Бионеорганическая химия. Биогенные элементы. (Лекция 4.1)

1. Бионеорганическая химия

Лекция №4
Биогенные элементы
Часть I
2014

2.

Содержание в организме
Элементы-органогены: O, C, H, N, P, S – 97,3%

3.

«Металлы жизни»
Общее содержание – 2,4%

4.

Элемент
Содержание в
организме, %
Содержание в
земной коре, %
Содержание в
морской воде, %
O
62,4
49,5
(1)
C
21
8,7
(13)
H
9,7
0,88
(9)
N
3,1
0,03
(16)
5∙10-5
(15)
S
0,15
0,048 (15)
0,089
(6)
Ca
1,5
3,38
(5)
0,041
(7)
K
0,25
2,41
(7)
0,039
(8)
Na
0,15
2,63
(6)
1,07
(4)
Mg
0,05
1,95
(8)
0,13
(5)
Fe
0,006
4,7
(4)
5∙10-7
Mn
1,7∙10-5
0,085 (14)
1∙10-8 (37)
Mo
1,3∙10-5
1,5∙10-4 (52)
1∙10-6 (22)
85,9
(1)
0,0028 (10)
10,8
(2)
(23)

5.

Биогенные элементы
Биогенные элементы – элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности
различных клеток организма
Макроэлементы
>10-3 %
Микроэлементы
10-3 ÷ 10-6 %
• построение тканей
• поддержка осмотического давления
• кислотно-основный,
окислительно-восстановительный,
металло-лигандный гомеостаз
• ферменты, гормоны, витамины
• комплексообразователи
• активаторы обмена веществ
В организме более 60 элементов! (Se, As, Tl, V, Cr, Ag…)
дефицит
оптимальное содержание
микроэлемента
(гомеостаз)
токсичность

6.

Роль биогенных элементов
Углерод
• белки, жиры и прочая органика (совместно с N, S, O, H)
• гидрокарбонатный буфер HCO32-/CO2
Кислород
• вода (совместно с Н)
• неорганические соли (совместно с Н)
• дыхание
Фосфор
• гидрокарбонатный буфер HРO42-/ H2РO4• фосфаты кальция (апатиты)
• АТФ и прочие «энергетики»
Калий, натрий • буферные системы
• осмотическое давление
Магний
• костная ткань
• активатор ферментов (окислительное
фосфорилирование, репликация ДНК, синтез
белков, гидролиз АТФ)

7.

Биологическая роль железа
гемоглобин-free
Цитохром с (cytc)
• перенос электронов
• апотоз (запрогромированная
клеточная смерть)
• окисление ароматических у/в
• антиокисдант (O2- O2)
4cytc + 2H (внутр) + О2
2+
+
Цитохром с-оксидаза (COX)
α3/CuB – каталитический центр
• электронный перенос (α1/CuА )
• катализ восстановления О2
COX
4cytc3+ + 4H+(внеш) + Н2О

8.

Биологическая роль железа
Оксигеназы
катализируют реакции внедрения О2
Диоксигеназы
внедряют оба атома О
тригональная
бипирамида
tbp
Монооксогеназы
внедряют один атом О
+ Н2О
• гемовое железо (цитохром Р-450)
• негемовое железо (липооксигеназа)
N = гистидин
Активный центр 3,4-PCD
протокатеохат-3,4-диоксигеназа
Активный центр
липоокигеназы
октаэдр
Oh

9.

Биологическая роль железа
3,4-PCD
+
либо
Ing
ингибитор
tbp
Oh
tbp
сильно связывающийся слабо связывающийся
ингибитор
ингибитор
Механизм работы цитохрома Р-450
пероксожелезо
гидропероксожелезо
оксеноидное железо

10.

Биологическая роль железа
Ферредоксины fd
FeS-протеины или кубановые кластеры
Известно более 120 ферментов
[Fe2S2](SCys)4
[Fe4S4](SCys)4
[Fe2S2]-
[Fe2S2]2-
[Fe4S4]+
[Fe4S4]2+
[Fe4S4]3+

11.

Биологическая роль железа
Ферредоксины fd
[Fe3S4](SCys)3
[Fe3S4]+
[Fe3S4]0
[Fe3S4]-
[Fe8S8](SCys)6(OSer)
[Fe3S4]-

12.

Биологическая роль железа
Ферредоксины fd
Кубановые кластеры в дегидрогеназе

13.

Биологическая роль железа
Цикл Кребса
Нобелевская премия по медицине, 1953
цитрат
Ханс Кребс
(Krebs)
+Fe2+
-Fe2+
+
Актиназа
неактивная форма
цис-актиновая к-та

14.

Биологическая роль железа
Возникновение ферредоксинов
Кристаллическая решетка
грейгита
ферредоксины

15.

Биологическая роль меди
Cu+1 – цистеин, метионин
Td
Cu+2 – гистедин, серин, тирозин
D4h
CuZn-зависимые супероксиддисмутазы SOD
Активнй цент
CuZn-супероксидисмутазы
O2- + SOD-Cu(II)
O2 + SOD-Cu(I)
O2- + SOD-Cu(I)
H2O2 + SOD-Cu(II)

16.

Биологическая роль меди
Мультимедные оксидазы
Лакказа
O2 + 4H + 4ē
+
N2O-редуктаза NOR
лакказа
H2O
N2 O
NOR
N2