Biooorganisk kemi

För tidskriften, se Bioinorganic Chemistry (tidskrift) .

Biooorganisk kemi är ett område som undersöker metallers roll i biologin . Biooorganisk kemi inkluderar studiet av både naturfenomen såsom beteendet hos metalloproteiner såväl som artificiellt införda metaller, inklusive de som är icke-essentiella , inom medicin och toxikologi . Många biologiska processer såsom andning beror på molekyler som faller inom den oorganiska kemins område . Disciplinen inkluderar också studiet av oorganiska modeller eller härmar som imiterar beteendet hos metalloproteiner.

Som en blandning av biokemi och oorganisk kemi är biooorganisk kemi viktig för att belysa implikationerna av elektronöverföringsproteiner, substratbindningar och aktivering, atom- och gruppöverföringskemi samt metallegenskaper i biologisk kemi. En framgångsrik utveckling av verkligt tvärvetenskapligt arbete är nödvändigt för att främja biooorganisk kemi.

Sammansättning av levande organismer

Cirka 99% av däggdjurens massa är grundämnena kol , kväve , kalcium , natrium , klor , kalium , väte , fosfor , syre och svavel . De organiska föreningarna ( proteiner , lipider och kolhydrater ) innehåller majoriteten av kolet och kvävet och det mesta av syre och väte finns som vatten. Hela samlingen av metallinnehållande biomolekyler i en cell kallas metallomen .

Historia

Paul Ehrlich använde organoarsenik (“arsenika”) för behandling av syfilis , vilket visade på relevansen av metaller, eller åtminstone metalloider, för medicin, som blommade ut med Rosenbergs upptäckt av cisplatins anti-canceraktivitet ( cis-PtCl 2 (NH 3 ) ) 2 ). Det första proteinet som någonsin kristalliserades (se James B. Sumner ) var ureas , som senare visades innehålla nickel på sin aktiva plats . Vitamin B 12 , botemedlet mot perniciös anemi visades kristallografiskt av Dorothy Crowfoot Hodgkin bestå av en kobolt i en corrin- makrocykel. Watson-Crick-strukturen för DNA visade den nyckelstrukturella roll som fosfatinnehållande polymerer spelar.

Teman inom biooorganisk kemi

Flera distinkta system är identifierbara inom biooorganisk kemi. Huvudområden inkluderar:

Transport och lagring av metalljoner

En mångsidig samling av transportörer (t.ex. jonpumpen NaKATPase ), vakuoler , lagringsproteiner ( t.ex. ferritin ) och små molekyler (t.ex. sideroforer ) används för att kontrollera metalljonkoncentration och biotillgänglighet i levande organismer. Avgörande är att många essentiella metaller inte är lätt tillgängliga för nedströmsproteiner på grund av låg löslighet i vattenlösningar eller brist i den cellulära miljön. Organismer har utvecklat ett antal strategier för att samla in och transportera sådana ämnen samtidigt som de begränsar deras cytotoxicitet .

Enzymologi

Många reaktioner inom biovetenskap involverar vatten och metalljoner finns ofta i de katalytiska centra (aktiva platserna) för dessa enzymer, dvs dessa är metalloproteiner . Ofta är det reagerande vattnet en ligand (se metallaquo-komplex) . Exempel på hydrolasenzymer är kolsyraanhydras , metallofosfataser och metalloproteinaser . Biooorganiska kemister försöker förstå och replikera funktionen hos dessa metalloproteiner.

Metallinnehållande elektronöverföringsproteiner är också vanliga. De kan organiseras i tre stora klasser: järn-svavelproteiner (som rubredoxiner , ferredoxiner och Rieske-proteiner ), blå kopparproteiner och cytokromer . Dessa elektrontransportproteiner är komplementära till icke-metallelektrontransportörerna nikotinamidadenindinukleotid (NAD) och flavinadenindinukleotid (FAD). Kvävets kretslopp använder i stor utsträckning metaller för redoxinterkonversionerna.

4Fe-4S-kluster fungerar som elektronreläer i proteiner.

Giftighet

Flera metalljoner är giftiga för människor och andra djur. Blyets biooorganiska kemi i samband med dess toxicitet har granskats.

Syretransport och aktiveringsproteiner

Huvudartikel: Övergångsmetalldioxygenkomplex

Aerobt liv använder i stor utsträckning metaller som järn, koppar och mangan. Heme används av röda blodkroppar i form av hemoglobin för syretransport och är kanske det mest kända metallsystemet inom biologin. Andra syretransportsystem inkluderar myoglobin , hemocyanin och hemerytrin . Oxidaser och oxygenaser är metallsystem som finns i hela naturen som drar fördel av syre för att utföra viktiga reaktioner såsom energigenerering i cytokrom c-oxidas eller småmolekylers oxidation i cytokrom P450-oxidaser eller metanmonooxigenas . Vissa metalloproteiner är utformade för att skydda ett biologiskt system från de potentiellt skadliga effekterna av syre och andra reaktiva syreinnehållande molekyler som väteperoxid . Dessa system inkluderar peroxidaser , katalaser och superoxiddismutaser . Ett komplementärt metalloprotein till de som reagerar med syre är det syreevolverande komplex som finns i växter. Detta system är en del av det komplexa proteinmaskineriet som producerar syre när växter utför fotosyntes .

Myoglobin är ett framträdande ämne inom biooorganisk kemi, med särskild uppmärksamhet på järn-hemkomplexet som är förankrat till proteinet.

Bioorganometallisk kemi

Bioorganometalliska system har metall-kolbindningar som strukturella element eller som mellanprodukter. Bioorganometalliska enzymer och proteiner inkluderar hydrogenaserna , FeMoco i nitrogenas och metylkobalamin . Dessa naturligt förekommande metallorganiska föreningar . Detta område är mer fokuserat på encelliga organismers utnyttjande av metaller. Bioorganometalliska föreningar är viktiga i miljökemi .

Struktur av FeMoco , det katalytiska centret för nitrogenas.

Metaller i medicin

Huvudartikel: Metaller i medicin

Ett antal läkemedel innehåller metaller. Detta tema bygger på studiet av designen och verkningsmekanismen för metallinnehållande läkemedel och föreningar som interagerar med endogena metalljoner i enzymaktiva platser. Det mest använda läkemedlet mot cancer är cisplatin . MRT-kontrastmedel innehåller vanligtvis gadolinium . Litiumkarbonat har använts för att behandla den maniska fasen av bipolär sjukdom. Guld antiartritiska läkemedel, t.ex. auranofin har kommersialiserats. Kolmonoxidfrisättande molekyler är metallkomplex som har utvecklats för att undertrycka inflammation genom att frigöra små mängder kolmonoxid. Den kardiovaskulära och neuronala betydelsen av kväveoxid har undersökts, inklusive enzymet kväveoxidsyntas . (Se även: kväveassimilering .) Dessutom har metalliska övergångskomplex baserade på triazolopyrimidiner testats mot flera parasitstammar.

Miljökemi

Huvudartikel: Miljökemi

Miljökemi betonar traditionellt tungmetallers interaktion med organismer. Metylkvicksilver har orsakat en stor katastrof som kallas Minamatas sjukdom . Arsenikförgiftning är ett utbrett problem som till stor del beror på arsenikförorening av grundvatten, som drabbar många miljoner människor i utvecklingsländer. Omsättningen av kvicksilver- och arsenikhaltiga föreningar involverar kobalaminbaserade enzymer.

Biomineralisering

Huvudartikel: Biomineralisering

Biomineralisering är den process genom vilken levande organismer producerar mineraler , ofta för att härda eller förstyva befintliga vävnader. Sådana vävnader kallas mineraliserade vävnader . Exempel inkluderar silikater i alger och kiselalger , karbonater i ryggradslösa djur och kalciumfosfater och karbonater i ryggradsdjur . Andra exempel inkluderar koppar- , järn- och guldavlagringar som involverar bakterier. Biologiskt bildade mineraler har ofta speciella användningsområden såsom magnetiska sensorer i magnetotaktiska bakterier (Fe 3 O 4 ), gravitationsavkänningsanordningar (CaCO 3 , CaSO 4 , BaSO 4 ) och järnlagring och mobilisering (Fe 2 O 3 •H 2 O i proteinet ferritin ). Eftersom extracellulärt järn är starkt involverat i att framkalla förkalkning, är dess kontroll avgörande för att utveckla skal; proteinet ferritin spelar en viktig roll för att kontrollera fördelningen av järn.

Typer av oorganiska ämnen i biologi

Alkali- och jordalkalimetaller

Liksom många antibiotika är monensin -A en jonofor som tätt binder Na + (visas i gult).

De rikliga oorganiska elementen fungerar som joniska elektrolyter . De viktigaste jonerna är natrium , kalium , kalcium , magnesium , klorid , fosfat och bikarbonat . Upprätthållandet av exakta gradienter över cellmembran upprätthåller osmotiskt tryck och pH . Joner är också kritiska för nerver och muskler , eftersom aktionspotentialer i dessa vävnader produceras genom utbyte av elektrolyter mellan den extracellulära vätskan och cytosolen . Elektrolyter kommer in i och lämnar celler genom proteiner i cellmembranet som kallas jonkanaler . Till exempel muskelkontraktion på rörelsen av kalcium, natrium och kalium genom jonkanaler i cellmembranet och T-tubuli .

Övergångsmetaller

Övergångsmetallerna finns vanligtvis som spårämnen i organismer, där zink och järn är vanligast. Dessa metaller används som proteinkofaktorer och signalmolekyler. Många är viktiga för aktiviteten hos enzymer som katalas och syrebärarproteiner som hemoglobin . Dessa kofaktorer är tätt till ett specifikt protein; även om enzymkofaktorer kan modifieras under katalys, återgår kofaktorer alltid till sitt ursprungliga tillstånd efter att katalys har ägt rum. Metallmikronäringsämnena tas upp i organismer av specifika transportörer och binds till lagringsproteiner som ferritin eller metallothionein när de inte används. Kobolt är avgörande för att vitamin B12 ska fungera .

Huvudgruppsföreningar

Många andra grundämnen förutom metaller är bioaktiva. Svavel och fosfor krävs för allt liv. Fosfor finns nästan uteslutande som fosfat och dess olika estrar . Svavel finns i en mängd olika oxidationstillstånd, allt från sulfat (SO 4 2− ) ner till sulfid (S 2− ). Selen är ett spårämne involverat i proteiner som är antioxidanter. Kadmium är viktigt på grund av dess toxicitet.

Se även

Litteratur

  •   Heinz-Bernhard Kraatz (redaktör), Nils Metzler-Nolte (redaktör), Concepts and Models in Bioinorganic Chemistry , John Wiley and Sons, 2006, ISBN 3-527-31305-2
  •   Ivano Bertini, Harry B. Gray, Edward I. Stiefel, Joan Selverstone Valentine, Biological Inorganic Chemistry , University Science Books, 2007, ISBN 1-891389-43-2
  •   Wolfgang Kaim, Brigitte Schwederski "Bioinorganisk kemi: oorganiska element i livets kemi." John Wiley and Sons, 1994, ISBN 0-471-94369-X
  •   Rosette M. Roat-Malone, Bioinorganic Chemistry : A Short Course , Wiley-Interscience , 2002, ISBN 0-471-15976-X
  •   JJR Fraústo da Silva och RJP Williams, The biological chemistry of the elements: The inorganic chemistry of life , 2nd Edition, Oxford University Press , 2001, ISBN 0-19-850848-4
  •   Lawrence Que, Jr., red., Physical Methods in Bioinorganic Chemistry , University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Bioinorganic_chemistry&oldid=1084538517 "