Biologie. Anorganische Chemie. Bioanorganische Chemie

Transkript

1 Eine kleine Einführung in die Bioanorganische Chemie illustriert am Sauerstofftransport Jorge Ferreiro Montag, OACP II, ETH Zürich

2 Wie lässt sich die Anorganische Chemie mit der Biologie verbinden, wenn die meisten Baustoffe, Botenstoffe, Energieträger etc. organische Moleküle sind?

3 Biologie Anorganische Chemie Bioanorganische Chemie

4 Womit befasst sich die Bioanorganische Chemie? Funktionen von anorganischen Verbindungen in biologischen Systemen (Bio)chemische Mechanismen, um Grundfunktionen eines Organismus zu gewährleisten (z.b. Gasaustausch) Therapien in der Krebsforschung (v.a. basierend auf Platin- und Rutheniumkomplexen) Wichtigstes Forschungsgebiet der Bioanorganik: Koordinationschemie von biologisch aktiven Metallen!

5 Essentielle Metalle Kaim, W.; Schwederski, B, Bioanorganische Chemie, Teubner Studienbücher Chemie, 2. Auflage, Stuttgart 1995

6 Einige Prozesse in welche Metallkomplexe involviert sind Photosynthese (Photosysteme, Cytochrome) Gasaustausch (Hämoglobin, Myoglobin) Transkription (Co-Faktoren) Synthese von ATP Bildung von aktiven Enzymzentren für Hydrolysen Toxische Wirkung einiger Metalle (v.a. Schwermetalle)

7 Welche Liganden kommen vor? Gasmoleküle (O 2, CO 2, NO u.a.) Makrozyklische Chelatliganden (Porphyrin, Corrin u.a.) Peptide mit koordinationsfähigen Aminosäureresten (His, Met, Cys, SeCys, Tyr, Asp, Glu) Polynukleotide (RNA oder DNA)

8 Einige (ausgewählte) Liganden Abb. 2: Histidin (oben); Cystein (unten) Abb. 1: Porphyrin Abb. 3: Tautomere von Cytosin

9 Funktionalität der Hämgruppe im Sauerstofftransport als wohl bekanntestes Beispiel der Bioanorganik

10 Struktur der Hämgruppe

11 Funktionalität der Hämgruppe ändert sich, durch verschiedene Substituenten Häm-Typ Substituent R 1 Substituent R 2 Kommt vor als Häm A CH=CH 2 C 18 H 30 OH Cytochrom c Oxidase Häm B CH=CH 2 CH=CH 2 Hämoglobin, Myoglobin Häm C CH(CH 3 )S- Protein CH(CH 3 )S- Protein Cytochrom c Reduktase Chlorohäm C(H)=O CH=CH 2 Chlorocruorin

12 Beispiel: Bindung und Transport von O 2 in den Lungen/Kiemen Hämgruppe (anorganische Einheit) ist die funktionelle Untereinheit im Hämoglobin Hämoglobin (biochemische Einheit) kommt in den Erythrocyten (biologische Einheit) vor und hat die Aufgabe beim Gasaustausch O 2 zu binden Pro Hämoglobin werden vier O 2 Moleküle gebunden Hb + 4 O 2 Hb(O 2 ) 4

13 Beispiel: Bindung und Transport von O 2 Wird ein O 2 -Molekül im Hämoglobin gebunden, so erhöht sich die Affinität für das nächste O 2 - Molekül. => Kooperativität O 2 -Bindung erfolgt dadurch nicht linear! (abgerufen am )

14 Erklärung der Kooperativität durch Perutz Durch erste Oxygenierung von Hb, erfolgt im Fe 2+ eine Spinpaarung => Radius von Fe 2+ wird kleiner Fe 2+ kommt durch Spinpaarung fast in die Porphyrinebene zu liegen

15 Erklärung der Kooperativität durch Perutz Durch die weiteren Oxygenierungen eines Hb- Moleküls wandelt sich das Globin von der T in die R-Form um => Fe 2+ rutscht ganz in die Porphyrinebene => reversible Veränderung der Tertiärstruktur des Globins Affinität für weitere Aufnahme von O 2 steigt; Spannungen im Ring werden abgebaut

16 Toxische Wirkung von CO und CN - Beide Moleküle haben grössere Affinität an Fe 2+ zu koordinieren und dabei eine starke d- Orbitalaufspaltung herbeizuführen (Ligandenfeldtheorie, Spektrochemische Reihe) Sauerstoffstellen sind besetzt und man erstickt von Innen her HCN hat deswegen Namen Blausäure!

17 Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Gasaustausch ein Zusammenspiel ist aus Komplexierung des Sauerstoffs an das Fe 2+ führt zu einer Spinpaarung des Eisens und zu einer Verringerung des Radius Sterische Einflüsse des Globins führen zu einer höheren Affinität des Sauerstoffs bei der zweiten, dritten und vierten Oxygenierung Tertiärstruktur des Globins ermöglicht Komplexierung von Sauerstoff, trotz der grösseren Affinität von CO oder CN - an Fe 2+ zu binden

18 Methoden in der Bioanorganik Strukturaufklärung durch Röntgenkristallographie Modellierung durch niedermolekulare Verbindungen NMR, EMR Bioinformatik

19 Jetzt ist natürlich alles klar! Du hast mein Interesse geweckt. Wo kann ich mich informieren?

20 Für weitere Informationen - Kaim, W.; Schwederski, B, Bioanorganische Chemie, Teubner Studienbücher Chemie, 2. Auflage, Stuttgart Huheey, J.; Keiter, E.; Keiter, R., Anorganische Chemie, de Gruyter, 3. durchgesehene Auflage, New York, 2003, S McAuliffe, C.A., Techniques and Topics in Bioinorganic Chemistry, The Macmillian Press LTD, London Gruppe von Prof. Dr. W. Koppenol (siehe Vorlesung AC V), - Weitere Bücher findet man im Infozentrum, Regal 154 A-F, G-Stock