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Eine kleine Einführung in Eine kleine Einführung in
die Bioanorganische die Bioanorganische
ChemieChemie –– illustriert am illustriert am ChemieChemie –– illustriert am illustriert am
SauerstofftransportSauerstofftransport
Jorge FerreiroJorge Ferreiro
Montag, 8.12.2008Montag, 8.12.2008
OACP II, ETH ZürichOACP II, ETH Zürich
Wie lässt sich die Wie lässt sich die
Anorganische Chemie mit Anorganische Chemie mit
der Biologie verbinden, der Biologie verbinden,
wenn die meisten wenn die meisten
Baustoffe, Botenstoffe, Baustoffe, Botenstoffe,
Energieträger etc. Energieträger etc.
organische Moleküle sind?organische Moleküle sind?organische Moleküle sind?organische Moleküle sind?
� Funktionen von anorganischen Verbindungen in biologischen Systemen
� (Bio)chemische Mechanismen, um Grundfunktionen eines Organismus zu gewährleisten (z.B. Gasaustausch)
Womit befasst sich die Bioanorganische Womit befasst sich die Bioanorganische
Chemie?Chemie?
gewährleisten (z.B. Gasaustausch)
� Therapien in der Krebsforschung (v.a. basierend auf Platin- und Rutheniumkomplexen)
� Wichtigstes Forschungsgebiet der Bioanorganik: Koordinationschemie von biologisch aktiven Metallen!
Essentielle MetalleEssentielle Metalle
Kaim, W.; Schwederski, B, Bioanorganische Chemie, Teubner Studienbücher Chemie,
2. Auflage, Stuttgart 1995
Einige Prozesse in Einige Prozesse in
welche Metallkomplexe involviert sindwelche Metallkomplexe involviert sind
� Photosynthese (Photosysteme, Cytochrome)
� Gasaustausch (Hämoglobin, Myoglobin)
� Transkription (Co-Faktoren)� Transkription (Co-Faktoren)
� Synthese von ATP
� Bildung von aktiven Enzymzentren für Hydrolysen
� Toxische Wirkung einiger Metalle (v.a. Schwermetalle)
Welche Liganden kommen vor?Welche Liganden kommen vor?
� Gasmoleküle (O2, CO2, NO u.a.)
� Makrozyklische Chelatliganden (Porphyrin,
Corrin u.a.)
� Peptide mit koordinationsfähigen
Aminosäureresten (His, Met, Cys, SeCys, Tyr,
Asp, Glu)
� Polynukleotide (RNA oder DNA)
Einige (ausgewählte) LigandenEinige (ausgewählte) Liganden
Abb. 2: Histidin (oben); Cystein
(unten)
Abb. 1: Porphyrin
Abb. 3: Tautomere von
Cytosin
Funktionalität der Hämgruppe im Funktionalität der Hämgruppe im
Sauerstofftransport als wohl Sauerstofftransport als wohl
bekanntestes Beispiel der bekanntestes Beispiel der bekanntestes Beispiel der bekanntestes Beispiel der
BioanorganikBioanorganik
Funktionalität der Hämgruppe ändert sich, Funktionalität der Hämgruppe ändert sich,
durch verschiedene Substituentendurch verschiedene Substituenten
Häm-Typ Substituent R1 Substituent R2
Kommt vor
als9
Häm A CH=CH2 C18H30OHCytochrom c
OxidaseOxidase
Häm B CH=CH2 CH=CH2
Hämoglobin,
Myoglobin
Häm CCH(CH3)S-
Protein
CH(CH3)S-
Protein
Cytochrom c
Reduktase
Chlorohäm C(H)=O CH=CH2 Chlorocruorin
Beispiel: Bindung und Transport von OBeispiel: Bindung und Transport von O22 in den in den
Lungen/KiemenLungen/Kiemen
� Hämgruppe (anorganische Einheit) ist die
funktionelle Untereinheit im Hämoglobin
� Hämoglobin (biochemische Einheit) kommt in
den Erythrocyten (biologische Einheit) vor und den Erythrocyten (biologische Einheit) vor und
hat die Aufgabe beim Gasaustausch O2 zu
binden
� Pro Hämoglobin werden vier O2 – Moleküle
gebunden Hb + 4 O2 → Hb(O2)4
Beispiel: Bindung und Transport von OBeispiel: Bindung und Transport von O22
� Wird ein O2-Molekül
im Hämoglobin
gebunden, so erhöht
sich die Affinität für sich die Affinität für
das nächste O2-
Molekül.
=> Kooperativität
� O2-Bindung erfolgt
dadurch nicht linear!
www.biorama.ch (abgerufen am 3.12.2008)
Erklärung der Kooperativität durch PerutzErklärung der Kooperativität durch Perutz
� Durch erste
Oxygenierung von
Hb, erfolgt im Fe2+
eine Spinpaarung eine Spinpaarung
=> Radius von Fe2+
wird kleiner
Fe2+ kommt durch Spinpaarung fast in die Porphyrinebene
zu liegen
Erklärung der Kooperativität durch PerutzErklärung der Kooperativität durch Perutz
� Durch die weiteren Oxygenierungen eines Hb-
Moleküls wandelt sich das Globin von der T in
die R-Form um
=> Fe2+ rutscht ganz in die Porphyrinebene=> Fe2+ rutscht ganz in die Porphyrinebene
=> reversible Veränderung der Tertiärstruktur
des Globins
� Affinität für weitere Aufnahme von O2 steigt;
Spannungen im Ring werden abgebaut
Toxische Wirkung von CO und CNToxische Wirkung von CO und CN--
� Beide Moleküle haben grössere Affinität an Fe2+
zu koordinieren und dabei eine starke d-
Orbitalaufspaltung herbeizuführen
(Ligandenfeldtheorie, Spektrochemische Reihe)(Ligandenfeldtheorie, Spektrochemische Reihe)
� Sauerstoffstellen sind besetzt und man erstickt
von Innen her
� HCN hat deswegen Namen Blausäure!
� Komplexierung des Sauerstoffs an das Fe2+
führt zu einer Spinpaarung des Eisens und zu einer Verringerung des Radius
� Sterische Einflüsse des Globins führen zu einer
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der
Gasaustausch ein Zusammenspiel ist aus9 Gasaustausch ein Zusammenspiel ist aus9
� Sterische Einflüsse des Globins führen zu einer höheren Affinität des Sauerstoffs bei der zweiten, dritten und vierten Oxygenierung
� Tertiärstruktur des Globins ermöglicht Komplexierung von Sauerstoff, trotz der grösseren Affinität von CO oder CN- an Fe2+ zu binden
Methoden in der BioanorganikMethoden in der Bioanorganik
� Strukturaufklärung durch Röntgen-
kristallographie
� Modellierung durch niedermolekulare � Modellierung durch niedermolekulare
Verbindungen
� NMR, EMR
� Bioinformatik
Jetzt ist natürlich alles klar! Du Jetzt ist natürlich alles klar! Du
hast mein Interesse geweckt. hast mein Interesse geweckt.
Wo kann ich mich Wo kann ich mich
informieren?informieren?
Für weitere Informationen
- Kaim, W.; Schwederski, B, Bioanorganische Chemie, Teubner Studienbücher
Chemie, 2. Auflage, Stuttgart 1995
- Huheey, J.; Keiter, E.; Keiter, R., Anorganische Chemie, de Gruyter, 3.
durchgesehene Auflage, New York, 2003, S. 1039-1126
- McAuliffe, C.A., Techniques and Topics in Bioinorganic Chemistry, The
Macmillian Press LTD, London 1975
- Gruppe von Prof. Dr. W. Koppenol (siehe Vorlesung AC V), www.acac1.ethz.ch
- Weitere Bücher findet man im Infozentrum, Regal 154 A-F, G-Stock