Биоинорганическая химия - Bioinorganic chemistry

Биоинорганическая химия - это область, изучающая роль металлов в биологии . Биоинорганическая химия включает изучение как природных явлений, таких как поведение металлопротеинов, так и искусственно введенных металлов, в том числе несущественных , в медицине и токсикологии . Многие биологические процессы, такие как дыхание, зависят от молекул, которые относятся к сфере неорганической химии . Дисциплина также включает изучение неорганических моделей или имитаторов, имитирующих поведение металлопротеинов.

Как смесь биохимии и неорганической химии , биоинорганическая химия важна для выяснения последствий белков переноса электрона , связывания и активации субстрата, химии переноса атомов и групп, а также свойств металлов в биологической химии. Успешное развитие действительно междисциплинарной работы необходимо для развития биоинорганической химии.

Состав живых организмов

Около 99% массы млекопитающих составляют элементы углерод , азот , кальций , натрий , хлор , калий , водород , фосфор , кислород и сера . Эти органические соединения ( белки , липиды и углеводы ) содержат большую часть углерода и азота , и большинство из кислорода и водорода присутствует в воде. Вся совокупность металлсодержащих биомолекул в клетке называется металломом .

История

Пол Эрлих использовал мышьякорганический («мышьяковые») для лечения сифилиса , продемонстрировав важность металлов или, по крайней мере, металлоидов для медицины, которая расцвела с открытием Розенбергом противораковой активности цисплатина (цис-PtCl ₂ (NH ₃ ) ₂ ). Первым кристаллизовавшимся белком (см. Джеймс Б. Самнер ) была уреаза , которая, как позже было показано, содержит никель в своем активном центре . Дороти Кроуфут Ходжкин кристаллографически показала, что витамин B ₁₂ , лекарство от злокачественной анемии, состоит из кобальта в макроцикле коррина . Структура ДНК Уотсона-Крика продемонстрировала ключевую структурную роль, которую играют фосфатсодержащие полимеры.

Темы по биоинорганической химии

В биоинорганической химии можно выделить несколько различных систем. Основные направления включают:

Перенос и хранение ионов металлов

Разнообразный набор переносчиков (например, NaKATPase ионного насоса ), вакуолей , запасных белков (например, ферритина ) и небольших молекул (например, сидерофоров ) используется для контроля концентрации ионов металлов и биодоступности в живых организмах. Важно отметить, что многие важные металлы недоступны для последующих белков из-за низкой растворимости в водных растворах или дефицита в клеточной среде. Организмы разработали ряд стратегий для сбора и транспортировки таких элементов при ограничении их цитотоксичности .

Энзимология

Во многих реакциях в науках о жизни участвует вода, и ионы металлов часто находятся в каталитических центрах (активных центрах) этих ферментов, то есть это металлопротеины . Часто реагирующая вода является лигандом (см. Комплекс акваметалла ). Примеры гидролаз ферментов карбоангидразы , металло фосфатазы и металлопротеиназы . Биоинорганические химики стремятся понять и воспроизвести функцию этих металлопротеинов.

Также распространены металлсодержащие белки переноса электрона. Их можно разделить на три основных класса: железо-серные белки (такие как рубредоксины , ферредоксины и белки Риеске) , белки голубой меди и цитохромы . Эти белки переноса электронов комплементарны неметаллическим переносчикам электронов никотинамидадениндинуклеотиду (NAD) и флавинадениндинуклеотиду (FAD). В азотном цикле широко используются металлы для окислительно-восстановительных преобразований.

Кластеры 4Fe-4S служат в белках как электронные реле.

Токсичность

Некоторые ионы металлов токсичны для человека и других животных. Рассмотрена биоинорганическая химия свинца с точки зрения его токсичности.

Транспорт кислорода и белки активации

В аэробной жизни широко используются такие металлы, как железо, медь и марганец. Гем используется эритроцитами в форме гемоглобина для переноса кислорода и, возможно, является наиболее известной металлической системой в биологии. Другие системы транспорта кислорода включают миоглобин , гемоцианин и гемеритрин . Оксидазы и оксигеназы представляют собой металлические системы, встречающиеся в природе, которые используют кислород для выполнения важных реакций, таких как выработка энергии в цитохром с оксидазе или низкомолекулярное окисление в оксидазах цитохрома Р450 или метанмонооксигеназе . Некоторые металлопротеины предназначены для защиты биологической системы от потенциально вредного воздействия кислорода и других активных кислородсодержащих молекул, таких как перекись водорода . Эти системы включают пероксидазы , каталазы и супероксиддисмутазы . Дополнительным металлопротеином по отношению к металлопротеинам, которые вступают в реакцию с кислородом, является выделяющий кислород комплекс, присутствующий в растениях. Эта система является частью сложного белкового механизма, который производит кислород во время фотосинтеза растений .

Миоглобин - важный предмет в биоинорганической химии, с особым вниманием к комплексу железо-гем, который прикреплен к белку.

Биоорганометаллическая химия

Биоорганометаллические системы имеют связи металл-углерод в качестве структурных элементов или промежуточных продуктов. Биоорганометаллические ферменты и белки включают гидрогеназы , FeMoco в нитрогеназе и метилкобаламин . Эти встречающиеся в природе металлоорганические соединения . Эта область больше ориентирована на использование металлов одноклеточными организмами. Биоорганические соединения играют важную роль в химии окружающей среды .

Структура FeMoco , каталитического центра нитрогеназы.

Металлы в медицине

Ряд препаратов содержат металлы. Эта тема основана на изучении конструкции и механизма действия металлсодержащих фармацевтических препаратов и соединений, которые взаимодействуют с эндогенными ионами металлов в активных центрах ферментов. Наиболее широко используемым противораковым препаратом является цисплатин . Контрастные вещества для МРТ обычно содержат гадолиний . Карбонат лития использовался для лечения маниакальной фазы биполярного расстройства. Золотые противоартритные препараты, например ауранофин , начали продаваться . Молекулы, высвобождающие монооксид углерода, представляют собой комплексы металлов, которые были разработаны для подавления воспаления путем высвобождения небольших количеств монооксида углерода. Сердечно - сосудистое и нейрональное значение оксида азота было изучено, в том числе фермента синтазы окиси азота . (См. Также: ассимиляция азота .) Кроме того, металлические переходные комплексы на основе триазолопиримидинов были протестированы против нескольких штаммов паразитов.

Экологическая химия

Химия окружающей среды традиционно подчеркивает взаимодействие тяжелых металлов с организмами. Метилртуть вызвала серьезную катастрофу под названием болезнь Минамата . Отравление мышьяком - широко распространенная проблема, в основном из-за загрязнения грунтовых вод мышьяком, от которого страдают многие миллионы людей в развивающихся странах. В метаболизме соединений, содержащих ртуть и мышьяк, участвуют ферменты на основе кобаламина .

Биоминерализация

Биоминерализация - это процесс, при котором живые организмы производят минералы , часто для того, чтобы укрепить или укрепить существующие ткани. Такие ткани называются минерализованными тканями . Примеры включают силикаты в водорослях и диатомовых водорослях , карбонаты у беспозвоночных и фосфаты и карбонаты кальция у позвоночных . Другие примеры включают отложения меди , железа и золота с участием бактерий. Биологически образованные минералы часто находят специальное применение, например, магнитные датчики в магнитотактических бактериях (Fe ₃ O ₄ ), устройства измерения силы тяжести (CaCO ₃ , CaSO ₄ , BaSO ₄ ), а также хранение и мобилизацию железа (Fe ₂ O ₃ • H ₂ O в белок ферритин ). Поскольку внеклеточное железо сильно участвует в индукции кальцификации, его контроль важен для развития скорлупы; белок ферритин играет важную роль в контроле распределения железа.

Типы неорганических веществ в биологии

Щелочные и щелочноземельные металлы

Как и многие антибиотики, монензин -A является ионофором, который прочно связывает Na ⁺ (показан желтым цветом).

Обильные неорганические элементы действуют как ионные электролиты . Наиболее важные ионы - это натрий , калий , кальций , магний , хлорид , фосфат и бикарбонат . Поддержание точных градиентов на клеточных мембранах поддерживает осмотическое давление и pH . Ионы также имеют решающее значение для нервов и мышц , поскольку потенциалы действия в этих тканях производятся обменом электролитов между внеклеточной жидкостью и цитозолем . Электролиты проникают в клетки и покидают их через белки клеточной мембраны, называемые ионными каналами . Например, сокращение мышц зависит от движения кальция, натрия и калия через ионные каналы в клеточной мембране и Т-канальцах .

Переходные металлы

Эти переходные металлы , как правило , присутствует в качестве микроэлементов в организмах, с цинком и железа является наиболее распространенным. Эти металлы используются в качестве кофакторов белков и сигнальных молекул. Многие из них необходимы для активности ферментов, таких как каталаза, и белков-переносчиков кислорода, таких как гемоглобин . Эти кофакторы тесно связаны с конкретным белком; хотя кофакторы ферментов могут быть изменены во время катализа, кофакторы всегда возвращаются в исходное состояние после того, как катализ уже произошел. Металлические микроэлементы попадают в организм с помощью определенных переносчиков и связываются с запасными белками, такими как ферритин или металлотионеин, когда они не используются. Кобальт необходим для функционирования витамина B12 .

Соединения основной группы

Многие другие элементы, помимо металлов, являются биоактивными. Сера и фосфор необходимы для всей жизни. Фосфор существует почти исключительно в виде фосфата и его различных сложных эфиров . Сера существует в различных степенях окисления, от сульфата (SO ₄^2- ) до сульфида (S ^2- ). Селен - это микроэлемент, входящий в состав белков, являющихся антиоксидантами. Кадмий важен из-за его токсичности.

Смотрите также

использованная литература

Литература

Хайнц-Бернхард Краатц (редактор), Нильс Мецлер-Нольте (редактор), Концепции и модели в биоорганической химии , John Wiley and Sons, 2006, ISBN 3-527-31305-2
Ивано Бертини, Гарри Б. Грей, Эдвард И. Штифель, Джоан Селверстон Валентайн, Биологическая неорганическая химия , University Science Books, 2007, ISBN 1-891389-43-2
Вольфганг Кайм, Бриджит Шведерски «Биоинорганическая химия: неорганические элементы в химии жизни». Джон Вили и сыновья, 1994, ISBN 0-471-94369-X
Розетт М. Роат-Мэлоун, Биоинорганическая химия: краткий курс , Wiley-Interscience , 2002, ISBN 0-471-15976-X
JJR Fraústo da Silva и RJP Williams, Биологическая химия элементов: неорганическая химия жизни , 2-е издание, Oxford University Press , 2001, ISBN 0-19-850848-4
Лоуренс Ку, младший, редактор, Физические методы в биоинорганической химии , University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

Languages

In other projects