1 / 46

1. Biologiczna chemia pierwiastków - wprowadzenie

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.

olathe
Download Presentation

1. Biologiczna chemia pierwiastków - wprowadzenie

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  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 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

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

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

  5. Vmax Vmax Vmax/2 szybkość reakcji V KM stężenie substratu [S] Kinetyczna analiza reakcji enzymatycznej 1.Model Michaelisa-Menten Wysycenie enzymu substratem ogranicza szybkość reakcji E + S  ES EP  E + P 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]

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

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

  8. 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 anhydraza węglanowa b) Liazy: c) Oksydoreduktazy: dehydrogenaza alkoholowa d) Inne (fosfodiesterazy, nukleazy) Przykładowe enzymy aktywowane przez Mg2+

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

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

  11. Hydroliza estru katalizowana jonem metalu

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

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

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

  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) związanymwmiejscu 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: 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

  19. Procesy przeniesienia elektronu Białka przenoszące elektrony 1. Zasady 2. Przenośniki elektronów • białka żelazowo-siarkowe • niebieskie białka miedziowe • - cytochromy 3. Przenoszenie elektronówna 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... 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.

  21. Transport elektronów T – tunelowy element macierzowy, będący miarą elektronowego sprzęże nia miedzy DA reduktorem (donorem D) a utleniaczem (akceptorem A) FC – czynnik Francka - Condona T – tunelowy element macierzowy dla R=R0 0 DA R – odległość między najbliższymi atomami w donorze i akceptorze R – odległość van der Waalsa 0 b – parametr opisujący wpływ otaczającego środowiska  – energia reorganizacji k – stała Boltzmanna T – temperatura bezwzględna D G – standardowa entalpia swobodna reakcji 0

  22. Reakcje przeniesienia elektronu 1.Przeniesienie elektronu na dużą odległość lub zewnątrzsferowe przeniesienie elektronu:pierwsze sfery koordynacyjne donora i akceptora sąniezmienione lub zmienione w minimalnym stopniu 2.Wewnątrzsferowe przeniesienie elektronu ma miejsce gdy donor i akceptor są połączone wiązaniem chemicznym w wyniku zmiany ich pierwszych sferkoordynacyjnych ps ( - Em)2 ln ET ln k = 4kB T ns ket czas s ms s 10 20 30 Odległość Å

  23. 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)

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

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

  26. Łańcuch oddechowy w mitochondriach -800 -600 800 -200 -400 600 200 400 0 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

  27. Potencjały redoks dla ważnych biologicznie par redoksowych

  28. Białka żelazo-siarkowe

  29. a b [4Fe-4S]Fd 2[4Fe-4S]Fd 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]

  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 O2 (hemocyjaniny); Przenoszenie elektronów (plastocyjanina); Reakcje utleniania (oksydazy)

  31. 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

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

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

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

  37. 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

  38. Niektóre właściwości białek przenoszących tlen

  39. Deoxyhemoglobina Oxyhemoglobina

  40. x2 - y2 x2 - y2 z2 z2 xy,zy xy,zy x y 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

  41. Deoxyhemocyjanina Oxyhemocyjanina

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

  43. Deoxyhemerytryna Oxyhemerytryna

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

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

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

More Related