ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ

Transcript

1 ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΜΕΤΑΛΛΟ-ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ ΔΠΜΣ ΙΑΤΡΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ Μαρία Λουλούδη Καθηγήτρια Ανόργανης Χημείας Εργαστήριο Βιομιμητικής Κατάλυσης & Βιομιμητικών Υλικών Τμήμα Χημείας Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Διαχείριση, αποθήκευση και μεταφορά μοριακού οξυγόνου (αναπνοή) Μεταφορά ηλεκτρονίων (φωτοσύνθεση) Διαχείριση μοριακού οξυγόνου-συμμετοχή του στα ένζυμα

2 Εισαγωγή

3 Πρωτεϊνες μεταφοράς ηλεκτρονίων Αιμο-πρωτεϊνες

4 τρανσφερίνη SOD Πρωτείνες σιδήρου-θείου

5 Cu,Zn-SOD αιμερυθρίνη Ασκορβική οξειδάση

6 Διαχείριση, αποθήκευση και μεταφορά μοριακού οξυγόνου Αιμογλοβίνη και μυογλοβίνη α (a) The structure of haemoglobin shown in a ribbon representation. The four subunits, each containing a haem unit, are shown in different colours. (b) The structure of the haem unit in its rest state. The Fe(II) centre is coordinated by a protoporphyrin IX ligand and a histidine residue; the non-terminated stick represents the connection to the protein backbone. β

7 Διαχείριση, αποθήκευση και μεταφορά μοριακού οξυγόνου Αιμογλοβίνη και μυογλοβίνη Συστήματα μοντέλων

8 Simplified molecular orbital energy level diagram for dioxygen (omitting the 1s interaction) Ο 2, Ο 2 - Ο 2 2-

9 μ-οξο διμερές

10 μ-οξο διμερές

11

12

13

14

15

16 "Συνθετικό αίμα"

17 Αιμερυθρίνη (θαλάσσια ασπόνδυλα)

18 Αιμερυθρίνη (θαλάσσια ασπόνδυλα) (a) Two subunits in the metalloprotein deoxyhaemerythrin from the sipunculid worm; The backbone of the protein chains are shown in ribbon representation and the position of the Fe2 unit is shown. (b) The active site in which the two Fe(II) centres are bound by histidine, glutamate and aspartate residues. (c) The O2-binding site in oxyhaemerythrin from Themiste dyscrita. The red hashed line represents a hydrogen-bonded interaction

19

20 Description of hindered dicarboxylate ligand (A) and molecular structure of the unsymmetrical [Fe(II)2(- OH)(OOR)2] complex (B).

21 Oξυ - και δεοξυ-αιμοκυανίνη (μαλάκια)

22 Oξυ - και δεοξυ-αιμοκυανίνη (μαλάκια) The structure of deoxyhaemocyanin from the spiny lobster (Panulirus interruptus): (a) the backbone of the protein chain and the positions of the two Cu(I) centres, and (b) the active site in which the two Cu(I) centres are bound by histidine residues. (c) The O2-binding site in oxyhaemocyanin from the Atlantic horseshoe crab (Limulus polyphemus).

23 Reversible uptake and release of oxygen by haemocyanins.

24 Ένταξη Ο2 τύπου μ-η2:η2

25 Ένταξη Ο 2 τύπου μ-η 2 :η 2 Molecular structure of a [Cu(II)(1,2-μ-O2)Cu(II)]. Molecular structure of [(Cu(II)TpiPr)(μ-η 2 : η 2 -O2)Cu(II)TpiPr].

26 Μεταφορά ηλεκτρονίων Μπλε πρωτεΐνες χαλκού

27 Μεταφορά ηλεκτρονίων Μπλε πρωτεΐνες χαλκού (a) Τα κέντρα χαλκού (ll) (α) στην πλαστοκυανίνη και (β) στην αζουρίνη

28 Μεταφορά ηλεκτρονίων Μπλε πρωτεΐνες χαλκού The structure of spinach plastocyanin: (a) the backbone of the protein chain showing the position of the Cu(II) centre and (b) the coordination sphere of the Cu(II) centre, consisting of one methionine, one cysteine and two histidine residues. The structure of azurin from Pseudomonas putida: (c) the backbone of the protein chain showing the position of the Cu(II) centre and (d) the Cu(II) centre, coordinated by a methionine, a cysteine and two histidine residues; one O atom from the glycine residue adjacent to one of the histidines interacts weakly with the metal centre (the red hashed line).

29 Μπλε πρωτεΐνες χαλκού Προτεινόμενη δομή του τριπυρηνικού κέντρου χαλκού στη λαξάση. Τα κέντρα χαλκού στην ασκορβική οξειδάση

30 Μπλε πρωτεΐνες χαλκού (a) A ribbon representation of one unit of ascorbate oxidase isolated from courgettes (zucchini, Cucurbita pepo medullosa). The positions of the Type 1 (on the left), Type 2 and Type 3 Cu atoms are shown. (b) Details of the tricopper unit. Each Type 3 Cu centre is bound to the protein backbone by three His residues, and the Type 2 Cu is coordinated by two His residues. (c) The Type 1 Cu centre is coordinated by a Cys, a Met and two His residues.

31 Πρωτεΐνες σιδήρου-θείου Η ένταξη σε πρωτεΐνες Fe-S : (a) rubredoxin; (b) 2Fe-2S* ferredoxins; (c) 4Fe-4S* ferredoxins.το S αναπαριστά σουλφίδια (S2-) και το Cys αναπαριστά κυστεϊνικά άτομα θείου. Πρωτεΐνες [3Fe-4S*]

32 Πρωτεΐνες σιδήρου-θείου (a) A ribbon representation of the metalloprotein rubredoxin from the bacterium Clostridium pasteurianum. The position of the Fe atom in the active site is shown. (b) Detail of the active site showing the tetrahedral arrangement of the Cys residues that bind the Fe centre. The iron sulfur units from ferredoxins, structurally characterized by X-ray diffraction: (a) the [2Fe 2S] ferredoxin from spinach (Spinacia oleracea), (b) the [3Fe 4S] ferredoxin from the bacterium Azotobacter vinelandii, and (c) the [4Fe 4S] ferredoxin from the bacterium Chromatium vinosum.

33 Πρωτεΐνες σιδήρου-θείου the [4Fe 4S] ferredoxin from the bacterium Chromatium vinosum. [3Fe 4S] Μετατροπή πλειάδας στην ακονιτάση

34 Πρωτεΐνες σιδήρου-θείου (a) The structure (shown in ribbon representation) of Rieske protein from spinach (Spinacia oleracea) chloroplast. The position of the Fe-containing active site is shown. (b) Detail of the [2Fe2S] active site in which one Fe atom is coordinated by two Cys residues and the second is bound by two His residues.

35 Πρωτεΐνες σιδήρου-θείου The structure of the active site in the NiFe hydrogenase from the sulfate-reducing bacterium Desulfovibrio gigas. Each nonterminated stick represents the connection of a coordinated amino acid to the protein backbone. The structure of the hydrogen cluster in the Fe-only hydrogenase from Desulfovibrio desulficans. The Fe4S4-cluster has four associated Cys residues, one of which bridges to the Fe2S2-unit. The right-hand Fe atom is coordinatively unsaturated. Each nonterminated stick represents the connection of a coordinated amino acid to the protein backbone.

36 Κυτοχρώματα Σχηματική αναπαράσταση της δομής οξειδωμένου κυτοχρώματος c. κυτοχρώματα a, στα οποία η αίμη έχει μια φορμυλ-ομάδα παρούσα, κυτοχρώματα b, στα οποία η πρωτεΐνη δεν συνδέεται ομοιοπολικά με την αίμη κυτοχρώματα c, στα οποία υπάρχει ομοιοπολική σύνδεση μεταξύ αίμης-πρωτεΐνης κυτοχρώματα d, τα οποία έχουν μια διυδροπορφυρίνη παρούσα.

37 Κυτοχρώματα (a) The protein chain (shown in a ribbon representation) of horse heart cytochrome c, showing the position of the haem unit. (b) An enlargement of the coordination sphere of the iron site showing the residues which are covalently linked to the protein chain.

38 Κυτοχρώματα Cytochrome c554 isolated from Nitrosomonas europaea: the protein chain shown in a ribbon representation and the four haem units. The Fe::::Fe distances between haem units are 950 pm, 1220pm and 920 pm.

39 Κυτοχρώματα The CuA, CuB, haem a and haem a3 sites in cytochrome c oxidase extracted from bovine (Bos taurus) heart muscle. The lower right-hand diagram shows the relative positions and orientations of the metal sites within the protein; an enlargement of each site shows details of the ligand spheres.

40 Κυτοχρώματα

41 [NAD]+ A schematic representation of part of the mitochondrial electron-transfer chain; reduction potentials, E, are measured at physiological ph 7 and are with respect to the standard hydrogen electrode at ph 7. Reduction potentials quoted in this chapter are with respect to the standard hydrogen electrode at ph 7. FAD

42 A schematic diagram of the redox potential of the various FeS centers in comparison with other known redox centers.

43 Το φωτοσυνθετικό μονοπάτι Δομή χλωροφύλλης

44 Το φωτοσυνθετικό μονοπάτι Ροή ηλεκτρονίων στα φωτοσυστήματα Ι και ΙΙ (σχήμα-«ζ»). Ο κάθετος άξονας δίνει την περιοχή του οξειδοαναγωγικού δυναμικού με τα αναγωγικά και τα οξειδωτικά είδη.

45 Το φωτοσυνθετικό μονοπάτι Ροή ηλεκτρονίων στα φωτοσυστήματα Ι και ΙΙ (σχήμα-«ζ»). Ο κάθετος άξονας δίνει την περιοχή του οξειδοαναγωγικού δυναμικού με τα αναγωγικά και τα οξειδωτικά είδη.

46 Το φωτοσυνθετικό μονοπάτι Ροή ηλεκτρονίων στα φωτοσυστήματα Ι και ΙΙ (σχήμα-«ζ»). Ο κάθετος άξονας δίνει την περιοχή του οξειδοαναγωγικού δυναμικού με τα αναγωγικά και τα οξειδωτικά είδη.

47 Διαχείριση μοριακού οξυγόνου-συμμετοχή του στα ένζυμα Υπεροξειδικές Δισμουτάσες Σχηματικές αναπαραστάσεις των ενεργών κέντρων των μονοπυρηνικών-sods Active site of human mitochondrial Mn superoxide dismutase (SOD). μηχανισμός δράσης των μονοπυρηνικών-sods Structure of domain1, human mitochondrial Mn superoxide dismutase Mn-SOD vs Fe-SOD dimers

48 Υπεροξειδικές Δισμουτάσες Bovine Cu-Zn SOD subunit. Yeast Cu,Zn superoxide dismutase dimer Η ετεροπυρηνική ενεργή περιοχή στην Cu-Zn BESOD

49 Προτεινόμενος μηχανισμός δράσης της BESOD Υπεροξειδικές Δισμουτάσες

50 Περοξειδάσες και καταλάσες H 2 O 2 +SubH 2 2H 2 O + Sub H 2 O 2 +H 2 O 2 2H 2 O + O 2 peroxidase catalase Μηχανισμός δράσης της περοξειδάσης

51 H 2 O 2 +SubH 2 2H 2 O + Sub H 2 O 2 +H 2 O 2 2H 2 O + O 2 peroxidase catalase Περοξειδάσες και καταλάσες

52 Οξειδάσες και οξυγενάσες Μονοξυγενάσες Κυτοχρώματα Ρ-450 Tυροσινάση Cytochrome P450 Oxidase Μονοξυγενάση του μεθανίου Μοριακή δομή μοντέλου της ενεργού περιοχής του κυτοχρώματος Ρ-450 Πιθανός καταλυτικός μηχανισμός του κυτοχρώματος Ρ- 450

53 Οξειδάσες και οξυγενάσες Μονοξυγενάσες Κυτοχρώματα Ρ-450 Tυροσινάση Μονοξυγενάση του μεθανίου Προτεινόμενος μηχανισμός καταλυτικής δράσης της τυροσινάσης

54 Οξειδάσες και οξυγενάσες CH 4 + O 2 + NADH + H + CH 3 OH + H 2 O + NAD Μονοξυγενάσες Κυτοχρώματα Ρ-450 Tυροσινάση Μονοξυγενάση του μεθανίου Σχηματική αναπαράσταση του διπυρηνικού κέντρου στην υδροξυλάση της MMO

55 CH 4 + O 2 + NADH + H + CH 3 OH + H 2 O + NAD Μονοξυγενάση του μεθανίου Καταλυτικός μηχανισμός της ΜΜΟ

56 ριβονουκλεοτίδια σε δεοξυ-ριβονουκλεοτίδια δι- ή τρι-φωσφορικά το πρώτο βήμα της σύνθεσης DNA Ριβονουκλεοτιδική αναγωγάση Σχηματική αναπαράσταση της ενεργής περιοχής του διπυρηνικού κέντρου σιδήρου (lll) της RRB2 από Ε. coli. Δείχνεται επίσης η σχετική θέση της ρίζας τυροσίνης που εντοπίζεται 5Å από την περιοχή του διπυρηνικού κέντρου σιδήρου. Το διμεταλλικό κέντρο στην υποκατεστημένη Mn(II)-RRB2

57 ριβονουκλεοτίδια σε δεοξυ-ριβονουκλεοτίδια δι- ή τρι-φωσφορικά το πρώτο βήμα της σύνθεσης DNA Ριβονουκλεοτιδική αναγωγάση Σχηματική αναπαράσταση της ενεργής περιοχής του διπυρηνικού κέντρου σιδήρου (lll) της RRB2 από Ε. coli. Δείχνεται επίσης η σχετική θέση της ρίζας τυροσίνης που εντοπίζεται 5Å από την περιοχή του διπυρηνικού κέντρου σιδήρου.