the nitrogen cycle, including the metal cofactors in each enzymatically catalyzed step morel &...
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The nitrogen cycle, including the metal cofactors in each enzymatically catalyzed step
Morel & Price (2003) Science 300, 944
Primary metal requirements for C, N, and P acquisition and assimilation by marine phytoplankton
Morel & Price (2003) Science 300, 944
K p K p
Am inoácido term inal -CO O H
R-CO O H
-NH
R-NH
=NH
2 3,5 - 4
Aspártico, G lutám ico 4 4 - 5
H istid ina Im idazol 6 6 - 7
Am inoácido term inal 9 7,5 - 8
C isteína SH 8 10
Tirosina Fenol 10 9,5 - 10,5
Lisina 10 10
Argin ina 12 12
3
3
2
+
+
+
Valores de K propios e in trínsecos de los grupos ionizables de las proteínas que intervienen en la un ión de los iones m etá licos
p a
a aResiduo am inoacíd ico G rupo ion izablepropio in trínseco
Los Elementos y Moléculas de la VidaLosada, Vargas, Florencio y De la RosaEditorial Rueda, Madrid (1998-99)
Oligoelementos
Hierro
Proteínas hemínicas
Grupo hemo (Fe-protoporfirina IX)Mioglobina y hemoglobinaCitocromos (a, b, c, d, f, P-450, etc)Oxigenasas, peroxidasas y óxido-reductasas
Grupo sirohemoSulfito y nitrito reductasas
Los Elementos y Moléculas de la VidaLosada, Vargas, Florencio y De la RosaEditorial Rueda, Madrid (1998-99)
Fe 2
his F8 his E7grupo hem o(vista la teral)
Los Elementos y Moléculas de la VidaLosada, Vargas, Florencio y De la RosaEditorial Rueda, Madrid (1998-99)
CO2
CO2
HCO3-
HCO3-
H2O
H+
Cl-
CO2
CO2
HCO3-
HCO3-
H2O
H+
Cl-
Tejidos Pulmones
Los Elementos y Moléculas de la VidaLosada, Vargas, Florencio y De la RosaEditorial Rueda, Madrid (1998-99)
O2
H+
Tejidos Pulmones
HbH+-CO2
CO2
Hb-O2
O2
O2
H+
HbH+-CO2
CO2
Hb-O2
O2
CO2 CO2
Los Elementos y Moléculas de la VidaLosada, Vargas, Florencio y De la RosaEditorial Rueda, Madrid (1998-99)
Los Elementos y Moléculas de la VidaLosada, Vargas, Florencio y De la RosaEditorial Rueda, Madrid (1998-99)
Oligoelementos
Hierro
Proteínas no hemínicas
Agrupaciones Fe-SFerredoxina y RubredoxinaFerritina y TransferrinaOxigenasas, Hidrogenasa y Nitrogenasa
Agrupaciones híbridas (Fe-S-O)Función no asignada (ciclo N?,protección frente al estrés oxidativo?)
S
Fe Fe
S
S
Los Elementos y Moléculas de la VidaLosada, Vargas, Florencio y De la RosaEditorial Rueda, Madrid (1998-99)
[ 2Fe – 2S ]
[ 4Fe – 4S ] [ 3Fe – 3S ]
Fe
Fe Fe
S
S
Fe Fe
Fe S
S S
S
Fe
2Fe.2S iron sulfur center from Rieske protein of the bc1-complex
Two 4Fe.4S iron sulfur centers ferredoxin
Iron Sulfur Centers
Rees & Howard (2003) Science 300, 929-931
Iron Sulfur Centers
Aragao et al. (2003) J Biol Inorg Chem 8, 540
Hybrid Cluster Proteins (HCPs)
The hybrid cluster contains both -S and -O bridges between pairs of iron atoms
Biological Iron Transport Agents
All multi-cellular and essentially all single-celled organisms require iron for growth, even though the biological availability of iron is extremely limited by the insolubility of iron hydroxide.
To overcome this difficulty, microbes synthesize low-molecular weight chelating agents called siderophores which bind and solubilize iron. These ferric siderophore complexes are then transported into the bacteria by specific receptor proteins.
In mammals, dietary iron is absorbed and bound to the iron transport protein transferrin. In cells, iron is stored by the protein ferritin.
http://www.cchem.berkeley.edu/~knrgrp/iron.html
Siderophores
http://www.nd.edu/~mmiller1/page2.html
Competition for iron between a host and bacteria is one of the most important factors determining the course of a bacterial infection.
Different organisms utilize structurally varied siderophores to also competitively bind iron and gain selective growth advantages.
Ferritin: Iron Storage
Mammalian ferritins are 24-mers assembled from two types of polypeptide chain which provide the molecule with different functions. H(eavy) chains catalyse the first step in iron storage, the oxidation of iron(II). L(ight) chains promote the nucleation of the mineral ferrihydrite enabling storage of iron(III) inside the protein shell.
TransferrinIron Transport Protein
Database of Macromolecular Movements
Oligoelementos
Cobre
Tipo 1. Disposición tetraédricaProteínas azules de cobre: plastocianina, azurina, amicianina, etc.
Tipo 2. Complejo plano-cuadradoNitrito reductasaSuperóxido dismutasaAmino oxidasaGalactosa oxidasa
Oligoelementos
Cobre
Tipo 3. Centro dinuclear: dos pirámides trigonales opuestasHemocianina (transporte de oxígeno)Tirosinasa (hidroxilación de fenoles)
Oligoelementos
Cobre
Tipo 4. Centro trinuclear (mixto tipos 2 y 3)Ascorbato oxidasaCeruloplasmina (transporte de Cu)Lacasa (oxidación de fenoles)
Ceruloplasmin (PDB: 1kcw)
There are six copper atoms: three are monocluclear (Type I); the three others form a trinuclear cluster (see above).
Finney & O’Halloran (2003) Science 300, 931
Cu trafficking in S. cerevisiae
Oligoelementos
Tipo 5. CuA (dinuclear) y CuB (mononuclear)Citocromo c oxidasa (complejo IV)
CuA
CuB
Cytochrome c oxidase – Complex IV
Cytochrome Oxidase Home Page
http://www-bioc.rice.edu/~graham/CcO.html
Subunit III (in blue) with an embedded phospholipid. Subunit IV (green, unique to this enzyme) Subunit I (yellow) - Subunit II (purple) Antibody fragment (cyan) used to drive crystallization.
Complex IV
The copper A center in subunit II
Iwata et al. (1995) Nature 376, 660-669
Complex IV: The cytochrome a3-CuB binuclear center
Iwata et al. (1995) Nature 376, 660-669
Oligoelementos
Molibdeno
Cofactor de molibdeno (MoCo)Xantina oxidasa Xantina deshidrogenasaNitrato reductasa (fotosintética)Sulfito reductasa (animales y bacterias)Aldehído oxidasa (mamíferos)CO2 reductasa (bacterias)
Cofactor de hierro y molibdeno (MoFeCo)Nitrogenasa (bacterias)
O
C H CH O P O
O
C
S
O O
C
SH N
O H O
2
2
-
-HN
M o
cofactor de m olibdeno(M oco)
Los Elementos y Moléculas de la VidaLosada, Vargas, Florencio y De la RosaEditorial Rueda, Madrid (1998-99)
Nitrogenase
Oligoelementos
Manganeso
Complejo fotooxidante del agua (OEC)Lectinas (proteínas que unen
polisacáridos)Piruvato carboxilasaSuperóxido dismutasa
Cobalto
Cianocobalamina (o vitamina B12)Enzimas que participan en reacciones detransferencia de hidrógeno y grupos metilo
M n
M n
M n
M n
O O
O
O
O O
estructura de diam ante
O O
O
O
M n M n
M n
M n
estructura de cubo
Los Elementos y Moléculas de la VidaLosada, Vargas, Florencio y De la RosaEditorial Rueda, Madrid (1998-99)
PSII from
cyanobacteriaCyt c-549
Mn
N
NN
NC o
Co-corrina
Los Elementos y Moléculas de la VidaLosada, Vargas, Florencio y De la RosaEditorial Rueda, Madrid (1998-99)
Co
C N
vitam ina B 12
(cianocobalam ina)Los Elementos y Moléculas de la VidaLosada, Vargas, Florencio y De la RosaEditorial Rueda, Madrid (1998-99)
..\..\PcMolecule Lite\Mols\Vitamin B12.mcm
Oligoelementos
Cinc
Regulador de la actividad de enzimasEstabilizador de proteínas y polinucleótidosEn enzimas:
Anhidrasa carbónica AldolasaFosfatasa alcalinaDeshidrogenasasPolimerasas de DNA y RNAPeptidasas y proteinasas
\biomodel\model1\INICIO.HTM
Structure of Zn(II) -lactamase (3bc2)
The Zn(II) is tetrahedrally coordinated by His86, His88, His149 and a water/hydroxide molecule
Dal Peraro et al. (2002) JBIC 7, 704-712
Oligoelementos
Níquel
Ureasa CO deshidrogenasa
Vanadio
Hemovanadina (en la sangre de los tunicados)Regulador de ATPasas y fosfatasasEn enzimas:
Bromoperoxidasa (algas pardas y rojas)Nitrogenasa (sustituye al molibdeno)
Oligoelementos
Wolframio
Aldehído óxido-reductasas (termófilos)
Cromo
En el factor de tolerancia a la glucosa (potencia laacción de la insulina)
O
CH
CHCH
CH
CH
(
(
OH
OH
CH
3
22
3
2
3
riboflavina( vitamina B )2
..\PcMolecule Lite\Mols\FAD.mcm
..\PcMolecule Lite\Mols\FAD.mcmLos Elementos y Moléculas de la VidaLosada, Vargas, Florencio y De la RosaEditorial Rueda, Madrid (1998-99)
..\..\PCM2L\Mols\FAD.mcm
Los Elementos y Moléculas de la VidaLosada, Vargas, Florencio y De la RosaEditorial Rueda, Madrid (1998-99)
Oligoelementos
No metales y semimetales
SelenioComo seleno-cisteína en:
Glutatión peroxidasaReductasas y deshidrogenasas
SilicioEsqueleto de SiO2 de las diatomeas
BoroEstabiliza las estructuras de los heterocistos (célulasfijadoras de N2 en cianobacterias filamentosas)
Synechocystis sp. PCC 6803
Anabaena sp. PCC 7119
Pseudanabaena sp. PCC 6903Cyanobacteria
Metales en biología Metaloproteínas no enzimáticas
Transporte de dioxígeno (hemoglobina y mioglobina)Transferencia de electrones (citocromos)Función estructural de los iones metálicos (proteínas con Zn que regulan la expresión génica)
Metaloenzimas
Enzimas hidrolíticos (anhidrasa carbónica)Enzimas redox de dos electrones (deshidrogenasas)Enzimas redox multielectrónicos (nitrito reductasa)Reorganizaciones (aconitasa, en el ciclo de Krebs)
Metales en biología Comunicación
Magnetita para la navegación magnética en animalesNa+, K+ y Ca2+ en la transducción de señales celulares
Interacción con los ácidos nucleicosNa+ y Mg2+ en la estabilización de las estructuras de DNA y RNA
Transporte y almacenamiento
Transferrina (transporte) y ferritina (almacenamiento) en animalesCeruloplasmina para el transporte de CuMetalotioneína para eliminación de tóxicos como Cd o PbSideróforos para la entrada de Fe en bacterias
Metales en Medicina
Mercurio Tratamiento de la sífilisHierro Tratamiento de la anemiaMagnesio Tratamiento de desórdenes
intestinalesOro Contra la artritis reumatoide
Titanio Implantes (dentales, p.e.) Tecnecio-99 Marcador radioisotópicoCisplatino Quimioterapia: AnticancerígenoAc-225 y Bi-213 Radioterapia: Generadores de
partículas alfa como terapiacontra el cáncer
Thompson & Orvig (2003) Science 300, 936
Metal ions in Medicine
Science, 9 May 2003
Metal ions in Medicine
A 3D high-resolution magnetic resonance angiogram of a human foot, showing blood vessels containing a Gadolinium-based contrast agent.
Crubzy et al. (1998) Nature 391, 29
False teeth (iron-made dental implant) of the Roman world
Cl
ClH3N Pt
NH3
Cisplatino, un anticancerígeno
Cl
ClH3N Pt
NH3
Cl
ClH3N Pt
NH3
Cl
H2OH3N Pt
NH3
H2O
H2OH3N Pt
NH3
HO-
H2OH3N Pt
NH3
Aductos Cisplatino-DNA
DNA (célula tumoral)
SANGRE
CITOPLASMA
Doble hélicede DNA
..\..\Estructuras\CisPlatinoDNA.msv
2 n m
R E P L I C A C I Ó N D E L D N A
Metal Efecto del exceso Observaciones bioquímicas
Aluminio ¿Implicado en la enfermedad de Alzheimer y encefalopatías?
¿Interacción con el fosfato? Cross-linking de proteínas
Cadmio Reducción de la capacidad de filtración del riñón
Bloquea los grupos sulfhidrilos de los enzimas y compite con el cinc por sus sitios de unión. Estimula la síntesis de metalotioneína e interfiere con el metabolismo del Cu2+ y del Zn2+
Mercurio Daño al sistema nervioso central, desórdenes neuropsiquiátricos
Algunos de sus compuestos son solubles en lípidos
Plomo Saturnismo, daños al sistema nervioso periférico. Perturba la síntesis de hemo y afecta al riñón
El Pb2+ puede sustituir al Ca2+ con pérdida de la integridad estructural y funcional. Reemplaza al Zn2+ en la deshidrata del ácido aminolevulínico. Reacciona con los grupos sulfhidrilos
Talio Envenenamiento del sistema nervioso; entra en las células a través de los canales de K+
Tl+ es similar al K+ y se une con más fuerza a los ligandos de N y S
Efecto del exceso de metales no biológicos en el hombre y animales