Chemia bionieorganiczna - Bioinorganic chemistry

Dla czasopisma zobacz Bioinorganic Chemistry (czasopismo) .

Chemia bionieorganiczna to dziedzina, która bada rolę metali w biologii . Chemia bio nieorganiczna obejmuje badanie zarówno zjawisk naturalnych, takich jak zachowanie metaloprotein, jak i sztucznie wprowadzonych metali, w tym metali nieistotnych , w medycynie i toksykologii . Wiele procesów biologicznych, takich jak oddychanie, zależy od cząsteczek wchodzących w zakres chemii nieorganicznej . Dyscyplina ta obejmuje również badanie modeli nieorganicznych lub imitacji imitujących zachowanie metaloprotein.

Jako połączenie biochemii i chemii nieorganicznej, chemia bionieorganiczna jest ważna w wyjaśnianiu implikacji białek przenoszących elektrony , wiązań i aktywacji substratów, chemii przenoszenia atomów i grup, a także właściwości metali w chemii biologicznej. Pomyślny rozwój prawdziwie interdyscyplinarnych prac jest niezbędny do postępu w chemii bionieorganicznej.

Skład organizmów żywych

Około 99% masy ssaków to pierwiastki: węgiel , azot , wapń , sód , chlor , potas , wodór , fosfor , tlen i siarka . Te związki organiczne ( białka , lipidy i węglowodany ) zawierają większość węgla i azotu, a większość tlenu i wodoru w obecności wody. Cały zbiór biocząsteczek zawierających metal w komórce nazywany jest metalomem .

Historia

Paul Ehrlich użył organoarsenu („arsenów”) w leczeniu kiły , wykazując znaczenie metali lub przynajmniej metaloidów w medycynie, które rozkwitły wraz z odkryciem przez Rosenberga przeciwnowotworowego działania cisplatyny (cis-PtCl 2 (NH 3 ) 2 ). Pierwszym kiedykolwiek skrystalizowanym białkiem (patrz James B. Sumner ) była ureaza , później wykazano, że zawiera nikiel w swoim miejscu aktywnym . Dorothy Crowfoot Hodgkin wykazała krystalograficznie witaminę B 12 , lekarstwo na anemię złośliwą, składającą się z kobaltu w makrocyklu Corrin . Struktura DNA Watsona-Cricka wykazała kluczową rolę strukturalną, jaką odgrywają polimery zawierające fosforany.

Tematy w chemii bionieorganicznej

W chemii bionieorganicznej można zidentyfikować kilka różnych systemów. Główne obszary obejmują:

Transport i przechowywanie jonów metali

Do kontrolowania stężenia jonów metali i biodostępności w organizmach żywych wykorzystuje się różnorodny zbiór transporterów (np. Pompa jonowa NaKATPaza ), wakuoli , białek magazynujących (np. Ferrytyna ) i małych cząsteczek (np. Siderofory ). Co najważniejsze, wiele niezbędnych metali nie jest łatwo dostępnych dla dalszych białek ze względu na niską rozpuszczalność w roztworach wodnych lub niedobór w środowisku komórkowym. Organizmy opracowały szereg strategii zbierania i transportu takich pierwiastków przy jednoczesnym ograniczaniu ich cytotoksyczności .

Enzymology

Wiele reakcji w naukach przyrodniczych obejmuje wodę, a jony metali często znajdują się w centrach katalitycznych (centrach aktywnych) tych enzymów, tj. Są to metaloproteiny . Często reagująca woda jest ligandem (patrz kompleks metal aquo ). Przykładami hydrolaz enzymów anhydrazy węglanowej metaloorganiczne fosfatazy i metaloproteinaz . Chemicy bioinorganiczni dążą do zrozumienia i odtworzenia funkcji tych metaloprotein.

Białka przenoszące elektrony zawierające metale są również powszechne. Można je podzielić na trzy główne klasy: białka żelazowo-siarkowe (takie jak rubredoksyny , ferredoksyny i białka Rieskego ), białka niebieskiej miedzi i cytochromy . Te białka transportujące elektrony są komplementarne do niemetalicznych transporterów elektronów dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NAD) i dinukleotydu flawinoadeninowego (FAD). Obieg azotu szerokie wykorzystanie metale do wzajemnych redoks.

Klastry 4Fe-4S służą jako przekaźniki elektronowe w białkach.

Toksyczność

Niektóre jony metali są toksyczne dla ludzi i innych zwierząt. Dokonano przeglądu chemii bio nieorganicznej ołowiu w kontekście jego toksyczności.

Białka transportujące i aktywujące tlen

Główny artykuł: Kompleks ditlenu metali przejściowych

Życie tlenowe w znacznym stopniu wykorzystuje metale, takie jak żelazo, miedź i mangan. Hem jest wykorzystywany przez czerwone krwinki w postaci hemoglobiny do transportu tlenu i jest prawdopodobnie najbardziej rozpoznawalnym metalem w biologii. Inne systemy transportu tlenu obejmują mioglobinę , hemocyjaninę i hemerytrynę . Oksydazy i oksygenazy to systemy metali występujące w naturze, które wykorzystują tlen do przeprowadzania ważnych reakcji, takich jak wytwarzanie energii w oksydazie cytochromu c lub utlenianie małych cząsteczek w oksydazach cytochromu P450 lub monooksygenazy metanowej . Niektóre metaloproteiny są przeznaczone do ochrony systemu biologicznego przed potencjalnie szkodliwym działaniem tlenu i innych reaktywnych cząsteczek zawierających tlen, takich jak nadtlenek wodoru . Systemy te obejmują peroksydazy , katalazy i dysmutazy ponadtlenkowe . Komplementarną metaloproteiną do tych, które reagują z tlenem, jest kompleks wydzielający tlen obecny w roślinach. Ten system jest częścią złożonej maszynerii białkowej, która produkuje tlen, gdy rośliny przeprowadzają fotosyntezę .

Mioglobina jest ważnym tematem w chemii bionieorganicznej, ze szczególnym uwzględnieniem kompleksu żelazo-hem, który jest zakotwiczony w białku.

Chemia bioorganiczno-metaliczna

Systemy bioorganiczno -metaliczne zawierają wiązania metal-węgiel jako elementy strukturalne lub jako produkty pośrednie. Enzymy i białka bioorganiczno- metaliczne obejmują hydrogenazy , FeMoco w azotazie i metylokobalaminę . Te naturalnie występujące związki metaloorganiczne . Obszar ten jest bardziej skoncentrowany na utylizacji metali przez organizmy jednokomórkowe. Związki bioorganiczno-metaliczne są istotne w chemii środowiska .

Struktura FeMoco , katalitycznego centrum azotazy .

Metale w medycynie

Główny artykuł: Metale w medycynie

Wiele leków zawiera metale. Temat ten opiera się na badaniu projektu i mechanizmu działania farmaceutyków zawierających metale oraz związków, które oddziałują z endogennymi jonami metali w miejscach aktywnych enzymów. Najczęściej stosowanym lekiem przeciwnowotworowym jest cisplatyna . Środek kontrastowy do rezonansu magnetycznego zwykle zawiera gadolin . Węglan litu był stosowany w leczeniu maniakalnej fazy choroby afektywnej dwubiegunowej. Skomercjalizowano złote leki przeciwartretyczne, np. Auranofina . Cząsteczki uwalniające tlenek węgla to kompleksy metali, które zostały opracowane w celu tłumienia stanu zapalnego poprzez uwalnianie niewielkich ilości tlenku węgla. Sercowo-naczyniowe i zaburzenia neuronalne znaczenie tlenku azotu zostało zbadane, w tym enzymów syntazy tlenku azotu . (Zobacz także: asymilacja azotu .) Poza tym, kompleksy przejściowe metali oparte na triazolopirymidynach były testowane na kilku szczepach pasożytów.

Chemia środowiska

Główny artykuł: chemia środowiska

Chemia środowiska tradycyjnie kładzie nacisk na interakcję metali ciężkich z organizmami. Metylortęć spowodowała poważną katastrofę zwaną chorobą Minamaty . Zatrucie arszenikiem jest powszechnym problemem, głównie z powodu zanieczyszczenia wód gruntowych arszenikiem , które dotyka wiele milionów ludzi w krajach rozwijających się. Metabolizm związków zawierających rtęć i arsen obejmuje enzymy na bazie kobalaminy .

Biomineralizacja

Główny artykuł: Biomineralizacja

Biomineralizacja to proces, w którym organizmy żywe wytwarzają minerały , często w celu utwardzenia lub usztywnienia istniejących tkanek. Takie tkanki nazywane są tkankami zmineralizowanymi . Przykłady obejmują krzemiany w algach i okrzemkach , węglany w bezkręgowcach oraz fosforany i węglany wapnia w kręgowcach . Inne przykłady obejmują złogi miedzi , żelaza i złota z udziałem bakterii. Minerały uformowane biologicznie często mają specjalne zastosowania, takie jak czujniki magnetyczne bakterii magnetotaktycznych (Fe 3 O 4 ), urządzenia do wykrywania grawitacji (CaCO 3 , CaSO 4 , BaSO 4 ) oraz magazynowanie i mobilizacja żelaza (Fe 2 O 3 • H 2 O w białko ferrytyna ). Ponieważ żelazo pozakomórkowe jest silnie zaangażowane w wywoływanie zwapnienia, jego kontrola jest niezbędna w rozwoju muszli; białko ferrytyna odgrywa ważną rolę w kontrolowaniu dystrybucji żelaza.

Rodzaje substancji nieorganicznych w biologii

Metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych

Podobnie jak wiele antybiotyków, monenzyna -A jest jonoforem, który ściśle wiąże Na + (pokazany na żółto).

Obfite pierwiastki nieorganiczne działają jak elektrolity jonowe . Najważniejsze jony to sód , potas , wapń , magnez , chlorek , fosforan i wodorowęglan . Utrzymanie precyzyjnych gradientów w błonach komórkowych pozwala na utrzymanie ciśnienia osmotycznego i pH . Jony są również krytyczne dla nerwów i mięśni , ponieważ potencjały czynnościowe w tych tkankach są wytwarzane przez wymianę elektrolitów między płynem zewnątrzkomórkowym a cytozolem . Elektrolity dostają się do komórek i opuszczają je przez białka w błonie komórkowej zwane kanałami jonowymi . Na przykład, skurcz mięśni , zależy od przepływu wapnia, sodu i potasu przez kanały jonowe w błonie komórkowej i T-kanalików .

Metale przejściowe

Do metali przejściowych są zwykle obecne jako pierwiastki śladowe w organizmach, z cynku i żelaza są najbardziej liczne. Metale te są używane jako kofaktory białek i cząsteczki sygnałowe. Wiele z nich ma zasadnicze znaczenie dla aktywności enzymów, takich jak katalaza i białka przenoszące tlen, takie jak hemoglobina . Te kofaktory są ściśle związane z określonym białkiem; chociaż kofaktory enzymatyczne można modyfikować podczas katalizy, kofaktory zawsze wracają do swojego pierwotnego stanu po przeprowadzeniu katalizy. Mikroelementy metali są wchłaniane do organizmów przez określone transportery i wiążą się z białkami magazynującymi, takimi jak ferrytyna lub metalotioneina, gdy nie są używane. Kobalt jest niezbędny do funkcjonowania witaminy B12 .

Główne związki grupy

Wiele innych pierwiastków oprócz metali jest bioaktywnych. Siarka i fosfor są potrzebne do życia przez całe życie. Fosfor występuje prawie wyłącznie w postaci fosforanu i jego różnych estrów . Siarka występuje na różnych stopniach utlenienia, od siarczanu (SO 4 2− ) do siarczku (S 2− ). Selen to pierwiastek śladowy zawarty w białkach będących przeciwutleniaczami. Kadm jest ważny ze względu na swoją toksyczność.

Zobacz też

Bibliografia

Literatura

  • Heinz-Bernhard Kraatz (redaktor), Nils Metzler-Nolte (redaktor), Concepts and Models in Bioinorganic Chemistry , John Wiley and Sons, 2006, ISBN   3-527-31305-2
  • Ivano Bertini, Harry B. Gray, Edward I. Stiefel, Joan Selverstone Valentine, Biological Inorganic Chemistry , University Science Books, 2007, ISBN   1-891389-43-2
  • Wolfgang Kaim, Brigitte Schwederski „Chemia nieorganiczna: pierwiastki nieorganiczne w chemii życia”. John Wiley and Sons, 1994, ISBN   0-471-94369-X
  • Rozeta M. Roat-Malone, Bioinorganic Chemistry: A Short Course , Wiley-Interscience , 2002, ISBN   0-471-15976-X
  • JJR Fraústo da Silva and RJP Williams, Biologiczna chemia pierwiastków: nieorganiczna chemia życia , wydanie 2, Oxford University Press , 2001, ISBN   0-19-850848-4
  • Lawrence Que, Jr., red., Physical Methods in Bioinorganic Chemistry , University Science Books, 2000, ISBN   1-891389-02-5

Linki zewnętrzne