Bioinorganic Chemistry - MC240P31

• Title: Bioanorganická chemie
• Czech title: Bioanorganická chemie
• Guaranteed by: Department of Inorganic Chemistry (31-240)
• Faculty: Faculty of Science
• Actual: from 2024
• Semester: summer
• E-Credits: 3
• Examination process: summer s.:
• Hours per week, examination: summer s.:2/0, Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech, English
• Additional information: http://dl2.cuni.cz/course/view.php?id=1241
• Note: enabled for web enrollment; priority enrollment if the course is part of the study plan
• Guarantor: doc. RNDr. Vojtěch Kubíček, Ph.D.
• Teacher(s): doc. RNDr. Vojtěch Kubíček, Ph.D.

Annotation

English

Fundamentals of inorganic solution chemistry. Transport and storage of metals ions in vivo. Metalloproteins and metalloenzymes - oxygen carriers, hydrolases, redox chemistry. Alkali and alkaline earth metals. Metals in the regulation of biochemical events. Cell toxicity and chemoterapeutics. Metal complexes in medical imaging methods and radiotherapy.
The course is designed for Master and PhD students.

Last update: Kubíček Vojtěch, doc. RNDr., Ph.D. (30.01.2020)

Czech

Základy anorganické roztokové chemie. Transport a uskladnění iontů kovů in vivo.
Metaloproteiny a metaloenzymy - nosiče kyslíku, hydrolázy, redoxní systémy. Alkalické kovy a kovy alkalických zemin. Kovy v regulaci biochemických pochodů. Buněčná toxicita a chemoterapie. Komplexy kovů pro medicínské zobrazovací metody a radioterapii.

Last update: Kubíček Vojtěch, doc. RNDr., Ph.D. (30.01.2020)

Literature

English

• Kaim W., Schwederski B., Klein A., Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elementrs in the Chemistry of Life, Wiley 2013.
• Cowan J.A., Inorganic Biochemistry, VCH Publishers 1993.
• Lippard S.J. ed, Progress in Inorganic Chemistry: Bioinorganic Chemistry, 38, 1990.

Last update: Kubíček Vojtěch, doc. RNDr., Ph.D. (25.02.2021)

Requirements to the exam

English

Seminar works and presentations on the selected topics and oral exam according to sylabus.

Last update: Kubíček Vojtěch, doc. RNDr., Ph.D. (17.02.2025)

Czech

Semininární práce a prezentace na zadaná témata a ústní zkouška v rozsahu daném sylabem.

Last update: Kubíček Vojtěch, doc. RNDr., Ph.D. (17.02.2025)

Syllabus

English

1) Fundamentals of Inorganic Solution Chemistry
Formal oxidation states and coordination geometries biologically important metal ions
Stability constants, stabilization of oxidation states, kinetics and mechanizm of reactions involving metal complexes. Electron transfer reactions.

2) Transport and storage
Metal ion uptake and transmembrane ion transport. Transport and storage of metals ions in vivo.

3) Oxygen Carriers
Myoglobin and hemoglobin. Hemerythrin, hemocyanin.

4) Hydrolases
Hydrolase enzymes, carboxypeptidase A, phosphatases, hydro-lyasa enzymes – acotinase.

5) Metalloproteins and Metalloenzymes – Redox Chemistry
Cofactors and coenzymes in metaloredox proteins. Iron-sulfur clusters, hemes, copper ion and its complexes, molybdenum, cobalamins, nickel coenzymes. Mitochondrial electron transport. Photosynthesis.

6) Alkali and Alkaline Earth Metals.
Overview of biological chemistry of group I and II. Enzyme activation, complexes with nucleic acids, biominerales, skeletal mass.

7) Toxicity and Chemoterapeutics.
Oxygen toxicity, peroxidase, metal toxicity. Coordination complexes as therapeutic agents.

8) Metal complexes in medical imaging techniques and radiotherapy.
Magnetic resonance imaging, radiodiagnostics, radiotherapy, production and application of metal radioisotopes, contrast agents for X-ray an luminescence imaging.

References: Cowan J.A., Inorganic Biochemistry, VCH Publishers 1993, Lippard S.J. ed, Progress in Inorganic Chemistry: Bioinorganic Chemistry, 38, 1990.

Last update: Kubíček Vojtěch, doc. RNDr., Ph.D. (23.11.2023)

Czech

1) Základy anorganické roztokové chemie
Formální oxidační stavy a koordinační stereochemie biologicky důležitých iontů kovů.
Konstanty stability, stabilizace oxidačních stavů, kinetika a mechanismus reakcí komplexů kovů. Reakce s přenosem elektronů.
2) Transport a uskladnění
Záchyt iontů kovů a jejich transport přes membranu. Transport a uložení iontů kovů in vivo.
3) Nosiče kyslíku
Myoglobin a hemoglobin. Hemerythrin, hemocyanin.
4) Hydrolázy
Hydrolázy, karboxypeptidáza A, fosfatázy, hydro-lyáza – akotinaza.
5) Metaloproteiny a metaloenzymy – redoxní reakce
Kofaktory a koenzymy v metaloredoxních proteinech. Klastry obsahující železo a síru, hemy, měďnatý ion a jeho komplexy, molybden, kobalaminy, koenzymy obsahující nikl. Mitochondrialní transport elektronů. Fotosyntéza.
6) Alkalické kovy a kovy alkalických zemin
Přehled chemie I. A II. skupiny v bilogických systémech. Aktivace enzymů, komplexy s nukleovými kyselinami, biominerály, hmota kostry.
7) Toxicita a chemoterapeutika
Toxicita kyslíku, peroxidaza, toxicita kovů. Koordinační sloučeniny jako therapeutické látky.
8) Komplexy kovů v medicínských zobrazovacích metodách a radioterapii.
Magnetická rezonance, radiodiagnostia, radioterapie, produkce a využití radioizotopů, kontrastní látky pro RTG a luminiscenční zobrazování.

Last update: Kubíček Vojtěch, doc. RNDr., Ph.D. (23.11.2023)

Learning outcomes

Základy koordinační chemie

·     Pojmenuje na základě vzorce koordinační sloučeniny a ionty.

·     Na základě názvu určí vzorec koordinační sloučeniny nebo iontu.

·     Vysvětlí vznik koordinační (donor-akceptorové) vazby a popíše různý typy koordinačních vazeb.

·     Vysvětlí pojmy donor, akceptor, centrální atom, ligand, vyjmenuje základní typy ligandů a udá jejich příklady.

·     Určí koordinační číslo a na jeho základě určí tvar koordinační sloučeniny.

·     Vysvětlí pojmy denticita ligandu, chelát a vysvětlí, jak souvisí se stabilitou koordinačních sloučenin.

·     Vysvětlí principy teorie krystalového a ligandového pole.

·     Určí polohu ligandu ve spektrochemické řadě a vysvětlí, jak tato poloha ovlivňuje vlastnosti koordinační sloučeniny.

·     Popíše strukturu orbitalů v koordinačních sloučeninách a aplikuje tyto poznatky na určení obsazení orbitalů elektrony a jeho vliv na vlastnosti koordinačních sloučenin.

·     Popíše, jak souvisí elektronová struktura se spektrálními a magnetickými vlastnostmi sloučenin.

·     Vysvětlí vznik absorpčních pásů ve spektrech koordinačních sloučenin a určí, zda je sloučenina barevná či bezbarvá a zda je paramagnetická či diamagnetická.

·     Popíše, jaké faktory ovlivňují stabilitu koordinačních sloučenin, jejich kinetické chování a reaktivitu.

·     Vyjmenuje a charakterizuje diskutované typy komplexů a jejich zástupce.

·     Vysvětlí principy katalýzy koordinačními sloučeninami.

·     Popíše a vysvětlí aplikaci koordinačních sloučenin v analytické chemii a v medicíně.

 

Zastoupení prvků v těle

·     Vyjmenuje biogenní prvky a jejich obsah v lidském těle.

·     Vysvětlí roli kovových prvků v organismu.

 

Alkalické kovy a elektrolyty

·     Popíše koordinační vlastnosti alkalických kovů.

·     Vysvětlí roli alkalických kovů v organismu.

·     Diskutuje strukturu buněčné membrány a možnosti transportu přes membránu v závislosti na lipofilitě látky.

·     Diskutuje roli a strukturu ionoforů z hlediska náboje a lipofilicity vznikajícího komplexu.

·     Vysvětlí princip fungování iontových kanálů a jejich roli v signalizaci.

·     Vysvětlí princip a důvody udržování transmembránových potenciálů.

·     Na příkladu Na-K iontové pumpy vysvětlí mechanismus udržování transmembránových potenciálů.

 

Metabolismus železa

·     Popíše koordinační a redoxní vlastnosti železa.

·     Vysvětlí roli železa v organismu.

·     Vysvětlí obtížnou vstřebatelnost železa.

·     Diskutuje problematiku rozpustnosti a redoxní stálosti sloučenin železa.

·     Na příkladu transferinu a feritinu popíše mechanismy transportu a ukládání železa v organismu.

 

Transport kyslíku v organismech

·     Popíše základní strukturní motivy komplexních sloučenin sloužících jako přenašeče kyslíku – hemoglobin, myoglobin, hemerytrin, hemocyanin.

·     Vysvětlí vazbu kyslíku na přenašeče a s ní související změnu struktury komplexů.

·     Diskutuje roli hemoglobinu, principy navázání a uvolnění kyslíku a saturační křivky hemoglobinů a myoglobinu.

 

Hydrolytické enzymy

·     Vyjmenuje typy hydrolytických reakcí v organismu a základní třídy enzymů, které je katalyzují.

·     Popíše princip aktivace substrátu a vody ionty kovů.

·     Vyjmenuje ionty kovů, které slouží jako aktivní centra hydrolytických enzymů a diskutuje rozdíly mezi těmito ionty kovů z hlediska redoxní stability, preference koordinačního čísla, acidobazických vlastností a rychlosti výměny ligandů.

·     Popíše koordinační vlastnosti zinku.

·     Vysvětlí roli zinku v organismu.

·     Na příkladu karboxypeptidázy, fosfatázy, karbonic anhydrázy a alkohol dehydrogenázy demonstruje strukturní motivy a funkci zinačnatých metaloenzymů.

·     Na příkladu kyselé fosfatázy, ureázy a akonitázy demonstruje funkci hydrolytických enzymů obsahující jiný kov než zinek.

 

Redoxní enzymy

·     Diskutuje mechanismus přenosu elektronu a rychlost přenosu elektronu v různých prostředích a prostřednictvím různých typů vazeb.

·     Popíše metabolismus mědi a metabolické poruchy.

·     Popíše strukturní typy redoxních enzymů obsahujících měď a vysvětlí barevné rozdíly mezi nimi.

·     Na příkladu plastocyaninu a askorbát oxidázy ukáže strukturu a funkci enzymů obsahujících měď

·     Popíše typy redoxních enzymů obsahujících železo.

·     Vysvětlí a diskutuje geometrické změny spojené se změnou oxidačního a spinového stavu železa.

·     Popíše vliv axiálních ligandů na redoxní potenciál hemu

·     Diskutuje změny oxidačních stavů a redoxního potenciálů ferredoxinových enzymů.

 

Respirace

·     Vysvětlí mechanismus zisku energie v Krebsově cyklu.

·     Lokalizuje Krebsův cyklus a vysvětlí strukturu mitochondrie.

·     Popíše jednotlivé komplexy dýchacího řetězce, popíše chemické reakce, které katalyzují a vysvětlí jejich roli v přenosu elektronů.

·     Diskutuje roli kaskád redoxních center a rychlý přenos elektronu.

·     Vysvětlí roli, strukturu a redoxní změny přenašečů elektronů mezi komplexy (ubichinon, cytochrom c).

·     Popíše mechanismus syntézy ATP pomocí ATP synthetázy a diskutuje otázku protonového gradientu na membráně.

·     Definuje pojem „Reaktivní formy kyslíku“, diskutuje jejich nebezpečnost pro organismus.

·     Na příkladech Cu-Zn a Fe dismutáz popíše strukturu redoxních center dismutáz a mechanismus odbourávání superoxidového aniontu.

·     Diskutuje odbourávání a využití peroxidu vodíku v organismech a na příkladech cytochrom c peroxidázy a křenové peroxidázy popíše jejich strukturu.

·     Popíše funkci cytochromu P-450 v organismu a vysvětlí princip redoxních změn, k nimž u něj dochází.

 

Fotosyntéza

·     Popíše jednotlivé komponenty chloroplastu podílející se na fotosyntéze – fotosystém I a II, cytochrom bf6.

·     Popíše a vysvětlí strukturu a funkci plastochinonu a chlorofylu.

·     Vysvětlí a diskutuje strukturu a funkci OEC.

·     Popíše fixaci CO₂ v Kalvinově cyklu.

 

Role vápníku v organismu

·     Popíše a vysvětlí funkci vápníku v regulaci dějů v organismu.

·     Vyjmenuje typy biominerálů a jejich výskyt v organismech.

·     Popíše strukturu kostní tkáně.

·     Na příkladu kostní tkáně diskutuju vznik pevných tkání a jejich remodelaci.

 

Enzymy obsahující kobalt a molybden

·     Popíše strukturu a funkci kobalaminu.

·     Vysvětlí roli změny oxidačních čísel kobaltu na funkci a vlastnosti kobalaminu.

·     Popíše strukturu a funkci nitrogenázy.

·     Udá příklady dalších enzymů obsahujících molybden a vysvětlí souvislost mezi jejich oxidoreduktázovou aktivitou a změnou oxidačního čísla molybdenu.

 

Kovové ionty, komplexy a nanočástice v medicíně

·     Vyjmenuje základní zobrazovací metody a diskutuje jejich rozlišení a citlivost.

·     Diskutuje vlastnosti komplexů důležité pro jejich medicínské využití.

·     Diskutuje termodynamickou a kinetická stabilitu komplexů pro medicínu.

·     Diskutuje farmakokinetiku a biodistribuci komplexů a jejich „targeting“.

·     Vysvětlí specifika konjugačních reakcí, vyjmenuje jejich nejběžnější typy a nakreslí příklady bifunkčních ligandů vhodných pro biokojnjugace.

·     Popíše využití nanočástic v medicíně.

·     Vyjmenuje hlavní typy nanočástic využívaných v zobrazování a terapii.

·     Diskutuje chemickou a koloidní stabilitu nanočástic a nutnost jejich povrchové modifikace.

 

Chemoterapie a fotodynamická terapie

·     Nakreslí strukturu cis-platiny a popíše jejího působení.

·     Vysvětlí, jaké vlastnosti musí vykazovat nově vyvíjená analoga cis-platiny.

·     Vysvětlí princip fotodynamické terapie a vyjmenuje nejběžnější třídy látek využívaných k fotochemickému generování singletového kyslíku.

 

Zobrazovací metody MRI, OI, CT

·     Vysvětlí princip metody – vznik signálu, typy relaxací, vznik obrazu.

·     Diskutuje výhody a nevýhody MRI oproti jiným zobrazovacím technikám.

·     Zdůvodní, které ionty kovů jsou využívány a studovány jako MRI kontrastní látky.

·     Vyjmenuje dvě základní třídy T₁ kontrastních látek, nakreslí jejich zástupce.

·     Popíše strukturu Gd(III) komplexů s ligandy DOTA a DTPA.

·     Diskutuje strukturu, biodistribuci a stabilitu T₂ kontrastních látek založených na bázi nanočástic oxidů železa.

·     Vyjmenuje nejdůležitější parametry MRI kontrastních látek (velikost molekuly, rychlost výměny vody) a diskutuje jejich vliv na ovlivňující účinnost MRI kontrastních látek.

·     Diskutuje výhody a nevýhody optického zobrazování oproti jiným zobrazovacím technikám.

·     Diskutuje vlastnosti kontrastních látek pro optické zobrazování ve vztahu k tkáňové absorpci, rozptylu a autofluorescenci.

·     Vyjmenuje hlavní třídy kontrastních látek pro optické zobrazování, diskutuje jejich výhody a nevýhody a udá příklady jejich zástupců.

·     Vysvětlí princip kontrastních látek pro výpočetní tomografii a udá jejich příklady.

 

Radiomedicínské metody

·     Vysvětlí princip radiodiagnostických metod PET a SPECT.

·     Diskutuje vlastnosti radioizotopů využívaných v radiodiagnostice a radioterapii.

·     Vyjmenuje nejběžnější využívané diagnostické radioizotopy a diskutuje jejich typy a poločas rozpadu a poskytované rozlišení rozlišení (¹⁸F, ⁶⁸Ga, ⁶⁴Cu, ^99mTc).

·     Příklady dokumentuje typy ligandů využívaných pro komplexaci radioizotopů kovů v medicíně.

·     Diskutuje specifické požadavky kladené na stabilitu a inertnost využívaných komplexů radioizotopů.

 

Last update: Kubíček Vojtěch, doc. RNDr., Ph.D. (25.04.2025)

Entry requirements

English

The course is designed for master students. Knowledges of Inorganic chemistry and Biochemistry are required!

Last update: Kubíček Vojtěch, doc. RNDr., Ph.D. (29.03.2018)

Czech

Předmět vyžaduje základní znalosti (předchozí absolvování zkoušky) z Anorganické chemie a Biochemie.

Last update: Kubíček Vojtěch, doc. RNDr., Ph.D. (29.03.2018)