1. Biologiczna chemia pierwiastków - wprowadzenie

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

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

3. GŁÓWNE FUNKCJE METALI W BIOLOGII

4. Ligandy biologiczne 1. Białka, peptydy 2. Kwasy nukleinowe, nukleotydy 3. Polisacharydy 4. Lipidy 5. Małe cząsteczki i jony Specyficzne ugrupowania 1. Makrocykle 2. Dimery i klastery metali (S2- lub O2-)

5. Palec cynkowy Centrum hemowe w mioglobinie (D) Domena wiążąca Ca2+ (fosfolipaza A2) chlorofil

6. Cysteina –CH2SH Metionina –CH2 CH2SMe Kwas asparaginowy –CH2CO2H Kwas - hydroksyasparaginowy –CH(OH)CO2H Kwas glutaminowy –CH2CH2CO2H N Histydyna –CH2 Kwas -karboksyglutaminowy –CH2CH(CO2H)2 NH Lizyna –CH2CH2CH2CH2NH2 NH2 Tyrozyna –CH2 OH Arginina –CH2CH2CH2NHC+ NH2 Białka, peptydy  N, O wiązanie peptydowe  NH2 N - końcowego aminokwasu  CO2- C - końcowego aminokwasu  grupy funkcyjne w łańcuchach bocznych reszt aminokwasowych (O, N, S donory) O - donory N - donory S - donory

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

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

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

10. Struktura anhydrazy węglanowej i geometria jej cynkowego miejsca aktywnego

11. Jon metalu R - białko DNA Oddziaływanie białko - DNA

12. Palec cynkowy

13. Ca2+ Ca2+ Polisacharydy Schematyczny model chelatowania jonów wapnia przez polisacharydy • Typy oddziaływań polisacharydów z jonami nieorganicznymi (niespecyficzne i specyficzne) • Istotne efekty: • Ogólny efekt solny (Debey-Hiickel- Onsager) • Specyficzne efekty wiązania kationów (Bjerum)

14. O R – C – O - CH2 R’ – C - O – CH - CH2 - O PO2- O O-CH2-CH2-N+(CH3)3 K+ , Mg2+, RPO42- Lipidy Podwójna warstwa lipidowa Na+ Ca2+ Cl- SO42-

15. Wyspecjalizowane jednostki Tetramakrocykle Chloryna Porfiryna Faktor 430 Koryna

16. Struktura mioglobiny

17. Fe2 Fe1 Cys S S S Cys Fe Fe S Fe S S Cys S Fe Cys S Dimery i klastery z jonami metali Poliferooksoklastery (Fe2O)2+ Białka żelazowo-siarkowe

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

19. Cys S S Cys S Cys Fe Fe S Cys S S Cys S S Fe Fe S Cys Cys S S Cys S S S Cys Fe Fe Cys S S S Cys

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

21. Chemia Bionieorganiczna Chemia Koordynacyjna 1. Aspekty termodynamiczne 1.1 Twarde-miękkie kwasy-zasady 1.2 Stałe trwałości 1.3 Efekt chelatowy 1.4 pKa skoordynowanych ligandów 1.5 Modyfikowanie potencjałów redoks 1.6 Efekt biopolimerowy 2. Aspekty kinetyczne 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

23. Twarde + 2 + 3+ 2 - H Mn Cr H O CO NH 2 3 3 + 3+ 3+ - - Na Al Co OH NO RNH 3 2 + 3+ 3+ 2 - ROH K Ga Fe CH CO2 N H 3 2 4 2+ 2+ 3+ 3 - - Mg Ca Tl PO R O RO 4 2 2 - - - ROPO (RO) PO Cl 3 2 2 Pośrednie 2+ 2+ 2+ - Fe Ni Zn NO 2 2+ 2+ Co Cu N 2 2 - SO 3 - Br - N 3 Mięk kie + 2+ 4+ Cu Pt Pt R S R P 2 3 + + 2+ - - Au Tl Hg RS CN 2+ 2+ RSH RNC Cd Pb - - (RS) PO (RO )P(O)S 2 2 2 - CO SCN - - H R Twarde i miękkie jony metali i ligandy ważne w chemii bionieorganicznej METALE LIGANDY

24. Prawdopodobne ligandy dla biologicznie ważnych jonów metali

25. 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

26. CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA TRWAŁOŚĆ ZWIĄZKÓW KOMPLEKSOWYCH d5 d6 d7 d8 d9 d10 Mn2+< Fe2+ < Co2+ < Ni2+ < Cu2+> Zn2+ 1. Rozmiary jonów i ich ładunek Mg2+ > Ca2+ > Sr2+ > Ba2+ trwałość rośnie gdy promień maleje Lu3+ > Eu3+ > La3+ Na+ < Ca2+ < Y3+ < Th4+ trwałość rośnie gdy ładunek rośnie 2. Konfiguracja elektronowa i LFSE SZEREG IRVINGA-WILIAMSA 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)

27. ½ O2 + H+ + e- ½ H2O (+ 0,816) 0,8 0,6 0,4 0 -0,2 H+ + e- ½ H (- 0,43) -0,4 Potencjały redoks (V) układów biologicznych przy pH 7 w temp. 250C Oksydaza cytochromowa Plastocyjanina (+ 0,37) Hipip (+ 0,35) Cytochrom c (+0,26) 0,2 Flawoproteiny Rubredoksyna (- 0,06) NAD+ / NADH Ferredoksyna (- 0,4)

28. 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 Rb+ Na+ Cs+ K+ Li+ Ca2+ Be2+ Mg2+ Ba2+ Sr2+ La3+ Y3+ Ga3+ Al3+ In3+ Sc3+ Dy3+ Tb3+ Gd3+ Ce3+ Lu3+ Fe2+ Ni2+ V2+ Co2+ Cu2+ Cr2+ Mn2+ Zn2+ Hg2+ Cd2+ 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. B C N O F Si P S Cl As Se Br Sn I p- blok vskładniki żywych organizmów (H2O i związków organicznych, węglowodanów, kwasów nukleinowych i białek) vobecne w wielu cząsteczkach gazowych vjako aniony, pomocne w gromadzeniu materiału szkieletowego vC, H, N i O stanowią 99% ludzkiego ciała (gramoweilości)

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

33. V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Mo W vważne w metaloproteinach, w procesach katalitycznych, pełnia rolę strukturalna i regulatorową; kontrola aktywności genów (Zn) d- blok vuprzywilejowane w biologii, zwykle w śladowych ilościach vwszystkie występują w organizmie ludzkim vłatwe do obserwacji vwystępują w sześciu klasach enzymów; ważne w aktywacji H2, O2 and CO2 vuczestniczą w procesach przeniesienia elektronów, łańcuchu oddechowym(Fe, Cu), fotosyntezie (Mn, Fe, Cu) oraz magazynowaniu i transporcie O2 (Fe, Cu)

34. - Chlorofil, Mg - Syderofory, Fe Gospodarka Gospodarka Przenośniki - Fotosystem II, Mn - Szkielet Ca, Si metalami tlenem elektronów - Mioglobina, Fe - Ferrytyna, Fe - Cytochromy, Fe - Na, K, transfer - Hemoglobina, Fe - Transferyna, Fe - Białka żelazo-siarkowe, - Hemoerytryna, Fe - Ceruloplazmina, Cu • Niebieskie miedzio- • proteiny, Cu - Hemocyjanina, Cu Izomerazy i syntetazy - 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 , koenzym, Co 12 - Fosfatazy, Mg, Zn, Cu - Aminopeptydazy, Mg, Zn, - Karboksypeptydazy, Zn METALOBIOCZĄSTECZKI Inne ligandy Białka Inne funkcje Transport Transport i magazynowanie i magazynowanie metalu Fotoredoks Inne funkcje Enzymy Hydrolazy Oksydoreduktazy

35. 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)

36. 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 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 • stabilizacja struktury kwasów nukleinowych przez jony metali • wiązanie się białek do DNA • struktury zorganizowane przez metal jako wskażniki konformacji Podsumowanie • Metale mają działać jako szablony organizujące trójwymiarowe struktury białkowe • 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 • Powstawanie wiązań poprzecznych ma istotne znaczenie dla mechanizmów działania niektórych leków zawierających metale