biyoinorganik kimya ders notları (14 haftalık)

DİCLE ÜNİVERSİTESİ UZAKTAN EĞİTİM UYGULAMA VE ARAŞTIRMA MERKEZİ AİLE DANIŞMANLIĞI SERTİFİKA PROGRAMI

2012

BİYOİNORGANİK KİMYA

1.HAFTA

2012

Biyoinorganik Kimya

Prof. Dr. Hamdi TEMEL


2012

İÇİNDEKİLER

Biyoinorganik Kimya

1. Giriş

2. Proteinler

3. Enzimler


2012

1. Giriş

Biyoinorganik kimya, kimya disiplinlerinin arasında bir araştırma dalıdır. Biyoinorganik

kimyanın amacı, klasik inorganik elementlerinin ve metallerin canlı mekanizmasında ki

fonksiyonlarının aydınlatılmasıdır, yani biyokimyanın temel unsurlarını oluşturan ve

anorganik elementleri içeren pek çok molekül ve makromolekülün yapı ve fonksiyonlarının

incelenmesi ve ortaya çıkarılmasını amaçlayan bir bilim dalıdır.

Biyoanorganik Kimya en genel anlamda: anorganik Kimya ve biyolojinin girişim yaptığı

alanda yer alan bir bilim dalıdır.

Canlı mekanizmasında genellikle metaller proteinlerin (enzimlerin) aktif

merkezlerinde yer almaktadır.

Enzimlerin gerekli fonksiyonlarını ve görevlerini yerine getirebilmesi için bu

metallerin varlığı zorunludur. Metalproteinleri çok büyük ligandlar ile metal

kompleksler oluştururlar.

Ligand, koordine kovalent bağ aracılığıyla bir veya daha çok elektronunu bir veya

daha çok merkez atom veya iyona veren, atom, iyon veya fonksiyonel grup.

Ligand (biyokimya), reseptörlere bağlanan hücre dışında bir bileşik.

Kompleks, metal kompleks veya koordinasyon bileşiği olarak da adlandırılır, merkezi

bir atom veya molekül, ve ona zayıf şekilde bağlanmış olan çevresindeki atom veya

moleküllerden oluşmuş yapı.

İnorganik kimya, (anorganik kimya olarak da bilinir) inorganik, organik olmayan, yani

karbon-hidrojen bağı içermeyen bileşiklerin özelliklerini ve kimyasal davranışlarını

inceleyen kimya dalı.

Anorganik ve organik kimyayı birleştiren organometalik bileşikler, organometalik

kimya adında başka bir dalı oluşturur.

2. Proteinler


2012

Proteinler, amino asitlerin zincir halinde birbirlerine bağlanmasından oluşan büyük

organik bileşiklerdir. Açlık anında en son tüketilir. Kimyasal sindirimi midede başlar.

Proteinler, amino asitlerin yapıtaşlarından oluşan polimerlerdir. Her proteinin kendisine

has özelliklerinin olmasını sağlayan özel amino asit dizilimleri vardır.

Proteinlerin işlevlerinin çoğu, kendisini oluşturan amino asitlerin özelliklerinin tayin

edilmesiyle anlaşılabilir.

İnsandan virüse proteinlerin oluşumunda en çok kullanılan 22 çeşit amino asit vardır.

Bu zincirde bir amino asitin karboksil grubunun bir diğerinin amino grubuna

bağlanmasıyla oluşan bağ peptit bağı olarak adlandırılır. Her proteindeki amino asit dizisinin

sırası bir gen tarafından tanımlanır ve genetik kod ile kodlanmıştır. Genetik kod 22 "standart"

amino asit tanımlasa da proteinlerdeki amino asitler çevrim sonrası değişimle kimyasal olarak

değişikliğe uğrar.

Bu değişimler ya proteinin işlev görmeye başlamasından önce gerçekleşir ya da kontrol

mekanizmalarının parçası olarak, proteinin işlevini değiştirmek için olur. Proteinler belli

işlevleri yerine getirmek için beraberce de çalışabilirler ve bazıları bir araya gelip kararlı

kompleksler oluşturabilir.

Polisakkaritler, nükleik asitler ve yağlar gibi biyolojik makromoleküllere benzer şekilde,

proteinler de canlı organizmaların temel bileşenlerindendir ve hücrelerin içindeki her süreçte

yer alırlar.

Çoğu protein, biyokimyasal tepkimelerde katalizör işlevi olan enzimlerdir ve metabolizma

için yaşamsal bir role sahiptir. Başka proteinlerin ise yapısal veya mekanik işlevleri vardır:

Örneğin hücre iskeletindeki proteinler, hücrenin şeklini koruması için bir iskele görevi

yaparlar. Proteinler hücre haberleşmesi, bağışıklık yanıtı, hücre tutunması ve hücre bölünme

döngüsünde yer alır.

Protein, beslenmemizin önemli bir parçasıdır. Hayvanlar her amino asiti

sentezleyemediklerinden, zorunlu (esansiyel) aminoasitleri gıda yoluyla almak zorundadırlar.


2012

Sindirimde hayvanlar yedikleri proteini serbest amino asitlere parçalayıp bunlarla yeni

proteinler sentezler.

Miyoglobin proteininin temelde alfa sarmallardan oluşmuş 3 boyutlu yapısının şematik gösterimi. Protein

zinciri, amino uçtan karboksil uca doğru maviden kırmızıya geçiş yapacak şekilde renklendirilmiştir.

"Protein" sözcüğünün kaynağı, Yunanca'nın "birincil öneme sahip" anlamını taşıyan

πρώτα (prota) sözcüğüdür. Bu isim, proteinleri 1838'de ilk tanımlayan Jöns Jakob Berzelius

tarafından verilmiştir. 1926'da James B. Sumner'in üreaz enziminin bir protein olduğunu

göstermesine kadar, proteinlerin canlılar için ne derece önemli olduğu tam anlaşılmamıştır.

Yapısı çözülen ilk proteinler arasında insülin ve miyoglobin bulunur ki, insülin için Sir

Frederick Sanger 1958'de, miyoglobin için de Max Perutz ve Sir John Cowdery Kendrew

1962'de Nobel Kimya Ödülü kazanmıştır. Her iki protein de kırınım analizi ile üç boyutlu

yapıları çözümlenen ilk proteinlerdendir.

3. Enzimler

Enzimler, kataliz yapan (yani kimyasal tepkimelerin hızını artıran) biyomoleküllerdir.

Hemen tüm enzimler proteindir. Enzim tepkimelerinde, bu sürece giren moleküllere substrat

denir ve enzim bunları farklı moleküllere, ürünlere dönüştürür. Bir canlı hücredeki

tepkimelerin hemen tamamı yeterince hızlı olabilmek için enzimlere gerek duyar. Enzimler

substratları için son derece seçici oldukları için ve pek çok olası tepkimeden sadece birkaçını

http://tr.wikipedia.org/w/index.php?title=Miyoglobin&action=edit&redlink=1


2012

hızlandırdıklarından dolayı, bir hücredeki enzimlerin kümesi o hücrede hangi metabolik

yolakların bulunduğunu belirler.

Her katalizör gibi enzimler de bir tepkimenin aktivasyon enerjisini (Ea veya ΔG‡)

azaltarak çalışır ve böylece tepkime hızını çarpıcı şekilde artırır. Çoğu enzim tepkimesi, ona

karşılık gelen ve katalizlenmeyen tepkimeden milyonlarca kere daha hızlıdır. Diğer

katalizörler gibi enzimler de katalizledikleri tepkime sonucunda tükenmez ve bu tepkimelerin

dengesini değiştirmez.

Ancak, diğer çoğu katalizörden farklı olarak enzimler çok daha özgüldür (spesifiktir).

Enzimlerin 4000'den fazla biyokimyasal tepkimeyi katalizlediği bilinmektedir.

Enzimlerin büyük çoğunluğu protein olmakla beraber, ribozim adlı bazı RNA molekülleri

de tepkimeleri katalizler, bunun en iyi bilinen örneği ribozomu oluşturan bazı RNA'lardır.

Enzimlerin etkinliği başka moleküller tarafından etkilenebilir. İnhibitörler enzim

aktivitesini azaltan moleküllerdir, aktivatörler ise enzim aktivitesi artıran moleküllerdir.

Etkinlik ayrıca sıcaklık, kimyasal ortam (örneğin pH) ve substrat konsantrasyonu tarafından

etkilenir. Bazı enzimler endüstriyel amaçla kullanılırlar, örneğin antibiyotik sentezinde.

Ayrica bazı ev ürünlerinde biyokimyasal tepkimeleri hızlandırmak için enzim kullanılır

(örneğin, çamaşır tozunda bulunan enzimler lekelerdeki protein ve yağları parçalar).


2012


2.HAFTA

2012

Biyoinorganik Kimya



2012

İÇİNDEKİLER

Biyoinorganik Kimya

1. Nükleik Asitler

2. Temel Kimyasal Elementler


2012

1. Nükleik Asitler

Nükleik asitler, bütün canlı hücrelerde ve virüslerde bulunan, nükleotid birimlerden

oluşmuş polimerlerdir. En yaygın nükleik asitler deoksiribonükleik asit (DNA) ve ribonükleik

asit (RNA)'dır. İnsan kromozomlarını oluşturan DNA milyonlarca nükleotitten oluşur.

Nükleik asitlerin başlıca işlevi genetik bilgi aktarımını sağlamaktır, ancak bazı RNA türleri

insan olarak da işlev görürler.

RNA'yı oluşturan kimyasal gruplar. P, fosfat; Z, riboz şeker; A, C, G, U, sırasıyla adenin,

sitozin, guanin ve urasil. Zincirin doğrultusu şekerlerin 5' ve 3' karbonlarının sırası tarafından

belirlenir.

Nükleik asitler başlıca hücre çekirdeğinde bulunmalarından dolayı keşfedildiklerinde bu

şekilde adlandırılmışlardır. Bu polimerleri oluşturan nükleotid birimlerin her biri üç bölümden

oluşur: 1) Azotlu heterosiklik bir baz, 2) beş karbonlu (pentoz) bir şeker ve 3) bir fosfat

grubu. RNA'da bulunan şeker riboz, DNA'da ise deoksiribozdur. DNA ve RNA içerdikleri

azotlu bazlarda da farklılık gösterirler: adenin, guanin ve sitozin her ikisinde, timin yalnızca

DNA'da, urasil ise yalnızca RNA'da bulunur.

RNA molekülleri ilk sentezlendiklerinde bu dört temel baz dan oluşmalarına rağmen bazı

RNA türleri sonradan enzimler tarafından modifikasyona uğrarlar ve başka tür bazlar da

içerebilirler. RNA moleküllerinde bulunan, değişime uğramış (modifiye) baz türlerinin sayısı

yüze yakındır.

Nükleik asitlerin dizinleri onları oluşturan nükleotitler bir harflik kısaltmalarla yazılırlar.

Adenin, sitozin, guanin, timin ve urasilin kısaltmaları sırasıyla, A, C, G, T ve U'dur. Dizinin

yazılış yönü şekerlerin 5' ve 3' karbonlarının zincir üzerindeki sırasına göredir, bilimsel

konvansiyonda dizinler şekerlerin 5'-3' karbonlarının doğrultusunda okunurlar.

Nükleik asitler tek bir zincirden oluşabildikleri gibi birbirine sarılmış iki zincirden de

oluşabilirler. Spiral merdiven görünümlü bu yapıya çift sarmal denir. Çift sarmallı bir nükleik

asitteki iki zincir aralarında oluşmuş hidrojen bağları ile birbirlerine bağlıdırlar. Bazı tek


2012

zincirli nükleik asitler de kendi üzerlerine katlanıp iki sarmallı bölgeler oluşturabilir. DNA

genelde çift sarmallı olmakla beraber bazı virüslerin içerdikleri DNA tek zincirlidir. RNA

molekülleri de genelde tek zincirden oluşmakla beraber bazı virüslerin içinde çift sarmallı

RNA bulunur.

Nükleik asit zincirindeki şeker ve fosfat grupları değişimli olarak birbirine bağlıdır,

oksijen atomlarının paylaşılmasıyla oluşan bu bağlara fosfodiester grubu denir. Fosfat grupları

şeker molekülünün 3' ve 5' karbon atomlarına bağlıdır. Azotlu bazlar pentoz halkasının 1'

karbonuna bağlıdır.

Çift sarmallı nükleik asitlerde şeker-fosfatlı zincirler silindirik yapının dışında yer alır,

azotlu bazlar ise bu yapının ortasına doğru uzanarak birbirleriyle hidrojen bağları oluştururlar.

Hidrojen bağı kurmuş her bir baz çiftindeki bazlardan biri pürin sınıfından, öbürü pirimidin

sınıfındandır, bunların toplam uzunluğu sabittir. Genelde çift sarmalın genişliği onu oluşturan

baz dizininden bağımsız ve sabittir. DNA'da adeninin her zaman timin ile, guanin de her

zaman sitozin ile eşlidir. Bu baz çiftlerine tümleyici bazlar denir.

Bu eşlenmenin gerçekleşmesi için iki zincir birbirlerine göre ters yönde akarlar. Yani iki

sarmalın dizini iki satır olarak yazıldıklarında bir satırdaki dizin 5'-3' yönünde, öbür satırdaki

ise 3'-5' yönündedir. Bu iki dizinden biri öbürünün tümleyici dizinidir.

Baz eşlenmesinin bir diğer sonucu da iki zincirin birbirlerine sarılarak spiral merdiven

gibi bir yapı oluşturmalarıdır. Bu çift sarmal genelde sağ el kuralına göre döner, bir

dönmesinde 10 baz çifti vardır. James Watson ve Francis Crick DNA'nın bu üç boyutlu

yapısını keşfedip 1962'de Nobel Tıp veya Fizyoloji ödülünü kazandılar.


2012

RNA'yı oluşturan kimyasal gruplar. P, fosfat; Z, riboz şeker; A, C, G, U, sırasıyla adenin, sitozin, guanin ve

urasil. Zincirin doğrultusu şekerlerin 5' ve 3' karbonlarının sırası tarafından belirlenir.

İşlevleri

Nükleik asitlerin hücrede, bilgi depolama ve aktarımında önemli bir rol oynarlar. Dört

temel taştan uzun polimerler oluşturabilmeleri, ayrıca bazların birbiriyle hidrojen bağı kurma

özelliği, DNA'nın kendini ikilemesi, DNA'daki bilginin RNA'ya kopyalanması

(transkripsiyon) ve diğer önemli hücresel süreçlerde kullanılır.

Bilgi aktarımı

Baz eşlenmesinin genetikte bilginin kopyalanması ve korunumunda çok önemli bir rol

oynar. Hidrojen bağları, eşlenmiş bazları bir arada tutacak kadar güçlü, ancak iki nükleik asit

zinciri ona etki eden çeşitli enzimler tarafından birbirinden kolaylıkla ayrılabilecek kadar

zayıftır. Örneğin, DNA polimeraz enzimi tarafından katalizlenen DNA'nın kopyalanmasında

iki zincir birbinden ayrılır, ve her bir bazın karşısına onu tamamlayıcı bazı içeren nükleotid

yerleştirilerek yeni bir zincir oluşturulur. DNA'daki bilginin RNA'ya kopyalanması da benzer

bir mekanizmayla gerçekleşir.


2012

Baz eşlenmesinin hücreye sağladığı bir diğer fayda, çift sarmalda bilginin iki kopya olarak

saklı olmasıdır. DNA kopyalamasında meydana gelebilen hatalar bu sayede hücredeki hata

kontrol mekanizmaları tarafından algılanıp tamir edilir.

Yapısı

RNA'nın kendi kendisiyle baz eşleşmesi

Taşıcıyı RNA'nın üç boyutlu yapısı

DNA molekülünün çift sarmal yapısının aksine RNA, tek zincirli olmasından dolayı çok

çeşitli şekiller alabilir. Bunları belirleyen, nükleotitlerinin diziliş sıralaması, yani dizinidir.

Molekülün farklı bölgeleri tümleyici dizinlere sahipseler oralardaki bazlar birbirleriyle

hidrojen bağları oluşturabilirler. Bu bölgelerdeki nükleotitler yapısal bir görev görürler,

molekülün diğer kısımlarının ilmik veya saç firketesi gibi şekillere girmelerini sağlarlar.

Karmaşık üç boyutlu şekiller oluşturabilmek RNA'nın başka moleküllerle etkileşiminde ve

katalitik işlevlerinde önemlidir.

Bazı RNA molekülleri bir iskelet görevine sahiptir, çok sayıda proteinden oluşmuş

komplekslerin biraraya gelmesi ve beraber kalmalarını sağlar. Bir örnek, protein sentezinde

görev alan taşıyıcı RNA (tRNA) molekülleridir, bunların kendilerine has şekilleri hem

ribozomdaki enzimler ve rRNA tarafından tanınmalarını sağlar hem de taşıdıkları aminoasitin

ribozom üzerinde doğru noktaya yanaşmasını sağlarlar.

Katalitik

RNA molekülleri enzim gibi çalışabilirler. Bu moleküllerin üç boyutlu yapıları öyledir

ki içerdikleri bazların reaktif grupları bir kimyasal reaksiyonu katalizleyebilecek bir

konumdadır. Bazı mRNA molekülleri bu şekilde kendi kendilerini kesme özelliğine

sahiptirler. Ribozomlardaki ribozomal RNA (rRNA) molekülü de aminotransferaz

reaksiyonunu katalizleyerek protein sentezinin gerçekleşmesini sağlar.

Gen ifadesinin denetimi


2012

DNA ve RNA'nın içerdiği bazı dizinler DNA ve RNA'yı okuyan enzimlerin işleyişine

etki edebilirler. Bu dizinleri tanıyan bir protein doğrudan oraya bağlanabilir. Bunun gen

ifadesine etkisi duruma göre olumlu veya olumsuz olabilir. Mesajcı RNA (mRNA)

durumunda, kendisiyle baz eşleşmesi yaparak oluşabilen çift sarmallı bir yapı ya bir proteinin

ona bağlanmasına neden olabilir, ya da, aksine, üzerinde ilerlemekte olan bir ribozomun

ondan ayrışmasına neden olabilir. MikroRNA (miRNA) adı verilen kısa RNA'lar ise mRNA

ile eşleşerek çift sarmallı bir yapı oluşturur, bu da o mRNA'nın proteine çevirisini engeller.

DNA sarmalın polimorfizm olarak adlandırılan çeşitli halleri http://www.imb-

jena.de/IMAGE_DNA_MODELS.html adresinde görülebilir.

Düzlemsel olmayan riboz halkasınında dahil olduğu eşitli büzgüler DNA

konformasyon sayısını daha da artırır.

RNA'nın kendi kendisiyle baz eşleşmesi

A,B ve Z DNA yapıları yukarıdaki tablodan görülebilir. Daha ayrıntılı bilgiyi

http://www.imb-ena.de/IMAGE_DNA_MODELS.html adresinde bulabilirsiniz.

http://www.imb-jena.de/IMAGE_DNA_MODELS.html

http://www.imb-jena.de/IMAGE_DNA_MODELS.html

http://www.imb-jena.de/IMAGE_

http://www.imb-jena.de/IMAGE_


2012

Taşıcıyı RNA'nın üç boyutlu yapısı

2. Temel Kimyasal Elementler

Canlılar için gerekli kimyasal elementler dört ana kategoriye ayrılabilir:

1. Hacimli Elementler

2. Makro mineraller ve iyonlar

3. Eser elementler

4. Ultra eser elementler

Önceki sınıflandırmada sadece genel biyolojik olarak aktif iyon oksidasyon basamakları

belirtildi.

Eğer yük gösterilmemişse, element ağırlıklı olarak karşı atomla biyolojik bileşiklerde

kovalent olarak bağlanır.

Bileşikler (karbon (C), kükürt (S), fosfor gibi elementler (P), arsenik (As), bor (B),

selenyum (Se)) her ne kadar oksijen içeren iyonlarında pozitif yüklü oksidasyon basamağına

sahip olsalar da.


2012

Temel elementlerin aydınlatılması tarihsel çalışmalara dayanmaktadır ki bu da 1970'lerde

Klaus Schwarz tarafından yapıldı.

Diğer temel unsurlar çeşitli biyolojik türleride mevcut olabilir.

Temel durumlar şu kesin kriterlerle belirlenmektedir:

1. Element diyetten uzaklaştırıldığında psikolojik eksiklik ortaya çıkar.

2. Element tekrar eklendiğinde rahatlama görülür.

3. Spesifik biyolojik fonksiyon elementle ilişkilidir.

Tablo 1.1 yetişkin bir insan için seçilmiş temel elementlerin ağırlığa karşı yaklaşık

yüzde oranlarını gösterir.

Tablo 1.1

Her element bir doz-cevap eğrisi izler (Şekil 1.1 'de gösterilmiştir ) referans olarak 2

uyarlanmıştır.

En düşük dozda organizma hayatta değil, halbuki eksikliğin olduğu bölgelerde

organizma daha az optimum fonksiyonlarda hayattadır.


2012

Optimal doz bölgesinin konsantrasyon seviyesinin olduğu bölgeden sonra daha yüksek

dozlar sonunda ölümcül etkilere neden olabilir.

Şekil 1.1


2012


3.HAFTA

2012

Biyoinorganik Kimya



2012

İÇİNDEKİLER

Biyoinorganik Kimya

1. Biyolojik Sistemlerde Metaller

2. İnorganik Kimyanın Temelleri


2012

1. Biyolojik Sistemlerde Metaller

Biyolojik sistemlerde metaller bir dizi işlevlerine göre farklı şekillerdedir. Grup 1 ve 2

metalleri ozmotik denge ve yükün sürdürülmesi veya yapısal elementler olarak işlev

görürüler. Tablo 1.2

Geçiş metal iyonları çinko (II) gibi tek oksidasyon basamağında bulunurlar. Süperoksit

dismutazda yapısal elementler, protein aktivitesi için başlatıcı fonksiyon işlevleri

görürler.(Tablo 1.3)

Tablo 1.2

Tablo 1.3


2012

Geçiş metalleri elektron taşıyıcı olarak birden fazla oksidasyon basamağında bulunur.

Yani, sitokromazda demir demir iyonları - nitrojenaz enziminin demir-kükürt kümelerinde,

sitokrom c oksidaz, azurin ve plastocyaninda oksijen taşınımını kolaylaştırıcı olarak. Tablo 1.4, Tablo

1.5, Tablo 1.6.

Tablo 1.4


2012

Tablo 1.5


2012

Tablo 1.6

2. İnorganik Kimyanın Temelleri


2012

Sert-Yumuşak Asit Baz Teorisi:

Periyodik çizelgedeki tüm iyonların Lewis asit baz etkileşimi dikkate alındığında

iyonların A ve B gibi iki temel sınıfa ayrıldığı görülür: Bunların halonjenür iyonları ile yaptığı

komplekslerin oluşum sabitleri (Kf ) zıt sıralıdır.

A sınıfı I- < Br- < Cl - < F

Bsınıf F- < Cl- < Br- < IA

A sınıfı asitlere sert asitler, B sınıfı asitlere yumuşak asitler denir. Al3+

sert bir asite,

Hg 2+

yumşak bir asite örnek verilebilir. Sert asitlerde elektrostatik parametre ( Z2/ r)

artıkça baı kuvveti (oluşum sabiti) artar.

Bu hal bağlanmanın iyonik modele uyumunu gösterir. Yumuşak asitlerde polarize

olabilme yeteneği arttıkça bağ kuvveti artar. Bu da bağlanmanın kovelent karekterini gösterir.

Benzer bir sınıflandırma nötr moleküler asitler ve bazlar içinde uygulanır.

Örneğin; Lewis asidi fenol, (C2H5)2O: ile (C2H5)2S: den daha kararlı bir kompleks

oluğturur. Bu Al3+

‘ün F’u Cl’ dan daha çok tercih etmesine benzer.

Buna karşın Lewis asidi I2, (C2H5)2S: ile daha kararlı bir kompleks yapar. Çünkü Fenol A

sınıfı bir asit, I2 B sınıfı bir asittir.

Sert asitler grup içinde daha hafif bazik atomları bağlamayı tercih eder.

F- >> Cl- > Br- > I- ; R2 O >> R2 S; R3N >> R3S

Yum"ak asitler her grupta zıt eğilim gösterir

F- << Cl- < Br- < I- ; R2 O << R2 S; R3N << R3S

Yukardaki açıklamalara göre böyle bir genelleme yapabiliriz: Sert asitler sert

bazlarla ,yumuşak asitler yumuşak bazlarla bağlanma eğilimi gösterir.


2012

Sertlik ve yumuşaklığa göre bazı metallerin tercih ettiği ligandlar Tablo 1.7 de

gösterilmiştir.

Biyolojik Metal-İyon kompleksleşmesi

Termodinamikler:

Metal iyonlarının kararlılık termodinamikleri adım adım oluşum sabitleriyle aşağıda

gösterilmiştir.

Sırasıyla kararlılık sabitleri kapsamlı olarak da şu şekilde gösterilebilir;


2012

Biyolojik metal-ligand etkileşimlerini daha iyi ölçmek için KMLx [M] kavrama faktörü

belirlenmiştir. KML K1 karalılık sabiti, [M] ise metal iyonunun konsantrasyon sabitidir.

Doğal olarak sulu ortamlarda meydana gelen metal iyon konsantrasyon değişikliği metal

türleri için iyi seçiciliği olarak aşağı yukarı şu değerlerdedir;

ki bu da iyon gerekli olan yerlerde gereken iyon konsantrasyonunu sağlar.

Daha fazla detaylandırılmış tartışmalar Tablo 1.8 de gösterilmiştir:

Kinetikler:

Bir öğrenci temel kimya dersindeki kurslardan reaksiyon oranlarının, oranları belirlemede

yer alan reaktantların sayısına bağlı olarak çeşitli sınıflara ayrıldığını öğrenir. Bunlar;

1. Sıfırıncı tercih: reaksiyon oranları reaktantların konsantrasyonundan bağımsızdır

2. İkinci tercih: reaksiyon oranı bir reaktantın konsantrasyonuna bağlıdır.

3. İkinci tercih: reaksiyon oranı iki reaktantın konsantrasyonuna bağlıdır.


2012

Yüksek tercih: reaksiyon oranı ikiden fazla reaktantın konsantrasyonuna bağlıdır.

Biyoinorganik kinetikler;

Kompleks enzimatik reaksiyonların reaksiyon oranlarını çalışır,

Sık sık reaksiyonun ilgisini izole etmek için durumları basitleştirir,

Ve enzimin katalitik aktivitesi için önerilen mekanizmayla ilişki kurar.

Tablo 1.9 bazı sulu çözücülerin değişim reaksiyonları için sabitlerin oranlarını rapor etmiştir;

Kompleks oluşumlarına ilişkin bazı reaksiyon mekanizmaları;


2012

Fuoss-Eigen Eşitliği;


2012


4.HAFTA

2012

Biyoinorganik Kimya



2012

İÇİNDEKİLER

Biyoinorganik Kimya

1. Biyolojik Sistemlerde Metallerin Geometrik ve Elektronik Yapıları

2. Koordinasyon Bileşiklerinde Bağlanma

3. Canlı Sistemlerde Koordinasyon Bileşikler


2012

1. Biyolojik Sistemlerde Metallerin Geometrik ve Elektronik Yapıları

Biyolojik sistemlerde metal iyonları tarafından oluşturulan bazı önemli geometriler

aşağıda listelenmiştir. Unutulmamalıdır ki biyolojik sistemlerdeki bu geometriler genellikle

hem bağ uzunluğu hem de bağ açısı olarak bozulmuştur.


2012


2012

2. Koordinasyon Bileşiklerinde Bağlanma


2012


2012


2012

3. Canlı Sistemlerde Koordinasyon Bileşikler


2012

OKTAHEDRAL, TETRAHEDRAL VE KARE DÜZLEM ALANDA d ELEKTRONLARI İÇİN

YAKLAŞIK ENERJİ SEVİYELERİ


2012

d orbitallerinin x, y, z eksenleri


2012

Antitümor aktif platin bileşiği cis – dichlorodiammineplatinum

Spektrokimyasal Seri


2012


2012


5.HAFTA

2012

Biyoinorganik Kimya



2012

İÇİNDEKİLER

Biyoinorganik Kimya

1. Biyo Organometalik Kimya

2. Elektron Transferi


2012

1. Biyo Organometalik Kimya

Organometalik kompleksler 18 ve 16 e kuralına uyarlar. Bu kurallar aşağıda gösterilmiştir.

Bu kurallar aynı zamanda biyo organometalik sistemlere de uygulanabilir. 16 ve 18 elektron

kuralına göre geçiş metallerinin değerlik elektronlarının 4s, 3d, 4p veya 5s, 4d, 5p kabuklarına

yerleşmesiyle oluşur.

16- veya 18- elektron kuralına ligand katkıları aşağıdaki tabloda verilmiştir:

18 Elekron Kuralı

ns2(n-1)d

10np

6 2 + 10 + 6 = 18

Cr(CO)6 ( 4s13d

5) 6 + (2 x 6) = 18

Fe(CO)5 (4s23d

6) 8 + (2 x 5) = 18

Ni(CO)4 (4s23d

8) 10 + (2 x 4) = 18

V(CO)6+

(4s23d

3) 4 + (2 x 6) = 16

Elektron Sayımı

Nötür Ligant Yöntemi

1e verenler : H, halojenürler, alkiller( metil •CH3, etil •C2H5, fenil •C6H5 vs)

2e verenler :NR3 (amin), PR3 (fosfin), CO (karbonil), N≡CR (nitriller)

R2C=CR2 (alkenler), RC≡CR (alkinler, bazen 4e verir)

3e verenler :NO (nitrozil, bazen 1e verir), C3H5 (allil radikali)

4e verenler : Etilendiamin (en), Dienler (bütadien, vs.)

5e verenler : Siklopentadienil (Cp)

6e verenler: Benzen (bn)


2012

Elektron Sayımı İyonik Ligant Yöntemi (e çifti vericisi yöntemi)

Katyonik 2e verenler: NO+ (nitrosil) M—NO (Doğrusal bağlanır)

Anyonik 2e verenler : halojenürler (F-, Cl-, Br-, I-), R3C- (alkiller), Ph- (fenil)

H- (hidrür), RO- (alkoksit), RS- (tiyolat), NO- (nitrosil)

Anyonik 4e verenler: O2-

(oksit), S2-

(sülfür), RN2-

( imit), C3H5- (3

-allil)

Anyonik 6e verenler: N3-

(nitrür), P3-

(fosfür), Cp- (5-siklopentadienil)

Diğerleri: M – M bağları bağ başına 1e verir ; tek bağ 1e, iki bağ 2e

M=CR2 karben nötral ve 2e vericidir

M=CR2 karben nötral ve 2e vericidir

2-COM=CR2 karben nötral ve 2e vericidir

köprü karbonil metal başına 1e verir


2012


2012


2012


2012

2. Elektron Transferi


2012


2012


2012


2012


2012


6.HAFTA

2012

Biyoinorganik Kimya



2012

İÇİNDEKİLER

Biyoinorganik Kimya

1. Canlı Sistemlerin Elementleri

2. Metal İyonların Biyolojik Görevleri


2012

1. Canlı Sistemlerin Elementleri

Aynı şekilde yerkabuğunda eser miktarda bulunan elementler canlı yaşamı için çok önemli

olabilir.

Cu ve Se gibi.

Geçiş metalleri biyolojik depo ve taşınım için önemlidir. Canlı organizmalarda bulunma

bollukları sırasıyla; demir, çinko, bakır, molibden, kobalt, krom, vanadyum ve nikel

şeklindedir.


2012

2. Metal İyonların Biyolojik Görevleri

Metaller organizmada genellikle proteine bağlı olarak kofaktör şeklinde bulunabileceği gibi,

kobalamin ( vitamin B12) gibi yapılarda da bulunabilirler.

Aşağıdaki çizelge metal iyonları içeren biyomoleküllerin bir özetidir. Çizelgeden de görüleceği

üzere metal iyonları proteinlerin dolayısıyla enzimlerin yapısına girmektedir. Enzimlerin yaklaşık %30

u etkin konumunda bir metal iyonuna sahiptir. Böyle enzimlere metalloenzim denilmekte olup, asit

baz hidrolizi, redoks tepkimeleri ve karbon-karbon bağlarının çevrimine kadar çok değişik

tepkimelerde görev alırlar.

Metal iyonları sadece enzimlerin değil diğer birçok molekülün elektron taşıyıcılar, (örneğin

klorofilde olduğu gibi fotoredoks tepkimelerde görev alırlar.) metal biriktirme konumları, O2 bağlama

ve depolama konumları ve sinyal dönüştürme gibi önemli işlevlerinede hizmet etmektedir.

Bunun yanında metal iyonları yapısal roller de oynar; örneğin Ca2+

iyonu proteinlerin

katlanmasına katılır.


2012

Bu bölümün büyük bir kısmı polipeptitlerle ilgili olacaktır.

Polipeptitler peptit bağları ile bağlanmış α aminoasitlerdir.

Proteinlerde 20 farklı alfa aminoasit bulunmaktadır

Alfa aminoaasitler alfa karbon atomuna bir amino grubu

(NH2), bir alkil karboksil grubu (-COOH), bir hidrojen atomu (-H) ve bir yan grubun

(-R) bağlanmasıyla ortaya çıkan bileşiklerdir.

Alkil grupları hidrofobik karakter verir.


2012

Bu gruplara daha polar grupların bağlanması yapıya hidrofilik karakter kazandırır.

Bu polar grupların çoğu metal iyonlarıyla kompleks oluştururken Brönsted asitleri

Metal iyonları enzimlerde yer alan peptit bağındaki yukarda sayılan işlevsel gruplara

etki ederek birçok önemli işlevde görev alır.

Bunun yanında Metal iyonları kristal minareller veya amorf katılar halinde pek çok

organizmada yapısal öneme sahiptir. Aşağıdaki çizelgede görüldüğü gibi örneğin ana

kaynağı kalsiyum olan hidroksiapatit minerali hayvanlar âleminde kemik, diş ve

kabukların ana bileşeni olarak çok

yaygındır.


7.HAFTA

2012


2012

Biyoinorganik Kimya


İÇİNDEKİLER

Biyoinorganik Kimya

1. Kalsiyum Biyokimyası

2. Oksijen Taşınımı ve Depolanması


2012

1. Kalsiyum Biyokimyası

Ca2+

hormonal harekette haber verici, kas büzülmesinde tetikleyici, kan pıhtılaşmasında

başlatıcı gibi birçok biyokimyasal işlevlerde önemli roller üstlenir.

Ca2+

iyonunun rollerinden pek çoğu sert ligant oksijene ilgisi nedeniyle oluşturduğu

komplekslerin alkali metal iyonları ve d-metal iyonlarınca ve kendisinden hafif diğer grup

iyonlarınca (Be2+

ve Mg2+

) oluşturulanlara göre orta kararlıkta olmasından kaynaklanır.

Ca2+

ve Mg2+

aralarındaki farklılıkları karşılaştırırsak;

İlk olarak düşük seçiciliğinden ötürü Ca2+

iyonları suya karşı nötr oksijen ligantlarını

(karboniller ve alkoller) bağlayabilir.

İkincisi yüksek koordinasyon sayısı ve düzensiz koordinasyon geometrisini tercih etmeleri

açısından Na+ ve K

+ u arındırmasıdır. +2 yükü ile Ca

2+ alkali metal iyonlarının

bağlayamayacağı anyonları bağlar.

Üçüncü fark ise Ca2+

ya bağlanma ve ondan ayrılma hızları yüksektir. Ayrıca Ca2+

nin çok

yüksek tepkime vermesi yani yüksek değişim hızı zar kanallarının açılıp kapanması, iyon

taşınmasının düzenlenmesi ve kasların kasılmasına bu iyonun kullanılma nedenini açıklar.


2012

2. Oksijen Taşınımı ve Depolanması

Oksijen solunumdaki önemi, fotosentez sırasındaki üretimi, elektron aktarımları,

fotokimyasal süreçler gibi geniş bir alanda görev alır.

Oksijen bağlayan ve taşıyan üç protein hemoglobin, hemosiyanin ve hemeritrindir. Bu

proteinler bir metal atomu veya bir çift metal atomundan faydalanır.

Hemoglobin en yaygın oksijen taşıyıcısı olup kırmızı kan hücrelerinde bulunur ve

omurgalılarda akciğer veya solungaçlardan O2 nin kullanılacağı ve CO2’e indirgeneceği

dokulara oksijen taşımak için kullanılır. Hemoglobinde oksijen hem denilen bir Fe2+

iyonunun bağlı olduğu bir demirli-porfirin proteine bağlanır.

Hemosiyanin yumuşakçalar ve eklembacaklılarda bulunur. Bu proteine iki Cu+ iyonu

bağlıdır ve protein O2 ile etkileştiğinde Cu+ Cu

2+ ye yükseltgenirken O2 ise O

2- ye

indirgenir.

Hemeritrin ise deniz solucanlarının çok azında bulunan bir oksijen bağlayıcı proteindir.

Bu proteindeki oksijen bağlayıcı birbirine çok yakın iki Fe2+

iyonudur. Fe2+

iyonları

hemoglobinde olduğu gibi hem grubuna bağlı olmayıp protein üzerindeki verici gruplara

doğrudan bağlıdır. O2 ise hidrokisperoksit (HO2-

) iyonuyla demir atomlarından birine

bağlanır.


2012


2012


2012


8.HAFTA

2012

Biyoinorganik Kimya



2012

İÇİNDEKİLER

Biyoinorganik Kimya

1. Hemoglobin ve Miyoglobin

2. Hemoglobinle Oksijen Taşınması


2012

1. Hemoglobin ve Miyoglobin

Hemoglobin yapısında 4 hem halkası vardır. Bu nedenle 4 tane oksijen atomu

bağlamaktadır.

Hem 4 pirol halkasının oluşturduğu porfirinden oluşmuş proteindir. Porfirinlerin

karakteristik bir özelliği, pirol halkalarının azot atomlarına bağlanan metal iyonları ile

kompleks oluşturmasıdır. Örneğin, hemoglobindeki demirli-porfirin olan hem buna örnektir.

Hem Oksijen bağlama ve taşımada ( miyoglobin, hemoglobin),elektron taşınmasında (

sitokromlar), fotosentezde (klorofil), enzimlerin yapısında görev alırlar.

Dört pirol halkasının metenil köprüleriyle bağlanmasıyla porfirinler oluşur. Doğada

bulunan porfirinler, porfin çekirdeğindeki hidrojenlerin yerine (pirol halkasında koyu

yazılmış olan hidrojenler) çeşitli yan grupların (asetil, propil, metil, vinil) bağlanmasıyla

oluşurlar.


2012

Hem proteinleri ;

Oksijen bağlama ve taşımada (miyoglobin, hemoglobin)

Elektron taşınmasında (sitokromlar)

Fotosentezde (klorofil)

Enzim olarak görev alırlar

Hemoglobindeki sarmal protein bu O2 taşıyıcının işlevinde düzenleyici rol oynar. Bu

proteindeki sarımlar oksijen bir demir porfirin ucuna bağlandığı zaman ortaya çıkan

gerginliğe bir yay gibi tepki gösterir ve protein bu gerginliği diğer uçlara taşır.Bu etkileşimin

net sonucu ikinci konumun O2 ilgisini arttırmasındandır. Bu olaya kooperatiflik denir ve

hemoglobinin O2 bağlama ve serbest bırakmasını daha etkin hale getirir

O2 molekülü Fe 2+

ile etkileşiminde güçlü bir pi alıcısı olarak görev yapar. Bunun yanında

NO, CO, CN-, RNC, N3

- ve SCN

- leri de pi alıcısı olduklarından bunlar da Fe

2+ ile etkileşime

girerler. Bu tür ligantlar hemoglobinin işlevini tamamen yok edebilir ve ölüme neden olabilir.

Hemoglobindeki Fe2+

'in koordinasyon sayısı 6 olup bu koordinasyon yerlerinden dördüne

pirol halkasının azotu, beşincisine globin molekülünün histidininin imidozol grubunun azotu,

altıncısına ise su molekülü bağlanarak hemoglobin teşekkül eder.

Suyun yerine O2 geçerse bu hemoglobine oksihemoglobin adı verilir. Hemoglobin

molekülünde dört hem grubu bulunduğuna göre oksijen için dört birleşme yeri vardır.

Hemoglobinin oksijen yerine CO2 ile birleşmesine karboksihemoglobin (karbhemoglobin)

adı verilir. Dayanıksız bir bileşiktir.


2012

Hemoglobinin altıncı koordinasyon yerine CO gelirse buna da karboksihemoglobin adı

verilir. Hemoglobinin CO'e ilgisi O2 den daha fazladır.

Hemoglobindeki demirin Fe3+

haline yükseltgenmesiyle elde edilen maddeye hemin adı

verilir ve bu hemoglobin çeşidine de methemoglobin adı verilir. Hemoglobindeki altıncı

koordinasyon yerine CN - bağlanırsa buna da siyanohemoglobin adı verilir

Hidrofobik gruplar, aynı zamanda hem kompleksinin yükseltgenmesi sonucu oluşacak

iyonların çözücü moleküllerini bağlamasına ( solvatasyona) engel olur. Sonuçta Fe(II)

kompleksi O2 yi bağlayıp serbest bırakmaya yetecek kadar uzun süre yaşar.

Miyoglobin oksijensiz şekli olan deoksi-miyoglobin yapısı yukarıdaki şekilde görüldüğü

gibi polipeptid zinciri ile sarılmıştır.Hem’in taşındığı protein cebi polar olmayan yan gruplu

amino asit kalıntılarından oluşur ve hidrofobiktir. Bu hidrofobiklik sayesinde hem

kompleksinin yükseltgenmesi sonucu oluşacak iyonların çözücü moleküllerini bağlamasına

yani solvatasyona engel olur. Bu gruplar daha büyük moleküllü grupların Fe atomu

yakınlarına ulaşmasına ve böylece Fe-O2-Fe köprüsü içeren türlerin oluşumuna engel olur.

Deoksi-Mb koordinasyon konumlarının dördü porfirin halkası azot atomlarınca işgal

edilmiş, beş koordinasyonlu yüksek bir spin Fe(II) kompleksidir. Beşinci grup hemi proteine


2012

bağlayan histidin grubundaki imidazol ligandının N atomu tarafından doldurulur. Fe(II) nin

böyle beş koordinasyonlu hem kompleksleri daima yüksek spinlidir . Yüksek spinli Fe(II)

iyonu, porfirin halkasının merkez oyuğundan büyüktür ve bundan dolayı halka düzleminin

0,40 Angström yükseğinde bulunur. (4) Hemoglobin ve miyoglobindeki etkin konumlar dahil

bütün yüksek spin Fe(II) porfirin kompleksleri, porfirin makro halkasının büzülmesine ve

bükülmesini içerir. Düşük spin Fe (II) iyonu daha küçüktür ve halkaya rahatça sığar O2 altılı

koordinasyon çevresini tamamladığında kompleks düşük spinli hale dönüşür ve Fe(II) iyonu

biraz büzülür ve düzlemin içine girer.

2. Hemoglobinle Oksijen Taşınması

Oksijenin Taşınması: Oksijen kanda oksihemoglobin halinde taşınır. Çok az bir kısmı

kan plazmasında çözünmüş olarak taşınır. (% 2 kadar). Akciğerlerde kana geçen O2,


2012

alyuvarlardaki hemoglobinle birleşip oksihemoglobini oluşturur.

Hb + O2 => Hb O2(Oksihemoglobin) Doku kılcallarında hemoglobinden ayrılıp doku

sıvısına, oradan da difüzyonla hücrelere geçer.

Karbondioksitin Taşınması: Hücrelerde oluşan CO2, doku sıvısına geçip difüzyonla

kılcal damarlara geçer. Normal olarak CO2, kanda çok az erir ve az bir kısmı kan plazması ile

taşınır. Büyük bir kısmı ise alyuvarlara girer. Alyuvarlarda karbonik anhidraz enziminin

katalizlemesi sonucu CO2, su ile birleşerek karbonik asiti oluşturur.

Karbonik asit (H2CO3), iyonlaşarak H+ ve HCO3

-(bikarbonat) iyonu meydana getirir. H

+

iyonu alyuvarlarda hemoglobinle, birleşerek HCO3- iyonları ise plazmada taşınarak akciğer

kılcallarına getirilir.

Akciğer kılcallarında HCO3- iyonları tekrar alyuvarlara girerek H+ iyonları ile birleşir ve

H2CO3 (karbonik asit) oluşturur. Yine karbonik anhidraz enziminin etkisiyle, karbonik asit,

H2O ve CO2 e ayrışır. Böylece serbest kalan CO2 difüzyonla önce plazmaya, oradan da

akciğer alveollerine geçer ve soluk verme ile dışarı atılır.

Karbondioksitin Taşınması: Hücrelerde oluşan CO2, doku sıvısına geçip difüzyonla kılcal

damarlara geçer. Normal olarak CO2, kanda çok az erir ve az bir kısmı kan plazması ile

taşınır. Büyük bir kısmı ise alyuvarlara girer. Alyuvarlarda karbonik anhidraz enziminin

katalizlemesi sonucu CO2, su ile birleşerek karbonik asiti oluşturur.

Karbonik asit (H2CO3), iyonlaşarak H+ ve HCO3

-(bikarbonat) iyonu meydana getirir. H

+

iyonu alyuvarlarda hemoglobinle, birleşerek HCO3- iyonları ise plazmada taşınarak akciğer

kılcallarına getirilir.

Akciğer kılcallarında HCO3- iyonları tekrar alyuvarlara girerek H+ iyonları ile birleşir ve

H2CO3 (karbonik asit) oluşturur. Yine karbonik anhidraz enziminin etkisiyle, karbonik asit,

H2O ve CO2 e ayrışır. Böylece serbest kalan CO2 difüzyonla önce plazmaya, oradan da

akciğer alveollerine geçer ve soluk verme ile dışarı atılır.


2012


9.HAFTA

2012

Biyoinorganik Kimya


2012


İÇİNDEKİLER

Biyoinorganik Kimya

1. Oksijen Bağlanmasının Kobalt İçeren Modelleri

2. Demir İçeren Model O2 Taşıyıcılar


2012

1. Oksijen Bağlanmasının Kobalt İçeren Modelleri

O2 ‘nın metal kompleksleriyle etkileşimi üzerinde gerçekleştirilen çoğu araştırmacının

amacı oksijen taşıyıcıların işlevini anlamaktır. Sonular O2’nın yükseltgen olarak davrandığını

göstermiştir.d –blok metalleri arasında O2 bağlayan en iyi element kobalttır.

Fe(II) kompleksleri gibi Co(II) kompleksleri de O2 aktarımı yoluyla tepkimeye girer:

[LCo]2+

+O2 =[LCo3+

O2 -]

Ürün formal olarak süperoksit iyonunun Cu(III) kompleksidir. İkinci bir

Co(II)kompleksi ile kolayca tepkimeye girerek peroksit iyonu köprüsü içeren bir bir

kompleks oluşturur:

[LCo3+

O2 - ]+ [LCo]

2+=

[LCo

3+-(O2

2_ ) _Co

3+L]


2012

Bu yapının 1.47 Ao

O-O bağ uzunluğunun tipik peroksit bağ uzunluğu olan 1.49 Ao ‘

ye oldukça yakındır

Salen ( Schiff bazı ligandı) gibi ligantlar ve pridin gibi bazdan oluşan Co (III)

kompleksleri, O2 ile Mb veya Hb’nin tepkimelerini andıran hızlı, tersinir tepkime verir

Bir önceki slaytta ki [Co(salen)(py)] kompleksinin bir X-ışını incelemesi O-O bağ

uzunluğunu 1.26 A0 vermektedir ki, bu O2 (1.21 A

0) ve O2

- (1.34 A

0) için bilinen değerler

arasındadır. EPR spektrumları,59

Co çekirdeği ile etkileşen bir çiftlenmemiş elektron

göstermektedir. Yüksek spinli bir d7 kompleksinde üç çiftlenmemiş elektron olacağından

elektron olacağından elektron Co(II) atomu üzerinde bulunamaz ve benzer özelliklere sahip

ligantların kompleksleri üzerindeki incelemeler ligant alanın, kompleksi düşük spinli (yani bir

çiftlenmemiş elektronlu) olmaya zorlayacak kadar güçlü olmadağını ortaya koymuştur. EPR

aşırı ince kenetlenme sabitlerinin yorumu düşük spinli bir dizi d7 desteklemektedir.


2012

Bu gözlemler, bir O2- ligandının düşük spinli bir d

6 Co(III) merkezine bağlanmış olabileceğini

göstermektedir.

Co’ a O2 bağlanması için başka bir öneri, O2 nin potansiyel karakterini göz önüne alan uzun

O-O bağına dayanır. Öneri, O2 nın bir bağ oluşturmak üzere bir elektron çifti verdiği ve O2

nin orbitallerinin Co ın dxz ve dyz orbitallerinden elektron aldığı yöndedir. Böyle bir geri

bağlanma, O-O bağını zayıflatır ve uzatır. O2 ye trans konumdaki ligandın alıcı karakteri,

sistemine elektron sağlamada bir yarış başlatarak büyük ölçekli bir etki oluşturacaktır.

2. Demir İçeren Model O2 Taşıyıcılar

O2-içeren demir–porfirin modellerinin sentezi için ilk girişimler, demir atomları arasında

µ-O köprüsüne sahip yükseltgenmiş porfirin dimerlerinin oluşumuyla sonuçsuz kaldı. Bu

güçlük µ-O dimer oluşumuna direnç gösterecek ve böylece tersinir O2 koordinasyonu

sağlayacak sübstitüye porfirinlerin sentezine yol açtı.

Dimer oluşumunun sterik engellenmesi, koruma çitli porfirinler adı verilen

moleküllerde düzlemsel halkanın bir tarafını bloke eden çit gruplar tarafından başarılır. N-

alkilimidazol gibi hacimli bir ligandın koordinasyonu ancak engellenmiş taraftan

olasıdır.İmidazol (Im), kendisine trans konumdaki bir alıcının koordinasyonunu kolaylaştıran


2012

bir vericidir. Komplekse O2 ile bağlanma konusunda Mb ye benzer sekilde bir yatkınlık sağlar

ve bloke edici sübstitüentler O2 için bir cep oluşturup [Fe (porph)(Im)2 ] oluşumunu engeller.

Koruyucular aynı zamanda ikinci bir Fe merkezi ile tepkimeyi önleyip etkisiz µ-O2 türleri

oluşmasına olanak tanımaz.

Çitli porfirin yapısı Mb ve Hb oksijen komplekslerinin yapısı konusunda yol

göstericidir. Kompleksin diyamagnetik oluşu (düşük spinli) tekli O2 Fe(II) kompleksinin

düşük spin d6

yapısında olduğunun belirtisi olarak düşünülebilir; bu durum Fe yükseltgenmesi

ve O2 indirgenmesinin Co kompleksindekiler kadar önemli olmadığına işaret eder. Ancak

1107 cm-1

deki O-O gerilim titreşimleri O2 nin 1150 cm-1

deki değerinden çok O2- nin 1145

cm-1

değerine yakındır. Bu fark bir ½ spin iyonu O2- ile yine bir -½ spin iyonu olan düşük

spinli Fe+3

ün bileşimini önerir. Kompleks için gözlenen düşük spin karakteri Fe(III) ve O2-

nin spin çiftleşmesinden kaynaklanabilir; bu durumda kompleks kobalt model bileşiklerine

benzer olacaktır.


2012

Böylece bir olasılığın gerçekliği sentezi başarılan bir oksijen d3

Cr(III) porfirin

kompleksinde sadece iki çiftlenmemiş elektronun bulunması şeklindeki gözlemle de

vurgulanabilir.d3 Cr(III) üç çiftlenmemiş elektron taşıdığından gözlenen spin için tek

açıklama O2- den bir elektron ile spin çiftlenmesidir. Bu çelişen belirtiler merkezi metal iyonu

ve liganda belirli yükler atfetmenin bir defa daha aşırı basitleştirme anlamına geldiğini

gösterir.

KOOPERATİFLİK

Hemoglobinin işlevi akciğer dokularında karşılaşılan yüksek oksijen kısmi basınçlarında

O2 yi bağlama kanda herhangi bir kayba uğramaksızın taşıma ve hücre dokularında

miyoglobine devretmedir. Bu adımlar gerçekte de gözlendiği gibi düşük kısmi basınçlarda Mb

nin Hb den daha yüksek oksijen ilgisine sahip olmasını gerektirir.

Mb + O2 = MbO2

[MbO2]/[Mb]p

œ=[ MbO2 ] /[Mb]+[MbO2 ]

Burada p oksijenin kısmi basıncıdır. Kısmi oksijen doygunluğu oranı (œ) MbO2

şeklindeki Mb derişiminin toplam Mb derişimine oranıdır.

Denge ifadesi şu sekle dönüşür:

œ=Kp/1+Kp

œ nın oksijen kısmi basıncına bağlılığı p ye göre değişir.

Bağlanmanın diğer bir özelliği ise bir asit grubu olmasına rağmen Hb tarafından O2

bağlanması pH a bağlıdır ve düşük pH larda daha fazla O2 nın serbest bırakıldığı

gözlenir. Böylece metabolizma etkin olmakta ve pH yı düşüren CO2 derişiminin arttığı

durumlarda O2 hücrede daha serbest hale geçer. Son bir ayrıntı olarak Hb proteinine

hem konumundan çok uzaklarda organik fosfatların bağlanması da O2 bağlanmasını

etkiler.


2012

Mb ve Hb arasındaki yapısal fark:

Mb nin sadece tek bir hem grubundan

Hb nın ise dört hem grubu ile Mb nin bir tetrameri olmasıdır. Bu fark yaşamsal

önemdedir,zira Hb dört heme biriminin birlikte O2 bağlanmasına yol açar; Hb ye bir

O2 bağlandığı zaman bundan sonra O2 moleküllerinin bağlanma ilgisi daha yüksektir

Kooperatif etkinliğin kaynağı Hb nin kristal yapısını belirleyen M.F.Perutz tarafından

önerilmiş ve Hb deki bir Fe atomu oksijenlenmesinin komşularda yapısal değişimlere

yol açtığı belirtilmiştir.porfirin düzleminin 0.4 A0 üzerinde yer alan yüksek spinli

Fe(II) atomu O2 ile koordinasyon bağı yaptığı zaman düşük spine dönüşür düzlemin

içine girer ve proteinin histidin ucunu da birlikte çeker. Bunun sonucunda proteinin

şekli değişir ve diğer konumların bağlanma özellikleri değişir. pH ve fosfata

bağımlılık metal atomuna nispeten uzak noktalardan kaynaklanan konformasyonal

etkilere atfedilir. Bu son değişiklik yapıların uzak noktaların etkisine duyarlılığını bir

kez daha vurgular.


2012


10.HAFTA

2012

Biyoinorganik Kimya



2012

İÇİNDEKİLER

Biyoinorganik Kimya

1. Asit Katalizi İşleten Enzimler

2. Demir-Kükürt Proteinleri ve Hem Dışı Demir


2012

1. Asit Katalizi İşleten Enzimler

Bir metalloenzimdeki metal iyonu, çözeltide küçük bir kompleksin parçası olarak

yüklenemeyeceği bazı görevleri üstlenebilir. Zn2+

iyonu biyokimyasal sistemlerde yaygın

olarak bulunan bir lewis asididir ve yine +2 değerlikli küçük iyonlar Mg2+

ve Cu2+

yerine

niçin çinko kullanıldığı da araştırılması gereken ilginç bir konudur.

Bu iyonlar arasındaki bir fark Zn2+

nın Mg2+

dan daha yumuşak bir alıcı olması ve böylece

Zn2+

nın biyomoleküllere karşı daha kuvvetli lewis asidi özelliği göstermesidir.

KARBONİK ANHİDRAZ

Zn2+

içeren karbonik anhidraz enzimi hidralaz ailesinin bir temsilcisidir.

Karbonik anhidraz CO2 in basit ve önemli hidrasyon-dehidrasyon dengesinin

katalizinde görev alır:

Karbonik anhidraz, hidrolitik enzim takımlarından biridir; diğer ikisi proteinlerden

amino asitlerin uzaklaştırılmasını sağlayan karboksi peptitaz ve bir fosfat ester

katalizörü olan alkali fosfatazdır.

Karbonik anhidrazın bazı değişik izozimlerinin kristal yapıları kinetik inhibitör

varlığında belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar Zn2+

nın dört koordinasyonlu bir

çevreye sahip olduğunu ve bunların üçünün üç histidindeki imidazol azot ligantları ve

dördüncüsünün bir su molekülü veya hidroksit iyonu olduğunu göstermiştir.

CO2 hidrasyon dengesinin ileri ve geri yöndeki tepkimelerinin hızları yükselen pH ile

artar. Bu gözlem, H2O ligandının CO2 e karşı nükleofil olarak davranan çinkoya

koordine olmuş OH- ligandı ile hızla yer değiştirdiği önerisine yol açmıştır.


2012

Önerilen bu mekanizma, CO2 bağlanmasının önerilen konumuna bitişik bir hidrofobik

cep varlığını gösteren karbonik anhidrazın X ışını kristal yapısına dayanır. Bunun

ötesinde inhibe edilmiş bir enzim ile CO2 in ilk birleşmesinde CO2 in hidrofobik

bölgede tutulduğu, IR spektrumlarınca da gösterilmektedir.

Karbonik anhidraz tarafından CO2 in hızlı hidrasyon/dehidrasyonunun Zn2+

yanındaki

hidrofobik bölgede olduğu görülmektedir.

KARBOKSİPEPTİTAZLAR

Karboksipeptitazlar çinko içeren diğer bir enzim grubudur. Bunların işlevi

proteinlerdeki peptit bağlarının katalitik hidrolizidir.


2012

Çok çalışılmış bir örnek olan bovin karboksipeptitaz A, bir Zn2+

ya bağlı olan tek bir

polipeptit zincirinden oluşur. X ışını kristal yapısı Zn2+

iyonunun koordinasyon çevresini

gösterir.

Daha kapsamlı incelenmiş karbonik anhidrazda olduğu gibi, Zn2+

ya suyun

koordinasyonu H2O ve OH-

nükleofili arasındaki dengeleşme hızını arttırabilir. Seçenek

olarak, bir lewis asidi gibi davranan Zn2+

peptit karbonil grubuna koordine olarak C atomu

üzerindeki elektron yoğunluğunu azaltıp hidrolizi arttırabilir.

Proteinlerin karboksipeptitaz tarafından katalizlenen hidrolitik parçalanması için lewis

asidi ve hidrokso mekanizmalarının her ikisi de mümkün görülmektedir.

REDOKS KATALİZÖRÜ

İlk birincil enerji dönüşüm süreci olan fotosentez ve solunum redoks tepkimeleri

içerdiğinden, yükseltgenme ve indirgenmeyi katalizleyen enzimlerin çok önemli metabolik rol


2012

oynamalarının gerektiği açıktır. Böyle tepkimeler elektron aktarımı, atom aktarımı veya grup

aktarımı yoluyla olabilir. Metalloenzimler bu yolların üçünde de işlev gösterebilir.


2012

2. Demir-Kükürt Proteinleri ve Hem Dışı Demir

Hb ve Mb deki demirin porfirin ligant çevresi redoks enzimlerinde de önemlidir. Bundan

dolayı biyokimyaca önemli hem proteinlerinin büyük bir sınıfında demir bir porfirin ligandına

koordinedir. Diğer bütün demir proteinler hem dışı olarak tanımlanır. Demiri dört S atomunun

oluşturduğu düzgün dörtyüzlü bir çevrede içerenler özellikle önemlidir.

Bunlar 0,0 ile -0,5 V arasında indirgeme potansiyeli gösterir ve NAD nin NADH a ve N2

nin NH3 e indirgenmesine katılır; asidik çözeltilerden H2 üretebilir.

Demir kükürt proteinlerde bir veya daha fazla Fe atomu etkin uçlarda bulunabilir. Örneğin

sisteinden RS- nin oluştuğu düzgün dörtyüzlü çevrede izole haldeki Fe atomu,

S2-

köprü oluşturucu atomlar ile yapılmış iki Fe atom kümeleri,


2012

Ve model yapı gösterilen 4Fe, 4S ferrodoksindir.

Doğal Fe-S kümelerine model olabilecek bileşiklerin sentezi ve yapılarının

araştırılması anorganik kimyanın etkin bir alanıdır. Örneğin FeCl3, NaOCH3, NaHS ve

benziltiyolün metanolde tepkimeye girerek [Fe4S4(SCH2Ph)4]2-

oluşturdukları

bulunmuştur. Manyetik geçirgenliği, elektronik spektrumu, redoks özellikleri ve 57Fe

spektrumu ferrodoksinlerininkinin aynıdır.

Fe4S4 gibi demir-kükürt kümeleri, bitki ve hayvanlardaki enzimlerde katalitik redoks

konumları sağlar; ayrıca yük delokalizasyonun varlığını gösteren yapay modeller

hazırlanmıştır.


2012


11.HAFTA

2012

Biyoinorganik Kimya



2012

İÇİNDEKİLER

Biyoinorganik Kimya

1. Asit Katalizi Enzilmler


2012

1. Asit Katalizi Enzilmler

Sulu ortamda metal iyonlarının Brönsted ve Lewis asitliklerinin merkezi metalin

değerliğindeki artışa paralel olarak artar.

Bu temel özellik, metalloenzimlerde ya metalloenzimin metal iyonunun kendisinin Lewis

asitliği yoluyla asit katalizörü olarak etki etmesi, yada bir ligandın metal iyonuna

koordinasyonu sonucunda artan asitliği şeklinde ortaya çıkan Brönsted asitliği şeklinde

kullanılmıştır.

Bir metalloenzim deki metal iyonu, çözeltide küçük bir kompleksin parçası olarak

yüklenemeyeceği bazı görevleri üstlenebilir.

Örneğin, enzimin etkin ucu hidratasyonun kesintiye uğraması veya çözelti geçişinin

kontrol altına alınması yoluyla ana su kitlesinden koruna bilir.

Bu özelliklerin bir bölümü Hb yoluyla oksijen taşınımında anlatılmış bulunmaktadır.

Zn2+

iyonu biyokimyasal sistemlerde yaygın olarak bulunan bir Lewis asididir ve yine +2

değerlikli küçük iyonlar Mg2+

ve Cu2+

yerine niçin çinko kullanıldığını da araştırılması

gereken ilginç bir konudur.

Bu iyonlar arasındaki bir fark Zn2+

nın Mg2+

dan daha yumuşak bir alıcı olması ve

böylece Zn2+

nın biyomoleküllere karşı daha kuvvetli Lewis asidi özelliği göstermesidir.

Cu2+

iyonu da yumuşaktır; ancak çinkodan farklı olarak bakırın +1 yükseltgenme

basamağına geçebilmesi davranışlarını karmaşıklaştıracak redoks tepkimelerine yol açacaktır.

Diğer bir nokta kataliz olayının genel olarak atomların yeni düzenlenmesini

gerektirmesidir.

Hızlı tepkimeler, ligantları yapısal olarak etkilerken hızlı bir şekilde ligant alınmasını ve

serbest bırakılmasını sağlayan metal iyonunun özelliğidir


2012

Gerçekten Zn2+

kompleksleri, Mg2+

ve Ni2+

ninkilere oranla daha oynaktır. Buna ek olarak

geometrik düzenleme (devirgen davranışın bir yönü olarak) çinko kompleksleri için genellikle

kolay iken, bunlara karşılık olabilecek Mg 2+

ve Cu2+

kompleksleri için değildir.

Biyokimyasal sistemlerde kullanılmak üzere Zn2+

ile yarışabilecek tek iyon Cd2+

dır, fakat

kadmiyum çinkodan daha nadir bulunan bir elementtir ve bu mekanizmalara katılabilecek

kadar bulunamaz.Çinkonun özgün nitelikleri Çizelge 19.5 te özetlenmiştir.

19.4 Karbonik anhidraz

Şimdi Zn2+

içeren enzim karbonik anhidraza dönelim, zira bu iyi tanımlanmış ve önemli

hidralaz ailesinin bir temsilcisidir ( Bkz. Çizelge 19.2 ) Karbonik anhidraz CO2 in basit ve

önemli hidrasyon-dehidrasyon dengesinin katalizinde görev alır.

CO2 (aq) + H2O(s) H2CO3 (aq)

Pekçok enzim mekanizmasında olduğu gibi doğru yolun bulunması güçtür ve zekice

anlam çıkarmaya bağlıdır; emin olmak için birden fazla olasılık değerlendirilmelidir.

Çinko(II) içeren enzimler izozimler veya genetik açıdan belirgin şekillerde bulunur ve I-VII

Romen rakamları ile imgelenir.

Karbonik anhidraz, hidrolitik enzim takımlarından biridir; diğer ikisi proteinlerden amino

asitlerin uzaklaştırılmasını sağlayan karboksi peptitaz ve bir fosfat ester katalizorü olan alkali

fosfatazdır.

Çizelge 19.5 Çinkonun özgün nitelikleri şunlardır:

1. Ni, Cd, Fe ve Cu dan daha kolay bulunur.

2. Mn(II) ve Fe(II) den daha kuvvetli kompleks oluşturur.

3. Ni(II) ve Mg(II) den daha hızlı ligant değişimi yapar.

4. Cu(II), Fe(II), Mn(II) ye oranla redoks etkin değil.


2012

5. Ni(II) ve Mg(II) den daha esnek koordinasyon geometrisine sahip.

6. İyi Lewis asidi; M2+

iyonlarınında yalnız Cu(II) daha kuvvetlidir.

Karbonik anhidrazın tanımlanmasını gerçekleştirmek için çok değişik araçlardan

yararlanılmıştır. Karbonik anhidrazin bazı değişik izozimlerinin kristal yapıları kinetik

inhibitör varlığında belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar Zn2+

nın dört koordinasyonlu bir

çevreye sahip olduğunu ve bunların üçünün üç histidindeki imidazol azot ligantları ve

dördüncüsünün bir su molekülü veya hidroksit iyonu olduğunu göstermiştir.


2012


2012


2012


2012


12.HAFTA

2012

Biyoinorganik Kimya



2012

İÇİNDEKİLER

Biyoinorganik Kimya

1. Azot Bağlanması

2. Fotosentez


2012

1. Azot Bağlanması

Bölüm 11.2 de H2 ile N2 nin NH3 üretmek üzere yüksek sıcaklık ve yüksek basınçda

katalizlenen tepkimesi anlatılmıştı. Yüksek basınç ve yüksek sıcaklık uygulamaksızın doğa,

çok daha farklı ve gelişmiş bir yoldan biyolojik ortamda NH3

oluşturmayı başarır. Doğa tarafından kullanılan indirgeme aracı ATP dir ve indirgeme yarı

tepkimesi şöyle gösterilebilir:

N2 + 16 MgATP + 8 e-+ 8 H+ -7 NH3 + 16 MgADP + 16 P;+ H2

Burada Pj, anorganik fosfattır. Bu süreç muhtemelen yüksek basınç ve yüksek sıcaklık

endüstriyel Haber süreci kadar etkin değildir, çünkü biyolojik sistem hidrojen üretimi için ve

oldukça indirgen biyolojik sistemi atmosferik oksijenden korumak için önemli ölçüde enerji

harcar. Ancak ilginç olan, sürecin oda sıcaklığında ve basıncında çeşitli baklagillerin kök

modüllerinde yaşayan Rhizobium organizmalarında (örneğin yonca, ADP ATP alfalfa,

fasulye ve bezelyelerde) olduğu gibi bazı bakterilerde ve mavi-yeşil deniz yosunlarında

meydana gelmesidir. Nitrogenaz enzim, bu tepkimeyi esas olarak oksijensiz

ortamlarda yürütür. Enzimin çözdüğü problem, N=N molekülünün çok asal özelliğinin

aşılmasıdır.


2012

N2 indirgenmesinin gerçekleştiği Mo-Fe-S kümesinin X-ışını yapısı bir açık konum

taşır. Bu kümenin daha fazla indirgenmiş olması halinde N2 nin merkezi boşlukla

birleşebileceği ve bundan sonra indirgenme ve yükseltgenmeye uğrayacağı konusunda

spekülasyon yapılmaktadır. Bu süreç hakkında ayrıntılı bilgi sahibi olmaktan çok uzağız

veya hatta N2 nin daha önce hiç karşılaşılmadığı şekilde böyle bağlanıp bağlanmadığını da

bilmiyoruz; fakat yeni yapısal veriler etkin uç için mevcut olanlardan daha belirgin bir

model sunmaktadır.

Anorganik kimyada diazot kompleksieri çok iyi bilinmektedir (Bölüm 11.2), fakat

bunlar önerilen biyolojik yapıdan oldukça farklıdır. Kuvvetli bir asit varlığında bazı anorganik

kompleksierde N2, proton etkisiyle amonyum iyonlarına indirgenir:

19 [Mo(PR3)(N2)2] + 8H+ -7 2 NH/ + N2 + Mo (VI) + ...

Çoklu metal bağlanma konumlannın N2 indirgenmesini sağladığı görüşü

organometalik kimyada yankı bulmuş ve izoelektronik CO molekülünün metal kümeleri

tarafından proton etkisiyle indirgendiği gösterilmiştir.

Nitrogenaz enziminde bir molibden-dem ir-kükürt kümesi N2 yi NH4 + ya indirger.


2012

2. Fotosentez

Fotosistem II nin işlevleri

Fotosentetik süreç için enerji, bir magnezyum dihidroporfinin kompleksi (18) olan

magnezyum makrohalkası klorofil a, tarafından güneş ışığından soğurulur. Foto uyarmadan

sonra PSII bir demir-kükürt kompleksi için indirgenme aracı olarak davranabilir ve burada

elektronlar CO2 e aktarılır. Elektron-aktarım adımından sonra kalan psn nin yükseltgenmiş

şekli sulu O2 ye yükseltgemeye yetecek kuvvette değildir. psn "nin indirgenmiş haline

dönüşümü, bazı demir esaslı redoks çiftlerini ve plastokinon adı verilen kinonu da içeren bir

dizi ardarda ara bileşikler yoluyla iki ADP molekülünün iki ATP molekülüne

dönüştürülmesinde kullanılır.

Klorofil a, PSll’nin O2 üretimi için kullandığı ışık enerjisini toplar.


2012

PSII nin önerilen yapıları ve mekanizması

Başlangıç soğurması klorofil Q bandının tekli temel halden tekli uyarılmış hale

uyarılmasına karşılık gelir CO Çözeltide izole klorofil molekülleri hızla sistemiçi

daha düşük enerjili spin üçlüsüne eQ) geçiş gösterir ve çözeltide molekülün

fotokimyasal elektron aktarım tepkimesi için bu hal sorumludur, Bunun trersine, PS


2012

tepkime merkezi sistemiçi geçişi kısadevre yapıp bir elektronu anında iQ den klorofile

komşu kloroplasttaki elektron alıcılara aktarır. Burada tekrar üç boyutlu yerleşim

düzeninin biyokimyadaki anahtar rolünü görüyoruz, Böyle bir tepkimenin basitleştirilmiş

modeli floresans özellik gösteren porfırin-amit-kinon molekülü (19) kullanılarak

gözlenmiş ve porfirinin tekli halinden kinona yük aktarımı üçlü hale geçişe göre i 04 kat

hızlı olduğu bulunmuştur.

Klorofil ışık soğurur ve soğurulan enerji bir tepkime merkezine aktarılır,

d) Tepkime merkezi düzenlenmesi

Moleküllerdeki üç boyutlu düzenleme, tekli uyarılmış halin enerjisini hızlı bir şekilde

(10 ps içerisinde) aktarımını sağlar. Tekli hal, üçlüden daha yüksek enerjilidir ve onun

kullanılması enerji etkinliğinde artışa yol açar; sistemiçi üçlü hale geçiş ısı şeklinde enerji

kaybına neden olur. Bu adımda üç boyutlu akıllı düzenlemeler, başka bir yaşamsal rol

üstlenir, Enerji depolayan tepkimelerin ürünleri, geri dönüp yeniden tepkenleri oluşturabilir

ve böylece enerjiyi boşa harcayabilir; ancak sistem öyle organize olmuştur ki, elektronlar

tepkime adımları boyunca ters tepkimelerin olabileceğinden çok daha hızlı aktarılır.


2012

Tıptaki Metaller

Biyokimyasal sistemlerde metal iyonlarının çok çeşitliliğine bakıldığında, kalsiyum,

demir, çinko ve bakır gibi bazı elementlerin günlük alımına katkı sağlamak üzere bazı

metallerin verilmesi mantıklıdır. Tedavi amacıyla anorganik bileşiklerin kullanımı

uzun süredir devam edegelen bir gelenektir.

Fotosentez

Basit kare düzlem pt(ll) kompleksi cis-[PtCI2(NH3)2] nin bakteriyel bölünmeyi

durdurması gözlemine dayanarak bir dizi yeni antitümör tedavi araçları geliştirildi. Bu

gözlem, tümör hücrelerinin hızla bölünmesinin platin kompleksierince

durdurulabileceği görüşüne yol açmıştır. 26 Tıp çevrelerinde cisplatin olarak

adlandırılan platin kompleksi hızlı gelişen tümörün DNA sına saldırır. Testicular

kansere karşı çok etkindir. Cisplatin kullanılmadan önce bu kanserden%5 olan yaşama

şansı, şimdi cisplatin tedavisiyle %80 in üzerine çıkarılmıştır. Bu başarı, platin

kemoterapisinin etkinliğini arttırmak ve genişletınek amacıyla çok sayıda platin(II) ve

platin(IV) kompleksinin denenmesine yol açmıştır.

Diğer anorganik tedavi araçları peptik ülser ve gastrit için bizmut bileşikleri ve artrit

için altın bileşikleridir.

Galyum nitratın [Ga(N03)3] kanser hastalarında kemikten hızlı kalsiyum kaybına yol

açan hiperkalsemiyaya karşı etkin olduğu bulunmuştur.

İlaçlardaki metal sistemleri antitümör etkili kare düzlem cis-Pt(II) komplekslerini,

kalsiyum kaybını azaltmak için galyum nitratı ve artrit için altın bileşiklerini içerir


2012


13.HAFTA

2012

Biyoinorganik Kimya



2012

İÇİNDEKİLER

Biyoinorganik Kimya

1. Stokrom P-450 Enzimleri


2012

1. Stokrom P-450 Enzimleri

˝Sitokrom P-450˝,oksijenin bir hidrokarbon türü maddeye katılmasını katalizleyen demir

porfirin etkin uçlarına sahip bir enzim ailesini tanımlar. ˝P-450˝ ifadesi porfirinin mavi-yakın

morötesi bölgedeki özgün soğurma bandının konumundan kaynaklanmaktadır; bant ˝Soret

bandı˝ olarak adlandırılır; bu moleküllerin karbonil komplekslerinde kırmızıya doğru bir

kayma ile 450 nm de görülür.bu tepkime sınıfının en önemli temsilcisi katılma tepkimesidir.

R-H+1/2O2 R-O-H

Olasılıkla bir atom aktarım mekanizmasına göre oluşan bir tür redoks tepkimesi olan

O nun R-H ya sokulması, ilaçlar, stereoit başlangıç maddeleri ve pestisidler ğibi hidrofobik

bileşiklere karşı vücut savunmasının bir kısmıdır.RH ın R-OH a hidroksillenmesi hedef

bileşiğin suda çözünürlüğünü artırarak eliminasyonuna yardımcı olur.

Çevrim 19.2, P-450 için önerilen katalitik çevrimi göstermektedir. Dizi, demirin

dinlenme hali Fe(II) şeklinde bulunduğu enzim (a) ile başlar.Hidrokarbon tepkeni (b) de

bağlanır, bunu (c)yi oluşturan demir porfirine bir elektron aktarımı izler.Bu Fe(II) kompleksi

bağlı gurupla birlikte 02 bağlama yönünde (e) ye ilerler.

Çevrimin bu noktasında; CO ile rakip tepkime kolayca tanımlanabilen (d) yi verir ve

bu da enzime ismini veren 450 nm deki soğurmadan sorumludur.) Anahtar bir tepkime

oksijen kompleksi (e) porfirin halkasının ikinci bir elektron tarafından indirgenip halka

radikal anyonunu oluşturmasıdır. İki H+ iyonunun alınması Fe(IV) akua kompleksi (f) yi

meydana getirir ve bu konumuna H2O molekülünün alınması çevrimi yeniden başlangıç

noktasına getirir. Bu çevrimin anahtarı Fe(IV) akua kompleksi (f) nin oluşmasıdır.


2012

(a)- Etkin Ucun Yapısı

Proteinin amino asit dizini heme grubu ve Fe atomu çevresinde katlanmış bir yapı

oluşturarak çözeltiden perdelenmiş ve düşük geçirgenliğe sahip bir çevre meydana getirir.

Hidrokarbon bunun hemen yanına bağlanmıştır ve saldırıya uğrayacak C-H bağı Fe den

hemen hemen 5 Å uzaklıktadır. Oksijen bağlanacak uca trans konumunda Fe atomu

üzerindeki ligant sistein grubunun bir tiyolat yan zinciridir(14). O2 koordine olduğundan, O2

molekülünün dış ucu çözeltide yer alır, fakat hidrokarbon cep içerisinde enzime bağlıdır.

P-450 nin etkin ucundaki demir atomu hidrokarbon sübstitüentlerce perdelenir, fakat

O2 sulu faz ile temastadır.

(b)- Oksijenleme Mekanizması

P-450 tarafından tam oksijenleme mekanizması yoğun bir araştırma konusudur. İki

olasılığın varlığı düşünülmekte olup,birisi C-H bağına saldırabilecek oksijen radikal türlerinin

oluşumunu, diğeri O atomunun C-H bağına aktarımını içerir. Bir organik bileşiğin Fe(IV) O

tarafından yükseltgenmesine örnek olacak anorganik öncü tepkimeler bulunmamaktadır ve P-


2012

450 tepkime mekanizması üzerindeki mevcut tartışmalar mutlaka anorganik kimyacılarca

bilinen olası yükseltgenme tepkimeleri alanını genişletecektir. Bir radikal mekanizma önerisi

bazı klasik olmayan özellikleri gerekli kılar. Radikal yükseltgenmeler genellikle seçici ve

stereospesifik değildir; P-450 yükseltgenmeleri oldukça seçicidir ve kiral gurupların optik

etkinliğini korur.

Bir artı oksijen merkezinin C-H bağı üzerine hücumu ile oksijenlemenin başarıldığı

önerisi, bir enzim mekanizmasını açıklamak üzere önerilen özgün bir mekanizma örneğidir.

Stereokimyasal konfigürasyonun korunması ve bağlı grupta O atomunun C-H bağına

yaklaşımını engelleyecek gruplar bulunması halinde tepkinliğin azalması bunu desteklyen

verilerdir. Etkin olarak nötr O biriminin aktarımı, demir porfirini Fe(IV) den Fe(III) e

indirgerken organik grubu yükseltger.

Bu yoldan S atomunun rolü S-Fe-O parçasının atomik orbitalleri üzerinde dikkatleri

odaklayarak molekül orbital terimleriyle ifade edilebilir. Dikkatimizi kükürt 3pz, demir

3dz2,3dzx,3dyz, ve oksijen 2p orbitalleri üzerinde sınırlarsak, şekil 19.15 de görülen orbital

şemasını elde ederiz. Bu parçadaki 13 elektron bağyapan orbitalleri, zayıf bağakarşı 3σ

orbitalindedir. Kompleksteki demirin yüksek formal yükseltgenme sayısı, kolayca polarize

olabilen S atomundan 2σ ve 3σ orbitallerine önemli ölçüde yük aktarımı yoluyla kararlılığın

arttırılması seklinde açıklanabilir. trans S atomunun özel görevi,Fe atomu üzerindeki yükün

denetlenmesi yoluyla O atomunun aktarılabilmesidir.


2012

UYGULAMA

Örnek 19.5

Bir metalloenzim elektron dizilişinin irdelenmesi P-450 deki Fe=O yükseltgenme

merkezi porfirinin de bir elektronla yükseltgendiği bir Fe(IV) kompleksi olarak tanımlanır.

Böyle bir resim,maddenin 57Fe Mösöbauer spekturumunca da desteklenir.15 Kompleksin

manyetik geçirgenliği üç çiftlenmemiş elektron bulunduğunu gösterir.Bunlar hangi

orbitallerde bulunabilir?

Yanıt:

Fe(IV) yükseltgenme hali bir d4 dizilişine karşılık verir. Kuvvetli bir alanda yaklaşık

düzgün sekizyüzlü bir çevrede iki çiftlenmemeiş elektrona sahip t42g olmalıdır(15). Metal

iyonu üçlü haldedir (S=1). Porfirin halkasının yükseltgenmesi п HOMO düzeyinden bir

elektron kopararak orada çiftlenmemiş elektron bırakır. Bu diziliş yükseltgenmiş serbest

ligandın ikili hali olarak düşünülebilir.


2012


14.HAFTA

2012

Biyoinorganik Kimya



2012

İÇİNDEKİLER

Biyoinorganik Kimya

1. Koenzim B12


2012

1. Koenzim B12

Çeşitli biyokimyasal ortamlardaki olaylara katılan lityum, brom ve iyodun da önünde

olarak kobalt yer kabuğunda en çok bulunan 30. elementir; ancak bilinen tek kobalt içeren

biokimyasal çevre koenzim B12 dir ve burada kobalt beş azot atomu ile bir adenosin

ligandının karbon atomuna bağladır(16). Bu moleküldeki karbon- kobalt bağı, koenzim B12

yi biyolojik organometalik bileşiklerin ilk örneği yapar. Yakın benzerlikler taşıyan vitamin

B12 adenosin yerinde bir siyano ligandı taşır ve kobalta bağlı başka organik gruplarla da

karşılaşır.

Kobalamin ismi bu B12 türevleri sınıfı için kullanılır. Vitamin ilk olarak 1929 da

karaciğer özütlerinde bulunmuş ve daha sonra vitamin B12 veya koenzim B12 eksikliğinin

insanlarda öldürücü bir anemi türüne yol açtığı gözlenmiştir. Co-CN bağı, vitaminin X-ışını

tek kristal beirlemesinde ortaya çıkarılmıştır. Bu gözlem otomatik X-ışını difraktometrelerin

İn ve yüksek hızlı bilgisayarların bulunmadığı bir zamanda çok büyük bir başarı olrak kabul

edilmiş ve Dorathy Hodgding’e 1964 Nobel kazandırmıştır.16 bu ilginç yapıya ek olarak,

koenzim B12 aşağıda anlatıldığı şekilde olağan dışı çok amaçlı bir kimya ortaya koyar.

Çizelge 19.7 deki tepkimeler koenzim B12 nin kimyasal işlevliğini gösterir, zira sulu

ortamda yer almasına karşın özel ligant çevresi kobaltın üç yükseltgenme basamağında da

bulunabilmesine olanak sağlar. Enzimin Co(III) hali yükseltgen ve elektrofiliktir. Bundan

dolayı Co(III) kolayca Co(II) ye indirgenir


2012

Daha ileri indirgenme Co için sulu ortamda nadir olarak rastlanan Co(1) e yol açar.

Co(I) nükleofiliktir, böylece kolay bir şekilde metillenir. Metionin sentazda olduğu gibi

metilleme tepkimelerindeki yararlı işlevleri yanında “metil kobalamin “ Hg(CH3)2 ve

Pb(CH3)4 gibi çok zehirli bileşikler oluşturmak üzere sulu çözeltide ağır metal iyonlarının

metilen-dirilmesine katrılır. Kobaltın olağan dışı kimyasını destekleyen bu ligant çevresi,

kobaltın ekvator konumularındaki 4 azot verici atomunu sağlayan porfirin benzeri kolin

halkasını içerir. 5. konum eşlenik bir azot vericiden oluşur ve 6. ise bir karbon ligandıdır(16).

Bu Co-C bağ, koenzim B12 yi biyolojik az rastlanan bir organometal molekülü örneği yapar.

Co-C bağı zayıftır ve kolayca homolitik parçalanmaya uğrayarak karbon esaslı bir radikal

meydana getirir ve o da karbon-hidrojen bağlarından proton koparabilir. Koenzim B12

tarafından radikal esaslı hidrojen koparılması, bağlı gruplardaki C-H ve C-C bağlarının

birbirine dönüştürülmesinde kullanılır.

Koenzim B12 çok işlevli bir enzimdir; Co (I) e indirgenebilir ve

metillendirildiğinde metillendirme aracı olarak kullanılır.

Documents

biyoinorganik kimya ders notları (14 haftalık)