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

Biologiczna chemia pierwiastków - wprowadzenie

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

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

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

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

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

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)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 makroelementy pierwiastki śladowe uważane za niezbędne dla bakterii, roślin i zwierząt pierwiastki śladowe prawdopodobnie niezbędne dla niektórych organizmów

Log (względne rozpowszechnienie ) Bi Tl Pb Hg Pt Au Ir Os Re W Hf Ta Lu Tm Yb Er Ho Dy Tb Eu Gd Sm Nd Pr Ce La Xe Ba Te Cs I Sb Sn In Cd Pd Ag Rh Ru Mo Nb Zr Sr Y Rb Br Se Kr Ge As Ga Zn Cu V Sc Fe Ni Mn Co Cr Ti Ca K Ar Cl P Al Na F B Be Li S Mg Si Ne C O N H He 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 Liczba atomowa Log (względne rozpowszechnienie ) 5 4 3 2 1 -1 6 7 8 -2 -3 Wszechświat / Si =104

Log ze stężenia molowego [mol dm-3] 100 80 60 40 20 Liczba atomowa - 3 - 6 - 9 - 12 Log ze stężenia molowego [mol dm-3] H He Li B C N O Ne F Al Mg Na Si P S Cl Ar Ca K Sc Rb Mn V Ti Ga Cu Co Zn Ni Fe Cr Kr Sr Br As Se Ge Mo Pd Nb Zr Y Cd Ag Rh Ru In Sb Cs Xe Te Sn I Sm Nd Pr La Ce Ba Re Tb Dy Gd Eu Er Tm Ho W Hf Lu Ir Os Ta Pt Au Hg U Th Pb Bi Tl Morze

metale niemetale Cl2/HCl FeO42-/Fe3+ MnO2/Mn2+ I2/HI O2/H2O NO3-/NH4+ VO2+/V3+ Cu2+/Cu+(Cu) SeO/SeH- Fe3+/Fe2+ Mo(VI)/Mo(IV) H+/H2 Mg2+/Mg Na+/Na K+/K SiO2/SiH4 H3PO4/PH3 H3BO3/BH3 CO2/HCHO N2/NH4+ CO2/CH4 HCHO/CH4 NO3-/NH4+ I2/HI Cl2/HCl niemetale metale S/SH2 , SO42-/ SH2 4 x 109 lat temu dzisiaj Wzrost utlenienia

Formy występowania niektórych pierwiastków Pierwiastek Środowisko redukujące Środowisko utleniające Żelazo Fe(II) (wysoka) Fe(III) (niska) Miedź w postaci siarczków (niska) Cu(II) (umiarkowana) Siarka HS- (wysoka) SO42- (wysoka) Molibden [MoOnS4-n]2-, MoS2 (niska) MoO42- (umiarkowana) Wanad V3+, V(IV) siarczki (umiarkowana) VO33- (umiarkowana)

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

Tworzenie wodorotlenków Stopień utlenienia, n MnO4 Metale pH=7 Tworzenie wodorotlenków

Niemetale pH=7 Reakcje protonacji Stopień utlenienia, n 5 4 3 2 1 -1 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 Niemetale pH=7 Reakcje protonacji

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

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

Porównianie stężenia molowego pierwiastka w ciele ludzkim i w morzu - 10 - 8 Co Al - 6 Log [pierwiastek] ludzkie ciało Si Cu - 4 Zn Fe Mg Ca P - 2 K Cl - 2 - 4 - 6 - 8 - 10 Log [pierwiastek] woda morska

Niezbędne pierwiastki śladowe w organizmach pierwotnych Funkcja Pierwiastek Osmoza, równowaga elektrolityczna Na, K, Cl Reakcje fosforanów Mg Reakcje redoks, e, H, H2S, CH4, CO Fe Reakcje H, CO Ni, Co Przenoszenie atomu tlenu Mo, (W)? Hydroliza cytoplazmatyczna Mn, Co*? Wiązanie azotu V? Rola strukturalna (?) Zn?

Procent atomów w ludzkim ciele Pierwiastek Procenty Wodór Tlen Węgiel Azot Inne 62.8 25.4 9.4 1.4 1.0

Szacunkowy skład pierwiastkowy dla typowego człowieka o wadze ok.70kg Pierwiastki podstawowe i jony mineralne Tlen 44 kg Fosfor 680 g Węgiel 12.6 kg Potas 250 g Wodór 6.6 kg Chlor 115 g Azot 1.8 kg Siarka 100 g Wapń 1.7 kg Sód 70 g Magnez 42 g Pierwiastki śladowe i ultra-śladowe Żelazo 5000 mg Bar 21 mg Krzem 3000 mg Molibden 14 mg Cynk 1750 mg Bor Rubid 360 mg Arsen 3 mg Miedź 280 mg Kobalt Stront Chrom Brom 140 mg Nikiel Cyna Selen 2 mg Mangan 70 mg Lit Jod Wanad Glin 35 mg Ołów

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

M – gleba M – gleba/roztwór (blisko powierzchni) (2) dyfuzja M – gleba/roztwór ML – powierzchnia roślin (3) M + L =ML ML1 – w głębi komórki (4) ML + L1 =ML1 + L (5) ML1 + L2 =ML2 + L1 ML2 – miejsce docelowe (1’) + L (1)

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)    

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

Eliminacja jonów metalu  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  

Wybór, transport i magazynowanie metali w układach biologicznych dostępność biologiczna jonów metali strategia wzbogacania i wewnątrzkomórkowa chemia metali mało rozpowszechnionych jednostki wyspecjalizowane (kofaktory) samorzutne powstawanie klasterów korzystne i toksyczne działanie jonów metali Podsumowanie Przyroda wykorzystuje dość rozpowszechnione, kinetycznie labilne i termodynamicznie trwałe jednostki do tworzenia aktywnych centrów metaloprotein. 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)

Kontrola i wykorzystanie stężenia jonów metali w komórce poznanie mechanizmów kontrolowania stężeń jonów metali w komórkach 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 Podsumowanie Stężenia jonów metali w komórkach mieszczą się w pewnych granicach Wiązanie się jonów metali z niewłaściwymi miejscami oraz zachodzące następnie reakcje chemiczne to istotne przyczyny toksyczności jonów metali 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

Dwa sposoby absorpcji jonów metalu przez komórki: dyfuzja pasywna i transport przez kanały jonowo specyficzne MLn Mn+ dyfuzja pasywna kanał specyficzny jonowo

ENERGIA WSPÓŁRZĘDNE MIEJSCA bramka pompa

Pompy Mg2+ Pompa Ca2+ Mg2++ATP Mg • ATP Pompa Na+ K+ ATP • H+ Cl- Pobranie substratu K+ ATP • H+ H+ bio-energetyczne Cl- Pompa H+

MacKinnon Roderick Agre Peter