Supramolekulární chemie v biologických systémech

Transkript

1 Supramolekulární chemie v biologických systémech vysoce specifická, selektivní a kooperativní Umožňuje živým systémům: udržet se v jejich prostředí živit se dýchat reprodukovat se odpovídat na externí podněty 1

2 Host = Receptorová místa enzymů, genů, protilátek imunitního systému, ionoforů Guest = substráty, inhibitory, kofaktory, antigeny Modelování biologických procesů v laboratoři: katalýza org.chemických reakcí enzymy selektivní transport kovových kationtů transport molekulových substrátů (O 2 ) X Abiotická analoga výrazně zaostávají za přírodou 2

3 Komponenty vykazují supramolekulární vlastnosti: molecular recognition self-assembly self-organization kinetická a termodynamická komplementarita Typy interakcí: koordinační (ion-dipól) vazby H- vazby π π stacking Biologické systémy jsou supramolekulární systémy par excellence 3

4 Kationty alkalických kovů v biochemii Membránové potenciály: ATP, schopnost dlouhodob.ukládání energie vzniklé metabol. potravy. V ATP náboj 4 -, vyrovnán kationty alk. kovů a kovů alk.zemin 4

5 ATP využíván při endergonických reakcích. Působením enzymů ATPáz ADP +H 2 PO 4- + energie (35 kj/mol) 5

6 Na + /K + -ATPáza, důležitý transmembrán. enzym ve fosfolipidové membráně buněk Během přeměny ATP transportovány kationty Na +, K + z jedné strany membrány na druhou Na + ven, proti koncentračnímu gradientu, K + do buněk intracelulárně vys. konc. K +, extracelulárně vys. konc. Na + Velmi důležitý proces pro vznik transmembrán. potenciálu (množství rozděl. náboje malé) uplatnění např. pro přenos informace v nerv.buňkách 6

7 Přenos nervového vzruchu 1) Konc. gradient pomocí Na + /K + -ATPázy 2) Otevření iontových kanálků, vyrovnání Na +, K + a změna membrán.potenciálu slabý el.impulz 3) Na konci axonu uvolnění acetylcholinu (neurotransmiter) 4) Acetylcholin otevře iontový kanálek v dalším axonu atd. 7

8 Model zásobovací pumpy Pump storage model Ionty aktivně pumpovány Na + /K +- ATPázou proti gradientu dynam. nerovnov. stav stimulace brány (gate) rychlý návrat do rovnováhy 8

9 Membránový transport Struktura dvojvrstvy: obdoba u buněčné membrány a liposomu 9

10 Možný transport polárních Na +, K + přes lipofilní membrány: 1)ionoforem=lipofilním nosičem ( carrier ligand ) 1) hydrofilními kanálky a)volné -pasivní transport b)řízené ( gated channel ) -aktivní transport 10

11 Valinomycin i nonactin selektivní pro K + přibližně oktaedrické rozmístění tvrdých,nepolariz. kys.atomů. Dutina nejlépe preorganizovaná pro K +. Pro strukturu valinomycinu důležitá H-vazba NH O=C - i jako antibiotika, narušují transmebrán. rovnováhu v bakteriích Přírodní ionofory carrier ligands : 11

12 Desolvatace-komplexace-transportdekomplexace mechanismus pro ionoforem zprostředkovaný přenos pomalý např. pro nerv.signaly X Transport iontů přes iontové kanálky velmi rychlý (blíží se difuz. limitu, cca 10 8 ion/s pro 1 kanálek) 12

13 RTG struktura K + kanálku V Streptomyces lividans. Podstata vysoké rychlosti a selektivity (10 5 x větší pro K + proti Na + ) ve struktuře kanálku. Příklad pasivního transportu iontů. 13

14 Oba konce kanálu obklopeny záporně nabitými zbytky AK zvýš. koncentrace kationtů Pór se skládá z dlouhého kanálku (18 A) s centrál. rozšířením dutinou (10 A) uprostřed K + cestuje dutinou bez ztráty hydrat. obalu Selektivní filtr pro K + tvořený karbonyl. skupinami, vazeb. místa tvoří rigidní kruh, držený arylovými tryptofanovými a tyrosinovými skupinami 14

15 Na + /K + -ATPáza plasmatických membrán ( Sodíková pumpa ) příklad aktivního transportu iontů pumpuje Na + ven a K + do buňky za souběžné hydrolýzy intracelulár. ATP Realizuje tzv. elektrogenní antiport: 3 kladně nabit. náboje opuštějí buňku a 2 do ní vstupují 3Na + (in) + 2K + (ex) + ATP 3Na + (ex) + 2K + (in) + ADP + P Důležité pro osmot. regulaci H 2 O v buňkách, excitabilitu nerv. buněk atd. 15

16 Na + /K + -ATPáza je fosforylována ATP v přítomnosti Na +, naopak její aspartylfosfátový zbytek je hydrolyzován v přítomnosti K + 2 konformační stavy enzymu (E 1 a E 2 ). Liší se terc.strukturou, katal.aktivitou a ligand.specificitou. E 1 má vysokou afinitu k Na + na cytosolové straně. Je-li navázán Na +, reaguje s ATP za vzniku aktiv.e 1 -P. X E 2 -P má na extracel.straně vazeb. místo pro K +, je-li navázán, hydrolyzuje za vzniku P + E 2. 16

17 Reakční schéma: 1) E 1 3Na +, který přijal Na + uvnitř buňky, váže ATP za vzniku ternár.komplexu E 1 ATP 3Na +. 2) Komplex reaguje vzniku makroergického aspartylfosfátového intermediátu E 1 -P 3Na +. 3) Intermed. relax. na konformaci E 2 -P 3Na + o nižší en. a přenese Na + ven z buňky. 4) E 2 -P váže K + z okolí buňky za vzniku komplexu E 2 -P 2K +. 5) Hydrolýzou se odštěpuje P, vznik E 2 2K +. 17

18 6) E 2 2K + mění konformaci, přenáší 2 K + přes membránu a nahrazuje je 3 Na +. Kinetické schéma aktivního transportu Na + a K + Na + /K + -ATPázou. 18

19 Na + /K + -ATPáza- 2 podjednotky α a β v dimerním uspořádání Pravděpodobný transport iontů: pomocí 6 helik. peptid. řetězců 19

20 Porfyriny a tetrapyrolové makrocykly Důležité makrocyklické ligandy, vážou kov. ionty díky chelat. a makrocyklickému efektu. -uplatnění i jako ionofory -velikost. selektivní vázba s přech. i nepřech. kovy -rozsáhlá redox chemie Hl.skupiny: 1) Chlorofyly, obsahují Mg 2+, akumulace světelné energie při fotosyntéze) 20

21 2) Hemové komplexy, Fe v centru subst. porfyrinu, např. hem (Fe-protoporfyrin IX) v hemoglobinu -v řadě enzymů (cytochromů),které mají jako substrát O 2 3) Koenzym F450 porfyrinoidní komplex Ni 2+, v mikroorganismech produkujících CH 4 (nezáv. na proteinov. složkách) 4) Kobalaminy (aktiv. forma vitaminu B 12 ), oproti porfyrinům obsahují jen částečně konjug. systém - corrin ( parc. hydrogenace porf. kruhu) 21

22 a)corrin b) hem (Fe-protoporfyrin IX) c) koenzym F450 22

23 Speciální vlastnosti: 1) velice stabilní, téměř planární kruhový systém 2) tetradentátní chelat. ligandy - protonizace i deprotonizace do 1. a 2. stupně - schopnost vázat kovové ionty, (chelátový, makrocyklický efekt) - komplex disociuje, přeruší-li se všechny vazby kov-ligand současně - selektivní vůči iontovému poloměru vázaného kovového iontu (rigidní, konjugované kruhy - nejselektivnější) 23

24 3) většinou arom. konjug. systém, 18 π el., 16 členný kruh - barevnost látek fotoaktivita - termická stabilita - stabilita redox produktů (delokalizace náboje) 4) 4-koord. at. v planárním uspořádání ponechána volná axiální místa pro vazbu substrátů a regulujícího ligandu 24

25 -možnost deformace za tvorby klenbového (místo planárního) koordinač. uspořádání pro velké kov.ionty (vysokospin. Fe 2+, činnost hemoglobinu) 25

26 Fotosyntéza rostlin - u zelených rostlin, některých bakterií a řas fotosyntetický výtěžek: cca 1 g glukózy/hod/1 m 2 plochy povrchu listu, < 1% účinnost Celkově cca 200 miliard tun ekvivalentů (CH 2 O) n a z CO 2 ročně 26

27 Pigmenty (receptory,chromofory) transformace světla dopadajícího na zemský povrch (Vis: nm, NIR: nm) chlorofyl a, bakteriochlorofyl a,+ další pigmenty odvozené od tetrapyrol. makrocyklů, s kovem i bez něj) 27

28 Chlorofyly obsahují konjugovaný π-systém (18 π-el). Vys. extink. koeficient (cca 10 5 M - 1 cm -1 ) na obou koncích VIS spektra (λ max 455 a 630 nm) zelená barva Bakteriochlorofyly, 2 částeč. hydrogen. pyrolové kruhy abs. pásy posunuty bathochromně Karotenoidy a otevřené řetezce tetrapyrolových molekul (phycobilins, phycoerythrin, phycocyanin) doplňují chlorofylové pigmenty pokryto široké abs.spektrum 28

29 Konec růst. periody degradace chlorofylu, viditelná jsou nezelená barviva, např. phycoerythrin (λ max = 455 nm, m ž, 510 nm, mz č, 555 nm, z f) 29

30 Pigmenty umístěné ve skládané fotosyntetické membráně s velkým povrchem (vysokým průřezem pro záchyt fotonů) 30

31 Přes 98% pigmentů využito pro absorpci světla ( light harvesting ) a anténní přenos energie do reak. center.prostorově orientovaný přenos definovanou sítí pigmentů - kaskáda přenosu energie (překryv emisních pásů donoru s abs. pásy akceptoru en.) 31

32 Kaskáda přenosu energie u pigmentů v řase Porhyridium cruetum: 32

33 Pigmenty zakotveny ve fotosyntetické membráně pomocí dlouhého fytylového řetězce. Role Mg 2+ : přispívá k fixování a uspořádání pigmentů v prostoru. 2 axiální místa oktaedru vazba na postranní polypeptidové ligandy 3 bodové ukotvení 33

34 Přednosti Mg 2+ : 1) hojný výskyt v přírodě (nekatalytická funkce) 2) nemá redox aktivitu (vadila by v mezipigmentovém přenosu el.) 3) silná tendence k hexakoordinaci 4) vhodný iont. poloměr 5) malá spin-orbit interak. konstanta (vedoucí k dlouhožijícím exc.triplet. stavům k světlo nebo teplo produkujícím procesům) 34

35 En. kolektována antenním pigment. systémem do reakč. centra. Excitace elektronu, ET a rychlá separace náboje. Reakční centrum (polyproteinový komplex ve fotosynt. membráně) bakterie Rhodopseudomonas viridis: 1) Excitace bakteriochlorofyl, dimeru (BC) 2 (BC) 2 * (primární separace náboje) 2) ET na monomerní BC (akceptor el.) 3) ET na sek. akceptor, bakteriofeofytin (BP) (sekundární separace náboje) 4) ET na para-chinon (Q a ) 35

36 5) ET na další chinon (např. ubichinon) Vznik el. gradientu vznik H + gradientu fotosyn. fosforylace (ATP syntéza) Ve vyšších organismech dark reakce, redukce CO 2 (Calvinův cyklus): 4e - + 4H + + CO 2 1/n (CH 2 O) n + H 2 O 36

37 Klíčový rys fotosyntézy: schopnost oddělit od sebe v prostoru náboje z reakčního centra v excit. stavu dříve, než proběhne velice účinná ale biochemicky neužitečná rekombinace - odděl. nábojů 10 8 x rychlejší než rekombinace (nemožné v normální chem. reakci) Dosaženo prostorovým ukotvením komponent ve vzájemně vhodné orientaci v nepolární oblasti proteinů zakotvených v membráně -znemožňuje difúzi, umožňuje chemickou reakci 37

38 Manganem katalyzovaná oxidace vody na kyslík Ve vyšších rostlinách 2 separované fotosystémy: PSI a PSII. PSI založen hlavně na pigmentu P 700, který se excituje přes PSII a redukuje CO 2 PSII podobný jako u bakteriálního reak.centra, navíc pigment P 680. Separací náboje vznik oxidujícího kationtu a kaskády oxid. reakcí: a) tyrosin tyrosin radikál.kation b) plastohydrochinon(pqh 2 ) plastochinon (PQ) 38

39 PQ oxiduje H 2 O v 4-el. redox pochodu, který je katalyzován OEC (Oxygen-Evolving-Complex) Enzym OEC tvořen Mn 4 clustrem, který přechází přes 5 oxid.stavů (malá akt. energie, velké změny v ox. stavech. 39

40 Polymanganový (OEC) systém funguje: i) jako el. resorvoár, akumulující náboj ii) katalyzátor, který neváže 3 O 2 40

41 1) MnO 2-x nh 2 O dobrý heterogenní katalyzátor rozkladu H 2 O 2 na O 2 a vodu 2) Snadno dostupný z mořské vody v době vývoje fotosyntézy (před 3x10 9 lety, nyní hojně na mořském dně) 3)Velké množství stabilních a metastabilních oxidačních stavů (II, III, IV, VI, VII) 4) Labilní vazba s ligandy 5) Upřednostňuje vysokospin. stavy, malé štěpení d orbitalů 41