Войти
Биоинорганическая химия - это поле в котором исследуется роль металлов в биологии. Биоинорганическая химия включает в себя изучение как природных явлений, таких как поведение металлопротеинов, так и искусственно введенных металлов, в том числе несущественных, в медицине и токсикология. 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.
Поскольку сочетание биохимии и неорганической химии, биоинорганическая химия играет важную роль в разъяснение последствий переноса электрона белков, связывания и активации субстрата, химии переноса атомов и групп, а также свойств металлов в биологической химии.
Около 99% из масса млекопитающих - это элементы углерод, азот, кальций, натрий, хлор, калий, водород, фосфор, кислород и сера. органические соединения (белки, липиды и углеводы ) содержат большую часть углерода и азота, а большую часть кислорода и водорода составляют присутствует как вода. Вся совокупность металлсодержащих биомолекул в клетке называется металломом.
Пол Эрлих использовал органо-мышьяк («Мышьяковые вещества») для лечения сифилиса, демонстрируя 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, позже было показано, что она содержит никель. на его активном сайте. Витамин B 12, лекарство от злокачественной анемии было кристаллографически показано Дороти Кроуфут Ходжкин как состоящее из кобальта в макроцикл коррин. Структура Уотсона-Крика для ДНК продемонстрировала ключевую структурную роль, которую играют фосфатсодержащие полимеры.
В биоинорганической химии можно выделить несколько различных систем. Основные области i Включает:
Разнообразный набор транспортеров (например, ионный насос NaKATPase ), вакуоли, запасающие белки (например, ферритин ) и небольшие молекулы (например, сидерофоры ) используются для контроля концентрации ионов металлов и биодоступности в живых организмах. Крайне важно, 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, ограничивая их цитотоксичность.
Многие реакции в науках о жизни включают воду, и ионы металлов часто находятся в каталитических центрах (активных центрах) для этих ферментов, т.е. это металлопротеины. Часто реагирующая вода является лигандом (см. комплекс металлов ). Примерами ферментов гидролазы являются карбоангидраза, металло фосфатазы и металлопротеиназы. Химики-биоинорганики стремятся понять и воспроизвести функцию этих металлопротеинов.
Металлсодержащие белки переноса электрона также широко распространены. Их можно разделить на три основных класса: железо-серные белки (такие как рубредоксины, ферредоксины и белки Риске ), синие белки меди и цитохромы. Эти белки переноса электронов комплементарны неметаллическим переносчикам электронов никотинамидадениндинуклеотид (NAD) и флавинадениндинуклеотид (FAD). В азотном цикле металлы широко используются для окислительно-восстановительных преобразований.
Кластеры 4Fe-4S служат в качестве электронных реле в белках. Некоторые ионы металлов токсичны для людей и других животных. Был проведен обзор био-неорганической химии свинца в контексте его токсичности.
В аэробной жизни широко используются такие металлы, как железо, медь и марганец. Гем используется эритроцитами в форме гемоглобина для транспорта кислорода и, возможно, является наиболее известной металлической системой в биологии. Другие системы транспорта кислорода включают миоглобин, гемоцианин и гемеритрин. Оксидазы и оксигеназы - это металлические системы, встречающиеся в природе, которые используют кислород для проведения важных реакций, таких как выработка энергии в цитохром с оксидазе или низкомолекулярное окисление в цитохром Р450 оксидазы или метанмонооксигеназа. Некоторые металлопротеины предназначены для защиты биологической системы от потенциально вредного воздействия кислорода и других реактивных кислородсодержащих молекул, таких как перекись водорода. Эти системы включают пероксидазы, каталазы и супероксиддисмутазы. Дополнительным металлопротеином к тем, которые реагируют с кислородом, является выделяющий кислород комплекс, присутствующий в растениях. Эта система является частью сложного белкового механизма, который производит кислород по мере того, как растения осуществляют фотосинтез.
Миоглобин - важный объект в биоинорганической химии, с особым вниманием к комплексу железо-гем, который прикреплен к Биоорганометаллические системы содержат связи металл-углерод в качестве структурных элементов или промежуточных соединений. 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. Ряд лекарственных 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. Контрастное вещество для МРТ обычно содержит гадолиний. Карбонат лития применялся для лечения маниакальной фазы биполярного расстройства. Золотые противоартритные препараты, например ауранофин поступил в продажу. Высвобождающие монооксид углерода молекулы представляют собой комплексы металлов, разработанные для подавления воспаления путем высвобождения небольших количеств монооксида углерода. Была исследована сердечно-сосудистая и нейрональная важность оксида азота, включая фермент синтазу оксида азота. (См. Также: ассимиляция азота.) Кроме того, металлические переходные комплексы на основе триазолопиримидинов были протестированы против нескольких штаммов паразитов.
Химия окружающей среды традиционно подчеркивает взаимодействие тяжелых металлов с организмами. Метилртуть вызвала серьезную катастрофу под названием болезнь Минамата. Отравление мышьяком - широко распространенная проблема, во многом обусловленная загрязнением подземных вод мышьяком, от которого страдают многие миллионы людей в развивающихся странах. В метаболизме соединений, содержащих ртуть и мышьяк, участвуют ферменты на основе кобаламина.
Биоминерализация - это процесс, с помощью которого живые организмы производят минералы, часто для придания жесткости существующим тканям. Такие ткани называются минерализованными тканями. Примеры включают силикаты в водорослях и диатомовых, карбонаты в беспозвоночных и фосфаты кальция и карбонаты 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 3O4), устройствах измерения силы тяжести (CaCO 3, CaSO 4, BaSO 4), а также накопление и мобилизация железа (Fe 2O3•H2O в белке ферритин ). Поскольку внеклеточное железо активно участвует в индукции кальцификации, его контроль важен для развития скорлупы; белок ферритин играет важную роль в контроле распределения железа.
Как и многие антибиотики, монензин -A представляет собой ионофор, который прочно связывает Na (показан желтым). Обильные неорганические элементы действуют как ионные электролиты. Наиболее важными ионами являются 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 образуются за счет обмена электролитов между внеклеточной жидкостью и цитозоль. 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-канальцы.
переходные металлы обычно присутствуют в организмах в виде микроэлементов, причем наиболее распространены цинк и железо. Эти металлы используются в качестве кофакторов белка 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 свое исходное состояние после того, как катализ прошел. Металлические микронутриенты поглощаются организмами специфическими переносчиками и связываются с запасными белками, такими как ферритин или металлотионеин, когда они не используются. Кобальт необходим для функционирования витамин B12.
Многие другие элементы, кроме 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) до сульфида (S). Селен - это микроэлемент, входящий в состав белков, являющихся антиоксидантами. Кадмий важен из-за его токсичности.
