Bio und Anorganik ?

Bio und Anorganik ?

~

Platinelektroden Escherichia coli-

Bakterien

Nähr-und Pufferlösung (Glukose, MgCl₂, NH₄Cl)

~

Rosenberg-Versuch Thauer-Versuch

4 H₂ + CO₂ ^Archaeen CH₄ + 2 H₂O

Bakterien

cytostatische Wirkung durch 8 ppm Platin in Lösung

Cl Pt

Cl NH₃

NH₃ Cl

Cl

Cl Pt

Cl NH₃

NH₃

Cisplatin

Abhängigkeit des Bakterienwachstums von der Eintauchtiefe der Kanüle

Edelstahlkanüle: 70 % Eisen 20 % Chrom 10 % Nickel

I II Nebengruppenelemente III IV V VI VII VIII 1

1

H

1.006

2

He

4.003

2

3

Li

6.94 4

Be

9.01

5

B

10.81 6

C

12.011 7

N

14.01 8

O

16.00 9

F

19.00 10

Ne

20.18

3

11

Na

22.99 12

Mg

24.31

13

Al

26.98 14

Si

28.09 15

P

30.97 16

S

32.06 17

Cl

35.45 18

Ar

39.95

4

19

K

20

Ca

21

Sc

22

Ti

23

V

24

Cr

25

Mn

26

Fe

27

Co

28

Ni

29

Cu

30

Zn

31

Ga

32

Ge

33

As

34

Se

35

Br

36

Kr

Metallionen der Bioanorganik

4 K

39.10

Ca

40.08

Sc

44.96

Ti

47.90

V

50.94

Cr

52.00

Mn

54.94

Fe

55.85

Co

58.93

Ni

58.71

Cu

63.55

Zn

65.37

Ga

69.72

Ge

72.59

As

74.92

Se

78.96

Br

79.90

Kr

83.80

5

37

Rb

85.47 38

Sr

87.62 39

Y

88.91 40

Zr

91.22 41

Nb

92.91 42

Mo

95.94 43

Tc

98.91 44

Ru

101.07 45

Rh

102.91 46

Pd

106.4 47

Ag

107.87 48

Cd

112.40 49

In

114.82 50

Sn

118.69 51

Sb

121.75 52

Te

127.60 53

I

126.90 54

Xe

131.30

6

55

Cs

132.91 56

Ba

137.34 57

La

138.91 72

Hf

178.49 73

Ta

180.95 74

W

183.85 75

Re

186.2 76

Os

190.2 77

Ir

192.22 78

Pt

195.09 79

Au

196.97 80

Hg

200.59 81

Tl

204.37 82

Pb

207.2 83

Bi

208.96 84

Po

(209) 85

At

(210) 86

Rn

(222)

7

87

Fr

(223) 88

Ra

226.03 89

Ac

(227) 104

Rf

(261) 105

Db

(262) 106

Sg

(263) 107

Bh

(262) 108

Hs

(265) 109

Mt

(266) 110

Unn

(270) 111

Unn

(272) 112

Unn

(277) 113

Unn Lanthaniden ⁵⁸

Ce

140.12 59

Pr

140.91 60

Nd

144.24 61

Pm

(145) 62

Sm

150.4 63

Eu

151.96 64

Gd

157.25 65

Tb

158.93 66

Dy

162.50 67

Ho

164.93 68

Er

167.26 69

Tm

168.93 70

Yb

173.04 71

Lu

174.97

Actiniden ⁹⁰ Th

232.04 91

Pa

231.04 92

U

238.03 93

Np

237.05 94

Pu

(244) 95

Am

(243) 96

Cm

(247) 97

Bk

(249) 98

Cf

(249) 99

Es

(254) 100

Fm

(257) 101

Md

(258) 102

No

(255) 103

Lr

(256)

violett:Mengenelemente, gelb: Spurenelemente, grau:pharmazeutisch verwendete Elemente

Liganden der Bioanorganik

H₂N CHC CH₃

OH O H₂N CHC

H

OH O

H₂N CHC CH

OH O CH₃ CH₃

H₂N CHC CH₂

OH O

CHCH₃ CH₃

H₂N CHC CH₂

OH O

H₂N CHC CH₂

OH O

SH H₂N CHC

CH₂ OH O

CH

H₂N CHC CH₂

OH O

H₂N CHC CH₂

OH O

CH

H₂N CHC CH₂

OH O

Gly Ala Val Leu Phe

SH CH₂

C OH

O N

NH

CH₂ S CH₃

OH

H₂N CHC CH₂

OH O

CH₂ CH₂ NH C NH₂

NH H₂N CHC

CH₂ OH O

C NH₂

O

H₂N CHC CH₂

OH O

OH

H₂N CHC CH₂

OH O

HN

Glu Cys His Met Tyr

Asn Arg Ser Trp

Koordinationsweisen von Aminosäure-Seitenketten

H O

HN CH C CH₂

O O

N NH

HN CH C O H O

N CH C O O

HN CH C CH₂

O O

HN N

HN CH C O O

HN CH C CH₂

O O

CH₂ S

CH₃

HN CHC CH₂

O S

HN CHC CH₂

O O

S HN CH C

CH₂ O O

O O

N CH C CH₂

O

O O

N CH C CH₂

O

O O

N CH C CH₂

O

O

Eiweiß-Grundstruktur

Primärstruktur

Sekundärstruktur

Tertiärstruktur

Prinzipien der Komplexchemie: HSAB-Konzept

H⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cr³⁺, Mn²⁺, Fe³⁺, Co³⁺,

H₂N CH C CH₂

OH O

CH₂ C HO O

H₂N CH C CH₂

OH O

OH

H₂N CHC CH₂

OH O

N

NH

Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺

H₂N CH C CH₂

OH O

SH

H₂N CH C CH₂

OH O

CH₂ S CN^-, CO, R^-

Cu⁺, Cd²⁺, Pt²⁺, Ag⁺, Hg²⁺

HSAB...hard and soft acids and bases (nach Pearson) weich:groß und leicht polarisierbar

hart:klein und wenig polarisierbar theoretisch-quantitative Ansätze:

(i) Koordinatensystem aus Ladung/Radius gegen 2. Ionisierungsenergie (ii) Bezug zur Größe der HOMO-LUMO-Lücke

OH

H₂O, OH^-, CO₃^2-, PO₄^3- SO₃^2-, NO₂^- CN^-, CO, R^- CH₃

Prinzipien der Komplexchemie: Chelateffekt

N O

O O H O

N O

O O O

Ni(H₂O)₄ N

O OHHO O

N

O O

OHHO

[Ni(H₂O)₆]²⁺

N O

O O O H

N

O O

O

O H Ni

N O

O O

O N Ni

O

O

O O

2-

O H OH

H₄edta

O

O O

O

NH O

NH O HN

O

O

O

OH OH

HO OH HO

HO

Siderophor Enterobactin Ursache der hohen Stabilität:

Entropiegewinn (thermodynamisch) Konzept der lokalen Konzentration (kinetisch)

Regulation des Redoxpotentials

O N

R

O N R

Cu

Cu(I) tetraedrische Koordination

Cu(II) quadratisch planare Koordination

E_1/2/V

-0.90 -0.86 -0.74

Winkel zwischen

R = Me R = Et R = iso-Prop

den Chelatringen 5° 13° 59°

Elektronentransport über Kupfer

Plastocyanin (Azurin)

Molekulargewicht 10500 Da E_1/2 = 370 mV

Ligand-Metall-Charge-Transfer vereinbar mit Thiolat-Koordination

EXAFS-Daten Extended X-ray

Absorption Fine Structure 1 x Histidin,

1 x Thiolat

plus ein weiterer Ligand

Elektronentransport über Kupfer EPR-Spektroskopie

niedrige g-Wert-Anisotropie und kleine Hyperfeinkopplung zu

^63/65

Cu

Delokalisation des einzelnen Elektrons

Struktur des aktiven Zentrums des Azurins

Cu(II) Cu(I), pH = 7

Cu – S(Cys) 2.13 2.17

Cu – S(Met) 2.90 2.87

Cu – N(His) 2.04 2.13

Cu – N(His) 2.10 2.39

Kinetische Aspekte: Elektronentransfer

1b. Elektronenübertragung

Cr^II H₂O

H₂O

OH₂ OH₂ OH₂

OH₂

2+

Co^III H₃N

H₃N

NH₃ Cl NH₃

NH₃

2+

+

Cr H₂O

OH₂ OH₂ OH₂

OH₂

4+

Co H₃N H₃N

NH₃ Cl NH₃

NH₃

Cr^III Cl

H₂O

OH₂ OH₂ OH₂

OH₂

2+

Cr^II + H₂O

H₂O

OH₂ OH₂ OH₂

OH₂

2+

Innersphere- Mechanismus e^-

Outersphere- Mechanismus

in vivo verbreitet,

oft keine Brückenliganden vorhanden,

M₁^II L

L L

L L

L

M₂^III L

L L

L L

L e^-

M₁^III L

L L

L L

L

M₂^II L

L L

L L

L

Kinetische Aspekte: Elektronentransfer

substitutionsträge Komplexe Frank-Condon-Prinzip:

Schwingungen: ca. 10^-13 s

Elektronenübergang: ca. 10^-15 s MARCUS-Theorie:

adiabatischer eTransfer nach

Angleichung der Koordinationsgeometrien Geschwindigkeit des Ladungstransfers k_et ist Funktion von ∆G und der

Reorganisationsenergie λ

Zusammenhang

∆G°des eTransfers und Reorganisationsenergie λ

Franck-Condon-

Überlappung ~ Franck-Condon-Faktor

Kinetische Aspekte: Elektronentransfer

Franck-Condon- Barriere

Cytochrom c: kleines Protein ( ca. 1oo Aminosäuren)

Vorkommen: Mitochondrien („Kraftwerk der Zelle“)

His

Elektronentransfer: Cytochrome

Oh-Koordination am Eisen Fe²⁺(low spin) ↔ Fe³⁺ (low spin) geringfügige Strukturänderungen

etwa 50 Cytochrome bekannt

Cytochrom a: positives Redoxpotenzial Cytochrom b: 2x Histidin-Koordination Met

Kovalente Verankerung des Porphyrins im Protein

Elektronentransfer: Cytochrome

Addition

der zwei Vinylgruppen des Protoporphyrins IX an zwei Cystein-Gruppen

Elektronentransport: Ferredoxine

E / mV Fe

Cys-S

Cys-S S-Cys

S-Cys -

Rubredoxine

Cys-S Fe

Fe

S S

S Fe

Fe S

S-Cys S-Cys Cys-S

2-

[4Fe4S]-Ferredoxine Fe

Cys-S

Cys-S SS Fe

S-Cys S-Cys 2-

[2Fe2S]-Ferredoxine Cys-S Fe

Fe

S S

S Fe

Fe S

S-Cys S-Cys Cys-S

2-

[4Fe4S]-Ferredoxine

+300 +100 +200

0 -100

-300 -200 -500 -400

-600

-700 +400

Fe(II)/Fe(III) beide high spin Fe(III)/Fe(III)

high spin aber S=0

Fe(II)/Fe(III) S=½

zwei Mößbauer-Signale loalisiert

2Fe(II)/2Fe(III) S=0

ein Mößbauer-Signal

3Fe(II)/1Fe(III) S=1/2

ein Mößbauer-Signal delokalisiert

2Fe(II)/2Fe(III) S=0

1Fe(II)/3Fe(III) S=1/2

Regulation des Redoxpotenzials

Wasserstoff-Brückenbindungen zur Peptidkette HiPIP: High Potential Iron Protein Fd: Ferrdoxin

5 8

Regulation des Redoxpotenzials

SHSH N H

O

CPh₃ S^-

N H

O

CPh₃

B

- H⁺

δ δ δ

δH (NH) = 8.28 ppm δδδδ

H (NH) = 10.32 ppm Pt SR

SR N

N

[(bipy)PtCl₂] SH

H N

O

CPh₃

H-A

δ δ δ

δH (NH) = 8.74 ppm

[(bipy)Pt(A)]

[(bipy)Pt(B)]

N. Ueyama et al., Inorg. Chem. 2005, 44, 1966.