworzenie bardzo reaktywnego nukleofila b) aktywacja grupy karbonylowej

19 Procesy przeniesienia elektronu Białka przenoszące elektrony 1. Zasady 2. Przenośniki elektronów -białka żelazowo-siarkowe -niebieskie białka miedziowe - cytochromy 3. Przenoszenie elektronów na dużą odległość 4. Parametry określające szybkość transportu elektronów

20 ZASADY 1. Miejsca wiązania 2. Uprzywilejowane są zwykle jednoelektronowe procesy przenoszenia 3. Kontrola potencjału redoks poprzez sprzężenie przeniesienia elektronu z przenoszeniem protonu 4. Metale zaangażowane w procesy transferu elektronu: Fe, Cu, Mo Transfer elektronu na duże odległości (nawet > 10Å) 6. Szybkość przenoszenia elektronu poprzez białka zależy głównie od: energii reorganizacji, odległości, siły napędowej 7. Środowisko odgrywa rolę bardziej subtelną, lecz w niektórych układach potencjalnie decydującą.

21 Transport elektronów T DA –tunelowy element macierzowy, będący miarą elektronowego sprzężenia miedzy reduktorem (donorem D) a utleniaczem (akceptorem A) FC–czynnik Francka-Condona T DA 0 –tunelowy element macierzowy dla R=R 0 R 0 –odległość van der Waalsa –parametr opisujący wpływ otaczającego środowiska –energia reorganizacji k–stała Boltzmanna T–temperatura bezwzględna G 0 –standardowa entalpia swobodna reakcji R – odległość między najbliższymi atomami w donorze i akceptorze

22 Reakcje przeniesienia elektronu 1. Przeniesienie elektronu na dużą odległość lub zewnątrzsferowe przeniesienie elektronu: pierwsze sfery koordynacyjne donora i akceptora są niezmienione lub zmienione w minimalnym stopniu 2. Wewnątrzsferowe przeniesienie elektronu ma miejsce gdy donor i akceptor są połączone wiązaniem chemicznym w wyniku zmiany ich pierwszych sfer koordynacyjnych ln k = ( - E m ) 2 ln ET 4k B T Odległość k et czas 20 s ms 1030 s ns ps

23 Zależność stałej szybkości przenoszenia elektronu od odległości dla kilku naturalnych i modyfikowanych przez ruten białek. W szerokim przedziale szybkości i odległości obserwuje się w przybliżeniu liniową zależność logarytmu stałej szybkości od odległości. Wg: C.C. Mosera i in. Nature, 355, (1992) centrum reakcji podstawiony cytochrom c podstawiona mioglobina Odległość

24 Wpływ siły napędowej na stałą szybkości reakcji z przeniesieniem elektronu – ilustracja obszaru inwersji Marcusa. Przedstawiono dane dla szeregu pochodnych modyfikowanego przez ruten cytochromu c (dolna krzywa) i szeregu powiązanych kowalencyjnie organicznych związków donor/akceptor (górna krzywa) Wg: T.A. Meade i in. J. Am. Chem. Soc. 111, (1989) oraz G.L. Closs, J.R. Miller, Science, 240, (1988)

25 4 hemy Żelazo nie hemowe 2 chinony 2 feofityny 4 chlorofile Centrum reakcji fotosyntetycznej z Rhodopseudomonas viridis; pokazano ogólną strukturę i położenia grup prostetycznych

26 -800 RH NADH/NAD + (Fe/S)N 1b (Fe/S)N 3,4 (Fe/S)N 5,6 (Fe/S)N 2 Bursztynian/ Fumaran FAD (Fe/S)S 1 UQ 10 b 566 b 562 Fe/S c 1 c a Cu a 3 O2O2 Łańcuch oddechowy w mitochondriach

27 Potencjały redoks dla ważnych biologicznie par redoksowych

28 Białka żelazo-siarkowe

29 2[4Fe-4S]Fd b a) Struktura miejsca aktywnego zredukowanej postaci białka wysokopotencjałowego z Chromatium vinosum, b) schemat struktury utlenionej postaci ferredoksyny z Peptoccocus aerogenes, ukazujący dwa skupiska [4Fe-4S] a [4Fe-4S]Fd

30 MIEDZIOPROTEINY 1. Występowanie Niezbędne dla większości form życia; ~ 0,1g u dorosłego człowieka, 96% Cu zawartej w krwi ssaków występuje w postaci niebieskiego białka - ceruloplazminy 2. Właściwości 3. Funkcja Transport O 2 (hemocyjaniny); Przenoszenie elektronów (plastocyjanina); Reakcje utleniania (oksydazy)

31 Długość wiązań 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)

32 CYTOCHROMY Hemoproteiny, Fe(II)/Fe(III) > 50 cytochromów Różne ligandy, różne potencjały rekoks -Cytochromy a -Cytochromy b -Cytochromy c (kowalencyjne wiązanie pomiędzy hemem a białkiem) -Cytochromy d

33 Fe Wzór strukturalny hemu c ze wskazaniem miejsca przyłączenia cząsteczki białka przy pierścieniach 1 i 2

34 Struktura cytochromu c z tuńczyka ukazująca skoordynowanie grupy żelazoporfirynowej przez reszty białka Żelazo Azot Tlen Siarka Węgiel

35 Struktura ukazująca przyłączanie grupy [Ru(NH 3 ) 5 ] 3+ do histydyny 33 na powierzchni cytochromu c z serca konia Żelazo Ruten Azot Tlen Siarka Węgiel

36 Reakcje przenoszenia atomów, cząsteczek i grup 1. Zasady / Obserwowanie prawidłowości 2. Transport cząsteczki (ditlenu) -Hemoglobina i mioglobina -Hemerytryna -Hemocyjanina 3. Reakcje przenoszenia atomu tlenu -Żelazo (np.cytochrom P450) - Molibden 4. Inne reakcje O 2 i ich produkty uboczne -Enzymy ochronne (np. dysmutaza ponadtlenkowa)

37 ZASADY / OBSERWOWANE ZALEŻNOŚCI 1.Podczas reakcji przenoszenia atomów i grup następuje wiązanie substratu i przebiegają procesy redoks, nawet gdy ostatecznym efektem reakcji nie są zmiany stopni utlenienia pierwiastków 2. Sprzężenie etapów przenoszenia protonów i elektronów zapewnia prawidłowe biologicznie potencjały redoks 3. Różne redoksowo aktywne jednostki stanowiące kwasy lub zasady Lewisa i przenoszące atomy, zlokalizowane blisko siebie w miejscu aktywnym, działają zgodnie, realizując trudne przemiany sumaryczne 5. Strategie ułatwiające dwuelektronowe procesy przenoszenia 6. Centra metaliczne mogą służyć do wytwarzania i niszczenia cząstek rodnikowych, a zmiany geometrii koordynacyjnej centrum towarzyszące reakcjom redoks mogą ułatwić allosteryczne funkcje białka 4. Oddziaływanie z substratami i innymi białkami może bramkować przenoszenie jonów do miejsc aktywnych, gdy potencjał i czas są odpowiednie dla katalizy enzymatycznej -wykorzystanie specjalnych metali -wykorzystanie jednostek metaloporfirynowych -wykorzystanie centrów dwumetalicznych

38 Niektóre właściwości białek przenoszących tlen

39 Deoxyhemoglobina Oxyhemoglobina

40 x y xy,zy z2z2 x 2 - y 2 z2z2 xy,zy x y (a)(b) Diagram ilustrujący strukturalne i spinowe zmiany zachodzące podczas Wiązania dwutlenu z żelazoporfiryną a) wysokospinowa żelazawa forma deoksy b) niskospinowa żelazowa forma oksy Struktura mioglobiny

41 DeoxyhemocyjaninaOxyhemocyjanina

42 Struktura deoksyhemocyjaniny i jej dwujadrowego rdzenia Cu Miedź Azot Węgiel

43 Deoxyhemerytryna Oxyhemerytryna

44 Struktura azydomethemerytryny i jej dwujadrowy rdzeń Fe jon N 3 – znajduje się w miejscu zajmowanym przez dwutlen w oksyhemerytrynie Żelazo Azot Tlen Węgiel

45 Główne typy reakcji katalizowanych przez cytochromy P-450 Typ reakcji Uproszczony układ Typowy substrat substrat Redukcyjna C 6 H 5 CH 2 Br C 6 H 5 C H 3 halotan dehalogenacja Alifatyczne hydroksylowanie cykloheksan cykloheksanol pentabarbital Aromatyczne hydroksylowanie benzen fenol luminal Epoksydowanie cykloheksen tlenek aldryna alkenów cykloheksenu N-odalkilowanie CH 3 N(H)CH 3 CH 3 NH 2 + H 2 C=O metadon C=O O-odalkilowanie C 6 H 5 OCH 3 C 6 H 5 OH + H 2 kodeina S-utlenianie CH 3 SCH 3 (CH 3 ) 2 S=O chloropromazyna

46 Mechanizm katalityczny proponowany dla cytochromu P-450. Obejście nadtlenowe przedstawiono jako XOOH przechodzące w XOH R – H - + Fe V = O [R. + Fe – OH] ROH + Fe III H2OH2O H2OH2O H2OH2O H2O2H2O2 H2OH2O e-e- O2O2 e-e- R - OH R - H 2H + 2H +, 2e - 2H +


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

Podobne prezentacje


Reklamy Google