mg biológiai szerep s-mezőelemei: biológiai szerep · 3 a vas biológiai szerepe vastartalmú...
TRANSCRIPT
1
• részt vesz a biomolekulák aktív konformációjánakstabilizálásában, enzimek aktiválásában• ATP hidrolízisének irányításában → energiacsere folyamatokban• csontok felépítése• klorofill alkotója (fotoszintézis)
Mg2+: biológiai szerepMg2+ - fotoszintézis
Növények asszimilációs folyamata:6 CO2 + 6 H2O = C6H12O6 + 6 O2
Két fotoszintetizáló rendszerI. CO2 redukciója (sötét reakció)CO2 + NADPH + H+ + ATP →
C6H12O6 + ADP + Pi + NADP+
II. víz fotolíziseH2O + NADP+ + Pi + ADP
O2 + NADPH + H+ + ATPklorofill
⎯⎯ →⎯ fény
s-mező elemei: biológiai szerep
s-mező elemei: biológiai szerepMg2+ - fotoszintézis
s-mező elemei: biológiai szerepMg2+ - fotoszintézis
s-mező elemei: biológiai szerep90Sr – radioaktív, t½ = 28 év, beépülhet a csontokbaBaSO4 – kontrasztanyag, röntgen
A vas(II) komplexei
Komplexek:• Vizes oldatban: [Fe(H2O)6]2+ (oktaéderes, halvány kékeszöld)• könnyen vas(III)-má oxidálódik (különösen lúgos oldatban)• a komplexképzők megváltoztatják a Fe(III)/Fe(II) redoxpotenciáljátFe3+/Fe2+ : CN– +0,36 V
H2O +0,77 VPhen +1,12 V
2
A vas(II) komplexei
Komplexek:• közbenső (hard/soft) sav: az O-, N- és S-donor-atomokhoz is kötődik, viszonylag kis stabilitással
• legjelentősebb, legstabilisabb komplexek: kelátképzőhelyzetben aromás nitrogén donor-atomokat tartalmazóligandumok• bipiridin, fenantrolin, porfirinek
• komplexei általában oktaéderes geometriájúak (néhány esetben tetraéderes geometria)
A vas(III) komplexei
Komplexek:• Vizes oldatban: : [Fe(H2O)6]3+ (halvány lila)• savas és lúgos oldatban is stabilis• számos komplexe létezik• jellemző reakció: hidrolízis
pH > 1: [Fe(H2O)6]3+ + H2O [Fe(H2O)5(OH)]2+ + H3O+
Ks = 1,8⋅10–3
• Dimerizáció → oxohidas szerkezet (sárga színű)[(H2O)5Fe–O–Fe(H2O)5]4+
A vas(III) komplexeiKomplexek:pH > 2: többmagvú szerkezetek, vegyes hidroxo komplexek →Fe(OH)3 csapadék
• általában oktaéderes, nagyspinszámú komplexek• (néhány erős terű ligandum esetén kisspinszámú komplexek: [Fe(CN)6]3–, [Fe(bipy)3]3+)
• hard sav: • A F– és az O-donoratomokhoz kötődik nagy stabilitással[Fe(SCN)4]– + 6 F– [FeF6]3– + 4 SCN–
intenziv piros színtelen
A vas(III) komplexeiKomplexek:leggyakoribb O-donort tartalmazó csoportok:- foszfátok- oxalátok, karboxilátok- diketonok (acetil-aceton)- alkoxidok- cukrok és származékaik- hidroxamátok- katecholátok
Nitrogén donoratomokhoz (aminok, aminosavak) kicsi affinitás
A vas biológiai szerepe
Vastartalmú proteinek
Hem proteinek Nem-hem proteinek~ 70 % ~ 30 %
vas-kén egyébproteinek
• Felnőtt szervezet: kb. 4 g vasat tartalmaz (ebből ~3 g a hemoglobinban)• Vasfelvétel: 1 mg/nap
A vas biológiai szerepeVastartalmú proteinek
Hem proteinek Nem-hem proteinekoxigén szállítás, tárolás
hemoglobin hemeritrinmioglobin
elektron transzfercitokrómok ferredoxinok
oxidázok, oxigenázokcitokróm c oxidáz
vasszállítás transzferrinvastárolás ferritin
3
A vas biológiai szerepeVastartalmú proteinek
Hem proteinek Nem-hem proteinekoxigén szállítás, tárolás
hemoglobin hemeritrinmioglobin
elektron transzfercitokrómok ferredoxinok
oxidázok, oxigenázokcitokróm c oxidáz
vasszállítás transzferrinvastárolás ferritin
Globin: 153 aminosavból álló proteinHem: Fe-porfirin
A hem rész a Fe-on keresztül kötődik a globinhoz, kovalens kötés nélkül5. koordinációs helyhez imidazol N kötődik
Mioglobin (oxigén tárolás)
Hemoglobin (oxigénszállítás)
Közelítően 4 mioglobinegységből épülfel
Fe(II) –nagyspinszámú+ O2: Fe(II) kisspinszámú
Hemoglobin (oxigénszállítás)
oxigénfelvétel: nagy parciális oxigénnyomásoxigénleadás: kis parciális oxigénnyomás, csökkenő pHCO2 + H2O HCO3
– + H+
A vas biológiai szerepeVastartalmú proteinek
Hem proteinek Nem-hem proteinekoxigén szállítás, tárolás
hemoglobin hemeritrinmioglobin
elektron transzfercitokrómok ferredoxinok
oxidázok, oxigenázokcitokróm c oxidáz
vasszállítás transzferrinvastárolás ferritin
– Alacsonyabb rendűélőlényekbenoxigénszállító
– 4 alegységből áll, egyalegység két Fe(II)-t ésegy O2-t köt meg
Hemeritrin
4
A vas biológiai szerepeVastartalmú proteinek
Hem proteinek Nem-hem proteinekoxigén szállítás, tárolás
hemoglobin hemeritrinmioglobin
elektron transzfercitokrómok ferredoxinok
oxidázok, oxigenázokcitokróm c oxidáz
vasszállítás transzferrinvastárolás ferritin
• Az aerob élet valamennyi formájában előfordul• Citokróm: b, c, a, a redoxpotenciál fokozatosan nő• Elektronszállítók az O2 redukciója és a szubsztrátoxidációja között.• Koordinációs szám: 5 vagy 6• Kölcsönhatás a protein és a hem között: kovalens vagymásodrendű kötés
Citokrómok
Citokróm CCitokróm P450• Monooxigenáz enzimek elektrontranszfer alkotója (zsírsavak, szteroidok, egyéb endogén és exogén anyagok metabolizmusa)• oxigénmolekula aktiválása
RH + O2 + 2 e– + 2 H+ → ROH + H2O
• 5. koordinációs hely: cisztein S • 6. koordinációs hely: H2O
Citokrómok
Citokróm P450 A vas biológiai szerepeVastartalmú proteinek
Hem proteinek Nem-hem proteinekoxigén szállítás, tárolás
hemoglobin hemeritrinmioglobin
elektron transzfercitokrómok ferredoxinok
oxidázok, oxigenázokcitokróm c oxidáz
vasszállítás transzferrinvastárolás ferritin
5
Kataláz– H2O2 diszproporcionálódását katalizálja
2 H2O2 → 2 H2O + O2
– 4 azonos egységből felépülő enzim– 5 koordinációs helyen: tirozin O–
– mechanizmus:
Fe(III)
O-(Tyr)
Fe(IV)
O-(Tyr)
H2O2 H2O
H2O2H2O + O2
Kataláz
A vas biológiai szerepeVastartalmú proteinek
Hem proteinek Nem-hem proteinekoxigén szállítás, tárolás
hemoglobin hemeritrinmioglobin
elektron transzfercitokrómok ferredoxinok
oxidázok, oxigenázokcitokróm c oxidáz
vasszállítás transzferrinvastárolás ferritin
• A vas tetraéderes geometriájú• A vas szervetlen és szerves (Cys) S-atomokhoz kötődik• Működésük során egy e–-átmenet valósul meg
• redukált ferredoxin oxidált ferredoxin • Szokatlanul kis redoxpotenciál: –0,05 - –0,49 V →redukálószerként viselkedhetnek
Vas-kén proteinek
• rubredoxin: [1Fe]3+(RS–)4 (–0,06 V)• ferredoxinok: [2Fe-2S]2+(RS–)4 (–0,3 - –0,4 V)
[4Fe-4S]2+(RS–)4 (–0,4 V)HIPIP: [4Fe-4S]2+(RS–)4 (0,35 V)
– e–
+ e–
Vas-kén protein (HIPIP) Vas-kén protein
6
A vas biológiai szerepeVastartalmú proteinek
Hem proteinek Nem-hem proteinekoxigén szállítás, tárolás
hemoglobin hemeritrinmioglobin
elektron transzfercitokrómok ferredoxinok
oxidázok, oxigenázokcitokróm c oxidáz
vasszállítás transzferrinvastárolás ferritin
Transzferrin:Szállítás: vas(III) formában, semleges pH-nSzerkezet: M ~ 80.000, 0,15 % vas2 szerkezeti egység:
egy egység: 2 vas(III) + fehérje alegységből áll
A vas szállítása
Sziderofórok:alacsonyabbrendű élőlények (baktériumok) vas-szállítói
A vas szállítása
C
N
R
R
O
O-
Fe+3
3
O-
O-
Fe+3
3
Rhidroxamát-típusú
pl. ferrikrómpirokatechin-típusú
pl. enterobactin
FerritinElőfordulás: általános, de főleg máj, lép, csontvelő24 fehérje alegységből áll (~ 175 aminosav/alegység)4500 vasatom/ferritin (25 %)7 nm átmérőjű vasmicella: (FeOOH)8⋅FeO⋅H2PO4
vas felvétele: vas(II) formában, majd oxidáció vas(III)-má
Hemosziderinvasfölösleg raktározására szolgálkb. 45 % vastartalom
A vas tárolása
A réz biológiai szerepe
• Valamennyi élőlény számára létfontosságú• 80-120 mg / 70 kg ember• napi felvétel: 1,5-3,0 mg, < 10 mg• heveny toxicitás: > 15 mg• réz-anyagcsere zavarai:
fölösleg: Wilson-kórhiány: Menkes-kór
7
A réz biológiai szerepe
Réztartalmú proteinek funkciói
• Oxigén szállítása, tárolása: hemocianin (puhatestűek)
• Redoxi folyamatok katalízisea vas mellett a legfontosabb szerepet tölti be a légzési láncban: oxidázok (kék-réz oxidáz), oxigenázok, szuperoxid-diszmutázok
• Réz tárolása, szállítása: ceruloplazmin, metallothionein
A réz biológiai szerepeSzuperoxid-diszmutáz (SOD)
2 O2– + 2 H+ H2O2 + O2⎯⎯→⎯SOD
His 61
His 78
His 69
H2O
Zn2+
Cu2+
His 44
His 46His 118
Asp 81
A réz biológiai szerepeSzuperoxid-diszmutáz (SOD)Zn: szerkezetalakítóCu: részt vesz a redoxifolyamatban
A katalizált reakció lépései:Cu2+(His–)Zn2+ + O2
– + H+ → Cu+ + (HisH)Zn2+ + O2
Cu+ + O2– + H+ + (HisH)Zn2+ → Cu2+(His–)Zn2+ + H2O2
A réz biológiai szerepe
Ceruplazmin:1005 aminosav (egyetlen fehérjelánc), 6-8 rézatom
Funkció• lehet oxidáz• ferrioxidáz: Fe2+ → Fe3+
• réz szállítása• anyagcsere, anyagcsere zavarok → ceruloplazminhiány
Cinktartalmú metalloproteinek1940 – első cinktartalmú enzim: szénsav anhidráz1985 – 100 cinktartalmú enzim1995 – 300 enzim + > 100 cinktartalmú protein
Cink szerepe: • aktív centrum (sav-bázis folyamatok katalízise)• szerkezetalakító
Cink biológiai szerepeA 2. leggyakoribb nyomelemLegkevésbé toxikus elemValamennyi élőlény számára létfontosságú2-4 g cink / 70 kg ember, felvétel: 15 mg/nap
Szénsavanhidráz• Katalizált folyamat:
CO2 + H2O HCO3– + H+
k = 3·10–2 s–1, katalizátorral: k = 6·105 s–1
• Zn: tetraéderes geometriájú, • koordináció: 3 hisztidin + 1 H2O• Zn – H2O → Zn-OH– (nukleofil) → kölcsönhatásba lép a CO2-dal
8
Szénsavanhidráz
Glu 117
His 119
Thr 199
His 96
His 94
His 64
Glu 106
H2O
Gln 92
Zn2+
Karboxipeptidáz-A
• Katalizált folyamat: peptidkötés C-terminális hidrolízise• 1 Zn + 307 aminosavból álló fehérje (M ~ 34.000) • koordináció: 2 hisztidin + 1 glutamát COO– + 1 H2O
Karboxipeptidáz Cink-ujjak (zinc fingers)
• Metalloproteinek, amelyek a DNS bázisszekvenciájának felismerésében játszanak szerepet → DNS replikációja során a genetikai információ átadását szabályozzák• Zn: szerkezetalakító szerep• 9-10 cinkiont tartalmaznak, Zn2+ tetraéderesen koordinált (His N, Cys S) → a koordináció a fehérje kiálló hajlatokkal (ujj-szerű) konformációját stabilizálja
Cink-ujjak (zinc fingers) MolibdénBiológiai szerep:Nitrogén-fixálás: N2 → NH3
ATP, ferredoxin: elektrontranszfer proteinmetalloenzim (nitrogenáz): Mo-t tartalmaz (esetleg V-ot)
• nitrogenáz enzim: N2-kötési helyet tartalmaz, itt megy végbe a N2 redukciója • két részből áll:
60000 molekulatömegű vas-kén protein: N2 megkötés + Mo tartalmú protein: „MoFe-protein”: elektronátvivő szerep
Mo-nitrogenáz:N2+ 8e−+ 8H++16MgATP=2NH3+H2+16MgADP+16Pi
9
MangánBiológiai szerep:• felnőtt szervezet: 10-20 mg-ot tartalmaz• legfontosabb szerep: fotoszintetizáló rendszer II (PSII)-ben vesz részt: víz fotolízise → oxigén képződése
Kobalt
Biológiai szerep:• B12 vitamin, korrinváz• csak egyes mikroorganizmusok képesek szintetizálni• hiánya vérszegénységet okoz
VanádiumBiológiai szerep1. Foszfát-anyagcsere enzimek szabályozásaSzabályozó szerepének oka:
- vanadát - foszfát antagonizmus: stabilis komplexek→ blokkolja (bizonyos esetekben aktiválja) az enzimet
- in vivo H2VO4− → VO2+ redukció
- inzulin utánzó hatás → gyógyaszati jelentőség
VanádiumBiológiai szerep2. Vanádiumtartalmú enzimekHaloperoxidáz (Vilter, 1984)
vörös és barna algafajokból izolálták
Haloperoxidáz
VanádiumBiológiai szerepVanádium-nitrogenáz (Hales és mtsai, 1986)
Azotobacter chroococcumA. vinelandii baktériumtörzsekből izolálták
Az enzim molibdénhiány esetén aktivizálódikXanthobacter autothrophycus
Vanádiumot akkumulál molibdénhiányos környezetben
Fe
S V
S Fe
SFeS
SS
OOO
A vanádium-nitrogenáz enzimben található Fe-V-S klaszter szerkezete
Biológiai szerepN2-fixálási folyamatokV-nitrogenáz:N2+10e−+10H++ 24MgATP = 2NH3 + 3H2 + 24MgADP + 24Pi
Vanádium
10
VanádiumBiológiai szerep3. Felhalmozódás élőlényekbenZsákállatkaVértestben (vanadocitákban): 0,15 mol/dm3
Vanadofórokban (vanadociták vanádiumtárolói): 1,0 mol/dm3
Légyölő galócaAmavadin: N-hidroxi-α,α'-iminodipropionsav vanádium(IV) komplexeRedox-katalizátor szerep:V(V)amavadin + e− = V(IV)amavadin εo = 0,53 VEsetleg egy primitív oxidáz része lehet
Fémionok gyógyászati alkalmazásai
Nyomelemek pótlása• hiánybetegségek kezelése• termelékenység növeléseToxikus nyomelemek eltávolítása• nehézfém-mérgezések kezeléseLétfontosságú nyomelemek anyagcsere zavarai• hiány és fölösleg okozta megbetegedések
Enzim inhibitorok: káros folyamatok megakadályozásaDiagnosztikumok: MRI-, röntgen kontrasztanyagok, radioaktiv izotópokTerápiás célból alkalmazott gyógyszerek
Létfontosságú elemek hiány- és fölöslegbetegségei
Hiány• Si: törpenövekedés,
csontképződési zavarok
• Fe: vérszegénység, általános gyengeség
• Cu: vérszegénység, ataxia, Menkes-kór
• Zn: étvágytalanság, törpenövekedés, bőrekváltozások
• Fölösleg• Si: szilikózis
• Fe: hemosziderózis, β-Thalassemia
• Cu: májelhalás, Wilson-kór, magas vérnyomás
• Zn: csak nagy dózisban toxikus
Toxikus fémionok
Nehézfémek, soft fémek (Sb, Sn, Bi, Zr, Hg, Cd, Tl, Pb)hard fémek (Al, Be)- létfontosságú elemeket szorítanak ki biológiai funkciót ellátóhelyükről
Zn(II) ↔ Cd(II), Ca(II) ↔ Pb(II), Cd(II), 90SrMg(II) ↔ Be(II), Al(III), K(I) ↔ Tl(I)
- bekerülés a szervezetbe: környezetből → környezetszennyezésPb(et)4, Ni/Cd-akkumulátor, Hg-katódos elektrolízis, Hg-os hőmérők (fogászat)
Fémionok gyógyászati alkalmazásai
Hiánybetegségek kezelése, nyomelemek pótlása• megfelelő, biológiailag hozzáférhető formában valóbejuttatás → gyors, minél teljesebb felszívódás
Fémfelesleg, toxikus elemek eltávolítása → kelátterápia: Alapelvek:• kelátképző vagy makrociklusos ligandumok (megfelelőstabilitással kötik a fémiont• sem a ligandum, sem a komplex nem lehet toxikus• megfelelő szelektivitás
Kelátterápiában használt ligandumok
2,3-dimerkapto propanol (imercaprol, BAL)
D-β,β-dimetil-cisztein (D-penicill-amin)
Gly-Gly-His
Cu(II) – Wilson kór
Hg(II), As(III), Sb(III), Ni(II)
SH
O-
O
+H3N
HS OH
SH
Cu(II), Hg(II)
H2N CH C
H
OHN CH C
H
OHN CH C
CH2
OH
O
N
NH
11
Kelátterápiában használt ligandumok
etilén-diamin-tetra-acetát (EDTA)
dezferrioxamin (DFO, Desferal)
+H3N(CH2)5
N
OH
C
O
(CH2)5
C NH(CH2)5
N
OH
C
O
(CH2)5
C NH(CH2)5
N C
OH
CH3
O
O O
Fe(III), Al(III)
Ca(II), Pb(II)-OOC
N-OOC
N
-OOC
COO-
Fémionok gyógyászati alkalmazásai
Terápiás hatású fémkomplexek• indirekt kapcsolat
Daganatellenes szerek:cisz-platina komplexek
cisz-platin karboplatin
H3NPt
H3N
O
O
C
C
O
O
H3NPt
H3N
Cl
Cl
H3N (II)Pt
H3N
Cl
Cl
H3N (II)Pt
H3N
Cl
OH2
NH3
Pt(II)H3N Guanin (DNS)
Cl
H3N (II)Pt
H3N
G
G
hidrolízis
DNS
Fémionok gyógyászati alkalmazásai
Cisz-platin működési mechanizmusa
Fémionok gyógyászati alkalmazásai
Terápiás hatású fémkomplexek• indirekt kapcsolatLitium: mániás depresszió: Li2CO3
Vanádium: inzulinutánzó (szájon át szedhető) gyógyszerek
bisz(pikolinsav)oxovanádium(IV)
OV
N
N
OO
O O
bisz(maltolato)oxovanádium(IV), BMOV
O
CH3
O
O-
O
CH3
O
O-
V
O
O
CH2CH3
O
O-
O
CH2CH3
O
O-
V
O
bisz(etil-maltolato)-oxovanádium(IV), BEMOV
Fémionok gyógyászati alkalmazásai Fémionok gyógyászati alkalmazásai
Terápiás hatású fémkomplexekIndirekt kapcsolat• Bizmut: gyomorfekély: Bi(NO3)3
• Cink: fekélyes sebek gyógyítása• Antimon: N-metilgluconamin-antimonát (Glucantime) nátrium-stibo-glükonát (Pentostam): sejten belüli paraziták elpusztítása
12
Fémionok gyógyászati alkalmazásai
Arany: izületi gyulladás
+Na-O
S
O-Na+
O
OAu
n
O
H
HO
H
HO
H
HOHH
S
OH
Au
Au S CH2
HC
H2C SO3Na
OH
n
Myochrysine
Solganol
Allochrysine
Fémionok gyógyászati alkalmazásai
Terápiás hatású fémkomplexekIndirekt kapcsolatEzüst: fertőzések gyógyítása
SHN
N
N
H2N
O O
szulfadiazin
Fémionok gyógyászati alkalmazásai
Terápiás hatású vegyületDFA – desferrioxamin: malária ellen
+H3N(CH2)5
N
OH
C
O
(CH2)5
C NH(CH2)5
N
OH
C
O
(CH2)5
C NH(CH2)5
N C
OH
CH3
O
O O
Fémionok gyógyászati alkalmazásai
Kontrasztanyagok• röntgen kontrasztanyag:
nehézfémsók: pl. BaSO4
szerves jódvegyületek
•NMR tomográfia: Gd-polikarboxilát komplexek
Fémionok gyógyászati alkalmazásaiKontrasztanyagok• NMR tomográfia: Gd-polikarboxilát komplexek
NN
N
COO-
-OOC
-OOC
COO-
COO-
N N
NNCOO-
COO-
-OOC
-OOC
DTPA - Magnevist
DOTA - Dotaterm
Fémionok gyógyászati alkalmazásai
Radioaktív izotópokDiagnosztika• > 80 %, 99mTc, γ-sugárzó (t1/2(γ) = 6 óra, t1/2(β) = 212000 év)
Terápia• Külső sugárforrás• Injektálás: 186Re, 188Re• 153Sm(EDTMP), 90Y(EDTMP) (β-sugárzó)EDTMP = etiléndiammin-tetrametilén-foszfonsav