CHEMIA BIONIEORGANICZNA

WYKŁAD 1 21.02.2012

Literatura

J. Berg, L. Streyer – wyd. III Biochemia PWN Wa- wa

S. J. Lippard, J. M Berg – Podstawy chemii bionieorganicznej PWN 1998

Rosette M. Roat – Malone – chemia bionieorganiczna PWN 2010

Co to jest chemia bionieorganiczna? :

- chemia nieorganiczna + biochemia = chemia bionieorganiczna

- Dziedzina chemii badająca rolę metali w układach biologicznych

Czym się zajmuje :

- naturalnymi zjawiskami – rola pierwiastków nieorganicznych, występowanie w układach biologicznych

- całkowicie sztucznymi układami wzorowanymi na naturalnych – wprowadzanie do układów biologicznych metali jako sond i leków

- rolą pierwiastków nieorganicznych w żywieniu, ich toksyczności i jej przeciwdziałania przez układy naturalne

-transportem i magazynowaniem w układach biologicznych

Metale ważne biologiczne:

Mg, Ca – (rola strukturalna) – wiąże się z białkiem makropierwiastki

K, Na – (rola sygnalizacyjna) przenoszenie sygnałów, przenoszenie fali depolaryzacyjnej

V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd metale przejściowe

- Są to pierwiastki naturalnie występujące w układach biologicznych.

Y, Cr, Co, Tc, Ag, Cd, Pt, Al, Hg - pierwiastki stosowane jako sondy biochemiczne / leki

Na czerwono to naturalne pierwiastki

Biologiczne funkcje metali:

1) stabilizacja struktury białek i kwasów nukleinowych

2) przenoszenie elektronów

3) transport tlenu

4) metabolizm azotu

5) reakcje przenoszenia atomów i grup

6) reakcje hydrolityczne

7) transdukcja sygnału w komórce

8) przewodzenie impulsów nerwowych

Metale w medycynie:

1) diagnostyka ( np. w medycynie jądrowej)

2) terapia (np. leki przeciwnowotworowe, lek przeciwgośćcowy)

3) działanie toksyczne metali ciężkich

(wykład 2 ale tez 21.02)

Dostępność biologiczna metali. Transport metali do komórki.

Czynniki decydujące o wykorzystaniu określonych pierwiastków :

1) rozpowszechnienie w przyrodzie

2) labilność kinetyczna i trwałość termodynamiczna jednostek budujących centra aktywne metaloprotein

3) solubilizacja jonów metali w płynach biologicznych przy pH 6 -8 ( pH obojętne)

Solubilizacja – rozpuszczalność:

Są to metale reaktywne, występujące w przyrodzie ,ale nie rozpuszczalne.

Solubilizacja jonów metali:

Na⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, łatwo tworzą roztwory o stężeniach mM ( milimolowych) dostępne dla komórek. Jony innych pierwiastków wykazując małą rozpuszczalność w pH 6 -8 .

Syderofory:

Cząsteczki produkowane przez drobnoustroje i niektóre rośliny wykazujące zdolność chelatowania (wiązania) jonów metali np. Fe ( III )

Stężenie nieskompresowanego Fe³⁺ w pH obojętnym wynosi ok. 10 ^-18 M (stężenie fentomolowe fM)

Dla optymalnego wzrostu wymagane są stężenia ok. 10^-6 M (stężenie milimolowe)

Klasyfikacja syderforów:

1) Hydroksy aminowe

- Ferrichrome produkowane przez grzyby

-Fusarina C

-Bactrin

-Deferrioksyamina B

-Deferioxamina E

2) Katecholaminowe

- Euterobaksyna ( E. Coli) wykorzystywana przez bakterie

-Bacillibaktyna

-Vibriobaktyna

3) Ligandy mieszane

- Azotobaksyna (Azotobacter rinelandi)

-Piowerdyna

-Yersiniabaktyna

4) Fitosyderofory

- traey (pszenica, żyto)

Struktura syderoforów:

Cykliczne związki stwarzające warunki do chelatowania np. Fe

Klasa I – hydroksyaminy (A,B,C)

Klasa II – katecholaminy (D)

Żelazo koordynowane przez grupy karboksylowe

ENTEROBAKTYNA-budowa przestrzenna, pierścień laktonowy, szkielet trilaktonowy

Siła wiązania Fe ³⁺ z enterobaktyną:

K_a = [Fe Ent. ^3- ] / [ Fe³⁺ ] [Ent ^6- ]

Siła asocjacji:

K_a = 10⁴⁹

K_d = 10 ^-25

Stała dysocjacji określa stężenie kompleksu, przy którym następuje jego rozkład.

Stała dysocjacji – stosunek stężeń kompleksu do stężeń substratu

Niezwykle wysoka siła wiązania powoduje tworzenie niezwykle trwałych kompleksów FeEnt. Doskonały charakter żelaza.

Syderofory- tworzone przez komórki bakteryjne, uruchomione transmilacyjnie elementem wyzwalającym jest niskie stężenie Fe³⁺, wydzielane do środowiska, wymiatają jony żelaza ze środowiska, przenoszenie kompleksu do komórki.

Aktywny transport eneterobaktyny do komórki – ( bakterie Gram - )

1) Fe_pA – receptor FeEnt w błonie zewnętrznej wprowadza FeEnt

2) Fe_pB – peryplazmatyczne białko wiążące FeEnt

3) TonB, ExbD, Fe_pD, Fe_pG, Fe_pC – kompleks białek przenoszących informację o zmianie konformacji Fe_pA

4) Fe_pG – białka transportujące FeEnt przez błonę cytoplazmatyczną

5) FeS – esteraza uwalniająca Fe³⁺

Energia wykorzystywana do transportu kompleksu z syderoforem, do tworzenia syderoforów

Działanie syderoforów bakterii patologicznych

1) Enterobaktyna

2) Aerobaktyna

3) Salmochelina

Mechanizm obrony u ludzi przed „kradzieżą Fe³⁺ ‘’ przez E. Coli:

Transferyna, siderokalina, kompleks siderokalina – FeEnt

Problem kradzieży białka rozwiązany przez siderokalinę otaczajacą enterobaktynę i jest ten kompleks wycofywany ze środowiska i Fe może być spokojnie wchłaniane.

Bakterie patologiczne np. Salmonella konkurują o Fe z enterobaktyną.

Syderofory bakteryjne i grzybowe skompleksowane z metalami są również pobierane przez korzenie roślin.

Baktyny grzybowe i bakteryjne wiążą Fe znajdujące się w glebie ( konkurują o jony metali) Komórki korzeniowe korzystają z syderoforów chodź nie wszystkie rośliny wykształciły taką zdolność.

Metale chelatowane przez syderofory:

Al., Ga, Cr, Cu, Zn, Pb, Ma, Cd, V, Y, Pu, U, Mo

Zastosowanie syderoforów w medycynie:

1) Leczenie zatruć żelazem i glinem

2) Projektowanie inhibitorów blokujących syderofory lub ich biosyntezę a przez to rozwój bakterii

3) Potencjalne substancje transportujące antybiotyki do komórek bakterii patalogicznych

Strategie zwiększania rozpuszczalności Fe ³⁺ u Eucaryota:

- zakwaszenie środowiska ( stosowane przez korzenie roslin)

- zewnątrzkomórkowa redukcja Fe ³⁺ do bardziej rozpuszczalnyego Fe ²⁺

Transport żelaza w ssaków:

TRANSFERYNY:

Strategiczne wiązanie Fe ( III ) i CO₃^2-

Domena 1

Domena 2 Wiąże żelazo w postaci trójwarstwowej. Każda

domena wiąże po jednym jonie żelaza.

Solubilizacja i transport Fe(III) w warunkach wytrącenia jonów Fe.

To wprowadzone do organizmu jest brane przez transferrynę i transportowane dalej.

Strefa koordynacyjna Fe(III) w transferrynie – kieszeń utworzona przez wiązania wodorowe dostarczona przez łańcuchy boczne białka oraz anion węglowy..

www.cs.stedwards.edu

Transferryna (holotransferyna) dostarcza jon Fe do komórek które mają aktywny receptor transferryny (całe białko jest zakotwiczone). Jest to dimer.

Pobieranie żelaza drogą endocytozy:

połączenie białek -> indukcje

Klatryna układa się po zewnętrznej stornie i ................. jej powoduje wpuklenie klatryny.

Gdy pęcherzyk endocytarny dojrzewa klatryna się rozkłada, Dopompowywane do jonu

(Obniżenie pH umożliwia rozdysjocjowanie kompleksu tran seryny żelaza i uwalniania jonów, a tran seryna migruje z pęcherzykiem do błony i jest uwolniona do środowiska, nie trzeba syntetyzować za każdym razem białek.)

(angielskie słówka:

binding – wiązanie

ligand – receptor wiązania

coated – opłaszczony

clathrin – coated pit

pit – wgłębienie

uncoating – odplaszczony

unconpling – rozprzęganie

elary endoome – wczesny endosom )

FERRYTYNA

Białko magazynujące żelazo wewnątrz komórek. Jony Fe ³⁺ tworzą kryształy z fosforanami i OH^-. 24 podjednostki u kręgowców podjednostki lekkie ( L ) i ciężkie ( H ). Fe tworzą kryształy przez jony hydroksylowe i fosforanowe.

Funkcje ferrytyny :

1) przechowywanie Fe³⁺ , zapobieganie zatruciom przez Fe

2) Odpowiedź odpornościowa – wzrost stężenia ferrytyny zapobiega wiązaniu Fe³⁺ przez bakterie

3) W nanotechnologii do produkcji nanotub.

LAKTOFERRYNA I OWOTRANSFERYNA

- białka z rodziny transferyn

Wiążą Fe w mleku i białku jaja

Funkcja:

Ochrona przeciwbakteryjna na drodze „wymiatania’’ jonów żelaza i ograniczania wzrostu bakterii przy niskim stężeniu żelaza

Regulacja wchłaniania i magazynowania żelaza:

1) Regulacja syntezy bakteryjnych syderoforów przez Fur ( ferie uptake regulator) na poziomie transkrypcji:

RYS !

2) Regulacja ekspresji ferrytyny i receptora transferryny przez białko IRE ( iron response elements).

IRE- jest krótką sekwencją mRNA tworzącą pętlę rozpoznawaną przez białka IRP. IRE znajduje się w UTR ( untranslated regions) różnych mRNA, których produkty są włączanie do metabolizmu Fe

Np. mRNA ferrytyny zawiera IRE w regionie 5’UTR. Gdy stężenie żelaza jest niskie IRP wiąże mRNA ferrytyny i prowadzi do represji translacji. Wiązanie licznych IRP do UTR receptora ferrytyny stabilizuje mRNA.

Regulacja translacji ferrytyny i receptora transferyny prze jony żelaza:

RYS 2

IRE na 3’ mRNA stabilizuje, IRP wiąże się z IRE i większa ilość tranferyny jest budowana i Fe jest wydajniej wiązane

Białko wiążące IRE – cytozolowa akonitaza

RYS 3

Alternatywne drogi wnikania metali do komórki:

1) Transport wandadu w formie VO₄^3- przez system transportu anionów ( np. jonu siarczanowego) redukcja V (VI) i wiązanie z substancjami komórkowymi

2) Pasywna dyfuzja kompleksów metali (np. cis – plastyna – lek przeciwnowotworowy), hydroliza w cytoplazmie i wiązanie DNA

3) Transport Cr(VI) w formie Cr₂O₄^2- przez system transportu anionów, wewnątrzkomórkowa redukcja poprzez reakcję z glutationem ( GSH) do Cr (V) i Cr (IV), wiązanie z DNA i redukcja do Cr (III).

WYKŁAD 2 28.02.2012

Mechanizmy koordynacji jonów metali. (podstawy chemii bionieorganicznej 1998r)

Definicje kwasów i zasad:

Definicja Arheniusa – kwas, to każdy związek który wprowadzony roztworu wodnego zwiększa stężenie jonów oksoniowych H₃O⁺ (zmniejsza pH roztworu);

zasada – to związek który zwiększa stężenie jonów wodorotlenkowych OH^-.

Definicja ma głównie zastosowanie do roztworów wodnych.

Teoria Bronsteda – Lowry’ego – kwas jest donorem H⁺ , zasada jest akceptorem jonu wodorowego.

Definicja Lewisa – kwas to związek który jest akceptorem w warunkach danej reakcji pary elektronowej, a zasada jest donorem pary elektronowej. Ta definicja obejmuje związki chemiczne, które zachowują się jak kwasy, gdyż mają silny deficyt elektronów, mimo że w ogóle nie posiadają w swojej strukturze atomu wodoru. Jony metali są kwasami Lewisa.

Pojęcie twardych i miękkich kwasów i zasad:

- miękkie – cząsteczki duże i łatwo polaryzowane – ładunki rozmieszczone równo po stronach cząsteczki

- twarde – cząsteczki małe, trudno polaryzowalne

- twarde kwasy wiążą się preferencyjnie z twardymi zasadami, a miękkie kwasy z miękkimi zasadami

- jony metali ( kwasy Lewisa) łączą się z ligandami (zasady Lewisa). W środowisku biologicznym ligandy są dostarczane przez boczne łańcuchy białek, zasady kwasów nukleinowych, małe składniki cytoplazmy, kofaktory organiczne (np. Enterobaktyna)

Tabelka z książki: metale twarde ( pierwsze grupy układu okresowego – H, Na, K, Mg, Ma, Al, Ca itp.) ligandy twarde – H₂O, OH^-...

Metalotioneiny

Białka chroniące przed metalami ciężkimi Cd²⁺, Mg²⁺, Pb²⁺, Tl⁺ są miękkimi zasadami ( grupy SH) wiążącymi miękkie kwasy ( jonu metali) np. klaster czterometaliczny

Chelatacja: ( chelatowanie, chelacja)

gr. chelae – kleszcze

Reakcja chemiczna polegajaca na tworzeniu kompleksowego związku złożonego z organicznej struktury pierścieniowej wielopodstawnego ligandu ( pochodzącej z tzw. chelatora, czyli czynnika chelatującego ) i związanego z nią jonu centralnego, którym jest kation metalu.

EDTA jako chelator jonów dwuwartościowych

[Ni(OH₂)₆]²⁺ + H₂EDTA^2- -> [Ni(EDTA)]^2- + 4H₂O + 2H₃O⁺

Chelatory naturalne

Klastery metali

Formy geometryczne

Liczba koordynacyjna – liczba atomów przyłączona bezpośrednio do atomu centralnego kompleksu ( metalu).

Tabelka – formy trójkątne piramidalna i litery T dla liczb koordynacyjnych 4, 5 i 6

Struktura oktaedryczna

Klastery żelazowo – siarkowe

[Fe-OS] – rubredoksyna:

1 atom żelaza skoordynowany tetraedrycznie z 4 atomami Siarki pochodzącymi od reszt Cys (cysteiny) wstępujących w sekwencji Cys – X – X – Cys – Gly

[2Fe – 2S] – ferrodoksyna z s. platensis

2 siarczkowe ligandy tworzą mostki między 2 atomami Fe skoordynowanymi tetraedrycznie z 4 atomami Sierki pochodzącymi od reszt Cys występujących w sekwencji Cys – X – X – Cys – Gly

[3Fe – 4S] – ferrodoksyna z A. vinelandii , akonitaza

2 siarczkowe ligandy tworzą mostki pomiędzy 2 atomami Fe skoordynowanymi tetraedrycznie z 4 atomami siarki pochodzącymi od reszt Cys występujących w sekwencji Cys – X – X – Cys – Gly

[4Fe – 4S] – ferrodoksyna z P. aerogens

Struktura geometryczna – zdeformowany sześcian, w którego narożach występują na przemian atomy Fe i S. Sześcian jest związany z białkiem przez 4 atomy Siarki z Cys

Poliferrooksoklastery

Białka zawierające rdzenie żelazowo – tlenowe {Fe₂O}²⁺

Ferrytyna – białko magazynujące żelazo

Struktura rdzenia Fe ferrytyny:

Skoordynowane oktaedrycznie jony Fe(III) połączone przez mostkowe jony tlenkowe i/lub hydroksylowe. Dwuwymiarowe warstwy zbudowane z powiązanych ze sobą jednostek FeO₆, które nakładają się na siebie wypełniając rdzeń.

WYKŁAD 3 3.04.2012

STABILIZACJA STRUKTURY KWASÓW NUKLEINOWYCH PRZEZ JONY METALI

Oddziaływanie metali z kwasami nukleinowymi

Specyficzne Niespecyficzne

Wiąże się w konkretnym miejscu z dużym Wiąże się słabo, mają charakter

powinowactwem, mają charakter oddziaływań elektrostatycznych

oddziaływań jonowych Van der Walsa

Niespecyficzne oddziaływania:

Na+, K⁺, Mg²⁺ oddziałują jako przeciwjony neutralizujące ujemny ładunek kwasów nukleinowych. Podobną funkcję pełni spermina – poliamina, która w pH obojętnym przyjmuje formę polikationu

Jony Mg²⁺są najbardziej przydatne w neutralizacji ładunku ujemnego ponieważ:

1) Mg²⁺ jest najbardziej powszechnym wielowartościowym jonem w komórce

2) Wśród wszystkich jonów dostępnych biologicznie ma on najwyższą gęstość ładunku (mały promień atomu/podwójny ładunek)

Niespecyficzne oddziaływania Mg²⁺ z RNA to oddziaływania elektrostatyczne z Mg²⁺ (H₂O)₆ – tzw. „wiązanie dyfuzyjne”

Specyficzne oddziaływania:

„Wiązanie miejscowe” to niespecyficzny sposób oddziaływania ligandów anionowych (RNA) z częściowo uwodnionymi jonami Mg²⁺.

Specyficzne i niespecyficzne oddziaływania.

Położenie miejsc wiążących metal w tRNA (wyznaczone rentgenograficznie)

*Mg²⁺/Mn²⁺ koordynowane przez nukleotydy (tRNA^PheG₁₉,G₂₀,U₅₉,C₆₀) oraz jon szęciowondy

*Jony metali w rybosomach:

Nobel 2009 z chemii; Ramaksrishan, Steitz, Yonath

Rola strukturalna:

* Jony Mg²⁺ są konieczne w procesie składania podjednostek rybosomalnych

W dużej jednostce rybosomalnej związanych jest ok. 120 jonów Mg²⁺ i 90 jonów jednowartościowych.

Jony Mg²⁺ wiążą się do związków RNA pośrednicząc w wiązaniu pomiędzy domenami 23SRNA w obrębie konserwatywnych jonów rybosomów, w których nie są obecne białka.

Jony metali jednowartościowych wiążą się:

1) do dużego rowka helisy RNA

2) do białek rybosomalnych

3) do powierzchni stycznej pomiędzy RNA i białkiem

4) do indywidualnych struktur RNA

Funkcje jonów metali w dużej podjednostce rybosomu:

1) stabilizacja lokalnych struktur 2 – rzędowych RNA koniecznych dla rozpoznawania między rejonami

2) stabilizacja powierzchni pomiędzy domenami RNA

3) stabilizacja centrum aktywnego transferazy peptydowej

4) stabilizacja połączeń mRNA i tRNA z rybosomami :

*jony metali stabilizują zagięcie cząsteczki mRNA. Zagięcie pozwala tRNA rozpoznać różnicę pomiędzy miejscem P, w którym znajduje się rosnący łańcuch polipeptydowy oraz miejscem A, do którego transportowany jest nowy aminokwas

Rola jonów metali w stabilizacji struktury i realizacji funkcji rybosomów:

Rybozymy – cząsteczki RNA wykazyjące aktywność enzymatyczną

Mechanizm działania – wiążą się do substratowej cząsteczki RNA na drodze klasycznego parowania zasad i przecinają szkielet fosfodiestrowy rybozymów

Katalizowane reakcje :

1) wewnątrzmolekularna „In – cis”

2) międzymolekularna „In – trans”

Klasyfikacja oparta na różnicach w sekwencji i strukturach trzeciorzędowych:

Rybozym :

Hammer head

HDV

Hairpin

varkudsattelite

Intron grupy I

Intron grupy II

Rnaza P

Soliceosom

(U2+U6snRNA)

Rybosom

(23S rRNA)

Rola jonów metali w rybosomach:

- stabilizacja struktury III – rzędowej ( rybozy Hammerhead w kompleksie z jonami Mg²⁺ )

- stabilizacja struktury III – rzędowej ( intron grupy I Tetrahymena thermophila – jony Mg²⁺ / Ca ²⁺ stabilizują strukturę rdzenia – fałdowanie domeny P 5abc)

- udział w katalizowanej reakcji – jony Mg²⁺ (ale nie Ca²⁺) umożliwiają przebieg reakcji katalitycznej ( rozerwanie wiązania fosfodiestrowego)

Rola jonów metali w stabilizacji struktury kwadrupleksów guanidynowych (G4):

Kwadrupleksy guanidynowe G4 :

* ułożenie zasad guanidyny w kwartecie G

* czterokrotna, prawoskrętna helisa

* struktura kwadrupleksu obejmującego osiem kwartetów G

* kanał centralny zawierający jony metali

Przykładowe topologie kwadrupleksów guanidynowych:

*czterocząsteczkowe

*dwucząsteczkowe

*jednocząsteczkowe

Funkcjonalne struktury kwadrupleksów:

1) DNA telomerowi

2) Riboswitch ( regulatorowa struktura na końcu 5’mRNA)

3) Bogate w G sekwencje obecne w niekodujących regionach genomów

WYKŁAD 4 17.04.2012

Mechanizm powstawania telomerów.

Kompleks replikacyjny

­­­ 3’­------------------------5’

5’------------------------------------------------3’

1) synteza starterów RNA (prymasa) ...

Mechanizm powstawania telomerów – jednoniciowych fragmentów DNA na końcach chromosomów.

Telomery:

Końce liniowych chromosomów nie mogą być w pełni replikowane za pomocą nieciągłej replikacji, bo nie mają odcinka DNA, który mógłby być wydłużony w celu zastąpienia RNA usuniętego z końca 5’ nici opóźnionej.

Problem został rozwiązany przez syntezę telomerów zawierających setki powtórzeń sekwencji TTAGGG z końcem 3’ wystającym poza koniec 5’.

3’- AATCCCAATCCC-5’

5’- TTAGGGTTAGGG(TTAGGG)_n TTAGGG-3’

Ta sekwencja zmienia się w różnych gatunków.

Telomeraza

Zawiera krótka cząsteczkę RNA, której sekwencja w części jest komplementarna do sekwencji telomerów i działa jak matryca do syntezy powtórzeń na występującym końcu. W komórkach somatycznych jesy nieaktywna. Jest aktywna w komórkach embrionalnych. Nie jest enzymem konstytutywnym ( enzym konstytutywny to taki, który występuje powszechnie, w wielu komórkach). W komórkach dojrzałych jest nieaktywna, co prowadzi do śmierci komórki. W komórkach nowotworowych telomeraza jest aktywna, co daje im nieśmiertelność.

Struktury jednoniciowych telomerów kwadrupleksów utworzonych z sekwencji d[AGGG(TTAGGG)3]

*Struktura w kompleksie z Na⁺ zawierająca pętle boczną i poprzeczną (okreslona metoda NMR)

*Struktura formy A w kompleksie z K⁺ z trzema pętlami zwrotnymi (otrzymana metodą krystalograficzną)

*struktura formy B w kompleksie z K⁺ zawierająca jedną pętlę zwrotną i dwie boczne ( metoda MNR)

(Schematy struktur tworzonych przez wewnątrzkomórkowe kwadrupleksy guanidynowe obecne w sekwencjach ludzkich telomerów)

Specyficzne struktury są atrakcyjnym celem dla leków przeciwnowotworowym.

Riboswitch – przełącznik RNA

Elementy strukturalne obecne w rejonie 5’UTR mRNA, które regulują ekspresję genów na drodze wiązania małych metabolitów. Kontrolują proces replikacji i transkrypcji.

Klasy:

1) Riboswitch adeninowy – wiązanie adeniny promuje transkrypcję mRNA poprzez zapobieganie tworzenia łodygi terminatora

2) Riboswitch GlcN6P – indukuje GlcN6P, indukuje przecinanie własnej nici, powoduje smniejszenie ekspresji genó

3) Riboswitch glicynowy – wiązanie glicyny, transkrypcja zapobiegająca tworzeniu terminatora

Wpływ jonów Mg²⁺ na folding riboswich adeniny

1) Pod nieobecność Mg²⁺ część rdzeniowa i pętle L2 i L3 są nieustrukuralizowane. Wiązanie adeniny indukuje jednocześnie zwinięcie rdzenia i parowanie zasad na drodze oddziaływań dalekiego zasięgu pomiędzy pętlami.

2) Mg²⁺ indukuje odpowiednie parowanie pomiędzy zasadami pętli 2 i 3 co organizuje miejsce wiązania adeniny w znika jej powinowactwo do riboswitch. Wiązanie adeniny organizuje strukturę rdzenia i prowadzi do utworzenia funkcjonalnego kompleksu RNA – adenina z 3 miejscami wiązanie Mg2⁺.

Wykład VI 24.04.2012r.

Enzymy hydrolityczne ( hydrolazy cynkowe)

Karboksypeptydaza A (CPA – enzym trawienny wydzielany przez trzustke) powoduje degradacje od końca C

I miejsca aktywne jest utworzone przez określone aminokwasy (szczególnie hydrofobowe).

Zmiany komformacji miejsca aktywnego karboksypeptydazy A pod wpływem wiązania substratów:

następuje przesunięcie reszt otaczających substrat, jony cynku zamieniają się i biorą udział w reakcji.

Mechanizm hydrolazy C – końcowej reszty.

tenudizyna – endopeptydaza bateryjna, jest białkiem termostabilnym

hydroliza wewnątrzłańcuchowych wiązań peptydowych.

Wiąże jony cynku, które pełnią funkcję katalityczną. Wymaga obecności jonów wapnia które regulują stabilność termiczna.

anhydraza węglanowa – utrzymuje równowagę kwasowo zasadową we krwi, ułatwia transport CO₂ z tkanek

wspólny element tych enzymów: - koordynowanie przez reszty histydyny

-wiązanie wody

-bezpośredni udział jonów cynku w reakcji katalizy

Transport i magazynowanie tlenu:

biologiczne układy transportu i magazynowania dwutlenku.

Hemoglobina (Hb) Mioglobina (Mb)	Fe (II) porfirynowe Fe (II) porfirynowe	Transport magazynowanie
Hemerytryna (Hr) Miohemerytryna	2Fe (II) niehemowe 2Fe (II) niehemowe	Transport Magazynowanie
Hemocyjanina (Hc)	2Cu (I)	Transport

struktura tlenu

mioglobina – histydyna 7 i 8

atom Fe w cząsteczce hemu jest sześciokoordynacyjny.

ferrohemoglobina z Fe²⁺ JEST ZDOLNA do wiązania O₂

ferrihemoglobina (methemoglobina) z Fe³⁺ nie wiąże tlenu, szósta pozycja koordynacyjna zajęta przez wodę.

Rola histydyny dystalnej w wiązaniu tlenu:

-koordynuje tlen

-Co w komplesie hemu z białkiem wiążę się dużo silniej

-Zwiększa powinowactwo CO i O₂ do białka.

Porównanie struktury mioglobiny i łańcucha β hemoglobiny:

Podobieństwa w sekwencji - 24 identycznych na 141 aminokwasów (17%)

Podobieństwa w strukturze trzeciorzędowej

Utworzenie tetramerów nadaje hemoglobinie nowe właściwośći:

-przenoszenie tlenu oraz dwutlenku węgla i H⁺

- wpływ CO₂ i H⁺ na powinowactwo do O₂

- regulacja powinowactwa O₂ przez fosforany organiczne ( 2,3 – bisfosfoglicerynian)

- regulacja allosteryczna wiązania O₂

Hemerytryna – niehemowe białko przenoszące O₂. Pochodzenie nazwy od greckich słów.

Występowanie:

* morskie bezkręgowce – stawonogi i mięczaki z rodzaju Sipunculidae, Priapulidae

* bakterie Methylococcus capsulatus

Kolor: bezbarwna nienatlenowana, purpurowo – fioletowa natlenowana

Mięśniowa miohemerytyna – białko monomeryczne

Hemerytryna z krwi – białko digomeryczne

Struktura:

Hemerytryna jest oktamerem. Każda z podjednostek jest zbudowana z równoległych helis i zawiera miejsce aktywne zdolne do wiązania dwutlenu.

Miejsce aktywne detokshemerytryny:

Fe1 jest koordynowane przez 3His. Dwie His wiążą Fe2.

Dodatkowo oba Fe są koordynowane przez 1Asp i 1Glu

Liczba koordynacyjna Fe1 wynosi 6, natomiast Fe2 – 5.Niewysycenie koordynacyjne pozwala na wiązanie dwutlenu (O₂)

Hemocyjanina – miedzowe białko przenoszące O₂.

Występowanie: białko hemolimfy stawonogów i mięczaków.

Kolor: bezbarwna nienatlenowana.

Miejsce aktywne: zawiera dwa jony Cu(+1), które są koordynowane przez reszty His i Phe. Dwie reszty Phe są w bliskim kontakcie z miejscem aktywnym, tworzą hydrofobowe środowisko chroniące miejsce aktywne. Cząsteczka O₂ jest wiązana w przestrzeni pomiędzy Cu_A i Cu_B.

WYKŁAD VII 08.05.2012

Udział metali w przenoszeniu elektronów ( reakcje redoks)

Łańcuch oddechowy – przenoszenie elektronów.

Centra redoks:

*klastery żelazowo – siarkowe

* hemy

*centra miedziowe

Białka z rodziny ruberodoksyn – bakteryjne jednoelektrodowe przenośniki zawierające klaster Fe₆(Cys)₄

Stany utlenienia : [Fe(Cys)₄]^1- <-> [Fe(Cys)₄]^2-

Centrum aktywne ruberodoksyny (utlenione):

W stanie zredukowanym Fe(II) długość wiązań koordynacyjnych Fe – S jest nieco większa niż w stanie utlenionym Fe (III). Daje to możliwość szybkiej wymiany elektronu.

Ferrodoksyny roślinne – białka chloroplastów zawierające klastery Fe₂S₂(Cys)₄

Reakcja katalizowana przez reduktazę ferrodoksyny NADP:

NADP + 2H⁺ + 2e^- -> NADPH + H⁺

rysunek z wikipedii : en.wikipedia.org/wiki/photophosphorylation

Białko Rieske’go – składnik mitochondrialnej reduktazy cytochromowej (cytochromu bc₁) i chloroplastowego cytochromu b₆g, zawierającego klastery [Fe₂S₂](SCys)₂(NHis)₂

Centrum aktywne białka Rieske’go:

Miejsce aktywne zawiera 2Fe, 2 ligandy siarkowe (S^2-) 2 reszty Cys oraz His.

Centrum 2Fe^-2S przyjmuje i oddaje jeden elektron:

[(Cys)₂FeIII(S)₂FeIII(His)₂] + e^- -> [(Cys)₂FeIII(S)₂FeII(His)₂]

Kompleks mitochondrialnej reduktazy cytochromowej – składnik reduktazy cytochromowej b, cytochrom c1, białko Rieske’go, sześć podjednostek, które nie zawierają centrów redoks.

Bakteryjne ferrodoksyny – białka zawierające klastery Fe₄S₄:

* [Fe₄S₄ ](S_Cys^γ )₄

* [Fe₄S₄ ](S_Cys^γ )₃O_Asp^δ

* [Fe₃S₄ ](S_Cys^γ )₃

Cytochromy – białka wiążące żelazo hemowe:

* hem a : oksydaza cytochromu c

* hem c ; cytochromy b

* hem c : cytochromy c

(www.metallo.scrips.edu )

Formy koordynacyjne Fe w hemie a:

*hem a sześciokoordynowany

* hem a3 pięciokoordynowany

Cytochrom b6 jest jedną z podjednostek redoks w kompleksach:

* cytochromu bc1 ( oksydoreduktaza ubichinol : cytochrom c)

* cytochromu b6f ( reduktaza plastodinon: plastocyjanina)

Cytochrom b wiąże dwa hemy:

* o wysokim potencjale (bH; b560)

* o niskim potencjale (bL; b566)

Podjednostka monomeryczna cytochromu bc1.

Kompleks cytochromu b6f – homodimer, monomer – 4 podjednostki.

(phisics.pupurdue.edu/~serdiel...)

WYKŁAD VIII 15.05.2012

Cytochrom c2.

Niebieskie białka miedziowe:

*R=S Met (azurina, plastocyjanina)

*R=0 Glu (fito cyjaniny)

*R=H₂O (ceruloplazmina)

*Oksydaza cytochromowa; reduktaza N₂O -> Cu_A

*Oksydaza cytochromowa; oksydaza ubichinonu -> Cu_B

*Azuryna – donor elektronów dla reduktazy azotynów (białko)

*Plastocyjanina – białko przenoszące elektrony pomiędzy cytochromem f kompleksu cytochromu b6f fotosystemu II.

*Mitochondrialna oksydaza cytochromowa cox

Cykl katalityczny oksydazy cytochromowej Cox

forma zredukowana

forma utleniona intermediant oksyżelazowy

intermediant ferrylowy intermediant nadtlenkowy

* Łańcuch transportu elektronów w mitochondriach

Udział metali w procesie wiązania azotu z powietrza:

Azot wchodzący w skład aminokwasów i zasad azotowych (puryn, pirymidyn) pochodzi z powietrza i musi zostać zredukowany i związany

N₂ -> NH₃ -> glutamina

Wiązanie azotu:

1) źródło H⁺ (czynnik redukujący): zredukowana ferrodoksyna

* bakterie symbiotyczne

Pirogronian + P_i ^{ligaza pirogronianowa} > acetylofosforan+ CO₂+H₂

Acetylofosforan + ADP ^{Kinaza octanowa} > octan + ATP

H₂+Ferr_utl ­­­­­-> F_red + 2H⁺

* bakterie korzeniowe

Redukcja ferrodoksyny przez fotosystem I rośliny motylkowej

2) Działanie kompleksu nitrogenezy

N₂ + 8e^- + 18 ATP + 16 H₂O -> 2NH₃ + H₂ + 16ADP + 16P_i + 8H⁺

Reduktaza kompleksu nitrogenezy – dimer złożony z dwóch identycznych podjednostek.

Hydroliza ATP wyzwala transfer elektronów z ferrodoksyny (produkowana w chloroplastach prze fotosystem I) na nitrogenazę.

Podjednostka nitrogenezy – tetramer złożony z dwóch podjednostek α i dwóch podjednostek β ( α2β2)

Elektrony wnikają przez ugrupowanie P i przepływają do koenzymu Fe-Mo, w centrum którego wiązany jest N₂.

N≡N $\frac{2\ e^{-}}{2\ \ H^{+}}$> NH=NH $\frac{2\ e^{-}}{2\ H^{+}}$> NH₂-NH₂ $\frac{2\ e^{-}}{2\ \ H^{+}}$> 2NH₃

diimid hydrazyna amoniak

(Każdy etap – to pobieranie pary elektronów, niezbędnej do utworzenia wiązania)

29.05.2012

Chemia bionieorganiczna – ost. wykład

BIOFIZYCZNE METODY BADAWCZE

- Metody spektroskopowe

Promieniowanie elektromagnetyczne – zaburzenie pola elektromagnetycznego mające charakter fal zawierającej dwie prostopadłe składowe: elektryczną i magnetyczną.

- Parametry fali

 λ – długość fali (m)

c – prędkość (3 x 10⁸ m/s)

λ * v = c

- Energia cząsteczki

E = hv = hc/ λ 

E = E elektronowa + E rotacyjna + E oscylacyjna + E spinowa + …

- Skale czasowe w metodach mikroskopowych

np. dyfrakcja elektronów 10^-20, rentgenografia 10^-18,

- Krystalografia rentgenostrukturalna – wyznaczanie struktury na poziomie atomowym

Crystal- kryształ badanego związku jest obracany i naświetlany promieniami rentgenowskimi

Diffraction pattern – na detektorze powstaje obraz regularnych plamek zwanych refleksami

Electron density map – dwuwymiarowe obrazy dyfrakcyjne są przekształcane metodą transformacji Fourierowskiej w trójwymiarze mapy gęstości elektronowej.

Atomic model – na podstawie map gęstości elektronowej są sporządzane modele atomowe cząsteczek, które są dopasowane do obrazów dyfrakcyjnych

KRYSZTAŁ – materiał badawczy rentgenografii strukturalnej

- Promienie Rentgena

Są to fale elektromagnetyczne o dł. 10 – 0,001 nm powstałe w wyniku hamowania szybkich elektronów przez duże atomy ( miedź, wolfram itp.) ciężkie atomy bombardowane przez elektrony

- mechanizm emiji promini rentgenowskich

Dwa sposoby:

1) poprzez odbijający się elektron

2) przebicie elektronu przez powłoki i jest elektron wybijany , miejsce jego zajmuje elektron z wyższej powłoki elektronowej

- Elektrony podające na atomy wyhamowują i emitują nadmiar energii w postaci widma ciągłego lub wybijają elektron z dolnych powłok elektronowych, a wypełnienie nich związane jest z emisja widma charakterystycznego.

- Generatory promieniowania rentgenowskiego

Synchrotron – generator monochromatyczny silnych promieni X ustawiony na określone linie charakterystyczne.

Laboratoryjny generator promieniowania X – urządzenie stosowane do wstępnej analizy jakości kryształów do określania struktury.

Elektrony emitowane przez katodę są przyspieszane w silnym promieniowaniu elektrycznym, kolidują z metalową płytką powodując emisję „ bremstrahlung” i linie charakterystyczne. Płytka miedziana emituje linie K_α i K_β . Te ostatnie mogą być wygłuszane przez film niklowy pokrywający miedzianą płytkę. Monochromatyczny filtr umieszczony na drodze fali wycina promienie o jednej długości.

- Dyfrakcja (rozpraszanie się fali)

Promień fali padającej jest rozpraszany przez cząsteczki, które znajdują się na jego drodze, w formie fali sferycznej. Jeśli rozpraszacze są ułożone symetrycznie w odległości d, nakładać (wzmacniać) będą się te fale, których długość odpowiada wartości 2d sin0 (prawo Bragga) wówczas część promieniowania padającego ulega odchyleniu o kąt 20 stopni co daje punkt refleksu na obszarze dyfrakcyjnym.

- Analiza danych

Pozycja każdej plamki – określa wielkość i kształt „unit cel” oraz symetrie wewnątrz kryształu

Intensywność każdej plamki – jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy czynnika strukturalnego , który zawiera informacje na temat amplitudy i fazy fali

Amplituda i faza muszą być znane w celu zbudowania modelu gęstości elektronowej. Ponieważ nie można pomierzyć bezpośrednio w doświadczeniu, stosuje się kilka metod jej oceny. Informacja na temat fazy pozwala budować początkowy model gęstości.

Bazy danych:

Primary data bases

Protein Data Bank (PDB)

Nucleic Acid Data Bank (NDB)

Cambridge Struktural Database (CSD)

Inorganic Crystal Strukture Database (ICSD)

Biological Macromolecuem Crystalization Database (BMCD)