Биоинорганическая химия - Bioinorganic chemistry

Для журнала см. Биоинорганическая химия (журнал).

Биоинорганическая химия это область, которая исследует роль металлы в биология. Биоинорганическая химия включает изучение обоих природных явлений, таких как поведение металлопротеины а также искусственно внесенные металлы, в том числе несущественный, в лекарство и токсикология. Много биологические процессы Такие как дыхание зависят от молекул, которые попадают в сферу неорганическая химия. Дисциплина также включает изучение неорганических моделей или имитаторов, имитирующих поведение металлопротеинов.[1]

Как смесь биохимия и неорганическая химия, биоинорганическая химия важна для выяснения последствий переноса электронов. белки, связывание и активация субстрата, химия переноса атомов и групп, а также свойства металлов в биологической химии.

Состав живых организмов

Около 99% млекопитающие 'масса элементы углерод, азот, кальций, натрий, хлор, калий, водород, фосфор, кислород и сера.[2] В органические соединения (белки, липиды и углеводы ) содержат большую часть углерода и азота, а большая часть кислорода и водорода присутствует в виде воды.[2] Вся коллекция металлосодержащих биомолекулы в клетка называется металлом.

История

Пол Эрлих использовал органо-мышьяк («Мышьяки») для лечения сифилис, демонстрируя важность металлов или, по крайней мере, металлоидов для медицины, которая расцвела с открытием Розенбергом противораковой активности цисплатин (цис-PtCl2(NH3)2). Первый когда-либо кристаллизованный белок (см. Джеймс Б. Самнер ) был уреаза, позже было показано, что он содержит никель в активный сайт. Витамин B12, лекарство от злокачественная анемия кристаллографически показано Дороти Кроуфут Ходжкин состоять из кобальта в Коррин макроцикл. Структура Уотсона-Крика для ДНК продемонстрировали ключевую структурную роль фосфатсодержащих полимеров.

Темы по биоинорганической химии

В биоинорганической химии можно выделить несколько различных систем. Основные направления включают:

Транспорт и хранение ионов металлов

Разнообразная коллекция транспортеры (например, ионный насос NaKATPase ), вакуоли, место хранения 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.

Энзимология

Во многих реакциях в науках о жизни участвует вода, и ионы металлов часто находятся в каталитических центрах (активных центрах) этих ферментов, т.е. металлопротеины. Часто реагирующая вода является лигандом (см. металл aquo комплекс ). Примеры гидролаза ферменты карбоангидраза, металлофосфатазы, и металлопротеиназы. Химики-биоинорганики стремятся понять и воспроизвести функцию этих металлопротеинов.

Также распространены металл-содержащие белки переноса электрона. Их можно разделить на три основных класса: железо-серные белки (Такие как рубредоксины, ферредоксины, и Белки Риске ), синий белки меди, и цитохромы. Эти белки переноса электронов комплементарны переносчикам электронов неметаллов. никотинамид аденин динуклеотид (НАД) и флавинаденин динуклеотид (FAD). В азотный цикл широко используют металлы для окислительно-восстановительных преобразований.

Кластеры 4Fe-4S служат в белках как электронные реле.

Токсичность

Ионы некоторых металлов токсичны для человека и других животных. Рассмотрена биоинорганическая химия свинца с точки зрения его токсичности.[3]

Транспорт кислорода и белки активации

Основная статья: Кислородный комплекс переходных металлов

В аэробной жизни широко используются такие металлы, как железо, медь и марганец. Гем используется красные кровяные тельца в виде гемоглобин для переноса кислорода и, пожалуй, самая известная металлическая система в биологии. Другие системы транспортировки кислорода включают миоглобин, гемоцианин, и гемеритрин. Оксидазы и оксигеназы Металлические системы, встречающиеся в природе, которые используют кислород для проведения важных реакций, таких как выработка энергии в цитохром с оксидаза или низкомолекулярное окисление в оксидазы цитохрома P450 или же метанмонооксигеназа. Некоторые металлопротеины предназначены для защиты биологической системы от потенциально вредного воздействия кислорода и других реактивных кислородсодержащих молекул, таких как пероксид водорода. Эти системы включают пероксидазы, каталазы, и супероксиддисмутазы. Дополнительным металлопротеином к тем, которые реагируют с кислородом, является кислород выделяющий комплекс присутствует в растениях. Эта система является частью сложного белкового механизма, который производит кислород как растения выполняют фотосинтез.

Миоглобин - важный объект в биоинорганической химии, с особым вниманием к комплексу железо-гем, который прикреплен к белку.

Биоорганометаллическая химия

Биоорганометаллический 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 химия окружающей среды.[4]

Структура FeMoco, каталитический центр нитрогеназы.

Металлы в медицине

Основная статья: 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. Контрастное вещество для МРТ обычно содержат гадолиний. Карбонат лития использовался для лечения маниакальной фазы биполярного расстройства. Золотые противоартритные препараты, например ауранофин были коммерциализированы. Молекулы, выделяющие окись углерода Комплексы металлов были разработаны для подавления воспаления за счет выделения небольших количеств окиси углерода. В сердечно-сосудистый и нейронный Важность оксид азота был исследован, в том числе фермент синтаза оксида азота. (Смотрите также: ассимиляция азота.) Кроме того, металлические переходные комплексы на основе триазолопиримидинов протестированы против нескольких штаммов паразитов.[5]

Экологическая химия

Основная статья: Экологическая химия

Химия окружающей среды традиционно подчеркивает взаимодействие тяжелых металлов с организмами. Метилртуть вызвал крупную катастрофу, названную Болезнь Минамата. Отравление мышьяком является широко распространенной проблемой, во многом из-за загрязнение подземных вод мышьяком, от которой страдают многие миллионы людей в развивающихся странах. Метаболизм соединений, содержащих ртуть и мышьяк, включает: кобаламин ферменты на основе.

Биоминерализация

Основная статья: Биоминерализация

Биоминерализация - это процесс, при котором живые организмы производят минералы, часто для придания жесткости существующим тканям. Такие ткани называются минерализованные ткани.[6][7][8] Примеры включают силикаты в водоросли и диатомеи, карбонаты в беспозвоночные, и фосфаты кальция и карбонаты в позвоночные. Другие примеры включают медь, утюг и золото отложения с участием бактерий. Биологически сформированные минералы часто используются в специальных целях, таких как магнитные датчики в магнитотактические бактерии (Fe3О4), гравитационные датчики (CaCO3, CaSO4, BaSO4) и хранение и мобилизация железа (Fe2О3•ЧАС2O в белке ферритин ). Поскольку внеклеточный[9] железо сильно влияет на кальцификацию,[10][11] его контроль важен при разработке скорлупы; белок ферритин играет важную роль в контроле распределения железа.[12]

Типы неорганических веществ в биологии

Щелочные и щелочноземельные металлы

Как и многие антибиотики, моненсин -A - ионофор, который прочно связывает Na+ (показаны желтым цветом).[13]

Обильные неорганические элементы действуют как ионный электролиты. Наиболее важные ионы: натрий, калий, кальций, магний, хлористый, фосфат, и бикарбонат. Поддержание точных градиенты через клеточные мембраны поддерживает осмотическое давление и pH.[14] Ионы также важны для нервы и мышцы, так как потенциалы действия в этих тканях производятся обменом электролитов между внеклеточной жидкости и цитозоль.[15] Электролиты входят в клетки и покидают их через белки в клеточной мембране, называемые ионные каналы. Например, сокращение мышц зависит от движения кальция, натрия и калия по ионным каналам в клеточной мембране и Т-канальцы.[16]

Переходные металлы

В переходные металлы обычно присутствуют как микроэлементы в организмах, с цинк и утюг быть самым многочисленным.[17][18][19] Эти металлы используются как белок кофакторы и сигнальные молекулы. Многие из них необходимы для активности ферментов, таких как каталаза и белки-переносчики кислорода, такие как гемоглобин.[20] 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 микроэлементы попадают в организм с помощью определенных переносчиков и связываются с запасными белками, такими как ферритин или же металлотионеин когда не используется.[21][22] Кобальт необходим для функционирования витамин B12.[23]

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 сложные эфиры. Сера существует в различных степенях окисления, начиная от сульфата (SO42−) вплоть до сульфида (S2−). Селен - это микроэлемент, входящий в состав белков, являющихся антиоксидантами. Кадмий важен из-за его токсичности.[24]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Стивен Дж. Липпард, Джереми М. Берг, Принципы биоинорганической химии, University Science Books, 1994, ISBN  0-935702-72-5
  2. ^ 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, ч. 1): E190–8. Дои:10.1152 / ajpendo.1991.261.2.E190. PMID  1872381.
  3. ^ Марет, Вольфганг (2017). «Глава 1. Биоинорганическая химия свинца в контексте его токсичности». В Astrid, S .; Helmut, S .; Сигель, Р. К. О. (ред.). Свинец: его влияние на окружающую среду и здоровье. Ионы металлов в науках о жизни. 17. де Грюйтер. С. 1–20. Дои:10.1515/9783110434330-001. ISBN  9783110434330. PMID  28731294.
  4. ^ Sigel, A .; Sigel, H .; Сигель Р.К.О., 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.
  5. ^ 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] пиримидина Cu (II)». Журнал неорганической биохимии. 180: 26–32. Дои:10.1016 / j.jinorgbio.2017.11.027. PMID  29227923.
  6. ^ 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.
  7. ^ Вайнер, Стивен; Ловенштам, Хайнц А. (1989). О биоминерализации. Оксфорд [Оксфордшир]: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-504977-0.
  8. ^ Жан-Пьер Куиф; Яннике Дофин; Джеймс Э. Сорауф (2011). Биоминералы и окаменелости во времени. Кембридж. ISBN  978-0-521-87473-1.
  9. ^ Габбиани Г., Тухвебер Б. (1963). «Роль железа в механизме экспериментальной кальцификации». J Histochem Cytochem. 11 (6): 799–803. Дои:10.1177/11.6.799. Архивировано из оригинал на 2012-08-02.
  10. ^ Schulz, K .; Зондерван, И .; Gerringa, L .; Тиммерманс, К .; Veldhuis, M .; Рибезелл, У. (2004). «Влияние доступности следов металлов на кальцификацию кокколитофорид» (PDF). Природа. 430 (7000): 673–676. Bibcode:2004Натура.430..673С. Дои:10.1038 / природа02631. PMID  15295599.
  11. ^ Anghileri, L.J .; Maincent, P .; 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. PMID  8312724.
  12. ^ Джексон, Д. Дж .; Wörheide, G .; Дегнан, Б. М. (2007). «Динамическое выражение древних и новых генов раковин моллюсков во время экологических переходов». BMC Эволюционная биология. 7: 160. Дои:10.1186/1471-2148-7-160. ЧВК  2034539. PMID  17845714.
  13. ^ Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  978-0-08-037941-8.
  14. ^ 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.
  15. ^ Левитан I (1988). «Модуляция ионных каналов в нейронах и других клетках». Анну Рев Neurosci. 11: 119–36. Дои:10.1146 / annurev.ne.11.030188.001003. PMID  2452594.
  16. ^ Дулханти А (2006). «Связь возбуждения-сжатия из 1950-х годов в новое тысячелетие». Clin Exp Pharmacol Physiol. 33 (9): 763–72. Дои:10.1111 / j.1440-1681.2006.04441.x. PMID  16922804.
  17. ^ 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. Дои:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN  978-94-007-5560-4. ЧВК  3924584. PMID  23595675. электронная книга ISBN  978-94-007-5561-1 ISSN  1559-0836 электронный-ISSN  1868-0402
  18. ^ Махан Д., Шилдс Р. (1998). «Макро- и микроминеральный состав свиней от рождения до 145 кг массы тела». J Anim Sci. 76 (2): 506–12. Дои:10.2527 / 1998.762506x. PMID  9498359. Архивировано из оригинал на 30.04.2011.
  19. ^ Хустед С., Миккельсен Б., Йенсен Дж., Нильсен Н. (2004). «Элементный анализ отпечатков пальцев ячменя (Hordeum vulgare) с использованием масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, масс-спектрометрии изотопного отношения и многомерной статистики». Анальный Биоанал Химия. 378 (1): 171–82. Дои:10.1007 / s00216-003-2219-0. PMID  14551660.
  20. ^ Финни Л., О'Халлоран Т. (2003). «Переходные металлы в клетке: выводы из химии рецепторов ионов металлов». Наука. 300 (5621): 931–6. Bibcode:2003Наука ... 300..931F. Дои:10.1126 / science.1085049. PMID  12738850. S2CID  14863354.
  21. ^ Казинс Р., Льюцци Дж., Лихтен Л. (2006). «Транспортировка, незаконный оборот цинка млекопитающими и сигналы». J Biol Chem. 281 (34): 24085–9. Дои:10.1074 / jbc.R600011200. PMID  16793761.
  22. ^ Данн Л., Рахманто Ю., Ричардсон Д. (2007). «Поглощение и метаболизм железа в новом тысячелетии». Тенденции Cell Biol. 17 (2): 93–100. Дои:10.1016 / j.tcb.2006.12.003. PMID  17194590.
  23. ^ 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. Дои:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN  978-94-007-5560-4. PMID  23595677. электронная книга ISBN  978-94-007-5561-1 ISSN  1559-0836 электронный-ISSN  1868-0402
  24. ^ 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, Джон Уайли и сыновья, 2006 г., ISBN  3-527-31305-2
  • Ивано Бертини, Гарри Б. Грей, Эдвард И. Штифель, Джоан Селверстон Валентайн, Биологическая неорганическая химия, University Science Books, 2007 г., ISBN  1-891389-43-2
  • Вольфганг Кайм, Брижит 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
  • J.J.R. 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 Ку, младший, изд., Физические методы в биоинорганической химии, University Science Books, 2000 г., ISBN  1-891389-02-5

внешняя ссылка