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 .
История
[ редактировать ]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.
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 .
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]
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 ]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 ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Стивен Дж. Липпард, Джереми М. Берг, Принципы бионеорганической химии , Университетские научные книги, 1994, ISBN 0-935702-72-5
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Вайнер, Стивен; Лоуэнстам, Хайнц А. (1989). О биоминерализации . Оксфорд [Оксфордшир]: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-504977-0 .
- ^ Жан-Пьер Кюиф; Яннике Дофин; Джеймс Э. Сорауф (2011). Биоминералы и окаменелости во времени . Кембридж. ISBN 978-0-521-87473-1 .
- ^ Габбиани Г., Тухвебер Б. (1963). «Роль железа в механизме экспериментальной кальцификации» . J Histochem Cytochem . 11 (6): 799–803. дои : 10.1177/11.6.799 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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
- ^ 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
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Домашняя страница Общества биологической неорганической химии (SBIC)
- Французское общество биоинорганической химии
- Словарь терминов бионеорганической химии
- Координационные группы металлов в белках Марджори Хардинг
- Европейский институт биоинформатики
- MetalPDB: база данных мест металлов в биомолекулярных структурах.