МЕТАЛЛЫ В БИОМОЛЕКУЛЯРНОЙ ХИМИИ
БИОМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ изучает биохимические структурные и функциональные особенности биомолекул с точки зрения их химического строения и реакционной способности
ЧТО ДЕЛАЕТ БИОМОЛЕКУЛУ БИОМОЛЕКУЛОЙ ? Функционирование биомолекул подчиняется всем физическим и химическим законам, а, с другой стороны, - особым законам, объединенным в «молекулярную логику живого» живого А. Ленинджер
Biomolecular chemistry, which concerns the study of chemical processes at the interface of chemistry and biology, is a relatively new and largely unexplored area. A better understanding of chemical reactions underlying biological systems is in turn expected to lead to a better ability to design novel materials with properties that equal or exceed those of the naturally occurring materials upon which they are based.
George S. Hammond The most fundamental and lasting objective of synthesis is not production of new compounds, but production of properties. Norris Award Lecture, 1986
БИОМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ БИОНЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Роль органических соединений Роль металлов и их соединений C, H, N, O, S, P Na, K, Mg, Ca, V, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn Образование и функционирование биомолекул углеводы липиды аминокислоты нуклеотиды биорегуляторы: пептиды нуклеиновые терпены, стероиды, белки алкалоиды, витамины кислоты Ферментативный катализ Дыхание Преобразование энергии Транспорт через мембраны Фотосинтез Фиксация азота МЕДИЦИНСКАЯ ХИМИЯ ФАРМАКОЛОГИЯ ТОКСИКОЛОГИЯ
Бионеорганическая химия (Биометаллоорганическая химия) • изучение роли металлов и их соединений в живых организмах и в окружающей среде Медицинская неорганическая химия (Медицинская металлоорганическая химия) • создание лекарственных препаратов на основе соединений металлов
Бионеорганическая химия (Биоэлементоорганическая химия) 02. 00. 12 – Бионеорганическая химия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата/доктора химических наук Медицинская химия 02. 00. 16 – Медицинская химия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата/доктора химических наук
Учебники по бионеорганической химии Biological Inorganic Chemistry Ivano Bertini, University of Florence Harry B. Gray, California Institute of Technology Edward I. Stiefel, Princeton University Joan Selverstone Valentine, University of California, Los Angeles Principles of Bioinorganic Chemistry Stephen J. Lippard, Massachusetts Institute of Technology Jeremy M. Berg, Johns Hopkins University Биологическая неорганическая химия 2012 БИНОМ, Москва (в печати)
Учебники по бионеорганической химии
Bioorgaometallics. Biomolecules. Labelling. Medicine Биометаллоорганическая химия Editor Prof. Gerard Jaouen 2009. БИНОМ, Москва 2006. Wiley-VCH Verlag Gmb. H
ЖУРНАЛЫ Словарь терминов, используемых в бионеорганической химии. Glossary of Terms Used in Bioinorganic Chemistry IUPAC Recommendation 1997. Pure & Appl. Chem. 1997. Vol. 69, N 6, pp. 1251 -1303.
ЖУРНАЛЫ Dalton Transactions The international journal for inorganic, organometallic and bioinorganic chemistry Inorganic Chemistry The journal of American Chemical Society publishes fundamental studies in all phases of inorganic chemistry. Coverage includes experimental and theoretical reports on quantitative studies of structure and thermodynamics, kinetics, mechanisms of inorganic reactions, bioinorganic chemistry, and relevant aspects of organometallic chemistry, etc … chemistry Journal of Organometallic Chemistry The international journal targets original papers dealing with theoretical aspects, structural chemistry, synthesis, physical and chemical properties, and practical applications of organometallic compounds. The scope of the journal has been enlarged to encompass important research on organometallic complexes in bioorganometallic chemistry…
ERA of “. . . OMICS” GENOMICS → PROTEOMICS → METALLOMICS - a new journal covering the research fields related to biometals
12, 13, 14, 15 International Conferences on Bioinorganic Chemistry (ICBIC-12, 13, 14, 15) Medicinal Bioinorganic Chemistry Metals in Medicine Bioorganometallic Chemistry Bioenergetics Biological Electron Transfer Biomaterials Small Molecules Sensors etc…
Medicinal inorganic chemistry represents a key area in medicine and biological inorganic chemistry. The field of metals in medicine represents an approximate $3 billion dollar a year industry, industry with successes in the area of Tc- and Gd-based imaging agents and Pt-based cancer therapeutics being major contributors to this bottom line. It has become increasingly apparent, however, that metal-based pharmaceuticals can play a prominent role in areas outside of imaging and oncology, including in those associated with the diagnosis and treatment of metabolism- and genetic disorders, cardiovascular disease, gene therapy, inflammation, stroke, diabetes, malaria, and neurological disease. Лекарственные препараты на основе Pt: Цисплатин + Карбоплатин - 1, 2 млрд Евро/год Оксалиплатин – 2 млрд Евро/год
Medicinal Inorganic Chemistry J. L. Sessler, S. R. Doctrow, T. J. Mc. Murry and S. J. Lippard, Oxford University Press, 2005 Metallotherapeutic Drugs and Metal-Based Diagnostic Agents: The Use of Metals in Medicine Eds. M. Gielen, E. R. T. Tieknik, Wiley, 2005 Bioinorganic Medicinal Chemistry. Ed. Enzo Alessio, Wiley-VCH, 2011 Medicinal Inorganic Chemistry: State of the Art, New Trends and a Vision of the Future Targeting Strategies for Metal-Based Therapeutics Current Status and Mechanisms of Action of Platinum - Based Antitumor Drugs New Trends and Future Developments in Platinum - Based Antitumor Drugs Ruthenium and Other Non-Platinum Anticancer Compounds The Challenge of Establishing Reliable Screening Tests for Selecting Anticancer Metal Compounds Gold-Based Therapeutic Agents MRI Contrast Agents: State of the Art and New Trends Metal-Based Radiopharmaceuticals Boron and Gadolinium in Neutron Capture Therapy of Cancer Diseases Related to Disorders in the Metabolism of Essential Ions Metal Compounds as Enzyme Inhibitors Diagnostic Applications of Metal Containing Luminophores
Металлы в медицине B Li Mg Ti V Na K Ca Sr Fe Cr Cu Mn Co 90 Y Mo 99 m. Tc Ba 153 Sm La Gd Si Se Br Sedoneural As Peter J. Sadler Cl P Sn Au F S N 2 O 201 Tl Pt NO 67 Ga Ag 188 Re Cs Zn Al C I Sb Bi 133 Xe
Основные задачи бионеорганической (биометаллоорганической) химии: • изучение роли металлов и их соединений в живых организмах и в окружающей среде • изучение реакционной способности ионов металлов и их соединений по отношению к биологическим субстратам • моделирование ферментов и процессов с их участием • направленный синтез биологически активных металлоорганических и координационных соединений • создание фармакологических препаратов • создание биоматериалов
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ И КООРДИНАЦИОННАЯ ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ И МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ БИОХИМИЯ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ МЕДИЦИНСКАЯ ХИМИЯ Бионеорганическая химия ХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ БИОМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ ФАРМАКОЛОГИЯ
Методы исследования в бионеорганической химии (1) Изучение физико-химических и спектральных свойств активных центров металлопротеинов (2) Синтез и изучение моделей (биомиметиков) активных центров (3) Сопоставление реакционной способности металлопротеинов и модельных соединений (4) Направленная модификация с использованием генной инженерии (“site-directed mutagenesis”) Физико-химические и спектральные методы XAS, EXAFS РСА (монокристалл) Электронная спектроскопия поглощения (хромофор) MCD Raman-спектроскопия ЭПР (парамагнитные частицы) Магнитные измерения (SQUID-магнетометр) ЯМР Mossbauer-спектроскопия (соединения Fe) Кинетические методы (stop-flow) Изучение молекулярных механизмов Квантовохимические расчеты
Основные блоки курса (1) Роль металлов в биологических процессах (2) Органические реакции с участием металлопротеинов (3) Металлы в медицине
Роль металлов в биологических процессах Метаболизм (Окислительно-восстановительные процессы) Дыхание Фотосинтез Передача биохимических сигналов Защита против токсичных и мутагенных агентов, …
Биомолекулы, содержащие металл Молекулы небелкового происхождения Белки Процессы транспорта и запасания 1. Переносчики электронов • Цитохромы (Fe) Железо-серные белки (Fe) Синие медные белки (Cu) 2. «Операции» с металлом Транспорт и запасание М Ферритин (Fe) Трансферрин (Fe) Церуплазмин (Cu) Сидерофоры (Fe) Костные Ca и Si K, Na транспорт 3. «Операции» с кислородом Гемоглобин (Fe) Миоглобин (Fe) Гемэритрин (Fe) Гемоцианин (Cu) 1. Гидролазы Ферменты 2. Оксидоредуктазы Фосфатазы (Zn, Mg, Cu) Оксидазы (Fe, Cu) Аминопептидазы (Zn, Mg) Редуктазы (Fe, Cu, Mo) Карбоксипептидазы (Zn) Нитрогеназы (Fe, Mo, V) Гидроксилазы (Fe, Cu, Mo) Гидрогеназы (Fe, Ni) Супероксид дисмутаза (Fe, Cu, Mn) 3. Изомеразы и синтазы Кофермент Витамин В 12 (Cо) Фото- и редокс-процессы Хлорофилл (Zn, Mg, Cu) Фотосистема II (Mn)
БИОМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ изучает биохимические структурные и функциональные особенности биомолекул с точки зрения их химического строения и реакционной способности
(1) Биомолекулы могут выполнять различные функции в соответствии с их химической реакционной способностью (аминокислоты – строительные блоки белков и прекурсоры для синтеза гормонов, алколоидов и др. ) (2) Для биомолекул характерна уникальная архитектура; они имеют специфическую химическую структуру, которая подчиняется принципу структурной комплементарности (субстрат-ферментный комплекс, хиральность) (3) Слабые силы (связи) формируют биологические структуры и определяют биомолекулярные взаимодействия (роль водородной связи в структуре белков) (4) Биомолекулы несут информацию (ДНК)
Гемоглобин осуществляет перенос молекулы О 2
Fe Активным центром гемоглобина является порфирин железа
СТРУКТУРА ЦИТОХРОМА С Ковалентные связи обеспечивают линейную последовательность Нековалентные взаимодействия обеспечивают специфическую конформацию
Слабые силы формируют биологические структуры и определяют биомолекулярные взаимодействия Важные нековалентные взаимодействия и соответствующие энергии связи • • Силы Ван-дер-Ваальса: Водородные связи: Ионные взаимодействия: Гидрофобные взаимодействия: 0. 4 -4. 0 к. Дж/моль 12 -30 к. Дж/моль 20 к. Дж/моль < 40 к. Дж/моль
Взаимодействия Ван-дер-Ваальса
РОЛЬ НЕКОВАЛЕНТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ (1) Формирование биомолекулярных структур (2) Способность к биомолекулярному распознаванию (3) Согласование условий жизнедеятельности организмов с узким диапазоном условий внешней среды
Биомолекулярная структура определяется слабыми нековалентными взаимодействиями нагревание Нативный “свернутый” функциональный белок Денатурированный «развернутый» нефункциональный белок
Биомолекулярное распознавание определяется слабыми нековалентными взаимодействиями взаимодействие стероидного гормона с ДНК определенной последовательности
ПРОТИВОРЕЧИЕ Химический маршрут Горение глюкозы Биохимический маршрут Метаболизм глюкозы C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 C 6 H 12 O 6 6 CO 2 + 12 H 2 O 2 CH 3 COCOO- ~ 3000 к. Дж/моль Одна стадия гликолиз ~ 35 к. Дж/моль Несколько дискретных стадий с сохранением энергии на каждой стадии
Содержание металлов в организме человека (г/70 кг)
ОСНОВНЫЕ БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ (С УЧАСТИЕМ МЕТАЛЛОВ) Fe Cu Co Ni Zn Mn W Mo V Ca Mg Na K Окислительно-восстановительные процессы (перенос электронов) Активация кислорода Гидролиз Дегидрирование Оксигенирование и гидроксилирование
БИОЛИГАНДЫ Аминокислоты (пептиды, белки) Нуклеиновые основания (ДНК, РНК) Углеводы Липиды (фосфаты)
Скачать презентацию МЕТАЛЛЫ В БИОМОЛЕКУЛЯРНОЙ ХИМИИ БИОМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ изучает
1-Вводная лекция (39).ppt