Rola Ŝelaza w organizmach Ŝywych Maria Bałanda Instytut Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczańskiego PAN
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.
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
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)
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
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 7.35 7.45 Erytrocyty ~2*8 µm Czas Ŝycia ~ 120 dni www.esa.int/images/bloodcell400.jpg
śelazo metabolicznie aktywne Hemoglobina C 2952 H 4664 N 812 O 832 S 8 Fe 4 m M 67 000 V 5 * 5.5 * 6.4 nm 3 2 łańcuchy α 2 łańcuchy β www2.chemie.uni-erlangen.de/
śelazo metabolicznie aktywne Mioglobina jedna grupa hemowa, łatwiej wiąŝe tlen niŝ Hb magazyn tlenu w mięśniach departments.oxy.edu/
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
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)
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
Płuco molekularne
Mechanizm kooperacyjny, małe zmiany (0.29 Å) wywołują duŝe ruchy Hb tense
HbO 2 relaxed
ZaleŜność wysycenia tlenem od ciśnienia dla hemoglobiny i mioglobiny 1 tkanki płuca Y, fractional saturation 0.8 0.6 0.4 0.2 Mb Hb 0 0 20 40 60 80 100 120 po 2, mm Hg
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
śelazo transportowe - transferryna www.structure.kais.kyoto-u.ac.jp m M 80 000 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
śelazo zmagazynowane - ferrytyna nanokryształ [FeO(OH)] 8 [FeO(H 2 PO 4 )] www.ph.hunter.cuny.edu ~ 4500 jonów Fe(III) ghr.nlm.nih.gov/.../illustrations/ferritin.jpg m M 474 000 astro.ocis.temple.edu
Uwalnianie Ŝelaza z ferrytyny 3 fold hydrofilny 4 fold - hydrofobny www.chemistry.wustl.edu/ 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-
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 0-1000 mg ANEMIA HEMOCHROMATOZA
Magnetyt Fe 3 O 4 Fe 3+ relatively safe Fe 2+ potentially toxic
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
Bakterie magnetotaktyczne Magnetosomy - ziarna Fe 3 O 4, Fe 3 S 4, Fe 7 S 8 (35 100) nm jednodomenowe
Ruch wzdłuŝ linii pola magn. polar Ruch axial Mechanizm magnetorecepcji: pszczoły, pstrągi, łososie, ptaki.
Migracje ptaków mechanizm magnetorecepcji
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.
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.
Dziękuję Państwu za uwagę