Bioszervetlen kémia

- A tudományterületek differenciálódása és integrálódása

- A bioszervetlen kémia kialakulásának szükségszerűsége

- A bioszervetlen kémia tárgya

Az élet egy olyan összetett folyamat, amely a szervezet energiafogyasztása révén fenntartott szabályozott stacionárius áramló egyensúllyal jellemezhető. Az ilyen rendszerek egymással szorosan csatolt részrendszerekből állnak, melyek egymást követő egyensúlyai, a valódi termodinamikai egyensúlyt a csatolás miatt elérni nem tudják. Ennek a szoros kapcsolatsornak lehet eredménye az is, hogy egyes közbenső lépéseit termodinamikailag kedvezményezetlen (ΔG>0) reakciók is alkothatják. Az ilyen stacionárius egyensúllyal jellemezhető rendszerek nyitottak, számukra a környezettel való anyagcsere alapvető fontosságú, szemben a jobban ismert és matematikailag is könnyebben kezelhető „halott” termodinamikai egyensúllyal.

Az élet nélkülözhetetlen feltételét jelentő környezettel való folyamatos anyagcsere elvben minden elemre kiterjed. Az elemeknek a szervezetben való megjelenése, elterjedése külső és belső feltételek függvénye, jelentősen meghatározza azt az elemek „biohozzáférhetősége” (a biológiai rendszerek számára való hozzáférhetőséget jelenti). Egy felnőtt ember átlagos elemösszetételét és néhány fontosabb elem (bioelem) napi szükségletét a 2.1. táblázat tartalmazza.

2.1. táblázat: Egy felnőtt emberi test (70 kg) átlagos elemösszetétele és néhány fontosabb elem napi szükséglete; ^a nem létfontosságú; ^b létfontossága bizonytalan.

A nagy H- és O-tartalomban tükröződik a test igen nagy víztartalma. Ezek mellett a C és N a szerves anyag jelenlétére utal. Az első fémes elem, a kalcium az ötödik a sorban, mint vázképző elem fontos. Ezt követi a K, a Cl, a Na és a Mg, melyek „makro” tápelemek, majd a Fe és Zn jön a sorban, a metalloproteinek a metalloenzimek két legelterjedtebb fémionja. A Rb és a F után jönnek a nyomelemek, (egy definíció szerint azok, melyek napi szükséglete a 25 mg-ot nem haladja meg), mint a Cu, a Mn, a Co és a Mo; ez utóbbiból mindösszesen 5 mg-ot tartalmaz egy emberi szervezet. A 2.1. táblázat elemei közül „hasznosaknak” azokat nevezzük, melyek hiánya súlyos, irrevezibilis elváltozásokat idéz elő a szervezetben. Ha ez a hasznosság több faj esetén is fennáll, az elemeket „létfontosságúaknak” nevezzük. Az optimális működésben zavarokat előidéző elemeket célszerű megkülönböztetni; ezeket „károsaknak” nevezzük. A 2.1. táblázatban nem elhanyagolható számban vannak nem hasznos elemek is, mint a Rb, Zr, Ba, Al vagy a Br. Ezek feltehetőleg valamely létfontosságú elemmel való hasonlóságuk révén dúsultak fel a szervezetben, mint a Li⁺, Rb⁺, Cs⁺vs. Na⁺, K⁺; a Sr²⁺, Ba²⁺vs. Ca²⁺, Mg²⁺; Brvs. Cl; Al³⁺vs. Fe³⁺. Vannak elemek, melyeket toxikusnak ismerünk, mint az Hg, Pb, Cd, ezeknek pozitív hatását eddig nem mutatták ki. De nem biztos, hogy ez egyértelműen a káros voltukat bizonyítja, hiszen lehet, hogy a mai analitikai kimutathatósági határnál kisebb koncentrációban mutat az elem hasznos tulajdonságokat. Nem zárható ki, hogy valamilyen fiziológiai funkciója   ha nem is bizonyosan létfontosságú   az evolúció során jóval nagyobb számú elemnek kialakult, mint a ma ismertek.

Nem minden faj számára ugyanazon elemek a létfontosságúak, sőt a faj nem minden egyede számára ugyanolyan mennyiségben létfontosságúak ezek az elemek. A 2.1. ábra dózis-fiziológiai hatás diagramokat mutatja a hasznos elemekre. A „terápiás tartomány szélessége” elemektől függően széles határok között változik, a K⁺ esetén például igen széles néhány száz mg, míg a csak újabban felismert létfontosságú Se esetén igen szűk, csupán néhány μg. Ennél mind a kisebb koncentráció (hiány) mind a nagyobb koncentráció (fölösleg) betegségek kialakulásához vezethet, amit vagy az elemek pótlásával, vagy a fölösleg eltávolításával (pl. kelátterápiával) szüntethetünk meg (lásd a 15. fejezetet). A ma csak káros hatásúnak ismert elemek, mint a Be, Cd, Hg, esetén a dózis-fiziológiai hatás görbe csak a negatív fiziológiai hatás tartományban van.

2.1. ábra: Sematikus dózis-fiziológiai hatás válasz diagram egy létfontosságú és egy toxikus elem esetén.

A ma létfontosságúnak tartott 20 elem a betöltött funkciójuk alapján a következőképpen csoportosíthatók:

(1) Az ún. vázképző elemek az élő szervezet külső és belső vázának kialakításában vesznek részt, mint a csont, a tojáshéj, a fogak vagy a tüskék. Alapvető fontosságú az élő szervezetek szerkezetének molekuláris szintű stabilizálása. Például azáltal, hogy semlegesítik a DNS negatívan töltött foszfát-csoportjainak vagy a sejtmembránok töltött felületének elektrosztatikus taszító hatását. Ezek az elemek az anionokat alkotó C, O, P, S, N, F, Si és a kationképző K, Ca és Mg.

(2) A főként egyatomos ionok, melyek, mint töltéshordozók az információ átvitelben játszhatnak szerepet az egyenetlen ioneloszlás révén, ill. az ionok hirtelen fluxus változása révén fiziológiai folyamatokat indítanak be. Ezek az ionok a K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^-, HPO₄^-.

(3) A szerves vegyületek képződésében, metabolizmusában és lebomlásában szerepet játszó Lewis sav/bázis katalizátorok, mint a Zn²⁺ és Mg²⁺, ritkábban a Fe és a Mn, ill. redoxi katalizátorok, mint a Fe, Cu, Mn, Mo, Co, Ni, ritkábban a V és a Se.

(4) Az elektrontraszfer folyamatokat végző változó oxidációs állapotokra képes fémionok, mint a Cu, Fe, Ni. Ezen folyamatok révén a redoxi reakciók oxidációs és redukciós lépéseinek elkülönítésére nyílik lehetőség.

(5) A kisméretű, szimmetrikus nagy kötésenergiájú molekulák aktiválásában szerepet játszó fémionok, mint a paramágneses dioxigén esetén a Fe, Cu, Mn; a molekuláris N₂ fixálásában a Fe, Mo, V és a CO₂ metánná való redukciójában a Ni és a Fe.

(6) Egyéb speciális funkciók, mint a reduktív alkilezésben szerepet játszó kobalamin koenzim (Co); a fényenergia hasznosításában meghatározó klorofil (Mg); vagy a mágneses és gravitációs szenzorok (Fe, Ca vagy Si).

A 2.2. ábra logaritmikus skálán mutatja az élő szervezeteket alkotó elemek koncentrációját az emberi testben, a földfelszíni kőzetekben és a tengervízben. Egyértelműbb korreláció figyelhető meg a tengervíz összetételével. Például igen szembetűnő az, hogy a kőzetalkotó elemek, mint a Si, Al, Ti nem létfontosságúak, mennyiségük a Föld szilárd burkában meghatározóan nagy. Ennek oka feltehetően az, hogy ezek az elemek a biológiai rendszerek számára meghatározó körülmények között, semleges vizes oldat, igen rosszul oldódó vegyületek, oxidok, hidroxidok formájában fordulnak elő, így hozzáférhetőségük rossz. Ezzel szemben a Mo, amely ritka elem a földkéregben, semleges vizes oldatban a szervezet számára könnyen felvehető MoO₄² oxoanion formájában fordul elő. A bioelemek többsége esetén is jobb korreláció figyelhető meg a tengervízben való előfordulással, mint a földkéregben való mennyiségükkel. Ez alapján elég erős és meggyőző az a nézet, hogy az élet vizes oldatban, az úgynevezett „ősóceánban” alakult ki.

2.2. ábra: Az elemek relatív moláris koncentrációinak logaritmikus ábrázolása különböző környezetben (P.A. Cox, The Elements: Their Origin, Abundance and Distribution, Oxford University Press, Oxford, 1989 alapján).

Az élő szervezetek ?4 milliárd éve kezdődött evolúciójuk során, sokféle változáson mentek át. A Föld szilárd kérge körül kialakult őslégkörben különböző energiaforrások (napsugárzás, elektromos kisülés, vulkáni tevékenység, geotermikus energia) hatására egyszerű szerves molekulák keletkeztek. Ezután a kémiai és az azt követő biológiai evolúció hosszadalmas és rendkívül bonyolult folyamatai révén, amelynek minden részletét ma sem ismerjük, jöttek létre egyebek között a fehérjék, a nukleinsavak, majd kialakult az első sejt, és kifejlődtek a többsejtű szervezetek, a növények, az állatok és az ember. A Földön megtalálható életforma kialakulásánál két fontos szempontot kell figyelembe vennünk, egyrészt, hogy az élet az „ősóceánokban” keletkezett, és így az ott uralkodó feltételekhez kellett alkalmazkodnia, másrészt az élő rendszerek alkalmazkodtak a redukáló hatású ősatmoszféra oxidativ atmoszférává változásához. Az elektrontranszfer funkciót ellátó vas-kén fehérjék például bizonyosan az evolúció korai szakaszában már kialakultak, amikor még redukáló volt az atmoszféra és rendelkezésre állt a kén  2 oxidációs állapotban szulfid formájában (lásd a 7. fejezet). Ezzel szemben a hem-típusú fehérjék, elég csak a hem bonyolult kémiai felépítését felidézni (négy pirrol többé-kevésbé konjugált kettőskötésű rendszerrel gyűrűbe foglalva), bizonyosan a kémiai evolúció későbbi korának terméke. De olyan jól sikerült vegyületnek bizonyult, hogy a természet a biológiai evolúció során kis változtatásokkal sokféle funkció (O₂ szállítás és tárolás, oxidációs folyamatokat katalizáló szerep, elektronszállítás) ellátására alkalmazta őket (lásd a 9. fejezet).

Ma az az általános feltételezés, hogy az élet a tengerben, ill. sósvízi lagúnákban keletkezett. Így a tengervíz összetétele ma is rányomja bélyegét a Földön élő összes sejt kémiai összetételére. Az ősóceán kedvező környezetet nyújtott a primitív szervezetek szabad mozgásához, és egyidejűleg olyan oldatot jelentett, amely tartalmazta a fennmaradásukhoz szükséges elemeket. E szervezetek számára a víz elengedhetetlen volt. A szilárd anyag az oldott ionok vagy anyagcseretermékek szabad kicserélődését nagyon akadályozta volna. Csak évmilliárdok elteltével kezdődött meg a lassú átmenet az óceániból a szárazföldi életformák felé. Ez a lépés eredményesen akkor következett be, amikor a szervezetek a tengeri környezetet bizonyos mértékig képesek voltak magukkal vinni, azaz kialakultak a sejtek. A szárazföldi állatok vérsavóinak és szövetnedveinek összetétele emlékeztet az ősi óceáni életformára. A korai fejlődéstörténetben a második nagy alkalmazkodást a légkör megváltozása követelte meg a szervezetektől. A kezdetet egy anaerob korszak jelentette, amikor a légkör jelentős mennyiségű hidrogént, metánt, ammóniát és vízgőzt tartalmazott, és ennek megfelelően a redukáló környezethez alkalmazkodó szervezetek jöttek létre és szaporodtak el. Ezután egy hidrogénszegény periódus következett, majd a következő lépést az jelentette, amikor az anaerob őssejtek a rendelkezésükre álló szerves anyagmennyiséget, amely eddig táplálékul szolgált, kezdték kimeríteni és ez által az élet a napfény segítségével létrehozott fotoszintézistől vált függővé és a légkörben felszaporodott az oxigén. Ez a korszak még ma is tart. Ma az élő szervezetek túlnyomó többsége az energiájukat oxidációs folyamatok révén szerzik be, és az anaerob szervezetek majdnem teljesen kipusztultak, ill. a föld alá vagy tengerek mélyére szorultak vissza.

A légkör redukálóból oxidálóvá alakulása jelentős változásokat idézett elő egyes elemek oxidációs állapotában és így biohozzáférhetőségében is. Ezek közül néhányat a 2.2. táblázatban tüntetünk fel. Egyes esetekben ez az elem hozzáférhetőségének jelentős növekedését (pl. Cu) jelentette, más esetekben éppen fordítva a biohozzáférhetőség drasztikus csökkenése miatt (pl. Fe) az élő szervezeteknek a már létfontosságúvá vált elemek felvétele érdekében speciális mechanizmusokat kellett kifejleszteniük (lásd 5. fejezet).

2.2. táblázat: Egyes elemek kémiai állapotának és biohozzáférhetőségének változása az atmoszféra redukálóból oxidálóba való átalakulása során.

Laboratóriumi kísérletek utalnak arra, hogy miként mehetett át az anaerob létforma az aerobba. 1954-ben találtak egy olyan baktériumtörzset, mely aerob körülmények között jól fejlődik, oxigénnel érintkezve viszont elpusztult, mivel sem a szervezetükben keletkező hidrogén-peroxid elbontásához szükséges mechanizmussal, sem lélegző rendszerrel nem rendelkeztek. Mihelyt azonban a tenyészethez egy egyszerű vas-porfirin komplexet adtak, ezek a baktériumok lassanként levegőben is továbbéltek. A hemkomplexet felvették, szervezetükben levő fehérjéhez kötötték, és így a baktériumok katalázzal és légzési enzimekkel látták el magukat. A megváltozott körülményekhez az élő szervezet tehát alkalmazkodni tudott.

A vas és a réz jelenléte az élő szervezetben különleges jelentőségű. E két fém az aerob anyagcseréhez való alkalmazkodásban közvetlenül részt vett, és döntő szerepet játszanak a légzést katalizáló enzimekben. Az ősföld redukáló atmoszférájában jöttek létre azok a vasat tartalmazó biomolekulák, amelyek az elektronszállításban és a különböző redoxi folyamatokban töltöttek és töltenek be létfontosságú szerepet. Egyebek között ezek a vastartalmú óriásmolekulák tették lehetővé az aerob életforma kialakulását. Az első metalloproteinek valószínűleg a vas-kén fehérjék voltak, melyek később a fotoszintetikus rendszereknek is nélkülözhetetlen részét képezték.

Mind a vas-kén fehérje képződése, mind az óceánok viszonylagos nagy Fe(II) és Mn(II) koncentrációja lehetővé tette, hogy a két fémion más ligandumokkal, pl. a kémiai evolúcióban fontos szerepet játszó templátreakció (lásd a 4. fejezetet) révén képződött porfirinekkel is reakcióba lépjen. Ez vezetett el, végül is a vas esetében a hem-fehérjékhez, a mangán esetében, pedig ahhoz a vegyülethez, amely a kékmoszatok fotoszintézisében játszott fontos szerepet. Elsősorban a kékmoszatok fotoszintetikus tevékenysége révén vált a légkör oxigéntartalma egyre nagyobbá. Az oxigén az első időkben igen mérgező volt a reduktív atmoszféra körülményei között kifejlődött élőlények számára. Hosszú évmilliók kellettek ahhoz, hogy a légköri oxigén redukciójában részt vevő enzimrendszer kialakuljon. Ezek az enzimek az oxigént először hidrogén-peroxiddá, majd vízzé alakítják. A korai aerob sejtekben levő enzimek között volt feltehetőleg a szuperoxid-dizmutáz, a kataláz és a peroxidáz primitív formája is. Ezek katalizálják az oxigén redukciójának rendkívül reaktív köztitermékeinek semlegesítését. A primitív szuperoxid-dizmutáz feltehetőleg mangántartalmú enzim volt, és csak az evolúció későbbi szakaszában kialakult sejtmaggal rendelkező úgynevezett eukarióták sejtjeiben jött létre a rezet tartalmazó metalloenzim. A reduktív atmoszférában a réz az alig oldható, és így alig hozzáférhető Cu(I)-szulfid alakjában volt jelen. A rézionok csak akkor kerültek a hidroszférába, amikor a légkör kezdett oxidálóvá válni, és Cu(II)-ionok keletkeztek. Ezek léptek reakcióba a különböző fehérjékkel, és így alakultak ki a réz-metalloenzimek. A vas és a réz jelentőségét a biológiailag aktív fém-fehérjék széles köre bizonyítja. Ezekkel részletesen foglalkozunk a 7. és 10. fejezetekben.

Nagyon érdekesen tükröződik a környezet változása a különböző fémionok mennyiségének viszonyában. A különböző típusú szervezetek ugyanis nem másolják le hűen a környezet fémion-összetételét, hanem anyagcseréjük evolúciója szabályozza a saját fémion-összetételüket. Ki lehet mutatni, hogy a légkör oxigéntartalmának növekedésével, amely együtt járt a növények redoxifunkcióinak változásával, a bioredoxireakciókban szerepet játszott fémionok aránya számottevően változott. A vastartalom csökkent, a réz-, a cink-, a molibdén- és a mangántartalom nőtt. Feltételezhetően a fémtartalom ilyetén változása ma is tartó folyamat. A növényi evolúcióban a legfontosabb eseménynek a mangánkoncentráció növekedését tekinthetjük, amellyel együtt járt, hogy a növényi anyagcsere-folyamatokban egyre nagyobb szerepet kapott a fotoszintézis.

- Mi a különbség a hasznos és a létfontosságú elemek között?

- Mennyire különböző koncentrációban szükségesek a létfontosságú elemek az emberi szervezet számára?

- Változott-e a létfontosságú elemek csoportja a kémiai és biológiai evolúció során? Példákkal igazolja állítását!

- Milyen kémiai, ill. biológiai folyamat változtatta meg a redukáló ősatmoszférát oxidálóvá?

- Hogyan védekeztek az őssejtek a számukra mérgező oxigén megjelenése ellen?

A nukleinsavak (DNS, RNS) nukleotid egységekből felépülő polimermolekulák. A nukleotid egységek három alkotórészből állnak: foszforsavból, pentózokból (ribóz a ribonukleotidokban, dezoxiribóz a dezoxi-ribonukleotidokban) és nitrogéntartalmú szerves bázisokból. Ez utóbbiak purin- vagy pirimidinszármazékok. Purinvázas az adenin (a) és a guanin (g), pirimidinvázas a timin (t), citozin (c) és az uracil (u). A cukormolekula egyes számú szénatomjához kapcsolódik glikozidos kötésen keresztül a szerves bázis egyik nitrogén atomja (pirimidinbázisok esetén az N(1), a purinbázisoknál pedig az N(9)), így jön létre a nukleozid. A nukleotidokban a nukleozid pentózrészének 5-ös szénatomján lévő hidroxilcsoportot észteresíti a foszforsav (3.12. ábra).

3.12. ábra: Egy nukleotid (adenozin-monofoszfát) szerkezeti képlete.

A nukleotidok C(5)-OH-t észteresítő foszfátcsoportja és a szomszédos nukleotid szénhidrátrészének C(3) szénatomján levő hidroxilcsoport között kialakuló foszfodiészter kötésekkel hosszú láncok képződnek, melyeknek iránya e fenti két csoport által meghatározott: 3' és 5' vég (3.13. ábra).

3.13. ábra: A polinukleotid szál felépítése.

A DNS a legtöbb élőlényben két ellentétes lefutású jobbmenetes spirális polinukleotid-láncból áll, melyek közötti összetartó erőt a bázisok között kialakuló hidrogénkötések biztosítják. Az egyszálú RNS konformációja a DNS-től eltérően igen változatos lehet és a nukleinsav szálon belül intramolekuláris bázispárok alakulnak ki.

Egy nagyobb méretű RNS molekulában igen jellegzetes másodlagos és harmadlagos szerkezet alakulhat ki, ami hasonlatos a fehérjék szerkezetéhez. Léteznek olyan ribonukleinsav molekulák is, melyek enzimatikus aktivitással bírnak, ezek a ribozimok, melyek többsége fémion jelenlétében működik optimálisan (bővebben: 12. fejezet).

Fémionok, vagy fémkomplexek is kötődhetnek a nukleinsavakhoz. A szoft és átmeneti jellegű fémionok kötőhelyei a nukleobázisok, melyek sematikus szerkezetét a gyűrűk számozásával és a lehetséges kötőhelyek megjelölésével a 3.14. ábrán mutatjuk be. E donoratomok bázicitása és a fémion-kötő képességük között összefüggés figyelhető meg, bár ez nem minden esetben egyértelmű. A tapasztalatok alapján a képződő komplexek stabilitása az uracil(N3) ~ timin(N3) ~ guanin(N1) ~ citozin(N3) ~ guanin(N7) > adenin(N7) = adenin(N1) sorrendben csökken. A különböző fémionoknak a bázisok nitrogénjeihez való affinitása pedig a koordinációs helytől függetlenül a következő sorrendet mutatja: Pd(II) ~ Pt(II) > MeHg(II) > Ag(I) > Cu(II) > Ni(II) > Co(II) > Zn(II) ~ La(III) > Mn(II) > Mg(II).

3.14. ábra: A nukleobázisok sematikus szerkezete a számozással.

A polinukleotid lánc negatív töltésű foszfátionjai a hard jellegű fémionokat képesek stabilisan megkötni, mint a Na⁺, K⁺ (polielektrolit hatás) és Mg²⁺, melyek a térszerkezetet is stabilizálják. A Mg²⁺ komplexálás jellemző a szervezetben előforduló mononukleotidokra is, mint pl. az ATP, és a sejtben az ATP ~90%-a Mg²⁺-komplexként található.

Meg kell említeni, hogy a nukleinsavak és a mononukleotidok szerkezetileg eltérő foszfátcsoportokat tartalmaznak: a nukleinsavak szekunder, míg a nukleotidok primer foszfátokat, melyek bázikussága és így fémkötő képessége az utóbbiak javára kb. egy nagyságrenddel eltér egymástól. Ezt a sejtek fémionjainak megkötésében szerepet játszó biomolekulák értékelésénél feltétlenül figyelembe kell venni.

Az élő szervezet minden sejtjében több ezer olyan különböző molekulát találunk, melyek fémionok kötésére képesek. Ezek közé tartoznak pl. a metabolizmus termékei, a szénhidrátok és azok származékai.

A semleges alkoholos hidroxil-donorcsoportok meglehetősen gyenge kölcsönhatást alakítanak ki a fémionokkal. Megnő azonban a hidroxilcsoportok szerepe, amennyiben a molekulában egyéb donorcsoport is található (pl. karboxilát vagy amino) melyek horgonyként viselkedve elősegít(het)ik a hidroxilcsoport koordinációját. Az ilyen, kis molekulatömegű vegyületek közül a legismertebbek a hidroxikarbonsavak (glikolsav, tejsav, almasav, citromsav, borkősav, glükonsav, C-vitamin, 3.19 ábra), az aminocukrok, de vannak biológiai jelentőségű makromolekulák is, mint pl. a glikózaminoglikánok. Ez utóbbiak közül egyik érdekes molekula a hialuronsav, mely glükuronsav és N-acetil-glükózamin heterodimer polimerje. Erről a molekuláról kimutatták, hogy nagy szerepe van pl. a sebek gyógyulási folyamatában, melyet a Zn(II)-ionnal együtt hatékonyan segít elő. A hialuronsav Zn(II)-komplexét emiatt az orvosi gyakorlatban is alkalmazzák.

3.19. ábra: Néhány, a szervezetben előforduló hidroxikarbonsav szerkezeti képlete.

- Rajzolja fel az aminosavak általános szerkezeti képletét (semleges és ikerionos formában)! Milyen formában vannak jelen az aminosavak a fiziológiás pH-tartományban és miért?

-Csoportosítsa az aminosavakat az oldalláncok alapján, és szemléltesse egy-egy példával!

- Milyen fémion megkötésére alkalmas donorcsoportok vannak/lehetnek jelen az aminosavakban, ill. az oligopeptidekben?

- Milyen eltérések figyelhetők meg a fehérjék és a fehérje alkotó monomerek komplexképző sajátságaiban?

- Adja meg két olyan ligandum nevét és szerkezeti képletét, amely nagy szelektivitással köti a fémionokat! Nevezze meg az adott szerkezet esetén a nagy stabilitással kötődő fémiont!

- Milyen alkotók épitik fel a nukleozidokat, nukleotidokat és a nukleinsavakat?

- A fenti szöveg alapján mutasson be három példát olyan fémion-ligandum komplexre, amelyek szerepet játszanak a biológiai rendszerekben!

Az élő szervezetekben a kémiai reakciók lejátszódását elősegítő katalizátorokat enzimeknek nevezzük. A XIX században Louis Pasteur a szénhidrátok élesztősejtekkel történő fermentációját tanulmányozva a folyamatot az élő anyag képességéhez kapcsolta. Az enzim elnevezést Wolfgang Kühne 1877-ben javasolta először a görög 'enzumé' (enzumη, jelentése 'élesztőben') szóból. 1897-ben Eduard Büchner közleményében azt olvashatjuk, hogy a fenti folyamat az élő sejteket nem tartalmazó élesztőkivonattal is lejátszódik. A reakciót elősegítő enzimet zimáz-nak nevezte el. 1907-ben Nobel díjat kapott ezen felfedezéséért. (További olvasnivaló: http://hu.wikipedia.org/wiki/Enzim; http://en.wikipedia.org/wiki/Enzyme)

Az enzimekre az élő szervezeteknek mindenekelőtt az alábbi okokból van szüksége:

(i)A nem katalizált reakciók igen lassúak az élő szervezetekben uralkodó körülmények (hőmérséklet, nyomás, koncentráció stb.) között. A 4.1. táblázat néhány biokémiai reakció spontán (nem katalizált) lejátszódásának sebességi állandóját, valamint a kiindulási anyag fél-élettartamát adja meg. Jól látszik, hogy egyes reakciók lejátszódása csak a geológiai időskálán válik mérhetővé.

(ii)Az enzimek, mint általában a katalizátorok, csak a reakciók sebességét képesek megnövelni, de energetikailag kedvezőtlen folyamat lejátszódását, önmagukban, nem tudják előidézni. Egy endoterm reakció csak akkor játszódhat le enzimek segítségével, ha a szükséges energiát egy energiában gazdag molekula párhuzamos reakciója fedezi, s ezzel a két folyamat együttesen energetikailag kedvezővé válik. Legtöbbször nagyenergiájú foszforsav-észterek hidrolízise szolgáltatja a szükséges energiát. Ezek közül is az ATP hidrolízise tekinthető a legfontosabb csatolt reakciónak.

4.1. táblázat: Néhány biokémiai reakció sebességi állandója, valamint a kiindulási anyagok fél-élettartama katalizátormentes környezetben (pH = 7, t = 25 C).

(ii)A biológiai rendszerek szabályozott működéséhez nagyfokú specifikusságra van szükség, amit csak a bonyolult összetételű enzimek révén valósítható meg. Egyes enzimek bizonyos vegyületcsaládokat alakítanak át, mások csak egyetlen vegyületet. Az átalakítandó anyagra (szubsztrát) vonatkozó szelektivitás mellett említést érdemel az enzimek enantioszelektivitása is, azaz az enzimatikus reakcióban csak egy jól meghatározott enantiomer alakulhat át vagy képződhet.

(iii)A biokémiai folyamatoknak mellékreakcióktól menteseknek kell lenniük, hiszen azok egyrészt a tápanyagok felhasználásának hatékonyságát csökkentenék, másrészt a jelentős mennyiségben képződő (esetleg mérgező) melléktermékek lebontása és kiválasztása további energiabefektetést igényelne.

Mivel minden reakció egyensúlyra vezet, és az enzimek csak az egyensúly beállását gyorsítják meg, de azt nem tolják el, elvben az enzimek az oda és visszairányú reakciót is katalizálni képesek. Azonban a reakciók nagy részénél az egyensúly jelentősen eltolódik valamelyik irányba. Ezért a valóságban csak néhány enzimnél figyelhetünk meg reverzibilis működést.

Ma már több ezer enzimet ismerünk, melyek túlnyomó része fehérje. Léteznek olyan RNS molekulák is melyek képesek kémiai reakciók katalízisére. Ezeket ribozimoknak nevezzük (ld. 12. fejezet). A fehérje alapú enzimek szisztematikus elnevezése két részből áll, elsőként a szubsztrát (az enzim segítségével átalakuló vegyület) neve, majd a katalizált reakció típusa szerepel (utóbbi tradicionális okokból „áz” végződéssel), pl. ribonukleotid reduktáz. Ez alól csak néhány, a proteinek hasítását végző, már régóta ismert enzim (pl. pepszin, tripszin) jelent kivételt. Az enzimeket hat nagyobb osztályba soroljuk 4.2. táblázat), melyek mindegyike alosztályokra s ezek további csoportokra bonthatóak. Ezen osztályozás alapján az egyes enzimeket egy négy tagból álló EC (Enzyme Commission) számmal jelöljük, ahol az első tag az osztályt, a második az alosztályt, a harmadik a csoportot, míg a negyedik magát az enzimet jelöli. (Részletesen lásd: http://www.expasy.org/enzyme/)

4.2. táblázat: Az enzimek osztályozása.

Számos enzim csak nem fehérje jellegű segédanyagok jelenlétében képes betölteni biológiai funkcióját, melyek lehetnek fémionok vagy szerves molekulák, melyek további csoportosítása alapvetően a fehérjelánchoz való kötődésük erőssége alapján lehetséges. Prosztetikus csoportnak nevezzük azokat a segédanyagokat, melyek a fehérjelánchoz erősen kötődnek (pl. izolálás és tisztítás után is a fehérjéhez kötve maradnak), míg a gyengébben kötődő szerves molekulák a koenzimek. A koenzimek kis molekulatömegű vegyületek, gyakran vitaminok, ill. vitaminszármazékok. Néhány esetben önmaguk is képesek katalizátorként viselkedni, azonban hatásfokuk sok nagyságrenddel megnő a megfelelő enzim jelenlétében. Ennek ellenére elnevezésük megtévesztő, minthogy döntő többségük sztöichiometrikus mennyiségben szükséges az adott reakció lejátszódásához. Gyakran a szubsztráthoz hasonló módon kötődnek meg a fehérjén, a reakció lejátszódása után pedig megváltozott formában szakadnak le arról. Szerepük általában valamilyen atom vagy atomcsoport biztosítása a katalitikus reakció számára (4.3. táblázat). Ezért helyesebb koszubsztrátnak nevezni őket. Ugyanakkor, a szubsztrátoktól élesen megkülönbözteti őket az a sajátságuk, hogy az adott enzimről leszakadva rövid időn belül eredeti formájukba alakulnak vissza, más enzimek segítségével.

4.3. táblázat: Néhány prosztetikus csoport és koenzim, ill. ezek szerepe.

A fémionok az enzimek működése során jelentős szerepet kapnak. Az enzimek kb. 30 %-ának működéséhez szükséges valamilyen fémion, melyeket kofaktoroknak nevezünk. Magát az enzimet metalloenzimnek, ha erősen kötött fémiont tartalmaz, míg fémion által aktiváltenzimnek, ha működéséhez gyengébben kötött fémion(ok)ra van szüksége. A ma ismert ribozimok legnagyobb része is fémionok segítségével fejti ki hatását.

Az élet mai formáinál jól ismert a genetikai információ tárolására szolgáló DNS, az információ átadását végző RNS, ill. az előbbiek szintéziséért, átalakításáért és lebontásáért felelős fehérje alapú enzimek egymásra utaltsága. Ebből fakadóan, sokáig e létfontosságú makromolekulák párhuzamos fejlődése volt a biológia evolúció egyetlen elképzelhető forgatókönyve. A már említett ribozimok (katalitikus sajátsággal bíró RNS molekulák) felfedezése új lehetőséget szolgáltatott a földi élet korai szakaszának magyarázatára. E hipotézis szerint a mai fehérje nukleinsav alapú életet megelőzte egy „RNS világ”. Ennek bizonyítékaként tekinthető az a tény, hogy a ma ismert koenzimek, prosztetikus csoportok jelentős része nukleotid-származék (4.3. táblázat), és hogy az aminosavak összekapcsolása fehérjékké ma is RNS segítségével történik a riboszómában. Azonban a legkisebb ribozimok is túlságosan bonyolultak ahhoz, hogy szerepet játszhassanak az élet első formáinak kialakulása körüli időkben.

A kb. 4 milliárd éve kialakult óceánok vizében az akkor rendelkezésre álló egyszerű molekulákból (H₂, CH₄, NH₃, H₂O, H₂S stb.), a Nap erős ultraibolya sugárzásának hatására, viszonylag rövid idő (50-100 millió év) alatt jelentős mennyiségű egyéb kisebb vegyület (pl. H₂CO, HCN) halmozódott fel. E vegyületek, polimerizációra való hajlamuk révén, már magukban hordozták a nagyobb molekulák kialakulásának lehetőségét. Azonban, már a prebiotikus korban is csak katalizátorok segítségével képzelhető el a nagyobb (M_r = 50-150) vegyületek kialakulása. Az első katalizátorok, minden bizonnyal, szervetlen vegyületek, pl. szilikátásványok, ill. a vízben oldott formában jelenlévő fémionok voltak. Számos kísérlet bizonyítja, hogy a fenti anyagokból kiindulva, ultraibolya sugárzás hatására, vagy fémionok jelenlétében, aminosavak, cukrok, ill. nukleozid bázisok képződnek (4.1.a ábra). A fémionok alapvető szerepe az élet kialakulásához fontos vegyületek képződésében a 4.1.b ábrán is látható: pirrolból és formaldehidből, laboratóriumi körülmények között, porfiringyűrű képződik kétértékű fémionok (pl. Zn(II)) jelenlétében. A fémionoknak a fenti reakciókban betöltött irányító szerepét templáthatásnak nevezzük. A fémion koordinációs szférájának szimmetriája a reakció szempontjából geometriailag kedvezően helyezi el a ligandumokat. Hasonlóan fontos, hogy a fémion Lewis-sav jellege (elektronszívó sajátsága) miatt, a ligandum elektronszerkezete jelentősen megváltozik, szerencsés esetben a ligandum aktiválódik, ami szintén a reakció lejátszódását segíti elő.

4.1. ábra: Példák templátreakciókra. Az a ábrán az egyszerűség kedvéért nem törekedtünk a reakcióegyenletek sztöchiometriájának rendezésére.

Valószínű, hogy a fent említett templáthatáshoz hasonló jelenség irányította a nagyobb molekulák, oligomerek kialakulását. A különböző szilikátásványok polimer szerkezete egyfajta sablont biztosított több monomer egység egyidejű megkötődéséhez, és a monomer egységek elektronszerkezetének kedvező megváltoztatása révén, a reakció lejátszódását eredményezhették. Ugyanakkor, a királis szilikátásványok magyarázatot jelenthetnek a homokiralitás kialakulására is. A mai enzimek kialakulásának egyik lehetőséget a továbbiakban az jelenthette, hogy az egyre nagyobb koncentrációban kialakuló nukleozid-oligomerek átvették a templát szerepét („RNS-világ”). Erre a bázisok között kialakuló hidrogénhidas kötések kiváló lehetőséget teremthettek.

Egy másik lehetőség az aminosav-alapú biokatalizátorok szubsztrát által irányított kialakulása: a szubsztrát molekula, másodlagos kötések kialakulása révén, sablonként (templátként) szolgálhat egy specifikus katalizátor kialakulásához. E hipotézist néhány kísérleti eredmény is alátámasztja: a Trp, Asn, Met és Cys aminosavakat, Fe(II)-iont és diciánamidot (kapcsolószer) tartalmazó rendszerben, csak a 4-nitrofenol-b-D-galaktopiranozid szubsztrát jelenlétében képződik jelentős mennyiségű Fe(II) Cys-Cys komplex, amely felelős a szubsztrát hidrolíziséért is.

Az enzimek a katalizált reakciók sebességét 6-18 nagyságrenddel képesek felgyorsítani. E rendkívüli hatékonyság molekuláris szintű magyarázata még nem született meg. Számos elmélet került kidolgozásra, melyek közül az első hipotézist, az ún. kulcs-zár modellt, Emil Fischer állította fel a XIX. század végén. Eszerint, az enzimek szelektivitására az enzim és a szubsztrát komplementer szerkezete ad magyarázatot. A megkötődés során nem változik sem az enzim, sem a szubsztrát szerkezete (4.3.a. ábra).

Ugyanakkor, az elmúlt évtizedek szerkezetvizsgálati eredményei a fehérjék dinamikus szerkezetére utalnak. Ez azt jelenti, hogy határozott konformációs különbség mutatkozik a szabad, ill. a szubsztrátot megkötő enzim szerkezetében, amit már enzim-szubsztrát komplexek kristályszerkezeteivel is alátámasztottak (4.2. ábra). A szubsztrát megkötődése megváltoztathatja a kötőhely és az azt körülvevő csoportok között kialakuló másodrendű kötéseket, vagy pl. leszoríthatja a kötőhelyen megtapadó vízmolekulákat. A fentiek miatt 1958-ban, a kulcs-zár modell továbbfejlesztéseként, D. E. Koshland bevezette az indukált illeszkedés hipotézisét, mely szerint, a szubsztrátot már megkötött enzim kötőhelye valóban komplementer viszonyban áll a szubsztrát szerkezetével, de a szabad enzim nem. A merevnek feltételezett szerkezetű szubsztrát megkötése során, tehát, az enzim konformációs változást szenved (4.3.b. ábra).

4.2. ábra: Az EcoRV nevű restrikciós endonukleáz enzim kristályszerkezete a DNS szubsztrát (balra) távol-, ill. (jobbra) jelenlétében (Cell. Mol. Life Sci. 62 (2005) 685 707).

Bár az enzimek nagyfokú specifikussága a fentiek alapján értelmezhetővé válik, nem kapunk magyarázatot az enzimatikus reakciók mechanizmusára.

4.3. ábra: Az enzim-szubsztrát kölcsönhatás modelljei. Az ES komplex kialakulása során:

az enzim és a szubsztrát szerkezete is változatlan (kulcs-zár modell) (a); csak az enzim szerkezete változik (Indukált illeszkedés: hipotézis) (b); az enzim és a szubsztrát szerkezete is megváltozik (a szubsztrát az átmeneti állapotba kerül) (c).

H. Eyring szerint minden kémiai reakció egy, a reaktánsok és a termék(ek) közötti instabil köztitermék képződése révén valósul meg. A kiindulási és e köztitermékhez tartozó átmeneti állapot energiakülönbségét nevezzük aktiválási energiának. A katalizátorok az átmeneti állapot stabilizálása révén képesek megnövelni egy reakció sebességét az aktiválási energia csökkenése miatt. A kezdeti és végállapot energiakülönbsége, valamint a teljes reakcióra vonatkozó szabadenergia változás a katalizált, ill. nem-katalizált folyamat esetén azonos. Általánosságban a következő séma írható fel egy A+B folyamatra a katalizátor (K) távol-, ill. jelenlétében (4.1. Séma).

Katalizátor jelenlétében, a termékké alakulás (második lépés) valamivel lassabb, de a teljes reakció mégis jóval gyorsabb, mint a nem-katalizált reakció.

Polányi Mihály már 1921-ben felismerte, hogy egy katalizátor erősebben képes megkötni a szubsztrátot, ha az átmeneti állapotra jellemző szerkezet irányába torzul. Linus Pauling szerint, ha egy potenciális szubsztrát enzimhez kötődése során viszonylag stabilis átmeneti állapotot alakul ki (ami nem feltétlenül jelent szerkezeti torzulást), akkor azt az enzim gyorsan továbbalakítja (4.3.c. ábra). Ezt támasztja alá számos enzim inhibitorának vizsgálata. A kulcs-zár, ill. az indukált illeszkedés hipotézisek alapján kifejlesztett, a szubsztráthoz hasonló molekuláknál jóval hatékonyabb és specifikusabb inhibitorok voltak azok, melyek az átmeneti állapot szerkezetével mutattak rokonságot (például a rákellenes hatású pentostatin nevű gyógyszer (4.4. ábra))

4.4. ábra: Az adenozin deamináz sematikus működési mechanizmusa (fent), valamint az enzim egyik rendkívül hatékony inhibitorának (pentostatin) szerkezete (lent).

Az enzimatikus reakciók sematikus energia-diagramján (4.5. ábra) az első lépésben a szubsztrát az enzimhez kötődik. Ennek révén apoláris, H-hidas, ill. ionos kölcsönhatások jönnek létre, melyek az átmeneti állapot kialakulását segítik elő. Az átmeneti állapotban a legtöbb esetben valószínűleg az enzim szerkezete is megváltozik az aktív központ környezetében (v.ö. indukált illeszkedés). A reakció lejátszódása után a termék időlegesen kötve marad, majd eltávozik, s az enzim visszaalakul a kiindulási állapotba.

4.5. ábra: Az enzimatikus reakciók (folytonos vonal) és a nem katalizált megfelelőjük (szaggatott vonal) sematikus energia diagramja elcsúsztatva az y-tengely mentén, a jobb áttekinthetőség kedvéért.

A 10⁸-10¹⁸-szoros sebességnövekedés eléréséhez azonban nem elegendő a fentiekben adott magyarázat. Az entatikus állapot hipotézis szerint, az enzim aktív központja entatikus (feszült, magasabb energiájú) állapotban van, ami szintén az aktiválási energia csökkenéséhez vezet. Tipikus példája az entatikus állapotban lévő enzimeknek az ún. I-es típusú réztartalmú (kék réz) fehérjékmelyek az elektronszállító fehérjék családjába tartoznak, s két szubsztrát közötti egyelektronos elektronátadást (redoxi reakciót) segítenek elő. Aktív központjukban egy rézion található, s a szubsztrátok az aktív centrumtól viszonylag távol (kb. 15 Å) kötődnek meg. A rézion erősen torzult tetraéderes szerkezetű (részletek a 7.3. fejezetben), ami sem a Cu(I) sem a Cu(II) oxidációs állapotnak nem kedvez, s ez mindkét irányban megkönnyíti az elektronátadást.

Egy másik elképzelés szerint az enzimek dinamikus szerkezete miatt az átmeneti állapot(ok)hoz tartozó aktiválási energia sem állandó, hanem mind az x-tengely (reakció koordináta) mind az y-tengely (aktiválási szabadenergia) mentén dinamikusan változik. E fluktuáló mozgás során vannak olyan pillanatok, mikor az aktiválási energia kisebb, mint az átlagérték, ami további sebességnövekedést eredményez.

Számos kísérleti eredmény igazolja, hogy nemcsak az aktiválási energiagát felett, hanem a kvantummechanikai alagút effektus révén, azon keresztül is haladhat egy kémiai reakció. Erre az anyag kettős (hullám-részecske) természete révén nyílik lehetőség. Mivel az egy részecskéhez rendelhető hullámhossz fordítottan arányos a tömeg négyzetével, a kvantummechanikai alagúteffektus csak könnyű elemi részecskék esetén (pl. elektron) lehet jelentős mely a jelenség révén akár 25-30 Å távolságot is „átugorhat” (7.4 fejezetet).

Állandó enzim és növekvő szubsztrátkoncentráció esetén a reakció kezdeti sebessége (V₀) előbb első rend szerint változik, majd fokozatosan telítésbe hajlik (a szubsztrátra nézve nulladrendűvé válik, 4.6. ábra).

4.6. ábra: Egy egyszerű enzimatikus reakció kezdeti sebességének függése a szubsztrát koncentrációjától.

A 4.6. ábrán látható hiperbolikus görbe a 4.1. általános egyenlettel írható le, ahol [S₀] a szubsztrát kezdeti koncentrációját jelöli, míg a és b egy-egy állandó. A jelenséget leíró kinetikai modellt L. Michaelis és M. Menten nevével jelölik (Michaelis-Menten kinetika). A legegyszerűbb enzimek működése a 4.2. reakcióegyenlettel írható le, azaz a termék képződése egy enzim-szubsztrát komplex (ES) kialakulásán keresztül valósul meg. Ha a reakciónak csak a kezdeti szakaszát vizsgáljuk, amikor még nagyon kevés termék (P) képződött, a k ₂ állandóval jelölt (E + P ?? ES) folyamat elhanyagolható mértékben játszódik le, a fenti egyenlet egyszerűsíthető: (4.3. egyenlet)

A Michaelis-Menten-féle kinetikai modell azt feltételezi, hogy a reakció megindulása után a stacionárius (angolul steady state) állapot igen hamar beáll. Ekkor az ES komplex kialakulásának és elbomlásának sebessége azonos: (4.4. egyenlet). Ezt az egyenletet átalakítva definiálhatjuk az ún. Michaelis-állandót (K_M; 4.5. egyenlet). Figyelembe véve, hogy [E]₀ = [E] + [ES], a 4.5. egyenlet átalakítható: 4.6. egyenlet. Ebből [ES]-t kifejezve a 4.7. egyenletet kapjuk, majd ezt a V₀ = k₂[ES] sebességi egyenletbe behelyettesítve kapjuk az ún. Michaelis-Menten 4.8. egyenletet. Összehasonlítva ez utóbbi és a 4.1. egyenletet, megkaphatjuk a és b állandók jelentését: a = k₂[E]₀ = V_max, ill. b = K_M, ahol V_max az adott enzimkoncentrációnál elérhető legnagyobb reakciósebesség (ekkor minden enzim molekulához kötődik egy szubsztrát, [E]₀ = [ES]). A 4.8. egyenlettel leírható reakciók döntő többségénél maga a kémiai átalakulás a sebességmeghatározó lépés, azaz k₁, k_-1 >> k₂. Így a Michaelis állandó (K_M) jó közelítéssel az ES komplex disszociációs állandójának is tekinthető (minél kisebb K_M értéke, annál erősebb az enzim-szubsztrát kölcsönhatás). Ugyanakkor a 4.8. egyenletből az is következik, hogy K_M megegyezik azzal a szubsztrát koncentrációval, ahol v₀ = V_max/2.

A Michaelis-Menten (4.8.) egyenlet csak azokra a legegyszerűbb enzimatikus folyamatokra érvényes, melyekben az enzim csak egyetlen szubsztrátot köt meg egyetlen kötőhelyén. Ez a feltétel az enzimek döntő többségénél nem teljesül. Ennek ellenére, megfelelően megválasztott körülmények között számos enzim kinetikai viselkedése sikeresen leírható vele.Az enzimek kinetikai vizsgálatánál gyakran alkalmazzák a 4.6 ábrán látható görbe ún. kettős reciprok (Lineweawer-Burk-féle) ábrázolását. A 4.8. egyenletből nyerhető a 4.9. egyenlet. 1/V-t 1/[S] függvényében ábrázolva egyenest kapunk (4.7 ábra).

4.7. ábra: A Michaelis-Menten (4.8.) egyenlet Lineweaver-Burk-féle ábrázolása.

Az enzimek aktivitását csökkentő anyagokat inhibitoroknak nevezzük. Az inhibitorok által előidézett gátlás lehet reverzibilis (az inhibitor másodrendű kölcsönhatások révén kötődik az enzimhez), vagy irreverzibilis (az inhibitor erős, kovalens kölcsönhatást alakít ki az enzimmel). A reverzibilis gátlás további típusokra osztható. Kompetitív a gátlás, ha az inhibitor a szubsztrátnak az enzimhez való kötődését gátolja meg. Ez általában két módon válik lehetségessé: (i) az inhibitor hasonló szerkezetű, mint a szubsztrát vagy az átmeneti állapot, (ii) az inhibitor az aktív központtól távol kötődik meg, de ez olyan konformáció változást idéz elő, amely meggátolja az enzim-szubsztrát komplex kialakulását. Mivel mindkét esetben egyensúlyi rendszerről van szó, a szubsztrát igen nagy koncentrációja esetén az inhibitor hatása elhanyagolhatóvá válik, így a maximális reakciósebesség (V_max) nem változik, ugyanakkor K_M az inhibitor koncentrációjának növekedésével egyre nő (4.8.a. ábra). A reverzibilis gátlás másik formája a nem-kompetitív gátlás. Ekkor az inhibitor az aktív központ működésében okoz zavarokat (pl. a katalízisben résztvevő csoporthoz, vagy metalloenzim esetén a fémionhoz kötődik), azaz a szubsztrát koncentrációjának növelése nem tudja leszorítani az inhibitort. Ekkor V_max értéke csökken, de K_M értéke nem változik (a szubsztrátkötő-hely nem módosul, ld. 4.8.b. ábra).

A reverzibilis inhibíció harmadik típusa az unkompetitív gátlás. Ekkor az inhibitor vagy az enzim-szubsztrát komplexhez kötődik. Ilyenkor az inhibitor az enzim aktivitását csökkenti, azaz V_max értéke csökken, K_M-é pedig nő a gátlószer koncentrációjának növekedésével (4.8.c. ábra).

4.8. ábra: Az enzimek reverzibilis gátlásának módjai.

A fentiek közül a biológiai rendszerekben az ún. allosztérikus gátlásnak van legjelentősebb szerepe, mely lehet kompetitív (az inhibitor az aktív centrumtól távolabb kötődik), vagy nem-kompetitív. Hasonló okokra vezethető vissza az allosztérikus aktiválás is. Ez a két, általában az enzim konformációjának megváltozását eredményező, mechanizmus az enzimatikus folyamatok szabályozásának egyik legfontosabb eszköze. Az enzimműködés reverzibilis biológiai szabályzásának még számos további módját ismerjük. Ilyen pl. a termékinhibíció, amely a termék felhalmozódásakor leállítja az enzim működését (feedback mechanizmus).

Az irreverzibilis gátlásra példa az enzimek szerin, treonin vagy tirozin egységeinek (OH-csoportjainak) foszforilációja-defoszforilációja. Az így kialakuló foszforsavmonoészterek két negatív töltésük révén erős ionos vagy H-hidas kölcsönhatásra képesek, melyek jelentősen befolyásolhatják az enzim konformációját, aktiválva vagy dezaktiválva azt. A protein-kinázok alakítják ki, míg a protein-foszfatázok hidrolizálják el a foszforsavmonoészter-csoportokat. Több száz olyan enzim ismert, melyek szabályozása ilyen módon történik.

- Mi annak a feltétele, hogy egy kémiai reakció spontán módon lejátszódjon?

- Mi a katalizátor, és mi a szerepe a kémiai folyamatokban?

- Mit nevezünk enzimnek?

- Keresse ki az EC számmal megjelölt enzimeket és olvassa el leírásukat

- Mi a templáthatás!

- Milyen elméletek születtek az enzim-szubsztrát kölcsönhatás modellezésére?

- Mi az entatikus állapot?

- Hogyan írná fel a Michaelis és Menten nevével fémjelzett kinetikai egyenletet?

- Az enzim inhibíció milyen típusait ismerte meg?

Érdekes, hogy bár a periódusos rendszer gyakorlatilag minden eleme előfordul az élő szervezetekben (lásd a 2.1. táblázatot), csak viszonylag keveset hasznosítanak ezekből. Így a 2.1. fejezetben felsorolt létfontosságú elemek, a Mo kivételével a periódusos rendszer első 30 eleméből kerülnek ki. Miért ezeket választotta ki a természet és miért nem másokat, holott szervetlen kémiai ismereteink alapján mások potenciális értéke nagyobbnak tűnik. Például kobalt-tartalmú légzési fehérjék nem alakultak ki, holott tudjuk, hogy egyes kobalt vegyületek hajlamosak az O₂ reverzibilis megkötésére. Amint azt a 2.1. fejezetben tárgyaltuk az egyik tényező, amely megszabta, hogy az élő szervezetek mennyire hasznosították az egyes elemeket az a relatív gyakoriságuk, de még inkább a biohozzáférhetőségük volt. A vas a leggyakoribb átmenetifém a földkéregben és a redukáló atmoszféra idején a tengervízben is lényegesen nagyobb lehetett a koncentrációja, mint ma, amikor az oxidáló atmoszférában létező Fe(OH)₃ rossz oldékonysága miatt a koncentrációja igen kicsiny. Így nem meglepő, hogy nagyon sok szervezet számára létfontosságú lett. Az sem meglepő, hogy az atmoszféra oxidálóvá válásával, amikor biohozzáférhetősége jelentősen lecsökkent, a különböző szervezetek igen változatos mechanizmusokat alakítottak ki (lásd később) a vasszükségletük biztosítására. A másik tényező, amit figyelembe kell venni az, hogy a fémtartalmú fehérjék aktív centrumát kinetikailag labilis fémionok, termodinamikailag stabilis egységei alkotják. Az enzimben kötött fémion általában veszít labilitásából, renyhévé válik, így a fémion gyors beépülése az enzim aktív centrumába és kilépése onnan általában gátolt, de a szubsztrát viszonylag gyors asszociálódása, ill. disszociációja megmarad. Az olyan fémionok, mint a Cr(III) vagy a Co(III), melyekről tudjuk, hogy ligandumcsere folyamataikban nagyon inertek, nem hasznosulhattak. Hasonlóképpen, az átmenetifémek második és harmadik sorában található fémionok lényegesen inertebb voltuk miatt gyakorlatilag nem játszanak szerepet a bioszervetlen kémiában, holott a kémiai ipar nagyon sokat alkalmaz közülük homogén vagy heterogén katalizátorként.

Hogyan tudják a biológiai rendszerek a számukra fontos elemeket a környezetükből, a szilárd ásványokból felvenni. A tengeri élőlények esetén is a biohozzáférhetőséget alapvetően a szilárd ásványokból való kioldódás mértéke határozza meg. Az olyan ionok számára, mint a Na⁺, a Mg²⁺ vagy a Zn²⁺, az oldhatóság a szükséges mM koncentrációban nem jelent problémát. Más elemek, mint a vas, különösen +3 oxidációs állapotban azonban semleges pH-n nagyon rosszul oldódnak. Valamely elem felvételének módját jelentős mértékben meghatározza, hogy milyen természetű az a környezet, amelyet elhagy, és amelybe kerül. A környezet fontos jellemzői a pH, az ionerősség, a redoxipotenciál és a kémiai összetétel. Ezek a jellemzők a biológiai rendszerekben jelentős eltéréseket mutatnak. A sejten belül a pH 7 körüli, az ionerősség kb. 0,3 M, a redoxipotenciál 0,0-0,4 V között változhat, a sejten kívül a redoxipotenciál lényegesen nagyobb, akár a +0,8 V értéket is elérheti. Speciális testnedvekben, pl. az emésztőnedvekben a pH értéke igen kicsi is lehet (pH 1 és 3 közötti). A kémiai forma, amelyben egy adott elem előfordul (speciáció) általában meghatározó a szervezet válaszát tekintve. A felvétel útja, mértéke és sebessége, a metabolizmus, a tárolás és a kiválasztás nagymértékben különbözhet. A szervetlen vegyületek felszívódása alapvetően az oldhatóságuktól, annak termodinamikai és kinetikai viszonyaitól függ. Az emberi szervezet, pl. 70-80 %-ban képes a molibdátot MoO₄² a tápanyagokból felvenni, ugyanakkor a lassan kölcsönható Cu(I) felvétele igen kismértékű (? 1%).

Ha egy adott fémre egy adott szervezetnek szüksége van, akkor azt energiafelhasználás árán is de felhalmozza sejtjeiben. Például a tengeri zsákállatkák vanadocitái 7 nagyságrenddel nagyobb koncentrációban tartalmazzák a vanádiumot, mint a környező tengervíz, amelyben élnek, nyilván indokolt a vanádiumnak ez az óriási mértékű felhalmozódása. A feltételezések szerint vanádium a tunicitákban redoxi folyamatok moderátora, bár pontos szerepe, az e téren ma is folyó jelentős kutatások ellenére, nem ismeretes. Hasonlóképpen és sajnálatosan, egyes kagylófélék a toxikus kadmiumot vagy a higanyt dúsítják fel magukban. A higanyvegyületek nagy részének rendkívüli toxicitása a világ előtt is világossá vált, amikor jelentős mennyiségű higanytartalmú katalizátor hulladék szennyezte el Japánban a Minamata öblöt 1948 és 1960 között, és a higannyal szennyezett tengeri kagylók fogyasztása több ezer ember halálát okozta (15.2. fejezet). Az 5.1. táblázatban azt mutatjuk be, hogy egyes elemeket mely növény- és állatfajták dúsítanak fel kiemelkedő mértékben.

5.1. táblázat: Egyes elemeket leginkább feldúsító növény- és állatfajták.

A fontos elemek felvételéhez az élő szervezetek akár a kémiai környezetük megváltoztatására is képesek, bizonyos anyagok, pl. komplexképzőszerek kibocsátásával változtatva meg az aktuális redoxipotenciált és ezen keresztül az oldhatóságot. Például, vannak olyan baktériumok, melyek a vassal igen stabilis komplexet képező sziderofór típusú vegyületek révén a számukra fontos vasat még a rozsdamentes acél felületéről is képesek felvenni, vagy egyes növények pirokatechin származékokat (pl. kávésav, klorogénsav) bocsátanak ki gyökerükön keresztül, melyek képesek a rosszul oldódó Fe(III)-at a lényegesen jobban oldódó Fe(II)-vé redukálni, elősegítve így a vas felvételét.

A fentiek alapján is nyilvánvaló, hogy a nyomelemek hasznosulását lehetővé folyamatok minden elem esetén egy igen bonyolult rendszert alkotnak, amit az elem kémiai jellemzői és biokémiai funkciói egyaránt alapvetően befolyásolnak. Ezek a folyamatok egyaránt tartalmazzák a felszívódás, szállítás (beleértve a membránon keresztüli transzportot) és tárolás megvalósulását. A legtöbb elem esetén ezek a folyamatok még alig (vagy részben) ismertek, ezért a továbbiakban a két, ebből a szempontból legjobban megismert elem a vas és réz szállításának és tárolásának formáival és az azokat befolyásoló tényezőkkel foglalkozunk. Az egyéb nyomelemekkel kapcsolatban a szállítás/tárolás egyes lényegesebb pontjait az M3 mellékletben érintjük.

Az összetett szervezetekben, mint az emberben is a vas szelektív szállítása kitüntetett fontosságú. A vas felvétele a táplálékokból +2 oxidációs formában hatékony, például az aszkorbát (C-vitamin) fokozza a vas gyors felszívódását, míg a nem redukáló tulajdonságú, de a Fe(III)-mal erős kölcsönhatásra képes foszfát gátolja ezt a folyamatot. Alacsonyabbrendű szervezetekben a vas szállítása és tárolása ugyanazon anyagok, a kis molekulatömegű sziderofórok révén történik, míg magasabbrendű szervezetekben a két funkció szétválik és e feladatokat nagy molekulatömegű fehérjék a transzferrin (szállítás), ill. a ferritin és hemosziderin (tárolás) látják el. Ilyen transzport- és tárolórendszer azonban nem csak az emlősökben található. A vastároló fehérjét a fitoferritint a növényekben, míg a hemtartalmú bakterioferritint egyes baktériumokban mutatták ki.

A réz felszívódása (naponta 3-5 mg) a bélből döntően aktív folyamat és Cu-ATP-áz enzimek közreműködésével történik (15.1. fejezet). A réz felszívódását aminosavak elősegítik. A bélfalon a réz részben valószínűleg aminosavkomplexekben kötve jut át. A vérbe került réz kötésében két fehérje az albumin és a ceruloplazmin vesznek részt. Az albumin egy ?70 kDa molekulatömegű fehérje, melyet diszulfidkötések stabilizálnak. A rezet az N terminális vég X-X-His szekvenciája köti (NH₂, N, N, N_imidazol) koordinációval. A fehérjék oligopeptid-szerű fémion-kötése igen ritka, pl. az albumin a cinket, melyet ugyancsak szállítani képes, már fehérje-szerűen az oldallánc donorcsoportokon keresztül köti (3. fejezet). Az albuminhoz kötött réz mobilis. A keringési rendszer réztartalmának meghatározó része azonban a ceruloplazminban kötve található. Ez alapján sokáig úgy vélték, hogy a ceruloplazmin az elsődleges rézszállító fehérje. A ceruloplazmin egy ?150 kDa molekulatömegű fehérje és kékréz oxidázok közé sorolható (lásd 10.1.2. fejezet) és már inertebb kötésmódban tartalmazza a rezet. A réz anyagcsere zavaraiból addódó jól ismert betegségek (a Wilson-kór és Menkes-kór, lásd 15.1. fejezet) a ceruloplazminszint lecsökkent szintjével párosulnak. Csökkent ceruloplazmin termelés esetén a réz elsősorban a májban és az agyszövetekben halmozódik fel (Wilson-kór), ill. egyes fontos rézrtartalmú enzimek hiányához vezet (Menkes-kór), és mindkettő végzetes következményekkel járhat. Az újabban megismert aceruloplazminémia nevű betegség azonban a ceruloplazmin teljes hiányát jelenti, de nem eredményezi a réz anyagcseréjének zavarát. Ezen adatok egyértelművé tették, hogy az elsődleges rézszállító fehérje az albumin, míg a ceruloplazmin, mint ferrooxidáz alapvető szerepet játszik a vas anyagcserében. A réz hiánya is okozhat tehát vérszegénységet, mivel a réz befolyásolja a vas anyagcserét. Réz szükséges a vörös vérsejtek éréséhez, a vasnak a hembe való beépüléséhez és a vas mobilizásálásához a ferritinből a transzferrinbe, mivel katalizálja a Fe(III)/Fe(II) redoxi átalakulást, ami szükséges a vasnak a szállító/tároló/funkcionális fehérjék közötti mozgásához (5.2. és 15.1. fejezetek).

A réz szállításával kapcsolatban említést kell még tenni azokról a fehérjékről, amelyek a fémionnak a membránon keresztüli transzportját biztosítják. Ezeket összefoglaló néven „metallochaperon”-oknak nevezik és elsődleges szerepük, hogy a fémionokat specifikus kötő/felvevő helyekre eljutassák. Ezek egyrészt lehetővé teszi a fémionnak a membránon keresztüli transzportját, másrészt biztosítják, hogy az igen reaktív szabad fémionok sejten belüli koncentrációja rendkívül alacsony legyen. A rézhiánnyal/fölösleggel összefüggő megbetegedések valódi okát is ilyen specifikus réztranszport fehérjék hiánya/mutációja (ATP7a and ATP7b) jelenti.

A cink transzportfolyamatai az új eredmények tekintetében hasonlatosnak tünnek a rézhez. A keringési rendszeren belül mindkét fémion szállításában az albumin szerepe meghatározó, míg a sejten belül specifikus cinktranszport fehérjék jönnek számításba. Ugyancsak számottevő hasonlatosság látszik a két fémion tárolásában is, amelyben a metallothionein nevű fehérjéknek/polipeptideknek van kitüntetett szerepe.

A metallotioneinek az emberben, állatokban és növényekben (fitokelatinok) is megtalálható viszonylag kis molekulatömegű (~ 60 aminosav, 6-7 kDa) fehérjék, melyek klaszter szerkezetben képesek szoft fémionokat megkötni. Mivel ezek igen gazdagok Cys aminosavban (~ 33%), szoft fémionok, mint a Cu(I), Zn(II), Cd(II), Hg₂(I), Hg(II), Ag(I) és Co(II) szelektív kötőfehérjéi. Kén- és fémtartalmuk igen nagy, 10% körüli értéket ér el. Az izolálási helytől függően eltérő aminosav összetételűek lehetnek és fémtartalmuk is változó. Szerkezeti érdekességüket a nyúlmáj metallothionein, ill. annak Zn(II)-komplexének példáján mutajuk be. Az 5.3. ábra a polipeptid aminosav szekvenciáját mutatja, kiemelvén a 62 aminosavból összesen 20 ciszteint. A ciszteinek mindegyik kénatomjai két klasztert hoznak létre a kapcsolódó Zn(II)-ionokkal, Zn₃S₉ és Zn₄S₁₁ összetételben. Ezen klaszterek szerkezetét az 5.4. ábra szemlélteti, míg az 5.5. ábra a teljes molekula képét vázolja fel.

5.3. ábra: A nyúlmáj metallothionein aminosav szekvenciája.

5.4. ábra: A nyúlmáj metallothionein Zn3S9 és Zn4S11 klasztereinek kötésmódja (Zn(II): zöld, Cys-S: sárga).

5.5. ábra: A nyúlmáj metallothionein teljes szerkezete jelezvén a Zn3S9 és Zn4S11 klasztereket.

A metallotioneinek szokatlanul reaktívak; nagy termodinamikai stabilitásuk nagy kinetikai labilitással párosul. A fémionok stabilitási sorrendje a szervetlen tiolátokénak megfelelően: Hg(II) > Ag(I) > Cu(I) ~ Cd(II) > Zn(II). A könnyű ligandumcsere reakciók mind az oldatban levő fémionokkal szemben, mind a más metallotionein klaszterekben kötött fémionokkal szemben érvényesül.

A metallotioneinek feltehetően többfunkciós fehérjék, és alapfunkciójuk függ az élő szervezettől és a fehérje variánstól:

(1) Mint fémtárló molekulák elsősorban a réz és a cink homeosztázisában (fémionháztartásában) vesznek részt,

(2) Mint méregtelenítő molekulák a nem kívánatos szoft fémionok (mint a Cd(II), a Hg(II), az Ag(I) és az Au(I)) eltávolításában aktívak (15.1. fejezet),

(3) Mint tiolátokban gazdag fehérjék képesek az erélyes oxidáló hatású gyökök, pl. az OH megkötésére és redoxi reakció révén való semlegesítésére, különösen a központi idegrendszerben.

(4) Feltételezhető, hogy a sejtek redoxi állapotának szabályozásában és energia metabolizmusában is szerepet játszanak.

A megkötődő fémionok képesek a metallotioneinek képződését indukálni, megfelelő specifikus gének aktiválása révén. Ez arra utal, hogy a metallotioneinek bioszintézise egy szigorúan szabályozott rendszer részét képezi, melynek feladata e fémionok szintjének szabályozása.

Az élő szervezetek ásványokat szintetizálhatnak egyszerű vegyületekből különböző célokból. A biológiai ásványképződés elsősorban abban tér el a geológiai ásványképződéstől, hogy az ásvány morfológiáját (kristályszerkezetét) biológiai mátrixanyagok erősen szabályozzák. Az élő szervezetben lezajló biológiai ásványképződést bioásvány-képződésnek vagy biomineralizációnak nevezzük.

Alapvető követelmény a bioásványokkal szemben a kis oldhatóságuk a normál fiziológiás körülmények között. A bioásványok tiszta vagy vegyes fázisokként is megjelenhetnek, amorf vagy mikrokristályos formában, tisztán vagy szerves polimer mátrix anyagokkal (fehérjék, lipidek, poliszacharidok) együtt. Képződhetnek intracellulárisan, a sejtek felületén vagy a sejten kívüli térben. Ezek az ásványi lerakódások részt vesznek a sejtek kation- és anionkoncentrációjának szabályozásában, így a szervezet homeosztázisának a fenntartásában is.

- Sorolja fel a fémionok felszívódását befolyásoló főbb tényezőket! Milyen különbségeket említene a vas és cink felvételét meghatárözó folyamatokban?

- Hasonlítsa össze a transzferrin és ferritin szerkezeti jellemzőit! Mivel magyarázza a különbségeket?

- Hasonlítsa össze a vas és réz tárolását/szállítását megvalósító mechanizmusokat! Értelmezze a különbségeket!

- Milyen fontos szerkezeti jellemzőket emelne ki a metallothioneinek esetén?

- Milyen összefüggéseket lát a metallothioneinek kémiai jellemzői és biológiai funkciói között?

- Mely elemek és milyen vegyületek formájában vesznek részt a vázképzésben?

- Mit nevezünk biomineralizációnak?

- A fent szöveg alapján magyarázza meg, hogy

- miért káros a fogakra és a csontokra a nagyon sok savas üdítőital fogyasztása?

- miért lehet veszélyes a tengerekben élő csigák, kagylók számára, ha a tengervíz oldott szén-dioxid tartalma jelentősen megnő?

Az alkáli- és alkáliföldfémionok között meglévő koordinációs kémiai eltérések azt eredményezik, hogy utóbbiak sokkal stabilisabb komplexeket képeznek pl. a többfogú, negatív töltésű donorcsoportokat (pl. karboxilát) tartalmazó ligandumokkal. A Mg²⁺-ion kicsi, s csak a szabályos oktaéderes környezetet részesíti előnyben, míg a Ca²⁺ nagyobb és könnyen alakít ki szabálytalan, fluktuáló koordinációs szférát, akár hat-nyolc donoratom részvételével is. Ez az eltérés akár 4-5 nagyságrend stabilitás különbséget is eredményezhet egy adott kötőhely (ligandum) esetén, ami már teljes szelektivitást tesz lehetővé.

A Na⁺ és K⁺ azonban még az imént tárgyalt két fémionnál is nagyobb hasonlóságot mutat. Sokáig úgy tartották, hogy nem képesek koordinációs kémiai kötés kialakítására. A 60-as évek végén ismerték fel, hogy az ún. koronaéterek (6.1. ábra) az alkálifémionok erős és szelektív megkötésére képesek (C.J. Pedersen, Nobel-díj 1987-ben).

6.1. ábra: Az alkálifémionok szelektív megkötésére alkalmas koronaéterek (felső sor), ill. kriptandok (alsó sor). Zárójelben az előnyben részesített fémion.

Ezek a konformációjukat könnyen változtató (flexibilis) makrociklusos poliéterek különböző méretű háromdimenziós „üregek” kialakítására képesek. A kialakuló üreg mérete határozza meg, hogy melyik alkálifémionnal alakítja ki a legstabilabb komplex vegyületet (6.2. ábra).

6.2. ábra: A [12]korona-4 molekula és Li+ komplexének szerkezete.

Néhány évvel később J. M. Lehn (Nobel-díj 1987-ben) állított elő olyan makrobiciklusos polidentát ligandumokat (kriptándok, 6.1. ábra), melyek a koronaétereknél is erősebben képesek megkötni az alkálifémionokat. A nagyobb stabilitást, s így a nagyobb szelektivitást, a kriptándok speciális szerkezete eredményezi, amely a konformáció jelentősebb megváltoztatása nélkül képes teljesen körül ölelni a fémionokat. A [2,2,2]kriptand vegyület szelektivitását szemlélteti alkálifémionokra a 6.3. ábra. A vegyületek szelektivitása különböző szubsztituensek beépítésével tovább növelhető.

6.3. ábra: A [2,2,2]kriptánd alkálifémionokkal alkotott komplexének stabilitása.

A gombákból, ill. zuzmókból izolálható ciklikus oligopeptid, a valinomicin (6.4. ábra), sok hasonlóságot mutat a koronaéterekkel. Azokhoz hasonlóan ciklikus vegyület és a semleges oxigén-donoratomok ez esetben is egy fémion, a káliumion megkötésére alkalmas üreget alakítanak ki. A káliumionnal (6.4. ábra). alkotott komplex stabilitási állandója ~ 17000-szer nagyobb, mint az analóg nátrium-komplexszé. A valonimicin a gombák és zuzmók védekező anyaga, természetes antibiotikuma, ami felborítja a gazdanövényre káros baktériumok ionháztartását, így a baktériumok elpusztulnak, anélkül hogy maga a gazdanövény károsodna (ld. 6.2. fejezet).

6.4. ábra: A valinomicin és kálium-komplexének szerkezete.

A membránok elhatárolják a sejtet környezetétől, valamint a sejtalkotókat (mitokondrium, lizoszóma, Golgi-test stb.) a citoplazmától. A membrán korlátozott permeábilitása lehetőséget teremt arra, hogy az egyes anyagok membránon belüli és kívüli koncentrációja eltérhessen egymástól. A membrán alapszerkezetét az ún. membránlipidek kettősrétege alkotja, ebbe membránfehérjék ékelődnek be, melyek gyakran átnyúlnak a membrán mindkét oldalára (6.5. ábra).

6.5. ábra: A sejtmembrán sematikus szerkezete.

A sejtek, ill. a sejtalkotók működéséhez azonban jelentős anyagáram (ionok, tápanyagok, metabolitikumok) kapcsolódik, melynek membránon keresztüli transzportját többnyire magas fokon szabályozott működésű, specifikus membránfehérjék segítik elő. Kivételt képeznek ez alól az egyszerű apoláris gázok (pl. O₂, CO₂) és a kifejezetten zsíroldékony, apoláris vegyületek (pl. koleszterin) melyek transzportja az apoláris membránon keresztül a diffúzió törvényei szerint játszódik le. Azonban a poláris vegyületek (pl. monoszaharidok) és főként a töltéssel rendelkező anyagok (pl. aminosavak, fémionok) spontán átjutása a membránon jelentős mértékben gátolt, és igen lassú folyamat, melyek membránon való gyors átjutását ún. transzporterek segítik elő.

Alapvetően két membránon keresztüli szállítási mechanizmust különböztethetünk meg, a passzív, ill. az aktív transzportot, melyek megfelelnek a termodinamikai egyensúly elérését célzó (a koncentrációgradiens irányába mutató), ill. azzal ellentétes anyagáramnak. A passzív transzport történhet ionofórok, csatornaképző, ill. szállító fehérjék segítségével, míg az energia befektetést igénylő aktív transzport kizárólag pumpák (speciális szállító fehérjék) közreműködésével mehet végbe. Ezen folyamatok szemléletes ábrázolása található az alábbi linken:

http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/ecb/ecb_images/12_04_passive_active_transport.jpg

Az ionofórok kis molekulatömegű hidrofób molekulák melyek jól oldódnak a membránt alkotó lipidek kettősrétegben, és szelektív módon jelentősen megnövelik annak permeábilitását bizonyos ionok számára. Két típusukat különböztetjük meg, az ún. mobil, ill. a csatornaképző ionofórokat (6.6. ábra). A mobil ionofórok csoportjába tartoznak a vas felvétele kapcsán már említett sziderofórok (3.3.1. fejezet), valamint az előző fejezetben említett, az alkálifémionok szelektív felismerésére képes valinomicin is (6.3. ábra). Ezek közös sajátsága, hogy szelektíven megkötik, s egy hidrofób burokba zárják a töltéssel rendelkező vagy erősen poláros szállítandó anyagot, amely így könnyen átjuthat a hidrofób membrán kettősrétegén.

6.6. ábra: A mobil és csatornaképző ionofórok működésének sematikus rajza.

A csatornaképző ionofórokra példa a gramicidin A, ami két helikálisan összefonódó dodekapeptidből épül fel (6.7. ábra). Ezt a szerkezetet kívül apoláris oldalláncok veszik körül, míg belül egy poláris csatorna alakul ki. Ha két ilyen helikális dimer összekapcsolódik, akkor az így kialakuló csatorna hossza kb. azonos lesz a membrán vastagságával. E csatorna belső átmérője akkora, hogy a Na⁺- és K⁺-ionok könnyen, és mivel a folyamatot csak a diffúzió szabályozza, rendkívül gyorsan áthaladhatnak rajta, kiegyenlítve ezzel a membrán két oldala között fennálló koncentráció különbséget. Ugyanakkor a Ca²⁺-ion, amely erősebb kölcsönhatást alakít ki a csatorna belső falán található karboniloxigénekkel, blokkolja annak működését.

6.7. ábra: A membránon átnyúló gramicidin A dimer oldal és felül nézetben.

Mind a gramicidin A, mind az előző fejezetben említett valinomicin természetes antibiotikum, amely felborítja a gazdanövényt károsító baktérium Na⁺ és K⁺ háztartását, s így elpusztítja azt. Mindkét vegyületet hasonló célokra használja a humán gyógyászat is.

A csatornaképző fehérjék hasonló elven működnek, mint a gramicidin A, azonban azzal ellentétben, rendkívül szelektívek és a folyamat bonyolult szabályzását teszik lehetővé, így jóval nagyobb méretűek is. A szelektív ioncsatornákat a lipidmembránba beékelődött integráns membránfehérjék alakítják ki, oly módon, hogy a fehérjelánc több szakasza is átnyúlik a membránon, melyeket a membránon kívül elhelyezkedő hurkok kötnek össze. Az egymáshoz képest rendezetten elhelyezkedő transzmembrán szakaszok alakítják ki a membránon átnyúló csatornát (6.8. ábra). A csatornák szelektivitását alapvetően annak belső mérete biztosítja. Az ionátmérő okozta különbségeket tovább differenciálja a töltés nagysága, hiszen a töltés/ionsugár hányadosa határozza meg a hidratáció mértékét (minél nagyobb ez a hányados annál több és erősebben kötődő vízmolekula veszi körül a fémiont).

6.8. ábra: A K-csatorna felülnézetben (a), oldalnézetben (b), ill. egyetlen alegységének szerkezete (c).

Ez a viszonylag egyszerű szabályozás meglepően jó hatásfokkal működik. Az anionok, ill. kationok megkülönböztetésére a csatorna nyílásánál elhelyezkedő töltéssel bíró csoportok és az adott ion között elektrosztatikus kölcsönhatások kiválóan alkalmasak. E csatornák általában zárva vannak, a bemeneti nyílást a fehérje egy részlete elzárja. A csatornák megnyílása valamilyen inger hatására bekövetkező konformáció változás következménye. Aszerint, hogy milyen ez az inger beszélhetünk feszültségfüggő vagy receptorfüggő ioncsatornákról. Az előbbi esetben a membránpotenciál megváltozása, utóbbiaknál a megfelelő anyagnak a receptoron való megkötődése idézi elő a konformáció változást, s így a csatorna megnyílását. A receptoron megkötődő anyag is többféle lehet. Ismeretesek többek között fémionokra (pl. Ca²⁺) vagy neurotranszmitterekre (pl. acetilkolin) specifikus receptorok.

Az eddig tárgyalt mechanizmusok csak a termodinamikai egyensúly irányába mutató ionvándorlást (passzív transzport) tették lehetővé. A koncentráció gradiens ellenében végzett iontranszport (aktív transzport) csak specifikus szállító fehérjék (pumpák) segítségével történhet. Ezeket csoportosíthatjuk pl. a folyamathoz szükséges energia forrása alapján.

Példaként tekintsük a minden állati szervezetben megtalálható Na⁺-K⁺ ATPáz működését, melynek egy ciklusa során 3 Na⁺-ion kerül a sejten kívüli térbe, ahonnan két K⁺-ion jut a sejt belsejébe. Mindkét ion szállítása a koncentráció gradiens ellenében történik, aminek energiaigényét egy ATP molekula hidrolízise fedezi (6.9. ábra).

6.9. ábra. A Na+-K+ ATPáz sematikus működése.

- Foglalja össze az alkálifém- és alkáliföldfémionok koordinációs sajátságait!

- Sorolja fel, és röviden jellemezze a membránon keresztül való lehetséges transzport folyamatokat!

- Sorolja fel a legfontosabb eltéréseket az aktív és a passzív transzport között!

- Az ingerületvezetés, ill. az izomműködés során mely lépésben történik passzív, ill. aktív transzport folyamat?

- Sorolja fel az akciós potenciál kialakulásának legfontosabb lépéseit!

- Röviden jellemezze az izomrostok két fő felépítő egységét!

- Az izomösszehúzódás során mely lépésekben és hogyan játszik szerepet a kalciumion?

A vas-kén fehérjéknek két nagyobb csoportját különböztetjük meg, az aktív centrumukban csak egyetlen vasat tartalmazó rubredoxinokat, ill. a többmagvú, szervetlen szulfidionok részvételével nFe-nS (ahol n az adott ion számát (n = 2,3,4), S a szervetlen szulfidiont jelöli) klasztereket felépítő ferredoxinokat. Utóbbiak több további alcsoportra oszthatóak (ld. 7.1 táblázat). A vas-kén proteinek minden élőlényben megtalálhatóak, meghatározó szerkezeti egységeik az evolúció során szinte alig változtak.

7.1 táblázat: A vas-kén proteinek néhány tipikus képviselője és tulajdonságaik.

A vasat tartalmazó elektronszállító fehérjék másik nagy csoportját a citokrómok alkotják. Már elöljáróban meg kell jegyezni, hogy a citokrómok nem csak az elektronszállításban vesznek részt, nagyszámú enzim, ill. az oxigén szállításáért felelős hemoglobin is ebbe a csoportba tartozik (ld. 9, 10. fejezet), közös sajátságuk, hogy hem (vas + porfirin gyűrű) prosztetikus csoportot tartalmaznak. Nevüket rendkívül intenzív színükről kapták, ami a 400-450 nm közötti tartományban található fényelnyelésük (Soret-sáv) következménye. Ma több mint 50 különböző elektronszállító citokrómot ismerünk. A fémion oxidációs állapota +2 és +3 lehet, így egy hem csoport egyetlen elektron továbbítására képes. A citokrómok többségében csak egy hem csoport van, bár ismeretesek olyanok is melyek többet tartalmaznak (pl. a citokróm c ₃ fehérjében 4 hem csoport található). A citokrómok csoportosítása a hem típusa alapján történik (7.2. ábra). Eszerint beszélhetünk citokróm a fehérjékről, melyek a típusú hemet tartalmaznak, és a citokróm c oxidáz alegységei (ld. 10. fejezet). A két legelterjedtebb csoportot a citokróm b és c fehérjék alkotják. Elektronszállító fehérjék mindhárom csoport tagjai között megtalálhatóak. A citokróm a és b fehérjék esetén a hem csoport erősen, de nem kovalens kötéssel kapcsolódik a fehérjéhez. Ugyanakkor a hem tioéter kötéssel kapcsolódik a citokróm c fehérjékhez (7.2. ábra). A hem típusa, ill. a fehérje szerkezete alapvetően meghatározza a fehérje redoxipotenciálját, de jelentős hatása van az axiálisan koordinálódó ligandumok minőségének is. Ez az esetek döntő többségében vagy két hisztidin imidazolgyűrűje, vagy egy-egy imidazolgyűrű és metioin tioétercsoport lehet (7.2 táblázat).

7.2. ábra: Egy citokróm c protein vázlatos szerkezete (alul), ill. a hem gyűrű három típusa (felül, az áttekinthetőség kedvéért az axiális ligandumok hiányoznak az ábrákról).

7.2 táblázat: Az elektronszállító citokrómok néhány típusa.

Ritkán egyéb donorcsoportok is koordinálódhatnak a citokrómok axiális pozícióiban, a citokróm f fehérjékben pl. egy amino- és egy imidazolcsoport található.

A legtöbb ismeret a citokróm c fehérjékről áll rendelkezésre, melyek többsége viszonylag kis méretű (~ 12 kD). Az különböző fejlettségi szintű szervezetekből izolált azonos funkciójú citokróm c-k aminosav sorrendje, de még negyedleges szerkezete (7.2. ábra) is csak kismértékben különbözik, ami arra utal, hogy a citokróm c magas szinten optimalizált, evolúciós szempontból 'öreg' fehérje.

Az elektronszállító fehérjék harmadik nagyobb csoportját az ún. kék réz fehérjék alkotják. Az elektron átadására a Cu(I)/Cu(II) redoxpár ad lehetőséget, tehát ez esetben is csak egyetlen elektron átadására van lehetőség. Az elnevezés az oxidált forma mélykék színéből ered. Ugyan a fényelnyelés maximuma 600 nm körül van, mint sok más Cu(II)-komplex d-d átmenetének, azonban a szokásosnál kb. százszor intenzívebb. Bár sokáig vitatták, ma már egyértelműnek tűnik, hogy az említett sáv egy tiolát?Cu(II) töltésátmenethez rendelhető. A kék réz fehérjéket négy csoportba sorolhatjuk. Az azurin, a plasztocianin és a sztellacianin fehérjék közös sajátsága, hogy a központi fémion környezete erősen torzult szerkezetű, és három erősen kötődő ekvatoriális ligandum, két imidazolgyűrű és egy tiolátcsoport, közel síkháromszöges geometriát alakít ki a fémion körül. A plasztocianinban ezt egy metionin tioétercsoportja egészíti ki tetraéderessé. Minthogy a Cu-S_Met kötéstávolság meglepően nagy (2,9 Å), a tetraéder erősen torzult (7.3 ábra). A néhány ismert sztallacianin esetén a tioétercsoportot egy glutamin oldallánci karbonilcsoportja helyettesíti, de a szerkezet alapvetően hasonló. Az azurinokban az említett síkháromszöges szerkezet torzult trigonális bipiramissá egészül ki egy metionin tioéter- és egy peptidkötés karbonil-oxigénjének koordinációja révén (7.3. ábra). A két axiális donoratomnak a fémiontól mért távolsága (3,1 Å) a határán van annak a tartománynak, amit még kémiai kötésként értelmezhetünk. A fémion oxidációja (ill. redukciója) során az aktív centrum szerkezete gyakorlatilag nem változik, sőt a fehérje konformációja a réz elvonása után sem változik lényegesen. A kék réz fehérjék aktív centruma tehát meglehetősen merev szerkezetű.

A fémion környezetében mutatkozó eltérések természetesen jelentős hatással vannak e fehérjék redoxipotenciáljára. A plasztocianinok redoxipotenciálja 300-400 mV között változik. Az oxigén donoratom megjelenése a Cu(II) állapot valamivel nagyobb stabilitását eredményezi, ami a redoxipotenciál csökkenésében (azurin 200-300 mV, sztellacianin ~ 150 mV) nyilvánul meg. Az oxidált, ill. redukált fémion koordinációs sajátságai meglehetősen eltérőek. A 3d¹⁰ elektronszerkezettel rendelkező Cu(I), síkháromszöges vagy tetraéderes környezetben elhelyezkedő 'soft' ligandumokat (pl. kén) részesít előnyben. Ugyanakkor a telítetlen d-héjú (3d⁹) Cu(II)-nek a síknégyzetes vagy torzult oktaéderes, N,O donorcsoportokat tartalmazó koordinációs szféra a kedvező. A kék réz proteinek donorcsoportjainak erősen torzult elrendeződése olyan, mintha a tetraéderes, ill. a síknégyzetes szerkezetek közötti átmeneti állapotnak felelne meg, azaz a Cu(I) és Cu(II) által előnyben részesített geometriák közötti kompromisszumos megoldás eredménye lenne. Ennek következményeként egyik oxidációs állapot sem képes stabilizálódni, ami lehetővé teszi a gyors elektronátadást. A kék réz fehérjéknek ez az átmeneti állapotnak megfelelő szerkezete jelentős szerepet játszott az entatikus állapot hipotézis kidolgozásában (ld. 4.3 fejezet).

A kék réz fehérjék negyedik típusának szerkezete valamelyest eltér az eddigiektől. Az ún. Cu_A centrumot tartalmazó fehérje a citokróm c oxidáz egyik alegysége (ld. 10. fejezet), de megtalálható más oxidáz sajátságú fehérjekomplexekben is. A Cu_A centrum két rezet tartalmaz, erősen torzult tetraéderes környezetben (7.3 ábra). A fémionokhoz két hídként kötődő cisztein tiolát, ill. egy-egy imidazolgyűrű koordinálódik. Az első három csoporthoz hasonlatos, erősen torzult tetraéderes szerkezet egy-egy gyengén kötődő ligandum révén alakul ki. Az egyik fémionhoz egy peptidkötés karbonil-oxigénje, a másikhoz egy metionin tioétercsoportja koordinálódik. A Cu-Cu távolság 2,5 Å. Ez a centrum is csak egyelektronos transzportfolyamatban vesz részt, oxidált formája Cu(I)-Cu(II), amelyben a párosítatlan elektron teljesen delokalizálódik.

7.3. ábra: Néhány kék réz fehérje fémcentrumának koordinációs geometriája (a: plasztocianin, b: azurin, c: a citokróm c oxidáz komplex CuA centruma.

Az elektrontranszfer folyamatok értelmezésekor számos tényezőt kell figyelembe vennünk, melyek közül a legfontosabb a folyamat hajtóereje, a távolság, amit az elektronnak le kell küzdenie, ill. az oxidációs állapot megváltozásával járó szerkezeti átrendeződéshez szükséges ún. reorganizációs energia. Biológiai szempontból hasznosítható, tehát megfelelően gyors, elektrontranszfer folyamatok esetén a reorganizációs energiának nyilvánvalóan kicsinek kell lennie. A fentebb tárgyalt fehérjék esetén a fémion oxidációs számának megváltozása csak csekély szerkezeti változást eredményez, így ez a feltétel teljesül (ami azonban nem jelenti a szerkezeti átrendeződés teljes hiányát).

Az elektrontranszfer folyamatok hajtóereje a partnereknek, az adott körülmények között (pH, koncentráció, stb.) mérhető, redoxipotenciáljai közötti különbség (DG_r = -FDE, ahol F a Faraday állandó). Biológiai rendszerekben DE-nek természetesen határt szab a víz oxidációja, ill. redukciója által meghatározott redoxipotenciál tartomány (pH 7 esetén E_H+/H2 = -0.42 V és E_O2/H2O = 0,80 V), így DE_max ~ 1,2 V. Ez természetesen csak egy elméleti határ, DE a valóságban ennél mindig sokkal kisebb, hiszen az elektrontranszport folyamatok soklépéses kaszkád-reakción keresztül valósulnak meg (ld. 7.1. ábra). Annak érdekében, hogy az elektrontranszport lánc egy tagja mindig képes legyen tovább adni az elektront, azaz redukálni a lánc következő tagját, az egyes lépések DE értékének kicsinek kell lennie (DE ~ 30-250 mV).

A harmadik, s egyben a legtöbb nehézséget okozó paraméter az a távolság, amit az elektronnak az elektronátadás során meg kell tennie. A biológiai elektronátadás fehérjék között valósul meg. Ráadásul az elektronszállító fehérjék közös sajátsága, hogy az aktív fémion ugyan a felszín közelében, de sohasem a fehérje felszínén található. Ebből az következik, hogy az elektronnak rendkívül nagy, tipikusan 10-20 Å távolságot kell 'átugrania' egy-egy elektrontranszfer lépés során. Ennek mikéntje csak nagy vonalakban ismert, számos részlet még tisztázásra vár. Alapvetően három lehetőség van az elektron vándorlására: a téren keresztül, a kötések mentén, ill. az anyag hullámtermészetét kihasználó ún. kvantummechanikai alagút effektus révén (ld. 4. fejezet). Ebben a sorrendben egyre hatékonyabb (gyorsabb) az elektronok vándorlása. A rendelkezésre álló eredmények alapján valószínűleg mindhárom mechanizmus szerepet játszik az elektronszállításban, de meghatározó, s egyben a vándorlás irányát megszabó, jelentősége van a kötések mentén történő vándorlásnak. A delokalizált elektronfelhővel rendelkező aminosav oldalláncok (triptofán, tirozin stb.) természetesen hatékonyabban 'vezetik' az elektront, de a σ-kötések szerepét sem szabad elhanyagolni. A fehérjén belüli, ill. a fehérje komplexek közötti elektrontranszfer vizsgálatának bevett módja az irányított mutáció. Ekkor azt vizsgálják, hogy egy-egy aminosav alegység cseréje hogyan befolyásolja az elektronátadás sebességét. Számos mutáns tanulmányozásával viszonylag pontos kép kapható az elektron vándorlásának útvonaláról.

- Mi az elektronszállító fehérjék funkciója a biológiai rendszerekben? Milyen elektronszállító fehérjéket ismer?

- Jellemezze a citokrómokat szerkezeti szempontból!

- Hasonlítsa össze a vas-kén proteineket és a citokrómokat szerkezeti sajátságaikat tekintve!

- A vas-kén proteinek milyen kéntartalommal rendelkeznek?

- Mi a jellemzője a réztartalmú elektrontranszfer fehérjéknek?

- A kémiai evolúcióban való keletkezésük szempontjából elemezze a vas-kén fehérjék, a citokrómok és a kékréz fehérjék családját!

A zöld növényekben a Nap sugárzásának főként a látható hullámhossz-tartományba eső komponensei nyelődnek el a szerves festékanyagok (pigmentek) fényabszorpciója révén. A legismertebbek ezek közül a klorofillek. A klorofill molekula két részből épül fel (8.1. ábra).

A klorofill fény hatására gerjesztődik, a váltakozó egyes- és kettős kötéseket tartalmazó kloringyűrű elektronjai nagyobb energiájú állapotba kerülnek. Ebből az állapotból alapvetően háromféle módon kerülhet vissza az alapállapotba a molekula:

8.2. ábra: A pigmentanyagok szerveződése a tilakoid membránban a II. fotoszisztéma monomer antennakomplexeiben (CP43, ill. CP47), és a reakcióközpontban (D1/D2). Az (a) és a (b) ábra különböző irányú nézeteket mutat.

A magnéziumionok egyik nagyon fontos szerepe épp a klorofillmolekulák térbeli elrendezésében van. Ugyanis a pigmentmolekuláknak a membránban pusztán a klorofill fitin oldalláncán keresztül történő rögzítése még meglehetősen nagy flexibilitást eredményezne. A környező fehérjemolekulák oldalláncai viszont a Mg(II)-ion szabad axiális koordinációs helyeire bekötve a festékanyagot teljes mértékben rögzíthetik egy jól meghatározott térbeli helyzetben.

8.3. ábra: A pigmentanyagok szerveződése a tilakoid membránban a fotorendszer I antennakomplexeiben, ill. a reakcióközpontban. Az (a) és a (b) ábra különböző irányú nézeteket mutat.

Az egymáshoz közel elhelyezkedő kromofórok ~ 95%-os hatékonysággal képesek a gerjesztési energiát továbbítani a reakcióközpont felé mintegy 10-100 ps alatt. Az elnyelt fényenergia a fotoszintetikus reakcióközpontokban alakítható át kémiai energiává.

A fotoszintetikus membránokban a klorofill- és fehérjemolekulák kapcsolódása révén óriási méretú multiprotein komplex jön létre, amit fotorendszernek nevezünk. Itt történik meg a fényenergia begyűjtése és hasznos formába való alakítása. A fényenergiának kémiai energiává való átalakítása a növények sejtjeiben két, egymással kapcsolatban álló reakcióközpontban történik: ez a fotorendszer I. és II. (a továbbiakban PS I és PS II - az angol photosystem I, ill. II. elnevezésből). Az elsődleges fényreakció a fotorendszer II-ben jön létre (a fordított elnevezés a hagyományokból származik). Itt a 680 nm hullámhosszú fény abszorbeálódik, ezért P₆₈₀-nak is nevezik. Az itt leadott elektronok egy elektronszállító rendszerbe jutnak, amely azokat a fotorendszer I-hez továbbítja. A PS I egy másik, függetlenül gerjeszthető reakcióközpontot tartalmaz, mely a 700 nm hullámhosszú fényt abszorbeálja (P₇₀₀). Innen az elektronok a következő szállító rendszer közvetítésével a NADP⁺-molekulára tevődnek át, és eközben a NADP⁺ NADPH-molekulává redukálódik (ún. Z-séma, 8.4. ábra).

8.4. ábra: A fotoszintetikus elektronvándorlás Z-sémája.

A fotokémiai reakcióközpont két klorofillmolekula által képzett speciális dimerből áll (a fotoszintézis „szíve”) (8.5. ábra), mely az ide továbbított fényenergiát irreverzibilisen fogadja be. Innen egy, a fényenergia által gerjesztett elektron azonnal elektronakceptor molekulák láncolatába kerül, vándorlása jól meghatározott térbeli elhelyezkedésű molekulákon keresztül történik.

8.5. ábra: A PS II dimer pigment-fehérjekomplexének szerveződése a tilakoid membránban.

- Írja fel a fotoszintézis két fő szakaszát! Melyik lépéshez van szükség közvetlenül fényenergiára?

- Hogyan lesz a glükózból keményítő? Írja fel a lejátszódó folyamat egyenletét!

- Miért a szénhidrátok biztosítják a fő energiaforrást a szervezet számára? A szöveg alapján állapítsa meg, mekkora energia szabadul fel 1 mol glükóz égése során?

- Milyen fémion játszik szerepet a víz oxidációját katalizáló redoxienzimben?

- A fotoszintézis során a magnézium több lépésben is nélkülözhetetlen. Mutassa be két példán a magnézium szerepét!

A nagy dioxigén, O₂, koncentráció jelenléte a földi légkörben a növények folyamatos fotoszintetikus tevékenységének az eredménye. Az O₂ megjelenése és felhalmozódása a Földön mintegy 2,5 milliárd évvel ezelőtt kezdődött és kb. 400 millió évvel ezelőtt alakult ki a már stacionáriusnak tekinthető egyensúlyi O₂ koncentráció. A légkör aerobbá válásával az élet fenntartásának energiaszükségletét a környezetből felvett tápanyagoknak az O₂ részvételével megvalósuló enzimek által gondosan szabályozott „lassú” égése szolgáltatja. A négy elektron felvételével lejátszódó O₂ → 2 H₂O folyamat energetikailag igen kedvezményezett folyamat (ΔG = -228,4 kJ/mol), mégis a molekuláris oxigén csak mérsékelten oxidáló tulajdonságú. A dioxigén renyheségének magyarázata, hogy amíg az O₂ alapállapotban két párosítatlan spinű elektronnal rendelkezve (kettős gyök) triplett állapotú, (a triplett állapotú ³O₂ mindkét szingulett állapotnál energetikailag sokkal kedvezőbb ¹O₂ (^1Δ) (90 kJ/mól) és ¹O₂ (^1Σ) 150 kJ/mól értékkel), addig a reakciópartner szerves molekulák általában párosítatlan elektront nem tartalmazó szingulett állapotúak, így a köztük lévő reakció spin-tiltott. A reakció végbemenetele nagy aktiválási energiát igényel. Ez a metastabil állapot az oka egyébként annak is, hogy az egyébként éghető anyagok (mint a fa, a fosszilis tüzelőanyagok, vagy a szénhidrátok, stb.) dioxigénben dús atmoszférában is eltarthatók anélkül, hogy a legalacsonyabb energiaállapotú CO₂-dá és vízzé alakulnának. A reakció lejátszódásához az O₂ molekulát aktiválni kell, amit átmenetifém komplexekkel (a szervezetben metalloenzimek révén, a kémcsőben pedig változó oxidációs állapotra képes átmenetifém ionokkal, ill. komplexeikkel) elő tudunk idézni. A dioxigén oxidáló tulajdonságát mutatják a 9.1. ábrán a semleges pH-ra vonatkozó redoxipotenciál értékek.

9.1. ábra: Az O2 és redukciós termékeinek redoxi (pH 7) tulajdonságai.

Az ábrából látható, hogy az O₂ kételektronos redukciója termodinamikailag kedvezményezettebb, mint az egyelektronos, de igazából sem, egy- sem kételektronos lépéseiben nem erélyes oxidálószer. Közbülső oxidációs állapotai a szuperoxid gyökanion, O_2? és a peroxidion O₂² az igazán erélyes oxidálószerek. Ezek káros hatása ellen az aerob szervezeteknek védekezniük is kell (lásd a 9.2. fejezetet).

Az élő szervezetben előforduló O₂ többféle fizikai folyamatban, ill. kémiai reakcióban vehet részt. Ezeket a 9.2. ábrán foglaljuk össze.

9.2. ábra: Az O2 részvétele biológiai folyamatokban.

A molekuláris oxigént előbb meg kell kötni, el kell szállítani oda, ill. ideiglenesen tárolni kell ott, ahol oxidációs reakcióba léphet. Ezekben a folyamatokban a vastartalmú hemoglobin és mioglobin, ill. alacsonyabb rendű szervezetekben a szintén vastartalmú hemeritrin és a réztartalmú hemocianin vesznek részt (lásd később). A redoxi reakciói többfélék lehetnek. Az O₂ molekula mindkét oxigénatomja beléphet a szubsztrátba (dioxigenáz funkció), ilyen folyamatot katalizál például a vastartalmú bakteriális triptofán dioxigenáz. Részt vehet oxidáz folyamatokban, amikor az O₂ molekula, megfelelő H-donor szubsztrát révén hidrogén-peroxiddá vagy vízzé redukálódik, pl. a vastartalmú citokróm c oxidáz enzim katalizál ilyen folyamatot. A katalizált reakció tulajdonképpen a szubsztrát dehidrogénezése. Vannak olyan folyamatok, amikor az O₂ molekulának csak az egyik atomja lép be a szubsztrátba, a másik, H-donor szubsztrát révén H₂O₂-dá vagy vízzé redukálódik. Az ilyen folyamatokat monooxigenázok katalizálják (vegyes oxidáz-oxigenáz funkció). Ilyenek a hidroxileződési folyamatokat katalizáló enzimek, például a tirozináz, ami réztartalmú enzim, vagy a bakteriális kámfor monooxigenáz, ami vastartalmú.

Az oxigén redukciójának reaktív köztitermékei, mint a O_2? és a O₂² , ill. szerves peroxidok megjelenhetnek az élő szervezetek sejtjeiben. Ezek ellen a sejteket védeni kell, az e folyamatokat katalizáló enzimek vas-, mangán, ill. réztartalmúak. A peroxidok eltávolítása diszproporcionálódással történik, mely folyamatot a vastartalmú peroxidázok (kataláz) katalizálnak. A O_2?semlegesítése is diszproporcionálódással O_2? = O₂² + O₂ valósul meg, Cu/Zn- vagy Mn- és Fe-tartalmú szuperoxid dizmutáz enzim révén.

Amint a fentiekből látható döntően a Fe- és Cu-tartalmú fehérjék képesek mind az oxigén reverzibilis megkötésre, és ezáltal a biológiai rendszerekben való szállítására és tárolására, mind aktiválására, és így redoxi reakcióba vitelére (9.1, 9.2 séma).

Ha a K nagy, akkor az oxigénhordozó komplex képződésére van lehetőség. Azt viszont, hogy ez felhalmozódhat-e, vagy az oxigénhordozó komplex azonnali továbbalakulásával redoxi reakció játszódik le, azt a molekulán belüli intramolekuláris, a ligandumról az O₂-re a fémion közvetítésével lejátszódó elektrontranszfer reakciónak a sebessége (a k nagysága) dönti el.

Bár a szervetlen kémiai ismereteink alapján leginkább a Co(II)-komplexek között várnánk oxigénhordozó tulajdonságú komplexeket, a biológiában ezt kizárólag vas- és réztartalmú fehérjék végzik. Három oxigénszállító rendszer ismeretes: a hemoglobin (Hb), a hemeritrin (Hr) és hemocianin (Hc). A hemoglobin vas-porfirin egységet un. hemet tartalmaz, míg a hemeritrin két nem hem vasatomot, a hemocianin pedig két rézatomot, mint funkcionális egységet, melyek aminosav oldallánc donorcsoportokon keresztül kapcsolódnak a fehérjerészhez. Ezen három oxigénhordozó fehérje néhány tulajdonságát a 9.1. táblázat (ld. 15. ajánlott irodalom: S.J. Lippard, J.M. Berg, 285. oldal, 11.1. táblázat) tartalmazza. Az O₂ molekula tárolását a szövetekben, mint például az izomban a mioglobin (Mb) és a miohemeritin (MioHr) látja el, amelyek szerkezete nagyon hasonló a megfelelő szállító fehérjéhez. Oxigéntartalmazó állapotukban ezek a fehérjék intenzív színűek. Az O₂ kötődése a Hr és Hc molekulákban, peroxid formában történik, míg az egymagvú Hb-ban a kötődés legvalószínűbb állapota a O_2?szuperoxidion. A redukált, oxigénmentes állapotokat dezoxi, az O₂-kötött állapotokat oxi, és az oxidált, funkcionálisan inaktív állapotokat met előtaggal különböztetjük meg.

9.1. táblázat: Az oxigénhordozó fehérjék néhány tulajdonsága.

- Milyen reakciókba léphet a molekuláris oxigén az élő szervezetekben?

- Hasonlítsa össze az oxigénszállító fehérjék szerkezeti sajátosságait!

- Magyarázza hemoglobin és a mioglobin eltérő funkcióját, eltérő oxigén-kötő sajátosságait szerkezeti különbözőségeik alapján!

- Milyen szintetikus oxigénhordozó komplexeket ismer? Ezekben milyen módon kötődhet az oxigén molekula?

- Mi a különbség a hemeritrinben és a hemocianinban levő peroxidkötésű oxigénmolekula között?

Az oxigénmolekula részvételével lejátszódó redoxi folyamatokban meghatározó szerepe van a vas- és réztartalmú fehérjéknek. A reverzibilis O₂ hordozó molekulákat, a vastartalmú hemoglobint és hemeritrint és a réztartalmú hemocianint a 9. fejezetben már tárgyaltuk. Ebben a fejezetben a molekuláris oxigén redukciójával, azaz a szubsztrát oxidációjával járó folyamatok néhány fontosabb példáját emeljük ki. Az oxigenázok működése során az O₂ molekula oxigénatomjai belépnek a szubsztrátba és ezáltal oxidálják azt. Az oxidáz funkció az O₂ metabolizmusának alapfolyamata az O₂ redukciója végső soron vízzé, az igen reaktív köztitermékeken (H₂O₂, O_2?^-) keresztül, melyek átmenetileg megjelenhetnek a sejtekben. Ezek eltávolítását külön enzimrendszerek, a peroxidáz/kataláz és a szuperoxid dizmutáz, végzik (a részfolyamatokat lásd a 9. fejezetben).

A szervetlen, ill. biológiai nitrogén körforgás a földi élet szempontjából aligha becsülhető túl. Elég csak az ammónia szintézis ipari folyamatára gondolni, amely évente 40 millió tonna termelést jelent a talajok nitrogénhiányának pótlására. A biológiai nitrogénfixálás révén 100-140 millió tonna NH₃ képződik évente, míg az atmoszférikus reakciók (pl. villámlás) 10-40 millió tonna/év mennyiséggel járulnak hozzá az NH₃ képződéséhez. A tüzelőanyagok égéstermékei 90-190 millió tonna/év, a biológiai denitrifikálás folyamatai pedig további 100-160 millió tonna/év mennyiséget jelentenek. A teljes szárazföldi nitrogén körforgás megközelíti a 2 milliárd tonna/év értéket és ehhez járul még a zömmel tengeri planktonokból származó kétszer ennyi, kb. 4 milliárd tonna/év nitrogén mennyiség. A legtöbb biológiai rendszer, amely a nitrogénkörforgásban részt vesz fémtartalmú enzimet használ. Három fő folyamat különböztethető meg: a nitrogénfixálás (10.12.a. és b. egyenlet), a nitrifikálás (10.13. egyenlet) és a denitrifikálás (10.14. egyenlet). A nitrogénfixálás enzimei vas- és molibdén(vanádium)-tartalmú enzimek, a denitrifikálás folyamatában az ugyancsak Mo-tartalmú nitrát reduktáz, a Cu vagy hemtartalmú nitrit reduktáz és a Cu-tartalmú dinitrogén-monoxid reduktáz enzimek vesznek részt.

Biológiai és kémiai jelentőségénél fogva is kiemelkedik ezek közül a levegő N₂ tartamának a nitrogenáz enzim által történő fixálása. Ezt biológiailag a pillangósok gyökérzetén a növénnyel szimbiózisban élő baktériumok (az Azobacter törzs Rhizobium baktériumfaja) végzik. Az ezen biológiai rendszerekben megvalósuló nitrogénfixálás a klasszikus koordinációs kémia területén is kiterjedt vizsgálatokat indított a dinitrogénmolekula aktiválásának megismerése és alkalmas katalitikus modell kidolgozása céljából. Közismert, hogy az egyszerű kétatomos molekulák körében a hármas kötéssel összekapcsolt N₂ molekula rendelkezik a legnagyobb disszociációs energiával (945 kJ/mol), így a nitrogénmolekula a legtöbb esetben inert gázként viselkedik. Az első dinitrogén molekulát tartalmazó komplexvegyületet is csak 1965-ben sikerült előállítani a viszonylag egyszerű [Ru(NH₃)₅N₂]²⁺ formájában. Ma már több száz N₂ molekulát tartalmazó komplexvegyület ismert, de a molekula jelentős mértékű aktiválását egyik esetben sem sikerült éredemben megvalósítani. Ez a felismerés méginkább fokozta azokat az erőfeszítéseket, amelyek a nitrogenáz enzim és a biológiai nitrogénfixálás megismerésére irányultak.

A biológiai nitrogénfixálás nagy energiaigényét az ATP hidrolízise szolgáltatja a 10.15. egyenlet szerint. A folyamatban tehát az ammónia mellett hidrogén is képződik. Az enzimatikus N₂ fixálás egyébként eléggé lassú folyamat, a reakció ciklus-száma az 1/s nagyságrendben van. Szerkezeti jellemzőit tekintve a biológiai nitrogénfixáló enzim a vas mellett molibdént tartalmaz. A molibdéntartalmú nitrogenáz (α_2β2)(γ₂) két fehérje részből áll. A homodimer Fe-fehérje (γ₂ alegység) egy ferredoxin-szerű (lásd a 7.1. fejezetet) [Fe₄S₄]^2+/+ klaszter. Maga a Fe-fehérje két MgATP receptort is tartalmaz, mivel minden egyes szállított elektron 2 ATP hidrolízisével jár. Az alegység tehát az ATP hidrolízisét kapcsolja az elektrontranszfer folyamatokhoz. A másik komponens a dinitrogenáz, amely egy Fe-Mo fehérje, az (α_2β2) tetramer, amely két igen speciális ?8Fe-7S? rendszert (Cys hidakkal kapcsolt két ?4Fe-4S? centrumot (P klaszter) és két FeMoco kofaktort (M klaszter) tartalmaz, melyek mindegyike MoFe₇S₈ sztöchiometriájú. Feltételezetten ez utóbbi a katalitikusan aktív hely. A P- és az M-klaszter szerkezetét a 10.8. ábrán mutatjuk be.

10.8. ábra: A nitrogenáz P klaszterének és M klaszterének (FeMoco kofaktor) szerkezete.

A MoFe₇S₈ klaszterben a két egymásra helyezett ?4Fe-4S? klaszter ([8Fe-8S] klaszter (lásd 7.1 fejezet), egyik vas atomját Mo helyettesíti, melynek oxidációs állapota +IV (redukált állapotban) és koordinációs szféráját a két S mellett „kívülről” egy His imidazol-N és egy kelátként koordinálódó homocitrát (R-2-hidroxi-1,2,4- butántrikarbonsav) telíti. A homocitrát pontos funkciója még nem ismert. A két M klaszter távolsága ?7 nm, míg az M és a P klaszterek közötti legkisebb távolság ?2 nm. A redukált Fe-fehérjétől átvett elektronok révén feltehetőleg a P klaszter összes vas ionja Fe(II)-vé redukálódik, és szabályozottan átadja elektronjait a FeMo kofaktornak. Bár a vélemények megoszlanak, tekintettel főként a Mo koordinatív telítettségére, feltételezhető, hogy inkább a centrális vasak, és nem a Mo a N₂ kötési helye. A Mo szerepe feltehetőleg az, hogy koordinációjával csökkenti a klaszter szimmetriáját, ami a N₂ lépcsőzetes redukciós folyamatában az elektrofil támadási lépéseket megkönnyíti.

A 80-as évek felfedezése, hogy a FeMo kofaktorban a Mo vanádiummal helyettesíthető. Mo távollétében és V jelenlétében V-függő nitrogenáz képződik. Ez utóbbi valamivel kisebb aktivitású, és a redukciós „energiának” 50%-a használódik el a H⁺ redukciójára (szemben a Mo-tartalmú enzimmel, ahol ez csak 25%), de a V-függő nitrogenáz alacsony hőmérsékleten (5 ^oC) hatékonyabb, mint a Mo-tartalmú társa. A legérzékenyebb heteroatom-mentes (csak Fe) nitrogenázok jellemzése még alig történt meg, aktivitásuk úgy tűnik alacsonyabb, mint akár a vanádium-, akár a molibdéntartalmú enzimé.

A hidrogénmolekula egy újabb példája az élő szervezetekben is megjelenő és reakcióiban aktiválásra szoruló kismolekuláknak. A kétatomos H₂ molekulában az atomokat egyszeres kötés tartja össze, a kötéstávolság 74 pm, a kötés disszociációs energiája 436 kJ/mol. Ez számottevően kisebb, mint az előző pontban tárgyalt nitrogén- molekuláé, de elég nagy ahhoz, hogy környezeti feltételek mellett a hidrogénmolekula se legyen nagyon könnyen felhasítható. A hidrogenáz enzimek redox fehérjék, melyek az élővilágban előforduló legegyszerűbb molekula, a dihidrogén képződését vagy elbontását katalizálják kételektronos reverzibilis folyamatban (10.16. egyenlet).

A hidrogenázok az evolúció időskáláján ősi enzimeknek számítanak. Elsősorban anaerob baktériumokban találjuk meg képviselőiket. A C. pasteurianum nevű baktérium pl. H₂-t termel a cukrok fermentálása során. E folyamatban a cukrok oxidációjával párhuzamosan képződő redukált kofaktorok a protont hidrogénné redukálják. Ezzel ellentétben, pl. a metanogén baktériumok H₂-t vesznek fel, és használják fel a CO₂ metánná és más szénvegyületekké történő redukálására. A nitrogén-fixáló baktériumoknál a nitrogén megkötése során keletkezik hidrogén is, és a nitrogenáz enzim párhuzamos hidrogenáz funkciója révén, a H₂ redukáló tulajdonságát kihasználva további nitrogén megkötése válik lehetségessé (lásd 10.2. fejezet). Az anaerob szervezetekben a hidrogenázenzimeknek jelentős szerepük van a redukciós folyamatokban (pl. nitrogén fixálás, szulfát-redukció, mikrobiális foszforiláció, vagy metán szintézise), ill. az anaerob életforma O₂ elleni védekezésében.

A hidrogenázok azonban nemcsak az anaerob baktériumok alkotóelemei, aerob baktériumokban, fotoszintetizáló algákban és eukarióta szervezetekben is megtaláljuk képviselőiket. A H₂ biológiai energiaforrásként is szerepelhet pl. a NADH helyett. Egyes aerob baktériumokban a 10.17. reakció szabályozott körülmények között történő lejátszódása lehetővé teszi a felszabaduló energia biológiai hasznosítását. Bizonyos hidrogenázok reverzibilisen működnek, míg mások a H₂ egyirányú felvételét katalizálják. Csoportosíthatjuk őket aszerint is, hogy a sejtmembránhoz kötötten, vagy a citoplazmában találhatóak. Az előbbiek által a H₂ oxidációja során generált elektronok és protonok a légzési láncban az O₂ redukcióját, ill. nagy energiájú foszfátok szintézisét segítik elő, az utóbbiak pedig a NAD⁺ redukciójában vesznek részt.

A hidrogenázok izolálása a levegővel szemben mutatott érzékenységük vagy a membránhoz való kötöttségük miatt meglehetősen bonyolult. A hidrogenáz-enzimek általában közepes méretű fehérjék (M_r = 40 100). A különböző hidrogenázokban jelentős aminosav-sorrend hasonlóság fedezhető fel, különös tekintettel a cisztein aminosavak helyzetére. A legtöbb hidrogenáz tartalmaz Fe/S centrumo(ka)t. Több esetben a Fe/S klaszterek (lásd 7.1. fejezet) mellett nikkelion is található a molekulában. Fémtartalmuk alapján a hidrogenázokat két csoportba sorolják: vas-hidrogenázokra és a nikkel-vas hidrogenázokra.

A szén körforgásának egyik alapvető eleme a szerves anyagok anaerob baktériumok által történő lebontása. E folyamatok végső termékei az egyszerű, egy szénatomot tartalmazó (C1) vegyületek, melyek között a CO₂ a legnagyobb, a CH₄ pedig a legkisebb oxidációs állapotot képviseli. Míg egyes baktériumok a szerves anyagokat hidrogénné, szén-dioxiddá, formiáttá, acetáttá alakítják, addig a metanogén baktériumok ezekből metánt állítanak elő. A fenti baktériumokban játszódik tehát le a C1 reakciók döntő többsége. Az utóbbi időkben e folyamatok tisztázása során jónéhány különleges biokémiai reakciólépésre derült fény, és számos új enzimet, ill. kofaktort fedeztek fel.

A CO₂ redukciója metánná a 10.18. bruttó kémiai egyenlettel jellemezhető. Ez a reakció a valóságban azonban meglehetősen bonyolult. A négy hidrogénmolekula természetesen a hidrogenázenzimek hatására, mint 8e és 8H⁺ kerül be a folyamatba. Az élő szervezetekben pedig a többelektronos redukció a nagyobb sebesség és hatékonyság, valamint a folyamat szabályozhatósága érdekében mindig több (lehetőleg egyelektronos) lépésben megy végbe. A folyamat részlépéseinek többségét metalloenzimek katalizálják. Ezen metalloenzimek körében a már korábban is részletesen tárgyalt vas-kén fehérjék (7.1. fejezet), ill. a később ismertetendő molibdén és kobalttartalmú koenzimek (11.3. és 13.2. fejezetek) mellett két, szerkezetileg és funkciójában is nagyon érdekes nikkeltartalmú enzim található: a metil-koenzim M reduktáz és az acetil-koenzim A szintáz. A továbbiakban ezen két enzim/kofaktor rövid ismertetésével foglalkozunk.

- Az oxigenázok jelentősége és a citokróm P450 működési mechanizmusa.

- A réz lehetséges szerepei a biológiai oxidációs folyamatokban.

- A peroxidion koncentrációját „szabályozó” enzimek.

- A szuperoxid dizmutázok típusai és szerkezeti jellemzői

- A CuZn-szuperoxid dizmutáz enzim működése és szerkezeti jellemzése.

- A molibdén lehetséges szerepe biokémiai folyamatokban.

- A nitrogenáz enzim jelentősége és szerkezete.

- A hidrogenázok jelentősége és szerkezeti típusai.

- A szén-monoxid és a metán bioszervetlen kémiája.

A ribonukleotid reduktáz (RR) enzimek ribonukleotidok redukciója során a DNS szintéziséhez szükséges dezoxiribonukleotidokat állítják elő, melyek koncentrációaránya igen fontos a DNS szintézis hibátlan megvalósulásához. Ezért ezen enzimek működését a szervezet szigorúan szabályozza. E szabályozás egyik eleme pl., hogy az egyes dezoxi-ribonukleotidok (pl. dATP) allosztérikus kötődése elősegíti más dezoxiribonukleotidok (dTTP és dCTP) képződését. A legtöbb RR enzimben az aktív központ mellett tehát egy specificitást és egy aktivitást meghatározó allosztérikus kötőhelyet is találunk.

Ezt az alapvető folyamatot minden esetben fémion-tartalmú enzimek katalizálják. A fém-kofaktorok alapján a RR-ok három fő alosztályát különböztetjük meg (egyes baktériumban mangántartalmú enzimet is megfigyeltek):

I. alosztály: A fehérje oldallánchoz kötött kétmagvú vascentrum (fejlettebb élőlényekben);

II. alosztály: B₁₂ koenzimet igénylő enzim (baktériumokban);

III. alosztály: Fe/S tartalmú enzim (anaerob jellegű baktériumokban).

Minden RR enzim közös mechanizmus szerint katalizálja a reakciót. Első lépésként egy szabadgyök jön létre, ami a legújabb eredmények szerint valószínűleg egy ciszteinil gyök. A szubsztrát átalakulását e gyök iniciálja, méghozzá úgy, hogy a 3'-szénatomról hidrogénatomot szakít le. Ezután történik meg a 2'-OH leszakadása a gyökös átmeneti termékről víz formájában, majd a gyök redukciója dezoxiribonukleotiddá egy elektrondonor-csoport oxidációjával párhuzamosan. A reakció javasolt mechanizmusát a 11.1. ábra mutatja be. Az ábrán jól látható, hogy ez az elektrondonor csoport az I. és II. típusú RR enzimekben egy ditiol, míg a III. típusúaknál a hangyasav.

11.1. ábra: A RR enzimek működési mechanizmusának sematikus ábrázolása.

Az is megfigyelhető, hogy egy savas jellegű fehérje oldallánc elősegíti a reakció lejátszódását, míg a fémionok közvetlenül a katalizált reakcióban nem vesznek részt, csak a ciszteinil gyök generálásában.

11.2. ábra: (A) I, ill. (B) III. csoportba tartozó bakteriális RR enzimek aktív helye röntgendiffrakciós mérések alapján.

A 11.2. ábrán feltüntetett enzimek aminosav sorrendje nem mutat jelentős hasonlóságot, de az aktív központ szerkezete lényegében megegyezik: 10 β-redőzött részlet hoz létre egy üreget, melynek a közepébe egy cisztein aminosavat is tartalmazó hurok nyúlik. Ugyanilyen szerkezetet találtak az első II. típusú kristályos enzim központjában is. Az A ábrarészleten a GDP, mint szubsztrát elhelyezkedése azt is mutatja, hogy a (C439) ciszteinből képződik a reakciót iniciáló szabadgyök. Az elrendeződés a reakció sztereoszelektivitását is biztosítja, azaz megakadályozza a 2' C atom racemizációját. A B ábrarészleten a C439-hez hasonló helyzetű C290 cisztein képez gyököt. Itt a további elektrondonor redoxi partner a hangyasav (11.1. ábra).

Az RR enzimek I. csoportjába tartozó vastartalmú ribonukleotid reduktázok kétmagvú vascentrumot tartalmaznak. Az oxidált formájú enzimben a két nagyspinszámú Fe(III)-iont egy oxo és egy glutamáto ligandum köti össze kb. 3,3 Å távolságban (11.3. ábra).

11.3. ábra: Az E. Coli vastartalmú ribonukleotid reduktáz enzimének kétmagvú vascentruma.

A kétmagvú központtól mintegy 5 Å távolságban egy tirozilgyök található. A gyök kioltása az enzim működésének megszűnését vonja maga után, ami azonban reverzibilisen visszaállítható a vasionok redukciója és O₂ hozzáadása révén. A redukált Fe(II)-Fe(II) formájú vasközpont O₂-t képes megkötni (oxo-híd formájában), miközben Fe(III)-Fe(III) formává oxidálódik, valamint a tirozilgyök is újraképződik (11.1. egyenlet).

Ez a gyök azonban meglehetősen távol van (kb. 35 Å) a szubsztrátkötő helytől, ami azt valószínűsíti, hogy nem közvetlenül vesz részt a reakcióban, hanem nagytávolságú elektrontranszfer folyamat révén áttételesen generálja az aktív ciszteinil gyököt. A 11.2. A ábrán látható szerkezet alapján feltételezik, hogy e folyamatban az Y730 és Y731 tirozin oldalláncok közvetítőként szerepelnek.

Érdemes megjegyezni, hogy a III. típusú enzim szerkezetében a Fe/S centrum által generált glicil-gyök (amit a 11.2. B ábrán egy G580A helyettesítéssel a kristályosíthatóság céljából alaninra cseréltek) 3-5 Å távolságban található az aktív cisztein oldallánctól. Ugyanez igaz a II. típusú RR enzimekben a korrinoid kofaktor (B₁₂ származék, ld. 13. fejezet) által létrehozott gyökre is.

A metanotróf baktériumok a metánból építik fel a szerves anyag készletüket, és ez az egyetlen energiaforrásuk. E folyamatok első lépése a metán oxidációja metanollá, ami gyakorlatilag a RR enzimek által végrehajtott O atom elvonásnak a fordított folyamata. Kevés olyan enzim ismeretes, mely a nehezen reakcióba vihető, apoláros, nagy kötési energiájú és nem koordinálódó alkánokat oxidálni képes. A 11.2. reakciót a metán-monooxigenáz (EC 1.14.13.25) katalizálja. A metán-monooxigenázok oldható (sMMO), ill. sejtmembránhoz kötött (pMMO) családjait ismerjük.

Az oldható metán monooxigenáz (sMMO) egy háromkomponensű enzim, mely egy hidroxiláz (MMOH), egy kofaktor nélküli fehérje (MMOB) és egy Fe₂S₂ és FAD tartalmú reduktáz (MMOR) alkot. A reakcióhoz szükséges 2 elektront egy NADH biztosítja. Az elektronokat a reduktáz (MMOR) részben előbb a FAD, majd a Fe₂S₂ rész veszi át, és továbbítja az MMOB fehérjén (szabályozó szerep) keresztül a hidroxiláz (MMOH) rész felé, ahová az elektronok csak a szubsztrát megkötődés után jutnak el, megakadályozandó a fehérje roncsolódását. A dioxigén, ill. a szubsztrát kötése és aktiválása a hidroxiláz rész feladata. E fehérje aktív központja kétmagvú nem-hem típusú vaskomplex, melyben a vasionokat karboxilát-híd köti össze kb. 3,5 Å távolságban. Valószínűsíthető, hogy a vasionok Fe(IV)-oxo átmeneti formában aktívak. (ld. citokróm P450 - 10. fejezet).

A reakció lejátszódásához az O₂, ill. a metán egyidejű megkötődésére van szükség, egyébként a fehérjemolekula maga is oxidálódhat. A MMOH α-alegységben három hidrofób üreget találtak egy az aktív helyhez vezető csatornában. Az 1-es számú üreg magát az aktív helyet tartalmazza. Ezt a 2-es számú üregtől egy változó konformációjú leucin oldallánc, mint egy „kapu” választja el. A 2-es és 3-as üregekben alkánok kötődhetnek meg, mutatván, hogy ez a hidrofób csatorna a szubsztrátum útja az aktív központ felé. A reakció mechanizmusát a 11.4. ábra mutatja.

11.4. ábra: A sMMO enzim működési mechanizmusának sematikus ábrázolása.

Az MMOB jelenlétében az MMOH komponens megköti a dioxigén molekulát, és sorozatos lépésekben Fe(III)Fe(II))-szuperoxo, Fe(III)Fe(III)-peroxo, majd Fe(IV)Fe(IV)-oxokomplexeket képez. Ez utóbbi állapot képes a metán metanollá alakítására, miközben Fe(III)Fe(III)-OH forma alakul ki belőle, melyet azután az MMOR enzim redukál vissza a Fe(II)Fe(II) állapotba.

A metán-monooxigenázok egy másik családja a sejtmembránhoz kötötten fordul elő (pMMO). Ezen fehérjék Cu(II)-ionok jelenlétében képződnek, és a metán oxidációjában nagyobb részt vállalnak, mint az oldható enzimek. Aktív központjukban rézionokat tartalmaznak a citokróm-C-oxidáz enzimhez hasonló elrendezésben. Bár ez az enzimcsalád sokkal több metanotróf baktériumban fordul elő, mint membránprotein, izolálása, és ezért tanulmányozása is nehéz. Maga az enzim egy 300 kDa molekulatömegű trimer α₃β₃γ₃ összetétellel (11.5. ábra). A cinkionok szerepe valószínűleg a szerkezet stabilizálása. Működéséről, valamint a természetes elektrondonorokról és az elektrontranszport folyamatról ma még nagyon keveset tudunk.

11.5. ábra: A sejtmembránhoz kötött metán-monooxigenázok egyik képviselőjének kristályszerkezete (PDB kód: 1YEW).

A dioxigén molekula egyik vagy mindkét oxigénatomjának a szubsztrátumba történő beépülését az oxigenáz enzimek katalizálják (ld. 9. fejezet). Az ilyen folyamatokat többnyire vas (pl. citokróm P-450, v. MMO), ill. réztartalmú (pl. tirozináz) enzimek katalizálják. Az oxigénatom-transzfert katalizáló enzimeknek egy másik nagy csoportja molibdén jelenlétét igényli a működéshez.

A molibdén a 4d átmenetifémek közül az egyedüli létfontosságú elem. Ez minden bizonnyal annak tudható be, hogy bár az elem a földkéregben meglehetősen ritka, a tengervízben viszonylag könnyen hozzáférhető a vízoldható MoO₄² -ion formájában. A felszívódását elősegítheti a létfontosságú szulfátionhoz való hasonlósága is. Ezen baktériumok némelyike pl. a CO₂ redukcióját a szulfidionok oxidációjával kapcsolja össze a napfény energiájának hasznosítása során, mely folyamat a fotoszintézis ősének tekinthető (8. fejezet). Érdemes még megemlíteni, hogy ugyanakkor, pl. a 3d homológ kromátion (CrO₄² ) viszont erélyes oxidálószer, ezért fiziológiás körülmények között instabilis és mérgező.

A molibdén további különlegessége abban rejlik, hogy a négyes és hatos oxidációs állapotok között reverzibilis kételektronos folyamatokban (11.3. egyenlet) vehet részt (

 0,300 V). Az oxidion átadással egyidejűleg az elektronok átvétele formálisan oxigénatom transzfernek tekinthető. Ilyen folyamatokat segítenek elő pl. a xantin oxidáz, szulfit-oxidáz, aldehid oxidáz, arzenit oxidáz, nitrát reduktáz, formiát dehidrogenáz, dimetil-szulfoxid dehidrogenáz, trimetilamin-N-oxid reduktáz, biotin-szulfoxid reduktáz (H vitamin képződés) enzimek. A dehidrogenáz, ill. reduktáz enzimek természetesen az oxigénatom szubsztrátumból történő elvonását katalizálják.

A Mo-tartalmú oxotranszferázok mind ugyanazzal a kofaktorral aktiválhatóak. E Mo-kofaktorban a molibdén egy szubsztituált pterin molekulához kötődik (11.6.ábra) annak kén donoratomjain keresztül. (Ez a kofaktor nem keverendő össze a nitrogenáz enzimmel kapcsolatban említett Fe-Mo tartalmú kofaktorral (10. fejezet).) Az X ligandum a különböző enzimekkel együttműködő Mo-kofaktorokban S vagy O donoratom lehet.

11.6. ábra: A molibdopterin kofaktor sematikus szerkezete.

A pterin szerepe: (i) részt vehet az elektrontranszport folyamatokban, (ii) a molibdén tárolása, valamint szállítása az enzimekhez, ill. beépítése az aktív központba. Az utóbbi e kofaktor nélkül nehézkes lenne, a Mo ugyanis vizes oldataiban nem koordinálódó oxoanionjai formájában fordul elő.

Két részletesebben tanulmányozott példán keresztül mutatjuk be az enzimek működését.

A xantin oxidázt elsőként tehéntejből izolálták. A dimer fehérje mindkét alegysége egy molibdént, egy FAD molekulát és két Fe₂S₂ központot tartalmaz. A Mo körül három S, ill. egy O donoratom található. ¹⁸O-nel jelzett kísérletek arra utaltak, hogy a szubsztrátba, a fémionhoz kötődő oxocsoport épül be, vagyis az oxigén nem a molibdén által aktivált oldószermolekulából származik. A reakció során a Mo oxidációs állapota VI-ról IV-re változik, ESR vizsgálatokkal sikerült Mo(V) köztiterméket is kimutatni.

A szulfit oxidáz dimerje monomer egységenként a Mo kofaktor mellett egy-egy hemet is tartalmaz. A katalizált reakció javasolt mechanizmusát a 11.7. ábra szemlélteti. Az enzim a szulfit oxidációját a két molekula citokróm c redukciójával köti össze.

11.7. ábra: A szulfit oxidáz enzim működésének javasolt mechanizmusa.

A primer alkoholok metabolizmusának első lépése azok oxidációja aldehiddé, amit a cinktartalmú alkohol dehidrogenáz (ADH) enzim katalizál. Az aldehideket ezután aldehid oxidázok alakítják tovább karbonsavakká. Az alkoholokat gyártó, vagy lebontó enzimeknek különleges jelentőségük van kérődző állatok, vagy az erjesztő (mint pl. az élesztő) mikroorganizmusok részére, de az alkoholokat az emberi szervezetben is a fent említett ADH enzim alakítja át. Míg a metanol az ADH hatására lassan alakul át - innen az erős idegméreg jellege - addig a hosszabb láncú alkoholok gyorsabban. Viszont az aldehidek továbbalakítása meglehetősen lassú folyamat, ami pl. egy mámoros nap utáni „másnaposságot” eredményezi. A több mint 20 ismert ADH izoenzim különböző sebességgel oxidálja az alkoholokat.

A lómájból izolált alkohol dehidrogenáz két azonos alegységből álló dimer (2×40 kDa). Alegységenként két-két cinkiont tartalmaz. A katalitikus aktivitással bíró fémközpontot a fehérjéhez egy hisztidin és két ciszteinát oldallánc kapcsolja (melyek a fémion bruttó töltéssemlegességét biztosítják). A negyedik koordinációs helyen vízmolekula található. A másik cinkiont négy hisztidin oldallánc veszi körül, ez a fémion nem vesz részt a katalitikus folyamatban - valószínűleg szerkezetalakító hatása van.

Mivel a Zn(II) nem vesz részt redoxi folyamatokban, a 11.4. reakció lejátszódásához szükség van egy koenzimre is a NAD⁺/NADH rendszer formájában. A fémion szerepe a szubsztrátmolekula megkötése, orientációja, valamint elektrosztatikus aktiválása. A koenzim megkötése után az enzim konformációja ún. zárt formába alakul át. A szubsztrátmolekula egy hidrofób csatornán keresztül jut az aktív központba ahol deprotonálódással egyidejűleg a cinkion koordinációs szférájában lévő vizet helyettesíti. Az így képződő bruttó negatív töltés (a cinkkomplex semleges volta miatt) egy formális hidridion-transzfer folyamatot segít elő.

Mind a szubsztrátmolekula, mind pedig a NAD⁺ egyidejűleg többféle kölcsönhatásba lép az enzimmel, és ez a többpontos kötődés szigorú térbeli elrendeződést biztosít (11.8. ábra), azaz a lejátszódó reakció sztereospecifikusságot mutat.

11.8. ábra: Az Pseudomonas aeruginosa ADH enzimének szerkezete ill. a NADH kötőhelye.

- Hogyan szabályozzák a ribonuklotid-reduktázok a képződő különböző dezoxiribonukleotidok arányát?

- Milyen fémtartalmú kofaktorok találhatók a ribonuklotid-reduktázokban?

- Mi a szerepe a fémionoknak az RR enzimekben?

- Mire használják a metanotróf baktériumok a metánt?

- Milyen komponensekből épül fel az oldható metán monooxigenáz, és milyen fémiont tartalmaz?

- Milyen oxidációs állapotokban található a vas a metán monooxigenáz hidroxilázban a katalizált reakció során?

- Mi a hidroxiláz rész feladata az oldható metán monooxigenázban?

- Mi a reduktáz rész feladataaz oldható metán monooxigenázban?

- A dioxigén molekula egyik vagy mindkét oxigénatomjának a szubsztrátumba történő beépülését az oxigenáz enzimek katalizálják. Milyen fémionokat tartalmazhatnak ezek az enzimek? Soroljon fel egy egy példát a különböző fémiontartalmú oxigenáz hatású enzimekre!

- Milyen enzimek kofaktora a Mo-kofaktorban, melyben a molibdén egy szubsztituált pterin molekulához kötődik?

- Milyen oxidációs állapotokban szerepelhet a szulfit-oxidáz enzim által katalizált reakció során a molibdén?

- Milyen fémiont tartalmaz az alkohol dehidrogenáz? Mi a szerepe a fémionnak? Hogyan lehetséges redoxi reakció katalízise?

Elsőként a szénsavanhidráz nevű enzimet tárgyaljuk, kiemelve, hogy ez az enzimek szisztematikus besorolása szerint nem a hidrolázok, hanem a liázok csoportjába tartozik (EC 4.2.1.1). Viszont a katalizált reakció mechanizmusa alapvetően a hidrolázokhoz teszi hasonlóvá. A szénsavanhidráz a szén-dioxid hidratálását katalizálja (12.1. egyenlet).

A szén-dioxid a fotoszintézis kiinduló vegyülete, valamint terméke a katabolizmus reakcióinak. Így ez az enzim rendkívül fontos szerepet tölt be az élő szervezetekben. A szén-dioxid közismerten viszonylag rosszul oldódik vízben. Ezért a légzés során keletkezett szén-dioxid 80 %-át hidrogén-karbonátként szállítja a vér a tüdőbe (a maradék 20 % CO₂-t a hemoglobin szállítja, 9. fejezet). Mind a hidrogén-karbonát képződését mind az ellenkező irányú reakciót (a tüdőben) a szénsavanhidráz katalizálja. A katalizált reakció továbbá a protonkoncentráció szabályozásában is lényeges szerepet tölt be. Az emberi szervezetben a legismertebb formája a humán szénsavanhidráz II (12.1. ábra).

12.1. ábra: A humán szénsavanhidráz II és aktív központjának sematikus szerkezete.

A szénsavanhidráz II molekulatömege kb. 30 kDa, és molekulánként egy Zn(II)-iont tartalmaz. A fémion tetraéderes környezetben található, három imidazolgyűrű és egy vízmolekula veszi körül (12.1. ábra). Az enzim működésének kulcslépése a fémionhoz kötött vízmolekula deprotonálódása (12.2. ábra). A cink Lewis-sav jellege (elektronpár-vonzó sajátsága) révén a víz oxigénjének egyik nemkötő elektronpárját magához vonzva csökkenti az O-H kötés erősségét. A kialakuló Zn-OH egység egy közeli treonin (Thr-199) hidroxilcsoportjával H-kötést kialakítva stabilizálódik (12.2. ábra). Ez a folyamat 6,8-as pK_s értékkel jellemezhető, azaz a fémionhoz kötött víz pK-ja több mint 7 logaritmus egységgel csökken a szabad vízmolekulához képest.

12.2. ábra: A humán szénsavanhidráz működésének sematikus ábrája.

A szén-dioxid megkötődését az aktív központ közelében a Val-121, Val-143, Leu-198 és Trp-209 aminosavak oldalláncai által kialakított hidrofób 'zseb' segíti elő (12.2. ábra). A mechanizmus következő lépése pedig a cinkionhoz kötött hidroxidion nukleofil támadása a szubsztráton. A Zn(II)-ion további szerepe, hogy a negatív töltéssel bíró átmeneti állapotot stabilizálja. Az utolsó lépésben képződő hidrogénkarbonát már nem alakít ki H-kötést környezetével, így könnyen távozhat az aktív központból.

A reakció sebességmeghatározó lépése a cinkhez kötött hidroxidion újraképződését eredményező protontranszfer. A cink Lewis-sav jellegét elsősorban a hozzá kötődő ligandumok határozzák meg. A kristályszerkezet alapján a koordinálódó imidazolgyűrűk térbeli helye H-hidas kölcsönhatások révén rögzített. Ezen H-kötések közül egy-egy megszűnése 1-2 nagyságrenddel csökkenti a fehérje cinkhez való affinitását valamint az enzim aktivitását, ill. egy nagyságrenddel növeli a cinkhez kötött víz pK-ját.

A natív enzim kb. 7-8 nagyságrenddel gyorsítja fel a katalizált reakció sebességét fiziológiás körülmények között. Figyelembe véve, hogy jelen esetben már a nem katalizált reakció is viszonylag gyors (k ~ 0,1 s^-1) a szénsavanhidráz egyike azon kevés enzimeknek, melyek katalitikus hatékonysága közelít a diffúziógátolt határértékhez.

A foszforsav-észterázok a foszforsavészter-kötések hidrolitikus hasításáért felelős enzimek. Beszélhetünk foszforsav-monoészterázokról (foszfatázok), ill. foszforsav-diészterázokról. A legtöbb biomolekulában a foszforsavészter kötés kinetikailag inert. Pl. egy DNS molekula félélettartama fiziológiás körülmények között 100000 és néhány milliárd év, míg az RNS félélettartama 10-100 év között változik. Ez a genetikai információ megőrzése szempontjából létfontosságú az élő szervezetek számára. Ugyanakkor sok esetben szükség lehet a nukleinsavak lebontási folyamataira is, pl. az idegen vírusok elleni védekezésben, az esetlegesen mégiscsak bekövetkező mutációk korrekciójában, vagy a már szükségtelen DNS, RNS lebontása során.

A foszforsavészterek enzimatikus hidrolízise S_N2 mechanizmust követ, melyben a nukleofil reaktáns, a legtöbb esetben hidroxidion. Köztitermékként egy trigonális bipiramisos foszforán alakul ki, majd lehasad a távozó csoport (12.3. ábra).

12.3. ábra: A foszforsav-diészterek katalizált hidrolízisének vázlatos mechanizmusa.

E folyamatokhoz az élő szervezetek rendkívül hatékony enzimeket fejlesztettek ki, melyek többsége fémion(ok) által aktivált enzim. A fémion(ok) szerepe a foszforsavészterek hidrolízisében általában:

(i)a szubsztrát elektrosztatikus aktiválása koordináció révén (Lewis-sav aktiválás), ami a P O kötés polarizálódását, azaz a foszforatomon mérhető parciális pozitív töltés növekedését eredményezi, megkönnyítve ezzel a nukelofil reaktáns támadását

(ii) a nukleofil reaktáns (többnyire hidroxidion) kialakítása

(iii)a foszforán intermedier stabilizálása koordináció és töltéskompenzáció révén

(iv)a távozó csoport stabilizálása koordináció révén

(v)többmagvú aktív központok esetén a fémionok fenti feladatok ellátásában együttműködhetnek, ill. megoszthatják azokat egymás között.

A peptideket és fehérjéket felépítő aminosav-egységeket savamid (peptid)kötések kötik össze. Fiziológiás körülmények között a peptidkötés is rendkívül inert, átlagos félélettartama 100-1000 év. Enzimatikus hidrolízisüket a proteázok végzik, melyek jelentős része egy vagy két Zn(II)-iont tartalmaz. Az egymagvú enzimek jelentős hasonlóságot mutatnak. A szubsztrát távollétében a fémion körül többnyire tetraéderes szerkezet alakul ki, (His,His,Glu/Asp,H₂O) vagy (His,His,His,H₂O) donorcsoportok részvételével. További hasonlóságot jelent, hogy a fémionhoz koordinálódó vízmolekulához egy Glu/Asp egység kötődik H-hidas formában, aminek szerepe a nukleofil hidroxidion kialakulásának elősegítése (erre már több példát láttunk az előző fejezetekben is).

A legismertebb metallopeptidáz a karboxipeptidáz A, egy emésztő enzim, mely a peptidek, proteinek C-terminális egységét hasítja, főként, ha az egy nagy térkitöltésű hidrofób oldalláncot tartalmaz (pl. fenilalanin). Az enzim működési mechanizmusa még ma is vitatott. A legvalószínűbb forgatókönyvet a 12.9. ábra mutatja be.

12.9. ábra: A karboxipeptidáz A aktív központja és a reakció vázlatos mechanizmusa.

(http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/724/741576/Instructor_Resources/Chapter_24/Ch24MR.ppt#39)

A szubsztrátot az aktív központ közelében lévő pozitív töltésű Arg127 guanídium csoportja elektrosztatikusan aktiválja a karbonil-oxigénnel kialakított H-hidas kötés révén. A szubsztrát szelektív megkötődését, valamint annak megfelelő orientálását elősegíti még egy hidrofób zseb, valamint a szubsztrát karboxil- és karbonil-csoportjai által létrehozott H-hidas kötésrendszer. Ezután a fémionhoz kötött víz deprotonálódása játszódik lemajd a nukleofil hidroxidion támadást hajt végre a részlegesen pozitív töltésű karbonil-szénen. A C-N kötés felhasadásával párhuzamosan a Glu270 valamint a kialakuló új C-terminális egység karboxilcsoportja protont ad át a peptidkötésben résztvevő nitrogénnek. Így teljessé válik a hidrolízis és a termékek eltávoznak az aktív központból. A fémion szerepe a folyamatban tehát a nukleofil reaktáns generálása, valamint az átmeneti állapot stabilizálása.

További két metallopeptidáz családról teszünk röviden említést. A termolizinekben (hőstabil endopeptidázok, melyek láncközi peptidkötéseket hidrolizálnak) a Zn(II)-ion mellett található négy Ca(II)-ion biztosítja az enzim hőstabilitását. A Zn(II) koordinációs szférája igen hasonló a karboxipeptidáz A-hoz (12.10.a ábra). Működési mechanizmusukban két fő eltérés: (i) a szubsztrát elektrosztatikus aktiválásában (a C=O kötés polarizálásában) részt vesz a fémion is, (ii) ezt a folyamatot (és az átmeneti állapot stabilizálását) egy közeli hisztidin és tirozin is elősegíti H-hidak kialakítása révén (a karboxipeptidáz A-ban, ezeket a funkciókat egy guanídiumcsoport látta el).

12.10. ábra: A termolizin (a) és az adamalizin II (b) enzimek aktív központja (termolizin esetén a kristályszerkezet a fémionhoz kötött vízmolekula két lehetséges helyét mutatja).

A retrolizinek a kígyómérgek összetevői, melyek közül az egyik legveszélyesebb az Adamalizin II. Mérgező hatása az extracelluláris mátrix fehérjéinek (pl. kollagén) hidrolízisében nyilvánul meg. A tetraéderes geometriájú központi fémiont 3 imidazolgyűrű és egy vízmolekula veszi körül, s itt is megtalálható a koordinált vízhez kötődő Glu karboxilát (12.10.b ábra). Működési mechanizmusa analóg a termolizinével, azonban a szubsztrát elektrosztatikus aktiválásához (valamint az átmeneti állapot stabilizálásához) nincs szükség a termolizineknél jelentős szerepet betöltő hisztidin és tirozin oldalláncokra. A retrolizinek egyébként jelentős szerkezeti és funkcionális hasonlóságot mutatnak a sokkal 'békésebb természetű' mátrix metalloproteinázokkal.

Az 1980-as évek elején fedezték fel, hogy bizonyos RNS molekulák képesek kémiai reakciók katalízisére. E felfedezésért T. R. Chec és S. Altman 1989-ben kémiai Nobel-díjat kapott. A ribonukleinsav enzimek, az ún. ribozimok felfedezése a földi élet kialakulására vonatkozó elméletek területén is alapvetően új gondolatokat vetett fel (4.2 fejezet). Az RNS biológiai katalizátorként való működése sokáig elképzelhetetlen volt. Ennek okai:

(i) a négy lehetséges oldallánc (bázis) a fehérjékhez képest jóval kisebb szerkezeti változatosságot eredményez,

(ii) a bázisok alapesetben nem képesek proton felvételére, ill. leadására a fiziológiás pH-tartományban (ami elősegítené sav-bázis folyamatok katalízisét),

(iii) az RNS-lánc meglehetősen flexibilis (nehézkessé teszi a specifikus kölcsönhatást a szubsztráttal), és

(iv) nagy negatív töltéssel rendelkezik (ami a töltéssel bíró szubsztráttal nem-specifikus kölcsönhatást eredményez).

Később kiderült, hogy a H-hidas kölcsönhatások változatos és stabilis harmadlagos szerkezetet alakíthatnak ki, valamint a bázisok egy-egy nitrogénjének sav-bázis tulajdonságát jelentős mértékben befolyásolhatják. A természetben előforduló ribozimok szinte kizárólag sav-bázis reakciókat katalizálnak, mint a foszforsavészterek átészterezése, ill. hidrolízise. Ez alól riboszómális RNS kivétel, melyek a peptidek (fehérjék) szintézisében (peptidil transzfer) vesznek részt. A természetes ribozimok nagy része saját foszforsavészter kötéseit alakítja át sztöchiometrikus reakcióban, ezért valódi katalitikus folyamatról csak az RNáz P, ill. a már említett riboszómális RNS esetén beszélhetünk. A nagyméretű ribozimok (300-3000 bázis) képviselői pl. az RNáz P vagy az ún. I és II típusú intronok. Az általuk katalizált reakció a 12.14.a ábrán látható. A kisebb méretű 'hajtű' (hairpin) és 'kalapácsfej' (hammerhead) ribozimok a 12.14.b ábrán bemutatott folyamatot segítik elő.

12.14. ábra: A ribozimok által katalizált reakciók két jellemző típusa

(a) a nagyméretű ribozimok működésének reakciómechanizmusa (BOH = H₂O (RNáz P), BOH = a guanozin kofaktor 2'-hidroxil csoportja (I-es típusú intron))

(b) a kisebb méretű ribozimok által elősegített folyamat reakciómechanizmusa.

A 12.14. ábra alapján megállapítható, hogy az eddig ismert ribozimok közül csak az RNáz P tekinthető hidroláznak. A foszforsavészter kötés átalakításában szerepet játszó többi ribozim egy átészterezési folyamatot (foszforil transzfert) segít elő. Az RNáz P a tRNS "érésének" egyik lépését, prekurzor tRNS (pre-tRNS) molekulák 5'-végéhez közeli P-3'O kötés hidrolízisét segíti. A reakció eredményeképpen kialakuló tRNS végén egy 5'-foszfát-, a lehasadó oligonukleotidon 3'-hidroxilcsoport alakul ki. A baktériumok RNáz P ribonukleoproteinjei a 350-400 nukleotidból álló RNS-lánc mellett egy viszonylag kis (15kDa) bázikus fehérjét is tartalmaznak, mely, bár elengedhetetlen az RNáz P működéséhez in vivo, az RNS alegység önmagában is képes a foszforsavdiészter kötés hidrolízisére in vitro. Az E. coli RNáz P RNS-ének szerkezete 18 helikális részre tagolható (P1-P18) (12.15. ábra).

12.15. ábra: A kólibaktérium RNáz P RNS-ének másodlagos és harmadlagos szerkezete.

A katalitikus folyamat csak Mg(II) (esetleg Mn(II)) ionok jelenlétében játszódik le. A ribozimok esetén a fémion három alapvető funkciót láthat el: (i) az RNS harmadlagos szerkezetének kialakításában, (ii) a szubsztrát megkötésében, valamint (iii) a katalitikus folyamatban vehet részt. Az RNáz P esetén a Mg(II)-ionok mindhárom funkció ellátásában szerepet vállalnak. A reakció mechanizmusa S_N2, hasonlóan a legtöbb metallohidroláz által katalizált folyamathoz. A nukleofil reaktáns a fémionok segítségével kialakuló hidroxidion. A feltételezett mechanizmus szerint két fémion vesz részt a szubsztrát aktiválásában, három fémion az átmeneti állapot, míg a negyedik a távozó csoport stabilizálásában.

- Mely fémionok fordulnak elő leggyakrabban a metallohidrolázok aktív központjában? Mely fő tulajdonságaik teszik őket erre alkalmassá?

- Milyen folyamatot katalizál a szénsavanhidráz? Hol van ennek szerepe az élő szervezetekben?

- Mi a cinkion két fontos szerepe a szénsavanhidráz mechanizmusában?

- Hogyan csoportósítjuk a foszfoészterázokat? Mely biológiai molekulák ezen enzimek szubsztrátjai?

- Mi a fémion(ok) szerepe általában a foszfoészterázokban?

- Mi az oka annak, hogy az alkalikus foszfatáz pH 9-10 között, míg a bíborsavfoszfatázok pH ~ körül?

- Miért jelentősek számunkra a specifikus DNS szekvenciákat felismerő restrikciós endonukleázok?

- Milyen hasonlóságokat mutat a szénsavanhidráz és a karboxipeptidáz A működési mechanizmusa?

- Milyen peptidkötést hasító fémtartalmú enzimeket ismert meg a fentiekben? Ezeknek milyen élettani hatása van?

- Mi a baktériumok antibiotikumokkal szembeni rezisztanciája kialakulásának egyik legfőbb oka bioszervetlen kémiai szempontból?

- Mik a ribozimok?

Az ATP, mint energiahordozó, hidrolízise során energia szabadul fel, ami az élettani folyamatok energiaszükségletét fedezi (13.1. egyenlet). Egy átlagos felnőtt kb. a testsúlyának megfelelő ATP-t szintetizál naponta, így az egyszerre jelenlévő mintegy 50 g ATP minden molekulája naponta átlagosan 1400-szor alakul át ADP-vé, majd vissza. Az ATP a szervezetben szinte kizárólag Mg²⁺ komplexe formájában fordul elő (néha ezt a szerepet átveszi a Mn(II)-ion), azonban e komplex szerkezetét nem ismerjük pontosan. Más fémionok ATP komplexeinek szerkezete alapján a 13.1. ábra a Mg-ATP komplex két lehetséges szerkezetét mutatja.

13.1. ábra: A Mg-ATP komplex lehetséges szerkezetei.

Az ATP legnagyobb mennyiségben az oxidatív foszforiláció során képződik a mitokondriumban, de pl. a Na⁺,K⁺ ATPáz fordított működése (6.2. fejezet) is ATP-t eredményez. Az ATP-ben tárolt energia felhasználása is igen sokcélú lehet:

(i) az energia raktározása egy későbbi felhasználás céljából (kreatin?kreatin-foszfát),

(ii) egy fehérje konformáció változása, az enzimaktivitás, ill. transzport folyamatok szabályozása, vagy mechanikai munka végzése,

(iii) egyes metabolikus folyamatok energiaigényének fedezése, stb.

A lejátszódó kémiai folyamat sok esetben igen hasonló: az ATP terminális foszfátcsoportja átkerül a reakciópartnerre (foszforil-transzfer). Pl. a Na⁺,K⁺-pumpa működésében meghatározó jelentőségű konformációváltozást egy karboxilcsoport foszforilálása indítja el (6.2. fejezet). A legtöbb ionpumpa működését hasonló folyamat szabályozza (13.2. egyenlet).

Az enzimek oldalláncaiban található csoportok reverzibilis foszforilálása (13.3. egyenlet), melyet az ún. protein kinázok katalizálnak, az enzimműködés szabályozásának egyik legfontosabb mechanizmusa (4.5, 12.2.1. és 14.2. fejezetek). E folyamat során leggyakrabban a fehérjelánc egy szerin, vagy tirozin alegységének OH-csoportja foszforilálódik, s így egy foszforsav-monoészter (X = O) alakul ki, de karboxilátcsoport (X = CO), ill. guanídiumcsoport (X = NH-C(NH₂)NH) is részt vehet hasonló reakciókban. A kinázok által katalizált foszforilációnak nagy szerepe van a metabolikus folyamatokban is, mint pl. a glikolízis. A hexokináz az indító lépést katalizálja (13.4. egyenlet). A foszforiláció aktiválja a reaktánst, mely további folyamatokban vesz részt, de a kialakuló negatív töltés befolyásolhatja az adott vegyület membrántranszportját is. A kinázok az ellenkező irányú foszforiltranszfert, az ATP képződését is katalizálják (így válhat a glikolízis egészének energiamérlege pozitívvá). A glikolízis első ilyen lépése során az 1,3-biszfoszfoglicerát nagyenergiájú, a karboxiláttal vegyesanhidridet képző foszfátcsoportja (ún. makroerg foszfát) kerül át az ADP-re (13.2. ábra).

13.2. ábra: Az 1,3-biszfoszfoglicerát és az ADP reakciójának sematikus ábrázolása.

A Mg-ATP komplexnek az aktív központban való megkötődésében mind a fémion, mind az ATP részt vesz, az aminosav oldalláncokkal kialakított koordinatív, H-hidas, ill. hidrofób kölcsönhatások révén. A fehérjéhez kötött Mg-ATP komplexben a Mg(II)-ion már nem a 13.1. ábrán bemutatott módon kötődik az ATP-hez, ami lehetővé teszi az XH csoport nukleofil támadását a terminális (g) foszforatomon. Ezt a folyamatot általában a fehérje egy oldallánci csoportja (pl. karboxilát), ill. egy másik fémion is elősegíti (13.3. ábra). Az ellenkező irányú folyamatot is hasonlóképpen értelmezhetjük, ekkor azonban az ADP terminális foszfátjának oxigénje a nukleofil reaktáns.

13.3. ábra: A protein kinázok működésének egy lehetséges mechanizmusa.

A glutamin szintetáz által katalizált reakció (13.4. ábra) két lépésben játszódik le: előbb a glutamátnak egy foszfáttal alkotott vegyesanhidridje képződik, majd e reaktív köztitermék reakcióba lép az ammóniával, ami egy tetraéderes aktív komplex kialakulásán keresztül, a glutamint eredményezi.

13.4. ábra: A glutamin szintetáz által katalizált reakció.

A folyamatban két Mg(II)-ion vesz részt, melyek egymástól viszonylag távol, 5,8 Å-re vannak (13.5. ábra). Az ATP terminális foszfátcsoportjának aktiválásában mindkét fémion szerepet vállal, ugyanakkor a glutamát nukleofil karboxilcsoportjához csak egy Mg(II)-ion kötődik. A karboxil-oxigén nukleofil támadása után mindkét fémion részt vesz a foszforán intermedier stabilizálásában, majd a másik Mg(II)-ion segíti elő a távozó csoport (ADP) leszakadását. Az így kialakuló savanhidridhez mindkét fémion koordinálódik, s ez elősegíti az ammónia nukleofil támadását a karboxilátcsoport szenén. Végül a C-O kötés felhasadásával távozik a hidrogén-foszfátion. Az enzim fontos szerepet játszik a szervezet számára rendkívül toxikus szabad ammónia koncentrációjának alacsony értéken tartásában, működése pedig a reakciópartner foszforiláció általi aktiválásának szép példáját mutatják be.

13.5. ábra: A glutamin szintetáz vázlatos működése.

1926-ban fedezték fel, hogy az egyébként halálos vészes vérszegénység gyógyítható állati májból készített extraktum adagolásával. Később kiderült, hogy a hatóanyag egy Co(III)-tartalmú vegyület. Tiszta formában csak 1948-ban izolálták. Szerkezetét röntgendiffrakciós módszerrel határozták meg 1956-ban. A B₁₂ koenzim mérete (M_r = 1350) miatt azonban a szerkezet azonosítása nagy kihívás volt, D. Crowfoot-Hodgkins 1964-ben kémiai Nobel-díjat kapott ezért.

A B₁₂ koenzimben a porfinhez hasonló korringyűrű (13.6. ábra) veszi körül a kobaltiont. Eltérés a porfintól, hogy a korringyűrű ún. külső szénatomjai sp³ hibridállapotúak. Ennek következtében a korringyűrűben kilenc királis szénatom van, a porfinben viszont egy sem. A korringyűrű továbbá egy szénatommal kevesebbet tartalmaz, így az általa kialakított belső üreg mérete kisebb, mint a porfiné. A korringyűrű négy ekvatoriálisan koordinálódó nitrogénje mellett az egyik axiális helyzetben egy, a gyűrűhöz kapcsolt, benzimidazolgyűrű nitrogénje koordinálódik, míg a hatodik pozícióban több ligandum is kötődhet a fémionhoz. Az elsőként azonosított szerkezet itt egy cianidiont tartalmazott, valószínűleg az izoláció során alkalmazott eljárás következményeként. Ezt a vegyületet B₁₂ vitaminnak nevezték el, mivel az emberi szervezet a korringyűrűt nem képes előállítani, erre csak az egészséges ember bélflórájában lévő baktériumok képesek. Azonban a biológiailag aktív formák vagy egy metilcsoportot (metilkobalamin), vagy 5'-dezoxiadenozil szubsztituenst (B₁₂ koenzim) tartalmaznak.

13.6. ábra: A metilkobalamin szerkezete (X = CH3).

Meglepő, hogy a metilkobalaminban és a B₁₂ koenzimben tehát a fémionhoz közvetlenül egy metil-, ill. egy metiléncsoport kötődik. E vegyületek máig kizárólagos példái a stabilis fémorganikus vegyületek megjelenésének az élő szervezetben. A fémorganikus molekulák döntő többsége elhidrolizál vizes oldatban.

Mindkét biológiailag aktív forma koenzimnek tekinthető, azaz különböző enzimekhez kapcsolódva fejtik ki hatásukat. A csoporttranszfer enzimek kapcsán a metilkobalaminnak van kulcsjelentősége, míg a B₁₂ koenzim néhány izomeráz és dehidratáz enzim működésében játszik meghatározó szerepet.

A metilkobalamin a metilezési reakciókban a metilcsoportot szolgáltatja (pl. koenzim A szintáz a 10. fejezetben), de a katalitikus reakcióban közvetlenül nem vesz részt. Bár több biológiai metilforrás is ismert (pl. S-adenozil metionin), a kobalamin az egyetlen, amely a kobalt vegyértékváltó sajátsága révén a karbanionos (CH₃) forma mellett, karbokationos (CH₃⁺) vagy gyökös alakban (CH_3?) is képes a metilcsoport átadására. Ez a Co-C kötés homo-, ill. heterolitikus felhasadása révén lehetséges (13.5. egyenlet). A kísérleti eredmények arra utalnak, hogy a metilkobalamin reakciói esetén döntően kobal(I)amin és karbokation (CH₃⁺), míg a későbbiekben tárgyalandó B₁₂ koenzimnél kobal(II)amin és alkilgyök (R-CH_2?) képződik.

A homocisztein metilezésében, mely folyamatot a homocisztein-metil-transzferáz katalizálja, a metilkobalamin vesz részt (13.7. ábra).

13.7. ábra: A homocisztein metilezésének folyamata.

A reakcióhoz szükséges metilkobalamin a

kobalamin + 5-metil-tetrahidrofolát ? tetrahidrofolát + metilkobalamin(13.6.)

reakcióban képződik, így a metilkobalamin és a tetrahidrofolát mennyisége a szervezetben szoros kapcsolatban áll egymással. Mivel a tetrahidrofolát fontos szerepet tölt be a nukleotidok bioszintézisében, a kobalamin hiánya abban súlyos zavarokat okoz, s ennek egyik kórképe a vérszegénység egy fajtája.

A B₁₂ koenzim az izomerázok működésében játszik szerepet. Nagyszámú enzim működését segíti elő (13.2. táblázat), melyek által katalizált reakciók mechanizmusa gyökös típusú 1,2-átrendeződés (13.9. ábra). A B₁₂ koenzim Co(III)-C kötésének homolitikus disszociációja egy alkilgyököt eredményez, ami H-atomot szakít le a szubsztrátról. A visszamaradó gyök 1,2-átrendeződésen megy keresztül, majd visszaveszi a H-atomot. Ezzel az izomerizáció teljessé válik, és a B₁₂ koenzim regenerálódik.

13.9. ábra: A B12 koenzim-függő izomerázok működésének általánosított mechanizmusa.

13.2. táblázat: A B12 koenzim-függő izomerázok általánosított mechanizmusa, valamint néhány képviselőjük.

Az 1,2-diolok dehidratálásának (13.10. ábra) első lépése a B₁₂-függő dehidratázok által a fentiekkel teljesen analóg módon játszódik le. A folyamatban képződő geminális diol azonban spontán vízvesztéssel tovább alakul aldehiddé.

13.10. ábra: A B12 koenzim-függő dehidratázok által katalizált reakció (első lépés) terméke spontán vízvesztéssel aldehiddé alakul.

- Soroljon fel néhány atom-, ill. csoporttranszfer folyamatban résztvevő segédanyagot!

- Milyen szerepe van a szerveteben az ATP molekulának?

- Hogyan képződik az ATP?

- Milyen folyamatot katalizálnak a protein kinázok?

- Milyen fémionok vezsnek tészt a fenti folyamatokban?

- Rajzolja fel a metilkobalamin vázlatos szerkezetét! Milyen fémiont tartalmaz, és e körül milyen donoratomok találhatók?

- Milyen enzimek működését segíti a B ₁₂ koenzim? Soroljon fel néhány példát! Milyen biológiai folyamatokban vesznek részt ezek?

- Írja le röviden a B ₁₂ koenzimmel együttműködő izomerázok által katalizált reakciók mechanizmusát! Milyen típusú reakciókról van szó? Hogyan segíti ezt a B ₁₂ koenzim?

A fémionok ionos kölcsönhatásaik, ill. koordinatív kötéseik révén alkalmasak lehetnek egy-egy makromolekula vagy szupramolekuláris egység szerkezetének kialakítására, ill. annak stabilizálására. A korábban már említettek szerint ilyenek lehetnek:

(i) Szerkezetstabilizálás töltéskompenzáció révén. A polielektrolitként viselkedő makromolekulák (DNS, RNS, poliszaharidok), ill. sejtalkotók (pl. foszfolipid membrán) felületén rendkívül nagy negatív töltés töltés halmozódik fel. A biológiai szempontból kívánatos szerkezet (pl. a DNS kettős spiráljának) megtartása érdekében, nagyszámú ellenion (főként alkálifém-ion) nem-specifikus kötődése szükséges.

(ii)Szerkezetépítés koordinatív kötések révén. Főként a fehérjékre, ill. RNS molekulákra jellemző, hogy a megfelelő harmadlagos szerkezetet kialakításában fémionok is szerepet játszanak, az oldallánci csoportokhoz való koordináció révén összekapcsolják, a térben egymáshoz képest rögzítik az egyes molekularészeket. Bár a korábbiakban főként az aktív centrumban helyet foglaló fémionokról tettünk említést, néhány esetben szóba kerültek már katalitikus funkcióval nem bíró, kizárólag a szerkezetépítésben részt vevő fémionok is, például a ribozimok, ill. az alkohol dehidrogenáz esetén.

Egy további érdekes és fontos példa lehet a koordinatív kötések révén megvalósuló szerkezetépítésre, a Zn(II)-inzulin kölcsönhatás. Az inzulin egy a glukolízis és a glukoneogenezis szabályzásában résztvevő hormon, amely a vércukorszint emelkedésekor lép működésbe. A szervezet, hogy mindig megfelelő mennyiségű inzulin álljon rendelkezésre, a Golgi-készülékben tárolja az előállított és még fel nem használt inzulint, egy (Zn₂)(Ca)(inzulin)₆ összetételű hexamer formájában. A két Zn(II)-ionhoz 3-3 imidazolgyűrű (mindegyik inzulinról egy-egy) koordinálódik. E hexamer három szerkezetet vehet fel. A Golgi-készülékben a fizikai és kémiai behatásoknak leginkább ellenálló, ráadásul rosszul oldódó R₆ forma tárolódik (14.1.a ábra). Az R₆ hexamer stabilitásához a 6 db hidrofób zsebben megkötődő aromás vegyület (pl. fenol vagy krezol, 14.1.c ábra), ill. a két fémionhoz kötődő szervetlen anion (pl. klorid vagy rodanid, 14.1.e ábra) is hozzájárul, minthogy kötődésük révén a hexamer szerkezet zártabb lesz, s a tetraéderes koordinációjú Zn(II)-ionokat elzárják a hexamer felbomlását eredményező, cinkhez erősen kötődő ligandumoktól (14.1.e ábra). Az alloszterikus hidrofób zsebekben kötődő aromás vegyületek disszociációja a hexamer jelentős konformációváltozását idézi elő. Az átalakulás két lépésben (R₆ ? R₃T₃ ? T₆) történik meg. A T₆ hexamer szerkezetének egésze s a fémionok közvetlen környezete is jóval nyitottabbá válik R₆-hoz képest, ami megkönnyíti a biológiailag aktív inzulin monomerek képződését. A vércukorszint emelkedésének hatására a Golgi-készülékben tárolt R₆ kilökődik a sejten kívüli térbe. Minthogy itt az alloszterikus ligandumok koncentrációja jóval kisebb, azok disszociálnak R₆-ról s lejátszódik az R₆ ? R₃T₃ ? T₆ átalakulás. A hexamer felbomlását elősegíti az új környezet alacsonyabb pH-ja, ill. hogy az ott jelenlévő erős fémkötő ligandumok leszorítják a cinket az inzulinról. A vizsgálatok szerint a vércukorszint megemelkedése után 10 másodperc múlva megjelenik a véráram által szállított inzulin a májban, így fent említett folyamat csak néhány másodpercet vesz igénybe.

14.1. ábra: A (Zn2)(Ca)(inzulin)6 hexamer R₆ (a) és T₆ (b) formájának szerkezete (a két fémion fedi egymást), az azokat felépítő alegységek szerkezet (c,d), ill. a Zn(II)-inok közvetlen környezete (e,f).

(Michael F. Dunn, Zinc ligand interactions modulate assembly and stability of the insulin hexamer   a review, BioMetals (2005) 18:295 303)

Az előző fejezetekben tárgyalt metalloenzimekben, ill. fémionok által aktivált enzimekben/fehérjék-ben a fémion(ok) kofaktorként szerepel(nek), így szélesebb értelemben természetesen részt vesz(nek) az adott enzim/fehérje működésének szabályzásában. Jelen fejezet témája azonban, a fémionoknak azon szerepe, amely egy bonyolult folyamat (pl. transzkripció) vagy egy nagyobb működési egység (pl. több száz enzim működésének összehangolása) szabályzását teszi lehetővé.

Az eddigiekben már sok metalloenzim kapcsán részleteztük, hogy a fémion koordinációs szférájának kismértékű megváltozása milyen jelentős hatással lehet a fehérje sajátságaira. Erre vonatkozóan számos példa akad pl. az elektronszállító fehérjék között (7. fejezet). A citokrómokban a vashoz axiális pozíciójában kötődő egyik imidazolgyűrűt egy metionin tioéter donorcsoportjára cserélve, a redoxi potenciál akár 400-600 mV-tal is megnőhet. Hasonló változást idéz elő a [2Fe-2S] centrum két terminális tiolát csoportjának imidazolgyűrűre való cseréje (nem is beszélve arról, hogy ez a csere pH-függő sajátságot kölcsönöz a Rieske-centrummal rendelkező fehérjéknek). Ugyanakkor az ún. 'normális' Fe₄S₄ és a HIPIP elektronszállító fehérjék aktív centruma teljesen azonos donorcsoportokat tartalmaz. Különbség csak a koordinálódó tiolátcsoportokat elválasztó aminosav-egységek számában, ill. ennek következtében az Fe₄S₄-klaszter körüli környezet hidrofób jellegében mutatkozik. Mindez a klaszterek szerkezetének csak kismértékű eltérését eredményezi. Ennek ellenére a két enzimcsalád redoxipotenciálja akár 500 mV-tal is eltérhet egymástól.

A következőekben, maradva a vas-kén klasztereknél, arra mutatunk példát hogy a fémionok koordinációs szférájának viszonylag csekély megváltozása alapvetően eltérő funkciót eredményezhet.

A vas-kén klaszterrel rendelkező elektronszállító fehérjék már a földi élet kezdeti szakaszában kialakultak, s az evolúció hosszú évmilliói alatt gyakorlatilag alig változtak. Ezért a 80-as évek elején kisebb szenzációnak számított az a bejelentés, hogy a Krebs-ciklus egyik kulcs enzime, a citrát-izocitrát átalakulást (14.4. ábra) katalizáló ún. akonitáz aktív centrumában egy nem-redoxi funkciójú Fe₃S₄ klaszter található. Ma már több ilyen vas-kén klasztert tartalmazó dehidratázt ismerünk, melyek szép példái az aktív centrumok 'evolúciójának'.

14.4. ábra: a citrát-izocitrát átalakulás.

Az akonitáz enzim működésének leírását jelen anyag alapirodalmának tekinthető 1. irodalom 203. oldalán ismertetjük.

- Milyen szerkezetstabilizáló, ill. szerkezetépítő szerepe lehet a fémionoknak az élő szervezetben?

- A Zn(II) ionok szerepe az inzulin szabályozott felszabadulásában.

- A cink-ujj fehérjék szerepe a genetikai információ átirásában.

- A Ca(II)-fehérjék szerepe az élő szervezetben.

- A citrát izocitrát átalakulás jelentősége az élő szervezetben.

Amint azt a 2.1. fejezetben tárgyaltuk még a létfontosságú elemek is csak egy adott koncentrációtartományban fejtenek ki pozitív biológiai-fiziológiai hatást. Ez a koncentrációtartomány egyedenként kisebb-nagyobb eltéréseket mutat. A kívánatosnál kisebb koncentrációban hiánybetegségeket okoz, míg nagyobb koncentrációknál fölösleg betegségek lépnek fel.

15.1. táblázat: Egyes létfontosságú elemek hiány- és fölöslegbetegségei.

A hiánybetegségek általános kezelési módja a nyomelemek pótlása. Fontos kérdés a megfelelő, biológiailag hozzáférhető formában való bevitel, ami a nyomelem gyors lehetőleg minél teljesebb felszívódását teszi lehetővé. A gyógyszertárakban kapható nyomelem készítmények (Centrum, Béres cseppek) ma már általában biztosítják ezt, azonban a nem gyógyszertárakon keresztül terjesztett „csodaszerektől” inkább tartózkodjunk, mert esetleg több kárt okoznak, mint hasznot. A kívánatosnál nagyobb koncentráció, akár a nem megfelelő kiválasztás, akár a túlzott felvétel miatt, mérgezési tüneteket válthat ki. Az ilyen mérgezések a bioszervetlen kémia eredményeinek felhasználásával is kezelhetőek, például, amikor az illető nyomelemnek az antagonistáját adjuk, amely képes a fölöslegbe került nyomelemet kiszorítani a biológiai kötési helyeiről és az kiürülhet a szervezetből. Másik lehetőség az úgynevezett „kelátterápia”, amikor a toxikus elemet megfelelő, az illető elemre specifikus komplexképző-szerrel visszük a szervezet által kiválasztani képes, megfelelő termodinamikai és kinetikai tulajdonságokkal rendelkező komplex vegyületbe. A kelátterápiával kapcsolatosan a specifitás az alapvető probléma. A komplexképződés ugyanis inkább tekinthető egy-egy elemcsoportra nézve szelektív folyamatnak, mint kizárólagosan egy elemre specifikusnak. Ennélfogva egy adott káros elemnek vagy egy elem fölöslegének a specifikus eltávolítása anélkül, hogy más esetleg létfontosságú elemek anyagcsere-egyensúlyait megzavarnánk a módszer lényegi követelménye. A 15.2. táblázatban néhány ilyen, a kelátterápiában használatos komplexképzőt és az általa eltávolítani képes fémiont tüntettük fel.

15.2. táblázat: A kelátterápiában használatos néhány ligandum.

A továbbiakban néhány elem anyagcserezavarából fakadó hiány- és fölöslegbetegségről teszünk említést.

A nem létfontosságú elemeknek két csoportja különböztethető meg: egyrészről azok, amelyekről még nem igazolták, hogy hasznosak az élethez (vagy annak bizonyos formáihoz), mert kicsi az előfordulásuk, ill. a biohozzáférhetőségük (pl. pH?7-en az oldhatóságuk kicsi), másrészt azok, amelyeknek csak negatív hatását mutatták ki eddig, azaz mérgezőek.

Potenciálisan toxikus elemek a nehézfémek, mint pl. az Sb, Sn, Bi, Zr vagy a lantanoidák. A kifejezetten toxikus elemek között inkább szoft fémeket találunk, mint a Hg, Cd, Tl, Pb, de hard fémeket is, mint a Be vagy az Al. Az egyes elemek hasznosság vagy károsság szerinti besorolása nem tekinthető örökéletűnek. Például a szelén hosszú ideig mérgező elemnek számított és csak az ötvenes évek vége felé mozdult először a potenciális, majd a valóságosan is létfontosságú elemek csoportja felé, amikor kiderült többek között, hogy a glutation oxidáz enzim alkotóeleme. Az analitikai kémiai módszereink érzékenységének fejlődése még lehet, hogy más elemekről is ki fogja deríteni, hogy igen kis koncentrációban hasznos biológiai funkcióval bírnak, csak ma ezeket a koncentrációkat nem tudjuk biztonságosan detektálni, vagy megkülönböztetni a háttér-szennyezéstől.

Az elemek toxikus hatása általában ahhoz rendelhető, hogy hasonlóságuk révén létfontosságú elemeket szorítanak ki biológiai funkciót ellátó helyükről, és így fontos folyamatokat blokkolnak. Ilyen párokat alkotnak, pl. a Zn vs. Cd? Ca vs. Pb, Cd, ^9?Sr? K vs. Tl, ^134/137Cs? Mg vs. Be, Al? Fe vs. ²³⁹Pu.

Az elemek toxikusságában meghatározó szerepe van azok aktuális kémiai formájának (speciációjának). Pl. általánosan kimondható az, hogy a fémionok szerves, fémorganikus származékai, a bioalkilezett ionok, R_nM⁺ sokkal mérgezőbbek, mint a hidratált szervetlen kationok Mⁿ⁺ (RHg⁺vs. Hg²⁺). Vagy a króm a VI oxidációs állapotban részben nagyobb hozzáférhetősége miatt toxikusabb, mint a Cr(III). Az élő szervezetek különböző energiaigényes méregtelenítő rendszereket fejlesztettek ki a nemkívánatos szervetlen elemek/vegyületek eltávolítására:

15.4. táblázat: Ivóvizekben megengedett maximális nehézfém mennyiségi határértékek (201/2001. (X.25.) Korm. rendelet).

A következőkben röviden néhány mérgező elemről a legfontosabb tudnivalókat foglaljuk össze.

- Említsen néhány jellemző példát a fémionok hiányának és fölöslegének káros bilológiai hatására!

- A fémionok hiányának és fölöslegének hatására kialakuló rendellenességek megszüntetésének lehetőségei.

- A vas és a réz hiányának és fölöslegének betegségei és kezelése.

- A kelátterápia.

- A legfontosabb toxikus fémionok és hatásuk az élő szervezetekre: általános elvek és konkrét hatások.

A gyógyászatban alkalmazott legismertebb komplexvegyületek vagy komplexképző ligandumok képletét a 16.1. ábrán foglaltuk össze. Ezek között legnagyobb számban rákellenes szerekkel találkozunk és közöttük is a platina különböző komplexvegyületei a legkiterjedtebben használatosak. A ciszplatin (cisz-diammin-dikloro-Pt(II) vagy cisz-DDP¸ 1) rákellenes hatását még az 1960-as évek elején fedezték fel (B. Rosenberg és munkatársai) és napjainkban ez a vegyület (vagy származékai) az egyik legszélesebb körben és legsikeresebben alkalmazott gyógyszer a rák kemoterápiájában. Az 1983-as bevezetése óta csak az USA-ban évente kb. 30 000 beteg gyógyulása köszönhető e szernek, és ez egyben évi 100 millió USD bevételt jelent a gyógyszergyáraknak. Számos rosszindulatú daganattal szemben igen hatásos, különösképpen a hererák kezelésében mutat jó eredményt, de más szerekkel (pl. bleomicin, vinblasztin, adriamicin, doxorubicin, 5-flouracil) kombinációban hatásos a fej, nyak, a petefészkek és a húgyhólyag rákos elváltozásainak kezelésében. A kezelés hatásosságát sok esetben a ciszplatin-rezisztens daganatok kifejlődése gátolja.

16.1. ábra: A fontosabb gyógyászati hatású fémkomplexek és komplexképző szerek.

A ciszplatin-terápia leggyakoribb mellékhatásai a vese és az emésztőszervek problémái, mint a legáltalánosabban ismert hányinger, a Pt(II)-nek enzimfehérjék tiolátcsoportjaival való kölcsönhatásán keresztül ezen enzimek funkcióinak gátlásában nyilvánul meg. A ciszplatin második generációs analógjai, mint a diammin-ciklobutadién-karboxiláto-Pt(II) (carboplatin, 2), a glikoláto komplex a nedoplatin (3) és az oxaláto komplex az oxaliplatin (4) hasonló antitumor aktivitásúak, de toxicitásuk lényegesen alacsonyabb, és különösen a tüdő, a vastagbél, és a petefészek rákos megbetegedéseiben alkalmazzák sikerrel. Az eddig említett első- és második generációs Pt(II)-komplexek csak intravénásan adhatók (oldhatósági problémák és kis hidrolitikus stabilitásuk miatt). A Pt(IV) vegyületek egy új csoportját már szájon át (orálisan) lehet adni. Ilyen például a JM216 elnevezésű, klinikai tesztelés alatt lévő, oktaéderes Pt(IV) komplex (5).

A platinakomplexek hatásmechanizmusát ma is kitrerjedten vizsgálják és a főbb reakcióutak a 16.2. ábra szerint értelmezhetők: (1) kelátképződés, egy guanin (G) bázis nitrogén (N7) és oxigén donoratomjához való koordináció révén, (2) intrastrand keresztkötés egy DNS-szál két szomszédos purinbázisának N7 atomjával, (3) interstrand keresztkötés a DNS-molekula két szálának guanin vagy citozin bázisának N donoratomjával és (4) egyfogú Pt G (P) adduktum képződés, általában fehérje részvétellel. A (2) kölcsönhatás a legkedvezményezettebb és a Pt komplex ? 85% kötődik ily módon.

16.2. ábra: A ciszplatinnak a DNS-hez való kötődésének lehetőségei: (1) a guanin bázishoz való kötödés (2) DNS szálon belüli intrastrand kötődés, (3) DNS szálak közötti interstrand kötődés, (4) DNS-hez és fehérjéhezhez való vegyes kötődés.

A cisz és transz izomerek hatékonyságában általában meglévő igen jelentős különbség a szerkezeti különbségek mellett, kinetikai tényezőkkel is magyarázhatók, a transz komplexek kiürülése általában sokkal gyorsabb, utalva arra, hogy a DNS javító mechanizmusok sokkal inkább érzékelik a transz komplex okozta egyfogú kölcsönhatásokat, mint a cisz izomer intrastrand kölcsönhatását. A transz komplexek azonban nem mind hatástalanok és egyes komplexeikkel (pl. a 7M335, 6), nagyon biztató eredmények születtek ciszplatin rezisztens rákos sejtkultúrákon.

A kölcsönhatások sokszínűségét és a biológiai hatás összetettségét jól mutatja, hogy újabban figyelemreméltó eredményeket értek el többmagvú Pt(II) komplexekkel is (pl. a BBR3464, 7), melyeknél a +4 töltés növeli a komplex DNS-hez való affinitását, és így az egészen hat szomszédos bázispárra is kiterjedő interstrand keresztkötés(ek) kialakulásának a valószínűségét.

A többi platinafém közül egyes Ru(III) komplexek bizonyultak aktívnak és hatásosnak különösképpen, mint áttétek kialakulását gátló szerek. A transz-[Ru(III)Cl₄(DMSO)(Im] (NAMI A, 8) a klinikai vizsgálatok szakaszában van. Bár a komplex készségesen köt a DNS guanidinjének N7 donoratomjához, és az adeninhez és citozinhoz is. A GG intrastrand keresztkötés kialakulása sztérikusan kedvezményezetlen, így biológiai hatása is feltehetően eltérő a Pt komplexekétől.

A platinatartalmú antitumor szerek újabb és újabb generációinak kifejlesztésével nagyszámú egyéb fémkomplexeket is teszteltek klinikailag rákellenes hatásra. Igen változatos kémiai tulajdonságaik révén ezek hatásmódjukban és biológiai aktivitásuk spektrumában is igen különbözőek lehetnek. Eltérő redoxi tulajdonságaik, hirolitikus reakcióik és kinetikai sajátságaik határozzák meg a kölcsönhatásukat a különböző lehetséges biológiai célmolekulákkal.

A titanocén-diklorid (9) rákellenes hatásának 1979-ben történt felfedezését követően jó néhány metallocén (V, Nb, Mo, Fe, Ce, Sn) aktivitását is igazolták. A bisz-diketonáto Ti(IV)-komplex, a budotitán (10) igen hatásosnak bizonyult a vastagbélrák kezelésében és klinikai kipróbálás alatt van.

A bisz(difoszfonil)Au(I)-komplexek (pl. 11) hatásmódja jelentősen különbözik a ciszplatinétól, nem a sejtmag DNS-re, hanem a mitokondriumra hat, annak membrán- potenciálját befolyásolja. A Ga(III)-sók széleskörű rákellenes hatást mutatnak. A szérum fehérje transferrin közvetítésével juthatnak el a rákos sejtekig. Figyelemreméltó eredményeket értek el velük a tüdő- és a csontrák kezelésében.

A vas, a ruténium és a réz potenciálisan interkalációs szerves ligandumokkal (mint a bleomicin, a Fe(III)-mal, vagy az 1,10-fenantrolin a Cu(I)-gyel vagy Ru(III)-mal képezett komplexei lehetnek hatásos rákellenes szerek. A redoxi aktív fémeknek meghatározó szerepe van a DNS oxidatív, vagy fotoindukált hasításában.

Bár az utóbbi évtizedekben számos rákellenes hatást mutató platina és nem-platina fém (gyakorlatilag a periódusos rendszer minden fémes elemének) komplexét állítottak elő, meg kell jegyeznünk, hogy in vitro sőt in vivo rákellenes hatást mutató komplexek előállítása, még nem jelenti a klinikai alkalmazhatóságukat. Oldhatósági, gyógyszerformázási problémák, a metabolitok nem kellő pontosságú jellemzése és egy sor más ilyen „gyakorlati” probléma meggátolja klinikai bevezetésüket.

A nukleáris medicina a betegségek diagnosztizálása vagy kezelése céljából radioaktív vegyületeknek a szervezetbe való juttatásával foglalkozik. Radioaktív magot tartalmazó fémkomplexek felhasználása, pl. a rák korai kimutatására a vegyület szelektív felvétele és a rákos elváltozás „láthatóvá” tétele révén jelentősen segíti az időbeli sebészeti beavatkozás vagy kemoterápiás kezelés alkalmazását, mielőtt a rák előrehaladottabb állapotba jutna. A diagnosztika céljából alkalmazott radioaktív izotópok, ideálisan rövid élettartamú, kis energiájú γ-sugárzó (α vagy β részecskéket lehetőleg nem kibocsátó) magok. A sugárzás jól detektálható, de nem erősen roncsoló. Az 16.1. táblázatban feltüntetett izotópok közül kiemelkedő jelentőségű a ^99mTc, amelynek 140 keV energiájú γ-sugara szcintillációsan jól detektálható és éles képet ad. Hasonlóképpen használhatunk sugárzó izotópokat terápiás célra is, a kórós szövetek elroncsolása révén. Az e célból felhasznált izotópoknak az optimális élettartam mellett, roncsoló sugárzást (α vagy β) kell kibocsátania, hiszen a szövetek elpusztítása a cél. A 16.1. táblázatban néhány diagnosztikai és terápiás célra leggyakrabban alkalmazott radioaktív magot tüntettünk fel.

16.1. táblázat: Diagnosztikai és/vagy terápiás célra alkalmas radioaktív fémizotópok.

A rövid felezési idejű ^99mTc előállítására kifejlesztett ⁹⁹Mo → ^99mTc generátor jelentősen megkönnyítette ezen metastabil izotóp széleskörű diagnosztikai alkalmazását a nukleáris medicinában. A generátorban lejátszódó bomlási folyamatot a 16.1 egyenlet szemlélteti. A radionuklidot a generátor Al₂O₃ kolonnáján kötött ⁹⁹MoO₄² -ból képződő ^99mTcO₄izotóniás sóoldattal történő szelektív eluálásával nyerjük az eltérő töltésviszonyok hasznosításával. Az eluált ^99mTcO₄-ot steril körülmények között redukálhatjuk a szükséges vízoldhatósági stabilitási és szövet-felhalmozódási specifitást biztosító ligandum(ok) jelenlétében. Az így előállított komplexeket injektáljuk 10 ⁶ 10 ⁸ M koncentrációban. Például az izocianid komplex [Tc(CNR)₆]⁺(R= t-Bu, CH₂CO₂Bu^t, stb.) a szívszövetben szelektíven halmozódik, így a szív leképezésére jól hasznosítható. A ⁹⁹Tc(IV) különböző difoszfonáto komplexei a növekvő csontszövetekben akkumulálódnak így rákos csontáttétek diagnosztizálásában alkalmazhatók.

A rákos sejtek által a véráramból szelektíven felvevő molekulák között igen jelentős a rákellenes hatású antibiotikum a bleomicin, amely a számos koordinációs helye lévén a legtöbb radioaktív fémionhoz jól kötődik, az ⁵⁷Co(III) komplexe mutatja a legjobb rákos sejt/vérszérum megoszlási arányt. Sajnos az ⁵⁷Co hosszú felezési ideje miatt (lásd az 16.1. táblázatot) klinikai alkalmazhatósága korlátozott. A bleomicinhez kovalensen kapcsolt EDTA oldallánccal rendelkező ligandum ¹¹¹In(III)-komplexe már kiváló használhatóságúnak bizonyult. A ⁶⁷Ga(III)-citrát komplex szintén széleskörűen alkalmazható diagnosztikai készítmény.

A radioaktív izotópok alkalmazásának fő problémája az izotópnak a leképezendő vagy kezelendő szervbe való szelektív eljuttatása. Igen hatásos és egyre széleskörűbben alkalmazott módja ennek a kinetikailag kellően inert radionuklid komplexnek (poliaminokarboxilátok vagy foszfonátok) a rákos sejt antigénekre, receptorokra vagy hormonokra specifikus antitesthez való kovalens kötése. Pl. a DTPA kettős anhidridje könnyedén acilezheti az antitest fehérje szabad -NH₂ csoportját kialakítva így, egy a radionuklid kötésére nagy stabilitású és kellő kinetikai inertségű funkcionális helyet.

Testszöveteknek és testnedveknek az elektromágneses sugárzással való kölcsönhatása révén való leképezése az orvosi diagnosztika rutin eljárása. A röntgensugárzás diagnosztikai alkalmazása közel 100 éves múltra tekint vissza. A szervetlen vegyületek röntgen kontrasztanyagként való alkalmazása ugyancsak régi eredetű és a BaSO₄ talán a legismertebb példa ezen a területen. A nagy rendszámú elemek általában nagy röntgenabszorpcióval rendelkeznek, ezen alapszik a csont (Ca- és P-tartalom) és lágy szerves részek (C, H, N, O elemek) röntgenképen való megkülönböztethetősége. Az egyébként mérgező Ba-vegyületek (Z = 56) közül a BaSO₄ alkalmazhatósága a vegyület nagyon rossz oldékonyságával van összefüggésben. A kontrasztanyagok alkalmazhatóságának alapfeltétele ugyanis, hogy a fizikai alkalmasság mellett a szigorú toxicitási feltételeknek is megfeleljenek, azaz mellékhatás és lehetőleg maradék nélkül ürüljenek a szervezetből. Az újabb röntgenkontrasztanyagok között az említett célnak leginkább a szerves jódvegyületek (Z = 53) felelnek meg. Humán célokra ma két elfogadott kontrasztanyag létezik, a bárium-szulfát szuszpenzió a gyomor-bél traktus leképezésében és a szerves (tri)jód vegyületek az erek vizsgálatában (az angiográfiában).

Az NMR technikát is mintegy 30 éve alkalmazzák már az orvosi diagnosztikában. A 70-es, 80-as évek a technikai fejlődésben jelentettek nagy lépést. 2003-ban az NMR tomográfiában elért jelentős fejlődésért az amerikai Paul Lauterbur és az angol Sir Peter Mansfield orvosi Nobel díjat kapott. A detektorsorok és a gyors számítógépek alkalmazása a képfeldolgozásban az emberi test, testrészek, szervek keresztmetszeti (tomográfiás) leképezését tették lehetővé, ez a CT technika (computer tomography). Az NMR képalkotás (MRI) a normális és abnormális szövetek ¹H NMR rezonancia sajátságában (elsősorban a szövetek víztartalma révén) levő különbségeket detektálja képalkotó paramágneses kontrasztanyag jelenlétében. A ma alkalmazott MRI kontrasztanyagok Gd(III)-, Mn(II)- vagy Fe(II)-ionokat tartalmaznak, melyek nagyszámú párosítatlan elektront (7, 5, ill. 5 elektront) tartalmaznak, és hosszú az elektron spin relaxációs idejük. Ezeket a fémionokat a kellő hatás eléréséhez nagy koncentrációban (0,5-1,0 mM) kell alkalmazni. Toxicitásuk csökkentése érdekében nagy stabilitású és inert komplexbe kell „csomagolni”, hogy az alkalmazás ideje alatt a fémionion ne váljon szabaddá, és így ne tudjon kölcsönhatásba lépni a különböző szérum és sejtfehérjékkel. Négy Gd(III)-komplexet használnak ma széleskörűen a klinikai gyakorlatban például a vér-agy gát rendellenességeinek kimutatására. A DTPA (Maquevist, 12) és a DOTA komplexe (Dotarem, 13) ionosak, míg a DTPA-BMA (Omniscan, 14) és a DOTA-HP komplexe (Prohance, 15) semlegesek, ezek alacsony ozmolaritása csökkenti az injekció okozta fájdalmat.

Az ezüstvegyületeket (pl. AgNO₃) már régóta használják fertőzések megakadályozására (mikrobák ellen) a gyógyászatban. Az ezüst-szulfadiazin (lásd 16.3. ábra) klinikailag széleskörűen használt baktérium- és gombaölő szer. Alkalmazását különösen az égési sebek kezelésével kapcsolatban tartják előnyösnek. Ez egy rosszul oldódó polimer vegyület, amiből lassan szabadul fel az Ag^I. Az Ag^I citotoxicitásának mechanizmusa nem ismert.

16.3. ábra: A szulfadiazin és Ag(I)-komplexének szerkezete.

Az antimont is évtizedek óta használják gyógyszerként. Az Sb(III) általánosan toxikusabb, mint a Sb^V, így gyakran ez utóbbit előgyógyszerként használják. Az Sb(V) szénhidrátokkal képezett vegyületei, mint az N-metilglükamin-antimonát, a Leishmaniasis, e sejten belüli élősködők által okozott fertőzés klinikailag alkalmazott gyógyszere.

A Fe(III)-at erősen kötő dezferrioxamint a malária ellen használják, hatása feltehetően a malária paraziták vas metabolizmusának megzavarásán alapszik.

A polioxometallátok (heteropolisavak) vírusellenes hatást mutatnak. Aktivitásuk függ a vegyület szerkezetétől, töltésétől és az elleniontól is. Hatásuk, a vírusnak a sejt felületén való adszorpciója befolyásolásától függ. A polioxometallátok gyengén szívódnak fel az orális adagolásukat követően, ill. még akkor is, ha közvetlenül a véráramba juttatjuk őket. Különböző plazmafehérjék visszatartják őket, és így nem érik el azt a helyet, ahol hatásukat kifejthetnék. Így fontos feladat a jobb biohozzáférhetőségű polioxometallátok kifejlesztése.

A makrociklusos biciklámok (pl. 16) a HIV leghatárosabb inhibitorai közé tartoznak. A Zn(II)-komplexeik szintén hatásosak. A biciklám a HIV-vírusnak a sejtbe való bejutását gátolja a retrovírus replikációs ciklusainak korai reakcióiban.

Az arany az emberiség története során mindig kulcsszerepet játszó anyag volt, amelynek gyógyászati alkalmazása is ősidők óta ismert. Elsősorban fertőzésgátló és gyulladás-csökkentő hatására figyeltek fel és többnyire kolloid aranyszolokat alkalmaztak ilyen célokra. Ezen alkalmazásokkal kapcsolatban fontos kiemelni, hogy ilyen jellegű biológiai aktivitása szinte minden nehézfémnek és vegyületeiknek van, de a toxicitásból adódó súlyos mellékhatások általában kizárják a modern orvostudományban való felhasználhatóságot. A krizoterápia, az izületek gyulladásos megbetegedéseinek (rheumatoid arthritis) aranyvegyületekkel történő kezelése, azonban általánosan elfogadott gyógymód a mai orvosi gyakorlatban is. Elsősorban különböző Au(I)-tiolátok, mint az auranofin (2,3,4,6-tetra-O-acetil-β-1-D-gluko-piranozato-S-trifenil-foszfináto-Au(I) 17) a leginkább alkalmazottak. Az aranyvegyületek gyulladásgátló hatásának mechanizmusa nem ismert, a feltételezett hatások között az egész szervezetre kiterjedő, mint például az immunrendszert befolyásoló, hatásokat, ill. teljesen specifikus biokémiai folyamatokat is feltételeznek. Újabb elképzelések szerint az alkalmazott aranykomplexek „előgyógyszerek”, melyek gyors metabolitikus átalakulásokon mennek át a szervezet biomolekuláival.

A bizmut régóta használatos elem a gyógyászatban. A XX. században különböző bizmutkomplexeket (szubnitrát, szubgallát, szubcitrát, tartarát, szubkarbonát és szubszalicilát) használtak a szifilisz, a magas vérnyomás, a fertőzések, a gyomor-bél rendellenességek kezelésére. Itt most csak a címben említett felhasználásait tárgyaljuk röviden. A szódabikarbóna kellemetlen mellékhatása és kis pufferkapacitása, ill. az Al(III) toxikus voltának felismerése óta a bizmutvegyületek, mint gyomorsav megkötők (antacidok) növekvő jelentőséget kaptak. Hozzájárult ehhez az is, hogy hatásosak gyomor- és bélfekélyek ellen is, így kettős hatásuk széleskörű alkalmazásukat vonta maga után.

A bizmuttartalmú gyógyszerek szerkezete pontosan nem ismert. A fém koordinációs száma 3 és 10 között váltakozik és a koordinációs geometria gyakran torzult. A Bi(III) igen savas vízben (pK₁ ? 1,5), nagy a pufferkapacitása és könnyen képez hidroxo- és oxohidas klasztereket. A legjobban ismert a Bi(III) citráttal alkotott vegyülete. A domináns részecske a dimer, amelyben a citráthíd szerepet is betölt összekapcsolva a Bi-atomokat. Ezek a dimerek láncokká, lapokká aggregálódhatnak és a fekély felületére lerakódva fejthetik ki védőhatásukat.

Egyszerű szervetlen lítiumvegyületek, mint a Li₂CO₃ széles körben (a legtöbb országban a népesség 1 ezreléke esetében) használatosak a kétfázisú idegrendszeri elváltozások, mint a mániás depresszió megelőző kezelésében. A szokásos terápia grammnyi mennyiségű só adását jelenti, ami 1-2 mM vérszintet jelent a kezelés során. A Li(I) komplexeinek kis stabilitása és nagy labilitása eredményezi azt, hogy eloszlása a szervezetben széleskörű. A Li⁺ biológiai hatása a Mg²⁺ és a Ca²⁺ biokémiájába való beavatkozáson alapszik. Így pl. a Ca²⁺ inhibiálja az inozitol-foszfát két enzimjét, amely a Ca²⁺ sejten belüli mobilizálásáért felelős. A Li⁺ ugyanakkor nem-kompetitív inhibitora a Mg²⁺ függő inozitol-monofoszfatáz enzimnek, azáltal, hogy blokkolja a hidratált foszfát felszabadulását az enzim aktív helyéről.

Közel 25 éve fedezték fel, hogy a V(IV)-, V(V)- és peroxo-V(V) komplexek képesek az inzulin fontos tulajdonságait utánozni, vagy fokozni (így pl. a zsír és izomsejtek glükóz felvételét és oxidációját, ill. a glikogén szintézisét). Ezeknek a komplexeknek nagy előnye, hogy szemben az inzulinnal szájon át adhatók. Az utóbbi 15 évben nagyszámú vanádiumkomplexet állítottak elő és teszteltek és megállapították, hogy alkalmas szerves ligandumhoz kötött vanádiumkomplexek a biológiailag releváns 1-10 μM koncentráció-tartományban nem mérgezőek, biológiai hatásuk pedig elérheti az inzulinét. A bisz(maltoláto)VO(IV) (BMOV, 18) a klinikai 1. fázis tesztelésen megfelelt.

A komplexek biológiai folyadékokban való speciációjára vonatkozó vizsgálatok arra utalnak, hogy a hordozó ligandum szerepe elsősorban a komplex gyomorban való felszívódását befolyásolja és a vérben való szállításában a vér kis és nagy molekulatömegű vanádiumkötő biomolekulái (citrát és transzferrin) a meghatározóak.

Valaha azt gondolták, hogy a glükóz tolerancia faktor, mely a szervezetben az inzulin hatását fokozza egy Cr(III) komplex. Ma már tudjuk, hogy ez nem igaz, a nagyon inert Cr(III)-pikolinát komplex, mely elsősorban a tengeren túl az elhízás megelőzésére használt népszerű gyógyhatású készítmény, sem igen tűnik hatásosnak a diabetes kezelésében. Újabban a természetben előforduló kis molekulatömegű krómkötő anyagról (LMWCr), amely úgy találták, hogy az inzulin működésében kulcsszerepet betöltő tirozin kináz enzim aktivitását befolyásolni tudja, is kimutatták, hogy a korai közlésekkel ellentétben nem tartalmaz krómot. A króm inzulinutánzó hatásával kapcsolatos feltevések alapos vizsgálatokkal való megerősítést igényelnek.

A nitroprusszid-Na (19), ez a kis spinszámú Fe(II)-komplex széles körben használatos emberben a vérnyomás csökkentésére. Hatása másodperceken belül jelentkezik. A terápiás hatása a NO felszabadulásához rendelhető, amely ellazítja a szív- és érrendszeri simaizmokat.

Azt találták, hogy egyes ruténiumkomplexek (20) igen jó NO-befogók, melyek képesek a NO-szintet orvosi körülmények között szabályozni. A 20 komplex igen gyorsan (k ? 10⁸ M ¹s ¹ at 310 ^oC) és erősen K ? 10⁸ M ¹) köti a NO-ot egy lineáris nitrozónium Ru(II) NO⁺ adduktum képződése közben.

- Ismertessen néhány alapvető, fémtartalmú rákellenes készítményt!

- A platinakomplexek rákellenes hatásának elvi alapjai.

- A technécium és vegyületeinek diganosztikai jelentősége.

- A kontrasztanyagok alkalmazási területei és működésük értelmezése.

- Az aranyvegyületek lehetséges gyógyászati alkalmazásai.

- A lítiumvegyületek gyógyászati alkalmazásai.

- Szervetlen vegyületek a fertőzéses és gyulladásos betegségek kezelésében.

A molekuláris biológia új eszközei, melyekkel bővebben a függelékben foglalkozunk, lehetővé tették a fehérjéket kódoló gének izolálását, szükség szerint a módosítását, sokszorosítását, tisztítását, ill. a gének alapján a fehérjék gyártását. Így magukat a makromolekulákat állíthatjuk elő és tanulmányozhatjuk különböző fizikai-kémiai módszerekkel. Ennek is köszönhetően pl. ma már számos fehérjemolekula kristályszerkezetét ismerjük.

A DNS-szekvencia, és ez alapján a fehérjék aminosav sorrendjének ismerete nagymértékben megkönnyíti a fehérjék funkcióinak azonosítását. A genomokban az egymáshoz közel eső gének valószínűleg bonyolult folyamatokban résztvevő együttműködő fehérjekomplexumokat kódolnak. Másrészt a vizsgálni kívánt fehérje szekvenciáját összehasonlíthatjuk a ma már viszonylag nagyméretű adatbázisokban rendelkezésre álló egyéb fehérjékkel. Amennyiben az aminosav-sorrend hasonlóságot mutat - úgynevezett konzervatív, vagy megőrzött szekvenciák vagy aminosavak - feltételezhető, hogy az összehasonlított fehérjéknek hasonló funkciójuk van, azaz egy családba tartoznak. Ugyanezzel az eljárással a fémion-kötőhelyek is azonosíthatók. Pl. a Fe/S klasztereket kötő fehérjékben gyakoriak a ciszteinben gazdag szekvenciák, vagy pl. a különböző élőlényekből izolált bíborsavfoszfatáz enzimekben megtalálható megőrzött koordinálódó oldalláncokról (17.1. ábra) a kristályszerkezet-vizsgálatok valóban igazolták, hogy ezek egy kétmagvú aktív központ kialakításában vesznek részt (17.2. ábra).

17.1. ábra: A különböző élőlények bíborsavfoszfatáz (BSF) enzimeinek megőrzött aminosav oldalláncai (kiemelve) alkotják az enzim fémion-kötőhelyét. A számok a fehérjelánc adott részén fel nem tüntetett aminosav egységek számát adják meg.

17.2. ábra: A velőbab bíborsavfoszfatáz (BSF) enzimének kétmagvú aktív központja a röntgenkrisztallográfiai vizsgálatok nyomán.

A fehérjék módosításának lehetősége szintén elősegíti a fémkötőhely kiválasztását. A polimeráz-láncreakció segítségével ugyanis egy koordinálódó oldallánccal rendelkező aminosav pl. His vagy Cis rutinszerűen cserélhető pl. alaninra, vagy egyéb nem koordinálódó oldalláncú aminosavra. (Az ilyen cseréket (pontmutáció) a következő módon szokás jelölni: H128A ami a fehérje N-terminális aminosavjától számított 128. pozícióban lévő hisztidin aminosavjának alaninra történő cseréjét jelenti.) Ez feltételezhetően szerkezetváltással nem jár, azonban a koordinációs hely megszűnik. Amennyiben ez a csere a módosított fehérjében (mutáns fehérje) a fémion környezetének megváltozását, vagy a fémion-kötés megszűnését eredményezi, úgy valószínűsíthető, hogy az adott aminosav oldallánc részt vett a fémion megkötésében. Ugyanez a módszer az enzimek működési mechanizmusának felderítésében is nagy jelentőséggel bír. Segítségével azonosíthatóak a szubsztrát-kötőhelyek, a különböző proton-, elektron-, vagy csoporttranszport folyamatokban résztvevő aminosav oldalláncok, stb.

A genomika és proteomika azonban nemcsak a természetes rendszerek jobb megismerését teszi számunkra lehetővé, hanem azt is, hogy új funkciókkal rendelkező mesterséges enzimeket hozzunk létre, akár a természetes enzimek kisebb-nagyobb mértékű módosításával, akár a különböző funkciók ellátására képes fehérjedomének összeillesztésével, legyenek ezek természetes, vagy a bioszervetlen kémikusok által tervezett fehérjeláncok. Az ilyen mesterséges enzimeknek a közeljövőben nagy jelentősége lehet a kutatásban, a gyógyászatban, valamint az iparban is.

A bioszervetlen kémiai rendszerek számos ipari alkalmazást nyernek és nyerhetnek a közeljövőben. Ugyanis amíg ma az ipari folyamatok nagy részét csak különleges körülmények között valósíthatjuk meg, ami általában nagy nyomást, hőmérsékletet, vagy szerves oldószereket jelent addig ugyanezek a folyamatok az élő szervezetekben metalloenzimek hatására szobahőmérsékleten, atmoszférikus nyomáson és vizes oldatokban játszódnak le. Elég itt pl. a fotoszintézisre gondolni, amit gyakorlatilag egyenlőre sejten kívüli térben nem is tudunk reprodukálni, vagy pl. a nitrogén-fixálás folyamatára ami az iparban a Haber-Bosch féle szintézisen alapul (> 100 bar nyomás, 673 K hőmérséklet, ill. heterogén katalizátor szükséges hozzá). Ezen okokból kifolyólag a bioszervetlen kémikusok nagy része foglalkozik a biológiai katalizátorok megértésével, lemásolásával, modellezésével. Számtalan ilyen próbálkozásról számolhatnánk be, erre azonban e könyv keretén belül nincs módunk. A gyógyászati alkalmazásokról a 16. fejezetben már szóltunk, így azokat itt nem említjük. Az alábbiakban csak néhány olyan kiválasztott példát ismertetünk, amik az emberiség aktuális problémáinak megoldásához segíthetnek hozzá.

A H₂ mint a nem is olyan távoli jövő fő energiahordozója, szabályozott körülmények között történő, hatékony előállításában játszott szerepük miatt a hidrogenázok potenciális gyakorlati alkalmazásra tehetnek szert. Emiatt széleskörű kutatások folynak mind a természetes enzimek megismerése, mind modellezésük területén. A hidrogén előállításának egyik lehetséges útja a napenergia hasznosítása, a zöld növényekéhez hasonló hatékonysággal. A probléma megoldására nem elegendő egy már ismert rendszert választani, hisz maga a fotoszintézis túl bonyolult. A zöld növények és algák jó része a megkötött fényenergiát első lépésben vízbontásra használja fel. A folyamat során azonban oxigéngáz, valamint a kémiai energiát hordozó elektronok és protonok keletkeznek és az elektronokban átmenetileg raktározott kémiai energia valamilyen szerves molekula szintéziséhez használódik fel, így végső soron egy új fotoszintetizáló élőlény képződik. A képződő biomassza jelentős mennyiségű, kémiai kötésekben raktározott napenergiát tartalmaz. Az ember számára hasznos energiaátalakító rendszerhez azonban elvileg az egész, bonyolult folyamat első része elegendő. A vízbontás során képződő elektronok és protonok egyesítésével a napsugárzás formájában rendelkezésre álló energiát oxigén- és hidrogéngáz előállítására fordíthatjuk. Az oxigén és hidrogén - egymástól elkülönítve - jól szállítható és tárolható, majd a felhasználás során a megkötött napenergia víz keletkezése során felszabadul. Így a gyakorlatilag kimeríthetetlen napfény-energiát egy kémiai körfolyamatban tesszük energetikailag hasznosíthatóvá, melyben a tároláskor vizet bontunk összetevőire, a felhasználáskor pedig a komponensekből vizet állítunk elő.

Könnyen belátható, hogy a feladat ellátására alkalmas biológiai rendszer a természetben nem létezik. Egy reprodukcióra, a saját faj minél szélesebb körben való elterjesztésére "programozott" élő rendszer a molekuláris szabályozó mechanizmusok bevetésével igyekszik elkerülni azt az állapotot, amelyben aktivitása arra fordítódna, hogy az élete és a faj fenntartása szempontjából értéktelen, ezért végső soron a környezetbe kibocsátott oxigént és hidrogént állítson elő a fixált napenergiából. Bár a természetben egy kívánatos rendszer elemeit megtaláljuk, de ezek (fotoszintetikus rendszer, elektrontranszport lánc, hidrogéntermelő enzimek) különálló fajokban fordulnak elő. Megoldást jelenthetne tehát egy olyan, mesterséges metalloenzimeken alapuló mikoroorganizmus kifejlesztése a bioszervetlen kémiai, ill. a molekuláris biológiai és genetikai módszerek segítségével, melyben vízbontással oxigént és hidrogént termelhetnénk. Ez elvileg és technológiailag ma már nem lehetetlenül bonyolult feladat, de a megoldásban és az optimális körülmények kidolgozásában akár az olvasónak is nagy szerepe lehet.

A metán monooxigenáz enzimek vizsgálata, ill. modellezése kiemelkedő fontosságú a metán nagymértékű üvegházhatása miatt (a metán molekula a CO₂ molekulánál jóval több infravörös sugárzást nyel el), a földgáz gazdaságos felhasználása, szállítása és tárolása szempontjából (alkoholok formájában), vagy pl. a környezeti alkánszennyeződések bioremediációja (a szennyező anyagok biológiai lebontása, ill. hasznosítása) során. Érdekes megjegyezni, hogy bár ezen utóbbi szubsztrátok mérete lényegesen eltérhet a metán molekulától, az enzim képes a megfelelő csatorna méretét valamilyen mértékben megváltoztatni, úgy, hogy az aktivitás ne csökkenjen lényegesen. Metanotróf baktériumokat alkalmaznak pl. a talaj olajszennyeződéseinek felszámolására, melyekben az aktív enzim fémionokat is tartalmaz.

A baktériumokba a megfelelő fehérjék szabályozott génjeit bejuttatva elérhető, hogy az adott fehérjemolekula nagy mennyiségben képződjön a sejtekben. Így a sejtek tulajdonságai befolyásolhatóak. Elérhető, pl. hogy a baktériumsejt mérgező tulajdonságú szerves szennyeződések jelenlétében továbbéljen, úgy, hogy azokat lebontsa. A fehérjék fémion-kötő tulajdonságait kiaknázva lehetőség van arra is, hogy toxikus fémionokat kössünk meg a szennyezett vizekből, vagy éppen egy, növényekkel szimbiózisban élő baktérium segítségével a talajokból. Ilyen próbálkozásokat szintén ismerünk a legújabb szakirodalomból. Ráadásul ezen módosított baktériumok még ellenállóvá is tehetők a toxikus anyagokkal szemben, így képesek lehetnek azokat nagy mennyiségben felhalmozni, koncentrálni. Mindezen, a környezetvédelemben igen jelentős alkalmazásokhoz szintén nagymértékben hozzájárulnak a bioszervetlen kémiai kutatások.

Egy másik lehetséges ipari alkalmazás, mint azt a fentebbiekben is említettük, a nitrogén-fixálás problémája. Tudjuk, hogy a biológiai N₂-megkötés során melléktermékként H₂ is képződik, amit a jelenlévő hidrogenáz enzimek felhasználnak további nitrogénmolekulák redukálószereként. Azon baktériumok, melyekben ez a hidrogenáz enzim hiányzik, kisebb hatékonysággal képesek N₂-t megkötni. Ezekben a hatékonyság növelhető, amennyiben a megfelelő hidrogenáz enzim genetikai kódját a baktériumba juttatjuk. Az ilyenfajta genetikai módosítások révén tehát még hatékonyabb nitrogénmegkötő baktériumok tervezhetők.

Számos kutatócsoport dolgozik a nitrogenázok modellezésével is. A kis molekulatömegű modellek olcsóbbak, ellenállóbbak, mint a fehérjék. A jól működő modellektől azt remélik, hogy új és hatékony katalizátorokként viselkednek, hiszen segítségükkel nagymennyiségű energiát lehetne megtakarítani. Ma már számos nitrogénmegkötő modellkomplexet ismerünk. Szilárd hordozóra rögzítve ezeket akár ipari katalizátorként is használhatják majd a jövőben (17.3. ábra).

17.3. ábra: Példa egy immobilizált bioszervetlen nitrogenáz modell katalizátorra.

Végül egy példa a lehetséges gyógyászati alkalmazásokra a fémtartalmú fehérjék felhasználásával. Tudjuk, hogy a DNS-t hasító nukleázok többnyire fémion tartalmaznak aktív központjukban. Amennyiben egy ilyen nukleázban található egy önalló katalitikus domén, az egy a DNS-t specifikusan megkötő fehérjerészlethez   pl. cink-ujj fehérjéhez   kapcsolva specifikus mesterséges nukleázként viselkedhet. Ilyen enzimekkel a genetikai hibás DNS-t a megfelelő helyen elhasítva indukálható a sejt saját javító mechanizmusa, ami képes a hibás (és sérült) DNS-t kijavítani.

Bár a legtöbb, a fentiekhez hasonló jellegű alkalmazás ma még gyerekcipőben jár, látható, hogy a jövő szempontjából milyen fontos problémákra nyújthatnának ezek a kísérletek megoldást.

- Melyek a bioszervetlen kémia fő kutatási irányvonalai?

- Hogyan használhatók a molekuláris biológia eszközei a bioszervetlen kémiai kutatásokban?

- Milyen gyakorlati alkalmazás lehetőséget vetítik előre a bioszervetlen kémiai kutatások?

A biológiában a fémionok ligandum-környezete gyakorta a változások állapotában van. Ezen ligandumok cserefolyamatainak és reakciómechanizmusaiknak az ismerete fontos a bioszervetlen kémiai viselkedésük megértéséhez. A reakciók lejátszódhatnak a belső koordinációs szféra megváltozásával. Belső koordinációs szférának tekintjük a fémion körül a ligandumok rendezett szerkezetét, melyek közvetlenül kötődnek a fémionhoz. A fémion pozitív töltése az oldószer-molekulák, vagy ellenionok bizonyos mértékű rendezettségét idézheti elő a belső koordinációs szférát övező térben is, ez a külső koordinációs szféra.

A molekulaszerkezet tanulmányozására alkalmas módszerek többsége az elektromágneses sugárzás és az anyag kölcsönhatásán alapszik. Az M2.1. táblázatban az elektromágneses sugárzás különböző energiatartományai szerint csoportosítottuk az alkalmazható módszereket, feltüntetve a kinyerhető információt és az egyes módszerek időskáláját.

M2.1. táblázat: A különböző hullámhosszú (energiájú) elektromágneses sugárzások forrása (ez egyben azt is előrevetíti, hogy mely molekuláris tulajdonságok vizsgálhatók), ill. az alkalmazásuk révén létrejött ismertebb szerkezetvizsgáló módszerek.

A röntgensugárzás hullámhossza a kémiai kötéshosszak nagyságrendjébe esik. Ez az oka annak, hogy a többi elektromágneses hullámhoz képest különlegességét a sugárzás szóródása mutatja, kristályos minták esetében karakterisztikus diffrakciós képet eredményez ve. Ebből optimális esetben a molekula térbeli szerkezete meghatározható. A röntgensugarak abszorpciója, és a spektrumok finomszerkezetének vizsgálata vezetett el az EXAFS vagy XANES módszerek kifejlődéséhez.

A címben szereplő módszerekkel mágneses momentummal rendelkező részecskék (párosítatlan elektron(oka)t tartalmazó fémionok vagy nem-nulla magspinű atomok) tanulmányozhatók. Mágneses térben az eredő spin értéke által meghatározott (2S+1 vagy 2I+1) számú, különböző energiájú állapot jön létre. Ezek között megfelelő energiájú elektromágneses sugárzás elnyelése során átmenet (mágneses rezonancia) jöhet létre. A párosítatlan elektron(ok) vizsgálatára alkalmas módszer az Elektron Spin Rezonancia (ESR) spektroszkópia. A magspinek különböző energiaszintjei közötti átmenetek létrehozására a mag mágneses rezonancia (angol rövidítése NMR) spektroszkópia alkalmas. Az előbbi mikrohullámú, az utóbbi rádiókrekvenciás tartományba eső gerjesztő sugárzást alkalmaz. Míg az előbbi módszerrel paramágneses, addig az utóbbival főként diamágneses anyagok vizsgálhatók. A két módszer egymást ikiegészítő információt szolgáltat a bioszervetlen kémiai rendszerekről (M2.3. táblázat)

M2.3. táblázat: Az ESR, ill. NMR módszerekkel nyerhető információk.

A Mössbauer spektroszkópia a magnívók közötti energia átmenetekkel kapcsolatos, melyek nagy energiát (γ-sugárzást) igényelnek. Miközben egy atommag gerjesztett állapotából az alapállapotba kerül vissza, γ -foton bocsát ki, aminek energiája (M2.4. egyenlet), azaz nem egyezik meg pontosan a két energiaszint különbségével, minthogy annak egy része az ún. visszalökődésre fordítódik (E_r = visszalökődési energia). Gerjesztéskor viszont ΔE-nél valamivel nagyobb energiára van szükség (M2.5. egyenlet). A legtöbb spektroszkópia esetén az emittált sugárzás vonalszélessége jóval nagyobb, mint E_r, így az gerjeszteni képes egy az emissziót kibocsátóval megegyező atomot, ill. molekulát. A magnívók relaxációjakor képződő γ-sugárzás vonalszélessége azonban sok nagyságrenddel kisebb, mint E_r, ezért sokáig elvetették annak lehetőségét, hogy egy gerjesztett atom által emittált γ-sugárzás gerjeszteni képes egy másik hasonló atomot. Rudolf Mössbauer 1958-ban jött rá, hogy bizonyos körülmények között lehetőség nyílik az ún. visszalökődésmentes magrezonancia-abszorpcióra. 1961-ben ezért fizikai Nobel-díjat kapott.

Bár több mint 40 elem esetén lehetséges Mössbauer spektrum felvétele, a bioszervetlen kémia vonatkozásában messze a vas (⁵⁷Fe) a legjelentősebb. Az 57-es tömegszámú vas alapállapotában I = 1/2-es, gerjesztett állapotában I = 3/2-es magspinnel rendelkezik. Amennyiben a vas körül gömbszimmetrikus elektromos erőtér (elektronfelhő) alakul ki, egyetlen átmenetet (abszorpciós jelet) mérhetünk (M2.12. ábra). Az atommag kölcsönhatása a környezetében lévő elektronokkal, eltérő kémiai környezetben lévő magok esetén, különböző gerjesztő energiát eredményez. Az elemi vas Mössbauer jeléhez viszonyított eltérést (mm/s egységben kifejezve) izomer eltolódásnak (IE) nevezzük.

M2.12. ábra: A magnívók közötti lehetséges átmenetek, valamint a hozzájuk tartozó Mössbauer spektrumok.

Ha a vasat körülvevő elektromos tér szimmetriája lecsökken, azaz a különböző irányokban eltérő nagyságú erőtérrel lép kölcsönhatásba a mag, az I > ½ magspinhez rendelhető energiaszintek részlegesen felhasadnak. Vas esetén az I = 3/2 magspinű gerjesztett állapot m = ± 3/2 és m = ± ½ szintekre hasad fel. Ekkor a spektrumon két jel észlelhető (M2.12.b. ábra). Az izomer eltolódást a két jel átlaga definiálja, a jelek energia szeparációját (szintén mm/s egységben kifejezve) kvadrupólus felhasadásnak (KF) nevezzük. A ⁵⁷Fe magot mágneses térbe helyezve a különbözo magmágneses kvantumszámokhoz rendelheto energiaszintek teljesen szeparálódnak. A Dm = 0, ?1 kiválasztási szabálynak megfeleloen maximum 6 átmenetet detektálhatunk, melyek jel alatti területe a 3:2:1:1:2:3 intenzitásarányt eredményezi (M2.12.c. ábra).

A kémikus számára a Mössbauer spektrum a következő információkat szolgáltatja: (i) a fémion körüli elektronsűrűség, a ligandum elektronegativitása (IE), (ii) a fémion (körüli elektronfelhő) szimmetriája (KF), a fémion oxidációs, ill. spin állapota (IE, KF), valamint a fémion-ligandum kötés jellege (IE,KF).

Példaként tekintsük a M2.13. ábrán a Rieske-centrum redukált, ill. oxidált formájának Mössbauer spektrumát. A redukált forma egy-egy Fe(II) és Fe(III)-iont tartalmaz, melyeknek kvadrupólus felhasadása jelentősen különbözik egymástól. A d⁶-os elektronkonfigurációjú Fe(II) ún. kis spinszámú formája gömbszimmetrikus elektroneloszlással rendelkezik a nagy spinszámú állapottal ellentétben. Hasonlóképpen a Fe(III)-nak is két spinállapota lehet: kis spinszámú, nem gömbszimmetrikus, ill. nagy spinszámú, gömbszimmetrikus. Figyelembe véve, hogy a Fe(II) jelentős, míg a Fe(III) csekély kvadrupólus felhasadást mutat, a fémionok mind a redukált, mind az oxidált formában nagy spinszámú spinállapottal rendelkeznek. Azonban a Fe(III) e formája ideális esetben egyetlen jelet eredményezne, azaz az ábráról az is leolvasható, hogy a Fe(III) körüli elektronfelhő kis mértékben torzult, valószínűleg a tiolát ligandumok nem szabályos tetraéderes elrendeződése miatt.

M2.13. ábra: A Rieske-centrum redukált (a) és oxidált (b) formájának Mössbauer spektruma.

Az olvasóban óhatatlanul is felmerülhet a kérdés, hogy ha már egyszer a fényt használjuk az anyagszerkezet vizsgálatára, és pl. mikroszkópok segítségével olyan részecskéket is láthatóvá tehetünk, melyek szabad szemmel nem láthatók, akkor miért nem építünk olyan mikroszkópot, mellyel az atomok is láthatóvá válnak? A kérdés nem jogtalan, de legjobb fókuszáló módszerek használata esetén is az elméletileg elérhető felbontás a fény hullámhosszának a felére tehető. A látható sugárzás esetében ez néhány ezer Å (10^-10 m), míg az atomi távolságok ennek ezred részei. Az elektronmikroszkópok sokkal nagyobb felbontást tesznek lehetővé, ezek segítségével már a nagyobb molekulák kontúrjai is láthatóvá válnak. A mikroszkópia fejlődése számos új képalkotó módszer kialakulását eredményezte, mint a pásztázó elektronmikroszkópia (SEM), alagút-elektronmikroszkópia (TEM), atomi erő mikroszkópia (AFM), stb. A legújabb, és legnagyobb reményekkel a szinkrotron sugárzást felhasználó XRM azaz röntgensugár-mikroszkópia, melynek segítségével elvileg atomi szintre is "láthatunk". Azonban, bár ezen módszerek részletesebb tárgyalására e helyen nem kerülhet sor, érdemes a fejlődésüket figyelemmel kísérni.

A továbbiakban a különböző hullámhosszúságú, de a látható fény energiatartományához közeli sugárzások és az anyag kölcsönhatásával foglalkozunk. A módszerek többsége a fény elnyelődésének vizsgálatán alapszik, ami a Beer-Lambert törvény szerint alkalmas a vizsgált elnyelő egységek (kromofórok) koncentrációjának meghatározására. A szrkezetvizsgálat szempontjából fontosabb, hogy a megfelelő elnyelési sávok energiája és intenzitása a kromofór tulajdonságaitól, ill. annak kémiai környezetétől és a környezet geometriájától is nagymértékben függ. Az M2.1. táblázatban már láthattuk, hogy az infravörös sugárzás tartománya a molekuláris rezgésekről, az UV és látható hullámhossz-tartomány a vegyértékelektronok környezetéről nyújt információt. Ráadásul, a fény különböző polarizációs állapotú sugarai a molekulageometriától függően különböző mértékben nyelődhetnek el, ezen alapszik pl. a cirkuláris dikroizmus (CD) spektroszkópia.

Fehérjemolekulákat elsősorban valamilyen természetes forrásból (pl. baktérium) izolálhatunk. Mivel egy fehérjemolekula vizsgálata önmagában is meglehetősen bonyolult, mindenekelőtt a minta tisztaságát érdemes ellenőrizni. Ezt manapság legegyszerűbben a gélelektroforézis vizsgálatok segítségével tehetjük meg.

A nátrium- és kálium-kationok alapvető fontosságú váz- és testnedvalkotó elemek, az alkáliföldfémekkel együtt a test tömegének kb. 1 %-át alkotják. Egy 70 kg tömegű felnőtt emberi szervezetben kb. 80-100 g nátrium és 150-170 g kálium van. Az alkálifémionok nagy része ionos formában van jelen a szervezetben, miután sóik oldhatók fiziológiás pH-n, és nem kötődnek irreverzibilisen vagy erősen a sejtfal és a membránok donorcsoportjaihoz. Szabad ionok formájában kerülnek a véráramba és a szállítás során nem igényelnek speciális vivőligandumokat vagy vivőproteineket.

Az élő sejtek jellemzője, hogy belső terükben az egyes alkálifémionok koncentrációja lényegesen eltér a sejten kivüli közegben található ionkoncentrációktól, ami azt eredményezi, hogy a sejtmembrán két oldalán koncentrációgradiens alakul. Ez különösen fontos szerepet játszik a különböző szállító (transzport) folyamatokban (6.2. fejezet). Ezeket a sejtek arra használják fel, hogy felhalmozzák, ill. eltávolítsák a semleges molekulákat és ionokat.

A sejt egészsége az ionok kiegyensúlyozott eloszlását követeli meg. Ennek az egyensúlynak a fenntartása végett az ionok mozgása a sejtmembránon keresztül szigorúan szabályozott és alapvető az élettani folyamatokhoz. Így a nátrium- és káliumionok fő élettani szerepei a következők:

A Na⁺-K⁺ ATPáz enzim szerkezetalakításán túl elsősorban a K⁺ számos más enzim működésében szerepet játszik (pl. adenilát cikláz, szerin deamináz, DNS polimeráz, piruvát kináz stb.)

A nátrium napi ajánlott felvétele 1-2 g. A nátrium-só felvétele hazánkban, a hazai étkezési szokások mellett ennél jóval magasabb, eléri az 5-15 g-ot is. Az étrendben a legtöbb nátrium konyhasó formájában van jelen, de a különféle húsélelmiszerek, pl. sonka, angolszalonna, a kolbász- és szalámifélék tartósítására nátrium-nitritet, számos élelmiszerben pedig izfokozó anyagaként nátrium-glutamátot is használnak. A felesleges nátrium általában a vizelettel távozik a szervezetből. Az arra érzékenyeknél azonban a jelentős nátriumtöbblet folyadékfelhalmozódáshoz és magas vérnyomáshoz vezethet. Ez utóbbi szövődménye szívelégtelenség, szélütés, vese- és szemkárosodás lehet.

A minimális napi káliumszükségletet 1,6 g-ra becsülik. Az egészséges ember esetén az átlagos napi bevitel vegyes táplálkozással 2,0-6,0 g között van, ami bőven fedezi a szükségletet. A kálium külön pótlására legfeljebb vizelethajtó kezelés kapcsán lehet szükség.

Nagymennyiségű kálium bevitele (17-18 g) elsősorban szívproblémákhoz vezet, emellett a mérgezés általános tünetei (hányás, hasi fájdalom, rossz közérzet) jelentkeznek. Ez a hazai étkezési szokások mellett nem léphet fel, csak ha valaki egyéb módon (pl. káliumtartalmú tabletták szedésével) nem juttat több sót a szervezetébe.

A nátrium- és káliumhiány ritka, mert a táplálékkal megfelelő mennyiségű só kerül a szervezetbe. Ugyanakkor a verejtékezés során jelentős mennyiségű só távozik a szervezetből, a forró égövben élőknél, ill. a rendszeresen nehéz testi munkát végzőknél felléphet nátriumhiány. Ennek egyik legelső tünete többnyire a lábikrát érintő izomgörcs, súlyosabb esetben a nátriumhiány kiszáradáshoz vezethet, és vérnyomásesést, szájszárazságot, hányást idézhet elő.

A lítium nem létfontosságú nyomelem, viszont a gyógyászatban a 20. század közepe óta sikeresen használják a Li₂CO₃-ot idegrendszeri zavarok, elsősorban a mániás depresszió kezelésére (16.7. fejezet).

A kalcium váz- és testnedvalkotó elem, az ötödik leggyakorib elem az élő szervezetben a szén, hidrogén, oxigén és nitrogén után,. Az emberi szervezetben átlagosan 1000-1200 g kalcium van, 98 %-a a csontokban és a fogakban található, de ennek 1 %-a dinamikus egyensúlyban áll a maradék 2 % kalciummal, amely teljesen eloszlik a testben, a testnedvekben és a lágyszövetekben. A csontokban és fogakban kötötten, hidroxiapatit vegyület formájában található. A sejten belüli, ill. kivüli közeg kalciumkoncentrációja nem egyenletes eloszlású. Az extracelluláris folyadékban a mennyisége 2,1-2,6 mmol/dm³, fele ionos formában, fele fehérjékhez kötötten található. Az intrecelluláris folyadékban a kalcium-koncentráció nagyságrendekkel kisebb, 10^–4-10^–5 mmol/dm³.

A kalcium legfontosabb élettani szerepei az alábbiak:

Az emberi szervezetben a hidroxiapatit-mikrokristályok biztosítják a csontok keménységének, nyomási szilárdságának fenntartását (5.5. fejezet).

Az alkálifémionokhoz hasonlóan a sejtmembrán két oldalán kialakuló koncentrációgradiens és iontranszport folyamatok játszanak szerepet az ingerület továbbitásában az idegsejtekről másik idegsejtre vagy izomsejtre

A táplálékkal naponta kb. 1200 mg kalcium kerül az emberi szervezetbe, elsősorban tejjel, tejtermékekkel, valamint zöldségfélékkel (M3.1. táblázat).

M3.1. táblázat: Élelmiszerek kalciumtartalma (mg Ca/100 g).

A külvilágból felvett jelentős mennyiségű kalcium egy része kicserélődik a szervezet kalciumraktáraival, majd a felesleg igen nagy pontossággal kiválasztódik úgy, hogy közben a szérum kalcium-koncentrációja 0,1-0,2 mmol/dm³, az ionos kalcium szint pedig kevesebb, mint 0,1 mmol/dm³ ingadozást mutat.

A túlzott kalciumbevitel (2-3 g/nap) székrekedést okozhat, elősegíti a vesekőképződést, ronthatja a cink és a vas felszívódását.

A kalcium hiánya, ill. a nem megfelelő beépülése a csontokba, fogokba komoly betegségekhez vezet.

A magnézium egyik legfontosabb biológiai szerepe a növények fotoszintézisében való részvétel (8. fejezet). Ugyanakkor az emberi szervezet számára is létfontosságú, a kalciumhoz hasonlóan a váz- és testnedvalkotó elemek közé tartozik. Egy átlagos tömegű felnőtt teste kb. 26 g (1100 mmol) magnéziumot tartalmaz. Ennek 54 %-a a csontokban, 45 %-a a lágyszövetekben és 1 %-a az extracelluláris folyadékban található. Szérumszintje 0, 7-1,1 mmol/dm³ között van, harmada albuminhoz kötött formában, 55 %-a ionos formában, 15 %-a pedig szerves molekulákkal létrehozott komplexekben van jelen. A magnézium élettani szerepét távolról sem ismerjük olyan jól, mint pl. a kalciumét. A legfontosabb szerepei az alábbiak:

A napi ajánlott bevitel mennyisége: 280-350 mg, a felszívódás hatásfoka pedig 35-55 %. Magnéziumban gazdagok a zöldségfélék, a hüvelyesek, a gabonafélék, a gyümölcsök, a tejtermékek és a hal.

A bárium vegyületei a legmérgezőbb vegyületek közé tartoznak, azonban a BaSO₄-ot még ma is használják röntgenvizsgálatokban kontrasztanyagként (gyomorvizsgálatok). A BaSO₄ rendkívül rossz oldhatósága biztosítja, hogy a szervezetből felszívódás nélkül távozik (16.3. fejezet).

A p-mező létfontosságú elemei között természetesen a szerves vegyületek alkotóelemei a meghatározóak, amelyek tárgyalása azonban nem a bioszervetlen kémia feladata. A bioszervetlen kémiában ugyancsak nem szoktunk foglalkozni a jód és más halogének biológiai szerepével, mert ezek az elemek is többnyire szerves alkotókhoz kapcsolva, vagy szabad anionként (pl. Cl) fejtik ki hatásukat. Létfontosságú elemként szokás említeni a szilíciumot is és ennek biológiai szerepéről a biomineralizációról szóló 5.5. fejezetben már röviden volt is szó.

A p-mező elemei között napjainkban leginkább érdekesnek számító nyomelemként a szelént szokás említeni. A szelén ugyanis egyrészt valamennyi élő szervezet számára nélkülözhetetlen nyomelem, másrészt a szelénvegyületek a legtoxikusabb vegyszerek közé sorolhatók. A szelén biokémiája ugyancsak a szerves vegyületekbe beépülve szelenocisztein- vagy szelenometionin-tartalmú fehérjéken keresztül érvényesül. A legfontosabb szeléntartalmú enzim a gluation peroxidáz enzim jellemzőit a 10.1.7. fejezetben már ismertettük, míg a szelén biokémiájával és a szelén anyagcsere folyamataival összefüggő egyéb kérdéseket a 15. 1. fejezetben foglaltuk össze.