Jump to content

Бионеорганическая химия

Бионеорганическая химия — область, изучающая роль металлов в биологии . Бионеорганическая химия включает в себя 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, относящихся к сфере неорганической химии . Дисциплина также включает изучение неорганических моделей или имитаторов, имитирующих поведение металлопротеинов. [1]

Как смесь биохимии и неорганической химии , бионеорганическая химия важна для выяснения значения белков -переносчиков электронов , связывания и активации субстратов, химии переноса атомов и групп, а также свойств металлов в биологической химии. Успешное развитие действительно междисциплинарной работы необходимо для развития бионеорганической химии. [2]

Состав живых организмов

[ редактировать ]

Около 99% массы млекопитающих составляют элементы углерод , азот , кальций , натрий , хлор , калий , водород , фосфор , кислород и сера . [3] Органические соединения ( белки , липиды и углеводы ) содержат большую часть углерода и азота, а большая часть кислорода и водорода присутствует в виде воды. [3] Вся совокупность металлсодержащих биомолекул в клетке называется металломом .

Пауль Эрлих использовал мышьякорганические соединения («мышьяки») для лечения сифилиса , продемонстрировав значимость металлов или, по крайней мере, металлоидов для медицины, которая расцвела с открытием Розенбергом противораковой активности цисплатина (цис-PtCl 2 (NH 3 ) 2 ). Первым когда-либо кристаллизованным белком (см. Джеймса Б. Самнера ) была уреаза , которая, как позже было показано, содержала никель в своем активном центре . витамин B12 , лекарство от пернициозной анемии кристаллографически показала, что Дороти Кроуфут Ходжкин , состоит из кобальта в макроцикле коррина .

Темы бионеорганической химии

[ редактировать ]

В бионеорганической химии можно выделить несколько различных систем. Основные направления включают в себя:

Транспорт и хранение ионов металлов

[ редактировать ]

Разнообразный набор переносчиков (например, ионный насос NaKATPase ), вакуоли , запасные белки (например, ферритин ) и небольшие молекулы (например, сидерофоры ) используются для контроля концентрации ионов металлов и их биодоступности в живых организмах. Важно отметить, что многие незаменимые металлы недоступны для последующих белков из-за низкой растворимости в водных растворах или их дефицита в клеточной среде. Организмы разработали ряд стратегий сбора и транспортировки таких элементов при одновременном ограничении их цитотоксичности .

Энзимология

[ редактировать ]

Во многих реакциях в науках о жизни участвуют вода, и ионы металлов часто находятся в каталитических центрах (активных центрах) этих ферментов, т. е. это металлопротеины . Часто реагирующая вода является лигандом (см. аквакомплекс металла ). Примерами ферментов гидролаз являются карбоангидраза , металлофосфатазы и металлопротеиназы . Бионеорганические химики стремятся понять и воспроизвести функцию этих металлопротеинов.

Металлсодержащие белки-переносчики электронов также распространены. Их можно разделить на три основных класса: железо-серные белки (такие как рубредоксины , ферредоксины и белки Риске ), белки голубой меди и цитохромы . Эти белки-переносчики электронов дополняют неметаллические переносчики электронов никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и флавинадениндинуклеотид (ФАД). Азотный цикл широко использует металлы для окислительно-восстановительных взаимопревращений.

Кластеры 4Fe-4S служат электронными реле в белках.

Токсичность

[ редактировать ]

Ионы некоторых металлов токсичны для человека и других животных. Рассмотрена бионеорганическая химия свинца с точки зрения его токсичности. [4]

Белки транспорта и активации кислорода

[ редактировать ]

Аэробная жизнь широко использует такие металлы, как железо, медь и марганец. Гем используется эритроцитами в форме гемоглобина для транспорта кислорода и, пожалуй, является наиболее признанной металлической системой в биологии. Другие системы транспорта кислорода включают миоглобин , гемоцианин и гемеритрин . Оксидазы и оксигеназы представляют собой металлические системы, встречающиеся повсюду в природе, которые используют кислород для проведения важных реакций, таких как выработка энергии в цитохром-с-оксидазе или окисление малых молекул в цитохром-P450-оксидазах или метанмонооксигеназе . Некоторые металлопротеины предназначены для защиты биологической системы от потенциально вредного воздействия кислорода и других активных кислородсодержащих молекул, таких как перекись водорода . К этим системам относятся пероксидазы , каталазы и супероксиддисмутазы . Дополнительным металлопротеином к тем, которые реагируют с кислородом, является комплекс, выделяющий кислород , присутствующий в растениях. Эта система является частью сложного белкового механизма, производящего кислород. как растения осуществляют фотосинтез .

Миоглобин является важным предметом в бионеорганической химии, особое внимание уделяется комплексу железо-гем, прикрепленному к белку.

Биоорганометаллическая химия

[ редактировать ]

Биоорганометаллические системы содержат связи металл-углерод в качестве структурных элементов или промежуточных продуктов. Биоорганометаллические ферменты и белки включают гидрогеназы , FeMoco в нитрогеназе и метилкобаламин . Это встречающиеся в природе металлоорганические соединения . Это направление больше ориентировано на утилизацию металлов одноклеточными организмами. Биоорганические соединения играют важную роль в химии окружающей среды . [5]

Структура FeMoco , каталитического центра нитрогеназы.

Металлы в медицине

[ редактировать ]

Ряд препаратов содержат металлы. Эта тема основана на изучении конструкции и механизма действия металлосодержащих фармацевтических препаратов, а также 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 использовался для лечения маниакальной фазы биполярного расстройства. Золотые противоартритные препараты, например, ауранофин, поступили в продажу. Молекулы, высвобождающие угарный газ, представляют собой металлические комплексы, разработанные для подавления воспаления путем выделения небольшого количества угарного газа. значение сердечно-сосудистой системы и нейронов для оксида азота Было изучено , включая фермент синтазу оксида азота . (См. также: ассимиляция азота .) Кроме того, металлические переходные комплексы на основе триазолопиримидинов были протестированы против нескольких штаммов паразитов. [6]

Экологическая химия

[ редактировать ]

Химия окружающей среды традиционно уделяет особое внимание взаимодействию тяжелых металлов с организмами. Метилртуть вызвала крупную катастрофу под названием болезнь Минамата . Отравление мышьяком является широко распространенной проблемой, главным образом из-за загрязнения мышьяком грунтовых вод , от которого страдают многие миллионы людей в развивающихся странах. В метаболизме соединений, содержащих ртуть и мышьяк, участвуют кобаламина ферменты на основе .

Биоминерализация

[ редактировать ]

Биоминерализация — это процесс, посредством которого живые организмы производят минералы , часто для укрепления или укрепления существующих тканей. Такие ткани называются минерализованными тканями . [7] [8] [9] Примеры включают силикаты в водорослях и диатомовых водорослях , карбонаты у беспозвоночных , а также кальция фосфаты и карбонаты у позвоночных . Другие примеры включают месторождения меди , железа и золота с участием бактерий. Биологически образованные минералы часто имеют специальное применение, например, в качестве магнитных сенсоров в магнитотактических бактериях (Fe 3 O 4 ), гравитационных датчиков (CaCO 3 , CaSO 4 , BaSO 4 ) и хранения и мобилизации железа (Fe 2 O 3 ·H 2 O в белок ферритин ). Поскольку внеклеточный [10] железо активно участвует в индуцировании кальцификации, [11] [12] его контроль необходим при разработке оболочек; белок ферритин играет важную роль в контроле распределения железа. [13]

Виды неорганических веществ в биологии

[ редактировать ]

Щелочные и щелочноземельные металлы

[ редактировать ]
Как и многие антибиотики, монензин -А представляет собой ионофор, прочно связывающий Na. + (показано желтым цветом). [14]

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 . [15] Ионы также имеют решающее значение для нервов и мышц , поскольку потенциалы действия в этих тканях возникают в результате обмена электролитов между внеклеточной жидкостью и цитозолем . [16] Электролиты входят и покидают клетки 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 . [17]

Переходные металлы

[ редактировать ]

Переходные металлы обычно присутствуют в виде микроэлементов в организмах цинк и железо . , причем наиболее распространены [18] [19] [20] Эти металлы используются в качестве белковых кофакторов и сигнальных молекул. Многие из них необходимы для активности таких ферментов, как каталаза и белки-переносчики кислорода, такие как гемоглобин . [21] Эти кофакторы тесно связаны с конкретным белком; хотя кофакторы ферментов могут быть модифицированы во время катализа, кофакторы всегда возвращаются в исходное состояние после катализа. Металлические микроэлементы попадают в организм с помощью специфических переносчиков и связываются с запасными белками, такими как ферритин или металлотионеин, когда они не используются. [22] [23] Кобальт необходим для функционирования витамина B12 . [24]

Соединения основной группы

[ редактировать ]

Многие другие элементы, помимо металлов, являются биологически активными. Сера и фосфор необходимы для всей жизни. Фосфор существует почти исключительно в виде фосфата и его различных эфиров . Сера существует в различных степенях окисления, начиная от сульфатной (SO 4 2− ) вплоть до сульфида (S 2− ). Селен — микроэлемент, входящий в состав белков, которые являются антиоксидантами. Кадмий важен из-за своей токсичности. [25]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Стивен Дж. Липпард, Джереми М. Берг, Принципы бионеорганической химии , Университетские научные книги, 1994, ISBN   0-935702-72-5
  2. ^ Гумерова Надежда И.; Ромпель, Аннет (31 марта 2021 г.). «Переплетение дисциплин для развития химии: применение полиоксометаллатов в биологии» . Неорганическая химия . 60 (9): 6109–6114. doi : 10.1021/acs.inorgchem.1c00125 . ISSN   0020-1669 . ПМЦ   8154434 . ПМИД   33787237 .
  3. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Хеймсфилд С., Ваки М., Кехайяс Дж., Лихтман С., Дилманиан Ф., Камен Ю., Ван Дж., Пирсон Р. (1991). «Химический и элементный анализ человека in vivo с использованием улучшенных моделей состава тела». Американский журнал физиологии . 261 (2 Ч. 1): E190–8. дои : 10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 . ПМИД   1872381 .
  4. ^ Марет, Вольфганг (2017). «Глава 1. Бионеорганическая химия свинца в контексте его токсичности». В Астрид, С.; Хельмут, С.; Сигел, RKO (ред.). Свинец: его влияние на окружающую среду и здоровье . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 17. де Грюйтер. стр. 1–20. дои : 10.1515/9783110434330-001 . ISBN  9783110434330 . ПМИД   28731294 .
  5. ^ Сигел, А.; Сигел, Х.; Сигел, RKO, ред. (2010). Металлоорганические соединения в окружающей среде и токсикологии . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 7. Кембридж: Издательство РСК. ISBN  978-1-84755-177-1 .
  6. ^ Мендес-Арриага Х.М., Оярсабал I и др. (март 2018 г.). «Оценка лейшманицидной и трипаноцидной активности in vitro и магнитных свойств 7-амино-1,2,4-триазоло[1,5-а]пиримидиновых комплексов Cu(II)». Журнал неорганической биохимии . 180 : 26–32. дои : 10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027 . ПМИД   29227923 .
  7. ^ Астрид Сигель, Хельмут Сигель и Роланд К.О. Сигель, изд. (2008). Биоминерализация: от природы к применению . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 4. Уайли. ISBN  978-0-470-03525-2 .
  8. ^ Вайнер, Стивен; Лоуэнстам, Хайнц А. (1989). О биоминерализации . Оксфорд [Оксфордшир]: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-504977-0 .
  9. ^ Жан-Пьер Кюиф; Яннике Дофин; Джеймс Э. Сорауф (2011). Биоминералы и окаменелости во времени . Кембридж. ISBN  978-0-521-87473-1 .
  10. ^ Габбиани Г., Тухвебер Б. (1963). «Роль железа в механизме экспериментальной кальцификации» . J Histochem Cytochem . 11 (6): 799–803. дои : 10.1177/11.6.799 .
  11. ^ Шульц, К.; Зондерван, И.; Герринга, Л.; Тиммерманс, К.; Вельдхейс, М.; Рибеселл, У. (2004). «Влияние наличия микроэлементов на кальцификацию кокколитофоридов» (PDF) . Природа . 430 (7000): 673–676. Бибкод : 2004Natur.430..673S . дои : 10.1038/nature02631 . ПМИД   15295599 .
  12. ^ Ангилери, LJ; Мейнсент, П.; Кордова-Мартинес, А. (1993). «О механизме кальцификации мягких тканей, вызванной комплексным железом». Экспериментальная и токсикологическая патология . 45 (5–6): 365–368. дои : 10.1016/S0940-2993(11)80429-X . ПМИД   8312724 .
  13. ^ Джексон, диджей; Верхайде, Г.; Дегнан, Б.М. (2007). «Динамическая экспрессия древних и новых генов раковин моллюсков во время экологических переходов» . Эволюционная биология BMC . 7 : 160. дои : 10.1186/1471-2148-7-160 . ПМК   2034539 . ПМИД   17845714 .
  14. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN  978-0-08-037941-8 .
  15. ^ Сихрова Х (2004). «Дрожжи как модельный организм для изучения транспорта и гомеостаза катионов щелочных металлов» (PDF) . Физиол Рес . 53 (Приложение 1): S91–8. ПМИД   15119939 .
  16. ^ Левитан I (1988). «Модуляция ионных каналов в нейронах и других клетках». Анну преподобный Neurosci . 11 : 119–36. дои : 10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 . ПМИД   2452594 .
  17. ^ Дулханти А (2006). «Связь возбуждения-сокращения с 1950-х годов в новое тысячелетие». Clin Exp Pharmacol Physiol . 33 (9): 763–72. дои : 10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x . ПМИД   16922804 .
  18. ^ Длоуи, Адриенн К.; Ауттен, Кэрин Э. (2013). «Железный металлом в эукариотических организмах». В Банки, Люсия (ред.). Металломика и клетка . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 12. Спрингер. стр. 241–78. дои : 10.1007/978-94-007-5561-1_8 . ISBN  978-94-007-5560-4 . ПМЦ   3924584 . ПМИД   23595675 . электронная книга ISBN   978-94-007-5561-1 ISSN   1559-0836 электронный- ISSN   1868-0402
  19. ^ Махан Д., Шилдс Р. (1998). «Макро- и микроминеральный состав поросят от рождения до 145 килограммов живой массы» . J Anim Sci . 76 (2): 506–12. дои : 10.2527/1998.762506x . ПМИД   9498359 . Архивировано из оригинала 30 апреля 2011 г.
  20. ^ Хустед С., Миккельсен Б., Йенсен Дж., Нильсен Н. (2004). «Элементный дактилоскопический анализ ячменя (Hordeum vulgare) с использованием масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, масс-спектрометрии изотопного отношения и многомерной статистики». Анальная биоанальная химия . 378 (1): 171–82. дои : 10.1007/s00216-003-2219-0 . ПМИД   14551660 .
  21. ^ Финни Л., О'Халлоран Т (2003). «Видование переходных металлов в клетке: выводы из химии рецепторов ионов металлов». Наука . 300 (5621): 931–6. Бибкод : 2003Sci...300..931F . дои : 10.1126/science.1085049 . ПМИД   12738850 . S2CID   14863354 .
  22. ^ Казинс Р., Люцци Дж., Лихтен Л. (2006). «Транспорт, незаконный оборот и сигналы цинка у млекопитающих» . J Биол Хим . 281 (34): 24085–9. дои : 10.1074/jbc.R600011200 . ПМИД   16793761 .
  23. ^ Данн Л., Рахманто Ю., Ричардсон Д. (2007). «Поглощение железа и метаболизм в новом тысячелетии». Тенденции клеточной биологии . 17 (2): 93–100. дои : 10.1016/j.tcb.2006.12.003 . ПМИД   17194590 .
  24. ^ Кракан, Валентин; Банерджи, Рума (2013). «Транспорт и биохимия кобальта и корриноидов». В Банки, Люсия (ред.). Металломика и клетка . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 12. Спрингер. стр. 333–74. дои : 10.1007/978-94-007-5561-1_10 . ISBN  978-94-007-5560-4 . ПМИД   23595677 . электронная книга ISBN   978-94-007-5561-1 ISSN   1559-0836 электронный- ISSN   1868-0402
  25. ^ Марет, Вольфганг; Мулис, Жан-Марк (2013). «Глава 1. Бионеорганическая химия кадмия в контексте его токсичности». В Астрид Сигель, Хельмут Сигель и Роланд К.О. Сигель (ред.). Кадмий: от токсикологии к эссенциальности . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 11. Спрингер. стр. 1–30.

Литература

[ редактировать ]
  • Хайнц-Бернхард Краатц (редактор), Нильс Метцлер-Нольте (редактор), « Концепции и модели в биоинорганической химии» , «Джон Уайли и сыновья», 2006 г., ISBN   3-527-31305-2
  • Ивано Бертини, Гарри Б. Грей, Эдвард И. Стифель, Джоан Селверстоун Валентайн, Биологическая неорганическая химия , Университетские научные книги, 2007, ISBN   1-891389-43-2
  • Вольфганг Кайм, Бриджит Шведерски «Бионеорганическая химия: неорганические элементы в химии жизни». Джон Уайли и сыновья, 1994 г., ISBN   0-471-94369-X
  • Розетт М. Роат-Мэлоун, Биоинорганическая химия: краткий курс , Wiley-Interscience , 2002, ISBN   0-471-15976-X
  • Дж. Дж. Р. Фраусто да Силва и Р. Дж. П. Уильямс, Биологическая химия элементов: неорганическая химия жизни , 2-е издание, Oxford University Press , 2001, ISBN   0-19-850848-4
  • Лоуренс Кью-младший, редактор, Физические методы в бионеорганической химии , University Science Books, 2000, ISBN   1-891389-02-5
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 82e30ad9eb71a9345e6a6af10c0fc6b4__1717779360
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/82/b4/82e30ad9eb71a9345e6a6af10c0fc6b4.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Bioinorganic chemistry - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)