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?

Biologie Anorganische

Chemie

Bioanorganische

Chemie

� 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

Struktur der HämgruppeStruktur der Hämgruppe

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