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

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

G = H - T S k = e- G/ RT eS/ R e- H/ RT Go = Ho - T So kT h e- G/ RT eS/ R e- H/ RT Energia swobodna Przebieg reakcji Substraty Kompleks aktywny 1 Produkt pośredni Kompleks aktywny 2 Produkt y końcowe G#1 G#2 Go1 Go2 Go Go = Ho - T So Go = -nFEo Go = -RTlnK

Efekt katalizatora Stan pośredni Stan początkowy Stan końcowy 2 3 Energia swobodna Współrzędna reakcji 1 Stan końcowy Stan początkowy 2 3 4 Stan pośredni Efekt katalizatora

Kinetyczna analiza reakcji enzymatycznej 1. Model Michaelisa-Menten Wysycenie enzymu substratem ogranicza szybkość reakcji E + S  ES  EP  E + P szybkość reakcji V KM Vmax Vmax/2 stężenie substratu [S] Zależność szybkości reakcji od stężenia substratu dla kinetyki enzymatycznej odpowiadającej modelowi Michaelisa-Menten. Vmax - maksymalna szybkość reakcji odpowiadająca wysyceniu enzymu KM – stężenie substratu, przy którym reakcja przebiega z szybkością równą ½ Vmax KM/Vmax – miara efektywnej stałej szybkości drugiego rzędu dla reakcji enzymatycznej kkat= Vmax/E0 – (tzw. Liczba obrotów) / Eo = całkowite [E]

Wybrane funkcje metaloenzymów N2 + 8e- + 8H+  2NH3 + H2 Wiązanie atomu nitrogenaza izomeraza glukozowa Izomeryzacja usuwa końcowe aminokwasy z białek karboksypeptydaza anhydraza węglanowa fosfataza alkaliczna Enzymy hydrolityczne Reakcja Enzym Funkcja Przykłady Ochronne metaloenzymy H2 + CO2  H2CO3  H+ + HCO3- hydroliza estrów fosforanowych dysmutaza ponadtlenkowa katalaza 2O2- + 2H+  H2O2 + O2- 2H2O2  2H2O + O2 Dehydrogenazy dehydrogenaza alkoholowa watroby CH3CH2OH + NAD+  CH3CHO + NADH + H+ Reakcje metal-nukleotyd reduktaza rybonukleotydowa ryboza deoksyryboza D-glukoza  D-fruktoza Fotosynteza 2H2O  O2 + 4H+ + 4e-

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

Nieredoksowe mechanizmy wiązania i aktywacji substratu 1. Reguły i zależności 2. Biochemia Zn2+, Mg2+, Ni2+ (funkcje katalityczne) 3. Przykładowe cynkoenzymy a) Hydrolazy: karboksypeptydaza A fosfataza alkaliczna b) Liazy: anhydraza węglanowa c) Oksydoreduktazy: dehydrogenaza alkoholowa d) Inne (fosfodiesterazy, nukleazy) Przykładowe enzymy aktywowane przez Mg2+

Nieredoksowe mechanizmy wiązania i aktywacji substratu (ogólne zależności) 1. Ładunek Mn+  pKa skoordynowanej H2O [OH-]lokalne 2. Mn+(kwas Lewisa) aktywacja cząsteczki substratu zmiana aktywności po koordynacji 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 4. Wpływ bocznych łańcuchów białka na powstanie aktywnego kompleksu katalitycznego / oddziaływanie elektrostatyczne

Funkcje kofaktorów metalicznych (Zn2+, Mg2+) 1. Stabilizacja produktu pośredniego Mn+ + S Mn+ - Y Mn+ + P 2. Stabilizacja grupy zwolnionej Mn+ + SX Mn+ - XS Mn+X + S 3. Równoczesne wiązanie dwóch reaktywnych substratów; ułatwienie przebiegu reakcji przez efekt zbliżenia (matryca) Mn+ + S + X Mn+ Mn+ + SX S X

Hydroliza estru katalizowana jonem metalu

Kat(1) + H2O Kondensacja polimeru Monomery Kat(2) - H2O Hydroliza i kondensacja biopolimerów Kondensacja polimeru Monomery Kat(1) + H2O Kat(2) - H2O

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

- C – C – N – C – C  + H2O  N – C – C + H3N – C – C  H3N+ COO- aminopeptydaza endopeptydaza (=proteinaza) karboksypeptydaza - C – C – N – C – C  + H2O  N – C – C + H3N – C – C  R1 H R2 O O- peptyd składowa karboksylowa składowa aminowa - Zn – O: C O N * . . H optymalne miejsce dla nukleofilowego podstawnika - R1 – C – O – R2 + H2O  R1 – C – C + HO – R2 + H+ O O- ester kwas alkohol

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

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

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

Funkcje enzymu hydrolitycznego 1. Ułatwienie ataku nukleofilowego na peptydową grupę karbonylową: a) wytworzenie bardzo reaktywnego nukleofila b) aktywacja grupy karbonylowej 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

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

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... 5. 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.

Transport elektronów T – DA – tunelowy element macierzowy, będący miarą elektronowego sprzęże nia miedzy reduktorem (donorem D) a utleniaczem (akceptorem A) FC czynnik Francka - Condona tunelowy element macierzowy dla R=R0 R odległość van der Waalsa b parametr opisujący wpływ otaczającego środowiska  energia reorganizacji k stała Boltzmanna temperatura bezwzględna D G standardowa entalpia swobodna reakcji R – odległość między najbliższymi atomami w donorze i akceptorze

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 ps ( - Em)2 ln k = ln ET 4kB T ns ket czas s ms s 10 20 30 Odległość Å

Wg: C.C. Mosera i in. Nature, 355, 796-802 (1992) centrum reakcji podstawiony cytochrom c podstawiona mioglobina Odległość 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, 796-802 (1992)

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, 4353-4356 (1989) oraz G.L. Closs, J.R. Miller, Science, 240, 440-447 (1988)

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

NADH/NAD+ (Fe/S)N1b (Fe/S)N3,4 (Fe/S)N5,6 (Fe/S)N2 Łańcuch oddechowy w mitochondriach -800 800 600 400 200 -200 -400 -600 Bursztynian/Fumaran FAD (Fe/S)S1 NADH/NAD+ (Fe/S)N1b (Fe/S)N3,4 (Fe/S)N5,6 (Fe/S)N2 RH UQ10 b566 b562 Fe/S c1 c a Cu a3 O2

Potencjały redoks dla ważnych biologicznie par redoksowych

Białka żelazo-siarkowe

a [4Fe-4S]Fd 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]

MIEDZIOPROTEINY 1. Występowanie 2. Właściwości 3. Funkcja 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 O2 (hemocyjaniny); Przenoszenie elektronów (plastocyjanina); Reakcje utleniania (oksydazy)

Atomy donorowe przy jonie Cu: Długość wiązań 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) Struktura utlenionej plastocyjaniny z topoli, jej miejsce Cu i parametry dla miejsc Cu w różnych stanach plastocyjaniny

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

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

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

Żelazo Ruten Azot Tlen Siarka Węgiel Struktura ukazująca przyłączanie grupy [Ru(NH3)5]3+ do histydyny 33 na powierzchni cytochromu c z serca konia

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 O2 i ich produkty uboczne Enzymy ochronne (np. dysmutaza ponadtlenkowa)

ZASADY / OBSERWOWANE ZALEŻNOŚCI 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 4. Oddziaływanie z substratami i innymi białkami może bramkować przenoszenie jonów do miejsc aktywnych, gdy potencjał i czas są odpowiednie dla katalizy enzymatycznej 5. Strategie ułatwiające dwuelektronowe procesy przenoszenia wykorzystanie specjalnych metali wykorzystanie jednostek metaloporfirynowych wykorzystanie centrów dwumetalicznych 6. Centra metaliczne mogą służyć do wytwarzania i niszczenia cząstek rodnikowych, a zmiany geometrii koordynacyjnej centrum towarzyszące reakcjom redoks mogą ułatwić allosteryczne funkcje białka

Niektóre właściwości białek przenoszących tlen

Deoxyhemoglobina Oxyhemoglobina

Diagram ilustrujący strukturalne i spinowe zmiany zachodzące podczas x y xy,zy z2 x2 - y2 x2 - y2 z2 xy,zy x y Struktura mioglobiny (a) (b) Diagram ilustrujący strukturalne i spinowe zmiany zachodzące podczas Wiązania dwutlenu z żelazoporfiryną a) wysokospinowa żelazawa forma deoksy b) niskospinowa żelazowa forma oksy

Deoxyhemocyjanina Oxyhemocyjanina

Struktura deoksyhemocyjaniny i jej dwujadrowego rdzenia Cu Miedź Azot Węgiel Struktura deoksyhemocyjaniny i jej dwujadrowego rdzenia Cu

Deoxyhemerytryna Oxyhemerytryna

Struktura azydomethemerytryny i jej dwujadrowy rdzeń Fe Żelazo Azot Tlen Węgiel Struktura azydomethemerytryny i jej dwujadrowy rdzeń Fe jon N3– znajduje się w miejscu zajmowanym przez dwutlen w oksyhemerytrynie

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

R – H - + FeV = O  [R. + Fe – OH]  ROH + FeIII Mechanizm katalityczny proponowany dla cytochromu P-450. Obejście nadtlenowe przedstawiono jako XOOH przechodzące w XOH R – H - + FeV = O  [R. + Fe – OH]  ROH + FeIII H2O H2O2 e- O2 R - OH R - H 2H+ 2H+, 2e-