Бионеорганична химия - роли на металите в биологията, медицина и токсикология
Бионеорганичната химия изучава ролята на металите в биологията. Тя разглежда природни явления като структурата и поведението на металопротеините, участието на метални йони като кофактори в ензими и въздействието на изкуствено въведени метали в медицината и токсикологията. Много биологични процеси, например дишането, зависят от неорганични молекули и метални центрове. Бионеорганичната химия включва и изучаването на неорганични модели (мимики), които имитират начина на действие на металопротеините и така помага да се разберат реакционни механизми и функция.
Като междинна област между биохимия и неорганична химия, бионеорганичната химия изследва последиците за структурата и функцията на белтъците от наличието на метални центрове: ролята им в преноса на електрони (протеините за пренос на електрони), свързването и активирането на субстрата, химията на отделни атомите и функционалните групи, както и специфичните свойства на самите метали.
Основни биологични роли на металите
- Каталитична — много ензими изискват метални ко-фактори за катализа (например желязо и мед в оксидоредуктази).
- Транспорт и съхранение — желязото в хемоглобина и в миоглобина пренася и съхранява кислород.
- Електронен пренос — металите в цитохроми и желязосъсирни (Fe–S) центрове участват в дихателните вериги и фотосинтеза.
- Структурна — някои метали стабилизират третичната структура на белтъците (например цинкови „пръсти“ в белтъци, свързващи ДНК).
- Регулаторна — метали служат като сигнали и регулатори на клетъчни пътища (например калций като вторичен посредник).
Металопротеини и кофактори
В природата срещаме множество класове металопротеини: хемопротеини (хемоглобин, цитохроми), не-хемови металоензими (цинк-зависими протеази, мед-зависими оксидази), железосъсирни протеини и други. Металните йони често изменят електронната структура на активните центрове, позволяват свързване на диоксиген, активират вода или кислород и понижават енергетичните бариери на химични реакции.
Медицински приложения
- Метал-базирани лекарства — например платин-съдържащи съединения (като цисплатин) се използват в онкологията; изследват се и други метални комплекси с антимикробно или противовъзпалително действие.
- Диагностика и образна диагностика — контрастни агенти и радиофармацевтици често са метали или метални комплекси (например гадолиний за ЯМР контраст).
- Импланти и материали — титаниеви и други метални сплави използвани за импланти, където биосъвместимостта и корозионната устойчивост са критични.
Токсикология и околна среда
Някои метали са есенциални в ниски концентрации, но токсични при предозиране (например желязо, мед, цинк). Други, като олово, живак и арсен, са токсични дори при относително ниски нива и могат да причинят неврологични, бъбречни и други системни увреждания. Токсичността обикновено се дължи на неспецифично свързване към протеини и ензими, индукция на оксидативен стрес или нарушаване на метаболични пътища.
Механизми за хомеостаза и детоксикация
Клетките поддържат металния баланс чрез транспортни белтъци, локални депа и секаментални протеини като металотионеини, които свързват и неутрализират свободните йони. При интоксикация се прилагат хелаторни терапии, които изваждат токсичните метали чрез силно свързващи агенти.
Биомиметика и неорганични модели
Изследването на неорганични модели и синтезът на малки метални комплекси (биомимети) помагат да се разберат реакционните механизми на естествените метално-съдържащи ензими и да се разработят нови каталитични системи и лекарства. Тези модели често пресъздават геометрията, окислителните състояния и реактивността на активните центрове в природата.
Методи за изследване
Бионеорганичните изследвания използват голям набор аналитични методи: рентгенова кристалография за определяне на структура, спектроскопии (EPR, UV–Vis, IR, Raman), NMR, мас-спектрометрия, електрохимия и биохимични методи за изучаване на кинетика и механизми. Комбинацията от тези подходи дава пълна представа за функцията на металните центрове.
Практическо значение
Познаването на ролята на металите в биологията е ключово за разработване на по-безопасни материали, нови лекарства, диагностични методи и стратегии за лечение на метално обусловени отравяния. Бионеорганичната химия свързва фундаментални научни открития с клинични и екологични приложения, като непрекъснато разширява разбирането ни за това как металите поддържат живота и как могат да повлияят на здравето.
История
Пол Ерлих използва органоарсеник ("арсеник") за лечение на сифилис. Това показва значението на металите или поне на металоидите за медицината. След това Розенберг открива противораковата активност на цисплатина (cis-PtCl2 (NH )32 ). Първият кристализиран белтък в историята е уреазата. Тя има никел в активното си място. Витамин В12 , лекарството за пернициозна анемия, е показан чрез кристалография от Дороти Ходжкин, че има кобалтов атом в макроцикъл на корин. Структурата на Уотсън-Крик за ДНК демонстрира ключовата структурна роля, която играят фосфатсъдържащите полимери.
Области на изследване
Някои области на изследователски интерес са:
- Пренасяне и съхранение на метални йони: това обхваща разнообразна колекция от йонни канали, йонни помпи (напр. NaKATPase), вакуоли, сидерофори и други протеини и малки молекули, чиято цел е внимателно да контролират концентрацията на метални йони в клетката (понякога наричани металоем).
- Хидролазни ензими: те включват разнообразна колекция от протеини, които взаимодействат с вода и субстрати. Примери за този клас металопротеини са карбоанхидразата, металофосфатазите и металопротеиназите.
- Металосъдържащи протеини за пренос на електрони:
- желязо-сулфурни протеини, като например рубредоксини, фередоксини и протеини на Риске.
- сини медни протеини
- цитохроми
- Протеини за пренос и активиране на кислорода: те използват метали като желязо, мед и манган. Хемът се използва от червените кръвни клетки под формата на хемоглобин за пренос на кислород. Други системи за пренос на кислород включват миоглобин, хемоцианин и хемиметрин. Оксидазите и оксигеназите са метални системи, открити в природата, които се възползват от кислорода, за да извършват важни реакции, като например производство на енергия. Някои металопротеини са предназначени да предпазват биологичната система от потенциално вредното въздействие на кислорода и други реактивни кислородсъдържащи молекули, като например водороден пероксид. Металопротеин, допълващ тези, които реагират с кислорода, е хлорофилът, който е в основата на фотосинтезата. Хлорофилът е пигмент с въглероден пръстен, подобен на други порфиринови пигменти като хема. В центъра на хлориновия пръстен се намира магнезиев йон. Тази система е част от сложния белтъчен механизъм, който произвежда кислород, докато растенията извършват фотосинтеза.
- Биоорганично-метални системи като хидрогенази и метилкобаламин са биологични примери за органометални съединения. Тази област е по-фокусирана върху използването на метали от едноклетъчни организми. Биоорганометалните съединения са значими в химията на околната среда.
- Пътища на азотния метаболизъм: при тях се използват метали. Нитрогеназата е един от най-известните металопротеини, свързани с азотния метаболизъм. Напоследък се изследва значението на азотния оксид за сърдечносъдовата и невронната система, включително ензима азотен оксид синтаза. (Виж също: асимилация на азот.)
- Металите в медицината: това е изследване на дизайна и механизма на действие на лекарствени продукти, съдържащи метали, и на съединения, които взаимодействат с ендогенни метални йони в активните места на ензимите. Тази разнообразна област включва противораковите лекарства от платина и рутений, хелатиращите агенти, златните лекарствени шаперони и гадолиниевите контрастни вещества.
- В областта на психичното здраве: установено е, че някои неорганични съединения лекуват определени разстройства. Например, литиев карбонат се използва за лечение на мания при биполярно разстройство.
Още четене
- Heinz-Bernhard Kraatz (редактор), Nils Metzler-Nolte (редактор), Concepts and Models in Bioinorganic Chemistry, John Wiley and Sons, 2006 г., 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 "Бионеорганична химия: Неорганичните елементи в химията на живота." John Wiley and Sons, 1994, ISBN 0-471-94369-X
- Ивано Бертини, Хари Б. Грей, Стивън Д. Липард, Джоан Селвърстоун Валънтайн, "Бионеорганична химия", University Science Books, 1994 г., ISBN 0-935702-57-1
- Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, Principles of Bioinorganic Chemistry, University Science Books, 1994 г., ISBN 0-935702-72-5
- Розет М. Роат-Малоун, Бионеорганична химия: кратък курс, John Wiley & Sons|Wiley-Interscience, 2002 г., ISBN 0-471-15976-X
- J.J.R. Fraústo da Silva and R.J.P. Williams, The biological chemistry of the elements: Неорганичната химия на живота, второ издание, Oxford University Press, 2001 г., ISBN 0-19-850848-4
- Лорънс Куе, младши, физични методи в бионеорганичната химия, University Science Books, 2000 г., ISBN 1-891389-02-5
| Химия |
| Аналитична химия - Биохимия - Бионеорганична химия - Биоорганична химия - Биофизична химия - Химична биология - Химична физика - Химическо образование - Изчислителна химия - Електрохимия - Химия на околната среда - Зелена химия - Неорганична химия - Материалознание - Фармацевтична химия - Ядрена химия - Органична химия - Органометална химия - Фармация - Физична химия - Фотохимия - Полимерна химия - Химия на твърдото тяло - Супрамолекулярна химия - Теоретична химия - Термохимия - Мокра химия |
| Списък на биомолекулите - Списък на неорганичните съединения - Списък на органичните съединения - Периодична таблица |
Въпроси и отговори
В: Какво представлява бионеорганичната химия?
О: Бионеорганичната химия е изследване на ролята на металите в биологията, както и на природни явления като поведението на металопротеините и изкуствено въведените метали в медицината и токсикологията. Тя включва също така изучаване на неорганични модели или мимики, които имитират работата на металопротеините, което съчетава биохимията с неорганичната химия.
Въпрос: Кои биологични процеси зависят от някои неорганични молекули?
О: Много биологични процеси, като например дишането, зависят от някои неорганични молекули.
В: Какво включва изучаването на бионеорганичната химия?
О: Бионеорганичната химия включва изучаване на последиците за биологията на протеините за пренос на електрони, свързването и активирането на субстрати, химията на атомите и групите, както и свойствата на металите.
В: Как бионеорганичната химия съчетава биохимията с неорганичната химия?
О: Бионеорганичната химия съчетава биохимията с неорганичната химия, като изучава в органични модели или мимики, които имитират работата на металопротеините.
В: Какви са примерите за естествено срещащи се явления, изучавани от биоинформационните химици?
О: Примерите за естествено срещащи се явления, изучавани от биоинформационните химици, включват поведението на металопротеините и изкуствено въведените метали в медицината и токсикологията.
В: Какво общо имат белтъците за пренос на електрони с биоинорганичната химия?
О: Белтъците за пренос на електрони са един от аспектите, изучавани от биоинорганичната химия, заедно със свързването и активирането на субстрата, химията на атомите и групите, както и свойствата на металите.
