белорусский госудаственный университет

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
«Утверждаю»
Проректор по учебной работе
Профессор
-----------------------В.В.Самохвал
«-------«----------------2006 г.
БАЗОВАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
КУРСА «БИОНЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ»
Для студентов специальности
1 - 31 01 01 – Биология
специализации 1 - 31 01 01 05 – Биохимия
Регистрационный №____
Минск
2006
ПРЕДИСЛОВИЕ
Бионеорганическая химия – сравнительно молодая научная
дисциплина, родившаяся на стыке
биохимии, биоорганической и
металлорганической химии, а также неорганической химии. В настоящее
время эта наука переживает период своего стремительного развития.
В задачу специального курса «Бионеорганическая химия» входит
изучение предмета и основных направлений экспериментальных
исследований и теоретических разработок в различных областях этой
дисциплины, возможностей применения физических методов исследования
биологически
функциональных
металлокомплексов;
характеристика
наиболее значимых достижений, нерешенных проблем и перспектив.
В то время как знание неорганических реакций помогает в
рассмотрении и анализе биохимических процессов, знание структуры,
стереохимии и электронной конфигурации комплексов, изобретенных
природой, стимулирует поиск новых неорганических соединений, с
помощью которых можно моделировать биологические процессы, проверять
наши предположения об их природе и расширять знания о биологической
роли металлов.
Бионеорганическая химия как самостоятельная научная
дисциплина. Место бионеорганической химии среди традиционных
химических дисциплин. Задачи и проблемы бионеорганической химии,
основные направления развития.
Различия
в
объекте
исследования
бионеорганической,
элементорганической, органической и неорганической химии. Основы
классификации и некоторые общие свойства элементорганических
соединений. Поляризация σ-связи в элементорганических производных
непереходных элементов и типичных неметаллов.
«Металлы жизни». Принцип выбора природой жизненно важных
элементов. Краткая характеристика основных электронно-химических
свойств биометаллов.
Структура и стереохимия координационных соединений.
Определение и краткая характеристика основных понятий координационной
химии комплексных соединений (лиганд, дентатность лиганда, донорный
атом, конфигурация комплекса и т.д.). Координационное число (определение
и характеристика). Валентность металла и координационное число.
Геометрия различных комплексов в биологических системах в связи с
наиболее распространенными координационными числами биометаллов.
Состояние и роль молекул воды в биологических системах.
Натрий, калий, магний , кальций – химия, типы и конфигурация
связей в комплексах in vitro. Биологические функции этих ионов
непереходных биометаллов.
Железо, медь, цинк, марганец, кобальт, молибден – химия, типы и
конфигурация связей в комплексах in vitro. Биологические функции этих
ионов переходных биометаллов.
Классификация реальных кислот и оснований . Основные подходы
к классификации ионов по их электронно-химическим характеристикам.
Концепция жестких и мягких кислот и оснований (ЖМКО). Применимость
ЖМКО к объяснению избирательности и специфичности металлолигандного
взаимодействия. Принцип количественной оценки в классификации
реальных кислот и оснований с позиции концепции ЖМКО. Понятия
симбиоза и антагонизма лигандов. Значение симбиоза лигандов для
функционирования биологически важных металлокомплексов.
Биолиганды. Общая характеристика основных типов биолигандов.
«Концентрация лигандов». Основные представления о химической связи в
координационных соединениях биометаллов и биолигандов. Роль
электростатический
сил,
ковалентных
и
донорно-акцепторных
взаимодействий.
Комплексы аминокислот и пептидов с биометаллами. Участие различных
групп и донорных атомов аминокислот и пептидов в комплексообразовании с
биометаллами. Роль концевых NH-групп, СООН-групп, а также пептидных
групп в связывании ионов металлов.
Взаимодействие нуклеиновых кислот с ионами металлов (основные
закономерности).
Взаимодействие
белков
с
ионами
металлов
(основные
закономерности).
Хелатный эффект в комплексообразовании. Его роль в устойчивости
комплексов. Макроциклический эффект.
Методы изучения строения координационных соединений
биометаллов с биолигандами. Краткая характеристика основных
физических методов. Принцип метода «ионных проб», применяемого при
изучении координационных соединений непереходных металлов. Условия,
соблюдение которых необходимо для эффективного замещения ионов.
Кинетика комплексообразования металл-биолиганд. Определение «общей» и
«ступенчатой» констант устойчивости комплекса.
Функции, выполняемые ионом металла в ферментативном
катализе. Каталитические и структурные функции ионов металлов в белках.
«Химические» и «структурные» металлы. Степень и специфичность
связывания иона металла в белке. Критерий истинности металлоферментов.
Кислородпереносящие металлопротеиды. Характеристика основных
типов железопротеидов. Гемоглобины человека. Значение исследований
природы неоднородности гемоглобинов для бионеорганической химии.
Структура «гемового» кармана. Роль изменений электронной конфигурации
d-орбитальной системы железа в обратимом связывании кислорода.
Стереохимия и электронная структура связи железо-кислород в гемоглобине,
возможная роль дистального гистидина в функционировании гемоглобина и
миоглобина. Стабилизация пентакоординационного комплекса Fe++. Влияние
белка-апофермента на координацию молекул кислорода в геме.
Другие кислородпереносящие белки (гемоцианин, гемеритрин,
гемованадин).
Характеристика
и
биологическая
роль
многоядерных
железосодержащих белков.
Карбоксипептидаза А. Механизм катализа. Роль Zn++ в
каталитическом акте. Характеристика изменений активности фермента при
замещении цинка ионами других металлов.
Карбоангидраза. Молекулярная структура и характеристика области
активного центра. Механизм катализа и роль иона металла.
Белки,
связывающие
кальций.
Нуклеаза
стафилококка.
Молекулярная структура и характеристика области активного центра.
Данные по замещению иона металла в активном центре фермента.
Са++-кальмодуллины. Структура и биологическая роль.
Регуляторная роль молибдена в биологических системах.
Карнозин, как регулятор внутриклеточной концентрации протонов.
Селен в жизни человека и животных.
Моделирование в бионеорганической химии. Основные направления.
Модели ионофоров. Моделирование в энзимологии.
ЛИТЕРАТУРА
Основная:
1.Яцимирский К.Б. Введение в бионеорганическую химию./ К.Б.
Яцимирский. Киев: Наукова думка, 1976.
2.Г. Эйхгорн. Бионеорганическая химия./ Г. Эйхгорн. М.: Мир, 1978.-Т.
1, - Т. 2.
3. Х. Зигель. Ионы металлов в биологических системах./ Х. Зигель, М.:
Мир, 1982.
4.К. МакОлифф. Методы и достижения бионеорганической химии./ К.
МакОлифф. М.: Мир, 1978.
5.Уильямс Д. Металлы жизни./ Уильямс Д. М.: Мир, 1985.
6.Ленский А.С. Введение в бионеорганическую и биофизическую
химию./ Ленский А.С. М.: Высшая школа, 1989.
7.Гусев Н.Б. Внутриклеточные кальций-связывающие белки./ Гусев
Н.Б. М.: Наука, 1998.
8.Никитина Л.П., Иванова В.Н. (ред). Селен в жизни человека и
животных. М.: 1995.
9.Хьюз М. Неорганическая химия биологических процессов./ Хьюз М.
Пер. с англ. М.: Мир, 1983.
10.Логинова Н.В. Бионеорганическая химия: металлокомплексы в
медицине./ Логинова Н.В. Уч. пособие. Мн.: БГУ, 2000.
11.Шрайвер Д. Неорганическая химия./ Шрайвер Д. Том-2. М.: Мир,
2004.
Дополнительная:
1.Журнал Всесоюзного Химического Общества им. Д.П. Менделеева.
Т. 21. №6, 1976.
2.Пермяков Е.А. Кальций-связывающие белки./ Пермяков Е.А. М.:
Наука, 1993.
3.Бэран Э.Х. Металлокомплексы карнозина. // Биохимия. Т. 65, вып. 7,
с. 928-937, 2000.
4.Зеленин К.Н. Химия. Общая и биоорганическая химия./ Зеленин К.Н.
СПб: Элби-СПб, 2003.
5.Cowan J.A. Inorganic biochemistry. Wiley-VCH, New York, 1997.
6.Lippard S.J., Berg J.M. Principles of bioinorganic chemistry. University
Science Books, Mill Valley, 1994.
7.Bioinorganic Chemistry, ed. I. Bertini, H.B. Gray,S.J. Lippard, J.S.
Valentine. University Science Books, Mill Valley, 1994.
8.Frausto da Silva J.J.R., Williams R.J.P. The biological chemistry of the
elements: the inorganic chemistry of life. Oxford University Press, 1991.
9.Williams R.J.P., Frausto da Silva J.J.R. The natural selection of the
chemical elements. Oxford University Press, 1996.
10.”Bioinorganic ensymology”, Chem. Rev., 7(1996). Том содержит
подробные обзоры по самым современным проблемам бионеорганической
химии.
11.Science, 261, August 1993. Четыре статьи (металлоферменты, роль
ионов металлов в рибозимах, металлосодержащие регуляторные белки и
диагностические средства).
Образовательный стандарт дисциплины
Бионеорганическая химия
Место бионеорганической химии среди традиционных химических
дисциплин.
«Металлы
жизни»,
электронно-химические
свойства
биометаллов. Биологические функции ионов переходных и непереходных
биометаллов. Структура и стереохимия координационных соединений
биометаллов с биолигандами. Методы изучения строения координационных
биокомплексов металлов. Моделирование в бионеорганической химии.
Моделирование в энзимологии. Металлоферменты. Каталитические и
структурные функции ионов металлов в белках. Критерий истинности
металлоферментов. Роль белка-апофермента в регуляции функцией
биометалла. Регуляторная роль биометаллов в биологических системах.
В результате изучения дисциплины обучаемый должен:
Знать:
–значение электронно-химических свойств биометаллов в структуре и
специфичности функционирования их координационных соединений с
биолигандами;
–основные направления моделирования в бионеорганической химии и
методы исследования строения и функционирования координационных
комплексов биометаллов.
Уметь:
–использовать полученные знания для планирования экспериментов и
корректной интерпретации экспериментальных данных о роли биометаллов в
биологически специфичном функционировании комплекса биометалла с
биолигандом.
Вопросы
для самоконтроля студентов
1.Место бионеорганической химии среди традиционных химических
дисциплин и основные направления ее развития.
2.Объект исследования в бионеорганической, элементорганической,
органической и неорганической химии.
3.Характеристика электронно-химических свойств биометаллов.
4.Основные понятия и категории координационной химии в применении
к характеристике комплексных соединений биометаллов с биолигандами.
5.Геометрия различных комплексов биометаллов в связи с наиболее
распространенными координационными числами последних.
6.Биологические функции ионов непереходных биометаллов в связи с их
химией, типами и конфигурацией связей в комплексах in vitro.
7.Биологические функции ионов переходных биометаллов в связи с их
химией, типами и конфигурацией связей в комплексах in vitro.
8.Классификация реальных кислот и оснований по их электроннохимическим характеристикам.
9.Применимость концепции жестких и мягких кислот и оснований к
объяснению избирательности и специфичности металлолигандного
взаимодействия.
10.Химические связи в координационных соединениях биометаллов и
биолигандов.
11.Комплексы аминокислот и пептидов с биометаллами.
12.Основные закономерности взаимодействия нуклеиновых кислот с
ионами металлов.
13.Взаимодействие белков с ионами металлов. Хелатный эффект.
Макроциклический эффект.
14.Кинетика комплексообразования металл-биолиганд. «Общая» и
«ступенчатая» константы устойчивости.
15.Функции выполняемые ионом металла в ферментативном катализе.
Критерий истинности металлоферментов.
16.Влияние белкового лиганда на координацию молекул кислорода в
гемоглобине и миоглобине.
17.Гемоцианин, Гемэритрин. Структуры центров связывания кислорода.
18.Роль цинка в каталитической функции карбоксипептидазы А.
19.Карбоангидраза. Характеристика области активного центра. Функция
металла.
20.Нуклеаза стафилококка. Данные по замещению металла в активном
центре фермента.
21.Регуляторная роль молибдена в биологических системах.
22.Основные направления моделирования в бионеорганической химии.
Тематика
реферативных работ для студентов
1.Селен. Механизмы участия в различных формах патологии.
2.Биометаллы в жизнедеятельности человека.
3.Роль кальция в мышечном сокращении.
4.Комплексные соединения и их значение в биосистемах.
5.Селен – жизненно необходимый элемент?
6.Роль металлов в репликации, транскрипции, трансляции и
стабилизации нуклеиновых кислот.
7.Влияние металлов на полинуклеотиды и клеточные процессы
связанные с ними.
8.Физико-химические
свойства
и
структура
церулоплазмина
(фероксидаза). Особенности комплексообразования с ионами меди (II).
9.Роль микроэлементов в жизни человека.
10.Кальций в биологических мембранах.
11.Кальций: химия и биохимические механизмы участия в метаболизме.
12.Участие биометаллов в процессах канцерогенеза.
13.Селен: химия и биологическая роль.
14.Марганец: химия и механизмы участия в метаболизме.
15.Медь: химия и механизмы участия в метаболизме.
16.Биометаллы (роль в механизме мышечного сокращения).
17.Цинк: химия и механизмы участия в функционировании клетки.
18.Цинк: металлокомплексы карнозина.
Вопросы
тестового контроля знаний
1.Бионеорганическая химия – наука, возникшая на стыке:
1)Биологии и элементорганической химии;
2)Биохимии и элементорганической химии;
3)Биоорганической и элементорганической химии:
4)Биохимии и неорганической химии;
5)Биоорганической и неорганической химии;
6)Биологии и неорганической химии.
Выберите наиболее точное сочетание.
2.Наиболее распространенным по массе элементом в составе неорганических
и органических соединений на Земле является:
1) Н; 2) С; 3) О; 4) Ν; 5) Р; 6) Ѕ; 7) Νа; 8) К; 9) Мg
3)Из нижеперечисленных элементов:
1) Аl 8)Вi 15) Со
2) Fе 9)Si 16) Сu
3)Мg 10)К 17)Аu
4)Ва 11)Νа 18)Са
5)V 12)Мn 19)Li
6)Сd 13)Νi 20)Мо
7)Zn 14)Sе 21)Сr
выберите 10 элементов, называемых «металлами жизни»:
А) 1,2,3,11,12,14,15,16,17,20
Б) 2,3,4,8,10,11,16,17,18,19
В)2,3,7,10,11,12,15,16,18,20
Г) 2,3,14,7,10,11,12,15,16,18
4)Среди известных ферментов, металлоферментами называют примерно:
1) 15%; 2) 30%; 3) 45%; 4) 60%,
от общего их количества. Выберите наиболее корректную долю.
5) Среди перечисленных ниже металлоферментов, выделите фермент ,
содержащий Fе(II):
1)
2)
3)
4)
5)
Супероксиддисмутаза;
Фосфатаза;
Аминопептидаза;
Оксигеназа;
Карбоксипептидаза.
6) Выделите Zn(II)-содержащий металлофермент:
1) Нитрогеназа;
2) Оксигеназа;
3) Супероксиддисмутаза;
4) Гидроксилаза;
5) Гидрогеназа;
6) Аминопептидаза.
7) Выделите Cu(II)-содержащий металлофермент:
1) Гемоглобин;
2) Гемэритрин;
3) Гемоцианин;
4) Карбоксипептидаза;
5) Нитрогеназа;
6) Аконитаза.
8) Какой из биометаллов входит в состав витамина В12:
1) Fе; 2) Мо; 3) Сu; 4) Zn; 5) Со; 6) Мg.
9) Выделите металлы, входящие в состав минералов в биологических
структурных материалах:
1) Zn; 2) Fе; 3) Мg; 4) Са; 5) Si; 6) Со; 7) Аg.
10) Боковые группы каких аминокислот участвуют в координации иона
металла в кальций-связывающих белках?
1) Аsn; 2) Аrn; 3) Аsр; 4) Glu; 5) Нis; 6) Gln.
11) Какой из ионов металлов по своим электронно-химическим свойствам
(координационному числу и предпочитаемому координационному
окружению) ближе к ионам щелочных металлов?
1) Ва; 2) Sr; 3) Ве; 4)Са; 5) Мg.
12) Какой из ионов-биометаллов играет роль одновременно: в процессах
выделения и действия гормонов, в сокращении мышц, свертывании крови и
стабилизации структуры белков?
1) Fе; 2) Со; 3) Мg; 4) Са; 5) Νа; 6) К; 7) Сu.
13) Молекула какого кислород-переносящего белка содержит гем?
1) Гемэритрин; 2) Гемоглобин; 3) Гемоцианин; 5) Гемованадин.
14) В молекуле гемэритрина О2 связывается с :
А. Железопорфириновым комплексом;
Б. Ионами меди, присоединенными к белку;
В. Ионами железа, присоединенными к белку.
15) Как изменяется кислотная активность гидратированных ионов металлов в
металлоферментном комплексе при увеличении степени окисления иона
металла?
А. Уменьшается;
Б. Не изменяется;
В. Возрастает.
16) Наиболее сильной кислотной активностью ( по Льюису ) среди металлов
(II) обладает:
1) Fе; 2) Cu; 3) Zn; 4) Мn; 5) Мg.
17) Комплексы какого из ионов металлов обладают наибольшей
лабильностью?
1) Νi; 2) Мg; 3) Zn; 4) Сu; 5) Сd.
18) Какая аминокислота участвует в координации иона цинка в активном
центре изоферментов карбоангидразы?
1) Гис; 2) Ала; 3) Асп; 4) Глу; 5) Три.
Перечень
лабораторных работ ( 14 часов )
Тема: Метод «ионных проб» в изучении механизма участия металла в
каталитическом акте.
Лабораторная работа: Сравнительное исследование изменений
активности карбоксипептидазы А при замещении иона Zn++ на Cd++.
Занятие 1
Изучить изменения эстеразной
замещении на (6 часов);
активности карбоксипептидазы при
Занятие 2
Изучить изменения пептидазной активности карбоксипептидазы при
замещении на
(6 часов);
Занятие 3
Провести обработку и анализ результатов и оформить отчет (2 часа).
Литература:
Определение активности карбоксипептидазы ( КФ А – 3.4.2.1 ; В –
3.4.2.2 ):
1) В.С.Асатиани Ферментные методы анализа./ - М.: «Наука», 1969. стр.147 –
151.
2) Krisch K., Staudinger H.// Bioch. Z. 1961, 334, 312.
.
Аннотация
Курс «Бионеорганическая химия» преподается студентам 5 курса
дневного отделения биологического факультета Белгосуниверситета,
специализирующимся по кафедре биохимии.
Учебные
материалы
предназначены
для
организации
самостоятельной работы студентов и включают в себя базовую
учебную
программу
курса,
электронную
версию
учебника
«Неорганическая биохимия», п.р. Г.Эйхгорна, ( Т.1, Т.2 ), перечень
вопросов для самоконтроля студентов, список тем для подготовки
реферативных работ, вопросы тестового контроля знаний, перечень
тем лабораторных занятий, список рекомендуемой литературы
(основной и дополнительной).
Контроль самостоятельной работы студентов по избранной теме
для написания реферата выполняется преподавателем путем
собеседования, с выставлением рейтинговой оценки.
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Биологический факультет
Кафедра биохимии
Учебно-методический комплекс
по курсу «Бионеорганическая химия»
Для специальности 1–31 01 01 «Биология»,
Специализация 1–31 01 01 05 «Биохимия»