Кафедра неорганической химии бионеорганическая химия
 Скачать 2.43 Mb.
|
|
КАФЕДРА НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ БИОНЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Жизнь зависит от правильного функционирования белков и нуклеиновых кислот, которые зачастую связаны с ионами металлов. Установление структуры и реакционной способности металлопротеинов и других металлобиомолекул является основной задачей биологической неорганической химии. Одиннадцать элементов периодической системы необходимы для существования всех форм жизни; Тринадцать дополнительных элементов являются важнейшими для жизнедеятельности большинства существующих видов живых организмов. Семь - восемь элементов используются некоторыми организмами нашей планеты. Неорганические элементы вовлечены во все жизненные процессы: Обеспечение электронейтральности и электропроводности: Na, K, Cl Структурная организация и темплатный эффект: Ca, Zn, Si, S Передача сигнала: Ca, B, NO Буферная емкость кислот и оснований по Брёнстеду: P, Si, C Катализ кислотами и основаниями по Льюису: Zn, Fe, Ni, Mn Транспорт электронов: Fe, Co, Mo Перенос групп (например, СН3, О, S): V, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, W Редокс-катализ: V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, W, S, Se Накопление энергии: H, P, S, Na, K, Fe Биоминерализация: Ca, Mg, Fe, Si, Sr, Cu, P БАЗОВЫЕ ЗНАНИЯ Координационная химия Принцип Пирсона Строение и свойства белков и нуклеиновых кислот Основы биохимии СТРУКТУРА БЕЛКОВ ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА N C a( R) Вторичная структура: a- спираль Вторичная структура: b - лист МОТИВЫ ВО ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУРАХ ЦЕЛИ КУРСА Роль металлов в живых системах Биохимия металлов Роль ионов металлов: токсичность или поддержание жизни Базовые знания о применении неорганических соединений в медицине Прикладные аспекты химии металлов МЕТОДЫ БИОНЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ Исследование природных систем спектральными и кинетическими методами (металлоферменты) Изучение генетически модифицированных систем, с целью рассмотрения тонкостей строения и функционирования. Синтез и свойства синтетических аналогов (или их фрагментов) ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ БИОНЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ Методы детоксикации, в том числе селективной, живых организмов, загрязненной воды или почвы Каталитические системы, повторяющие природные ферменты Диагностика инфекций, опухолей, радиодиагностика, контрастные вещества Биоинженерные металлоферментные системы, биосенсоры Лекарственные препараты (Au, Bi , платиновые металлы) РАЗДЕЛЫ БИОНЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ Детальное изучение координационного окружения металлов в ферментах, нуклеиновых кислотах, углеводах Механизм реакций в металлоцентре ферментной системы Синтез и изучение свойств синтетических аналогов металлоферментов Синтез и изучение механизма воздействия металл-содержащих лекарств для профилактики и лечения заболеваний Транспорт и выведение ионов металлов из/в живых систем Исследование процессов биоминерализации БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БИОНЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ БИОЛОГИЯ КАТАЛИЗ МЕДИЦИНА БИОНЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ БИОНЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ФАРМАКОЛОГИЯ Цинк: отсутствие окислительных свойств; комплексообразование Следствие: способен образовывать устойчивые комплексы с компонентами живых систем; может ингибировать процесс репликации вирусов; является коферментом, необходимым для функционирования сетчатки. Препараты цинка: эффективны в снятии симптомов простуды в первые часы заболевания ускоряют процесс заживления ран, пролежней, ожогов; применяют при лечении болезни Крона (причина дефицит ФК, B12 и Zn); цинк можно эффективно применять для лечения пациентов с гнездовой и злокачественной алопецией. БИОНЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ЖИВЫЕ СИСТЕМЫ Гранулы - магнитосомы - состоят из магнетита. Образуют цепочки до 20 единиц в каждой бактерии Грань кристалла - 42 нм. Размера магнитного домена магнетита 40-100 нм. Магниточувствительные бактерии: Aquaspirillium magnetotaсticum, Magnetobacterium bavaricum, Magnetospirillum magneticum 0.5 мкм МЕТАЛЛЫ В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ Железосодержащие белки и ферменты Цинксодержащие белки и ферменты Медьсодержащие белки и ферменты Катионы Mg 2+ ; Ca 2+ ; K + , Na + Марганец Ванадий Кобальт Никель Молибден Хром Селен Вольфрам МЕТАЛЛЫ В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ БЕЛКИ ФЕРМЕНТЫ Металл-содержащие и способные связывать металлы Более 40 % - содержат металл в активном центре; по крайней мере 25 % - необходим ион металла для активации или работы МЕТАЛЛЫ В КЛЕТКЕ Калий, Магний структурные белки; ферменты Натрий регулирование мембранного потенциала Кальций мембранная структура; скелет; экзоскелет Железо, Медь, Кобальт, Молибден, Цинк, Марганец ферменты и кофакторы Калий, Магний ДНК КЛАССИФИКАЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ КРАЙНЕ ТОКСИЧНЫЕ МАЛО- ТОКСИЧНЫЕ Ртуть; Кадмий;Таллий Жизненно необходимые; Прочие ДИАГРАММА (МОДЕЛЬ) БЕРТРАНА концентрация по л ожит ел ьн ый эфф ек т оптимальный диапазон смертельный эффект смертельный эффект БИОНЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ МЕТАЛЛЫ: искусcтвенная роль - в медицине МЕТАЛЛЫ: РОЛЬ В МЕДИЦИНЕ Профилактика заболеваний Диагностика заболеваний Лечение общих (системных) заболеваний Терапия рака Токсичность при превышении нормы содержания Отравления металлами (не характерными для живых систем) Хронические отравления Детоксикация живых объектов ПРИМЕНЕНИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В МЕДИЦИНЕ Соединение Назначение пероксоборат натрия антисептик фторид олова (II) зубная паста сульфат бария контрастное вещество иод дезинфекция карбоксилаты циркония (IV) антиперспиранты ацетат стронция зубная паста комплексы гадолиния (III) МРТ контрастные вещества соли кремниевых кислот снижение концентрации Al соли цинка противогрибковые средства сульфат ванадила ( симулятор инсулина) «Суперванадил» поддерживающая терапия сахарного диабета; развитие мускулатуры ФУНКЦИИ МЕТАЛЛОВ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ Транспортная функция: электроны, дикислород, металлы Металлы-компаньоны Поддержание структуры ДНК («Цинковые пальцы») Катализ (6 классов ферментов) ФУНКЦИИ МЕТАЛЛОВ В БИОЛОГИИ Структурообразующие (кальций, цинк) Каталитические (марганец, железо, кобальт, цинк, медь, молибден, ванадий) Лекарственные (золото, платина, палладий, висмут, литий, серебро) Диагностические (технеций, гадолиний) Аналитические (осмий, платина, кобальт) Транспорт электронов (медь, железо) Транспорт лигандов (н-р, дикислорода) ОСОБЕННОСТИ МЕТАЛЛОВ Заряд иона Размер иона Предпочтительный координационный полиэдр Способность подстраиваться под лигандное окружение ЖМКО ОСОБЕННОСТИ МЕТАЛЛОВ 1. Предпочтительный полиэдр (зависит от степени окисления) 2. Прочность связей (слабые, прочные) 3. Кинетика 4. ЖМКО 5. Реакционная способность a) ОВ свойства b) Фотореактивность или способность к переносу заряда c) Каталитические свойства d) Темплатные возможности 6. Способность образовывать кластеры РОЛЬ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ Структурная роль Скелет и зубы Магнетит в бактериях, в организмах медоносных пчел, голубей Структурообразующая роль Кальций (4 иона) и цинк (1 ион) в термолизине Марганец в супероксид дисмутазе Цинк в алкоголь дегидрогеназе Роль «цинковых пальцев» Экспрессия генов – результат индуцированной цинком укладки молекул ЯМР и РСА для ДНК возможен только благодаря их аддуктам СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЭФФЕКТЫ В БИОНЕОРГАНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ НЕ: Ковалентные Ионные Координационные Хелатные ПРИМЕРЫ: Аддукт ДНК-«ЦП» Распознавание Pt-ДНК комплексов белками с высокой подвижностью (HMG) Оборачивание ДНК вокруг гистонов H1 Сворачивание белка: белок-белковые взаимодействия НО: Водородные связи Стэкинг Кластеры с мостиковыми водородными связями Гистон – низкомолекулярный фрагмент, связанный с молекулой белка ТРАНСПОРТ И НАКОПЛЕНИЕ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ Трансферрин – транспорт железа Альбумин – транспорт меди Ферритин – накопление железа Удаление из организма избытка токсичных ионов металлов: Металлотионеины (белки с боковыми цистеиновыми фрагментами) ДРУГИЕ ФУНКЦИИ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ В БИОМАКРОМОЛЕКУЛАХ Разрушительное действие токсичных металлов или металл- содержащих веществ можно обратить на пользу: Тиолаты золота – компоненты при лекарственной терапии артрита Соли висмута для лечения язвы желудка Комплексы платины – противораковые средства Соединения технеция и рения – радиодиагностические препараты Меченные металлами антитела МЕТАЛЛОФЕРМЕНТЫ И МЕТАЛЛОПРОТЕИНЫ Белки: транспорт, накопление (металлов или «электронов») миоглобин, азурин, цитохром, ферритин Ферменты: катализ P-450, аскорбатоксидаза, каталаза Коферменты – активация ферментов Апоферменты – безметальные (неактивные) Проферменты – неактивные, требуют активации Синзимы – биомиметические продукты, имитирующие ферменты (структура, активность) ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОПИСАНИЯ (Био)катализ: соединение (система) подвергается воздействию протекающему: периодически, селективно и эффективно Бионеорганическая химия: отрасль науки изучающая роль и влияние ионов металлов и их соединений на живые системы РОЛЬ МЕТАЛЛА (ИОНА) В (БИО)КАТАЛИЗЕ Кислота Льюиса (акцептор) Участник ОВ процесса Образование π-комплексов (донор) Редко: Стабилизация интермедиата Активация инертного субстрата Темплат-эффект: ориентация реагентов относительно друг друга с реализацией оптимальной геометрии ВАЖНЕЙШИЕ РЕАКЦИИ В БИОЛОГИИ С УЧАСТИЕМ МАЛЫХ МОЛЕКУЛ H 2 O O 2 N 2 2 NH 3 O 2 H 2 O 2 O .- H 2 O 2 + O 2 CH 4 CH 3 OH 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 ФОТОСИНТЕЗ МЕТАН МОНООКСИДАЗА КАТАЛАЗА ЦИТОХРОМОКСИДАЗА НИТРОГЕНАЗА СУПЕРОКСИД ДИСМУТАЗА Катализируются ферментами содержащими ионы металлов, иногда несколько! СКОРОСТЬ И СЕЛЕКТИВНОСТЬ БИОКАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ КАТАЛАЗА железосодержащий гем 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 2*10 6 1 /с СУПЕРОКСИДДИСМУТАЗА Содержит медь O 2 - 2 H 2 O 2 + O 2 2*10 9 1 /с БИОЛИГАНДЫ |