Биоорганометаллическая химия
Биоорганометаллическая химия — это изучение биологически активных молекул, содержащих углерод, непосредственно связанный с металлами или металлоидами. Важность центров основной группы и переходных металлов давно признана важной для функции ферментов и других биомолекул. Однако лишь небольшая часть встречающихся в природе металлокомплексов и синтетически полученных фармацевтических препаратов являются металлоорганическими ; то есть они имеют прямую ковалентную связь между металлом (лоидом) и атомом углерода. Первыми и долгое время единственными примерами встречающихся в природе биоорганометаллических соединений были кофакторы кобаламина (витамин B 12 ) в его различных формах. [1] В 21 веке, в результате открытия в биологии новых систем, содержащих связи углерод-металл, биоорганометаллическая химия быстро превращается в отдельный раздел бионеорганической химии , который находится между металлоорганической химией и биохимией . Встречающиеся в природе металлоорганические соединения включают ферменты и сенсорные белки . Также в этой области находятся синтетически полученные металлорганические соединения, которые служат новыми лекарствами и агентами визуализации ( технеций-99m сестамиби ), а также принципы, относящиеся к токсикологии металлорганических соединений (например, метилртуть ). [2] [3] Следовательно, биоорганометаллическая химия становится все более актуальной для медицины и фармакологии . [4]
В кофакторах и группах протезов [ править ]
Витамин B12 является выдающимся биоорганометаллическим видом. Витамин B12 на самом деле представляет собой набор родственных кофакторов ферментов, некоторые из которых содержат связи кобальт-алкил, и участвует в реакциях биологического метилирования и 1,2-углеродной перегруппировки. Долгое время с тех пор, как его структура была выяснена Ходжкиным в 1955 году, считалось, что это единственный пример встречающейся в природе биоорганометаллической системы.
Некоторые биоорганометаллические ферменты осуществляют реакции с участием оксида углерода . Дегидрогеназа монооксида углерода (CODH) катализирует реакцию конверсии вода-газ , которая обеспечивает CO (через промежуточный никелакарбоксилат ) для биосинтеза A. ацетилкофермента На последний этап осуществляет фермент Ni-Fe, CO-метилирующий ацетил-КоА-синтазу (ACS). CODH и ACS часто встречаются вместе в тетрамерном комплексе, где CO переносится через туннель, а метильная группа обеспечивается метилкобаламином .
Гидрогеназы являются биоорганометаллическими в том смысле, что их активные центры обладают функциональностью Fe-CO, хотя лиганды CO являются лишь зрителями. [5] Биядерные [FeFe]-гидрогеназы имеют активный центр Fe 2 (μ-SR) 2 (μ-CO)(CO) 2 ( CN ) 2, соединенный с кластером 4Fe4S через мостиковый тиолат. Активный центр [NiFe]-гидрогеназ описывается как (NC) 2 (OC)Fe(μ-SR) 2 Ni(SR) 2 (где SR — цистеинил ). [6] Мононуклеарные [Fe]-гидрогеназы содержат активный центр Fe(CO) 2 (SR)(LX), где LX — 6-ацилметил-2-пиридиноловый лиганд, связанный с Fe-центром через пиридиловый азот (L) и ацильную группу. углерод (Х). [7] [8] Таким образом, этот класс гидрогеназ представляет собой примеры встречающихся в природе ацильных комплексов железа.
Метаногенез , биосинтез метана, влечет за собой на последнем этапе разрыв никель - метильной связи в кофакторе F430 .
Железомолибденовый кофактор ( FeMoco ) нитрогеназ содержит единицу Fe 6 C и является примером межузельного карбида, обнаруженного в биологии. [9] [10]
Сообщается, что первый пример встречающихся в природе видов арилметалла, клещеобразный комплекс, содержащий связь никель-арил, образует активный центр лактатрацемазы . [11]
В сенсорных белках [ править ]
Известно, что некоторые [NiFe]-содержащие белки воспринимают H 2 и, таким образом, регулируют транскрипцию.
. Известно, что медьсодержащие белки чувствительны к этилену, который, как известно, является гормоном, отвечающим за созревание фруктов Этот пример иллюстрирует важную роль металлоорганической химии в природе, поскольку лишь немногие молекулы за пределами комплексов низковалентных переходных металлов обратимо связывают алкены. Циклопропены ингибируют созревание, связываясь с центром меди (I). Связывание с медью также участвует в обонянии олефинов млекопитающими. [12]
Окись углерода встречается в природе и является фактором транскрипции через свой комплекс с сенсорным белком на основе порфиринов железа.
В медицине [ править ]
Металлоорганические соединения, содержащие ртуть (например, тиомерсал ) и мышьяк (например, сальварсан ), имели долгую историю использования в медицине в качестве неселективных противомикробных препаратов до появления современных антибиотиков.
Дихлорид титаноцена проявляет противораковую активность, а дихлордобис[( п -метоксибензил)циклопентадиенил]титан в настоящее время является кандидатом на противораковое лекарство. Арен- и циклопентадиенильные комплексы являются кинетически инертными платформами для создания новых радиофармпрепаратов.
Кроме того, были проведены исследования с использованием экзогенных полусинтетических лигандов; в частности, к переносчику дофамина, наблюдая повышенную результирующую эффективность в отношении вознаграждения, способствующего поведению ( выраженность стимулов ) и привыкания, а именно с соединением фенилтропана [η 6 -(2 β -карбометокси-3 β -фенил)тропан]трикарбонилхром .
Металлоорганические соединения , выделяющие угарный газ , также активно исследуются из-за важности угарного газа как газопередатчика .
Токсикология [ править ]
В области биоорганической химии находится изучение судьбы синтетических металлоорганических соединений. тетраэтилсвинец В этом отношении значительное внимание привлек , а также его преемники, такие как метилциклопентадиенилтрикарбонил марганца . Метилртуть — особенно печально известный случай; этот катион образуется в результате действия ферментов, родственных витамину B 12, на ртуть.
Ссылки [ править ]
- ^ Ходжкин Д.Г., Пикворт Дж., Робертсон Дж.Х., Трублад К.Н., Просен Р.Дж., Уайт Дж.Г. (август 1955 г.). «Кристаллическая структура гексакарбоновой кислоты, производной B12, и молекулярная структура витамина». Природа . 176 (4477): 325–328. Бибкод : 1955Natur.176..325H . дои : 10.1038/176325a0 . ПМИД 13253565 . S2CID 4220926 .
- ^ Сигел А, Сигел Х, Сигел Р.К., ред. (2009). Металл-углеродные связи в ферментах и кофакторах . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 6. Королевское химическое общество. ISBN 978-1-84755-915-9 .
- ^ Линк Р.К., Раухфус ТБ (2005). «Синтетические модели биоорганометаллических реакционных центров». В Джауэне Дж. (ред.). Биоорганические металлы: биомолекулы, маркировка, медицина . Вайнхайм: Wiley-VCH. стр. 403–435. дои : 10.1002/3527607692.ch12 . ISBN 978-3-527-30990-0 .
- ^ Джауэн Г (2006). Биоорганические металлы: биомолекулы, маркировка, медицина . Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN 3527607692 . OCLC 85821090 .
- ^ Каммак Р., Фрей М., Робсон Р. (2001). Водород как топливо: чему учиться у природы . Лондон: Тейлор и Фрэнсис. ISBN 978-0-415-24242-4 .
- ^ Волбеда А., Фонтесилла-Кампс Дж.К. (2003). «Активный центр и каталитический механизм гидрогеназ NiFe». Далтон Транзакции (21): 4030–4038. дои : 10.1039/B304316A .
- ^ Хиромото Т., Атака К., Пилак О., Фогт С., Стагни М.С., Мейер-Клауке В. и др. (февраль 2009 г.). «Кристаллическая структура мутированной [Fe]-гидрогеназы C176A предполагает наличие лигирования ацил-железо в комплексе железа в активном центре». Письма ФЭБС . 583 (3): 585–590. дои : 10.1016/j.febslet.2009.01.017 . ПМИД 19162018 . S2CID 1055079 .
- ^ Шаупп С., Арриаса-Галлардо Ф.Дж., Пан Х.Дж., Кант Дж., Анжелиду Г., Пациа Н. и др. (май 2022 г.). «Биосинтез in vitro кофактора [Fe]-гидрогеназы проверяет предлагаемые биосинтетические предшественники» . Ангеванде Хеми . 61 (22): e202200994. дои : 10.1002/anie.202200994 . ПМЦ 9314073 . ПМИД 35286742 .
- ^ Спацаль Т., Аксойоглу М., Чжан Л., Андраде С.Л., Шлейхер Э., Вебер С. и др. (ноябрь 2011 г.). «Доказательства наличия межузельного углерода в кофакторе FeMo нитротазы» . Наука . 334 (6058): 940. Бибкод : 2011Sci...334..940S . дои : 10.1126/science.1214025 . ПМЦ 3268367 . ПМИД 22096190 .
- ^ Ланкастер К.М., Ремельт М., Эттенхубер П., Ху Ю., Риббе М.В., Низ Ф. и др. (ноябрь 2011 г.). «Рентгеновская эмиссионная спектроскопия свидетельствует о наличии центрального углерода в железомолибденовом кофакторе нитротазы» . Наука . 334 (6058): 974–977. Бибкод : 2011Sci...334..974L . дои : 10.1126/science.1206445 . ПМЦ 3800678 . ПМИД 22096198 .
- ^ Рэнкин Дж.А., Мобан Р.К., Феллнер М., Десген Б., Маккракен Дж., Ху Дж. и др. (июнь 2018 г.). «Кофактор никель-пинцер лактат-рацемаза действует посредством механизма переноса гидрида, связанного с протонами». Биохимия . 57 (23): 3244–3251. doi : 10.1021/acs.biochem.8b00100 . ОСТИ 1502215 . ПМИД 29489337 .
- ^ Дуань X, Блок E, Ли З, Коннелли Т, Чжан Дж, Хуан З и др. (февраль 2012 г.). «Решающая роль меди в обнаружении одорантов, координирующих металлы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (9): 3492–3497. Бибкод : 2012PNAS..109.3492D . дои : 10.1073/pnas.1111297109 . ПМК 3295281 . ПМИД 22328155 .
Отрасли химии | |
|---|---|
| Аналитический | |
| Теоретический | |
| Физический | |
| Неорганический | |
| Органический | |
| Биологический | |
| Междисциплинарность | |
| См. также | |
