REFERAT CHIMIE: HEMOGLOBINA

label Referate autorenew 2025-09-29, 16:56 history_edu Petruta DUMITRU
1. Compusi metal-organici cu importanta biologicaEnzimele, compusi biologici macromoleculari, cu proprietati catalitice, produse exclusiv de celulele vii, sunt holoproteine cu structuri tridimensionale specifice, alcatuite numai din lanturi polipeptidice, de aminoacizi sau heteroproteide, care contin, pe linga componenta proteica, termolabila, nedializabila, cu proprietati fizico-chimice specifice proteinelor, denumita apoenzima si o componenta neproteica, termostabila, cu masa moleculara mica si dializabila, denumita cofactor enzimatic. Activitatea catalitica a enzimelor este limitata la o regiune mica a componentei proteice, numita centru activ sau situs catalitic activ. Numeroase enzime contin in situsul lor activ ioni metalici sau necesita prezenta ionilor metalici pentru trecerea enzimei din starea de zimogen, inactiva, in stare catalitic activa. Enzimele in care ionii metalici sunt puternic incorporati si legati stoechiometric in structura lor, fara a putea fi eliminati in procesul de purificare al enzimei, se numesc metaloenzime.Metaloproteinele, compusii ai cationilor metalici cu moleculele organice de interes biologic, sunt heteroproteine in care componenta prostetica este reprezentata de un metal, iar componenta proteidica este constituita dintr-o catena in care exista gruparile polare libere apartinand poliheteroaminoacizilor constituenti. Structura chimica specifica macromoleculelor de metaloproteineconfera acestora proprietati functionale in care specificitatea are importanta aparte. Gruparile polare din catenele macromoleculare concura la stabilirea legaturilor cu metalele din componenta prostetica. Acest considerent explica relatia structura chimica in activitate biologica, precum si prezenta numeroaselor metaloproteine ca bioconstituenti celulari si tisulari sau ca efectori in reactiile biochimice specifice proceselor metabolice. Metalele care au fost puse in evidenta frecvent in structura metaloproteinelor sunt: fier, cupru, mangan, zinc, cobalt, magneziu etc. Legatura dintre metal si apoproteina se realizeaza prin intermediul gruparilor polare libere ale aminoacizilor din molecula proteica.Se considera ca apoproteina prezinta o anumita regiune din molecula susceptibila de a stabili legaturi cu metalul, in conformitate cu distributia spatiala a gruparilor capabile sa formeze asemenea legaturi. Metalul (M2+) se fixeaza de apotroteina prin liganzi, grupari care pot dona electroni metalului, stabilindu-se astfel legaturi covalente coordinative, metalul devenind coordinat. Prin intermediul liganzilor, metalul fixat pe apoproteina formeaza un complex intern numit chelat care se caracterizeaza prin existenta unui ciclu in care se stabilesc covalente coordinative intre atomii de N sau O ai ligandului si ionul metalic coordinat. Existenta acestor structuri cu caracter de chelat sunt posibile in metaloenzime, structuri care explica mecanismul functional al acestora in procesele biochimice la care intervin.Metaloproteine importante pentru organismul umanCu cat numarul liganzilor care leaga ionul metalic este mai mare cu atat creste stabilitatea si selectivitatea metaloenzimei. Desi in structura metalo- enzimelor intra un numar mic de metale care vor fi puternic legate printr-un numar limitat de situsuri specifice, nu s-au putut stabili reguli pentru relatia metal-ligand care sa permita presupunerea unor preferinte de legare.Una din caracteristicile esentiale ale metaloenzimelor este inalta stabilitate a complexului format intre ionul metalic si partea proteica. Aceasta stabilitate trebuie considerata mai mult din punct de vedere termodinamic decat cinetic, deoarece in multe cazuri au fost stabilite conditiile de disociere reversibila a ionului metalic, cand legarea poate fi descrisa in termenii legii actiunii maselor.1. Fierul in sisteme biologiceFunctiile proteinelor care contin fier sunt foarte variate si includ: (1) sinteza deoxiribozei (ribonucleotid reductaza); (2) transportul oxigenului (hemeritrina, hemoglobina); (3) activarea oxigenului (catecol dioxigenaza, citocromul P-450); (4) hidroliza fosfoesterilor (uteroferina, fosfataza acida purpurie); (5) depozitarea si transportul fosforului (fosvitina); (6) transportul fierului (transferina, fosvitina); (7) depozitarea fierului (feritina, fosvitina). Sideroforii (fierul de greutate moleculara mica transportat in microorganisme) potfi de asemenea, inclusi in studiul proteinelor si enzimelor cu fier, deoarece interactiile fier-ligand si mecanismele metabolice pot servi ca modele pentru multe proteine ferice cunoscute. Consideram trei grupe principale de proteine care contin fier, bazate pe gruparile functionale prezente in fiecare tip de proteina: proteine ferice non-hemice, hematoproteine, proteine fier-sulf.1.Proteine ferice non-hemiceFierul este cel mai abundent metal pe pamant; deci nu este surprinzator faptul ca se intalneste in multe proteine si enzime. Fierul este incorporat in proteine si enzime in doua forme bazice: proteine ferice non-hemice si proteine si enzime care contin hemul. Proteinele ferice non-hemice nu contin liganzi porfirinici, acestea contin fier coordinat la aminoacizii porfirinici din proteine si liganzi subordonati in solutie apoasa de proteina. Tabelul 2 prezinta functiile proteinelor ferice non-hemice cunoscute si proteinele hemice cu functiile analoage.Hemeritrina :Hemeritrina este o metaloproteina cu continut redus de fier (aproximativ 0,8-1,0%), prezenta sub forma unui pigment rosu-violet in organismul animalelor nevertebrate.Masa moleculara a hemeritrinei variaza mult de la o specie la alta, presupunandu-se ca acest fapt s-ar putea datora existentei unei structuri bazate pe subunitati.Se considera ca hemeritrina intervine in procesele oxiforetice, decelandu-se spectroscopic formatiuni structurale de tipul oxihemeritrina - cu continut ridicat de oxigen, methemeritrina - rezultate prin oxidarea cu fericianura sau cu oxigen molecular.Asupra raportului oxigen/fier datele din literatura difera citandu-se valori de 1/3, 1/2 sau intermediare intre acestea. Exista si presupunerea existentei unei legaturi in care oxigenul apare ca ion peroxidic ( O2-2), precum si a existentei fierului feros (Fe2+) si a fierului feric (Fe3+). Cert este insa faptul ca la nevertebrate, hemeritrina are rolul hemoglobinei de la vertebrate.Metan monooxigenaza :Metan monooxigenaza (MMO) este o proteina ferica non-hemica carecatalizeaza reactia: reactie considerata importanta din punct de vedere industrial datorita rezervelor mari de CH4 si intentiei de a converti astfel de hidrocarburi in combustibili sau aditivi pentru carburanti. Intelegerea mecanismului acestei enzime prezinta importanta, atat industriala, cat si in domeniul bioanorganic. Reducerea MMO in prezenta dioxigenului este capabila sa oxideze substraturile similar reactiilor catalizate de hematoproteina citocrom P-450. Un model sintetic pentru MMO care contine cobalt dinuclear cu toti atomii de oxigen ca liganzi in complex este CpCo[(OR)P(OET)2]3. Complexul are o serie de proprietati interesante, in voltamogramele ciclice reversibile ale acestuia fiind puse in evidenta toate starile de oxidare ale metalului.Ribonucleotid reductazaRibonucleotid reductaza, proteina ferica non-hemica, este implicata in transferul de electroni, functie similara cu cea indeplinita de citocrom c oxidaza. Ribonucleotid reductaza implica ionii Mg2+, Mn2+ sau Ca2+ . Reactia catalizata de aceasta enzima implica conversia ribonuclotidelor la 2'-deoxiribonucleotide. FeritinaMetaloproteina neporfirinica, feritina are un continut de fier de aproximativ 23%. Forma sub care se afla fierul este clar definita, redindu-se prin (FeOOH)8 sau (FeOPO3 H2)n si remarcandu-se prin caracterul micelar. Rolul feritinei in stocarea fierului a fost relevat atat prin retinerea fierului anorganic de provenienta exogena (alimentara), cat si a fierului din compusii bioanorganici de provenienta endogena (metabolica). In aceste interactii intervin agenti reducatori (acid ascorbic, acid uric) si agenti oxidanti (oxigenul molecular).2.2. Hematoproteine si enzime hemiceAu fost gasite in natura un numar mare de proteine si enzime care contin ca grupare prostetica hemul (figura 1), o porfirina continand un ligand macrociclic care coordineaza fierul. Ligandul porfirinic are abilitatea de a coordina aproape toate metalele tranzitionale la fel de bine ca si multe nemetale. Porfirinele pot accepta doi ioni de hidrogen pentru a forma un diacid sau pot ceda doi protoni pentru a deveni un anion cu sarcina -2. Figura 1. Structura gruparii prosteice hem: hem b (protohem), R2, R4 = -CH=CH2 (denumita protoporfirina IX); mezohem, R2, R4= -CH2CH3 deuterohem, R2, R4 = H; hem a, R2= -CH =CH2, R = -CHOHCH3; hem c, R , R = -CHSCH3.Hemul poate fi separat de globina, cu acizi diluati sau cu piridina sau chiar cu apa curata, la diluatie mare. Separarea aceasta intampina dificultati experimentale fiindca globina se denatureaza usor, iar hemul se oxideaza extrem de usor la aer. Globina are caracter bazic, din cauza continutului ei mare de lisina si histidina. Legatura dintre globina si hem se stabileste prin intermediul fierului. Hemul se recombina cu globina, regenerand o hemoglobina cu proprietati identice in multe privinte cu cele initiale.Hemul este o combinatie complexa a fierului bivalent cu un colorant, protoporfirina. Se numesc hemine, combinatiile analoage cu fier trivalent (hemina obisnuita mai contine si un ion de clor); hematina contine un ion hidroxil, pentru satisfacerea celei de-a treia valente a fierului.Combinatia dintre hem si globina denaturata poarta numele de hemocromogen. Prin oxidarea fierului din hemoglobina la starea trivalenta se formeaza methemoglobina. Methemoglobina apare in sange si in urina in intoxicatiile cu nitro-derivati si cu amine aromatice.Hemul B este cel mai des ntlnit tip de hem, fiind ntlnit att n structura proteinelor transportoare de O (hemoglobina, mioglobina), ct i n structura enzimelor de tipul peroxidazelor. Enzimele COX1 i COX2, ciclooxigenazele care intervin n sinteza prostaglandinelor, conin i ele o grupare hemic n unul din cele 2 site-uri active. n general hemul B este ataat de helixul proteic prin intermediul unei legturi coordinative ntre ionul de Fe i lanul proteic. n cazul hemoglobinei legtura coordinativ este realizat cu histidina,n timp ce NOS (sintaza oxidului de azot) i citocromul P450 realizeaz legtura cu cisteina. Datorit existenei unui singur electron la atomul de Fe, care poate fi legat printr-o legtura coordinativ cu proteina, fierul adopt o stare de pentacoordinare, n timp ce n cazul legrii oxigenului sau monoxidului de carbon, fierul este hexacoordinat.