The aim of the subject is to provide students of biophysics with more thorough understanding of the role of inorganic elements, notably metal cations, in living systems.

Cílem tohoto předmětu je poskytnout studentům biofyziky hlubší pochopení úlohy anorganických prvků, zejména kovových kationtů, v živých systémech.

Attendance at lectures. Oral examination.

Účast na přednáškách. Ústní zkouška.

Kaim W., Schwederski B.: Bioinorganic Chemistry: Inorganic Element in the Chemistry of Life, John Wiley, Chichester, 1994.

Lippard S.J., Berg J.M.: Principles of Bioinorganic Chemistry, University Science Books, Mill Valley, 1994.

Bertini I., Gray H.B., Stiefel E.I., Valentine J.S.: Biological Inorganic Chemistry, University Science Books, Sausalito, 2007.

Kaim W., Schwederski B.: Bioinorganic Chemistry: Inorganic Element in the Chemistry of Life, John Wiley, Chichester, 1994.

Lippard S.J., Berg J.M.: Principles of Bioinorganic Chemistry, University Science Books, Mill Valley, 1994.

Bertini I., Gray H.B., Stiefel E.I., Valentine J.S.: Biological Inorganic Chemistry, University Science Books, Sausalito, 2007.

Lecture

Přednáška

1. Inorganic elements in living systems, their occurrence and roles. Metal cations and their significance. Toxicity. Essential and toxic metals. Biominerals. History and current investigation of inorganic elements in biological systems.

2. Fundamentals of coordination chemistry with respect to bioinorganic applications. History of coordination chemistry and basic ideas. Central atom. Ligand. Coordination bond and properties of coordination compounds. Crystal field theory.

3. Molecular orbitals and ligand field theory. Stability of complex ions. Symmetry of coordination complexes. Effect of ligands on energy and spin of central atom electrons. Spectrochemical series. The most important biological ligands of metal cations.

4. Tetrapyrroles as macrocyclic ligands. Axial ligands and their effect on electronic structure, conformation and vibrational states of metalloporphyrins. Effect of central atom on metalloporphyrin-nucleic acids interactions.

5. Interactions of metal cations with nucleic acids. Nucleosides and nucleotides as ligands of transient metals. Significance of metal cations for structural properties and conformational stability of nucleic acids. Role of transient metals in B-Z conformational transition of nucleic acids.

6. Interactions of metal cations with proteins. Aminoacids as ligands of transient metals. Transient metals as components of active centers of enzymes. Cations and stability of proteins.

7. Metabolism of iron. Redox states of iron, solubility and biological role. Transport and storage: transferrin, ferritin, hemosiderin. Heme enzymes: cytochromes, peroxidases. Nonheme iron proteins: FeS-proteins, ribonucleotide reductase, methan monooxygenase.

8. Copper proteins as alternative to biological iron. Blue copper centers, oxidoreductases, cytochrome-c-oxidase, superoxide dismutase.

9. Zinc and its structural and gene-regulatory functions. Zinc enzymes, catalysis of hydrolyse and condensation. Carboanhydrases, alcoholdehydrogenase and related enzymes. Zinc fingers and other zinc regulators. Methalothionein. Zinc-containing DNA-repairing systems.

10. Nickel enzymes. Cancerogenity of nickel, Urease, hydrogenase and related enzymes.

11. Chemotherapy by compounds containing nonessential metals. History. Platinum anticancer drugs. Gold in antiarthritic agents. Bismuth in therapy of gastro-intestinal diseases. Psycho-modulating effects of lithium.

1. Anorganické prvky v živých systémech, výskyt a funkce. Kovové kationy a jejich význam. Toxicita. Esenciální a toxické kovy. Biominerály. Historie a trendy studia funkce anorganických prvků v biologických systémech.

2. Základy koordinační chemie s ohledem na bioanorganické aplikace. Historie koordinační chemie a její základní pojmy. Centrální atom. Ligand. Koordinační vazba a vlastnosti koordinačních sloučenin. Teorie krystalového pole.

3. Molekulové orbitaly a teorie ligandového pole. Stabilita komplexních iontů. Symetrie koordinačních komplexů. Vliv ligandů na energii a spin elektronů centrálního atomu. Spektrochemická řada. Nevýznamější biologické ligandy kovových kationtů.

4. Tetrapyroly jako makrocyklické ligandy. Axiální ligandy a jejich vliv na elektronovou strukturu, konformaci a vibrační stavy metaloporfyrinů. Vliv centrálního atomu na interakci metaloporfyrinů s nukleovými kyselinami.

5. Interakce kovových kationů s nukleovými kyselinami. Nukleosidy a nukleotidy jako ligandy přechodových kovů. Význam kovových kationtů pro strukturní vlastnosti a konformační stabilitu nukleových kyselin. Úloha přechodových kovů v B-Z konformačním přechodu nukleových kyselin.

6. Interakce kovových kationů s proteiny. Aminokyseliny jako ligandy přechodových kovů. Přechodové kovy jako součást aktivních center enzymů. Kationy a stabilita proteinů.

7. Metabolizmus železa. Oxidační stavy železa, jejich rozpustnost a biologické účinky. Transport a ukládání: transferrin, ferritin a hemosiderin. Hemové enzymy: cytochromy, peroxidasy. Nehemové bílkoviny železa: FeS-bílkoviny, ribonukleotid-reduktasa, methan-monooxygenasa.

8. Bílkoviny s mědí jako alternativa biologického železa. "Modrá" měděná centra, oxido-reduktasy, cytochrom- c-oxidasa, superoxid-dismutasa.

9. Zinek a jeho strukturní a genově regulační funkce. Zinečnaté enzymy, katalyzující hydrolýzu a kondenzace. Karboanhydrasy, alkoholdehydrogenasa a příbuzné enzymy. "Zinc finger" a jiné zinečnaté regulátory. Metalothionein. DNA opravné systémy obsahující zinek.

10. Enzymy s niklem. Kancerogenita niklu. Ureasa, hydrogenasa a příbuzné enzymy.

11. Chemoterapie sloučeninami některých neesenciálních kovů Historie. Platinové komplexy při léčení rakoviny. Zlato v protirevmatických prostředcích. Bizmutité sloučeniny při léčbě žaludečních vředů. Lithium v psychofarmakách.