Rola Ŝelaza w organizmach Ŝywych

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Rola Ŝelaza w organizmach Ŝywych"

Joanna Jakubowska
8 lat temu
Przeglądów:

1 Rola Ŝelaza w organizmach Ŝywych Maria Bałanda Instytut Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczańskiego PAN

2 Rola żelaza w organizmach żywych Żelazo, najbardziej rozpowszechniony pierwiastek magnetyczny w skorupie ziemskiej, jest niezbędne do funkcjonowania organizmów żywych. W organizmie człowieka znajduje się około 3-4 g żelaza i zarówno jego niedobór, jak i nadmiar prowadzą do stanów chorobowych. Subtelny mechanizm wiązania i odłączania tlenu zachodzący w hemoglobinie związany jestzezmianąstanuspinowegożelazafe zmianą stanu spinowego 2+ wkompleksiehemu.żelazobierze udział w reakcjach, które są źródłem energii. Magazynowane jest w postaci zmineralizowanej, w cząstkach ferrytyny. Wiadomo, że w organizmach zwierząt biogeniczne żelazo w postaci nanocząstek Fe 3 O 4 (Fe 3 S 4 ) pomaga w orientowaniu się względem ziemskiego pola magnetycznego. Poruszanie się bakterii magnetotaktycznych jest w pełni poznane, natomiast mechanizm nawigacji ptaków nie jest jeszcze dokładnie wyjaśniony.

Subtelny mechanizm wiązania i odłączania tlenu zachodzący w hemoglobinie związany jestzezmianąstanuspinowegożelazafe zmianą stanu spinowego 2+ wkompleksiehemu.

3 Tlen 65% Węgiel 18% Wodór 10% Azot 3% Ca 1.5% P 1%, K 0.35% Fe, Cu, Zn, Co, Mn, Cr, Se. pierwiastki śladowe Fe 0.008%, ~ 4 g ( krew, mięśnie, szpik kostny, wątroba, śledziona) Organizm ludzki jest złoŝoną organizacją cząsteczek i makrocząsteczek, podlegającą nieprzerwanie wielorakim i skomplikowanym procesom chemicznym i fizycznym

008%, ~ 4 g ( krew, mięśnie, szpik kostny, wątroba, śledziona) Organizm ludzki

4 Fe (3d 6 4s 2 ) potrzebny do transportu tlenu bierze udział w procesach i reakcjach, które są źródłem energii Fe(II) 3d 6 Fe(III) 3d 5 jon Ŝelazawy (ferrous) jon Ŝelazowy (ferric) Fe(II) OH Hem (Fe(II) + porfiryna)

5 śelazo w organizmie człowieka Ŝelazo aktywne metabolicznie hemoglobina ( erytrocyty) mioglobina ( mięśnie) Ŝelazo transportowe transferryna ( osocze) Ŝelazo zmagazynowane ferrytyna ( wątroba, śledziona) en.wikipedia.org Zdjęcie SEM krwi

transportowe transferryna ( osocze) Ŝelazo zmagazynowane

6 Copyright 2004 Pearson Education, Inc., osocze (~ 55%) ok. 100 składników leukocycty i płytki (<1%) erytrocyty (~ 45%) Krew: ~ 8 % wagi ciała 5-6 l (męŝczyźni) 4-5 l (kobiety) ph Erytrocyty ~2*8 µm Czas Ŝycia ~ 120 dni

~ 8 % wagi ciała 5-6 l (męŝczyźni) 4-5 l (kobiety) ph 7.35 7.

7 śelazo metabolicznie aktywne Hemoglobina C 2952 H 4664 N 812 O 832 S 8 Fe 4 m M V 5 * 5.5 * 6.4 nm 3 2 łańcuchy α 2 łańcuchy β www2.chemie.uni-erlangen.de/

8 śelazo metabolicznie aktywne Mioglobina jedna grupa hemowa, łatwiej wiąŝe tlen niŝ Hb magazyn tlenu w mięśniach departments.oxy.edu/

9 Subtelny mechanizm wiązania, transportu i odłączania tlenu oparty na kompleksie Ŝelaza HO 2 C N N Fe NR HO 2 C N N O O Fe 2+ hem Fe(II) w centrum grupy hemowej Globina wiąŝe i odłącza O 2 Fe(III) niezdolne do wiązania tlenu

C N N O O Fe 2+ hem Fe(II) w centrum grupy hemowej

10 Stany spinowe Fe(II) LS i HS Low Spin High Spin e g e g t 2g t 2g S=0 S=2 Przerwa zaleŝna od ładunku jonu i otoczenia (rodzaju liganda)

11 Hemoglobina bez tlenu: Hb Hemoglobina utleniona: HbO 2 O 2 Fe(HS) Fe(LS) Globina T - tense Fe(II) 3d 6 High Spin S=2 r=0.92 Å krew paramagnetyczna Globina R - relaxed r 0.75 Å krew diamagnetyczna Fe(II) LS, O 2 stan wzbudzony Fe(III) LS s=1/2, O2 s=1/2

92 Å krew paramagnetyczna Globina R - relaxed r 0.

12 Płuco molekularne

13 Mechanizm kooperacyjny, małe zmiany (0.29 Å) wywołują duŝe ruchy Hb tense

14 HbO 2 relaxed

15 ZaleŜność wysycenia tlenem od ciśnienia dla hemoglobiny i mioglobiny 1 tkanki płuca Y, fractional saturation Mb Hb po 2, mm Hg

$płuca Y, fractional saturation 0.8 0.6 0.$

16 Efekt Bohra Oprócz O 2 hemoglobina moŝe wiązać: CO b. silnie, w miejscu tlenu SO, NO 2, H 2 S toksyny protony i CO 2 NO ZaleŜność wysycenia tlenem od ph (zawartości CO 2 ) niskie ph Fe(II) Fe(III) www2.chemie.uni-erlangen.de/ Transport NO przez Hb

2 NO ZaleŜność wysycenia tlenem od ph (zawartości CO 2 )

17 śelazo transportowe - transferryna m M Transport do szpiku kostnego ( 25 mg/24 h) WiąŜe silnie (lecz odwracalnie) 2 centra Fe(III) S=5/2 Wiązanie słabnie gdy ph maleje śelazo uwolnione z rozpadających się krwinek czerwonych jest wbudowywane do nowo powstających erytrocytów

odwracalnie) 2 centra Fe(III) S=5/2 Wiązanie słabnie gdy ph maleje śelazo

18 śelazo zmagazynowane - ferrytyna nanokryształ [FeO(OH)] 8 [FeO(H 2 PO 4 )] ~ 4500 jonów Fe(III) ghr.nlm.nih.gov/.../illustrations/ferritin.jpg m M astro.ocis.temple.edu

edu ~ 4500 jonów Fe(III) ghr.nlm.nih.gov/.

19 Uwalnianie Ŝelaza z ferrytyny 3 fold hydrofilny 4 fold - hydrofobny 1. redukcja Ŝelaza Fe(III) do Fe(II) przez DHF 2. Fe(II) opuszcza ferrytynę przez kanał 3 fold i zostaje włączone do kompleksu Fe(ferrozine) 3 4-

20 Rozkład Ŝelaza w organizmie Lokalizacja Białko Zawartość Pula Hemoglobiny Hemoglobina ~ 70% Fe zmagazynowane Ferrytyna ~ 25% Hemosyderyna Tkanki Mioglobina ~ 3% Peroxydaza Osocze Transferyna ~ 2% Ŝelazo rozpuszczone Magazynowanie Ŝelaza: wątroba, śledziona, szpik kostny mg ANEMIA HEMOCHROMATOZA

Mioglobina ~ 3% Peroxydaza Osocze Transferyna ~ 2% Ŝelazo rozpuszczone

21 Magnetyt Fe 3 O 4 Fe 3+ relatively safe Fe 2+ potentially toxic

22 Fe (3d 6 4s 2 ) pierwiastek niezbędny do Ŝycia donor lub akceptor elektronów potrzebny do transportu tlenu moŝe być toksyczny, katalizuje powstawanie wolnych rodników tolerancja na zawartość Fe bardzo niewielka Ŝelazo podlega procesowi recyrkulacji - uwolnione z rozpadających się krwinek czerwonych jest wbudowywane do nowo powstających erytrocytów Organizm ludzki kontroluje absorpcję i recyrkulację Fe, lecz nie usuwanie

23 Bakterie magnetotaktyczne Magnetosomy - ziarna Fe 3 O 4, Fe 3 S 4, Fe 7 S 8 (35 100) nm jednodomenowe

24 Ruch wzdłuŝ linii pola magn. polar Ruch axial Mechanizm magnetorecepcji: pszczoły, pstrągi, łososie, ptaki.

25 Migracje ptaków mechanizm magnetorecepcji

26 Model magnetoreceptorów u ptaków oparty na superparamagnetycznych klastrach magnetytu Fe 3 O 4 10 µm A.F. Davila et al. Physics and Chemistry of Earth 28 (2003) 647.

27 Biogeniczne minerały Ŝelaza - metabolizm bakterii Amorficzne, quasikrystaliczne lub nanokrystality Fe 2 O 3 *9H 2 O, Fe 3 O 4, Fe 3 S 4, γ -FeOOH wody, morza, osady, gleby,. TEM γ -FeOOH TEM przetwarzanie ferryhydrytu na magnetyt Biomineralizacja tlenków Ŝelaza przez bakterie i wirusy D. Fortin, S. Langley, Eath-Science Reviews 72 (2005) 1.

28 Dziękuję Państwu za uwagę

Podobne dokumenty

Geometria wiązania hemu w oksymioglobinie

Białka wiążące tlen Geometria wiązania hemu w oksymioglobinie Hem Hb A tetrametr zbudowany z dwóch identycznych łańcuchów α (141 reszt aminokwasowych, N koniec stanowi walina, a C koniec arginina) i dwóch