Bakar: funkcije

Bakar sastavni je dio niza metaloproteina i bitan je za njihovu enzimsku funkciju. Njegova dva oksidacijska stanja omogućuju elementu u tragovima sudjelovanje u enzimskim reakcijama koje prenose elektrone. Kao kofaktor metaloenzima, bakar igra ulogu prijemnika i donora elektrona i stoga je od velike važnosti za oksidacijske i redukcijske procese.Bakarovisni enzimi uglavnom pripadaju klasi oksidaza ili hidroksilaza, koje pak pripadaju skupini oksidoreduktaza s visokim redoks potencijalom. Oksidaze su enzimi koji prenose elektrone oslobođene tijekom oksidacije supstrata na kisik.Hidroksilaze su enzimi koji uvode hidroksilnu skupinu (OH) u molekulu reakcijom oksidacije-kemijska reakcija u kojoj tvar koja treba oksidirati donira elektrone.Oksidoreduktaze koje sadrže bakar ključne su za sljedeće postupke.

• Ćelijski metabolizam energije I stanični kisik iskoristivost (respiratorni lanac).
• Detoksikacija odnosno neutralizacija slobodnih radikala
• Metabolizam željeza i hemoglobin sinteza - stvaranje crvene krv pigment (hemoglobin) od eritrociti (crvene krvne stanice) i hematopoeza (stvaranje krvnih stanica iz matičnih krvotvornih stanica i njihovo sazrijevanje).
• Sinteza vezivno tkivo, pigment melanin i neuroaktivni peptid hormoni, Kao što su kateholamina i enkefalini (endogeni pentapeptidi iz klase opioidnih peptida).
• Stvaranje mijelina - mijelin čini mijelinske ovojnice u neuronima (živčanim vlaknima), koji služe za električnu izolaciju aksona neurona i neophodni su za prijenos pobude

Osim toga, bakar utječe na razne transkripcijske čimbenike i stoga je integriran u regulaciju gen izraz.

Cu-ovisni metaloenzimi i njihove funkcije

Caeruloplasmin Caeruloplasmin je jednolančani alfa-2 globulin sa sadržajem ugljikohidrata 7%. Jedna molekula keruloplazmina sadrži šest atoma bakra, koji su pretežno prisutni u svom 2-valentnom obliku u biološkim sustavima i bitni su za oksidativnu funkciju enzima u pH-rasponu 5.4-5.9. Keruloplazmin ima nekoliko funkcija: Kao vezanje i transport protein, caeruloplasmin sadrži 80-95% bakra u plazmi i po potrebi ga raspoređuje u različita tkiva i organe. Osim toga, uključen je u transport željezo (Fe) i mangan (Mn) u krv plazmom. Vezivanjem slobodnog bakra, željezo i mangan ioni, kaeruloplazmin sprečava stvaranje slobodnih radikala. Potonji predstavljaju vrlo reaktivnu kisik molekule ili organski spojevi koji sadrže kisik, poput superoksida, hiperoksida ili hidroksila. U slobodnom obliku, i bakar, željezo i mangan su vrlo agresivni elementi koji imaju prooksidativni učinak. Oni nastoje ugrabiti elektrone iz atoma ili molekule, stvarajući slobodne radikale, koji zauzvrat također otimaju elektrone iz drugih tvari. Dakle, u lančanoj reakciji dolazi do stalnog porasta radikala u tijelu - oksidativnih stres. Slobodni radikali mogu oštetiti, između ostalog, nukleinske kiseline - DNA i RNA -, proteini, lipidi i masnih kiselina, kolagen, elastin kao i krv posuđe. Kao rezultat vezanja Cu, Fe i Mn, kaeruloplazmin sprječava takva oksidativna oštećenja stanica i krvnih žila. Nadalje, kaeruloplazmin ima enzimatske funkcije. Katalizira više reakcija oksidacije i na taj je način uključen u metabolizam željeza. Caeruloplasmin se iz tog razloga naziva i ferroksidazom I. Njegova je bitna zadaća pretvoriti željezo u tragovima iz dvovalentnog (Fe2 +) u njegov trovalentni oblik (Fe3 +). U tu svrhu bakar sadržan u enzimu ekstrakti elektrone iz željeza i prihvaća ih, čime sam mijenja svoje oksidacijsko stanje iz Cu2 + u Cu +. Oksidirajućim željezom, kaeruloplazmin omogućuje Fe3 + da se veže za plazmu transferina, transportni protein koji je odgovoran za opskrbu željezom tjelesnih stanica. Samo u obliku Fe-transferina može li željezo doći do eritrociti (crvene krvne stanice) ili stanice - i tamo ih staviti na raspolaganje hemoglobin sinteza. Hemoglobin je crveni krvni pigment koji sadrži željezo eritrociti (crvene krvne stanice). Činjenica da nedostatak bakra otežava transport željeza do tjelesnih stanica, posebno do eritrocita, pokazuje važnost kaeruloplazmina i njegove funkcije. Konačno, metabolizam željeza i bakra usko su povezani. Uz željezo, Cu -caeruloplasmin također oksidira druge supstrate, poput p-fenilendiamina i njegovih dimetil derivata. Superoksid dismutaza (SOD) Postoji nekoliko oblika superoksid dismutaze. Može biti bakar, cink-, i ovisno o manganu. Zn-SOD se nalazi isključivo u citozolu stanica, Mn-SOD se nalazi u mitohondriji, a Cu-SOD se nalazi u citozolu većine tjelesnih stanica, uključujući eritrocite, kao i u krvnoj plazmi. Enzim može optimalno razviti svoju aktivnost u odgovarajućim odjeljcima samo ako bakar, cink ili mangan su prisutni u dovoljnim količinama.Superoksid dismutaza je bitna komponenta endogenog antioksidans sustav zaštite. Smanjujući slobodne radikale prijenosom elektrona, djeluje kao čistač radikala, sprečavajući oksidaciju osjetljivih molekule.SOD katalizira pretvorbu superoksidnih radikala u vodik peroksid i kisik. Bakar sadržan u SOD-u prenosi elektrone u superoksidni radikal. The vodik molekula peroksida se naknadno reducira na voda katalazom ili selen-zavisna od glutation-peroksidaze, čineći je bezopasnom. Ako superoksidni radikali nisu detoksificirani, mogu dovesti na peroksidaciju lipida, oštećenje membrane i krvnih žila, a potom i na bolesti povezane sa "radikalima" - radikalne bolesti - poput ateroskleroze (arterioskleroza, otvrdnjavanje arterija), koronarni srce bolest (CHD), tumorske bolesti, dijabetes mellitus, te neurodegenerativne bolesti poput Alzheimerova bolest i Parkinsonovu bolest. Citokrom c oksidaza Citohrom c oksidaza je transmembranski protein u unutarnjoj mitohondrijskoj membrani somatskih stanica. Enzim se sastoji od nekoliko podjedinica, s hem skupinom i bakrenim ionom koji tvore katalitički aktivno mjesto. Hemske skupine koje sadrže željezo i Cu ioni citokrom c oksidaze bitni su za reakcije oksidacije i redukcije. Sukladno tome, funkcija oksidaze ograničena je u slučajevima izraženog bakra ili nedostatak željeza.Kao mitohondrijski enzimski kompleks, citokrom c oksidaza predstavlja bitnu komponentu dišnog lanca. Dišni lanac, koji se naziva i oksidativna fosforilacija, posljednji je korak glikolize (glukoza degradacija) i tako integrirana u metabolizam energije. Sastoji se od lanca uzastopnih reakcija oksidacije i redukcije koji služe za sintezu ATP iz ADP - adenozin difosfat - i fosfat. ATP je stvarni krajnji produkt glikolize i daje energiju svim vrstama staničnih metaboličkih procesa u obliku energetski bogate difosfatne veze. Citohrom c oksidaza smještena je kao kompleks IV na kraju dišnog lanca i odgovorna je za oba oksidacija kisika i stvaranje energije u obliku ATP. Oba reakcijska koraka povezana su mehanizmom koji još nije poznat. U prvom koraku podjedinica II citokrom c oksidaze, redoks-aktivni metalni centar Cu, prihvaća elektrone iz citokroma c, koji je prethodno bio napunjen elektronima pomoću citokrom c reduktaze , kompleks III dišnog lanca. Uz to, citokrom c oksidaza uklanja protone (H +) iz matrice mitohondrija - unutrašnjosti mitohondrija. Katalitički aktivno središte oksidaze veže kisik na kojem se prenose elektroni i protoni. Kisik se tako reducira na voda. U drugom koraku citokrom c oksidaza koristi energiju koja se oslobađa tijekom redukcije kisika na voda za pumpanje protona iz mitohondrijskog matriksa preko unutarnje mitohondrijske membrane u intermembranski prostor. Kroz ovaj protonski transport, oksidaza održava protonski gradijent koji postoji između intermembranskog prostora i matrice. Elektrokemijski protonski gradijent kroz membrane naziva se i pH gradijent, jer količina protona odražava pH. Predstavlja a koncentracija gradijent, gdje u mitohondriji u normalnim uvjetima, H + koncentracija je visok u intersticijskom prostoru membrane - kiseli pH - i nizak u matrici - osnovni pH. Dakle, prema zakonima termodinamike, postoji pokretačka sila protona u intermembranskom prostoru prema matrici mitohondrije. Citohrom c oksidaza transportira protone protiv a koncentracija gradijent, tj. od niske do visoke koncentracije H +. Ovaj je proces aktivan i može se odvijati samo s opskrbom energijom. Gradijent H + na unutarnjoj mitohondrijskoj membrani bitan je za metabolizam energije svih poznatih organizama i bitan je preduvjet za sintezu ATP-a. ATP-sintaza - kompleks V respiratornog lanca - odgovorna je za proizvodnju energije u obliku ATP-a. Kao transmembranski protein, tvori tunel između unutrašnjosti mitohondrija i prostor između unutarnje i vanjske membrane. Ovaj enzim koristi energiju potrebnu za proizvodnju ATP iz ADP i fosfat od gradijenta protona. Dakle, protoni pumpani u međumembranski prostor oksidazom struje "nizbrdo" kroz tunel ATP sintaze prema gradijentu u mitohondrijskoj matrici. Ovaj protonski protok generira rotacijsko gibanje u molekuli ATP sintaze. Pomoću ove kinetičke energije prijenos a fosfat nastaje ostatak u ADP-u, što rezultira stvaranjem ATP-a. Bez aktivnog transporta protona (protonska pumpa) u intermembranski prostor pomoću citokrom c oksidaze, gradijent protona bi se srušio, ATP sintaza više ne bi mogla stvarati ATP i tijelo stanica bi "umrla od gladi" zbog nedostatnih metaboličkih procesa. Pored metabolizma stanične energije, za nastajanje metabolizma bitan je i citokrom c oksidaza fosfolipidi koji tvore mijelinski sloj mijelinskih ovojnica u neuronima - živčanim vlaknima.Ostali Cu-ovisni metaloenzimi i njihove funkcije.