mg biológiai szerep s-mezőelemei: biológiai szerep · 3 a vas biológiai szerepe vastartalmú...

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







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+







– Alacsonyabb rendűélőlényekbenoxigénszállító

– 4 alegységből áll, egyalegység két Fe(II)-t ésegy O2-t köt meg

Hemeritrin

4







• 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






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 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







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


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


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)


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-


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


Cisz-platin működési mechanizmusa


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


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


Terápiás hatású fémkomplexekIndirekt kapcsolatEzüst: fertőzések gyógyítása

SHN

N

N

H2N

O O

szulfadiazin


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


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


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

mg biológiai szerep s-mezőelemei: biológiai szerep · 3 a vas biológiai szerepe vastartalmú...

Documents