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. [1]
Как сочетание биохимии и неорганической химии , биоинорганическая химия играет важную роль в выяснении значения 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. [2]
Состав живых организмов
Около 99% массы млекопитающих составляют элементы углерод , азот , кальций , натрий , хлор , калий , водород , фосфор , кислород и сера . [3] В органические соединения ( белки , липиды и углеводы ) содержат большую часть углерода и азота , и большинство из кислорода и водорода присутствует в воде. [3] Вся совокупность металлосодержащих 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 . Химики-биоинорганики стремятся понять и воспроизвести функцию этих металлопротеинов.
Также распространены металл-содержащие белки переноса электронов. 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.
Токсичность
Некоторые ионы металлов токсичны для человека и других животных. Рассмотрена биоинорганическая химия свинца с точки зрения его токсичности. [4]
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 - это 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 P450 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 реагируют с кислородом, является выделяющий кислород комплекс, присутствующий в растениях. Эта система является частью сложного белкового механизма, который производит кислород во время фотосинтеза растений .
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. Биоорганометаллические соединения играют важную роль в химии окружающей среды . [5]
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. [6]
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, с помощью которого живые организмы производят минералы , часто для того, чтобы укрепить или укрепить существующие ткани. Такие ткани называются минерализованными тканями . [7] [8] [9] Примеры включают силикаты в водорослях и диатомовых водорослях , карбонаты у беспозвоночных , а также 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 [10] железо сильно участвует в индукции кальцификации, [11] [12] его контроль важен для развития оболочек; белок ферритин играет важную роль в контроле распределения железа. [13]
Типы неорганических веществ в биологии
Щелочные и щелочноземельные металлы
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 . [15] Ионы также имеют решающее значение для нервов и мышц , поскольку потенциалы действия в этих тканях создаются за счет обмена электролитов между внеклеточной жидкостью и цитозолем . [16] 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 . [17]
Переходные металлы
Эти переходные металлы , как правило , присутствует в качестве микроэлементов в организмах, с цинком и железа является наиболее распространенным. [18] [19] [20] 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 . [21] 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. [22] [23] Кобальт необходим для функционирования витамина B12 . [24]
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. [25]
Смотрите также
- Физиология
- Кофактор
- Метаболизм железа
Рекомендации
- ^ Стивен Дж. Липпард, Джереми М. Берг, Принципы биоинорганической химии , Университетские научные книги, 1994, ISBN 0-935702-72-5
- ^ Гумерова, Надия И .; Ромпель, Аннетт (31 марта 2021 г.). «Переплетение дисциплин для развития химии: применение полиоксометаллатов в биологии» . Неорганическая химия : acs.inorgchem.1c00125. DOI : 10.1021 / acs.inorgchem.1c00125 . ISSN 0020-1669 .
- ^ а б Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). «Химический и элементный анализ человека in vivo с использованием улучшенных моделей состава тела». Американский журнал физиологии . 261 (2 Pt 1): E190–8. DOI : 10.1152 / ajpendo.1991.261.2.E190 . PMID 1872381 .
- ^ Марет, Вольфганг (2017). «Глава 1. Биоинорганическая химия свинца в контексте его токсичности». В Astrid, S .; Helmut, S .; Сигель, РКО (ред.). Свинец: его влияние на окружающую среду и здоровье . Ионы металлов в науках о жизни. 17 . де Грюйтер. С. 1–20. DOI : 10.1515 / 9783110434330-001 . ISBN 9783110434330. PMID 28731294 .
- ^ Sigel, A .; Sigel, H .; Сигель, РКО, ред. (2010). Металлоорганические соединения в окружающей среде и токсикологии . Ионы металлов в науках о жизни. 7 . Кембридж: Издательство RSC. ISBN 978-1-84755-177-1.
- ^ Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (Март 2018 г.). «In vitro лейшманицидная и трипаноцидная оценка и магнитные свойства комплексов 7-амино-1,2,4-триазоло [1,5-a] пиримидин Cu (II)». Журнал неорганической биохимии . 180 : 26–32. DOI : 10.1016 / j.jinorgbio.2017.11.027 . PMID 29227923 .
- ^ Астрид Сигель, Гельмут Сигель и Роланд К.О. Сигель, изд. (2008). Биоминерализация: от природы к применению . Ионы металлов в науках о жизни. 4 . Вайли. ISBN 978-0-470-03525-2.
- ^ Вайнер, Стивен; Ловенштам, Хайнц А. (1989). По биоминерализации . Оксфорд [Оксфордшир]: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-504977-0.
- ^ Жан-Пьер Куиф; 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. DOI : 10.1177 / 11.6.799 . Архивировано из оригинала на 2012-08-02.
- ^ Schulz, K .; Зондерван, И .; Gerringa, L .; Тиммерманс, К .; Veldhuis, M .; Рибезелл, У. (2004). «Влияние наличия следов металлов на кальцификацию кокколитофорид» (PDF) . Природа . 430 (7000): 673–676. Bibcode : 2004Natur.430..673S . DOI : 10,1038 / природа02631 . PMID 15295599 .
- ^ Ангилери, LJ; Maincent, P .; Кордова-Мартинес, А. (1993). «О механизме кальцификации мягких тканей, вызванной комплексным железом». Экспериментальная и токсикологическая патология . 45 (5–6): 365–368. DOI : 10.1016 / S0940-2993 (11) 80429-X . PMID 8312724 .
- ^ Джексон, диджей; Wörheide, G .; Дегнан, БМ (2007). «Динамическое выражение древних и новых генов раковины моллюсков во время экологических переходов» . BMC Evolutionary Biology . 7 : 160. DOI : 10.1186 / 1471-2148-7-160 . PMC 2034539 . PMID 17845714 .
- ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
- ^ Sychrová H (2004). «Дрожжи как модельный организм для изучения транспорта и гомеостаза катионов щелочных металлов» (PDF) . Physiol Res . 53 Дополнение 1: S91–8. PMID 15119939 .
- ^ Левитан I (1988). «Модуляция ионных каналов в нейронах и других клетках». Annu Rev Neurosci . 11 : 119–36. DOI : 10.1146 / annurev.ne.11.030188.001003 . PMID 2452594 .
- ^ Дулханти А (2006). «Связь возбуждения-сжатия из 1950-х годов в новое тысячелетие». Clin Exp Pharmacol Physiol . 33 (9): 763–72. DOI : 10.1111 / j.1440-1681.2006.04441.x . PMID 16922804 .
- ^ Dlouhy, Adrienne C .; Ауттен, Кэрин Э. (2013). «Глава 8 Металлом железа в эукариотических организмах». В Банчи, Лючия (ред.). Металломика и клетка . Ионы металлов в науках о жизни. 12 . Springer. С. 241–78. DOI : 10.1007 / 978-94-007-5561-1_8 . ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584 . PMID 23595675 . электронная книга ISBN 978-94-007-5561-1ISSN 1559-0836 электронный ISSN 1868-0402
- ^ Махан Д., Шилдс Р. (1998). «Макро- и микроминеральный состав свиней от рождения до 145 кг живой массы» . J Anim Sci . 76 (2): 506–12. DOI : 10.2527 / 1998.762506x . PMID 9498359 . Архивировано из оригинала на 2011-04-30.
- ^ Хустед С., Миккельсен Б., Йенсен Дж., Нильсен Н. (2004). «Элементный фингерпринт-анализ ячменя (Hordeum vulgare) с использованием масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, масс-спектрометрии изотопного отношения и многомерной статистики». Anal Bioanal Chem . 378 (1): 171–82. DOI : 10.1007 / s00216-003-2219-0 . PMID 14551660 .
- ^ Финни Л., О'Халлоран Т. (2003). «Переходные металлы в клетке: выводы из химии рецепторов ионов металлов». Наука . 300 (5621): 931–6. Bibcode : 2003Sci ... 300..931F . DOI : 10.1126 / science.1085049 . PMID 12738850 . S2CID 14863354 .
- ^ Казинс Р., Льюцци Дж., Лихтен Л. (2006). «Транспортировка цинка млекопитающими, незаконный оборот и сигналы» . J Biol Chem . 281 (34): 24085–9. DOI : 10.1074 / jbc.R600011200 . PMID 16793761 .
- ^ Данн Л., Рахманто Ю., Ричардсон Д. (2007). «Поглощение и метаболизм железа в новом тысячелетии». Trends Cell Biol . 17 (2): 93–100. DOI : 10.1016 / j.tcb.2006.12.003 . PMID 17194590 .
- ^ Кракан, Валентин; Банерджи, Рума (2013). «Глава 10 Транспорт и биохимия кобальта и корриноидов». В Банчи, Лючия (ред.). Металломика и клетка . Ионы металлов в науках о жизни. 12 . Springer. С. 333–74. DOI : 10.1007 / 978-94-007-5561-1_10 . ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677 . электронная книга ISBN 978-94-007-5561-1ISSN 1559-0836 электронный ISSN 1868-0402
- ^ Марет, Вольфганг; Мулис, Жан-Марк (2013). «Глава 1. Биоинорганическая химия кадмия в контексте его токсичности». В Астрид Сигель, Гельмут Сигель и Роланд К.О. Сигель (ред.). Кадмий: от токсикологии к сущности . Ионы металлов в науках о жизни. 11 . Springer. С. 1–30.
Литература
- Хайнц-Бернхард Краатц (редактор), Нильс Мецлер-Нольте (редактор), Концепции и модели в биоинорганической 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 Уайли 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
Внешние ссылки
- Домашняя страница Общества биологической неорганической химии (SBIC)
- Французское общество биоинорганической химии
- Глоссарий терминов по биоинорганической химии
- Металлические координационные группы в белках Марджори Хардинг
- Европейский институт биоинформатики
- MetalPDB: База данных сайтов металлов в биомолекулярных структурах