"Chemia bionieorganiczna"

Spis treści

1. Podstawy chemii nieorganicznej i biochemii 12

1.1 Wstęp 12

1.2 Podstawowe pierwiastki chemiczne 12

1.3 Podstawy chemii nieorganicznej 14

1.4 Struktury elektronowe i budowa przestrzenna metali w układach biologicznych 16

1.5 Termodynamika i kinetyka 25

1.6 Chemia bioorganiczno-metaliczna 28

1.7 Wnioski z chemii nieorganicznej 33

1.8 Wprowadzenie do biochemii 34

1.9 Białka 34

1.9.1 Elementy składowe aminokwasów 34

1.9.2 Struktura białka 37

1.9.3 Działanie białek, enzymów i kinetyka enzymów 41

1.10 Dna i elementy składowe RNA 44

1.10.1 Struktury molekularne DNA i RNA 44

1.10.2 Przekazywanie informacji genetycznych 50

1.10.3 Mutacje genetyczne i ukierunkowana mutageneza 53

1.10.4 Geny i klonowanie 54

1.10.5 Genomika i genom ludzki 56

1.10.6 CRISPR 57

1.11 Przykład opisowy: przenoszenie elektronów przez DNA 61

1.11.1 Woltamperometria cykliczna 65

1.12 Podsumowanie i wnioski 67

1.13 Pytania i kwestie do przemyślenia 67

Bibliografia 68

2. Sprzęt komputerowy, oprogramowanie i metody chemii obliczeniowej 72

2.1 Wprowadzenie do metod komputerowych 72

2.2 Sprzęt komputerowy 72

2.3 Oprogramowanie komputerowe dla chemii 75

2.3.1 Programy do tworzenia schematów chemicznych 76

2.3.2 Programy do wizualizacji 77

2.3.3 Oprogramowanie z zakresu chemii obliczeniowej 77

2.3.3.1 Oprogramowanie stosowane w Dynamice Molekularnej (MD) 79

2.4 Mechanika molekularna (MM), modelowanie molekularne i dynamika molekularna (MD) 80

2.3.3.2 Oprogramowanie matematyczno-graficzne 80

2.5 Metody obliczeniowe oparte na mechanice kwantowej 81

2.5.1 Metody ab-initio 81

2.5.2 Metody półempiryczne 82

2.5.3 Teoria funkcjonału gęstości i jej przykłady 83

2.5.3.1 Na początek Schrödinger 83

2.5.3.2 Teoria Funkcjonału Gęstości (DFT) 84

2.5.3.3 Bazy funkcyjne 85

2.5.3.4 Zastosowania Teorii Funkcjonału Gęstości (DFT) 88

2.5.4 Metody oparte na mechanice kwantowej i molekularnej (QM/MM) 90

2.6 Wnioski dotyczące aparatury, oprogramowania i chemii obliczeniowej 91

2.7 Bazy danych, narzędzia wizualizacyjne, nomenklatura i inne zasoby online 92

Bibliografia 94

2.8 Pytania i kwestie do przemyślenia 94

3. Najważniejsze centra aktywne w białkach 98

3.1 Centralny jon żelaza w mioglobinie i hemoglobinie 98

3.1.1 Wstęp 98

3.1.2 Struktura i funkcja określona za pomocą rentgenografii strukturalnej i jądrowego rezonansu magnetycznego 101

3.1.3 Mikroskopia krioelektronowa a struktura/funkcja hemoglobiny 104

3.1.3.1 Wprowadzenie 104

3.1.3.2 Techniki mikroskopii krioelektronowej 104

3.1.3.3 Struktury określane za pomocą mikroskopii krioelektronowej 107

3.1.4 Związki modelowe 109

3.1.5 Substytuty krwi 111

3.2 Centra żelazowe w cytochromach 112

3.2.1 Oksydaza cytochromu c 113

3.2.2 Badania strukturalne dotyczące oksydazy cytochromu c (CcO) 114

3.2.3 Oksydaza cytochromu c (CcO). Cykl katalityczny i zagadnienia energetyczne 06 119

3.2.4 Kanały protonowe w oksydazie cytochromu c 119

3.2.5 Związki modelowe oksydazy cytochromu c 123

3.3 Klastry żelazowo-siarkowe w nitrogenazie 129

3.3.1 Wprowadzenie 129

3.3.2 Struktura nitrogenazy i mechanizm katalityczny 130

3.3.3 Mechanizm redukcji azotu (N2) 132

3.3.4 Ścieżki substratów do nitrogenazy 136

3.3.5 Związki modelowe nitrogenazy 139

3.3.5.1 Modele funkcjonalne nitrogenazy 139

3.3.5.2 Modele strukturalne nitrogenaz 144

3.4 Miedź i cynk w dysmutazie ponadtlenkowej 146

3.4.1 Wprowadzenie 146

3.4.2 Struktura dysmutazy ponadtlenkowej i mechanizm działania katalitycznego 148

3.4.3 Modelowa cząsteczka miedziowo-cynkowej dysmutazy ponadtlenkowej 151

3.5 Monooksygenaza metanowa 153

3.5.1 Wprowadzenie 153

3.5.2 Rozpuszczalna monooksygenaza metanowa 154

3.5.3 Zawieszona monooksygenaza metanu 157

3.6 Podsumowanie i wnioski 160

3.7 Pytania i kwestie do przemyślenia 161

Bibliografia 162

4. Hydrogenazy, anhydrazy węglanowe, enzymy cyklu azotowego 170

4.1 Wprowadzenie 170

4.2 Hydrogenazy 171

4.2.1 Wprowadzenie 171

4.2.2 Hydrogenazy [NiFe] 173

4.2.2.1 Modelowe związki hydrogenazy [NiFe] 176

4.2.3 Hydrogenazy [FeFe] 179

4.2.3.1 Modelowe związki hydrogenazy [FeFe] 184

4.2.4 Hydrogenazy [Fe] 185

4.2.4.1 Związki modelowe hydrogenazy [Fe] 185

4.3 Anhydrazy węglanowe 187

4.3.1 Wprowadzenie 187

4.3.2 Inhibitory anhydrazy węglanowej 188

4.4 Enzymy cyklu azotowego 190

4.4.1 Wprowadzenie 190

4.4.2 Syntaza tlenku azotu 193

4.4.2.1 Wprowadzenie 193

4.4.2.2 Struktura syntazy tlenku azotu 193

4.4.2.3 Inhibitory syntazy tlenku azotu 194

4.4.3 Reduktaza azotynowa 198

4.4.3.1 Wprowadzenie 198

4.4.3.2 Redukcja jonu azotanowego(III) do jonu amonowego 199

4.4.3.3 Redukcja jonu azotanowego(III) do tlenku azotu(II) 200

4.5 Podsumowanie i wnioski 212

4.6 Pytania i zagadnienia do przemyślenia 212

Bibliografia 213

5. Chemia nanobionieorganiczna 218

5.1 Wprowadzenie do nanomateriałów 218

5.2 Metody analityczne 220

5.2.1 Mikroskopia 221

5.2.1.1 Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) 221

5.2.1.2 Transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) 221

5.2.1.3 Skaningowa transmisyjna mikroskopia elektronowa (STEM) 221

5.2.1.4 Mikroskopia krioelektronowa (cryo-EM) 223

5.2.1.5 Mikroskopia ze skanującą sondą (SPM) 223

5.2.1.6 Mikroskopia sił atomowych (AFM) 224

5.2.1.7 Mikroskopia o super rozdzielczości i metoda DNA-PAINT 225

5.2.2 Rezonansowy transfer energii Förstera (FRET) 226

5.3 Origami DNA 227

5.4 Metalizowane nanomateriały DNA 229

5.4.1 Wprowadzenie 229

5.4.2 Elektrody metalowe pokryte DNA 230

5.4.3 Plazmonika i DNA 230

5.5 Bioobrazowanie za pomocą nanomateriałów, nanomedycyna i cytotoksyczność 233

5.5.1 Wprowadzenie 233

5.5.2 Obrazowanie za pomocą nanomateriałów 234

5.5.3 Bioobrazowanie za pomocą kropek kwantowych (QD) 237

5.5.4 Nanocząstki w nanomedycynie terapeutycznej 238

5.5.4.1 Badania kliniczne w nanomedycynie 240

5.5.4.2 Niektóre leki w formie nanomateriałów stosowane w leczeniu raka: cisplatyna, proleki platyny(IV) i doksorubicyna 241

5.6 Teranostyka 244

5.7 Toksyczność nanocząstek 245

5.8 Podsumowanie i wnioski 246

5.9 Pytania i kwestie do przemyślenia 246

Bibliografia 247

6. Metale w medycynie, w stanach chorobowych oraz do produkcji leków 252

6.1 Środki przeciwnowotworowe na bazie platyny 252

6.1.1 Cisplatyna 254

6.1.1.1 Toksyczność cisplatyny 254

6.1.1.2 Mechanizm działania cisplatyny 255

6.1.2 Karboplatyna (Paraplatyna) 256

6.1.3 Oksaliplatyna 257

6.1.4 Pozostałe związki cis-platyny(II) 257

6.1.4.1 Nedaplatyna 257

6.1.5 Związki trans-platyny o działaniu przeciwnowotworowym 258

6.1.4.2 Lobaplatyna 258

6.1.4.3 Heptaplatyna 258

6.1.6 Oporność na leki zawierające platynę 263

6.1.7 Terapie skojarzone: Leki zawierające platynę wraz z innymi związkami przeciwnowotworowymi 265

6.1.8 Leki przeciwnowotworowe oparte na platynie(IV) 267

6.1.8.1 Satraplatyna 267

6.1.8.2 Ormaplatyna 268

6.1.8.3 Iproplatyna, JM9, CHIP 268

6.1.9 Proleki platyny(IV) 269

6.1.9.1 Wielocelowe proleki na bazie platyny(IV) 269

6.1.9.2 Dostarczanie proleków na bazie platyny(IV) poprzez nanocząstki 271

6.2 Związki rutenu jako środki przeciwnowotworowe 272

6.2.1 Związki rutenu(III) jako środki przeciwnowotworowe 272

6.2.2 Środki przeciwnowotworowe na bazie rutenu(II) 274

6.2.3 Przeciwnowotworowy mechanizm działania rutenu(II) 275

6.2.4 Związki rutenu badane pod kątem aktywności przeciwnowotworowej 276

6.3 Środki przeciwnowotworowe oparte na osmie i irydzie 278

6.4 Inne środki przeciwnowotworowe 283

6.4.1 Kompleksy złota 283

6.4.2 Kompleksy tytanu 283

6.4.3 Kompleksy miedzi 284

6.5 Pochodne bizmutu jako środki przeciwbakteryjne 285

6.6 Stany chorobowe, odkrycie leków i proces leczenia 287

6.6.1 Dysmutazy ponadtlenkowe (SOD) w stanach chorobowych 287

6.6.2 Stwardnienie zanikowe boczne 292

6.6.3 Choroby Wilsona i Menkesa 295

6.6.4 Choroba Alzheimera 300

6.6.4.1 Rola białka amyloidu β 300

6.6.4.2 Oddziaływanie peptydów Aβ z metalami 303

6.7 Inne stany chorobowe z udziałem metali 306

6.7.1 Jony miedzi i cynku a powstawanie zaćmy 306

6.7.2 As2O3, stosowany w leczeniu ostrej białaczki promielocytowej (APL) 306

6.7.3 Leki na bazie wanadu stosowane w leczeniu cukrzycy typu 2 307

6.8 Podsumowanie i wnioski 309

6.9 Pytania i kwestie do przemyślenia 310

Bibliografia 311

Indeks 317

Podziękowania 323

O Autorze 324