Chemia bionieorganiczna

Spis treści

1. Podstawy chemii nieorganicznej i biochemii 1 1.1 Wstęp 1 1.2 Podstawowe pierwiastki chemiczne 1 1.3 Podstawy chemii nieorganicznej 3 1.4 Struktury elektronowe i budowa przestrzenna metali w układach biologicznych 5 1.5 Termodynamika i kinetyka 14 1.6 Chemia bioorganiczno-metaliczna 17 1.7 Wnioski z chemii nieorganicznej 22 1.8 Wprowadzenie do biochemii 23 1.9 Białka 23 1.9.1 Elementy składowe aminokwasów 23 1.9.2 Struktura białka 26 1.9.3 Działanie białek, enzymów i kinetyka enzymów 30 1.10 Dna i elementy składowe RNA 33 1.10.1 Struktury molekularne DNA i RNA 33 1.10.2 Przekazywanie informacji genetycznych 39 1.10.3 Mutacje genetyczne i ukierunkowana mutageneza 42 1.10.4 Geny i klonowanie 43 1.10.5 Genomika i genom ludzki 45 1.10.6 CRISPR 46 1.11 Przykład opisowy: przenoszenie elektronów przez DNA 50 1.11.1 Woltamperometria cykliczna 54 1.12 Podsumowanie i wnioski 56 1.13 Pytania i kwestie do przemyślenia 56 Bibliografia 57 2. Sprzęt komputerowy, oprogramowanie i metody chemii obliczeniowej 61 2.1 Wprowadzenie do metod komputerowych 61 2.2 Sprzęt komputerowy 61 2.3 Oprogramowanie komputerowe dla chemii 64 2.3.1 Programy do tworzenia schematów chemicznych 65 2.3.2 Programy do wizualizacji 66 2.3.3 Oprogramowanie z zakresu chemii obliczeniowej 66 2.3.3.1 Oprogramowanie stosowane w Dynamice Molekularnej (MD) 68 2.3.3.2 Oprogramowanie matematyczno-graficzne 69 2.4 Mechanika molekularna (MM), modelowanie molekularne i dynamika molekularna (MD) 69 2.5 Metody obliczeniowe oparte na mechanice kwantowej 70 2.5.1 Metody ab-initio 70 2.5.2 Metody półempiryczne 71 2.5.3 Teoria funkcjonału gęstości i jej przykłady 72 2.5.3.1 Na początek Schrödinger 72 2.5.3.2 Teoria Funkcjonału Gęstości (DFT) 73 2.5.3.3 Bazy funkcyjne 74 2.5.3.4 Zastosowania Teorii Funkcjonału Gęstości (DFT) 77 2.5.4 Metody oparte na mechanice kwantowej i molekularnej (QM/MM) 79 2.6 Wnioski dotyczące aparatury, oprogramowania i chemii obliczeniowej 80 2.7 Bazy danych, narzędzia wizualizacyjne, nomenklatura i inne zasoby online 81 2.8 Pytania i kwestie do przemyślenia 83 Bibliografia 83 3. Najważniejsze centra aktywne w białkach 87 3.1 Centralny jon żelaza w mioglobinie i hemoglobinie 87 3.1.1 Wstęp 87 3.1.2 Struktura i funkcja określona za pomocą rentgenografii strukturalnej i jądrowego rezonansu magnetycznego 90 3.1.3 Mikroskopia krioelektronowa a struktura/funkcja hemoglobiny 93 3.1.3.1 Wprowadzenie 93 3.1.3.2 Techniki mikroskopii krioelektronowej 93 3.1.3.3 Struktury określane za pomocą mikroskopii krioelektronowej 96 3.1.4 Związki modelowe 98 3.1.5 Substytuty krwi 100 3.2 Centra żelazowe w cytochromach 101 3.2.1 Oksydaza cytochromu c 102 3.2.2 Badania strukturalne dotyczące oksydazy cytochromu c (CcO) 103 3.2.3 Oksydaza cytochromu c (CcO). Cykl katalityczny i zagadnienia energetyczne 06 3.2.4 Kanały protonowe w oksydazie cytochromu c 108 3.2.5 Związki modelowe oksydazy cytochromu c 112 3.3 Klastry żelazowo-siarkowe w nitrogenazie 118 3.3.1 Wprowadzenie 118 3.3.2 Struktura nitrogenazy i mechanizm katalityczny 119 3.3.3 Mechanizm redukcji azotu (N2) 121 3.3.4 Ścieżki substratów do nitrogenazy 125 3.3.5 Związki modelowe nitrogenazy 128 3.3.5.1 Modele funkcjonalne nitrogenazy 128 3.3.5.2 Modele strukturalne nitrogenaz 133 3.4 Miedź i cynk w dysmutazie ponadtlenkowej 135 3.4.1 Wprowadzenie 135 3.4.2 Struktura dysmutazy ponadtlenkowej i mechanizm działania katalitycznego 137 3.4.3 Modelowa cząsteczka miedziowo-cynkowej dysmutazy ponadtlenkowej 140 3.5 Monooksygenaza metanowa 142 3.5.1 Wprowadzenie 142 3.5.2 Rozpuszczalna monooksygenaza metanowa 143 3.5.3 Zawieszona monooksygenaza metanu 146 3.6 Podsumowanie i wnioski 149 3.7 Pytania i kwestie do przemyślenia 150 Bibliografia 151 4. Hydrogenazy, anhydrazy węglanowe, enzymy cyklu azotowego 159 4.1 Wprowadzenie 159 4.2 Hydrogenazy 160 4.2.1 Wprowadzenie 160 4.2.2 Hydrogenazy [NiFe] 162 4.2.2.1 Modelowe związki hydrogenazy [NiFe] 165 4.2.3 Hydrogenazy [FeFe] 168 4.2.3.1 Modelowe związki hydrogenazy [FeFe] 173 4.2.4 Hydrogenazy [Fe] 174 4.2.4.1 Związki modelowe hydrogenazy [Fe] 174 4.3 Anhydrazy węglanowe 176 4.3.1 Wprowadzenie 176 4.3.2 Inhibitory anhydrazy węglanowej 177 4.4 Enzymy cyklu azotowego 179 4.4.1 Wprowadzenie 179 4.4.2 Syntaza tlenku azotu 182 4.4.2.1 Wprowadzenie 182 4.4.2.2 Struktura syntazy tlenku azotu 182 4.4.2.3 Inhibitory syntazy tlenku azotu 183 4.4.3 Reduktaza azotynowa 187 4.4.3.1 Wprowadzenie 187 4.4.3.2 Redukcja jonu azotanowego(III) do jonu amonowego 188 4.4.3.3 Redukcja jonu azotanowego(III) do tlenku azotu(II) 189 4.5 Podsumowanie i wnioski 201 4.6 Pytania i zagadnienia do przemyślenia 201 Bibliografia 202 5. Chemia nanobionieorganiczna 207 5.1 Wprowadzenie do nanomateriałów 207 5.2 Metody analityczne 209 5.2.1 Mikroskopia 210 5.2.1.1 Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) 210 5.2.1.2 Transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) 210 5.2.1.3 Skaningowa transmisyjna mikroskopia elektronowa (STEM) 210 5.2.1.4 Mikroskopia krioelektronowa (cryo-EM) 212 5.2.1.5 Mikroskopia ze skanującą sondą (SPM) 212 5.2.1.6 Mikroskopia sił atomowych (AFM) 213 5.2.1.7 Mikroskopia o super rozdzielczości i metoda DNA-PAINT 214 5.2.2 Rezonansowy transfer energii Förstera (FRET) 215 5.3 Origami DNA 216 5.4 Metalizowane nanomateriały DNA 218 5.4.1 Wprowadzenie 218 5.4.2 Elektrody metalowe pokryte DNA 219 5.4.3 Plazmonika i DNA 219 5.5 Bioobrazowanie za pomocą nanomateriałów, nanomedycyna i cytotoksyczność 222 5.5.1 Wprowadzenie 222 5.5.2 Obrazowanie za pomocą nanomateriałów 223 5.5.3 Bioobrazowanie za pomocą kropek kwantowych (QD) 226 5.5.4 Nanocząstki w nanomedycynie terapeutycznej 227 5.5.4.1 Badania kliniczne w nanomedycynie 229 5.5.4.2 Niektóre leki w formie nanomateriałów stosowane w leczeniu raka: cisplatyna, proleki platyny(IV) i doksorubicyna 230 5.6 Teranostyka 233 5.7 Toksyczność nanocząstek 234 5.8 Podsumowanie i wnioski 235 5.9 Pytania i kwestie do przemyślenia 235 Bibliografia 236 6. Metale w medycynie, w stanach chorobowych oraz do produkcji leków 241 6.1 Środki przeciwnowotworowe na bazie platyny 241 6.1.1 Cisplatyna 243 6.1.1.1 Toksyczność cisplatyny 243 6.1.1.2 Mechanizm działania cisplatyny 244 6.1.2 Karboplatyna (Paraplatyna) 245 6.1.3 Oksaliplatyna 246 6.1.4 Pozostałe związki cis-platyny(II) 246 6.1.4.1 Nedaplatyna 246 6.1.4.2 Lobaplatyna 247 6.1.4.3 Heptaplatyna 247 6.1.5 Związki trans-platyny o działaniu przeciwnowotworowym 247 6.1.6 Oporność na leki zawierające platynę 252 6.1.7 Terapie skojarzone: Leki zawierające platynę wraz z innymi związkami przeciwnowotworowymi 254 6.1.8 Leki przeciwnowotworowe oparte na platynie(IV) 256 6.1.8.1 Satraplatyna 256 6.1.8.2 Ormaplatyna 257 6.1.8.3 Iproplatyna, JM9, CHIP 257 6.1.9 Proleki platyny(IV) 258 6.1.9.1 Wielocelowe proleki na bazie platyny(IV) 258 6.1.9.2 Dostarczanie proleków na bazie platyny(IV) poprzez nanocząstki 260 6.2 Związki rutenu jako środki przeciwnowotworowe 261 6.2.1 Związki rutenu(III) jako środki przeciwnowotworowe 261 6.2.2 Środki przeciwnowotworowe na bazie rutenu(II) 263 6.2.3 Przeciwnowotworowy mechanizm działania rutenu(II) 264 6.2.4 Związki rutenu badane pod kątem aktywności przeciwnowotworowej 265 6.3 Środki przeciwnowotworowe oparte na osmie i irydzie 267 6.4 Inne środki przeciwnowotworowe 272 6.4.1 Kompleksy złota 272 6.4.2 Kompleksy tytanu 272 6.4.3 Kompleksy miedzi 273 6.5 Pochodne bizmutu jako środki przeciwbakteryjne 274 6.6 Stany chorobowe, odkrycie leków i proces leczenia 276 6.6.1 Dysmutazy ponadtlenkowe (SOD) w stanach chorobowych 276 6.6.2 Stwardnienie zanikowe boczne 281 6.6.3 Choroby Wilsona i Menkesa 284 6.6.4 Choroba Alzheimera 289 6.6.4.1 Rola białka amyloidu ß 289 6.6.4.2 Oddziaływanie peptydów Aß z metalami 292 6.7 Inne stany chorobowe z udziałem metali 295 6.7.1 Jony miedzi i cynku a powstawanie zaćmy 295 6.7.2 As2O3, stosowany w leczeniu ostrej białaczki promielocytowej (APL) 295 6.7.3 Leki na bazie wanadu stosowane w leczeniu cukrzycy typu 2 296 6.8 Podsumowanie i wnioski 298 6.9 Pytania i kwestie do przemyślenia 299 Bibliografia 300 Indeks 306 Podziękowania 312 O Autorze 313