Fémionok szerepe az élő szervezetben: a bioszervetlen kémia alapjainak megismerése Előadó: Lihi Norbert Debreceni Egyetem Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék Bioszervetlen Kémiai Kutatócsoport
A bioszervetlen kémia tárgya és jelentősége • Tárgyköre: Az élő rendszerekben előforduló nem-szerves eredetű kémiai elemek (létfontosságú és toxikus) biológiai szerepének (felvétel, kötődési módjai, transzportfolyamatok, funkció, kiürülés) megismerése és modellezése, illetve ezen ismeretek gyakorlati alkalmazásai a gyógyászat, szervetlen kémia fiziológia mezőgazdasági termelés és környezetvédelem területén.
Bioszervetlen kémia
A biológiai rendszerek elemi
összetételének csoportosítása • Létfontosságú elemek: Meghatározott koncentráció-tartományban fordulnak elő Szerves vázalkotók: C, H, O, N, S, P Szervetlen váz- és testnedv alkotók: Na, K, Ca, Mg, Cl Nyomelemek Főcsoportbeli: Se, Si, Sn, F, I Átmenetifémek: Fe, Zn, Cu, Mn, Co, Ni, V, Cr, Mo
• Szennyező elemek: Előnyös hatású: B, Ti, W Mérgező elemek: Hg, Cd, Pb, Tl, As Közömbös: Li
Fémionok koordinációs kémiája • (Komplexképződés: Lewis-féle sav-bázis reakció)
Cu2+ +
Ezüstkomplexek 2 Ag+ + CO32– Ag2CO3 Ag2CO3 + 2 OH– Ag2O + H2O + CO32– Ag2O + H2O + 2 Cl – 2 AgCl + 2 OH– AgCl + 2 NH3(aq) [Ag(NH3)2]+ + Cl– [Ag(NH3)2]+ + Br– AgBr + 2 NH3 AgBr + 2 S2O32– [Ag(S2O3) 2]3– + Br– [Ag(S2O3) 2]3– + I– AgI + 2 S2O32– 2 AgI + S2– Ag2S + 2 I–
Oligopeptidek O H2N
CH R1
C
O H N
CH R2
C
O H N
CH
C
R3
a koordinációt befolyásolhatja: • az R1-Rn oldalláncok jelenléte • pl: Asp, Glu – karboxilát csoport, • His – imidazolgyűrű, • Cys – SH-csoport Biuret-próba!!
O H N
CH R4
C
OH
Nyomelemek szerepének csoportosítása 1. Kismolekulák szállítása, tárolása például: O2-szállítás:hemoglobin (Fe), hemocianin (Cu) O2-tárolás: mioglobin (Fe) 2. Molekulák aktiválása → metalloenzimek, fémionok által aktivált enzimek: a) redoxi folyamatok katalízise (Fe, Cu, Mn, Co, Mo, Ni) b) sav-bázis folyamatok katalízise (Zn) 3. Makromolekulák másodlagos szerkezete – Metalloenzimek (a fém nem aktív centrum) – Cinkujjak (szerkezetalakító) 4. Mikroelemek anyagcsere folyamatai – létfontosságú elemek felvétele, szállítása, tárolása
Kismolekulák szállítása: O2 transzport • A sejt energiaszükségletét aerob módon tudja a leghatékonyabban fedezni meg kell oldani az oxigén célsejtekhez történő eljuttatását • Hemoglobin
• Mi történik futás közben, aktív izommunka során? • 2,3-BPG
Oxigénátvivő katalizátorok • Metilénkék: Redukált alakja színtelen, oxidált alakja kék színű. Ha a rázással oxigén oldódik a vízbe, a metilénkék oxidálódik, de a cukor és a lúgos közeg mellett idővel visszaredukálódik • Indigókármin: Hasonló mechanizmus, csak itt van egy vörös átmeneti szín a kezdeti zöld és a végső sárga között
Fogkrém elefántoknak
A kálium-jodid katalizálja a hidrogén-peroxid bomlását, ezáltal rengeteg oxigéngáz keletkezik. Kevés mosószer segítségével a gázt nagy mennyiségű hab előállítására használhatjuk fel.
Redoxi folyamatok katalízise:
A CuZn-SOD enzim His118
Asp81
COO
Gly80
N
N
Val79
N N
Zn2+ N
N
His78
N His61 His69
N
N
His4 8
N Cu2+
Val 47 N
His46 N
2 O2- + 2 H+ = H2O2 + O2
Sav-bázis folyamatok katalízise Olyan fémionok, amelyek nehezen vihetőek redoxi reakcióbaZn Szénsav-anhidráz: CO2+H2O HCO3- + H+ Katalizátor: 107-szer nagyobb reakciósebesség
A bioszervetlen kémia alkalmazása a gyógyászatban Milyen szerepet játszhatnak a fémvegyületek a gyógyászatban? Kék: forgalomban lévő gyógyszerekben megtalálhatóak Narancs: diagnosztikában alkalmazott Zöld: radioaktív izotópja gyógyászati jelentőségű
• Létfontosságú elemek, mint étrendkiegészítők • Kelátterápia • Terápiás szerek • Diagnosztikai szerek (MRI, Röntgen) • Enzim-inhibítorok • Sugárterápiás szerek o Diagnosztika o Terápia
Kelátterápia • Kelátor vegyület: Olyan vegyület, amely a szervezetből kivonandó fémhez specifikusan kötődik, majd eltávolítja azt • pl. béta-talasszémia, hemokromatózis
Terápiás szerek, diagnosztika •
Fertőzésgátló szerek: o Agszéleskörű baktérium- és gombaölőszer o N-metilglükamin-antimonát: sejten belüli élősködők o Makrociklusos-biciklámok Zn(II)-komplexei: HIV leghatásosabb inhibitorai
• • • •
Gyulladásgátló aranykomplexek: izületi gyulladás Gyomorsavmegkötők, fekélyellenes szerek: Bi(III)-vegyületek Idegrendszerre ható vegyület: Li2CO3 Kontrasztanyagok
Kemoterápikumok •
cisz-platintumoros sejtekben: • cisz-[Pt(NH3)2Cl(H2O)]+ • cisz-[Pt(NH3)2(H2O)2]2+
Alzheimer-kór
Alois Alzheimer (1901)
Auguste Deter
Debreceni Egyetem Bioszervetlen
Kémiai Kutatócsoport
• A fémionok lehetséges szerepének megismerése a neurodegeneratív betegségekben • Hidroxámsav funkciós csoportú enzim-inhibitorok előállítása, fémionhoz való kötődésük megismerése • Ruténium és más platinafém-komplexek előállítása és biológiai aktivitásuk feltérképezése • Létfontosságú fémionok peptidekkel való kölcsönhatásának megismerése, redoxirekacióik tanulmányozása
Köszönöm a figyelmet!
A kis tűzhányó (NH4)2Cr2O7 = N2 + Cr2O3 + 4 H2O
