Wiki FKKT - User contributions [en]

Bioorganokovinska kemija

2023-01-04T23:02:54Z

Jaka Prelog: /* V senzorskih proteinih */

''Povzeto po '''Bioorganometallic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioorganometallic_chemistry

'''Bioorganokovinska kemija''' proučuje biološko aktivne molekule, ki imajo ogljik neposredno vezan na kovino ali polkovino. Že dolgo vemo, kako pomembni so kovinski centri kovin glavnih skupin periodnega sistema in prehodnih elementov, pri delovanju encimov in drugih biomolekul. Vendar je le majhen delež kovinskih kompleksov, ki se pojavljajo v naravi ali pa so sintetično pripravljeni v farmacevtski industriji, ''organokovinskih''; to pomeni, da vsebujejo neposredno kovalentno vez med (pol)kovino in ogljikovim atomom. Prvi in edini primeri bioorganokovinskih spojin, ki so se pojavljali v naravi, so bili precej časa kobalaminski kofaktorji (vitamin B12) v različnih oblikah.[1] V 21. stoletju se je z odkritjem novih bioloških sistemov, ki vsebujejo vez med ogljikom in kovino, bioorganokovinska kemija začela hitro razvijati kot poddisciplina bioorganske kemije, ki se giblje med organokovinsko kemijo in biokemijo. Biorganokovinske spojine, ki se pojavljajo v naravi, vsebujejo encime in senzorske proteine. Med njih spadajo tudi sintetične organokovinske spojine, kot so npr. nova zdravila in kontrastna sredstva (tehntecijev-99m sestamibi), ki so prav tako tudi osnova toksikologije organokovinskih kompleksov (npr. metilirano živo srebro).[2][3]
Posledično je bioorganokovinska kemija vedno bolj pomembna v medicini in farmaciji.[4]

== V kofaktorjih in prostetičnih skupinah ==
Vitamin B12 je prevladujoča vrsta bioorganokovinskih spojin. Vitamin B12 je ime za skupek sorodnih encimskih kofaktorjev, med njimi jih precej vsebuje kobalt-alkilne vezi in so vključeni v biološke reakcije metilacije in 1,2-ogljikove premestitve. Še dolgo po tem, ko je Hodgkin leta 1955 odkril njegovo strukturo, je veljal za edini primer bioorganokovinskega sistema, ki se pojavlja v naravi.
Veliko bioorganokovinskih encimov sodeluje v reakcijah, v katerih je vključen ogljikov monoksid. Ogljikov monoksid dehidrogenaza (CODH) katalizira reakcije pretvorbe voda-plin, ki proizvaja CO (skozi nikelj karboksilatni intermediat) za biosintezo acetilkoencima A. Na ta zadnji korak vpliva Ni-Fe encim CO-metilirana acetil-CoA sintaza (ACS). CODH in ACS se velikokrat pojavljata skupaj v tetrameričnem kompleksu, kjer se CO prenese skozi tunel, metilna skupina pa pride iz metil kobaltamina.

Hidrogenaze so bioorganokovinske spojine, ki so iz vidika njihovih aktivnih mest, substituirane z Fe-CO substituenti, čeprav CO ligandi v reakcijah ne sodelujejo.[5] Hidrogenaze, ki vsebujejo le železo, imajo aktivno mesto Fe2(μ-SR)2(μ-CO)(CO)2(CN)2 povezano s klastrom 4Fe4S preko premostitvenega tiola. Aktivno mesto [NiFe]-hidrogenaz je opisano z (NC)2(OC)Fe(μ-SR)2Ni(SR)2 (kjer je SR cistein).[6] Hidrogenaze brez FeS imajo nedoločeno aktivno mesto, ki vsebuje Fe(CO)2 center.
Biosinteza metana (metanogeneza) v zadnjem koraku vključuje cepitev vezi nikelj-metil v kofaktorju F430.
Primer intersticijskega karbida z enoto Fe6C je železo-molibdenov kofaktor (FeMoco) encima nitrogenaze, ki ga najdemo v biologiji.[7][8]
Prvi primer naravno prisotne zvrsti aril-kovina je kleščast kompleks, ki vsebuje vez nikelj-aril. Odkrili so ga na aktivnem mestu laktatne racemaze.[9]

== V senzorskih proteinih ==
Nekateri proteini, ki vsebujejo [NiFe] lahko detektirajo H2 in tako regulirajo transkripcijo.
Proteini, ki vsebujejo baker lahko zaznajo eten, ki je znan kot hormon, ki povzroča zorenje sadja. Ta primer ilustrira esencialno vlogo organokovinske kemije v naravi, saj le redke molekule, poleg nizko valenčnih kompleksov kovin prehoda, reverzibilno vežejo alkene. Ciklopropeni inhibirajo zorenje z vezavo na bakrov(I) kovinski center. Vezava na baker je prav tako vpletena v voh olefinov pri sesalcih.[10]
Ogljikov monoksid se naravno pojavlja in je transkripcijski faktor, v obliki kompleksa s senzorskim proteinom, ki temelji na železovih porfirinih.

== V medicini ==
Organokovinske spojine, ki vsebujejo živo srebro (npr.tiomersal) in arzen (npr. salvarsan) imajo dolgo zgodovino uporabe v medicini, kot neselektivni antimikotiki pred razvojem modernih antibiotikov.
Titanocen diklorid kaže protirakavo delovanje, bis[(p-metoksibenzil)ciklopentadienil]titan(IV) diklorid (oz. titanocen Y) pa je trenutni kandidat za zdravljenje raka. Aromatski in ciklopentadienil kompleksi so kinetično inertne platforme za načrtovanje novih radiofarmacevtskih izdelkov.
Poleg tega so bile opravljene študije z uporabo eksogenih polsintetičnih ligandov; posebej za dopaminski prenašalec, pri čemer je posledično opazna povečana učinkovitost vedenja, ki spodbuja nagrajevanje (spodbujevalni izraz) in tvorbo navad, in sicer s spojino feniltropan. [η6-(2β-karbometoksi-3β-fenil)tropan]trikarbonilkromat.
Aktivno se preiskujejo tudi organokovinske spojine, ki sproščajo ogljikov monoksid, zaradi njegovega pomena kot prenašalca plinov.

== Toksikologija ==
Znotraj kraljestva bioorganokovinske kemije sodi tudi preučevanje usode sitnetičnih organokovinskih spojin. Tetraetil svinec je bil v zvezi s tem deležen precejšnje pozornosti, tako kot tudi njegovi nasledniki, npr. metilciklopentadienil mangan trikarbonil. Metil živo srebro je posebej razvpit primer, saj ta kation nastane z delovanjem encimov, povezanih z vitaminom B12, na živo srebro.

== Reference ==
1. White, John G.; Prosen, Richard J.; Kenneth N. Trueblood; Robertson, John H.; Pickworth, Jenny; Hodgkin, Dorothy Crowfoot (August 1955). "Structure of Vitamin B 12 : Structure of the Hexacarboxylic Acid derived from B 12 and the Molecular Structure of the Vitamin". ''Nature.'' '''176''' (4477): 325–328. Bibcode:1955Natur.176..325H (https://ui.adsabs.har vard.edu/abs/1955Natur.176..325H). doi:10.1038/176325a0 (https://doi.org/10.1038%2F176 325a0). ISSN 1476-4687 (https://www.worldcat.org/issn/1476-4687). PMID 13253565 (http s://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/13253565). S2CID 4220926 (https://api.semanticscholar.org/Co rpusID:4220926).

2. Sigel A, Sigel H, Sigel RK, eds. (2009). ''Metal-carbon bonds in enzymes and cofactors.''
Metal Ions in Life Sciences. Vol. 6. Royal Society of Chemistry. ISBN 978-1-84755-915-9.

3. Linck RC, Rauchfuss TB (2005). "Synthetic Models for Bioorganometallic Reaction Centers". In Jaouen G (ed.). ''Bioorganometallics: Biomolecules, Labeling, Medicine.'' Weinheim: Wiley-VCH. pp. 403–435. doi:10.1002/3527607692.ch12 (https://doi.org/10.100 2%2F3527607692.ch12). ISBN 978-3-527-30990-0.

4. ''Bioorganometallics : biomolecules, labeling, medicine.'' Jaouen, Gérard. Weinheim: Wiley-
VCH. 2006. ISBN 3527607692. OCLC 85821090 (https://www.worldcat.org/oclc/85821090).

5. Cammack R, Frey M, Robson R (2001). ''Hydrogen as a Fuel: Learning from Nature.'' London: Taylor & Francis. ISBN 978-0-415-24242-4.

6. Volbeda A, Fontecilla-Camps JC (2003). "The Active Site and Catalytic Mechanism of NiFe Hydrogenases". ''Dalton Transactions'' (21): 4030–4038. doi:10.1039/B304316A (https://doi.or g/10.1039%2FB304316A).

7. Spatzal T, Aksoyoglu M, Zhang L, Andrade SL, Schleicher E, Weber S, Rees DC, Einsle O (November 2011). "Evidence for interstitial carbon in nitrogenase FeMo cofactor" (https://ww w.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3268367). ''Science.'' '''334''' (6058): 940.
Bibcode:2011Sci...334..940S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2011Sci...334..940S).
doi:10.1126/science.1214025 (https://doi.org/10.1126%2Fscience.1214025). PMC 3268367 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3268367). PMID 22096190 (https://pubmed. ncbi.nlm.nih.gov/22096190).

8. Lancaster KM, Roemelt M, Ettenhuber P, Hu Y, Ribbe MW, Neese F, Bergmann U, DeBeer S (November 2011). "X-ray emission spectroscopy evidences a central carbon in the nitrogenase iron–molybdenum cofactor" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC380 0678). ''Science.'' '''334''' (6058): 974–7. Bibcode:2011Sci...334..974L (https://ui.adsabs.harvard. edu/abs/2011Sci...334..974L). doi:10.1126/science.1206445 (https://doi.org/10.1126%2Fsci ence.1206445). PMC 3800678 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3800678). PMID 22096198 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22096198).

9. Rankin, Joel A.; Mauban, Robert C.; Fellner, Matthias; Desguin, Benoît; McCracken, John; Hu, Jian; Varganov, Sergey A.; Hausinger, Robert P. (2018-06-12). "Lactate Racemase Nickel-Pincer Cofactor Operates by a Proton-Coupled Hydride Transfer Mechanism". ''Biochemistry.'' '''57''' (23): 3244–3251. doi:10.1021/acs.biochem.8b00100 (https://doi.org/10.102 1%2Facs.biochem.8b00100). ISSN 0006-2960 (https://www.worldcat.org/issn/0006-2960). OSTI 1502215 (https://www.osti.gov/biblio/1502215). PMID 29489337 (https://pubmed.ncbi. nlm.nih.gov/29489337).

10. Duan X, Block E, Li Z, Connelly T, Zhang J, Huang Z, et al. (February 2012). "Crucial role of copper in detection of metal-coordinating odorants" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/article s/PMC3295281). ''Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.'' '''109''' (9): 3492–7. Bibcode:2012PNAS..109.3492D (https://ui.adsabs.harvard.edu/a bs/2012PNAS..109.3492D). doi:10.1073/pnas.1111297109 (https://doi.org/10.1073%2Fpna s.1111297109). PMC 3295281 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3295281). PMID 22328155 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22328155).

Bioorganokovinska kemija

2023-01-04T23:01:48Z

Jaka Prelog: /* V kofaktorjih in prostetičnih skupinah */

''Povzeto po '''Bioorganometallic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioorganometallic_chemistry

'''Bioorganokovinska kemija''' proučuje biološko aktivne molekule, ki imajo ogljik neposredno vezan na kovino ali polkovino. Že dolgo vemo, kako pomembni so kovinski centri kovin glavnih skupin periodnega sistema in prehodnih elementov, pri delovanju encimov in drugih biomolekul. Vendar je le majhen delež kovinskih kompleksov, ki se pojavljajo v naravi ali pa so sintetično pripravljeni v farmacevtski industriji, ''organokovinskih''; to pomeni, da vsebujejo neposredno kovalentno vez med (pol)kovino in ogljikovim atomom. Prvi in edini primeri bioorganokovinskih spojin, ki so se pojavljali v naravi, so bili precej časa kobalaminski kofaktorji (vitamin B12) v različnih oblikah.[1] V 21. stoletju se je z odkritjem novih bioloških sistemov, ki vsebujejo vez med ogljikom in kovino, bioorganokovinska kemija začela hitro razvijati kot poddisciplina bioorganske kemije, ki se giblje med organokovinsko kemijo in biokemijo. Biorganokovinske spojine, ki se pojavljajo v naravi, vsebujejo encime in senzorske proteine. Med njih spadajo tudi sintetične organokovinske spojine, kot so npr. nova zdravila in kontrastna sredstva (tehntecijev-99m sestamibi), ki so prav tako tudi osnova toksikologije organokovinskih kompleksov (npr. metilirano živo srebro).[2][3]
Posledično je bioorganokovinska kemija vedno bolj pomembna v medicini in farmaciji.[4]

== V kofaktorjih in prostetičnih skupinah ==
Vitamin B12 je prevladujoča vrsta bioorganokovinskih spojin. Vitamin B12 je ime za skupek sorodnih encimskih kofaktorjev, med njimi jih precej vsebuje kobalt-alkilne vezi in so vključeni v biološke reakcije metilacije in 1,2-ogljikove premestitve. Še dolgo po tem, ko je Hodgkin leta 1955 odkril njegovo strukturo, je veljal za edini primer bioorganokovinskega sistema, ki se pojavlja v naravi.
Veliko bioorganokovinskih encimov sodeluje v reakcijah, v katerih je vključen ogljikov monoksid. Ogljikov monoksid dehidrogenaza (CODH) katalizira reakcije pretvorbe voda-plin, ki proizvaja CO (skozi nikelj karboksilatni intermediat) za biosintezo acetilkoencima A. Na ta zadnji korak vpliva Ni-Fe encim CO-metilirana acetil-CoA sintaza (ACS). CODH in ACS se velikokrat pojavljata skupaj v tetrameričnem kompleksu, kjer se CO prenese skozi tunel, metilna skupina pa pride iz metil kobaltamina.

Hidrogenaze so bioorganokovinske spojine, ki so iz vidika njihovih aktivnih mest, substituirane z Fe-CO substituenti, čeprav CO ligandi v reakcijah ne sodelujejo.[5] Hidrogenaze, ki vsebujejo le železo, imajo aktivno mesto Fe2(μ-SR)2(μ-CO)(CO)2(CN)2 povezano s klastrom 4Fe4S preko premostitvenega tiola. Aktivno mesto [NiFe]-hidrogenaz je opisano z (NC)2(OC)Fe(μ-SR)2Ni(SR)2 (kjer je SR cistein).[6] Hidrogenaze brez FeS imajo nedoločeno aktivno mesto, ki vsebuje Fe(CO)2 center.
Biosinteza metana (metanogeneza) v zadnjem koraku vključuje cepitev vezi nikelj-metil v kofaktorju F430.
Primer intersticijskega karbida z enoto Fe6C je železo-molibdenov kofaktor (FeMoco) encima nitrogenaze, ki ga najdemo v biologiji.[7][8]
Prvi primer naravno prisotne zvrsti aril-kovina je kleščast kompleks, ki vsebuje vez nikelj-aril. Odkrili so ga na aktivnem mestu laktatne racemaze.[9]

== V senzorskih proteinih ==
Nekateri proteini, ki vsebujejo [NiFe] lahko detektirajo H2 in tako regulirajo transkripcijo.
Proteini, ki vsebujejo baker lahko zaznajo eten, ki je znan kot hormon, ki povzroča zorenje sadja. Ta primer ilustrira esencialno vlogo organokovinske kemije v naravi, saj le redke molekule, poleg nizko valenčnih kompleksov kovin prehoda, reverzibilno vežejo alkene. Ciklopropeni inhibirajo zorenje z vezavo na bakrov(I) kovinski center. Vezava na baker je prav tako vpletena v voh olefinov pri sesalcih. [10]
Ogljikov monoksid se naravno pojavlja in je transkripcijski faktor, v obliki kompleksa s senzorskim proteinom, ki temelji na železovih porfirinih.

== V medicini ==
Organokovinske spojine, ki vsebujejo živo srebro (npr.tiomersal) in arzen (npr. salvarsan) imajo dolgo zgodovino uporabe v medicini, kot neselektivni antimikotiki pred razvojem modernih antibiotikov.
Titanocen diklorid kaže protirakavo delovanje, bis[(p-metoksibenzil)ciklopentadienil]titan(IV) diklorid (oz. titanocen Y) pa je trenutni kandidat za zdravljenje raka. Aromatski in ciklopentadienil kompleksi so kinetično inertne platforme za načrtovanje novih radiofarmacevtskih izdelkov.
Poleg tega so bile opravljene študije z uporabo eksogenih polsintetičnih ligandov; posebej za dopaminski prenašalec, pri čemer je posledično opazna povečana učinkovitost vedenja, ki spodbuja nagrajevanje (spodbujevalni izraz) in tvorbo navad, in sicer s spojino feniltropan. [η6-(2β-karbometoksi-3β-fenil)tropan]trikarbonilkromat.
Aktivno se preiskujejo tudi organokovinske spojine, ki sproščajo ogljikov monoksid, zaradi njegovega pomena kot prenašalca plinov.

== Toksikologija ==
Znotraj kraljestva bioorganokovinske kemije sodi tudi preučevanje usode sitnetičnih organokovinskih spojin. Tetraetil svinec je bil v zvezi s tem deležen precejšnje pozornosti, tako kot tudi njegovi nasledniki, npr. metilciklopentadienil mangan trikarbonil. Metil živo srebro je posebej razvpit primer, saj ta kation nastane z delovanjem encimov, povezanih z vitaminom B12, na živo srebro.

== Reference ==
1. White, John G.; Prosen, Richard J.; Kenneth N. Trueblood; Robertson, John H.; Pickworth, Jenny; Hodgkin, Dorothy Crowfoot (August 1955). "Structure of Vitamin B 12 : Structure of the Hexacarboxylic Acid derived from B 12 and the Molecular Structure of the Vitamin". ''Nature.'' '''176''' (4477): 325–328. Bibcode:1955Natur.176..325H (https://ui.adsabs.har vard.edu/abs/1955Natur.176..325H). doi:10.1038/176325a0 (https://doi.org/10.1038%2F176 325a0). ISSN 1476-4687 (https://www.worldcat.org/issn/1476-4687). PMID 13253565 (http s://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/13253565). S2CID 4220926 (https://api.semanticscholar.org/Co rpusID:4220926).

2. Sigel A, Sigel H, Sigel RK, eds. (2009). ''Metal-carbon bonds in enzymes and cofactors.''
Metal Ions in Life Sciences. Vol. 6. Royal Society of Chemistry. ISBN 978-1-84755-915-9.

3. Linck RC, Rauchfuss TB (2005). "Synthetic Models for Bioorganometallic Reaction Centers". In Jaouen G (ed.). ''Bioorganometallics: Biomolecules, Labeling, Medicine.'' Weinheim: Wiley-VCH. pp. 403–435. doi:10.1002/3527607692.ch12 (https://doi.org/10.100 2%2F3527607692.ch12). ISBN 978-3-527-30990-0.

4. ''Bioorganometallics : biomolecules, labeling, medicine.'' Jaouen, Gérard. Weinheim: Wiley-
VCH. 2006. ISBN 3527607692. OCLC 85821090 (https://www.worldcat.org/oclc/85821090).

5. Cammack R, Frey M, Robson R (2001). ''Hydrogen as a Fuel: Learning from Nature.'' London: Taylor & Francis. ISBN 978-0-415-24242-4.

6. Volbeda A, Fontecilla-Camps JC (2003). "The Active Site and Catalytic Mechanism of NiFe Hydrogenases". ''Dalton Transactions'' (21): 4030–4038. doi:10.1039/B304316A (https://doi.or g/10.1039%2FB304316A).

7. Spatzal T, Aksoyoglu M, Zhang L, Andrade SL, Schleicher E, Weber S, Rees DC, Einsle O (November 2011). "Evidence for interstitial carbon in nitrogenase FeMo cofactor" (https://ww w.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3268367). ''Science.'' '''334''' (6058): 940.
Bibcode:2011Sci...334..940S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2011Sci...334..940S).
doi:10.1126/science.1214025 (https://doi.org/10.1126%2Fscience.1214025). PMC 3268367 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3268367). PMID 22096190 (https://pubmed. ncbi.nlm.nih.gov/22096190).

8. Lancaster KM, Roemelt M, Ettenhuber P, Hu Y, Ribbe MW, Neese F, Bergmann U, DeBeer S (November 2011). "X-ray emission spectroscopy evidences a central carbon in the nitrogenase iron–molybdenum cofactor" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC380 0678). ''Science.'' '''334''' (6058): 974–7. Bibcode:2011Sci...334..974L (https://ui.adsabs.harvard. edu/abs/2011Sci...334..974L). doi:10.1126/science.1206445 (https://doi.org/10.1126%2Fsci ence.1206445). PMC 3800678 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3800678). PMID 22096198 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22096198).

9. Rankin, Joel A.; Mauban, Robert C.; Fellner, Matthias; Desguin, Benoît; McCracken, John; Hu, Jian; Varganov, Sergey A.; Hausinger, Robert P. (2018-06-12). "Lactate Racemase Nickel-Pincer Cofactor Operates by a Proton-Coupled Hydride Transfer Mechanism". ''Biochemistry.'' '''57''' (23): 3244–3251. doi:10.1021/acs.biochem.8b00100 (https://doi.org/10.102 1%2Facs.biochem.8b00100). ISSN 0006-2960 (https://www.worldcat.org/issn/0006-2960). OSTI 1502215 (https://www.osti.gov/biblio/1502215). PMID 29489337 (https://pubmed.ncbi. nlm.nih.gov/29489337).

10. Duan X, Block E, Li Z, Connelly T, Zhang J, Huang Z, et al. (February 2012). "Crucial role of copper in detection of metal-coordinating odorants" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/article s/PMC3295281). ''Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.'' '''109''' (9): 3492–7. Bibcode:2012PNAS..109.3492D (https://ui.adsabs.harvard.edu/a bs/2012PNAS..109.3492D). doi:10.1073/pnas.1111297109 (https://doi.org/10.1073%2Fpna s.1111297109). PMC 3295281 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3295281). PMID 22328155 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22328155).

Bioorganokovinska kemija

2023-01-04T22:58:13Z

Jaka Prelog:

''Povzeto po '''Bioorganometallic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioorganometallic_chemistry

'''Bioorganokovinska kemija''' proučuje biološko aktivne molekule, ki imajo ogljik neposredno vezan na kovino ali polkovino. Že dolgo vemo, kako pomembni so kovinski centri kovin glavnih skupin periodnega sistema in prehodnih elementov, pri delovanju encimov in drugih biomolekul. Vendar je le majhen delež kovinskih kompleksov, ki se pojavljajo v naravi ali pa so sintetično pripravljeni v farmacevtski industriji, ''organokovinskih''; to pomeni, da vsebujejo neposredno kovalentno vez med (pol)kovino in ogljikovim atomom. Prvi in edini primeri bioorganokovinskih spojin, ki so se pojavljali v naravi, so bili precej časa kobalaminski kofaktorji (vitamin B12) v različnih oblikah.[1] V 21. stoletju se je z odkritjem novih bioloških sistemov, ki vsebujejo vez med ogljikom in kovino, bioorganokovinska kemija začela hitro razvijati kot poddisciplina bioorganske kemije, ki se giblje med organokovinsko kemijo in biokemijo. Biorganokovinske spojine, ki se pojavljajo v naravi, vsebujejo encime in senzorske proteine. Med njih spadajo tudi sintetične organokovinske spojine, kot so npr. nova zdravila in kontrastna sredstva (tehntecijev-99m sestamibi), ki so prav tako tudi osnova toksikologije organokovinskih kompleksov (npr. metilirano živo srebro).[2][3]
Posledično je bioorganokovinska kemija vedno bolj pomembna v medicini in farmaciji.[4]

== V kofaktorjih in prostetičnih skupinah ==
Vitamin B12 je prevladujoča vrsta bioorganokovinskih spojin. Vitamin B12 je ime za skupek sorodnih encimskih kofaktorjev, med njimi jih precej vsebuje kobalt-alkilne vezi in so vključeni v biološke reakcije metilacije in 1,2-ogljikove premestitve. Še dolgo po tem, ko je Hodgkin leta 1955 odkril njegovo strukturo, je veljal za edini primer bioorganokovinskega sistema, ki se pojavlja v naravi.
Veliko bioorganokovinskih encimov sodeluje v reakcijah, v katerih je vključen ogljikov monoksid. Ogljikov monoksid dehidrogenaza (CODH) katalizira reakcije pretvorbe voda-plin, ki proizvaja CO (skozi nikelj karboksilatni intermediat) za biosintezo acetilkoencima A. Na ta zadnji korak vpliva Ni-Fe encim CO-metilirana acetil-CoA sintaza (ACS). CODH in ACS se velikokrat pojavljata skupaj v tetrameričnem kompleksu, kjer se CO prenese skozi tunel, metilna skupina pa pride iz metil kobaltamina.

Hidrogenaze so bioorganokovinske spojine, ki so iz vidika njihovih aktivnih mest, substituirane z Fe-CO substituenti, čeprav CO ligandi v reakcijah ne sodelujejo.[5] Hidrogenaze, ki vsebujejo le železo, imajo aktivno mesto Fe2(μ-SR)2(μ-CO)(CO)2(CN)2 povezano s klastrom 4Fe4S preko premostitvenega tiola. Aktivno mesto [NiFe]-hidrogenaz je opisano z (NC)2(OC)Fe(μ-SR)2Ni(SR)2 (kjer je SR cistein).[6] Hidrogenaze brez FeS imajo nedoločeno aktivno mesto, ki vsebuje Fe(CO)2 center.
Biosinteza metana (metanogeneza) v zadnjem koraku vključuje cepitev vezi nikelj-metil v kofaktorju F430.
Primer intersticijskega karbida z enoto Fe6C je železo-molibdenov kofaktor (FeMoco) encima nitrogenaze, ki ga najdemo v biologiji.[7][8]
Prvi primer naravno prisotne zvrsti aril-kovina je kleščast kompleks, ki vsebuje vez nikelj-aril. Odkrili so ga na aktivnem mestu laktatne racemaze.[9]

== V senzorskih proteinih ==
Nekateri proteini, ki vsebujejo [NiFe] lahko detektirajo H2 in tako regulirajo transkripcijo.
Proteini, ki vsebujejo baker lahko zaznajo eten, ki je znan kot hormon, ki povzroča zorenje sadja. Ta primer ilustrira esencialno vlogo organokovinske kemije v naravi, saj le redke molekule, poleg nizko valenčnih kompleksov kovin prehoda, reverzibilno vežejo alkene. Ciklopropeni inhibirajo zorenje z vezavo na bakrov(I) kovinski center. Vezava na baker je prav tako vpletena v voh olefinov pri sesalcih. [10]
Ogljikov monoksid se naravno pojavlja in je transkripcijski faktor, v obliki kompleksa s senzorskim proteinom, ki temelji na železovih porfirinih.

== V medicini ==
Organokovinske spojine, ki vsebujejo živo srebro (npr.tiomersal) in arzen (npr. salvarsan) imajo dolgo zgodovino uporabe v medicini, kot neselektivni antimikotiki pred razvojem modernih antibiotikov.
Titanocen diklorid kaže protirakavo delovanje, bis[(p-metoksibenzil)ciklopentadienil]titan(IV) diklorid (oz. titanocen Y) pa je trenutni kandidat za zdravljenje raka. Aromatski in ciklopentadienil kompleksi so kinetično inertne platforme za načrtovanje novih radiofarmacevtskih izdelkov.
Poleg tega so bile opravljene študije z uporabo eksogenih polsintetičnih ligandov; posebej za dopaminski prenašalec, pri čemer je posledično opazna povečana učinkovitost vedenja, ki spodbuja nagrajevanje (spodbujevalni izraz) in tvorbo navad, in sicer s spojino feniltropan. [η6-(2β-karbometoksi-3β-fenil)tropan]trikarbonilkromat.
Aktivno se preiskujejo tudi organokovinske spojine, ki sproščajo ogljikov monoksid, zaradi njegovega pomena kot prenašalca plinov.

== Toksikologija ==
Znotraj kraljestva bioorganokovinske kemije sodi tudi preučevanje usode sitnetičnih organokovinskih spojin. Tetraetil svinec je bil v zvezi s tem deležen precejšnje pozornosti, tako kot tudi njegovi nasledniki, npr. metilciklopentadienil mangan trikarbonil. Metil živo srebro je posebej razvpit primer, saj ta kation nastane z delovanjem encimov, povezanih z vitaminom B12, na živo srebro.

== Reference ==
1. White, John G.; Prosen, Richard J.; Kenneth N. Trueblood; Robertson, John H.; Pickworth, Jenny; Hodgkin, Dorothy Crowfoot (August 1955). "Structure of Vitamin B 12 : Structure of the Hexacarboxylic Acid derived from B 12 and the Molecular Structure of the Vitamin". ''Nature.'' '''176''' (4477): 325–328. Bibcode:1955Natur.176..325H (https://ui.adsabs.har vard.edu/abs/1955Natur.176..325H). doi:10.1038/176325a0 (https://doi.org/10.1038%2F176 325a0). ISSN 1476-4687 (https://www.worldcat.org/issn/1476-4687). PMID 13253565 (http s://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/13253565). S2CID 4220926 (https://api.semanticscholar.org/Co rpusID:4220926).

2. Sigel A, Sigel H, Sigel RK, eds. (2009). ''Metal-carbon bonds in enzymes and cofactors.''
Metal Ions in Life Sciences. Vol. 6. Royal Society of Chemistry. ISBN 978-1-84755-915-9.

3. Linck RC, Rauchfuss TB (2005). "Synthetic Models for Bioorganometallic Reaction Centers". In Jaouen G (ed.). ''Bioorganometallics: Biomolecules, Labeling, Medicine.'' Weinheim: Wiley-VCH. pp. 403–435. doi:10.1002/3527607692.ch12 (https://doi.org/10.100 2%2F3527607692.ch12). ISBN 978-3-527-30990-0.

4. ''Bioorganometallics : biomolecules, labeling, medicine.'' Jaouen, Gérard. Weinheim: Wiley-
VCH. 2006. ISBN 3527607692. OCLC 85821090 (https://www.worldcat.org/oclc/85821090).

5. Cammack R, Frey M, Robson R (2001). ''Hydrogen as a Fuel: Learning from Nature.'' London: Taylor & Francis. ISBN 978-0-415-24242-4.

6. Volbeda A, Fontecilla-Camps JC (2003). "The Active Site and Catalytic Mechanism of NiFe Hydrogenases". ''Dalton Transactions'' (21): 4030–4038. doi:10.1039/B304316A (https://doi.or g/10.1039%2FB304316A).

7. Spatzal T, Aksoyoglu M, Zhang L, Andrade SL, Schleicher E, Weber S, Rees DC, Einsle O (November 2011). "Evidence for interstitial carbon in nitrogenase FeMo cofactor" (https://ww w.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3268367). ''Science.'' '''334''' (6058): 940.
Bibcode:2011Sci...334..940S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2011Sci...334..940S).
doi:10.1126/science.1214025 (https://doi.org/10.1126%2Fscience.1214025). PMC 3268367 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3268367). PMID 22096190 (https://pubmed. ncbi.nlm.nih.gov/22096190).

8. Lancaster KM, Roemelt M, Ettenhuber P, Hu Y, Ribbe MW, Neese F, Bergmann U, DeBeer S (November 2011). "X-ray emission spectroscopy evidences a central carbon in the nitrogenase iron–molybdenum cofactor" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC380 0678). ''Science.'' '''334''' (6058): 974–7. Bibcode:2011Sci...334..974L (https://ui.adsabs.harvard. edu/abs/2011Sci...334..974L). doi:10.1126/science.1206445 (https://doi.org/10.1126%2Fsci ence.1206445). PMC 3800678 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3800678). PMID 22096198 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22096198).

9. Rankin, Joel A.; Mauban, Robert C.; Fellner, Matthias; Desguin, Benoît; McCracken, John; Hu, Jian; Varganov, Sergey A.; Hausinger, Robert P. (2018-06-12). "Lactate Racemase Nickel-Pincer Cofactor Operates by a Proton-Coupled Hydride Transfer Mechanism". ''Biochemistry.'' '''57''' (23): 3244–3251. doi:10.1021/acs.biochem.8b00100 (https://doi.org/10.102 1%2Facs.biochem.8b00100). ISSN 0006-2960 (https://www.worldcat.org/issn/0006-2960). OSTI 1502215 (https://www.osti.gov/biblio/1502215). PMID 29489337 (https://pubmed.ncbi. nlm.nih.gov/29489337).

10. Duan X, Block E, Li Z, Connelly T, Zhang J, Huang Z, et al. (February 2012). "Crucial role of copper in detection of metal-coordinating odorants" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/article s/PMC3295281). ''Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.'' '''109''' (9): 3492–7. Bibcode:2012PNAS..109.3492D (https://ui.adsabs.harvard.edu/a bs/2012PNAS..109.3492D). doi:10.1073/pnas.1111297109 (https://doi.org/10.1073%2Fpna s.1111297109). PMC 3295281 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3295281). PMID 22328155 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22328155).

Bioanorganska kemija

2023-01-04T22:55:21Z

Jaka Prelog: /* Spojine glavnih skupin periodnega sistema */

''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry

'''Bioanorganska kemija''' je področje, ki proučuje vlogo kovin v biologiji. Obravnava tako naravne pojave, kot je denimo obnašanje kovinskih proteinov oz. metaloproteinov, kot tudi umetno vnesene kovine, vključno s tistimi, ki niso bistvene v medicini in toksikologiji. Veliko bioloških procesov, kot je recimo dihanje, je odvisnih od molekul, ki jih uvrščamo v področje anorganske kemije. To področje raziskuje tudi anorganske modele oz. mimetike, ki oponašajo obnašanje metaloproteinov.[1]

Kot mešanica biokemije in anorganske kemije je bioanorganska kemija pomembna v pojasnjevanju udeležbe elektron-transfer proteinov, vezave substrata in njegove aktivacije, kemije prenosa atomov in skupin, kot tudi lastnosti kovin v biološki kemiji. Uspešen razvoj interdisciplinarnega dela je ključen za napredek bioanorgaske kemije.[2]

== Sestava živih organizmov ==
Približno 99 % mase sesalcev predstavljajo elementi ogljik, dušik, kalcij, natrij, klor, kalij, vodik, fosfor, kisik in žveplo. Organske spojine (proteini, lipidi in ogljikovi hidrati) večinoma vsebujejo ogljik in dušik, večina kisika in vodika pa je prisotna v obliki vode.[3] Celoten nabor kovin vsebujočih biomolekul v celici proučuje ''metalomika''.

== Zgodovina ==
Paul Ehrlich je uporabljal organoarzene (“arzenike”) za zdravljenje sifilisa, s čimer je pokazal pomembnost kovin oz. polkovin za medicino, ki se je razcvetela z Rosenbergovim odkritjem proti rakavega delovanja cisplatina (''cis''-PtCl2(NH3)2). Prvi protein, ki jim ga je uspelo kristalizrati, je bila ureaza, za katero se je kasneje izkazalo, da vsebuje nikelj kot aktivno mesto. Vitamin B12, zdravilo za perniciozno anemijo, je kristalografsko predstavila Dorothy Crowfoot Hodgkin. Kristalografsko je dokazala, da makrociklični corrin vsebuje kobalt. Watson-Crickova oblika DNA predstavlja ključno strukturno vlogo polimerov, ki vsebujejo fosfat.

== Teme v bioanorganski kemiji ==
V bioanorganski kemiji je mogoče prepoznati več različnih sistemov. Glavna področja so:

=== Transport in hramba kovinskih ionov ===
Raznovrsten nabor transportnih sredstev (npr. ionska črpalka Na+/K+ ATPaza), vakuole, shranjevalni proteini (npr. feritin) in majhne molekule (npr. sideroforji) so zadolženi za uravnavanje koncentracije kovinskih ionov in njihovo biodostopnost v živih organizmih. Ključno je, da mnogo esencialnih kovin ni zlahka dostopnih proteinom v končni fazi zaradi slabe topnosti v vodnih raztopinah oz. deficitarnega celičnega okolja. Organizmi so razvili različne strategije za zbiranje in transport teh elementov, poleg tega tudi omejijo njihovo citotoksičnost.

=== Encimatika ===
Številne reakcije v raznovrstnih vedah o življenju vključujejo vodo in kovinske ione, ki so pogosto v katalitskih centrih (tj. aktivnih mestih) encimov, kot so to npr. kovinski proteini. Voda, ki nastopa pri reakcijah, pogosto reagira kot ligand (kovinski akva kompleksi). Primeri encimov hidrolaz so ogljikove anhidraze, kovinske fosfataze in kovinske proteinaze. Bioanorganski kemiki si prizadevajo razumeti in reproducirati vlogo teh kovinskih proteinov.
Pogosti so tudi kovinski proteini, ki so sposobni prenašati elektrone. Lahko jih porazdelimo v tri večje razrede: železo-žveplovi proteini (kot so npr. rubredoksini, ferodoksini in Rieske protein), modri bakrovi proteini in citokromi. Ti proteini, ki prenašajo elektrone, so komplementarni nekovinskim elektronskim prenašalcem, kot sta npr. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) in flavin adenin dinukleotid (FAD). Tudi dušikov cikel v veliki meri uporablja kovine za medsebojne redoks pretvorbe.

''Slika 1:'' 4Fe-4S klastri kot prenašalci elektronov v proteinih. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/FdRedox.png/1024px-FdRedox.png]

=== Toksičnost ===
Nekateri kovinski ioni so strupeni za ljudi in mnoge živali. V povezavi s toksičnostjo svinca je bila pregledana bioanorganska kemija svinca.[4]

=== Transport kisika in aktivacija proteinov ===
Aerobno življenje izdatno uporablja kovine kot so železo, baker in mangan. Hem je v rdečih krvničkah v obliki hemoglobina za transport kisika in je morda najbolj prepoznaven kovinski sistem v biologiji. Drugi transporti kisika vključujejo mioglobin, hemocianin in hemeritrin. Oksidaze in oksigenaze so kovinski sistemi, ki jih najdemo po vsej naravi in izkoriščajo kisik za izvajanje pomembnih reakcij, kot je na primer proizvodnja energije v citokrom c oksidazi ali pa oksidacija majhnih molekul v citokrom P450 oksidazah oziroma metan monooksigenazi. Nekateri kovinski proteini so zasnovani za zaščito biološkega sistema pred potencialno škodljivimi vplivi kisika in drugih reaktivnih molekul, ki vsebujejo kisik, kot je recimo vodikov peroksid. Ti sistemi vključujejo peroksidaze, katalaze in superoksid dismutaze. Komplementarni kovinski protein je kompleks, ki je prisoten v rastlinah in sprošča kisik tam, kjer je kisik za potek reakcij potreben. Ta sistem je del kompleksnega proteinskega mehanizma, ki rastlinam služi za proizvodnjo kisika med fotosintezo.

=== Bioorganokovinska kemija ===
Bioorganokovinski sistemi so sistemi biološko aktivnih molekul, ki vsebujejo ogljik, vezan neposredno na kovino oz. polkovino. Vez kovina–ogljik lahko v sistemu nastopa kot strukturni element ali kot intermediat. Bioorganokovinski encimi in proteini vključujejo hidrogenaze, kofaktor FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze in metilkobalamin. To so primeri naravno prisotnih organokovinskih spojin. Področje bioorganokovinske kemije je pretežno osredotočeno na uporabo kovin s strani enoceličnih organizmov. Bioorganokovinske spojine so pomembne predvsem v kemiji okolja.[5]

''Slika 2:'' Mioglobin je pomembna tema v bioanorganski kemiji, z določeno pozornostjo na železo-hem kompleks, ki je zasidran na protein. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Myoglobin.png/800px-Myoglobin.png]

''Slika 3:'' Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/FeMoco_cluster.svg/800px-FeMoco_cluster.svg.png]

=== Kovine v medicini ===
Številna zdravila vsebujejo kovine. Ta tema se opira na preučevanje zasnove in mehanizma delovanja farmacevtskih izdelkov, ki vsebujejo kovine in spojin, ki medsebojno delujejo z endogenimi kovinskimi ioni na encimsko aktivnih mestih. Najbolj razširjeno zdravilo proti raku je cisplatin. Kontrastna sredstva za MRI običajno vsebujejo gadolinij. Litijev karbonat se uporablja za zdravljenje manične faze bipolarne motnje. Komercializirana protiartritična zdravila, ki vsebujejo zlato, npr. auranofin. CORMs (molekule, ki sproščajo ogljikov monoksid), so kovinski kompleksi, ki so bili razviti za zatiranje vnetja s sproščanjem majhnih količin ogljikovega monoksida. Preučen je bil kardiovaskularni in nevronski pomen dušikovega oksida, vključno z encimom NO sintaze. (Glejte tudi: asimilacija dušika.) Poleg tega so bili kovinski prehodni kompleksi na osnovi triazolopirimidinov testirani proti več sevom parazitov.[6]

=== Kemija okolja ===
Kemija okolja tradicionalno poudarja interakcijo težkih kovin z organizmi. Metilirano živo srebro je povzročilo veliko katastrofo, imenovano Minamatska bolezen. Zastrupitev z arzenom je zelo razširjena težava, predvsem zaradi onesnaženja podzemne vode z arzenom, ki prizadene več milijonov ljudi v državah v razvoju. Presnova spojin, ki vsebujejo živo srebro in arzen, vključuje encime na osnovi kobalamina.

=== Biomineralizacija ===
Biomineralizacija je proces, s katerim živi organizmi proizvajajo minerale, pogosto za trdnost ali utrjevanje obstoječih tkiv. Takšna tkiva imenujemo mineralizirana tkiva.[7][8][9] Primeri vključujejo silikate v kremenastih algah, karbonate v nevretenčarjih ter kalcijeve fosfate in karbonate v vretenčarjih. Drugi primeri vključujejo nahajališča bakra, železa in zlata, ki vsebujejo bakterije. Biološko oblikovani minerali imajo pogosto posebne namene, kot so magnetni senzorji v magnetotaktičnih bakterijah (Fe3O4), naprave za zaznavanje gravitacije (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ter shranjevanje in mobilizacija železa (Fe2O3•H2O v proteinu feritinu). Ker je zunajcelično[10] železo močno vključeno v indukcijo kalcifikacije[11][12], je njegov nadzor bistvenega pomena pri razvoju lupin; beljakovina feritin ima pomembno vlogo pri nadzoru porazdelitve železa.[13]

== Vrste anorganskih substanc v biologiji ==

=== Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine ===
Bogati anorganski elementi delujejo kot ionski elektroliti. Najpomembnejši ioni so natrij, kalij, kalcij, magnezij, klorid, fosfat in bikarbonat. Osmotski tlak in pH se ohranjata z vzdrževanjem natančnih gradientov čez celične membrane.[15] Ioni so ključni tudi za živce in mišice, saj akcijski potencial v teh tkivih nastane z izmenjavo elektrolitov med zunajcelično tekočino in citosolom.[16] Elektroliti vstopajo v celice in jih zapuščajo skozi beljakovine v celični membrani, imenovane ionski kanalčki. Na primer, krčenje mišic je odvisno od migracije kalcija, natrija in kalija skozi ionske kanalčke v celični membrani in T-tubulih.[17]

''Slika 4:'' Tako kot mnogi antibiotiki je tudi monenzin-A ionofor, ki tesno veže Na+ (na sliki prikazano rumeno).[14]
[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Monensin2.png]

=== Prehodne kovine ===
Prehodne kovine so v organizmih navadno prisotne kot elementi v sledovih za razliko od cinka in železa, ki ju je v organizmih največ.[18][19][20] Te kovine se uporabljajo kot proteinski kofaktorji in signalne molekule. Mnogi so nujni za delovanje encimov, kot je katalaza, in beljakovin, ki prenašajo kisik, kot je recimo hemoglobin.[21] Ti kofaktorji so tesno povezani s specifičnim proteinom. Čeprav se lahko encimski kofaktorji med katalizo spremenijo, se le ti vedno vrnejo v prvotno stanje po katalizi. Kovinska mikrohranila prevzamejo organizmi s posebnimi transporterji in se vežejo na skladiščne proteine, kot sta feritin ali metalotionein (MT), ko niso aktivni.[22][23] Kobalt je nujen za delovanje vitamina B12.[24]

=== Spojine glavnih skupin periodnega sistema ===
Mnogi drugi elementi poleg kovin so bioaktivni. Žveplo in fosfor nujno potrebujejo vsa živa bitja. Fosfor praktično izključno obstaja kot fosfat oz. v obliki njegovih različnih estrov. Žveplo obstaja v različnih oksidacijskih stanjih, od sulfata (SO42−) do sulfida (S2−). Selen je element v sledovih, ki pa pomembeno sodeluje pri beljakovinah, ki so antioksidanti. Kadmij je pomemben zaradi svoje toksičnosti.[25]

== Glej tudi ==
[[Fiziologija]]

[[Kofaktor]]

[[Metabolizem železa]]

== Reference ==
1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5

2. Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (2021-03-31). "Interweaving Disciplines to Advance Chemistry: Applying Polyoxometalates in Biology" (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inor gchem.1c00125). ''Inorganic Chemistry:'' acs.inorgchem.1c00125. doi:10.1021/acs.inorgchem.1c00125 (https://doi.org/10.1021%2Facs.inorgchem.1c00125). ISSN 0020-16 9 (https://www.worldcat.org/issn/0020-1669). PMC 8154434 (https://www.ncb i.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8154434).

3. Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models". ''American Journal of Physiology.'' '''261''' (2 Pt 1): E190–8. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 (https://doi.org/10.1152%2Fajpendo.1991.261.2.E19 0). PMID 18723 1 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1872381).

4. Maret, Wolfgang (2017). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity". In Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (eds.). ''Lead: Its Effects on Environment and Health.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20. doi:10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID 28731294.

5. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., eds. (2010). ''Organometallics in Environment and Toxicology.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.

6. Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (March 2018). "In vitro leishmanicidal and trypanocidal evaluation and magnetic properties of 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II) complexes". ''Journal of Inorganic Biochemistry.'' '''180''': 26–32. doi:10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID 29227923.

7. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, ed. (2008). ''Biomineralization: From Nature to Application.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.

8. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). ''On biomineralization.'' Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.

9. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). ''Biominerals and fossils through time.'' Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.

10. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". ''J Histochem Cytochem.'' '''11''' (6): 799–803. doi:10.1177/11.6.799. Archived from the original on 2012-08-02.

11. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification" (https://epic.awi.de/id/epri nt/13015/1/Sch2004bl.pdf) (PDF). ''Nature.'' '''430''' (7000): 673–676.
Bibcode:2004Natur.430..673S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Natur.430..673S).
doi:10.1038/nature02631 (https://doi.org/10.1038%2Fnature02631). PMID 15295599 (https:// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15295599).

12. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". ''Experimental and Toxicologic Pathology.'' '''45''' (5–6): 365–368. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X (https://doi.org/10.1016%2FS0940-2993%2 811%2980429-X). PMID 8312724 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8312724).

13. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pm c/articles/PMC2034539). ''BMC Evolutionary Biology.'' '''7''': 160. doi:10.1186/1471-2148-7-160 (https://doi.org/10.1186%2F1471-2148-7-160). PMC 2034539 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pmc/articles/PMC2034539). PMID 17845714 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17845714).

14. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). ''Chemistry of the Elements'' (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

15. Sychrová H (2004). "Yeast as a model organism to study transport and homeostasis of alkali metal cations" (http://www.biomed.cas.cz/physiolres/pdf/53%20Suppl%201/53_S91.pdf) (PDF). ''Physiol Res.'' 53 Suppl 1: S91–8. PMID 15119939 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1 5119939).

16. Levitan I (1988). "Modulation of ion channels in neurons and other cells". ''Annu Rev Neurosci.'' '''11''': 119–36. doi:10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 (https://doi.org/10.1146% 2Fannurev.ne.11.030188.001003). PMID 2452594 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/245259
4).

17. Dulhunty A (2006). "Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium". ''Clin Exp Pharmacol Physiol.'' '''33''' (9): 763–72. doi:10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID 16922804.

18. Dlouhy, Adrienne C.; Outten, Caryn E. (2013). "Chapter 8 The Iron Metallome in Eukaryotic Organisms". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 241–78. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584. PMID 23595675. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

19. Mahan D, Shields R (1998). "Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight". ''J Anim Sci.'' '''76''' (2): 506–12. doi:10.2527/1998.762506x. PMID 9498359. Archived from the original on 2011-04-30.

20. Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Elemental fingerprint analysis of barley (Hordeum vulgare) using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics". ''Anal Bioanal Chem.'' '''378''' (1): 171–82. doi:10.1007/s00216-003-2219-0. PMID 14551660.

21. Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". ''Science.'' '''300''' (5621): 931–6. Bibcode:2003Sci...300..931F. doi:10.1126/science.1085049. PMID 12738850. S2CID 14863354.

22. Cousins R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trafficking, and signals". ''J Biol Chem.'' '''281''' (34): 24085–9. doi:10.1074/jbc.R600011200. PMID 16793761.

23. Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Iron uptake and metabolism in the new millennium". ''Trends Cell Biol.'' '''17''' (2): 93–100. doi:10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID 17194590.

24. Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Chapter 10 Cobalt and Corrinoid Transport and Biochemistry". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 333–74. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

25. Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Cadmium in the Context of its Toxicity". In Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). ''Cadmium: From Toxicology to Essentiality.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 11. Springer. pp. 1–30.

== Literatura ==
- Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), ''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 "Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." 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

- J.J.R. Fraústo da Silva and R.J.P. 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., ed., ''Physical Methods in Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

== Zunanje povezave ==
> The Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC)'s: https://www.sbichem.org/

> The French Bioinorganic Chemistry Society: http://frenchbic.cnrs.fr/

> Glossary of Terms in Bioinorganic Chemistry: https://web.archive.org/web/20050204054913/http://www.chem.qmw.ac.uk/iupac/bioinorg/

> Metal Coordination Groups in Proteins by Marjorie Harding: https://web.archive.org/web/20140603015531/http://tanna.bch.ed.ac.uk/

> European Bioinformatics Institute: https://www.ebi.ac.uk/

> MetalPDB: A database of metal sites in biomolecular structures: https://metalpdb.cerm.unifi.it/

Bioanorganska kemija

2023-01-04T22:54:22Z

Jaka Prelog: /* Prehodne kovine */

''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry

'''Bioanorganska kemija''' je področje, ki proučuje vlogo kovin v biologiji. Obravnava tako naravne pojave, kot je denimo obnašanje kovinskih proteinov oz. metaloproteinov, kot tudi umetno vnesene kovine, vključno s tistimi, ki niso bistvene v medicini in toksikologiji. Veliko bioloških procesov, kot je recimo dihanje, je odvisnih od molekul, ki jih uvrščamo v področje anorganske kemije. To področje raziskuje tudi anorganske modele oz. mimetike, ki oponašajo obnašanje metaloproteinov.[1]

Kot mešanica biokemije in anorganske kemije je bioanorganska kemija pomembna v pojasnjevanju udeležbe elektron-transfer proteinov, vezave substrata in njegove aktivacije, kemije prenosa atomov in skupin, kot tudi lastnosti kovin v biološki kemiji. Uspešen razvoj interdisciplinarnega dela je ključen za napredek bioanorgaske kemije.[2]

== Sestava živih organizmov ==
Približno 99 % mase sesalcev predstavljajo elementi ogljik, dušik, kalcij, natrij, klor, kalij, vodik, fosfor, kisik in žveplo. Organske spojine (proteini, lipidi in ogljikovi hidrati) večinoma vsebujejo ogljik in dušik, večina kisika in vodika pa je prisotna v obliki vode.[3] Celoten nabor kovin vsebujočih biomolekul v celici proučuje ''metalomika''.

== Zgodovina ==
Paul Ehrlich je uporabljal organoarzene (“arzenike”) za zdravljenje sifilisa, s čimer je pokazal pomembnost kovin oz. polkovin za medicino, ki se je razcvetela z Rosenbergovim odkritjem proti rakavega delovanja cisplatina (''cis''-PtCl2(NH3)2). Prvi protein, ki jim ga je uspelo kristalizrati, je bila ureaza, za katero se je kasneje izkazalo, da vsebuje nikelj kot aktivno mesto. Vitamin B12, zdravilo za perniciozno anemijo, je kristalografsko predstavila Dorothy Crowfoot Hodgkin. Kristalografsko je dokazala, da makrociklični corrin vsebuje kobalt. Watson-Crickova oblika DNA predstavlja ključno strukturno vlogo polimerov, ki vsebujejo fosfat.

== Teme v bioanorganski kemiji ==
V bioanorganski kemiji je mogoče prepoznati več različnih sistemov. Glavna področja so:

=== Transport in hramba kovinskih ionov ===
Raznovrsten nabor transportnih sredstev (npr. ionska črpalka Na+/K+ ATPaza), vakuole, shranjevalni proteini (npr. feritin) in majhne molekule (npr. sideroforji) so zadolženi za uravnavanje koncentracije kovinskih ionov in njihovo biodostopnost v živih organizmih. Ključno je, da mnogo esencialnih kovin ni zlahka dostopnih proteinom v končni fazi zaradi slabe topnosti v vodnih raztopinah oz. deficitarnega celičnega okolja. Organizmi so razvili različne strategije za zbiranje in transport teh elementov, poleg tega tudi omejijo njihovo citotoksičnost.

=== Encimatika ===
Številne reakcije v raznovrstnih vedah o življenju vključujejo vodo in kovinske ione, ki so pogosto v katalitskih centrih (tj. aktivnih mestih) encimov, kot so to npr. kovinski proteini. Voda, ki nastopa pri reakcijah, pogosto reagira kot ligand (kovinski akva kompleksi). Primeri encimov hidrolaz so ogljikove anhidraze, kovinske fosfataze in kovinske proteinaze. Bioanorganski kemiki si prizadevajo razumeti in reproducirati vlogo teh kovinskih proteinov.
Pogosti so tudi kovinski proteini, ki so sposobni prenašati elektrone. Lahko jih porazdelimo v tri večje razrede: železo-žveplovi proteini (kot so npr. rubredoksini, ferodoksini in Rieske protein), modri bakrovi proteini in citokromi. Ti proteini, ki prenašajo elektrone, so komplementarni nekovinskim elektronskim prenašalcem, kot sta npr. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) in flavin adenin dinukleotid (FAD). Tudi dušikov cikel v veliki meri uporablja kovine za medsebojne redoks pretvorbe.

''Slika 1:'' 4Fe-4S klastri kot prenašalci elektronov v proteinih. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/FdRedox.png/1024px-FdRedox.png]

=== Toksičnost ===
Nekateri kovinski ioni so strupeni za ljudi in mnoge živali. V povezavi s toksičnostjo svinca je bila pregledana bioanorganska kemija svinca.[4]

=== Transport kisika in aktivacija proteinov ===
Aerobno življenje izdatno uporablja kovine kot so železo, baker in mangan. Hem je v rdečih krvničkah v obliki hemoglobina za transport kisika in je morda najbolj prepoznaven kovinski sistem v biologiji. Drugi transporti kisika vključujejo mioglobin, hemocianin in hemeritrin. Oksidaze in oksigenaze so kovinski sistemi, ki jih najdemo po vsej naravi in izkoriščajo kisik za izvajanje pomembnih reakcij, kot je na primer proizvodnja energije v citokrom c oksidazi ali pa oksidacija majhnih molekul v citokrom P450 oksidazah oziroma metan monooksigenazi. Nekateri kovinski proteini so zasnovani za zaščito biološkega sistema pred potencialno škodljivimi vplivi kisika in drugih reaktivnih molekul, ki vsebujejo kisik, kot je recimo vodikov peroksid. Ti sistemi vključujejo peroksidaze, katalaze in superoksid dismutaze. Komplementarni kovinski protein je kompleks, ki je prisoten v rastlinah in sprošča kisik tam, kjer je kisik za potek reakcij potreben. Ta sistem je del kompleksnega proteinskega mehanizma, ki rastlinam služi za proizvodnjo kisika med fotosintezo.

=== Bioorganokovinska kemija ===
Bioorganokovinski sistemi so sistemi biološko aktivnih molekul, ki vsebujejo ogljik, vezan neposredno na kovino oz. polkovino. Vez kovina–ogljik lahko v sistemu nastopa kot strukturni element ali kot intermediat. Bioorganokovinski encimi in proteini vključujejo hidrogenaze, kofaktor FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze in metilkobalamin. To so primeri naravno prisotnih organokovinskih spojin. Področje bioorganokovinske kemije je pretežno osredotočeno na uporabo kovin s strani enoceličnih organizmov. Bioorganokovinske spojine so pomembne predvsem v kemiji okolja.[5]

''Slika 2:'' Mioglobin je pomembna tema v bioanorganski kemiji, z določeno pozornostjo na železo-hem kompleks, ki je zasidran na protein. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Myoglobin.png/800px-Myoglobin.png]

''Slika 3:'' Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/FeMoco_cluster.svg/800px-FeMoco_cluster.svg.png]

=== Kovine v medicini ===
Številna zdravila vsebujejo kovine. Ta tema se opira na preučevanje zasnove in mehanizma delovanja farmacevtskih izdelkov, ki vsebujejo kovine in spojin, ki medsebojno delujejo z endogenimi kovinskimi ioni na encimsko aktivnih mestih. Najbolj razširjeno zdravilo proti raku je cisplatin. Kontrastna sredstva za MRI običajno vsebujejo gadolinij. Litijev karbonat se uporablja za zdravljenje manične faze bipolarne motnje. Komercializirana protiartritična zdravila, ki vsebujejo zlato, npr. auranofin. CORMs (molekule, ki sproščajo ogljikov monoksid), so kovinski kompleksi, ki so bili razviti za zatiranje vnetja s sproščanjem majhnih količin ogljikovega monoksida. Preučen je bil kardiovaskularni in nevronski pomen dušikovega oksida, vključno z encimom NO sintaze. (Glejte tudi: asimilacija dušika.) Poleg tega so bili kovinski prehodni kompleksi na osnovi triazolopirimidinov testirani proti več sevom parazitov.[6]

=== Kemija okolja ===
Kemija okolja tradicionalno poudarja interakcijo težkih kovin z organizmi. Metilirano živo srebro je povzročilo veliko katastrofo, imenovano Minamatska bolezen. Zastrupitev z arzenom je zelo razširjena težava, predvsem zaradi onesnaženja podzemne vode z arzenom, ki prizadene več milijonov ljudi v državah v razvoju. Presnova spojin, ki vsebujejo živo srebro in arzen, vključuje encime na osnovi kobalamina.

=== Biomineralizacija ===
Biomineralizacija je proces, s katerim živi organizmi proizvajajo minerale, pogosto za trdnost ali utrjevanje obstoječih tkiv. Takšna tkiva imenujemo mineralizirana tkiva.[7][8][9] Primeri vključujejo silikate v kremenastih algah, karbonate v nevretenčarjih ter kalcijeve fosfate in karbonate v vretenčarjih. Drugi primeri vključujejo nahajališča bakra, železa in zlata, ki vsebujejo bakterije. Biološko oblikovani minerali imajo pogosto posebne namene, kot so magnetni senzorji v magnetotaktičnih bakterijah (Fe3O4), naprave za zaznavanje gravitacije (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ter shranjevanje in mobilizacija železa (Fe2O3•H2O v proteinu feritinu). Ker je zunajcelično[10] železo močno vključeno v indukcijo kalcifikacije[11][12], je njegov nadzor bistvenega pomena pri razvoju lupin; beljakovina feritin ima pomembno vlogo pri nadzoru porazdelitve železa.[13]

== Vrste anorganskih substanc v biologiji ==

=== Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine ===
Bogati anorganski elementi delujejo kot ionski elektroliti. Najpomembnejši ioni so natrij, kalij, kalcij, magnezij, klorid, fosfat in bikarbonat. Osmotski tlak in pH se ohranjata z vzdrževanjem natančnih gradientov čez celične membrane.[15] Ioni so ključni tudi za živce in mišice, saj akcijski potencial v teh tkivih nastane z izmenjavo elektrolitov med zunajcelično tekočino in citosolom.[16] Elektroliti vstopajo v celice in jih zapuščajo skozi beljakovine v celični membrani, imenovane ionski kanalčki. Na primer, krčenje mišic je odvisno od migracije kalcija, natrija in kalija skozi ionske kanalčke v celični membrani in T-tubulih.[17]

''Slika 4:'' Tako kot mnogi antibiotiki je tudi monenzin-A ionofor, ki tesno veže Na+ (na sliki prikazano rumeno).[14]
[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Monensin2.png]

=== Prehodne kovine ===
Prehodne kovine so v organizmih navadno prisotne kot elementi v sledovih za razliko od cinka in železa, ki ju je v organizmih največ.[18][19][20] Te kovine se uporabljajo kot proteinski kofaktorji in signalne molekule. Mnogi so nujni za delovanje encimov, kot je katalaza, in beljakovin, ki prenašajo kisik, kot je recimo hemoglobin.[21] Ti kofaktorji so tesno povezani s specifičnim proteinom. Čeprav se lahko encimski kofaktorji med katalizo spremenijo, se le ti vedno vrnejo v prvotno stanje po katalizi. Kovinska mikrohranila prevzamejo organizmi s posebnimi transporterji in se vežejo na skladiščne proteine, kot sta feritin ali metalotionein (MT), ko niso aktivni.[22][23] Kobalt je nujen za delovanje vitamina B12.[24]

=== Spojine glavnih skupin periodnega sistema ===
Mnogi drugi elementi poleg kovin so bioaktivni. Žveplo in fosfor nujno potrebujejo vsa živa bitja. Fosfor praktično izključno obstaja kot fosfat oz. v obliki njegovih različnih estrov. Žveplo obstaja v različnih oksidacijskih stanjih, od sulfata (SO42−) do sulfida (S2−). Selen je element v sledovih, ki pa pomembeno sodeluje pri beljakovinah, ki so antioksidanti. Kadmij je pomemben zaradi svoje toksičnosti.[25]

== Glej tudi ==
[[Fiziologija]]

[[Kofaktor]]

[[Metabolizem železa]]

== Reference ==
1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5

2. Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (2021-03-31). "Interweaving Disciplines to Advance Chemistry: Applying Polyoxometalates in Biology" (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inor gchem.1c00125). ''Inorganic Chemistry:'' acs.inorgchem.1c00125. doi:10.1021/acs.inorgchem.1c00125 (https://doi.org/10.1021%2Facs.inorgchem.1c00125). ISSN 0020-16 9 (https://www.worldcat.org/issn/0020-1669). PMC 8154434 (https://www.ncb i.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8154434).

3. Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models". ''American Journal of Physiology.'' '''261''' (2 Pt 1): E190–8. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 (https://doi.org/10.1152%2Fajpendo.1991.261.2.E19 0). PMID 18723 1 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1872381).

4. Maret, Wolfgang (2017). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity". In Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (eds.). ''Lead: Its Effects on Environment and Health.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20. doi:10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID 28731294.

5. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., eds. (2010). ''Organometallics in Environment and Toxicology.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.

6. Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (March 2018). "In vitro leishmanicidal and trypanocidal evaluation and magnetic properties of 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II) complexes". ''Journal of Inorganic Biochemistry.'' '''180''': 26–32. doi:10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID 29227923.

7. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, ed. (2008). ''Biomineralization: From Nature to Application.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.

8. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). ''On biomineralization.'' Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.

9. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). ''Biominerals and fossils through time.'' Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.

10. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". ''J Histochem Cytochem.'' '''11''' (6): 799–803. doi:10.1177/11.6.799. Archived from the original on 2012-08-02.

11. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification" (https://epic.awi.de/id/epri nt/13015/1/Sch2004bl.pdf) (PDF). ''Nature.'' '''430''' (7000): 673–676.
Bibcode:2004Natur.430..673S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Natur.430..673S).
doi:10.1038/nature02631 (https://doi.org/10.1038%2Fnature02631). PMID 15295599 (https:// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15295599).

12. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". ''Experimental and Toxicologic Pathology.'' '''45''' (5–6): 365–368. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X (https://doi.org/10.1016%2FS0940-2993%2 811%2980429-X). PMID 8312724 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8312724).

13. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pm c/articles/PMC2034539). ''BMC Evolutionary Biology.'' '''7''': 160. doi:10.1186/1471-2148-7-160 (https://doi.org/10.1186%2F1471-2148-7-160). PMC 2034539 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pmc/articles/PMC2034539). PMID 17845714 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17845714).

14. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). ''Chemistry of the Elements'' (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

15. Sychrová H (2004). "Yeast as a model organism to study transport and homeostasis of alkali metal cations" (http://www.biomed.cas.cz/physiolres/pdf/53%20Suppl%201/53_S91.pdf) (PDF). ''Physiol Res.'' 53 Suppl 1: S91–8. PMID 15119939 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1 5119939).

16. Levitan I (1988). "Modulation of ion channels in neurons and other cells". ''Annu Rev Neurosci.'' '''11''': 119–36. doi:10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 (https://doi.org/10.1146% 2Fannurev.ne.11.030188.001003). PMID 2452594 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/245259
4).

17. Dulhunty A (2006). "Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium". ''Clin Exp Pharmacol Physiol.'' '''33''' (9): 763–72. doi:10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID 16922804.

18. Dlouhy, Adrienne C.; Outten, Caryn E. (2013). "Chapter 8 The Iron Metallome in Eukaryotic Organisms". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 241–78. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584. PMID 23595675. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

19. Mahan D, Shields R (1998). "Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight". ''J Anim Sci.'' '''76''' (2): 506–12. doi:10.2527/1998.762506x. PMID 9498359. Archived from the original on 2011-04-30.

20. Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Elemental fingerprint analysis of barley (Hordeum vulgare) using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics". ''Anal Bioanal Chem.'' '''378''' (1): 171–82. doi:10.1007/s00216-003-2219-0. PMID 14551660.

21. Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". ''Science.'' '''300''' (5621): 931–6. Bibcode:2003Sci...300..931F. doi:10.1126/science.1085049. PMID 12738850. S2CID 14863354.

22. Cousins R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trafficking, and signals". ''J Biol Chem.'' '''281''' (34): 24085–9. doi:10.1074/jbc.R600011200. PMID 16793761.

23. Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Iron uptake and metabolism in the new millennium". ''Trends Cell Biol.'' '''17''' (2): 93–100. doi:10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID 17194590.

24. Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Chapter 10 Cobalt and Corrinoid Transport and Biochemistry". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 333–74. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

25. Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Cadmium in the Context of its Toxicity". In Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). ''Cadmium: From Toxicology to Essentiality.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 11. Springer. pp. 1–30.

== Literatura ==
- Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), ''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 "Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." 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

- J.J.R. Fraústo da Silva and R.J.P. 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., ed., ''Physical Methods in Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

== Zunanje povezave ==
> The Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC)'s: https://www.sbichem.org/

> The French Bioinorganic Chemistry Society: http://frenchbic.cnrs.fr/

> Glossary of Terms in Bioinorganic Chemistry: https://web.archive.org/web/20050204054913/http://www.chem.qmw.ac.uk/iupac/bioinorg/

> Metal Coordination Groups in Proteins by Marjorie Harding: https://web.archive.org/web/20140603015531/http://tanna.bch.ed.ac.uk/

> European Bioinformatics Institute: https://www.ebi.ac.uk/

> MetalPDB: A database of metal sites in biomolecular structures: https://metalpdb.cerm.unifi.it/

Bioanorganska kemija

2023-01-04T22:53:28Z

Jaka Prelog: /* Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine */

''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry

'''Bioanorganska kemija''' je področje, ki proučuje vlogo kovin v biologiji. Obravnava tako naravne pojave, kot je denimo obnašanje kovinskih proteinov oz. metaloproteinov, kot tudi umetno vnesene kovine, vključno s tistimi, ki niso bistvene v medicini in toksikologiji. Veliko bioloških procesov, kot je recimo dihanje, je odvisnih od molekul, ki jih uvrščamo v področje anorganske kemije. To področje raziskuje tudi anorganske modele oz. mimetike, ki oponašajo obnašanje metaloproteinov.[1]

Kot mešanica biokemije in anorganske kemije je bioanorganska kemija pomembna v pojasnjevanju udeležbe elektron-transfer proteinov, vezave substrata in njegove aktivacije, kemije prenosa atomov in skupin, kot tudi lastnosti kovin v biološki kemiji. Uspešen razvoj interdisciplinarnega dela je ključen za napredek bioanorgaske kemije.[2]

== Sestava živih organizmov ==
Približno 99 % mase sesalcev predstavljajo elementi ogljik, dušik, kalcij, natrij, klor, kalij, vodik, fosfor, kisik in žveplo. Organske spojine (proteini, lipidi in ogljikovi hidrati) večinoma vsebujejo ogljik in dušik, večina kisika in vodika pa je prisotna v obliki vode.[3] Celoten nabor kovin vsebujočih biomolekul v celici proučuje ''metalomika''.

== Zgodovina ==
Paul Ehrlich je uporabljal organoarzene (“arzenike”) za zdravljenje sifilisa, s čimer je pokazal pomembnost kovin oz. polkovin za medicino, ki se je razcvetela z Rosenbergovim odkritjem proti rakavega delovanja cisplatina (''cis''-PtCl2(NH3)2). Prvi protein, ki jim ga je uspelo kristalizrati, je bila ureaza, za katero se je kasneje izkazalo, da vsebuje nikelj kot aktivno mesto. Vitamin B12, zdravilo za perniciozno anemijo, je kristalografsko predstavila Dorothy Crowfoot Hodgkin. Kristalografsko je dokazala, da makrociklični corrin vsebuje kobalt. Watson-Crickova oblika DNA predstavlja ključno strukturno vlogo polimerov, ki vsebujejo fosfat.

== Teme v bioanorganski kemiji ==
V bioanorganski kemiji je mogoče prepoznati več različnih sistemov. Glavna področja so:

=== Transport in hramba kovinskih ionov ===
Raznovrsten nabor transportnih sredstev (npr. ionska črpalka Na+/K+ ATPaza), vakuole, shranjevalni proteini (npr. feritin) in majhne molekule (npr. sideroforji) so zadolženi za uravnavanje koncentracije kovinskih ionov in njihovo biodostopnost v živih organizmih. Ključno je, da mnogo esencialnih kovin ni zlahka dostopnih proteinom v končni fazi zaradi slabe topnosti v vodnih raztopinah oz. deficitarnega celičnega okolja. Organizmi so razvili različne strategije za zbiranje in transport teh elementov, poleg tega tudi omejijo njihovo citotoksičnost.

=== Encimatika ===
Številne reakcije v raznovrstnih vedah o življenju vključujejo vodo in kovinske ione, ki so pogosto v katalitskih centrih (tj. aktivnih mestih) encimov, kot so to npr. kovinski proteini. Voda, ki nastopa pri reakcijah, pogosto reagira kot ligand (kovinski akva kompleksi). Primeri encimov hidrolaz so ogljikove anhidraze, kovinske fosfataze in kovinske proteinaze. Bioanorganski kemiki si prizadevajo razumeti in reproducirati vlogo teh kovinskih proteinov.
Pogosti so tudi kovinski proteini, ki so sposobni prenašati elektrone. Lahko jih porazdelimo v tri večje razrede: železo-žveplovi proteini (kot so npr. rubredoksini, ferodoksini in Rieske protein), modri bakrovi proteini in citokromi. Ti proteini, ki prenašajo elektrone, so komplementarni nekovinskim elektronskim prenašalcem, kot sta npr. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) in flavin adenin dinukleotid (FAD). Tudi dušikov cikel v veliki meri uporablja kovine za medsebojne redoks pretvorbe.

''Slika 1:'' 4Fe-4S klastri kot prenašalci elektronov v proteinih. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/FdRedox.png/1024px-FdRedox.png]

=== Toksičnost ===
Nekateri kovinski ioni so strupeni za ljudi in mnoge živali. V povezavi s toksičnostjo svinca je bila pregledana bioanorganska kemija svinca.[4]

=== Transport kisika in aktivacija proteinov ===
Aerobno življenje izdatno uporablja kovine kot so železo, baker in mangan. Hem je v rdečih krvničkah v obliki hemoglobina za transport kisika in je morda najbolj prepoznaven kovinski sistem v biologiji. Drugi transporti kisika vključujejo mioglobin, hemocianin in hemeritrin. Oksidaze in oksigenaze so kovinski sistemi, ki jih najdemo po vsej naravi in izkoriščajo kisik za izvajanje pomembnih reakcij, kot je na primer proizvodnja energije v citokrom c oksidazi ali pa oksidacija majhnih molekul v citokrom P450 oksidazah oziroma metan monooksigenazi. Nekateri kovinski proteini so zasnovani za zaščito biološkega sistema pred potencialno škodljivimi vplivi kisika in drugih reaktivnih molekul, ki vsebujejo kisik, kot je recimo vodikov peroksid. Ti sistemi vključujejo peroksidaze, katalaze in superoksid dismutaze. Komplementarni kovinski protein je kompleks, ki je prisoten v rastlinah in sprošča kisik tam, kjer je kisik za potek reakcij potreben. Ta sistem je del kompleksnega proteinskega mehanizma, ki rastlinam služi za proizvodnjo kisika med fotosintezo.

=== Bioorganokovinska kemija ===
Bioorganokovinski sistemi so sistemi biološko aktivnih molekul, ki vsebujejo ogljik, vezan neposredno na kovino oz. polkovino. Vez kovina–ogljik lahko v sistemu nastopa kot strukturni element ali kot intermediat. Bioorganokovinski encimi in proteini vključujejo hidrogenaze, kofaktor FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze in metilkobalamin. To so primeri naravno prisotnih organokovinskih spojin. Področje bioorganokovinske kemije je pretežno osredotočeno na uporabo kovin s strani enoceličnih organizmov. Bioorganokovinske spojine so pomembne predvsem v kemiji okolja.[5]

''Slika 2:'' Mioglobin je pomembna tema v bioanorganski kemiji, z določeno pozornostjo na železo-hem kompleks, ki je zasidran na protein. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Myoglobin.png/800px-Myoglobin.png]

''Slika 3:'' Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/FeMoco_cluster.svg/800px-FeMoco_cluster.svg.png]

=== Kovine v medicini ===
Številna zdravila vsebujejo kovine. Ta tema se opira na preučevanje zasnove in mehanizma delovanja farmacevtskih izdelkov, ki vsebujejo kovine in spojin, ki medsebojno delujejo z endogenimi kovinskimi ioni na encimsko aktivnih mestih. Najbolj razširjeno zdravilo proti raku je cisplatin. Kontrastna sredstva za MRI običajno vsebujejo gadolinij. Litijev karbonat se uporablja za zdravljenje manične faze bipolarne motnje. Komercializirana protiartritična zdravila, ki vsebujejo zlato, npr. auranofin. CORMs (molekule, ki sproščajo ogljikov monoksid), so kovinski kompleksi, ki so bili razviti za zatiranje vnetja s sproščanjem majhnih količin ogljikovega monoksida. Preučen je bil kardiovaskularni in nevronski pomen dušikovega oksida, vključno z encimom NO sintaze. (Glejte tudi: asimilacija dušika.) Poleg tega so bili kovinski prehodni kompleksi na osnovi triazolopirimidinov testirani proti več sevom parazitov.[6]

=== Kemija okolja ===
Kemija okolja tradicionalno poudarja interakcijo težkih kovin z organizmi. Metilirano živo srebro je povzročilo veliko katastrofo, imenovano Minamatska bolezen. Zastrupitev z arzenom je zelo razširjena težava, predvsem zaradi onesnaženja podzemne vode z arzenom, ki prizadene več milijonov ljudi v državah v razvoju. Presnova spojin, ki vsebujejo živo srebro in arzen, vključuje encime na osnovi kobalamina.

=== Biomineralizacija ===
Biomineralizacija je proces, s katerim živi organizmi proizvajajo minerale, pogosto za trdnost ali utrjevanje obstoječih tkiv. Takšna tkiva imenujemo mineralizirana tkiva.[7][8][9] Primeri vključujejo silikate v kremenastih algah, karbonate v nevretenčarjih ter kalcijeve fosfate in karbonate v vretenčarjih. Drugi primeri vključujejo nahajališča bakra, železa in zlata, ki vsebujejo bakterije. Biološko oblikovani minerali imajo pogosto posebne namene, kot so magnetni senzorji v magnetotaktičnih bakterijah (Fe3O4), naprave za zaznavanje gravitacije (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ter shranjevanje in mobilizacija železa (Fe2O3•H2O v proteinu feritinu). Ker je zunajcelično[10] železo močno vključeno v indukcijo kalcifikacije[11][12], je njegov nadzor bistvenega pomena pri razvoju lupin; beljakovina feritin ima pomembno vlogo pri nadzoru porazdelitve železa.[13]

== Vrste anorganskih substanc v biologiji ==

=== Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine ===
Bogati anorganski elementi delujejo kot ionski elektroliti. Najpomembnejši ioni so natrij, kalij, kalcij, magnezij, klorid, fosfat in bikarbonat. Osmotski tlak in pH se ohranjata z vzdrževanjem natančnih gradientov čez celične membrane.[15] Ioni so ključni tudi za živce in mišice, saj akcijski potencial v teh tkivih nastane z izmenjavo elektrolitov med zunajcelično tekočino in citosolom.[16] Elektroliti vstopajo v celice in jih zapuščajo skozi beljakovine v celični membrani, imenovane ionski kanalčki. Na primer, krčenje mišic je odvisno od migracije kalcija, natrija in kalija skozi ionske kanalčke v celični membrani in T-tubulih.[17]

''Slika 4:'' Tako kot mnogi antibiotiki je tudi monenzin-A ionofor, ki tesno veže Na+ (na sliki prikazano rumeno).[14]
[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Monensin2.png]

=== Prehodne kovine ===
Prehodne kovine so v organizmih navadno prisotne kot elementi v sledovih za razliko od cinka in železa, ki ju je v organizmih največ.[18][19][20] Te kovine se uporabljajo kot proteinski kofaktorji in signalne molekule. Mnogi so nujni za delovanje encimov, kot je katalaza, in beljakovin, ki prenašajo kisik, kot je recimo hemoglobin.[21] Ti kofaktorji so tesno povezani s specifičnim proteinom. Čeprav se lahko encimski kofaktorji med katalizo spremenijo, se le ti vedno vrnejo v prvotno stanje po katalizi. Kovinska mikrohranila prevzamejo organizmi s posebnimi transporterji in se vežejo na skladiščne proteine, kot sta feritin ali metalotionein (MT), ko niso aktivni.[22][23] Kobalt je nujen za delovanje vitamina B12.[24]

=== Spojine glavnih skupin periodnega sistema ===
Mnogi drugi elementi poleg kovin so bioaktivni. Žveplo in fosfor nujno potrebujejo vsa živa bitja. Fosfor praktično izključno obstaja kot fosfat oz. v obliki njegovih različnih estrov. Žveplo obstaja v različnih oksidacijskih stanjih, od sulfata (SO42−) do sulfida (S2−). Selen je element v sledovih, ki pa pomembeno sodeluje pri beljakovinah, ki so antioksidanti. Kadmij je pomemben zaradi svoje toksičnosti.[25]

== Glej tudi ==
[[Fiziologija]]

[[Kofaktor]]

[[Metabolizem železa]]

== Reference ==
1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5

2. Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (2021-03-31). "Interweaving Disciplines to Advance Chemistry: Applying Polyoxometalates in Biology" (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inor gchem.1c00125). ''Inorganic Chemistry:'' acs.inorgchem.1c00125. doi:10.1021/acs.inorgchem.1c00125 (https://doi.org/10.1021%2Facs.inorgchem.1c00125). ISSN 0020-16 9 (https://www.worldcat.org/issn/0020-1669). PMC 8154434 (https://www.ncb i.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8154434).

3. Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models". ''American Journal of Physiology.'' '''261''' (2 Pt 1): E190–8. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 (https://doi.org/10.1152%2Fajpendo.1991.261.2.E19 0). PMID 18723 1 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1872381).

4. Maret, Wolfgang (2017). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity". In Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (eds.). ''Lead: Its Effects on Environment and Health.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20. doi:10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID 28731294.

5. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., eds. (2010). ''Organometallics in Environment and Toxicology.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.

6. Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (March 2018). "In vitro leishmanicidal and trypanocidal evaluation and magnetic properties of 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II) complexes". ''Journal of Inorganic Biochemistry.'' '''180''': 26–32. doi:10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID 29227923.

7. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, ed. (2008). ''Biomineralization: From Nature to Application.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.

8. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). ''On biomineralization.'' Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.

9. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). ''Biominerals and fossils through time.'' Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.

10. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". ''J Histochem Cytochem.'' '''11''' (6): 799–803. doi:10.1177/11.6.799. Archived from the original on 2012-08-02.

11. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification" (https://epic.awi.de/id/epri nt/13015/1/Sch2004bl.pdf) (PDF). ''Nature.'' '''430''' (7000): 673–676.
Bibcode:2004Natur.430..673S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Natur.430..673S).
doi:10.1038/nature02631 (https://doi.org/10.1038%2Fnature02631). PMID 15295599 (https:// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15295599).

12. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". ''Experimental and Toxicologic Pathology.'' '''45''' (5–6): 365–368. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X (https://doi.org/10.1016%2FS0940-2993%2 811%2980429-X). PMID 8312724 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8312724).

13. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pm c/articles/PMC2034539). ''BMC Evolutionary Biology.'' '''7''': 160. doi:10.1186/1471-2148-7-160 (https://doi.org/10.1186%2F1471-2148-7-160). PMC 2034539 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pmc/articles/PMC2034539). PMID 17845714 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17845714).

14. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). ''Chemistry of the Elements'' (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

15. Sychrová H (2004). "Yeast as a model organism to study transport and homeostasis of alkali metal cations" (http://www.biomed.cas.cz/physiolres/pdf/53%20Suppl%201/53_S91.pdf) (PDF). ''Physiol Res.'' 53 Suppl 1: S91–8. PMID 15119939 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1 5119939).

16. Levitan I (1988). "Modulation of ion channels in neurons and other cells". ''Annu Rev Neurosci.'' '''11''': 119–36. doi:10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 (https://doi.org/10.1146% 2Fannurev.ne.11.030188.001003). PMID 2452594 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/245259
4).

17. Dulhunty A (2006). "Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium". ''Clin Exp Pharmacol Physiol.'' '''33''' (9): 763–72. doi:10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID 16922804.

18. Dlouhy, Adrienne C.; Outten, Caryn E. (2013). "Chapter 8 The Iron Metallome in Eukaryotic Organisms". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 241–78. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584. PMID 23595675. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

19. Mahan D, Shields R (1998). "Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight". ''J Anim Sci.'' '''76''' (2): 506–12. doi:10.2527/1998.762506x. PMID 9498359. Archived from the original on 2011-04-30.

20. Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Elemental fingerprint analysis of barley (Hordeum vulgare) using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics". ''Anal Bioanal Chem.'' '''378''' (1): 171–82. doi:10.1007/s00216-003-2219-0. PMID 14551660.

21. Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". ''Science.'' '''300''' (5621): 931–6. Bibcode:2003Sci...300..931F. doi:10.1126/science.1085049. PMID 12738850. S2CID 14863354.

22. Cousins R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trafficking, and signals". ''J Biol Chem.'' '''281''' (34): 24085–9. doi:10.1074/jbc.R600011200. PMID 16793761.

23. Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Iron uptake and metabolism in the new millennium". ''Trends Cell Biol.'' '''17''' (2): 93–100. doi:10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID 17194590.

24. Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Chapter 10 Cobalt and Corrinoid Transport and Biochemistry". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 333–74. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

25. Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Cadmium in the Context of its Toxicity". In Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). ''Cadmium: From Toxicology to Essentiality.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 11. Springer. pp. 1–30.

== Literatura ==
- Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), ''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 "Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." 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

- J.J.R. Fraústo da Silva and R.J.P. 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., ed., ''Physical Methods in Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

== Zunanje povezave ==
> The Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC)'s: https://www.sbichem.org/

> The French Bioinorganic Chemistry Society: http://frenchbic.cnrs.fr/

> Glossary of Terms in Bioinorganic Chemistry: https://web.archive.org/web/20050204054913/http://www.chem.qmw.ac.uk/iupac/bioinorg/

> Metal Coordination Groups in Proteins by Marjorie Harding: https://web.archive.org/web/20140603015531/http://tanna.bch.ed.ac.uk/

> European Bioinformatics Institute: https://www.ebi.ac.uk/

> MetalPDB: A database of metal sites in biomolecular structures: https://metalpdb.cerm.unifi.it/

Bioanorganska kemija

2023-01-04T22:52:58Z

Jaka Prelog: /* Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine */

''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry

'''Bioanorganska kemija''' je področje, ki proučuje vlogo kovin v biologiji. Obravnava tako naravne pojave, kot je denimo obnašanje kovinskih proteinov oz. metaloproteinov, kot tudi umetno vnesene kovine, vključno s tistimi, ki niso bistvene v medicini in toksikologiji. Veliko bioloških procesov, kot je recimo dihanje, je odvisnih od molekul, ki jih uvrščamo v področje anorganske kemije. To področje raziskuje tudi anorganske modele oz. mimetike, ki oponašajo obnašanje metaloproteinov.[1]

Kot mešanica biokemije in anorganske kemije je bioanorganska kemija pomembna v pojasnjevanju udeležbe elektron-transfer proteinov, vezave substrata in njegove aktivacije, kemije prenosa atomov in skupin, kot tudi lastnosti kovin v biološki kemiji. Uspešen razvoj interdisciplinarnega dela je ključen za napredek bioanorgaske kemije.[2]

== Sestava živih organizmov ==
Približno 99 % mase sesalcev predstavljajo elementi ogljik, dušik, kalcij, natrij, klor, kalij, vodik, fosfor, kisik in žveplo. Organske spojine (proteini, lipidi in ogljikovi hidrati) večinoma vsebujejo ogljik in dušik, večina kisika in vodika pa je prisotna v obliki vode.[3] Celoten nabor kovin vsebujočih biomolekul v celici proučuje ''metalomika''.

== Zgodovina ==
Paul Ehrlich je uporabljal organoarzene (“arzenike”) za zdravljenje sifilisa, s čimer je pokazal pomembnost kovin oz. polkovin za medicino, ki se je razcvetela z Rosenbergovim odkritjem proti rakavega delovanja cisplatina (''cis''-PtCl2(NH3)2). Prvi protein, ki jim ga je uspelo kristalizrati, je bila ureaza, za katero se je kasneje izkazalo, da vsebuje nikelj kot aktivno mesto. Vitamin B12, zdravilo za perniciozno anemijo, je kristalografsko predstavila Dorothy Crowfoot Hodgkin. Kristalografsko je dokazala, da makrociklični corrin vsebuje kobalt. Watson-Crickova oblika DNA predstavlja ključno strukturno vlogo polimerov, ki vsebujejo fosfat.

== Teme v bioanorganski kemiji ==
V bioanorganski kemiji je mogoče prepoznati več različnih sistemov. Glavna področja so:

=== Transport in hramba kovinskih ionov ===
Raznovrsten nabor transportnih sredstev (npr. ionska črpalka Na+/K+ ATPaza), vakuole, shranjevalni proteini (npr. feritin) in majhne molekule (npr. sideroforji) so zadolženi za uravnavanje koncentracije kovinskih ionov in njihovo biodostopnost v živih organizmih. Ključno je, da mnogo esencialnih kovin ni zlahka dostopnih proteinom v končni fazi zaradi slabe topnosti v vodnih raztopinah oz. deficitarnega celičnega okolja. Organizmi so razvili različne strategije za zbiranje in transport teh elementov, poleg tega tudi omejijo njihovo citotoksičnost.

=== Encimatika ===
Številne reakcije v raznovrstnih vedah o življenju vključujejo vodo in kovinske ione, ki so pogosto v katalitskih centrih (tj. aktivnih mestih) encimov, kot so to npr. kovinski proteini. Voda, ki nastopa pri reakcijah, pogosto reagira kot ligand (kovinski akva kompleksi). Primeri encimov hidrolaz so ogljikove anhidraze, kovinske fosfataze in kovinske proteinaze. Bioanorganski kemiki si prizadevajo razumeti in reproducirati vlogo teh kovinskih proteinov.
Pogosti so tudi kovinski proteini, ki so sposobni prenašati elektrone. Lahko jih porazdelimo v tri večje razrede: železo-žveplovi proteini (kot so npr. rubredoksini, ferodoksini in Rieske protein), modri bakrovi proteini in citokromi. Ti proteini, ki prenašajo elektrone, so komplementarni nekovinskim elektronskim prenašalcem, kot sta npr. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) in flavin adenin dinukleotid (FAD). Tudi dušikov cikel v veliki meri uporablja kovine za medsebojne redoks pretvorbe.

''Slika 1:'' 4Fe-4S klastri kot prenašalci elektronov v proteinih. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/FdRedox.png/1024px-FdRedox.png]

=== Toksičnost ===
Nekateri kovinski ioni so strupeni za ljudi in mnoge živali. V povezavi s toksičnostjo svinca je bila pregledana bioanorganska kemija svinca.[4]

=== Transport kisika in aktivacija proteinov ===
Aerobno življenje izdatno uporablja kovine kot so železo, baker in mangan. Hem je v rdečih krvničkah v obliki hemoglobina za transport kisika in je morda najbolj prepoznaven kovinski sistem v biologiji. Drugi transporti kisika vključujejo mioglobin, hemocianin in hemeritrin. Oksidaze in oksigenaze so kovinski sistemi, ki jih najdemo po vsej naravi in izkoriščajo kisik za izvajanje pomembnih reakcij, kot je na primer proizvodnja energije v citokrom c oksidazi ali pa oksidacija majhnih molekul v citokrom P450 oksidazah oziroma metan monooksigenazi. Nekateri kovinski proteini so zasnovani za zaščito biološkega sistema pred potencialno škodljivimi vplivi kisika in drugih reaktivnih molekul, ki vsebujejo kisik, kot je recimo vodikov peroksid. Ti sistemi vključujejo peroksidaze, katalaze in superoksid dismutaze. Komplementarni kovinski protein je kompleks, ki je prisoten v rastlinah in sprošča kisik tam, kjer je kisik za potek reakcij potreben. Ta sistem je del kompleksnega proteinskega mehanizma, ki rastlinam služi za proizvodnjo kisika med fotosintezo.

=== Bioorganokovinska kemija ===
Bioorganokovinski sistemi so sistemi biološko aktivnih molekul, ki vsebujejo ogljik, vezan neposredno na kovino oz. polkovino. Vez kovina–ogljik lahko v sistemu nastopa kot strukturni element ali kot intermediat. Bioorganokovinski encimi in proteini vključujejo hidrogenaze, kofaktor FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze in metilkobalamin. To so primeri naravno prisotnih organokovinskih spojin. Področje bioorganokovinske kemije je pretežno osredotočeno na uporabo kovin s strani enoceličnih organizmov. Bioorganokovinske spojine so pomembne predvsem v kemiji okolja.[5]

''Slika 2:'' Mioglobin je pomembna tema v bioanorganski kemiji, z določeno pozornostjo na železo-hem kompleks, ki je zasidran na protein. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Myoglobin.png/800px-Myoglobin.png]

''Slika 3:'' Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/FeMoco_cluster.svg/800px-FeMoco_cluster.svg.png]

=== Kovine v medicini ===
Številna zdravila vsebujejo kovine. Ta tema se opira na preučevanje zasnove in mehanizma delovanja farmacevtskih izdelkov, ki vsebujejo kovine in spojin, ki medsebojno delujejo z endogenimi kovinskimi ioni na encimsko aktivnih mestih. Najbolj razširjeno zdravilo proti raku je cisplatin. Kontrastna sredstva za MRI običajno vsebujejo gadolinij. Litijev karbonat se uporablja za zdravljenje manične faze bipolarne motnje. Komercializirana protiartritična zdravila, ki vsebujejo zlato, npr. auranofin. CORMs (molekule, ki sproščajo ogljikov monoksid), so kovinski kompleksi, ki so bili razviti za zatiranje vnetja s sproščanjem majhnih količin ogljikovega monoksida. Preučen je bil kardiovaskularni in nevronski pomen dušikovega oksida, vključno z encimom NO sintaze. (Glejte tudi: asimilacija dušika.) Poleg tega so bili kovinski prehodni kompleksi na osnovi triazolopirimidinov testirani proti več sevom parazitov.[6]

=== Kemija okolja ===
Kemija okolja tradicionalno poudarja interakcijo težkih kovin z organizmi. Metilirano živo srebro je povzročilo veliko katastrofo, imenovano Minamatska bolezen. Zastrupitev z arzenom je zelo razširjena težava, predvsem zaradi onesnaženja podzemne vode z arzenom, ki prizadene več milijonov ljudi v državah v razvoju. Presnova spojin, ki vsebujejo živo srebro in arzen, vključuje encime na osnovi kobalamina.

=== Biomineralizacija ===
Biomineralizacija je proces, s katerim živi organizmi proizvajajo minerale, pogosto za trdnost ali utrjevanje obstoječih tkiv. Takšna tkiva imenujemo mineralizirana tkiva.[7][8][9] Primeri vključujejo silikate v kremenastih algah, karbonate v nevretenčarjih ter kalcijeve fosfate in karbonate v vretenčarjih. Drugi primeri vključujejo nahajališča bakra, železa in zlata, ki vsebujejo bakterije. Biološko oblikovani minerali imajo pogosto posebne namene, kot so magnetni senzorji v magnetotaktičnih bakterijah (Fe3O4), naprave za zaznavanje gravitacije (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ter shranjevanje in mobilizacija železa (Fe2O3•H2O v proteinu feritinu). Ker je zunajcelično[10] železo močno vključeno v indukcijo kalcifikacije[11][12], je njegov nadzor bistvenega pomena pri razvoju lupin; beljakovina feritin ima pomembno vlogo pri nadzoru porazdelitve železa.[13]

== Vrste anorganskih substanc v biologiji ==

=== Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine ===
Bogati anorganski elementi delujejo kot ionski elektroliti. Najpomembnejši ioni so natrij, kalij, kalcij, magnezij, klorid, fosfat in bikarbonat. Osmotski tlak in pH se ohranjata z vzdrževanjem natančnih gradientov čez celične membrane.[15] Ioni so ključni tudi za živce in mišice, saj akcijski potencial v teh tkivih nastane z izmenjavo elektrolitov med zunajcelično tekočino in citosolom.[16] Elektroliti vstopajo v celice in jih zapuščajo skozi beljakovine v celični membrani, imenovane ionski kanalčki. Na primer, krčenje mišic je odvisno od migracije kalcija, natrija in kalija skozi ionske kanalčke v celični membrani in T-tubulih.[17]

''Slika 4:'' Tako kot mnogi antibiotiki je tudi monenzin-A ionofor, ki tesno veže Na+ (na sliki prikazano rumeno).[14]
[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Monensin2.png]

=== Prehodne kovine ===
Prehodne kovine so v organizmih navadno prisotne kot elementi v sledovih za razliko od cinka in železa, ki ju je v organizmih največ.[18][19][20] Te kovine se uporabljajo kot proteinski kofaktorji in signalne molekule. Mnogi so nujni za delovanje encimov, kot je katalaza, in beljakovin, ki prenašajo kisik, kot je recimo hemoglobin.[21] Ti kofaktorji so tesno povezani s specifičnim proteinom. Čeprav se lahko encimski kofaktorji med katalizo spremenijo, se le ti vedno vrnejo v prvotno stanje po katalizi. Kovinska mikrohranila prevzamejo organizmi s posebnimi transporterji in se vežejo na skladiščne proteine, kot sta feritin ali metalotionein (MT), ko niso aktivni.[22][23] Kobalt je nujen za delovanje vitamina B12.[24]

=== Spojine glavnih skupin periodnega sistema ===
Mnogi drugi elementi poleg kovin so bioaktivni. Žveplo in fosfor nujno potrebujejo vsa živa bitja. Fosfor praktično izključno obstaja kot fosfat oz. v obliki njegovih različnih estrov. Žveplo obstaja v različnih oksidacijskih stanjih, od sulfata (SO42−) do sulfida (S2−). Selen je element v sledovih, ki pa pomembeno sodeluje pri beljakovinah, ki so antioksidanti. Kadmij je pomemben zaradi svoje toksičnosti.[25]

== Glej tudi ==
[[Fiziologija]]

[[Kofaktor]]

[[Metabolizem železa]]

== Reference ==
1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5

2. Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (2021-03-31). "Interweaving Disciplines to Advance Chemistry: Applying Polyoxometalates in Biology" (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inor gchem.1c00125). ''Inorganic Chemistry:'' acs.inorgchem.1c00125. doi:10.1021/acs.inorgchem.1c00125 (https://doi.org/10.1021%2Facs.inorgchem.1c00125). ISSN 0020-16 9 (https://www.worldcat.org/issn/0020-1669). PMC 8154434 (https://www.ncb i.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8154434).

3. Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models". ''American Journal of Physiology.'' '''261''' (2 Pt 1): E190–8. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 (https://doi.org/10.1152%2Fajpendo.1991.261.2.E19 0). PMID 18723 1 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1872381).

4. Maret, Wolfgang (2017). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity". In Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (eds.). ''Lead: Its Effects on Environment and Health.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20. doi:10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID 28731294.

5. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., eds. (2010). ''Organometallics in Environment and Toxicology.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.

6. Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (March 2018). "In vitro leishmanicidal and trypanocidal evaluation and magnetic properties of 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II) complexes". ''Journal of Inorganic Biochemistry.'' '''180''': 26–32. doi:10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID 29227923.

7. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, ed. (2008). ''Biomineralization: From Nature to Application.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.

8. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). ''On biomineralization.'' Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.

9. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). ''Biominerals and fossils through time.'' Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.

10. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". ''J Histochem Cytochem.'' '''11''' (6): 799–803. doi:10.1177/11.6.799. Archived from the original on 2012-08-02.

11. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification" (https://epic.awi.de/id/epri nt/13015/1/Sch2004bl.pdf) (PDF). ''Nature.'' '''430''' (7000): 673–676.
Bibcode:2004Natur.430..673S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Natur.430..673S).
doi:10.1038/nature02631 (https://doi.org/10.1038%2Fnature02631). PMID 15295599 (https:// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15295599).

12. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". ''Experimental and Toxicologic Pathology.'' '''45''' (5–6): 365–368. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X (https://doi.org/10.1016%2FS0940-2993%2 811%2980429-X). PMID 8312724 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8312724).

13. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pm c/articles/PMC2034539). ''BMC Evolutionary Biology.'' '''7''': 160. doi:10.1186/1471-2148-7-160 (https://doi.org/10.1186%2F1471-2148-7-160). PMC 2034539 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pmc/articles/PMC2034539). PMID 17845714 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17845714).

14. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). ''Chemistry of the Elements'' (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

15. Sychrová H (2004). "Yeast as a model organism to study transport and homeostasis of alkali metal cations" (http://www.biomed.cas.cz/physiolres/pdf/53%20Suppl%201/53_S91.pdf) (PDF). ''Physiol Res.'' 53 Suppl 1: S91–8. PMID 15119939 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1 5119939).

16. Levitan I (1988). "Modulation of ion channels in neurons and other cells". ''Annu Rev Neurosci.'' '''11''': 119–36. doi:10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 (https://doi.org/10.1146% 2Fannurev.ne.11.030188.001003). PMID 2452594 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/245259
4).

17. Dulhunty A (2006). "Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium". ''Clin Exp Pharmacol Physiol.'' '''33''' (9): 763–72. doi:10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID 16922804.

18. Dlouhy, Adrienne C.; Outten, Caryn E. (2013). "Chapter 8 The Iron Metallome in Eukaryotic Organisms". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 241–78. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584. PMID 23595675. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

19. Mahan D, Shields R (1998). "Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight". ''J Anim Sci.'' '''76''' (2): 506–12. doi:10.2527/1998.762506x. PMID 9498359. Archived from the original on 2011-04-30.

20. Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Elemental fingerprint analysis of barley (Hordeum vulgare) using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics". ''Anal Bioanal Chem.'' '''378''' (1): 171–82. doi:10.1007/s00216-003-2219-0. PMID 14551660.

21. Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". ''Science.'' '''300''' (5621): 931–6. Bibcode:2003Sci...300..931F. doi:10.1126/science.1085049. PMID 12738850. S2CID 14863354.

22. Cousins R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trafficking, and signals". ''J Biol Chem.'' '''281''' (34): 24085–9. doi:10.1074/jbc.R600011200. PMID 16793761.

23. Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Iron uptake and metabolism in the new millennium". ''Trends Cell Biol.'' '''17''' (2): 93–100. doi:10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID 17194590.

24. Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Chapter 10 Cobalt and Corrinoid Transport and Biochemistry". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 333–74. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

25. Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Cadmium in the Context of its Toxicity". In Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). ''Cadmium: From Toxicology to Essentiality.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 11. Springer. pp. 1–30.

== Literatura ==
- Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), ''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 "Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." 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

- J.J.R. Fraústo da Silva and R.J.P. 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., ed., ''Physical Methods in Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

== Zunanje povezave ==
> The Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC)'s: https://www.sbichem.org/

> The French Bioinorganic Chemistry Society: http://frenchbic.cnrs.fr/

> Glossary of Terms in Bioinorganic Chemistry: https://web.archive.org/web/20050204054913/http://www.chem.qmw.ac.uk/iupac/bioinorg/

> Metal Coordination Groups in Proteins by Marjorie Harding: https://web.archive.org/web/20140603015531/http://tanna.bch.ed.ac.uk/

> European Bioinformatics Institute: https://www.ebi.ac.uk/

> MetalPDB: A database of metal sites in biomolecular structures: https://metalpdb.cerm.unifi.it/

Bioanorganska kemija

2023-01-04T22:51:58Z

Jaka Prelog: /* Biomineralizacija */

''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry

'''Bioanorganska kemija''' je področje, ki proučuje vlogo kovin v biologiji. Obravnava tako naravne pojave, kot je denimo obnašanje kovinskih proteinov oz. metaloproteinov, kot tudi umetno vnesene kovine, vključno s tistimi, ki niso bistvene v medicini in toksikologiji. Veliko bioloških procesov, kot je recimo dihanje, je odvisnih od molekul, ki jih uvrščamo v področje anorganske kemije. To področje raziskuje tudi anorganske modele oz. mimetike, ki oponašajo obnašanje metaloproteinov.[1]

Kot mešanica biokemije in anorganske kemije je bioanorganska kemija pomembna v pojasnjevanju udeležbe elektron-transfer proteinov, vezave substrata in njegove aktivacije, kemije prenosa atomov in skupin, kot tudi lastnosti kovin v biološki kemiji. Uspešen razvoj interdisciplinarnega dela je ključen za napredek bioanorgaske kemije.[2]

== Sestava živih organizmov ==
Približno 99 % mase sesalcev predstavljajo elementi ogljik, dušik, kalcij, natrij, klor, kalij, vodik, fosfor, kisik in žveplo. Organske spojine (proteini, lipidi in ogljikovi hidrati) večinoma vsebujejo ogljik in dušik, večina kisika in vodika pa je prisotna v obliki vode.[3] Celoten nabor kovin vsebujočih biomolekul v celici proučuje ''metalomika''.

== Zgodovina ==
Paul Ehrlich je uporabljal organoarzene (“arzenike”) za zdravljenje sifilisa, s čimer je pokazal pomembnost kovin oz. polkovin za medicino, ki se je razcvetela z Rosenbergovim odkritjem proti rakavega delovanja cisplatina (''cis''-PtCl2(NH3)2). Prvi protein, ki jim ga je uspelo kristalizrati, je bila ureaza, za katero se je kasneje izkazalo, da vsebuje nikelj kot aktivno mesto. Vitamin B12, zdravilo za perniciozno anemijo, je kristalografsko predstavila Dorothy Crowfoot Hodgkin. Kristalografsko je dokazala, da makrociklični corrin vsebuje kobalt. Watson-Crickova oblika DNA predstavlja ključno strukturno vlogo polimerov, ki vsebujejo fosfat.

== Teme v bioanorganski kemiji ==
V bioanorganski kemiji je mogoče prepoznati več različnih sistemov. Glavna področja so:

=== Transport in hramba kovinskih ionov ===
Raznovrsten nabor transportnih sredstev (npr. ionska črpalka Na+/K+ ATPaza), vakuole, shranjevalni proteini (npr. feritin) in majhne molekule (npr. sideroforji) so zadolženi za uravnavanje koncentracije kovinskih ionov in njihovo biodostopnost v živih organizmih. Ključno je, da mnogo esencialnih kovin ni zlahka dostopnih proteinom v končni fazi zaradi slabe topnosti v vodnih raztopinah oz. deficitarnega celičnega okolja. Organizmi so razvili različne strategije za zbiranje in transport teh elementov, poleg tega tudi omejijo njihovo citotoksičnost.

=== Encimatika ===
Številne reakcije v raznovrstnih vedah o življenju vključujejo vodo in kovinske ione, ki so pogosto v katalitskih centrih (tj. aktivnih mestih) encimov, kot so to npr. kovinski proteini. Voda, ki nastopa pri reakcijah, pogosto reagira kot ligand (kovinski akva kompleksi). Primeri encimov hidrolaz so ogljikove anhidraze, kovinske fosfataze in kovinske proteinaze. Bioanorganski kemiki si prizadevajo razumeti in reproducirati vlogo teh kovinskih proteinov.
Pogosti so tudi kovinski proteini, ki so sposobni prenašati elektrone. Lahko jih porazdelimo v tri večje razrede: železo-žveplovi proteini (kot so npr. rubredoksini, ferodoksini in Rieske protein), modri bakrovi proteini in citokromi. Ti proteini, ki prenašajo elektrone, so komplementarni nekovinskim elektronskim prenašalcem, kot sta npr. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) in flavin adenin dinukleotid (FAD). Tudi dušikov cikel v veliki meri uporablja kovine za medsebojne redoks pretvorbe.

''Slika 1:'' 4Fe-4S klastri kot prenašalci elektronov v proteinih. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/FdRedox.png/1024px-FdRedox.png]

=== Toksičnost ===
Nekateri kovinski ioni so strupeni za ljudi in mnoge živali. V povezavi s toksičnostjo svinca je bila pregledana bioanorganska kemija svinca.[4]

=== Transport kisika in aktivacija proteinov ===
Aerobno življenje izdatno uporablja kovine kot so železo, baker in mangan. Hem je v rdečih krvničkah v obliki hemoglobina za transport kisika in je morda najbolj prepoznaven kovinski sistem v biologiji. Drugi transporti kisika vključujejo mioglobin, hemocianin in hemeritrin. Oksidaze in oksigenaze so kovinski sistemi, ki jih najdemo po vsej naravi in izkoriščajo kisik za izvajanje pomembnih reakcij, kot je na primer proizvodnja energije v citokrom c oksidazi ali pa oksidacija majhnih molekul v citokrom P450 oksidazah oziroma metan monooksigenazi. Nekateri kovinski proteini so zasnovani za zaščito biološkega sistema pred potencialno škodljivimi vplivi kisika in drugih reaktivnih molekul, ki vsebujejo kisik, kot je recimo vodikov peroksid. Ti sistemi vključujejo peroksidaze, katalaze in superoksid dismutaze. Komplementarni kovinski protein je kompleks, ki je prisoten v rastlinah in sprošča kisik tam, kjer je kisik za potek reakcij potreben. Ta sistem je del kompleksnega proteinskega mehanizma, ki rastlinam služi za proizvodnjo kisika med fotosintezo.

=== Bioorganokovinska kemija ===
Bioorganokovinski sistemi so sistemi biološko aktivnih molekul, ki vsebujejo ogljik, vezan neposredno na kovino oz. polkovino. Vez kovina–ogljik lahko v sistemu nastopa kot strukturni element ali kot intermediat. Bioorganokovinski encimi in proteini vključujejo hidrogenaze, kofaktor FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze in metilkobalamin. To so primeri naravno prisotnih organokovinskih spojin. Področje bioorganokovinske kemije je pretežno osredotočeno na uporabo kovin s strani enoceličnih organizmov. Bioorganokovinske spojine so pomembne predvsem v kemiji okolja.[5]

''Slika 2:'' Mioglobin je pomembna tema v bioanorganski kemiji, z določeno pozornostjo na železo-hem kompleks, ki je zasidran na protein. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Myoglobin.png/800px-Myoglobin.png]

''Slika 3:'' Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/FeMoco_cluster.svg/800px-FeMoco_cluster.svg.png]

=== Kovine v medicini ===
Številna zdravila vsebujejo kovine. Ta tema se opira na preučevanje zasnove in mehanizma delovanja farmacevtskih izdelkov, ki vsebujejo kovine in spojin, ki medsebojno delujejo z endogenimi kovinskimi ioni na encimsko aktivnih mestih. Najbolj razširjeno zdravilo proti raku je cisplatin. Kontrastna sredstva za MRI običajno vsebujejo gadolinij. Litijev karbonat se uporablja za zdravljenje manične faze bipolarne motnje. Komercializirana protiartritična zdravila, ki vsebujejo zlato, npr. auranofin. CORMs (molekule, ki sproščajo ogljikov monoksid), so kovinski kompleksi, ki so bili razviti za zatiranje vnetja s sproščanjem majhnih količin ogljikovega monoksida. Preučen je bil kardiovaskularni in nevronski pomen dušikovega oksida, vključno z encimom NO sintaze. (Glejte tudi: asimilacija dušika.) Poleg tega so bili kovinski prehodni kompleksi na osnovi triazolopirimidinov testirani proti več sevom parazitov.[6]

=== Kemija okolja ===
Kemija okolja tradicionalno poudarja interakcijo težkih kovin z organizmi. Metilirano živo srebro je povzročilo veliko katastrofo, imenovano Minamatska bolezen. Zastrupitev z arzenom je zelo razširjena težava, predvsem zaradi onesnaženja podzemne vode z arzenom, ki prizadene več milijonov ljudi v državah v razvoju. Presnova spojin, ki vsebujejo živo srebro in arzen, vključuje encime na osnovi kobalamina.

=== Biomineralizacija ===
Biomineralizacija je proces, s katerim živi organizmi proizvajajo minerale, pogosto za trdnost ali utrjevanje obstoječih tkiv. Takšna tkiva imenujemo mineralizirana tkiva.[7][8][9] Primeri vključujejo silikate v kremenastih algah, karbonate v nevretenčarjih ter kalcijeve fosfate in karbonate v vretenčarjih. Drugi primeri vključujejo nahajališča bakra, železa in zlata, ki vsebujejo bakterije. Biološko oblikovani minerali imajo pogosto posebne namene, kot so magnetni senzorji v magnetotaktičnih bakterijah (Fe3O4), naprave za zaznavanje gravitacije (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ter shranjevanje in mobilizacija železa (Fe2O3•H2O v proteinu feritinu). Ker je zunajcelično[10] železo močno vključeno v indukcijo kalcifikacije[11][12], je njegov nadzor bistvenega pomena pri razvoju lupin; beljakovina feritin ima pomembno vlogo pri nadzoru porazdelitve železa.[13]

== Vrste anorganskih substanc v biologiji ==

=== Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine ===
Bogati anorganski elementi delujejo kot ionski elektroliti. Najpomembnejši ioni so natrij, kalij, kalcij, magnezij, klorid, fosfat in bikarbonat. Osmotski tlak in pH se ohranjata z vzdrževanjem natančnih gradientov čez celične membrane.[15] Ioni so ključni tudi za živce in mišice, saj akcijski potencial v teh tkivih nastane z izmenjavo elektrolitov med zunajcelično tekočino in citosolom.[16] Elektroliti vstopajo v celice in jih zapuščajo skozi beljakovine v celični membrani, imenovane ionski kanalčki. Na primer, krčenje mišic je odvisno od migracije kalcija, natrija in kalija skozi ionske kanalčke v celični membrani in T-tubulih.[17]

''Slika 4:'' Tako kot mnogi antibiotiki je tudi monenzin-A ionofor, ki tesno veže Na+ (na sliki prikazano rumeno).[14]
[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Monensin2.png]

=== Prehodne kovine ===
Prehodne kovine so v organizmih navadno prisotne kot elementi v sledovih za razliko od cinka in železa, ki ju je v organizmih največ.[18][19][20] Te kovine se uporabljajo kot proteinski kofaktorji in signalne molekule. Mnogi so nujni za delovanje encimov, kot je katalaza, in beljakovin, ki prenašajo kisik, kot je recimo hemoglobin.[21] Ti kofaktorji so tesno povezani s specifičnim proteinom. Čeprav se lahko encimski kofaktorji med katalizo spremenijo, se le ti vedno vrnejo v prvotno stanje po katalizi. Kovinska mikrohranila prevzamejo organizmi s posebnimi transporterji in se vežejo na skladiščne proteine, kot sta feritin ali metalotionein (MT), ko niso aktivni.[22][23] Kobalt je nujen za delovanje vitamina B12.[24]

=== Spojine glavnih skupin periodnega sistema ===
Mnogi drugi elementi poleg kovin so bioaktivni. Žveplo in fosfor nujno potrebujejo vsa živa bitja. Fosfor praktično izključno obstaja kot fosfat oz. v obliki njegovih različnih estrov. Žveplo obstaja v različnih oksidacijskih stanjih, od sulfata (SO42−) do sulfida (S2−). Selen je element v sledovih, ki pa pomembeno sodeluje pri beljakovinah, ki so antioksidanti. Kadmij je pomemben zaradi svoje toksičnosti.[25]

== Glej tudi ==
[[Fiziologija]]

[[Kofaktor]]

[[Metabolizem železa]]

== Reference ==
1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5

2. Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (2021-03-31). "Interweaving Disciplines to Advance Chemistry: Applying Polyoxometalates in Biology" (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inor gchem.1c00125). ''Inorganic Chemistry:'' acs.inorgchem.1c00125. doi:10.1021/acs.inorgchem.1c00125 (https://doi.org/10.1021%2Facs.inorgchem.1c00125). ISSN 0020-16 9 (https://www.worldcat.org/issn/0020-1669). PMC 8154434 (https://www.ncb i.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8154434).

3. Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models". ''American Journal of Physiology.'' '''261''' (2 Pt 1): E190–8. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 (https://doi.org/10.1152%2Fajpendo.1991.261.2.E19 0). PMID 18723 1 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1872381).

4. Maret, Wolfgang (2017). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity". In Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (eds.). ''Lead: Its Effects on Environment and Health.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20. doi:10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID 28731294.

5. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., eds. (2010). ''Organometallics in Environment and Toxicology.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.

6. Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (March 2018). "In vitro leishmanicidal and trypanocidal evaluation and magnetic properties of 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II) complexes". ''Journal of Inorganic Biochemistry.'' '''180''': 26–32. doi:10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID 29227923.

7. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, ed. (2008). ''Biomineralization: From Nature to Application.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.

8. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). ''On biomineralization.'' Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.

9. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). ''Biominerals and fossils through time.'' Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.

10. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". ''J Histochem Cytochem.'' '''11''' (6): 799–803. doi:10.1177/11.6.799. Archived from the original on 2012-08-02.

11. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification" (https://epic.awi.de/id/epri nt/13015/1/Sch2004bl.pdf) (PDF). ''Nature.'' '''430''' (7000): 673–676.
Bibcode:2004Natur.430..673S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Natur.430..673S).
doi:10.1038/nature02631 (https://doi.org/10.1038%2Fnature02631). PMID 15295599 (https:// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15295599).

12. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". ''Experimental and Toxicologic Pathology.'' '''45''' (5–6): 365–368. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X (https://doi.org/10.1016%2FS0940-2993%2 811%2980429-X). PMID 8312724 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8312724).

13. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pm c/articles/PMC2034539). ''BMC Evolutionary Biology.'' '''7''': 160. doi:10.1186/1471-2148-7-160 (https://doi.org/10.1186%2F1471-2148-7-160). PMC 2034539 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pmc/articles/PMC2034539). PMID 17845714 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17845714).

14. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). ''Chemistry of the Elements'' (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

15. Sychrová H (2004). "Yeast as a model organism to study transport and homeostasis of alkali metal cations" (http://www.biomed.cas.cz/physiolres/pdf/53%20Suppl%201/53_S91.pdf) (PDF). ''Physiol Res.'' 53 Suppl 1: S91–8. PMID 15119939 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1 5119939).

16. Levitan I (1988). "Modulation of ion channels in neurons and other cells". ''Annu Rev Neurosci.'' '''11''': 119–36. doi:10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 (https://doi.org/10.1146% 2Fannurev.ne.11.030188.001003). PMID 2452594 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/245259
4).

17. Dulhunty A (2006). "Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium". ''Clin Exp Pharmacol Physiol.'' '''33''' (9): 763–72. doi:10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID 16922804.

18. Dlouhy, Adrienne C.; Outten, Caryn E. (2013). "Chapter 8 The Iron Metallome in Eukaryotic Organisms". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 241–78. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584. PMID 23595675. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

19. Mahan D, Shields R (1998). "Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight". ''J Anim Sci.'' '''76''' (2): 506–12. doi:10.2527/1998.762506x. PMID 9498359. Archived from the original on 2011-04-30.

20. Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Elemental fingerprint analysis of barley (Hordeum vulgare) using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics". ''Anal Bioanal Chem.'' '''378''' (1): 171–82. doi:10.1007/s00216-003-2219-0. PMID 14551660.

21. Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". ''Science.'' '''300''' (5621): 931–6. Bibcode:2003Sci...300..931F. doi:10.1126/science.1085049. PMID 12738850. S2CID 14863354.

22. Cousins R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trafficking, and signals". ''J Biol Chem.'' '''281''' (34): 24085–9. doi:10.1074/jbc.R600011200. PMID 16793761.

23. Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Iron uptake and metabolism in the new millennium". ''Trends Cell Biol.'' '''17''' (2): 93–100. doi:10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID 17194590.

24. Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Chapter 10 Cobalt and Corrinoid Transport and Biochemistry". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 333–74. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

25. Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Cadmium in the Context of its Toxicity". In Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). ''Cadmium: From Toxicology to Essentiality.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 11. Springer. pp. 1–30.

== Literatura ==
- Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), ''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 "Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." 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

- J.J.R. Fraústo da Silva and R.J.P. 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., ed., ''Physical Methods in Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

== Zunanje povezave ==
> The Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC)'s: https://www.sbichem.org/

> The French Bioinorganic Chemistry Society: http://frenchbic.cnrs.fr/

> Glossary of Terms in Bioinorganic Chemistry: https://web.archive.org/web/20050204054913/http://www.chem.qmw.ac.uk/iupac/bioinorg/

> Metal Coordination Groups in Proteins by Marjorie Harding: https://web.archive.org/web/20140603015531/http://tanna.bch.ed.ac.uk/

> European Bioinformatics Institute: https://www.ebi.ac.uk/

> MetalPDB: A database of metal sites in biomolecular structures: https://metalpdb.cerm.unifi.it/

Bioanorganska kemija

2023-01-04T22:50:47Z

Jaka Prelog: /* Kovine v medicini */

''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry

'''Bioanorganska kemija''' je področje, ki proučuje vlogo kovin v biologiji. Obravnava tako naravne pojave, kot je denimo obnašanje kovinskih proteinov oz. metaloproteinov, kot tudi umetno vnesene kovine, vključno s tistimi, ki niso bistvene v medicini in toksikologiji. Veliko bioloških procesov, kot je recimo dihanje, je odvisnih od molekul, ki jih uvrščamo v področje anorganske kemije. To področje raziskuje tudi anorganske modele oz. mimetike, ki oponašajo obnašanje metaloproteinov.[1]

Kot mešanica biokemije in anorganske kemije je bioanorganska kemija pomembna v pojasnjevanju udeležbe elektron-transfer proteinov, vezave substrata in njegove aktivacije, kemije prenosa atomov in skupin, kot tudi lastnosti kovin v biološki kemiji. Uspešen razvoj interdisciplinarnega dela je ključen za napredek bioanorgaske kemije.[2]

== Sestava živih organizmov ==
Približno 99 % mase sesalcev predstavljajo elementi ogljik, dušik, kalcij, natrij, klor, kalij, vodik, fosfor, kisik in žveplo. Organske spojine (proteini, lipidi in ogljikovi hidrati) večinoma vsebujejo ogljik in dušik, večina kisika in vodika pa je prisotna v obliki vode.[3] Celoten nabor kovin vsebujočih biomolekul v celici proučuje ''metalomika''.

== Zgodovina ==
Paul Ehrlich je uporabljal organoarzene (“arzenike”) za zdravljenje sifilisa, s čimer je pokazal pomembnost kovin oz. polkovin za medicino, ki se je razcvetela z Rosenbergovim odkritjem proti rakavega delovanja cisplatina (''cis''-PtCl2(NH3)2). Prvi protein, ki jim ga je uspelo kristalizrati, je bila ureaza, za katero se je kasneje izkazalo, da vsebuje nikelj kot aktivno mesto. Vitamin B12, zdravilo za perniciozno anemijo, je kristalografsko predstavila Dorothy Crowfoot Hodgkin. Kristalografsko je dokazala, da makrociklični corrin vsebuje kobalt. Watson-Crickova oblika DNA predstavlja ključno strukturno vlogo polimerov, ki vsebujejo fosfat.

== Teme v bioanorganski kemiji ==
V bioanorganski kemiji je mogoče prepoznati več različnih sistemov. Glavna področja so:

=== Transport in hramba kovinskih ionov ===
Raznovrsten nabor transportnih sredstev (npr. ionska črpalka Na+/K+ ATPaza), vakuole, shranjevalni proteini (npr. feritin) in majhne molekule (npr. sideroforji) so zadolženi za uravnavanje koncentracije kovinskih ionov in njihovo biodostopnost v živih organizmih. Ključno je, da mnogo esencialnih kovin ni zlahka dostopnih proteinom v končni fazi zaradi slabe topnosti v vodnih raztopinah oz. deficitarnega celičnega okolja. Organizmi so razvili različne strategije za zbiranje in transport teh elementov, poleg tega tudi omejijo njihovo citotoksičnost.

=== Encimatika ===
Številne reakcije v raznovrstnih vedah o življenju vključujejo vodo in kovinske ione, ki so pogosto v katalitskih centrih (tj. aktivnih mestih) encimov, kot so to npr. kovinski proteini. Voda, ki nastopa pri reakcijah, pogosto reagira kot ligand (kovinski akva kompleksi). Primeri encimov hidrolaz so ogljikove anhidraze, kovinske fosfataze in kovinske proteinaze. Bioanorganski kemiki si prizadevajo razumeti in reproducirati vlogo teh kovinskih proteinov.
Pogosti so tudi kovinski proteini, ki so sposobni prenašati elektrone. Lahko jih porazdelimo v tri večje razrede: železo-žveplovi proteini (kot so npr. rubredoksini, ferodoksini in Rieske protein), modri bakrovi proteini in citokromi. Ti proteini, ki prenašajo elektrone, so komplementarni nekovinskim elektronskim prenašalcem, kot sta npr. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) in flavin adenin dinukleotid (FAD). Tudi dušikov cikel v veliki meri uporablja kovine za medsebojne redoks pretvorbe.

''Slika 1:'' 4Fe-4S klastri kot prenašalci elektronov v proteinih. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/FdRedox.png/1024px-FdRedox.png]

=== Toksičnost ===
Nekateri kovinski ioni so strupeni za ljudi in mnoge živali. V povezavi s toksičnostjo svinca je bila pregledana bioanorganska kemija svinca.[4]

=== Transport kisika in aktivacija proteinov ===
Aerobno življenje izdatno uporablja kovine kot so železo, baker in mangan. Hem je v rdečih krvničkah v obliki hemoglobina za transport kisika in je morda najbolj prepoznaven kovinski sistem v biologiji. Drugi transporti kisika vključujejo mioglobin, hemocianin in hemeritrin. Oksidaze in oksigenaze so kovinski sistemi, ki jih najdemo po vsej naravi in izkoriščajo kisik za izvajanje pomembnih reakcij, kot je na primer proizvodnja energije v citokrom c oksidazi ali pa oksidacija majhnih molekul v citokrom P450 oksidazah oziroma metan monooksigenazi. Nekateri kovinski proteini so zasnovani za zaščito biološkega sistema pred potencialno škodljivimi vplivi kisika in drugih reaktivnih molekul, ki vsebujejo kisik, kot je recimo vodikov peroksid. Ti sistemi vključujejo peroksidaze, katalaze in superoksid dismutaze. Komplementarni kovinski protein je kompleks, ki je prisoten v rastlinah in sprošča kisik tam, kjer je kisik za potek reakcij potreben. Ta sistem je del kompleksnega proteinskega mehanizma, ki rastlinam služi za proizvodnjo kisika med fotosintezo.

=== Bioorganokovinska kemija ===
Bioorganokovinski sistemi so sistemi biološko aktivnih molekul, ki vsebujejo ogljik, vezan neposredno na kovino oz. polkovino. Vez kovina–ogljik lahko v sistemu nastopa kot strukturni element ali kot intermediat. Bioorganokovinski encimi in proteini vključujejo hidrogenaze, kofaktor FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze in metilkobalamin. To so primeri naravno prisotnih organokovinskih spojin. Področje bioorganokovinske kemije je pretežno osredotočeno na uporabo kovin s strani enoceličnih organizmov. Bioorganokovinske spojine so pomembne predvsem v kemiji okolja.[5]

''Slika 2:'' Mioglobin je pomembna tema v bioanorganski kemiji, z določeno pozornostjo na železo-hem kompleks, ki je zasidran na protein. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Myoglobin.png/800px-Myoglobin.png]

''Slika 3:'' Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/FeMoco_cluster.svg/800px-FeMoco_cluster.svg.png]

=== Kovine v medicini ===
Številna zdravila vsebujejo kovine. Ta tema se opira na preučevanje zasnove in mehanizma delovanja farmacevtskih izdelkov, ki vsebujejo kovine in spojin, ki medsebojno delujejo z endogenimi kovinskimi ioni na encimsko aktivnih mestih. Najbolj razširjeno zdravilo proti raku je cisplatin. Kontrastna sredstva za MRI običajno vsebujejo gadolinij. Litijev karbonat se uporablja za zdravljenje manične faze bipolarne motnje. Komercializirana protiartritična zdravila, ki vsebujejo zlato, npr. auranofin. CORMs (molekule, ki sproščajo ogljikov monoksid), so kovinski kompleksi, ki so bili razviti za zatiranje vnetja s sproščanjem majhnih količin ogljikovega monoksida. Preučen je bil kardiovaskularni in nevronski pomen dušikovega oksida, vključno z encimom NO sintaze. (Glejte tudi: asimilacija dušika.) Poleg tega so bili kovinski prehodni kompleksi na osnovi triazolopirimidinov testirani proti več sevom parazitov.[6]

=== Kemija okolja ===
Kemija okolja tradicionalno poudarja interakcijo težkih kovin z organizmi. Metilirano živo srebro je povzročilo veliko katastrofo, imenovano Minamatska bolezen. Zastrupitev z arzenom je zelo razširjena težava, predvsem zaradi onesnaženja podzemne vode z arzenom, ki prizadene več milijonov ljudi v državah v razvoju. Presnova spojin, ki vsebujejo živo srebro in arzen, vključuje encime na osnovi kobalamina.

=== Biomineralizacija ===
Biomineralizacija je proces, s katerim živi organizmi proizvajajo minerale, pogosto za trdnost ali utrjevanje obstoječih tkiv. Takšna tkiva imenujemo mineralizirana tkiva.[7][8][9] Primeri vključujejo silikate v kremenastih algah, karbonate v nevretenčarjih ter kalcijeve fosfate in karbonate v vretenčarjih. Drugi primeri vključujejo nahajališča bakra, železa in zlata, ki vsebujejo bakterije. Biološko oblikovani minerali imajo pogosto posebne namene, kot so magnetni senzorji v magnetotaktičnih bakterijah (Fe3O4), naprave za zaznavanje gravitacije (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ter shranjevanje in mobilizacija železa (Fe2O3•H2O v proteinu feritinu). Ker je zunajcelično[10] železo močno vključeno v indukcijo kalcifikacije[11][12], je njegov nadzor bistvenega pomena pri razvoju lupin; beljakovina feritin ima pomembno vlogo pri nadzoru porazdelitve železa.[13]

== Vrste anorganskih substanc v biologiji ==

=== Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine ===
Bogati anorganski elementi delujejo kot ionski elektroliti. Najpomembnejši ioni so natrij, kalij, kalcij, magnezij, klorid, fosfat in bikarbonat. Osmotski tlak in pH se ohranjata z vzdrževanjem natančnih gradientov čez celične membrane.[15] Ioni so ključni tudi za živce in mišice, saj akcijski potencial v teh tkivih nastane z izmenjavo elektrolitov med zunajcelično tekočino in citosolom.[16] Elektroliti vstopajo v celice in jih zapuščajo skozi beljakovine v celični membrani, imenovane ionski kanalčki. Na primer, krčenje mišic je odvisno od migracije kalcija, natrija in kalija skozi ionske kanalčke v celični membrani in T-tubulih.[17]

''Slika 4:'' Tako kot mnogi antibiotiki je tudi monenzin-A ionofor, ki tesno veže Na+ (na sliki prikazano rumeno).[14]
[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Monensin2.png]

=== Prehodne kovine ===
Prehodne kovine so v organizmih navadno prisotne kot elementi v sledovih za razliko od cinka in železa, ki ju je v organizmih največ.[18][19][20] Te kovine se uporabljajo kot proteinski kofaktorji in signalne molekule. Mnogi so nujni za delovanje encimov, kot je katalaza, in beljakovin, ki prenašajo kisik, kot je recimo hemoglobin.[21] Ti kofaktorji so tesno povezani s specifičnim proteinom. Čeprav se lahko encimski kofaktorji med katalizo spremenijo, se le ti vedno vrnejo v prvotno stanje po katalizi. Kovinska mikrohranila prevzamejo organizmi s posebnimi transporterji in se vežejo na skladiščne proteine, kot sta feritin ali metalotionein (MT), ko niso aktivni.[22][23] Kobalt je nujen za delovanje vitamina B12.[24]

=== Spojine glavnih skupin periodnega sistema ===
Mnogi drugi elementi poleg kovin so bioaktivni. Žveplo in fosfor nujno potrebujejo vsa živa bitja. Fosfor praktično izključno obstaja kot fosfat oz. v obliki njegovih različnih estrov. Žveplo obstaja v različnih oksidacijskih stanjih, od sulfata (SO42−) do sulfida (S2−). Selen je element v sledovih, ki pa pomembeno sodeluje pri beljakovinah, ki so antioksidanti. Kadmij je pomemben zaradi svoje toksičnosti.[25]

== Glej tudi ==
[[Fiziologija]]

[[Kofaktor]]

[[Metabolizem železa]]

== Reference ==
1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5

2. Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (2021-03-31). "Interweaving Disciplines to Advance Chemistry: Applying Polyoxometalates in Biology" (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inor gchem.1c00125). ''Inorganic Chemistry:'' acs.inorgchem.1c00125. doi:10.1021/acs.inorgchem.1c00125 (https://doi.org/10.1021%2Facs.inorgchem.1c00125). ISSN 0020-16 9 (https://www.worldcat.org/issn/0020-1669). PMC 8154434 (https://www.ncb i.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8154434).

3. Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models". ''American Journal of Physiology.'' '''261''' (2 Pt 1): E190–8. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 (https://doi.org/10.1152%2Fajpendo.1991.261.2.E19 0). PMID 18723 1 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1872381).

4. Maret, Wolfgang (2017). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity". In Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (eds.). ''Lead: Its Effects on Environment and Health.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20. doi:10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID 28731294.

5. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., eds. (2010). ''Organometallics in Environment and Toxicology.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.

6. Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (March 2018). "In vitro leishmanicidal and trypanocidal evaluation and magnetic properties of 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II) complexes". ''Journal of Inorganic Biochemistry.'' '''180''': 26–32. doi:10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID 29227923.

7. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, ed. (2008). ''Biomineralization: From Nature to Application.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.

8. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). ''On biomineralization.'' Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.

9. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). ''Biominerals and fossils through time.'' Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.

10. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". ''J Histochem Cytochem.'' '''11''' (6): 799–803. doi:10.1177/11.6.799. Archived from the original on 2012-08-02.

11. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification" (https://epic.awi.de/id/epri nt/13015/1/Sch2004bl.pdf) (PDF). ''Nature.'' '''430''' (7000): 673–676.
Bibcode:2004Natur.430..673S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Natur.430..673S).
doi:10.1038/nature02631 (https://doi.org/10.1038%2Fnature02631). PMID 15295599 (https:// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15295599).

12. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". ''Experimental and Toxicologic Pathology.'' '''45''' (5–6): 365–368. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X (https://doi.org/10.1016%2FS0940-2993%2 811%2980429-X). PMID 8312724 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8312724).

13. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pm c/articles/PMC2034539). ''BMC Evolutionary Biology.'' '''7''': 160. doi:10.1186/1471-2148-7-160 (https://doi.org/10.1186%2F1471-2148-7-160). PMC 2034539 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pmc/articles/PMC2034539). PMID 17845714 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17845714).

14. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). ''Chemistry of the Elements'' (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

15. Sychrová H (2004). "Yeast as a model organism to study transport and homeostasis of alkali metal cations" (http://www.biomed.cas.cz/physiolres/pdf/53%20Suppl%201/53_S91.pdf) (PDF). ''Physiol Res.'' 53 Suppl 1: S91–8. PMID 15119939 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1 5119939).

16. Levitan I (1988). "Modulation of ion channels in neurons and other cells". ''Annu Rev Neurosci.'' '''11''': 119–36. doi:10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 (https://doi.org/10.1146% 2Fannurev.ne.11.030188.001003). PMID 2452594 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/245259
4).

17. Dulhunty A (2006). "Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium". ''Clin Exp Pharmacol Physiol.'' '''33''' (9): 763–72. doi:10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID 16922804.

18. Dlouhy, Adrienne C.; Outten, Caryn E. (2013). "Chapter 8 The Iron Metallome in Eukaryotic Organisms". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 241–78. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584. PMID 23595675. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

19. Mahan D, Shields R (1998). "Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight". ''J Anim Sci.'' '''76''' (2): 506–12. doi:10.2527/1998.762506x. PMID 9498359. Archived from the original on 2011-04-30.

20. Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Elemental fingerprint analysis of barley (Hordeum vulgare) using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics". ''Anal Bioanal Chem.'' '''378''' (1): 171–82. doi:10.1007/s00216-003-2219-0. PMID 14551660.

21. Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". ''Science.'' '''300''' (5621): 931–6. Bibcode:2003Sci...300..931F. doi:10.1126/science.1085049. PMID 12738850. S2CID 14863354.

22. Cousins R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trafficking, and signals". ''J Biol Chem.'' '''281''' (34): 24085–9. doi:10.1074/jbc.R600011200. PMID 16793761.

23. Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Iron uptake and metabolism in the new millennium". ''Trends Cell Biol.'' '''17''' (2): 93–100. doi:10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID 17194590.

24. Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Chapter 10 Cobalt and Corrinoid Transport and Biochemistry". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 333–74. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

25. Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Cadmium in the Context of its Toxicity". In Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). ''Cadmium: From Toxicology to Essentiality.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 11. Springer. pp. 1–30.

== Literatura ==
- Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), ''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 "Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." 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

- J.J.R. Fraústo da Silva and R.J.P. 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., ed., ''Physical Methods in Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

== Zunanje povezave ==
> The Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC)'s: https://www.sbichem.org/

> The French Bioinorganic Chemistry Society: http://frenchbic.cnrs.fr/

> Glossary of Terms in Bioinorganic Chemistry: https://web.archive.org/web/20050204054913/http://www.chem.qmw.ac.uk/iupac/bioinorg/

> Metal Coordination Groups in Proteins by Marjorie Harding: https://web.archive.org/web/20140603015531/http://tanna.bch.ed.ac.uk/

> European Bioinformatics Institute: https://www.ebi.ac.uk/

> MetalPDB: A database of metal sites in biomolecular structures: https://metalpdb.cerm.unifi.it/

Bioanorganska kemija

2023-01-04T22:50:12Z

Jaka Prelog: /* Bioorganokovinska kemija */

''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry

'''Bioanorganska kemija''' je področje, ki proučuje vlogo kovin v biologiji. Obravnava tako naravne pojave, kot je denimo obnašanje kovinskih proteinov oz. metaloproteinov, kot tudi umetno vnesene kovine, vključno s tistimi, ki niso bistvene v medicini in toksikologiji. Veliko bioloških procesov, kot je recimo dihanje, je odvisnih od molekul, ki jih uvrščamo v področje anorganske kemije. To področje raziskuje tudi anorganske modele oz. mimetike, ki oponašajo obnašanje metaloproteinov.[1]

Kot mešanica biokemije in anorganske kemije je bioanorganska kemija pomembna v pojasnjevanju udeležbe elektron-transfer proteinov, vezave substrata in njegove aktivacije, kemije prenosa atomov in skupin, kot tudi lastnosti kovin v biološki kemiji. Uspešen razvoj interdisciplinarnega dela je ključen za napredek bioanorgaske kemije.[2]

== Sestava živih organizmov ==
Približno 99 % mase sesalcev predstavljajo elementi ogljik, dušik, kalcij, natrij, klor, kalij, vodik, fosfor, kisik in žveplo. Organske spojine (proteini, lipidi in ogljikovi hidrati) večinoma vsebujejo ogljik in dušik, večina kisika in vodika pa je prisotna v obliki vode.[3] Celoten nabor kovin vsebujočih biomolekul v celici proučuje ''metalomika''.

== Zgodovina ==
Paul Ehrlich je uporabljal organoarzene (“arzenike”) za zdravljenje sifilisa, s čimer je pokazal pomembnost kovin oz. polkovin za medicino, ki se je razcvetela z Rosenbergovim odkritjem proti rakavega delovanja cisplatina (''cis''-PtCl2(NH3)2). Prvi protein, ki jim ga je uspelo kristalizrati, je bila ureaza, za katero se je kasneje izkazalo, da vsebuje nikelj kot aktivno mesto. Vitamin B12, zdravilo za perniciozno anemijo, je kristalografsko predstavila Dorothy Crowfoot Hodgkin. Kristalografsko je dokazala, da makrociklični corrin vsebuje kobalt. Watson-Crickova oblika DNA predstavlja ključno strukturno vlogo polimerov, ki vsebujejo fosfat.

== Teme v bioanorganski kemiji ==
V bioanorganski kemiji je mogoče prepoznati več različnih sistemov. Glavna področja so:

=== Transport in hramba kovinskih ionov ===
Raznovrsten nabor transportnih sredstev (npr. ionska črpalka Na+/K+ ATPaza), vakuole, shranjevalni proteini (npr. feritin) in majhne molekule (npr. sideroforji) so zadolženi za uravnavanje koncentracije kovinskih ionov in njihovo biodostopnost v živih organizmih. Ključno je, da mnogo esencialnih kovin ni zlahka dostopnih proteinom v končni fazi zaradi slabe topnosti v vodnih raztopinah oz. deficitarnega celičnega okolja. Organizmi so razvili različne strategije za zbiranje in transport teh elementov, poleg tega tudi omejijo njihovo citotoksičnost.

=== Encimatika ===
Številne reakcije v raznovrstnih vedah o življenju vključujejo vodo in kovinske ione, ki so pogosto v katalitskih centrih (tj. aktivnih mestih) encimov, kot so to npr. kovinski proteini. Voda, ki nastopa pri reakcijah, pogosto reagira kot ligand (kovinski akva kompleksi). Primeri encimov hidrolaz so ogljikove anhidraze, kovinske fosfataze in kovinske proteinaze. Bioanorganski kemiki si prizadevajo razumeti in reproducirati vlogo teh kovinskih proteinov.
Pogosti so tudi kovinski proteini, ki so sposobni prenašati elektrone. Lahko jih porazdelimo v tri večje razrede: železo-žveplovi proteini (kot so npr. rubredoksini, ferodoksini in Rieske protein), modri bakrovi proteini in citokromi. Ti proteini, ki prenašajo elektrone, so komplementarni nekovinskim elektronskim prenašalcem, kot sta npr. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) in flavin adenin dinukleotid (FAD). Tudi dušikov cikel v veliki meri uporablja kovine za medsebojne redoks pretvorbe.

''Slika 1:'' 4Fe-4S klastri kot prenašalci elektronov v proteinih. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/FdRedox.png/1024px-FdRedox.png]

=== Toksičnost ===
Nekateri kovinski ioni so strupeni za ljudi in mnoge živali. V povezavi s toksičnostjo svinca je bila pregledana bioanorganska kemija svinca.[4]

=== Transport kisika in aktivacija proteinov ===
Aerobno življenje izdatno uporablja kovine kot so železo, baker in mangan. Hem je v rdečih krvničkah v obliki hemoglobina za transport kisika in je morda najbolj prepoznaven kovinski sistem v biologiji. Drugi transporti kisika vključujejo mioglobin, hemocianin in hemeritrin. Oksidaze in oksigenaze so kovinski sistemi, ki jih najdemo po vsej naravi in izkoriščajo kisik za izvajanje pomembnih reakcij, kot je na primer proizvodnja energije v citokrom c oksidazi ali pa oksidacija majhnih molekul v citokrom P450 oksidazah oziroma metan monooksigenazi. Nekateri kovinski proteini so zasnovani za zaščito biološkega sistema pred potencialno škodljivimi vplivi kisika in drugih reaktivnih molekul, ki vsebujejo kisik, kot je recimo vodikov peroksid. Ti sistemi vključujejo peroksidaze, katalaze in superoksid dismutaze. Komplementarni kovinski protein je kompleks, ki je prisoten v rastlinah in sprošča kisik tam, kjer je kisik za potek reakcij potreben. Ta sistem je del kompleksnega proteinskega mehanizma, ki rastlinam služi za proizvodnjo kisika med fotosintezo.

=== Bioorganokovinska kemija ===
Bioorganokovinski sistemi so sistemi biološko aktivnih molekul, ki vsebujejo ogljik, vezan neposredno na kovino oz. polkovino. Vez kovina–ogljik lahko v sistemu nastopa kot strukturni element ali kot intermediat. Bioorganokovinski encimi in proteini vključujejo hidrogenaze, kofaktor FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze in metilkobalamin. To so primeri naravno prisotnih organokovinskih spojin. Področje bioorganokovinske kemije je pretežno osredotočeno na uporabo kovin s strani enoceličnih organizmov. Bioorganokovinske spojine so pomembne predvsem v kemiji okolja.[5]

''Slika 2:'' Mioglobin je pomembna tema v bioanorganski kemiji, z določeno pozornostjo na železo-hem kompleks, ki je zasidran na protein. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Myoglobin.png/800px-Myoglobin.png]

''Slika 3:'' Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/FeMoco_cluster.svg/800px-FeMoco_cluster.svg.png]

=== Kovine v medicini ===
Številna zdravila vsebujejo kovine. Ta tema se opira na preučevanje zasnove in mehanizma delovanja farmacevtskih izdelkov, ki vsebujejo kovine in spojin, ki medsebojno delujejo z endogenimi kovinskimi ioni na encimsko aktivnih mestih. Najbolj razširjeno zdravilo proti raku je cisplatin. Kontrastna sredstva za MRI običajno vsebujejo gadolinij. Litijev karbonat se uporablja za zdravljenje manične faze bipolarne motnje. Komercializirana protiartritična zdravila, ki vsebujejo zlato, npr. auranofin. CORMs (molekule, ki sproščajo ogljikov monoksid), so kovinski kompleksi, ki so bili razviti za zatiranje vnetja s sproščanjem majhnih količin ogljikovega monoksida. Preučen je bil kardiovaskularni in nevronski pomen dušikovega oksida, vključno z encimom NO sintaze. (Glejte tudi: asimilacija dušika.) Poleg tega so bili kovinski prehodni kompleksi na osnovi triazolopirimidinov testirani proti več sevom parazitov.[6]

=== Kemija okolja ===
Kemija okolja tradicionalno poudarja interakcijo težkih kovin z organizmi. Metilirano živo srebro je povzročilo veliko katastrofo, imenovano Minamatska bolezen. Zastrupitev z arzenom je zelo razširjena težava, predvsem zaradi onesnaženja podzemne vode z arzenom, ki prizadene več milijonov ljudi v državah v razvoju. Presnova spojin, ki vsebujejo živo srebro in arzen, vključuje encime na osnovi kobalamina.

=== Biomineralizacija ===
Biomineralizacija je proces, s katerim živi organizmi proizvajajo minerale, pogosto za trdnost ali utrjevanje obstoječih tkiv. Takšna tkiva imenujemo mineralizirana tkiva.[7][8][9] Primeri vključujejo silikate v kremenastih algah, karbonate v nevretenčarjih ter kalcijeve fosfate in karbonate v vretenčarjih. Drugi primeri vključujejo nahajališča bakra, železa in zlata, ki vsebujejo bakterije. Biološko oblikovani minerali imajo pogosto posebne namene, kot so magnetni senzorji v magnetotaktičnih bakterijah (Fe3O4), naprave za zaznavanje gravitacije (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ter shranjevanje in mobilizacija železa (Fe2O3•H2O v proteinu feritinu). Ker je zunajcelično[10] železo močno vključeno v indukcijo kalcifikacije[11][12], je njegov nadzor bistvenega pomena pri razvoju lupin; beljakovina feritin ima pomembno vlogo pri nadzoru porazdelitve železa.[13]

== Vrste anorganskih substanc v biologiji ==

=== Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine ===
Bogati anorganski elementi delujejo kot ionski elektroliti. Najpomembnejši ioni so natrij, kalij, kalcij, magnezij, klorid, fosfat in bikarbonat. Osmotski tlak in pH se ohranjata z vzdrževanjem natančnih gradientov čez celične membrane.[15] Ioni so ključni tudi za živce in mišice, saj akcijski potencial v teh tkivih nastane z izmenjavo elektrolitov med zunajcelično tekočino in citosolom.[16] Elektroliti vstopajo v celice in jih zapuščajo skozi beljakovine v celični membrani, imenovane ionski kanalčki. Na primer, krčenje mišic je odvisno od migracije kalcija, natrija in kalija skozi ionske kanalčke v celični membrani in T-tubulih.[17]

''Slika 4:'' Tako kot mnogi antibiotiki je tudi monenzin-A ionofor, ki tesno veže Na+ (na sliki prikazano rumeno).[14]
[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Monensin2.png]

=== Prehodne kovine ===
Prehodne kovine so v organizmih navadno prisotne kot elementi v sledovih za razliko od cinka in železa, ki ju je v organizmih največ.[18][19][20] Te kovine se uporabljajo kot proteinski kofaktorji in signalne molekule. Mnogi so nujni za delovanje encimov, kot je katalaza, in beljakovin, ki prenašajo kisik, kot je recimo hemoglobin.[21] Ti kofaktorji so tesno povezani s specifičnim proteinom. Čeprav se lahko encimski kofaktorji med katalizo spremenijo, se le ti vedno vrnejo v prvotno stanje po katalizi. Kovinska mikrohranila prevzamejo organizmi s posebnimi transporterji in se vežejo na skladiščne proteine, kot sta feritin ali metalotionein (MT), ko niso aktivni.[22][23] Kobalt je nujen za delovanje vitamina B12.[24]

=== Spojine glavnih skupin periodnega sistema ===
Mnogi drugi elementi poleg kovin so bioaktivni. Žveplo in fosfor nujno potrebujejo vsa živa bitja. Fosfor praktično izključno obstaja kot fosfat oz. v obliki njegovih različnih estrov. Žveplo obstaja v različnih oksidacijskih stanjih, od sulfata (SO42−) do sulfida (S2−). Selen je element v sledovih, ki pa pomembeno sodeluje pri beljakovinah, ki so antioksidanti. Kadmij je pomemben zaradi svoje toksičnosti.[25]

== Glej tudi ==
[[Fiziologija]]

[[Kofaktor]]

[[Metabolizem železa]]

== Reference ==
1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5

2. Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (2021-03-31). "Interweaving Disciplines to Advance Chemistry: Applying Polyoxometalates in Biology" (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inor gchem.1c00125). ''Inorganic Chemistry:'' acs.inorgchem.1c00125. doi:10.1021/acs.inorgchem.1c00125 (https://doi.org/10.1021%2Facs.inorgchem.1c00125). ISSN 0020-16 9 (https://www.worldcat.org/issn/0020-1669). PMC 8154434 (https://www.ncb i.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8154434).

3. Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models". ''American Journal of Physiology.'' '''261''' (2 Pt 1): E190–8. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 (https://doi.org/10.1152%2Fajpendo.1991.261.2.E19 0). PMID 18723 1 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1872381).

4. Maret, Wolfgang (2017). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity". In Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (eds.). ''Lead: Its Effects on Environment and Health.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20. doi:10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID 28731294.

5. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., eds. (2010). ''Organometallics in Environment and Toxicology.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.

6. Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (March 2018). "In vitro leishmanicidal and trypanocidal evaluation and magnetic properties of 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II) complexes". ''Journal of Inorganic Biochemistry.'' '''180''': 26–32. doi:10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID 29227923.

7. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, ed. (2008). ''Biomineralization: From Nature to Application.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.

8. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). ''On biomineralization.'' Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.

9. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). ''Biominerals and fossils through time.'' Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.

10. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". ''J Histochem Cytochem.'' '''11''' (6): 799–803. doi:10.1177/11.6.799. Archived from the original on 2012-08-02.

11. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification" (https://epic.awi.de/id/epri nt/13015/1/Sch2004bl.pdf) (PDF). ''Nature.'' '''430''' (7000): 673–676.
Bibcode:2004Natur.430..673S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Natur.430..673S).
doi:10.1038/nature02631 (https://doi.org/10.1038%2Fnature02631). PMID 15295599 (https:// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15295599).

12. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". ''Experimental and Toxicologic Pathology.'' '''45''' (5–6): 365–368. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X (https://doi.org/10.1016%2FS0940-2993%2 811%2980429-X). PMID 8312724 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8312724).

13. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pm c/articles/PMC2034539). ''BMC Evolutionary Biology.'' '''7''': 160. doi:10.1186/1471-2148-7-160 (https://doi.org/10.1186%2F1471-2148-7-160). PMC 2034539 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pmc/articles/PMC2034539). PMID 17845714 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17845714).

14. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). ''Chemistry of the Elements'' (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

15. Sychrová H (2004). "Yeast as a model organism to study transport and homeostasis of alkali metal cations" (http://www.biomed.cas.cz/physiolres/pdf/53%20Suppl%201/53_S91.pdf) (PDF). ''Physiol Res.'' 53 Suppl 1: S91–8. PMID 15119939 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1 5119939).

16. Levitan I (1988). "Modulation of ion channels in neurons and other cells". ''Annu Rev Neurosci.'' '''11''': 119–36. doi:10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 (https://doi.org/10.1146% 2Fannurev.ne.11.030188.001003). PMID 2452594 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/245259
4).

17. Dulhunty A (2006). "Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium". ''Clin Exp Pharmacol Physiol.'' '''33''' (9): 763–72. doi:10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID 16922804.

18. Dlouhy, Adrienne C.; Outten, Caryn E. (2013). "Chapter 8 The Iron Metallome in Eukaryotic Organisms". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 241–78. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584. PMID 23595675. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

19. Mahan D, Shields R (1998). "Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight". ''J Anim Sci.'' '''76''' (2): 506–12. doi:10.2527/1998.762506x. PMID 9498359. Archived from the original on 2011-04-30.

20. Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Elemental fingerprint analysis of barley (Hordeum vulgare) using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics". ''Anal Bioanal Chem.'' '''378''' (1): 171–82. doi:10.1007/s00216-003-2219-0. PMID 14551660.

21. Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". ''Science.'' '''300''' (5621): 931–6. Bibcode:2003Sci...300..931F. doi:10.1126/science.1085049. PMID 12738850. S2CID 14863354.

22. Cousins R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trafficking, and signals". ''J Biol Chem.'' '''281''' (34): 24085–9. doi:10.1074/jbc.R600011200. PMID 16793761.

23. Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Iron uptake and metabolism in the new millennium". ''Trends Cell Biol.'' '''17''' (2): 93–100. doi:10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID 17194590.

24. Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Chapter 10 Cobalt and Corrinoid Transport and Biochemistry". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 333–74. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

25. Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Cadmium in the Context of its Toxicity". In Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). ''Cadmium: From Toxicology to Essentiality.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 11. Springer. pp. 1–30.

== Literatura ==
- Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), ''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 "Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." 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

- J.J.R. Fraústo da Silva and R.J.P. 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., ed., ''Physical Methods in Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

== Zunanje povezave ==
> The Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC)'s: https://www.sbichem.org/

> The French Bioinorganic Chemistry Society: http://frenchbic.cnrs.fr/

> Glossary of Terms in Bioinorganic Chemistry: https://web.archive.org/web/20050204054913/http://www.chem.qmw.ac.uk/iupac/bioinorg/

> Metal Coordination Groups in Proteins by Marjorie Harding: https://web.archive.org/web/20140603015531/http://tanna.bch.ed.ac.uk/

> European Bioinformatics Institute: https://www.ebi.ac.uk/

> MetalPDB: A database of metal sites in biomolecular structures: https://metalpdb.cerm.unifi.it/

Bioanorganska kemija

2023-01-04T22:49:42Z

Jaka Prelog: /* Toksičnost */

''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry

'''Bioanorganska kemija''' je področje, ki proučuje vlogo kovin v biologiji. Obravnava tako naravne pojave, kot je denimo obnašanje kovinskih proteinov oz. metaloproteinov, kot tudi umetno vnesene kovine, vključno s tistimi, ki niso bistvene v medicini in toksikologiji. Veliko bioloških procesov, kot je recimo dihanje, je odvisnih od molekul, ki jih uvrščamo v področje anorganske kemije. To področje raziskuje tudi anorganske modele oz. mimetike, ki oponašajo obnašanje metaloproteinov.[1]

Kot mešanica biokemije in anorganske kemije je bioanorganska kemija pomembna v pojasnjevanju udeležbe elektron-transfer proteinov, vezave substrata in njegove aktivacije, kemije prenosa atomov in skupin, kot tudi lastnosti kovin v biološki kemiji. Uspešen razvoj interdisciplinarnega dela je ključen za napredek bioanorgaske kemije.[2]

== Sestava živih organizmov ==
Približno 99 % mase sesalcev predstavljajo elementi ogljik, dušik, kalcij, natrij, klor, kalij, vodik, fosfor, kisik in žveplo. Organske spojine (proteini, lipidi in ogljikovi hidrati) večinoma vsebujejo ogljik in dušik, večina kisika in vodika pa je prisotna v obliki vode.[3] Celoten nabor kovin vsebujočih biomolekul v celici proučuje ''metalomika''.

== Zgodovina ==
Paul Ehrlich je uporabljal organoarzene (“arzenike”) za zdravljenje sifilisa, s čimer je pokazal pomembnost kovin oz. polkovin za medicino, ki se je razcvetela z Rosenbergovim odkritjem proti rakavega delovanja cisplatina (''cis''-PtCl2(NH3)2). Prvi protein, ki jim ga je uspelo kristalizrati, je bila ureaza, za katero se je kasneje izkazalo, da vsebuje nikelj kot aktivno mesto. Vitamin B12, zdravilo za perniciozno anemijo, je kristalografsko predstavila Dorothy Crowfoot Hodgkin. Kristalografsko je dokazala, da makrociklični corrin vsebuje kobalt. Watson-Crickova oblika DNA predstavlja ključno strukturno vlogo polimerov, ki vsebujejo fosfat.

== Teme v bioanorganski kemiji ==
V bioanorganski kemiji je mogoče prepoznati več različnih sistemov. Glavna področja so:

=== Transport in hramba kovinskih ionov ===
Raznovrsten nabor transportnih sredstev (npr. ionska črpalka Na+/K+ ATPaza), vakuole, shranjevalni proteini (npr. feritin) in majhne molekule (npr. sideroforji) so zadolženi za uravnavanje koncentracije kovinskih ionov in njihovo biodostopnost v živih organizmih. Ključno je, da mnogo esencialnih kovin ni zlahka dostopnih proteinom v končni fazi zaradi slabe topnosti v vodnih raztopinah oz. deficitarnega celičnega okolja. Organizmi so razvili različne strategije za zbiranje in transport teh elementov, poleg tega tudi omejijo njihovo citotoksičnost.

=== Encimatika ===
Številne reakcije v raznovrstnih vedah o življenju vključujejo vodo in kovinske ione, ki so pogosto v katalitskih centrih (tj. aktivnih mestih) encimov, kot so to npr. kovinski proteini. Voda, ki nastopa pri reakcijah, pogosto reagira kot ligand (kovinski akva kompleksi). Primeri encimov hidrolaz so ogljikove anhidraze, kovinske fosfataze in kovinske proteinaze. Bioanorganski kemiki si prizadevajo razumeti in reproducirati vlogo teh kovinskih proteinov.
Pogosti so tudi kovinski proteini, ki so sposobni prenašati elektrone. Lahko jih porazdelimo v tri večje razrede: železo-žveplovi proteini (kot so npr. rubredoksini, ferodoksini in Rieske protein), modri bakrovi proteini in citokromi. Ti proteini, ki prenašajo elektrone, so komplementarni nekovinskim elektronskim prenašalcem, kot sta npr. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) in flavin adenin dinukleotid (FAD). Tudi dušikov cikel v veliki meri uporablja kovine za medsebojne redoks pretvorbe.

''Slika 1:'' 4Fe-4S klastri kot prenašalci elektronov v proteinih. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/FdRedox.png/1024px-FdRedox.png]

=== Toksičnost ===
Nekateri kovinski ioni so strupeni za ljudi in mnoge živali. V povezavi s toksičnostjo svinca je bila pregledana bioanorganska kemija svinca.[4]

=== Transport kisika in aktivacija proteinov ===
Aerobno življenje izdatno uporablja kovine kot so železo, baker in mangan. Hem je v rdečih krvničkah v obliki hemoglobina za transport kisika in je morda najbolj prepoznaven kovinski sistem v biologiji. Drugi transporti kisika vključujejo mioglobin, hemocianin in hemeritrin. Oksidaze in oksigenaze so kovinski sistemi, ki jih najdemo po vsej naravi in izkoriščajo kisik za izvajanje pomembnih reakcij, kot je na primer proizvodnja energije v citokrom c oksidazi ali pa oksidacija majhnih molekul v citokrom P450 oksidazah oziroma metan monooksigenazi. Nekateri kovinski proteini so zasnovani za zaščito biološkega sistema pred potencialno škodljivimi vplivi kisika in drugih reaktivnih molekul, ki vsebujejo kisik, kot je recimo vodikov peroksid. Ti sistemi vključujejo peroksidaze, katalaze in superoksid dismutaze. Komplementarni kovinski protein je kompleks, ki je prisoten v rastlinah in sprošča kisik tam, kjer je kisik za potek reakcij potreben. Ta sistem je del kompleksnega proteinskega mehanizma, ki rastlinam služi za proizvodnjo kisika med fotosintezo.

=== Bioorganokovinska kemija ===
Bioorganokovinski sistemi so sistemi biološko aktivnih molekul, ki vsebujejo ogljik, vezan neposredno na kovino oz. polkovino. Vez kovina–ogljik lahko v sistemu nastopa kot strukturni element ali kot intermediat. Bioorganokovinski encimi in proteini vključujejo hidrogenaze, kofaktor FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze in metilkobalamin. To so primeri naravno prisotnih organokovinskih spojin. Področje bioorganokovinske kemije je pretežno osredotočeno na uporabo kovin s strani enoceličnih organizmov. Bioorganokovinske spojine so pomembne predvsem v kemiji okolja.[5]

''Slika 2:'' Mioglobin je pomembna tema v bioanorganski kemiji, z določeno pozornostjo na železo-hem kompleks, ki je zasidran na protein. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Myoglobin.png/800px-Myoglobin.png]

''Slika 3:'' Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/FeMoco_cluster.svg/800px-FeMoco_cluster.svg.png]

=== Kovine v medicini ===
Številna zdravila vsebujejo kovine. Ta tema se opira na preučevanje zasnove in mehanizma delovanja farmacevtskih izdelkov, ki vsebujejo kovine in spojin, ki medsebojno delujejo z endogenimi kovinskimi ioni na encimsko aktivnih mestih. Najbolj razširjeno zdravilo proti raku je cisplatin. Kontrastna sredstva za MRI običajno vsebujejo gadolinij. Litijev karbonat se uporablja za zdravljenje manične faze bipolarne motnje. Komercializirana protiartritična zdravila, ki vsebujejo zlato, npr. auranofin. CORMs (molekule, ki sproščajo ogljikov monoksid), so kovinski kompleksi, ki so bili razviti za zatiranje vnetja s sproščanjem majhnih količin ogljikovega monoksida. Preučen je bil kardiovaskularni in nevronski pomen dušikovega oksida, vključno z encimom NO sintaze. (Glejte tudi: asimilacija dušika.) Poleg tega so bili kovinski prehodni kompleksi na osnovi triazolopirimidinov testirani proti več sevom parazitov.[6]

=== Kemija okolja ===
Kemija okolja tradicionalno poudarja interakcijo težkih kovin z organizmi. Metilirano živo srebro je povzročilo veliko katastrofo, imenovano Minamatska bolezen. Zastrupitev z arzenom je zelo razširjena težava, predvsem zaradi onesnaženja podzemne vode z arzenom, ki prizadene več milijonov ljudi v državah v razvoju. Presnova spojin, ki vsebujejo živo srebro in arzen, vključuje encime na osnovi kobalamina.

=== Biomineralizacija ===
Biomineralizacija je proces, s katerim živi organizmi proizvajajo minerale, pogosto za trdnost ali utrjevanje obstoječih tkiv. Takšna tkiva imenujemo mineralizirana tkiva.[7][8][9] Primeri vključujejo silikate v kremenastih algah, karbonate v nevretenčarjih ter kalcijeve fosfate in karbonate v vretenčarjih. Drugi primeri vključujejo nahajališča bakra, železa in zlata, ki vsebujejo bakterije. Biološko oblikovani minerali imajo pogosto posebne namene, kot so magnetni senzorji v magnetotaktičnih bakterijah (Fe3O4), naprave za zaznavanje gravitacije (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ter shranjevanje in mobilizacija železa (Fe2O3•H2O v proteinu feritinu). Ker je zunajcelično[10] železo močno vključeno v indukcijo kalcifikacije[11][12], je njegov nadzor bistvenega pomena pri razvoju lupin; beljakovina feritin ima pomembno vlogo pri nadzoru porazdelitve železa.[13]

== Vrste anorganskih substanc v biologiji ==

=== Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine ===
Bogati anorganski elementi delujejo kot ionski elektroliti. Najpomembnejši ioni so natrij, kalij, kalcij, magnezij, klorid, fosfat in bikarbonat. Osmotski tlak in pH se ohranjata z vzdrževanjem natančnih gradientov čez celične membrane.[15] Ioni so ključni tudi za živce in mišice, saj akcijski potencial v teh tkivih nastane z izmenjavo elektrolitov med zunajcelično tekočino in citosolom.[16] Elektroliti vstopajo v celice in jih zapuščajo skozi beljakovine v celični membrani, imenovane ionski kanalčki. Na primer, krčenje mišic je odvisno od migracije kalcija, natrija in kalija skozi ionske kanalčke v celični membrani in T-tubulih.[17]

''Slika 4:'' Tako kot mnogi antibiotiki je tudi monenzin-A ionofor, ki tesno veže Na+ (na sliki prikazano rumeno).[14]
[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Monensin2.png]

=== Prehodne kovine ===
Prehodne kovine so v organizmih navadno prisotne kot elementi v sledovih za razliko od cinka in železa, ki ju je v organizmih največ.[18][19][20] Te kovine se uporabljajo kot proteinski kofaktorji in signalne molekule. Mnogi so nujni za delovanje encimov, kot je katalaza, in beljakovin, ki prenašajo kisik, kot je recimo hemoglobin.[21] Ti kofaktorji so tesno povezani s specifičnim proteinom. Čeprav se lahko encimski kofaktorji med katalizo spremenijo, se le ti vedno vrnejo v prvotno stanje po katalizi. Kovinska mikrohranila prevzamejo organizmi s posebnimi transporterji in se vežejo na skladiščne proteine, kot sta feritin ali metalotionein (MT), ko niso aktivni.[22][23] Kobalt je nujen za delovanje vitamina B12.[24]

=== Spojine glavnih skupin periodnega sistema ===
Mnogi drugi elementi poleg kovin so bioaktivni. Žveplo in fosfor nujno potrebujejo vsa živa bitja. Fosfor praktično izključno obstaja kot fosfat oz. v obliki njegovih različnih estrov. Žveplo obstaja v različnih oksidacijskih stanjih, od sulfata (SO42−) do sulfida (S2−). Selen je element v sledovih, ki pa pomembeno sodeluje pri beljakovinah, ki so antioksidanti. Kadmij je pomemben zaradi svoje toksičnosti.[25]

== Glej tudi ==
[[Fiziologija]]

[[Kofaktor]]

[[Metabolizem železa]]

== Reference ==
1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5

2. Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (2021-03-31). "Interweaving Disciplines to Advance Chemistry: Applying Polyoxometalates in Biology" (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inor gchem.1c00125). ''Inorganic Chemistry:'' acs.inorgchem.1c00125. doi:10.1021/acs.inorgchem.1c00125 (https://doi.org/10.1021%2Facs.inorgchem.1c00125). ISSN 0020-16 9 (https://www.worldcat.org/issn/0020-1669). PMC 8154434 (https://www.ncb i.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8154434).

3. Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models". ''American Journal of Physiology.'' '''261''' (2 Pt 1): E190–8. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 (https://doi.org/10.1152%2Fajpendo.1991.261.2.E19 0). PMID 18723 1 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1872381).

4. Maret, Wolfgang (2017). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity". In Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (eds.). ''Lead: Its Effects on Environment and Health.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20. doi:10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID 28731294.

5. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., eds. (2010). ''Organometallics in Environment and Toxicology.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.

6. Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (March 2018). "In vitro leishmanicidal and trypanocidal evaluation and magnetic properties of 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II) complexes". ''Journal of Inorganic Biochemistry.'' '''180''': 26–32. doi:10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID 29227923.

7. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, ed. (2008). ''Biomineralization: From Nature to Application.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.

8. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). ''On biomineralization.'' Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.

9. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). ''Biominerals and fossils through time.'' Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.

10. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". ''J Histochem Cytochem.'' '''11''' (6): 799–803. doi:10.1177/11.6.799. Archived from the original on 2012-08-02.

11. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification" (https://epic.awi.de/id/epri nt/13015/1/Sch2004bl.pdf) (PDF). ''Nature.'' '''430''' (7000): 673–676.
Bibcode:2004Natur.430..673S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Natur.430..673S).
doi:10.1038/nature02631 (https://doi.org/10.1038%2Fnature02631). PMID 15295599 (https:// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15295599).

12. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". ''Experimental and Toxicologic Pathology.'' '''45''' (5–6): 365–368. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X (https://doi.org/10.1016%2FS0940-2993%2 811%2980429-X). PMID 8312724 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8312724).

13. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pm c/articles/PMC2034539). ''BMC Evolutionary Biology.'' '''7''': 160. doi:10.1186/1471-2148-7-160 (https://doi.org/10.1186%2F1471-2148-7-160). PMC 2034539 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pmc/articles/PMC2034539). PMID 17845714 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17845714).

14. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). ''Chemistry of the Elements'' (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

15. Sychrová H (2004). "Yeast as a model organism to study transport and homeostasis of alkali metal cations" (http://www.biomed.cas.cz/physiolres/pdf/53%20Suppl%201/53_S91.pdf) (PDF). ''Physiol Res.'' 53 Suppl 1: S91–8. PMID 15119939 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1 5119939).

16. Levitan I (1988). "Modulation of ion channels in neurons and other cells". ''Annu Rev Neurosci.'' '''11''': 119–36. doi:10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 (https://doi.org/10.1146% 2Fannurev.ne.11.030188.001003). PMID 2452594 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/245259
4).

17. Dulhunty A (2006). "Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium". ''Clin Exp Pharmacol Physiol.'' '''33''' (9): 763–72. doi:10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID 16922804.

18. Dlouhy, Adrienne C.; Outten, Caryn E. (2013). "Chapter 8 The Iron Metallome in Eukaryotic Organisms". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 241–78. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584. PMID 23595675. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

19. Mahan D, Shields R (1998). "Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight". ''J Anim Sci.'' '''76''' (2): 506–12. doi:10.2527/1998.762506x. PMID 9498359. Archived from the original on 2011-04-30.

20. Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Elemental fingerprint analysis of barley (Hordeum vulgare) using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics". ''Anal Bioanal Chem.'' '''378''' (1): 171–82. doi:10.1007/s00216-003-2219-0. PMID 14551660.

21. Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". ''Science.'' '''300''' (5621): 931–6. Bibcode:2003Sci...300..931F. doi:10.1126/science.1085049. PMID 12738850. S2CID 14863354.

22. Cousins R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trafficking, and signals". ''J Biol Chem.'' '''281''' (34): 24085–9. doi:10.1074/jbc.R600011200. PMID 16793761.

23. Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Iron uptake and metabolism in the new millennium". ''Trends Cell Biol.'' '''17''' (2): 93–100. doi:10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID 17194590.

24. Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Chapter 10 Cobalt and Corrinoid Transport and Biochemistry". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 333–74. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

25. Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Cadmium in the Context of its Toxicity". In Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). ''Cadmium: From Toxicology to Essentiality.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 11. Springer. pp. 1–30.

== Literatura ==
- Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), ''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 "Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." 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

- J.J.R. Fraústo da Silva and R.J.P. 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., ed., ''Physical Methods in Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

== Zunanje povezave ==
> The Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC)'s: https://www.sbichem.org/

> The French Bioinorganic Chemistry Society: http://frenchbic.cnrs.fr/

> Glossary of Terms in Bioinorganic Chemistry: https://web.archive.org/web/20050204054913/http://www.chem.qmw.ac.uk/iupac/bioinorg/

> Metal Coordination Groups in Proteins by Marjorie Harding: https://web.archive.org/web/20140603015531/http://tanna.bch.ed.ac.uk/

> European Bioinformatics Institute: https://www.ebi.ac.uk/

> MetalPDB: A database of metal sites in biomolecular structures: https://metalpdb.cerm.unifi.it/

Bioanorganska kemija

2023-01-04T22:49:00Z

Jaka Prelog: /* Transport in hramba kovinskih ionov */

''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry

'''Bioanorganska kemija''' je področje, ki proučuje vlogo kovin v biologiji. Obravnava tako naravne pojave, kot je denimo obnašanje kovinskih proteinov oz. metaloproteinov, kot tudi umetno vnesene kovine, vključno s tistimi, ki niso bistvene v medicini in toksikologiji. Veliko bioloških procesov, kot je recimo dihanje, je odvisnih od molekul, ki jih uvrščamo v področje anorganske kemije. To področje raziskuje tudi anorganske modele oz. mimetike, ki oponašajo obnašanje metaloproteinov.[1]

Kot mešanica biokemije in anorganske kemije je bioanorganska kemija pomembna v pojasnjevanju udeležbe elektron-transfer proteinov, vezave substrata in njegove aktivacije, kemije prenosa atomov in skupin, kot tudi lastnosti kovin v biološki kemiji. Uspešen razvoj interdisciplinarnega dela je ključen za napredek bioanorgaske kemije.[2]

== Sestava živih organizmov ==
Približno 99 % mase sesalcev predstavljajo elementi ogljik, dušik, kalcij, natrij, klor, kalij, vodik, fosfor, kisik in žveplo. Organske spojine (proteini, lipidi in ogljikovi hidrati) večinoma vsebujejo ogljik in dušik, večina kisika in vodika pa je prisotna v obliki vode.[3] Celoten nabor kovin vsebujočih biomolekul v celici proučuje ''metalomika''.

== Zgodovina ==
Paul Ehrlich je uporabljal organoarzene (“arzenike”) za zdravljenje sifilisa, s čimer je pokazal pomembnost kovin oz. polkovin za medicino, ki se je razcvetela z Rosenbergovim odkritjem proti rakavega delovanja cisplatina (''cis''-PtCl2(NH3)2). Prvi protein, ki jim ga je uspelo kristalizrati, je bila ureaza, za katero se je kasneje izkazalo, da vsebuje nikelj kot aktivno mesto. Vitamin B12, zdravilo za perniciozno anemijo, je kristalografsko predstavila Dorothy Crowfoot Hodgkin. Kristalografsko je dokazala, da makrociklični corrin vsebuje kobalt. Watson-Crickova oblika DNA predstavlja ključno strukturno vlogo polimerov, ki vsebujejo fosfat.

== Teme v bioanorganski kemiji ==
V bioanorganski kemiji je mogoče prepoznati več različnih sistemov. Glavna področja so:

=== Transport in hramba kovinskih ionov ===
Raznovrsten nabor transportnih sredstev (npr. ionska črpalka Na+/K+ ATPaza), vakuole, shranjevalni proteini (npr. feritin) in majhne molekule (npr. sideroforji) so zadolženi za uravnavanje koncentracije kovinskih ionov in njihovo biodostopnost v živih organizmih. Ključno je, da mnogo esencialnih kovin ni zlahka dostopnih proteinom v končni fazi zaradi slabe topnosti v vodnih raztopinah oz. deficitarnega celičnega okolja. Organizmi so razvili različne strategije za zbiranje in transport teh elementov, poleg tega tudi omejijo njihovo citotoksičnost.

=== Encimatika ===
Številne reakcije v raznovrstnih vedah o življenju vključujejo vodo in kovinske ione, ki so pogosto v katalitskih centrih (tj. aktivnih mestih) encimov, kot so to npr. kovinski proteini. Voda, ki nastopa pri reakcijah, pogosto reagira kot ligand (kovinski akva kompleksi). Primeri encimov hidrolaz so ogljikove anhidraze, kovinske fosfataze in kovinske proteinaze. Bioanorganski kemiki si prizadevajo razumeti in reproducirati vlogo teh kovinskih proteinov.
Pogosti so tudi kovinski proteini, ki so sposobni prenašati elektrone. Lahko jih porazdelimo v tri večje razrede: železo-žveplovi proteini (kot so npr. rubredoksini, ferodoksini in Rieske protein), modri bakrovi proteini in citokromi. Ti proteini, ki prenašajo elektrone, so komplementarni nekovinskim elektronskim prenašalcem, kot sta npr. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) in flavin adenin dinukleotid (FAD). Tudi dušikov cikel v veliki meri uporablja kovine za medsebojne redoks pretvorbe.

''Slika 1:'' 4Fe-4S klastri kot prenašalci elektronov v proteinih. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/FdRedox.png/1024px-FdRedox.png]

=== Toksičnost ===
Nekateri kovinski ioni so strupeni za ljudi in mnoge živali. V povezavi s toksičnostjo svinca je bila pregledana bioanorganska kemija svinca.[4]

=== Transport kisika in aktivacija proteinov ===
Aerobno življenje izdatno uporablja kovine kot so železo, baker in mangan. Hem je v rdečih krvničkah v obliki hemoglobina za transport kisika in je morda najbolj prepoznaven kovinski sistem v biologiji. Drugi transporti kisika vključujejo mioglobin, hemocianin in hemeritrin. Oksidaze in oksigenaze so kovinski sistemi, ki jih najdemo po vsej naravi in izkoriščajo kisik za izvajanje pomembnih reakcij, kot je na primer proizvodnja energije v citokrom c oksidazi ali pa oksidacija majhnih molekul v citokrom P450 oksidazah oziroma metan monooksigenazi. Nekateri kovinski proteini so zasnovani za zaščito biološkega sistema pred potencialno škodljivimi vplivi kisika in drugih reaktivnih molekul, ki vsebujejo kisik, kot je recimo vodikov peroksid. Ti sistemi vključujejo peroksidaze, katalaze in superoksid dismutaze. Komplementarni kovinski protein je kompleks, ki je prisoten v rastlinah in sprošča kisik tam, kjer je kisik za potek reakcij potreben. Ta sistem je del kompleksnega proteinskega mehanizma, ki rastlinam služi za proizvodnjo kisika med fotosintezo.

=== Bioorganokovinska kemija ===
Bioorganokovinski sistemi so sistemi biološko aktivnih molekul, ki vsebujejo ogljik, vezan neposredno na kovino oz. polkovino. Vez kovina–ogljik lahko v sistemu nastopa kot strukturni element ali kot intermediat. Bioorganokovinski encimi in proteini vključujejo hidrogenaze, kofaktor FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze in metilkobalamin. To so primeri naravno prisotnih organokovinskih spojin. Področje bioorganokovinske kemije je pretežno osredotočeno na uporabo kovin s strani enoceličnih organizmov. Bioorganokovinske spojine so pomembne predvsem v kemiji okolja.[5]

''Slika 2:'' Mioglobin je pomembna tema v bioanorganski kemiji, z določeno pozornostjo na železo-hem kompleks, ki je zasidran na protein. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Myoglobin.png/800px-Myoglobin.png]

''Slika 3:'' Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/FeMoco_cluster.svg/800px-FeMoco_cluster.svg.png]

=== Kovine v medicini ===
Številna zdravila vsebujejo kovine. Ta tema se opira na preučevanje zasnove in mehanizma delovanja farmacevtskih izdelkov, ki vsebujejo kovine in spojin, ki medsebojno delujejo z endogenimi kovinskimi ioni na encimsko aktivnih mestih. Najbolj razširjeno zdravilo proti raku je cisplatin. Kontrastna sredstva za MRI običajno vsebujejo gadolinij. Litijev karbonat se uporablja za zdravljenje manične faze bipolarne motnje. Komercializirana protiartritična zdravila, ki vsebujejo zlato, npr. auranofin. CORMs (molekule, ki sproščajo ogljikov monoksid), so kovinski kompleksi, ki so bili razviti za zatiranje vnetja s sproščanjem majhnih količin ogljikovega monoksida. Preučen je bil kardiovaskularni in nevronski pomen dušikovega oksida, vključno z encimom NO sintaze. (Glejte tudi: asimilacija dušika.) Poleg tega so bili kovinski prehodni kompleksi na osnovi triazolopirimidinov testirani proti več sevom parazitov.[6]

=== Kemija okolja ===
Kemija okolja tradicionalno poudarja interakcijo težkih kovin z organizmi. Metilirano živo srebro je povzročilo veliko katastrofo, imenovano Minamatska bolezen. Zastrupitev z arzenom je zelo razširjena težava, predvsem zaradi onesnaženja podzemne vode z arzenom, ki prizadene več milijonov ljudi v državah v razvoju. Presnova spojin, ki vsebujejo živo srebro in arzen, vključuje encime na osnovi kobalamina.

=== Biomineralizacija ===
Biomineralizacija je proces, s katerim živi organizmi proizvajajo minerale, pogosto za trdnost ali utrjevanje obstoječih tkiv. Takšna tkiva imenujemo mineralizirana tkiva.[7][8][9] Primeri vključujejo silikate v kremenastih algah, karbonate v nevretenčarjih ter kalcijeve fosfate in karbonate v vretenčarjih. Drugi primeri vključujejo nahajališča bakra, železa in zlata, ki vsebujejo bakterije. Biološko oblikovani minerali imajo pogosto posebne namene, kot so magnetni senzorji v magnetotaktičnih bakterijah (Fe3O4), naprave za zaznavanje gravitacije (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ter shranjevanje in mobilizacija železa (Fe2O3•H2O v proteinu feritinu). Ker je zunajcelično[10] železo močno vključeno v indukcijo kalcifikacije[11][12], je njegov nadzor bistvenega pomena pri razvoju lupin; beljakovina feritin ima pomembno vlogo pri nadzoru porazdelitve železa.[13]

== Vrste anorganskih substanc v biologiji ==

=== Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine ===
Bogati anorganski elementi delujejo kot ionski elektroliti. Najpomembnejši ioni so natrij, kalij, kalcij, magnezij, klorid, fosfat in bikarbonat. Osmotski tlak in pH se ohranjata z vzdrževanjem natančnih gradientov čez celične membrane.[15] Ioni so ključni tudi za živce in mišice, saj akcijski potencial v teh tkivih nastane z izmenjavo elektrolitov med zunajcelično tekočino in citosolom.[16] Elektroliti vstopajo v celice in jih zapuščajo skozi beljakovine v celični membrani, imenovane ionski kanalčki. Na primer, krčenje mišic je odvisno od migracije kalcija, natrija in kalija skozi ionske kanalčke v celični membrani in T-tubulih.[17]

''Slika 4:'' Tako kot mnogi antibiotiki je tudi monenzin-A ionofor, ki tesno veže Na+ (na sliki prikazano rumeno).[14]
[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Monensin2.png]

=== Prehodne kovine ===
Prehodne kovine so v organizmih navadno prisotne kot elementi v sledovih za razliko od cinka in železa, ki ju je v organizmih največ.[18][19][20] Te kovine se uporabljajo kot proteinski kofaktorji in signalne molekule. Mnogi so nujni za delovanje encimov, kot je katalaza, in beljakovin, ki prenašajo kisik, kot je recimo hemoglobin.[21] Ti kofaktorji so tesno povezani s specifičnim proteinom. Čeprav se lahko encimski kofaktorji med katalizo spremenijo, se le ti vedno vrnejo v prvotno stanje po katalizi. Kovinska mikrohranila prevzamejo organizmi s posebnimi transporterji in se vežejo na skladiščne proteine, kot sta feritin ali metalotionein (MT), ko niso aktivni.[22][23] Kobalt je nujen za delovanje vitamina B12.[24]

=== Spojine glavnih skupin periodnega sistema ===
Mnogi drugi elementi poleg kovin so bioaktivni. Žveplo in fosfor nujno potrebujejo vsa živa bitja. Fosfor praktično izključno obstaja kot fosfat oz. v obliki njegovih različnih estrov. Žveplo obstaja v različnih oksidacijskih stanjih, od sulfata (SO42−) do sulfida (S2−). Selen je element v sledovih, ki pa pomembeno sodeluje pri beljakovinah, ki so antioksidanti. Kadmij je pomemben zaradi svoje toksičnosti.[25]

== Glej tudi ==
[[Fiziologija]]

[[Kofaktor]]

[[Metabolizem železa]]

== Reference ==
1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5

2. Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (2021-03-31). "Interweaving Disciplines to Advance Chemistry: Applying Polyoxometalates in Biology" (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inor gchem.1c00125). ''Inorganic Chemistry:'' acs.inorgchem.1c00125. doi:10.1021/acs.inorgchem.1c00125 (https://doi.org/10.1021%2Facs.inorgchem.1c00125). ISSN 0020-16 9 (https://www.worldcat.org/issn/0020-1669). PMC 8154434 (https://www.ncb i.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8154434).

3. Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models". ''American Journal of Physiology.'' '''261''' (2 Pt 1): E190–8. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 (https://doi.org/10.1152%2Fajpendo.1991.261.2.E19 0). PMID 18723 1 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1872381).

4. Maret, Wolfgang (2017). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity". In Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (eds.). ''Lead: Its Effects on Environment and Health.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20. doi:10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID 28731294.

5. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., eds. (2010). ''Organometallics in Environment and Toxicology.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.

6. Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (March 2018). "In vitro leishmanicidal and trypanocidal evaluation and magnetic properties of 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II) complexes". ''Journal of Inorganic Biochemistry.'' '''180''': 26–32. doi:10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID 29227923.

7. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, ed. (2008). ''Biomineralization: From Nature to Application.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.

8. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). ''On biomineralization.'' Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.

9. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). ''Biominerals and fossils through time.'' Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.

10. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". ''J Histochem Cytochem.'' '''11''' (6): 799–803. doi:10.1177/11.6.799. Archived from the original on 2012-08-02.

11. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification" (https://epic.awi.de/id/epri nt/13015/1/Sch2004bl.pdf) (PDF). ''Nature.'' '''430''' (7000): 673–676.
Bibcode:2004Natur.430..673S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Natur.430..673S).
doi:10.1038/nature02631 (https://doi.org/10.1038%2Fnature02631). PMID 15295599 (https:// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15295599).

12. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". ''Experimental and Toxicologic Pathology.'' '''45''' (5–6): 365–368. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X (https://doi.org/10.1016%2FS0940-2993%2 811%2980429-X). PMID 8312724 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8312724).

13. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pm c/articles/PMC2034539). ''BMC Evolutionary Biology.'' '''7''': 160. doi:10.1186/1471-2148-7-160 (https://doi.org/10.1186%2F1471-2148-7-160). PMC 2034539 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pmc/articles/PMC2034539). PMID 17845714 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17845714).

14. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). ''Chemistry of the Elements'' (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

15. Sychrová H (2004). "Yeast as a model organism to study transport and homeostasis of alkali metal cations" (http://www.biomed.cas.cz/physiolres/pdf/53%20Suppl%201/53_S91.pdf) (PDF). ''Physiol Res.'' 53 Suppl 1: S91–8. PMID 15119939 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1 5119939).

16. Levitan I (1988). "Modulation of ion channels in neurons and other cells". ''Annu Rev Neurosci.'' '''11''': 119–36. doi:10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 (https://doi.org/10.1146% 2Fannurev.ne.11.030188.001003). PMID 2452594 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/245259
4).

17. Dulhunty A (2006). "Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium". ''Clin Exp Pharmacol Physiol.'' '''33''' (9): 763–72. doi:10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID 16922804.

18. Dlouhy, Adrienne C.; Outten, Caryn E. (2013). "Chapter 8 The Iron Metallome in Eukaryotic Organisms". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 241–78. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584. PMID 23595675. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

19. Mahan D, Shields R (1998). "Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight". ''J Anim Sci.'' '''76''' (2): 506–12. doi:10.2527/1998.762506x. PMID 9498359. Archived from the original on 2011-04-30.

20. Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Elemental fingerprint analysis of barley (Hordeum vulgare) using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics". ''Anal Bioanal Chem.'' '''378''' (1): 171–82. doi:10.1007/s00216-003-2219-0. PMID 14551660.

21. Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". ''Science.'' '''300''' (5621): 931–6. Bibcode:2003Sci...300..931F. doi:10.1126/science.1085049. PMID 12738850. S2CID 14863354.

22. Cousins R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trafficking, and signals". ''J Biol Chem.'' '''281''' (34): 24085–9. doi:10.1074/jbc.R600011200. PMID 16793761.

23. Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Iron uptake and metabolism in the new millennium". ''Trends Cell Biol.'' '''17''' (2): 93–100. doi:10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID 17194590.

24. Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Chapter 10 Cobalt and Corrinoid Transport and Biochemistry". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 333–74. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

25. Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Cadmium in the Context of its Toxicity". In Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). ''Cadmium: From Toxicology to Essentiality.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 11. Springer. pp. 1–30.

== Literatura ==
- Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), ''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 "Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." 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

- J.J.R. Fraústo da Silva and R.J.P. 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., ed., ''Physical Methods in Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

== Zunanje povezave ==
> The Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC)'s: https://www.sbichem.org/

> The French Bioinorganic Chemistry Society: http://frenchbic.cnrs.fr/

> Glossary of Terms in Bioinorganic Chemistry: https://web.archive.org/web/20050204054913/http://www.chem.qmw.ac.uk/iupac/bioinorg/

> Metal Coordination Groups in Proteins by Marjorie Harding: https://web.archive.org/web/20140603015531/http://tanna.bch.ed.ac.uk/

> European Bioinformatics Institute: https://www.ebi.ac.uk/

> MetalPDB: A database of metal sites in biomolecular structures: https://metalpdb.cerm.unifi.it/

Bioanorganska kemija

2023-01-04T22:48:02Z

Jaka Prelog: /* Zgodovina */

''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry

'''Bioanorganska kemija''' je področje, ki proučuje vlogo kovin v biologiji. Obravnava tako naravne pojave, kot je denimo obnašanje kovinskih proteinov oz. metaloproteinov, kot tudi umetno vnesene kovine, vključno s tistimi, ki niso bistvene v medicini in toksikologiji. Veliko bioloških procesov, kot je recimo dihanje, je odvisnih od molekul, ki jih uvrščamo v področje anorganske kemije. To področje raziskuje tudi anorganske modele oz. mimetike, ki oponašajo obnašanje metaloproteinov.[1]

Kot mešanica biokemije in anorganske kemije je bioanorganska kemija pomembna v pojasnjevanju udeležbe elektron-transfer proteinov, vezave substrata in njegove aktivacije, kemije prenosa atomov in skupin, kot tudi lastnosti kovin v biološki kemiji. Uspešen razvoj interdisciplinarnega dela je ključen za napredek bioanorgaske kemije.[2]

== Sestava živih organizmov ==
Približno 99 % mase sesalcev predstavljajo elementi ogljik, dušik, kalcij, natrij, klor, kalij, vodik, fosfor, kisik in žveplo. Organske spojine (proteini, lipidi in ogljikovi hidrati) večinoma vsebujejo ogljik in dušik, večina kisika in vodika pa je prisotna v obliki vode.[3] Celoten nabor kovin vsebujočih biomolekul v celici proučuje ''metalomika''.

== Zgodovina ==
Paul Ehrlich je uporabljal organoarzene (“arzenike”) za zdravljenje sifilisa, s čimer je pokazal pomembnost kovin oz. polkovin za medicino, ki se je razcvetela z Rosenbergovim odkritjem proti rakavega delovanja cisplatina (''cis''-PtCl2(NH3)2). Prvi protein, ki jim ga je uspelo kristalizrati, je bila ureaza, za katero se je kasneje izkazalo, da vsebuje nikelj kot aktivno mesto. Vitamin B12, zdravilo za perniciozno anemijo, je kristalografsko predstavila Dorothy Crowfoot Hodgkin. Kristalografsko je dokazala, da makrociklični corrin vsebuje kobalt. Watson-Crickova oblika DNA predstavlja ključno strukturno vlogo polimerov, ki vsebujejo fosfat.

== Teme v bioanorganski kemiji ==
V bioanorganski kemiji je mogoče prepoznati več različnih sistemov. Glavna področja so:

=== Transport in hramba kovinskih ionov ===
Raznovrsten nabor transportnih sredstev (npr. ionska črpalka Na+/K+ ATPaza), vakuole, shranjevalni proteini (npr. feritin) in majhne molekule (npr. sideroforji) so zadolženi za uravnavanje koncentracije kovinskih ionov in njihovo biodostopnost v živih organizmih. Ključno je, da mnogo esencialnih kovin ni zlahka dostopnih proteinom v končni fazi zaradi slabe topnosti v vodnih raztopinah oz. deficitarnega celičnega okolja. Organizmi so razvili različne strategije za zbiranje in transport teh elementov, poleg tega tudi omejijo njihovo citotoksičnost.

=== Encimatika ===
Številne reakcije v raznovrstnih vedah o življenju vključujejo vodo in kovinske ione, ki so pogosto v katalitskih centrih (tj. aktivnih mestih) encimov, kot so to npr. kovinski proteini. Voda, ki nastopa pri reakcijah, pogosto reagira kot ligand (kovinski akva kompleksi). Primeri encimov hidrolaz so ogljikove anhidraze, kovinske fosfataze in kovinske proteinaze. Bioanorganski kemiki si prizadevajo razumeti in reproducirati vlogo teh kovinskih proteinov.
Pogosti so tudi kovinski proteini, ki so sposobni prenašati elektrone. Lahko jih porazdelimo v tri večje razrede: železo-žveplovi proteini (kot so npr. rubredoksini, ferodoksini in Rieske protein), modri bakrovi proteini in citokromi. Ti proteini, ki prenašajo elektrone, so komplementarni nekovinskim elektronskim prenašalcem, kot sta npr. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) in flavin adenin dinukleotid (FAD). Tudi dušikov cikel v veliki meri uporablja kovine za medsebojne redoks pretvorbe.

''Slika 1:'' 4Fe-4S klastri kot prenašalci elektronov v proteinih. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/FdRedox.png/1024px-FdRedox.png]

=== Toksičnost ===
Nekateri kovinski ioni so strupeni za ljudi in mnoge živali. V povezavi s toksičnostjo svinca je bila pregledana bioanorganska kemija svinca.[4]

=== Transport kisika in aktivacija proteinov ===
Aerobno življenje izdatno uporablja kovine kot so železo, baker in mangan. Hem je v rdečih krvničkah v obliki hemoglobina za transport kisika in je morda najbolj prepoznaven kovinski sistem v biologiji. Drugi transporti kisika vključujejo mioglobin, hemocianin in hemeritrin. Oksidaze in oksigenaze so kovinski sistemi, ki jih najdemo po vsej naravi in izkoriščajo kisik za izvajanje pomembnih reakcij, kot je na primer proizvodnja energije v citokrom c oksidazi ali pa oksidacija majhnih molekul v citokrom P450 oksidazah oziroma metan monooksigenazi. Nekateri kovinski proteini so zasnovani za zaščito biološkega sistema pred potencialno škodljivimi vplivi kisika in drugih reaktivnih molekul, ki vsebujejo kisik, kot je recimo vodikov peroksid. Ti sistemi vključujejo peroksidaze, katalaze in superoksid dismutaze. Komplementarni kovinski protein je kompleks, ki je prisoten v rastlinah in sprošča kisik tam, kjer je kisik za potek reakcij potreben. Ta sistem je del kompleksnega proteinskega mehanizma, ki rastlinam služi za proizvodnjo kisika med fotosintezo.

=== Bioorganokovinska kemija ===
Bioorganokovinski sistemi so sistemi biološko aktivnih molekul, ki vsebujejo ogljik, vezan neposredno na kovino oz. polkovino. Vez kovina–ogljik lahko v sistemu nastopa kot strukturni element ali kot intermediat. Bioorganokovinski encimi in proteini vključujejo hidrogenaze, kofaktor FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze in metilkobalamin. To so primeri naravno prisotnih organokovinskih spojin. Področje bioorganokovinske kemije je pretežno osredotočeno na uporabo kovin s strani enoceličnih organizmov. Bioorganokovinske spojine so pomembne predvsem v kemiji okolja.[5]

''Slika 2:'' Mioglobin je pomembna tema v bioanorganski kemiji, z določeno pozornostjo na železo-hem kompleks, ki je zasidran na protein. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Myoglobin.png/800px-Myoglobin.png]

''Slika 3:'' Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/FeMoco_cluster.svg/800px-FeMoco_cluster.svg.png]

=== Kovine v medicini ===
Številna zdravila vsebujejo kovine. Ta tema se opira na preučevanje zasnove in mehanizma delovanja farmacevtskih izdelkov, ki vsebujejo kovine in spojin, ki medsebojno delujejo z endogenimi kovinskimi ioni na encimsko aktivnih mestih. Najbolj razširjeno zdravilo proti raku je cisplatin. Kontrastna sredstva za MRI običajno vsebujejo gadolinij. Litijev karbonat se uporablja za zdravljenje manične faze bipolarne motnje. Komercializirana protiartritična zdravila, ki vsebujejo zlato, npr. auranofin. CORMs (molekule, ki sproščajo ogljikov monoksid), so kovinski kompleksi, ki so bili razviti za zatiranje vnetja s sproščanjem majhnih količin ogljikovega monoksida. Preučen je bil kardiovaskularni in nevronski pomen dušikovega oksida, vključno z encimom NO sintaze. (Glejte tudi: asimilacija dušika.) Poleg tega so bili kovinski prehodni kompleksi na osnovi triazolopirimidinov testirani proti več sevom parazitov.[6]

=== Kemija okolja ===
Kemija okolja tradicionalno poudarja interakcijo težkih kovin z organizmi. Metilirano živo srebro je povzročilo veliko katastrofo, imenovano Minamatska bolezen. Zastrupitev z arzenom je zelo razširjena težava, predvsem zaradi onesnaženja podzemne vode z arzenom, ki prizadene več milijonov ljudi v državah v razvoju. Presnova spojin, ki vsebujejo živo srebro in arzen, vključuje encime na osnovi kobalamina.

=== Biomineralizacija ===
Biomineralizacija je proces, s katerim živi organizmi proizvajajo minerale, pogosto za trdnost ali utrjevanje obstoječih tkiv. Takšna tkiva imenujemo mineralizirana tkiva.[7][8][9] Primeri vključujejo silikate v kremenastih algah, karbonate v nevretenčarjih ter kalcijeve fosfate in karbonate v vretenčarjih. Drugi primeri vključujejo nahajališča bakra, železa in zlata, ki vsebujejo bakterije. Biološko oblikovani minerali imajo pogosto posebne namene, kot so magnetni senzorji v magnetotaktičnih bakterijah (Fe3O4), naprave za zaznavanje gravitacije (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ter shranjevanje in mobilizacija železa (Fe2O3•H2O v proteinu feritinu). Ker je zunajcelično[10] železo močno vključeno v indukcijo kalcifikacije[11][12], je njegov nadzor bistvenega pomena pri razvoju lupin; beljakovina feritin ima pomembno vlogo pri nadzoru porazdelitve železa.[13]

== Vrste anorganskih substanc v biologiji ==

=== Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine ===
Bogati anorganski elementi delujejo kot ionski elektroliti. Najpomembnejši ioni so natrij, kalij, kalcij, magnezij, klorid, fosfat in bikarbonat. Osmotski tlak in pH se ohranjata z vzdrževanjem natančnih gradientov čez celične membrane.[15] Ioni so ključni tudi za živce in mišice, saj akcijski potencial v teh tkivih nastane z izmenjavo elektrolitov med zunajcelično tekočino in citosolom.[16] Elektroliti vstopajo v celice in jih zapuščajo skozi beljakovine v celični membrani, imenovane ionski kanalčki. Na primer, krčenje mišic je odvisno od migracije kalcija, natrija in kalija skozi ionske kanalčke v celični membrani in T-tubulih.[17]

''Slika 4:'' Tako kot mnogi antibiotiki je tudi monenzin-A ionofor, ki tesno veže Na+ (na sliki prikazano rumeno).[14]
[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Monensin2.png]

=== Prehodne kovine ===
Prehodne kovine so v organizmih navadno prisotne kot elementi v sledovih za razliko od cinka in železa, ki ju je v organizmih največ.[18][19][20] Te kovine se uporabljajo kot proteinski kofaktorji in signalne molekule. Mnogi so nujni za delovanje encimov, kot je katalaza, in beljakovin, ki prenašajo kisik, kot je recimo hemoglobin.[21] Ti kofaktorji so tesno povezani s specifičnim proteinom. Čeprav se lahko encimski kofaktorji med katalizo spremenijo, se le ti vedno vrnejo v prvotno stanje po katalizi. Kovinska mikrohranila prevzamejo organizmi s posebnimi transporterji in se vežejo na skladiščne proteine, kot sta feritin ali metalotionein (MT), ko niso aktivni.[22][23] Kobalt je nujen za delovanje vitamina B12.[24]

=== Spojine glavnih skupin periodnega sistema ===
Mnogi drugi elementi poleg kovin so bioaktivni. Žveplo in fosfor nujno potrebujejo vsa živa bitja. Fosfor praktično izključno obstaja kot fosfat oz. v obliki njegovih različnih estrov. Žveplo obstaja v različnih oksidacijskih stanjih, od sulfata (SO42−) do sulfida (S2−). Selen je element v sledovih, ki pa pomembeno sodeluje pri beljakovinah, ki so antioksidanti. Kadmij je pomemben zaradi svoje toksičnosti.[25]

== Glej tudi ==
[[Fiziologija]]

[[Kofaktor]]

[[Metabolizem železa]]

== Reference ==
1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5

2. Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (2021-03-31). "Interweaving Disciplines to Advance Chemistry: Applying Polyoxometalates in Biology" (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inor gchem.1c00125). ''Inorganic Chemistry:'' acs.inorgchem.1c00125. doi:10.1021/acs.inorgchem.1c00125 (https://doi.org/10.1021%2Facs.inorgchem.1c00125). ISSN 0020-16 9 (https://www.worldcat.org/issn/0020-1669). PMC 8154434 (https://www.ncb i.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8154434).

3. Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models". ''American Journal of Physiology.'' '''261''' (2 Pt 1): E190–8. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 (https://doi.org/10.1152%2Fajpendo.1991.261.2.E19 0). PMID 18723 1 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1872381).

4. Maret, Wolfgang (2017). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity". In Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (eds.). ''Lead: Its Effects on Environment and Health.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20. doi:10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID 28731294.

5. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., eds. (2010). ''Organometallics in Environment and Toxicology.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.

6. Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (March 2018). "In vitro leishmanicidal and trypanocidal evaluation and magnetic properties of 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II) complexes". ''Journal of Inorganic Biochemistry.'' '''180''': 26–32. doi:10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID 29227923.

7. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, ed. (2008). ''Biomineralization: From Nature to Application.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.

8. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). ''On biomineralization.'' Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.

9. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). ''Biominerals and fossils through time.'' Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.

10. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". ''J Histochem Cytochem.'' '''11''' (6): 799–803. doi:10.1177/11.6.799. Archived from the original on 2012-08-02.

11. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification" (https://epic.awi.de/id/epri nt/13015/1/Sch2004bl.pdf) (PDF). ''Nature.'' '''430''' (7000): 673–676.
Bibcode:2004Natur.430..673S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Natur.430..673S).
doi:10.1038/nature02631 (https://doi.org/10.1038%2Fnature02631). PMID 15295599 (https:// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15295599).

12. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". ''Experimental and Toxicologic Pathology.'' '''45''' (5–6): 365–368. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X (https://doi.org/10.1016%2FS0940-2993%2 811%2980429-X). PMID 8312724 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8312724).

13. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pm c/articles/PMC2034539). ''BMC Evolutionary Biology.'' '''7''': 160. doi:10.1186/1471-2148-7-160 (https://doi.org/10.1186%2F1471-2148-7-160). PMC 2034539 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pmc/articles/PMC2034539). PMID 17845714 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17845714).

14. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). ''Chemistry of the Elements'' (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

15. Sychrová H (2004). "Yeast as a model organism to study transport and homeostasis of alkali metal cations" (http://www.biomed.cas.cz/physiolres/pdf/53%20Suppl%201/53_S91.pdf) (PDF). ''Physiol Res.'' 53 Suppl 1: S91–8. PMID 15119939 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1 5119939).

16. Levitan I (1988). "Modulation of ion channels in neurons and other cells". ''Annu Rev Neurosci.'' '''11''': 119–36. doi:10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 (https://doi.org/10.1146% 2Fannurev.ne.11.030188.001003). PMID 2452594 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/245259
4).

17. Dulhunty A (2006). "Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium". ''Clin Exp Pharmacol Physiol.'' '''33''' (9): 763–72. doi:10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID 16922804.

18. Dlouhy, Adrienne C.; Outten, Caryn E. (2013). "Chapter 8 The Iron Metallome in Eukaryotic Organisms". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 241–78. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584. PMID 23595675. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

19. Mahan D, Shields R (1998). "Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight". ''J Anim Sci.'' '''76''' (2): 506–12. doi:10.2527/1998.762506x. PMID 9498359. Archived from the original on 2011-04-30.

20. Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Elemental fingerprint analysis of barley (Hordeum vulgare) using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics". ''Anal Bioanal Chem.'' '''378''' (1): 171–82. doi:10.1007/s00216-003-2219-0. PMID 14551660.

21. Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". ''Science.'' '''300''' (5621): 931–6. Bibcode:2003Sci...300..931F. doi:10.1126/science.1085049. PMID 12738850. S2CID 14863354.

22. Cousins R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trafficking, and signals". ''J Biol Chem.'' '''281''' (34): 24085–9. doi:10.1074/jbc.R600011200. PMID 16793761.

23. Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Iron uptake and metabolism in the new millennium". ''Trends Cell Biol.'' '''17''' (2): 93–100. doi:10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID 17194590.

24. Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Chapter 10 Cobalt and Corrinoid Transport and Biochemistry". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 333–74. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

25. Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Cadmium in the Context of its Toxicity". In Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). ''Cadmium: From Toxicology to Essentiality.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 11. Springer. pp. 1–30.

== Literatura ==
- Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), ''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 "Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." 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

- J.J.R. Fraústo da Silva and R.J.P. 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., ed., ''Physical Methods in Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

== Zunanje povezave ==
> The Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC)'s: https://www.sbichem.org/

> The French Bioinorganic Chemistry Society: http://frenchbic.cnrs.fr/

> Glossary of Terms in Bioinorganic Chemistry: https://web.archive.org/web/20050204054913/http://www.chem.qmw.ac.uk/iupac/bioinorg/

> Metal Coordination Groups in Proteins by Marjorie Harding: https://web.archive.org/web/20140603015531/http://tanna.bch.ed.ac.uk/

> European Bioinformatics Institute: https://www.ebi.ac.uk/

> MetalPDB: A database of metal sites in biomolecular structures: https://metalpdb.cerm.unifi.it/

Bioanorganska kemija

2023-01-04T22:47:41Z

Jaka Prelog: /* Sestava živih organizmov */

''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry

'''Bioanorganska kemija''' je področje, ki proučuje vlogo kovin v biologiji. Obravnava tako naravne pojave, kot je denimo obnašanje kovinskih proteinov oz. metaloproteinov, kot tudi umetno vnesene kovine, vključno s tistimi, ki niso bistvene v medicini in toksikologiji. Veliko bioloških procesov, kot je recimo dihanje, je odvisnih od molekul, ki jih uvrščamo v področje anorganske kemije. To področje raziskuje tudi anorganske modele oz. mimetike, ki oponašajo obnašanje metaloproteinov.[1]

Kot mešanica biokemije in anorganske kemije je bioanorganska kemija pomembna v pojasnjevanju udeležbe elektron-transfer proteinov, vezave substrata in njegove aktivacije, kemije prenosa atomov in skupin, kot tudi lastnosti kovin v biološki kemiji. Uspešen razvoj interdisciplinarnega dela je ključen za napredek bioanorgaske kemije.[2]

== Sestava živih organizmov ==
Približno 99 % mase sesalcev predstavljajo elementi ogljik, dušik, kalcij, natrij, klor, kalij, vodik, fosfor, kisik in žveplo. Organske spojine (proteini, lipidi in ogljikovi hidrati) večinoma vsebujejo ogljik in dušik, večina kisika in vodika pa je prisotna v obliki vode.[3] Celoten nabor kovin vsebujočih biomolekul v celici proučuje ''metalomika''.

== Zgodovina ==
Paul Ehrlich je uporabljal organoarzene (“arzenike”) za zdravljenje sifilisa, s čimer je pokazal pomembnost kovin oz. polkovin za medicino, ki se je razcvetela z Rosenbergovim odkritjem proti rakavega delovanja cisplatina (cis-PtCl2(NH3)2). Prvi protein, ki jim ga je uspelo kristalizrati, je bila ureaza, za katero se je kasneje izkazalo, da vsebuje nikelj kot aktivno mesto. Vitamin B12, zdravilo za perniciozno anemijo, je kristalografsko predstavila Dorothy Crowfoot Hodgkin. Kristalografsko je dokazala, da makrociklični corrin vsebuje kobalt. Watson-Crickova oblika DNA predstavlja ključno strukturno vlogo polimerov, ki vsebujejo fosfat.

== Teme v bioanorganski kemiji ==
V bioanorganski kemiji je mogoče prepoznati več različnih sistemov. Glavna področja so:

=== Transport in hramba kovinskih ionov ===
Raznovrsten nabor transportnih sredstev (npr. ionska črpalka Na+/K+ ATPaza), vakuole, shranjevalni proteini (npr. feritin) in majhne molekule (npr. sideroforji) so zadolženi za uravnavanje koncentracije kovinskih ionov in njihovo biodostopnost v živih organizmih. Ključno je, da mnogo esencialnih kovin ni zlahka dostopnih proteinom v končni fazi zaradi slabe topnosti v vodnih raztopinah oz. deficitarnega celičnega okolja. Organizmi so razvili različne strategije za zbiranje in transport teh elementov, poleg tega tudi omejijo njihovo citotoksičnost.

=== Encimatika ===
Številne reakcije v raznovrstnih vedah o življenju vključujejo vodo in kovinske ione, ki so pogosto v katalitskih centrih (tj. aktivnih mestih) encimov, kot so to npr. kovinski proteini. Voda, ki nastopa pri reakcijah, pogosto reagira kot ligand (kovinski akva kompleksi). Primeri encimov hidrolaz so ogljikove anhidraze, kovinske fosfataze in kovinske proteinaze. Bioanorganski kemiki si prizadevajo razumeti in reproducirati vlogo teh kovinskih proteinov.
Pogosti so tudi kovinski proteini, ki so sposobni prenašati elektrone. Lahko jih porazdelimo v tri večje razrede: železo-žveplovi proteini (kot so npr. rubredoksini, ferodoksini in Rieske protein), modri bakrovi proteini in citokromi. Ti proteini, ki prenašajo elektrone, so komplementarni nekovinskim elektronskim prenašalcem, kot sta npr. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) in flavin adenin dinukleotid (FAD). Tudi dušikov cikel v veliki meri uporablja kovine za medsebojne redoks pretvorbe.

''Slika 1:'' 4Fe-4S klastri kot prenašalci elektronov v proteinih. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/FdRedox.png/1024px-FdRedox.png]

=== Toksičnost ===
Nekateri kovinski ioni so strupeni za ljudi in mnoge živali. V povezavi s toksičnostjo svinca je bila pregledana bioanorganska kemija svinca.[4]

=== Transport kisika in aktivacija proteinov ===
Aerobno življenje izdatno uporablja kovine kot so železo, baker in mangan. Hem je v rdečih krvničkah v obliki hemoglobina za transport kisika in je morda najbolj prepoznaven kovinski sistem v biologiji. Drugi transporti kisika vključujejo mioglobin, hemocianin in hemeritrin. Oksidaze in oksigenaze so kovinski sistemi, ki jih najdemo po vsej naravi in izkoriščajo kisik za izvajanje pomembnih reakcij, kot je na primer proizvodnja energije v citokrom c oksidazi ali pa oksidacija majhnih molekul v citokrom P450 oksidazah oziroma metan monooksigenazi. Nekateri kovinski proteini so zasnovani za zaščito biološkega sistema pred potencialno škodljivimi vplivi kisika in drugih reaktivnih molekul, ki vsebujejo kisik, kot je recimo vodikov peroksid. Ti sistemi vključujejo peroksidaze, katalaze in superoksid dismutaze. Komplementarni kovinski protein je kompleks, ki je prisoten v rastlinah in sprošča kisik tam, kjer je kisik za potek reakcij potreben. Ta sistem je del kompleksnega proteinskega mehanizma, ki rastlinam služi za proizvodnjo kisika med fotosintezo.

=== Bioorganokovinska kemija ===
Bioorganokovinski sistemi so sistemi biološko aktivnih molekul, ki vsebujejo ogljik, vezan neposredno na kovino oz. polkovino. Vez kovina–ogljik lahko v sistemu nastopa kot strukturni element ali kot intermediat. Bioorganokovinski encimi in proteini vključujejo hidrogenaze, kofaktor FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze in metilkobalamin. To so primeri naravno prisotnih organokovinskih spojin. Področje bioorganokovinske kemije je pretežno osredotočeno na uporabo kovin s strani enoceličnih organizmov. Bioorganokovinske spojine so pomembne predvsem v kemiji okolja.[5]

''Slika 2:'' Mioglobin je pomembna tema v bioanorganski kemiji, z določeno pozornostjo na železo-hem kompleks, ki je zasidran na protein. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Myoglobin.png/800px-Myoglobin.png]

''Slika 3:'' Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/FeMoco_cluster.svg/800px-FeMoco_cluster.svg.png]

=== Kovine v medicini ===
Številna zdravila vsebujejo kovine. Ta tema se opira na preučevanje zasnove in mehanizma delovanja farmacevtskih izdelkov, ki vsebujejo kovine in spojin, ki medsebojno delujejo z endogenimi kovinskimi ioni na encimsko aktivnih mestih. Najbolj razširjeno zdravilo proti raku je cisplatin. Kontrastna sredstva za MRI običajno vsebujejo gadolinij. Litijev karbonat se uporablja za zdravljenje manične faze bipolarne motnje. Komercializirana protiartritična zdravila, ki vsebujejo zlato, npr. auranofin. CORMs (molekule, ki sproščajo ogljikov monoksid), so kovinski kompleksi, ki so bili razviti za zatiranje vnetja s sproščanjem majhnih količin ogljikovega monoksida. Preučen je bil kardiovaskularni in nevronski pomen dušikovega oksida, vključno z encimom NO sintaze. (Glejte tudi: asimilacija dušika.) Poleg tega so bili kovinski prehodni kompleksi na osnovi triazolopirimidinov testirani proti več sevom parazitov.[6]

=== Kemija okolja ===
Kemija okolja tradicionalno poudarja interakcijo težkih kovin z organizmi. Metilirano živo srebro je povzročilo veliko katastrofo, imenovano Minamatska bolezen. Zastrupitev z arzenom je zelo razširjena težava, predvsem zaradi onesnaženja podzemne vode z arzenom, ki prizadene več milijonov ljudi v državah v razvoju. Presnova spojin, ki vsebujejo živo srebro in arzen, vključuje encime na osnovi kobalamina.

=== Biomineralizacija ===
Biomineralizacija je proces, s katerim živi organizmi proizvajajo minerale, pogosto za trdnost ali utrjevanje obstoječih tkiv. Takšna tkiva imenujemo mineralizirana tkiva.[7][8][9] Primeri vključujejo silikate v kremenastih algah, karbonate v nevretenčarjih ter kalcijeve fosfate in karbonate v vretenčarjih. Drugi primeri vključujejo nahajališča bakra, železa in zlata, ki vsebujejo bakterije. Biološko oblikovani minerali imajo pogosto posebne namene, kot so magnetni senzorji v magnetotaktičnih bakterijah (Fe3O4), naprave za zaznavanje gravitacije (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ter shranjevanje in mobilizacija železa (Fe2O3•H2O v proteinu feritinu). Ker je zunajcelično[10] železo močno vključeno v indukcijo kalcifikacije[11][12], je njegov nadzor bistvenega pomena pri razvoju lupin; beljakovina feritin ima pomembno vlogo pri nadzoru porazdelitve železa.[13]

== Vrste anorganskih substanc v biologiji ==

=== Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine ===
Bogati anorganski elementi delujejo kot ionski elektroliti. Najpomembnejši ioni so natrij, kalij, kalcij, magnezij, klorid, fosfat in bikarbonat. Osmotski tlak in pH se ohranjata z vzdrževanjem natančnih gradientov čez celične membrane.[15] Ioni so ključni tudi za živce in mišice, saj akcijski potencial v teh tkivih nastane z izmenjavo elektrolitov med zunajcelično tekočino in citosolom.[16] Elektroliti vstopajo v celice in jih zapuščajo skozi beljakovine v celični membrani, imenovane ionski kanalčki. Na primer, krčenje mišic je odvisno od migracije kalcija, natrija in kalija skozi ionske kanalčke v celični membrani in T-tubulih.[17]

''Slika 4:'' Tako kot mnogi antibiotiki je tudi monenzin-A ionofor, ki tesno veže Na+ (na sliki prikazano rumeno).[14]
[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Monensin2.png]

=== Prehodne kovine ===
Prehodne kovine so v organizmih navadno prisotne kot elementi v sledovih za razliko od cinka in železa, ki ju je v organizmih največ.[18][19][20] Te kovine se uporabljajo kot proteinski kofaktorji in signalne molekule. Mnogi so nujni za delovanje encimov, kot je katalaza, in beljakovin, ki prenašajo kisik, kot je recimo hemoglobin.[21] Ti kofaktorji so tesno povezani s specifičnim proteinom. Čeprav se lahko encimski kofaktorji med katalizo spremenijo, se le ti vedno vrnejo v prvotno stanje po katalizi. Kovinska mikrohranila prevzamejo organizmi s posebnimi transporterji in se vežejo na skladiščne proteine, kot sta feritin ali metalotionein (MT), ko niso aktivni.[22][23] Kobalt je nujen za delovanje vitamina B12.[24]

=== Spojine glavnih skupin periodnega sistema ===
Mnogi drugi elementi poleg kovin so bioaktivni. Žveplo in fosfor nujno potrebujejo vsa živa bitja. Fosfor praktično izključno obstaja kot fosfat oz. v obliki njegovih različnih estrov. Žveplo obstaja v različnih oksidacijskih stanjih, od sulfata (SO42−) do sulfida (S2−). Selen je element v sledovih, ki pa pomembeno sodeluje pri beljakovinah, ki so antioksidanti. Kadmij je pomemben zaradi svoje toksičnosti.[25]

== Glej tudi ==
[[Fiziologija]]

[[Kofaktor]]

[[Metabolizem železa]]

== Reference ==
1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5

2. Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (2021-03-31). "Interweaving Disciplines to Advance Chemistry: Applying Polyoxometalates in Biology" (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inor gchem.1c00125). ''Inorganic Chemistry:'' acs.inorgchem.1c00125. doi:10.1021/acs.inorgchem.1c00125 (https://doi.org/10.1021%2Facs.inorgchem.1c00125). ISSN 0020-16 9 (https://www.worldcat.org/issn/0020-1669). PMC 8154434 (https://www.ncb i.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8154434).

3. Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models". ''American Journal of Physiology.'' '''261''' (2 Pt 1): E190–8. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 (https://doi.org/10.1152%2Fajpendo.1991.261.2.E19 0). PMID 18723 1 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1872381).

4. Maret, Wolfgang (2017). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity". In Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (eds.). ''Lead: Its Effects on Environment and Health.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20. doi:10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID 28731294.

5. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., eds. (2010). ''Organometallics in Environment and Toxicology.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.

6. Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (March 2018). "In vitro leishmanicidal and trypanocidal evaluation and magnetic properties of 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II) complexes". ''Journal of Inorganic Biochemistry.'' '''180''': 26–32. doi:10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID 29227923.

7. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, ed. (2008). ''Biomineralization: From Nature to Application.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.

8. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). ''On biomineralization.'' Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.

9. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). ''Biominerals and fossils through time.'' Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.

10. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". ''J Histochem Cytochem.'' '''11''' (6): 799–803. doi:10.1177/11.6.799. Archived from the original on 2012-08-02.

11. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification" (https://epic.awi.de/id/epri nt/13015/1/Sch2004bl.pdf) (PDF). ''Nature.'' '''430''' (7000): 673–676.
Bibcode:2004Natur.430..673S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Natur.430..673S).
doi:10.1038/nature02631 (https://doi.org/10.1038%2Fnature02631). PMID 15295599 (https:// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15295599).

12. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". ''Experimental and Toxicologic Pathology.'' '''45''' (5–6): 365–368. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X (https://doi.org/10.1016%2FS0940-2993%2 811%2980429-X). PMID 8312724 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8312724).

13. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pm c/articles/PMC2034539). ''BMC Evolutionary Biology.'' '''7''': 160. doi:10.1186/1471-2148-7-160 (https://doi.org/10.1186%2F1471-2148-7-160). PMC 2034539 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pmc/articles/PMC2034539). PMID 17845714 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17845714).

14. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). ''Chemistry of the Elements'' (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

15. Sychrová H (2004). "Yeast as a model organism to study transport and homeostasis of alkali metal cations" (http://www.biomed.cas.cz/physiolres/pdf/53%20Suppl%201/53_S91.pdf) (PDF). ''Physiol Res.'' 53 Suppl 1: S91–8. PMID 15119939 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1 5119939).

16. Levitan I (1988). "Modulation of ion channels in neurons and other cells". ''Annu Rev Neurosci.'' '''11''': 119–36. doi:10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 (https://doi.org/10.1146% 2Fannurev.ne.11.030188.001003). PMID 2452594 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/245259
4).

17. Dulhunty A (2006). "Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium". ''Clin Exp Pharmacol Physiol.'' '''33''' (9): 763–72. doi:10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID 16922804.

18. Dlouhy, Adrienne C.; Outten, Caryn E. (2013). "Chapter 8 The Iron Metallome in Eukaryotic Organisms". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 241–78. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584. PMID 23595675. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

19. Mahan D, Shields R (1998). "Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight". ''J Anim Sci.'' '''76''' (2): 506–12. doi:10.2527/1998.762506x. PMID 9498359. Archived from the original on 2011-04-30.

20. Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Elemental fingerprint analysis of barley (Hordeum vulgare) using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics". ''Anal Bioanal Chem.'' '''378''' (1): 171–82. doi:10.1007/s00216-003-2219-0. PMID 14551660.

21. Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". ''Science.'' '''300''' (5621): 931–6. Bibcode:2003Sci...300..931F. doi:10.1126/science.1085049. PMID 12738850. S2CID 14863354.

22. Cousins R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trafficking, and signals". ''J Biol Chem.'' '''281''' (34): 24085–9. doi:10.1074/jbc.R600011200. PMID 16793761.

23. Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Iron uptake and metabolism in the new millennium". ''Trends Cell Biol.'' '''17''' (2): 93–100. doi:10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID 17194590.

24. Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Chapter 10 Cobalt and Corrinoid Transport and Biochemistry". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 333–74. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

25. Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Cadmium in the Context of its Toxicity". In Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). ''Cadmium: From Toxicology to Essentiality.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 11. Springer. pp. 1–30.

== Literatura ==
- Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), ''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 "Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." 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

- J.J.R. Fraústo da Silva and R.J.P. 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., ed., ''Physical Methods in Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

== Zunanje povezave ==
> The Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC)'s: https://www.sbichem.org/

> The French Bioinorganic Chemistry Society: http://frenchbic.cnrs.fr/

> Glossary of Terms in Bioinorganic Chemistry: https://web.archive.org/web/20050204054913/http://www.chem.qmw.ac.uk/iupac/bioinorg/

> Metal Coordination Groups in Proteins by Marjorie Harding: https://web.archive.org/web/20140603015531/http://tanna.bch.ed.ac.uk/

> European Bioinformatics Institute: https://www.ebi.ac.uk/

> MetalPDB: A database of metal sites in biomolecular structures: https://metalpdb.cerm.unifi.it/

Bioanorganska kemija

2023-01-04T22:46:43Z

Jaka Prelog:

''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry

'''Bioanorganska kemija''' je področje, ki proučuje vlogo kovin v biologiji. Obravnava tako naravne pojave, kot je denimo obnašanje kovinskih proteinov oz. metaloproteinov, kot tudi umetno vnesene kovine, vključno s tistimi, ki niso bistvene v medicini in toksikologiji. Veliko bioloških procesov, kot je recimo dihanje, je odvisnih od molekul, ki jih uvrščamo v področje anorganske kemije. To področje raziskuje tudi anorganske modele oz. mimetike, ki oponašajo obnašanje metaloproteinov.[1]

Kot mešanica biokemije in anorganske kemije je bioanorganska kemija pomembna v pojasnjevanju udeležbe elektron-transfer proteinov, vezave substrata in njegove aktivacije, kemije prenosa atomov in skupin, kot tudi lastnosti kovin v biološki kemiji. Uspešen razvoj interdisciplinarnega dela je ključen za napredek bioanorgaske kemije.[2]

== Sestava živih organizmov ==
Približno 99 % mase sesalcev predstavljajo elementi ogljik, dušik, kalcij, natrij, klor, kalij, vodik, fosfor, kisik in žveplo.[3] Organske spojine (proteini, lipidi in ogljikovi hidrati) večinoma vsebujejo ogljik in dušik, večina kisika in vodika pa je prisotna v obliki vode.[3] Celoten nabor kovin vsebujočih biomolekul v celici proučuje ''metalomika''.

== Zgodovina ==
Paul Ehrlich je uporabljal organoarzene (“arzenike”) za zdravljenje sifilisa, s čimer je pokazal pomembnost kovin oz. polkovin za medicino, ki se je razcvetela z Rosenbergovim odkritjem proti rakavega delovanja cisplatina (cis-PtCl2(NH3)2). Prvi protein, ki jim ga je uspelo kristalizrati, je bila ureaza, za katero se je kasneje izkazalo, da vsebuje nikelj kot aktivno mesto. Vitamin B12, zdravilo za perniciozno anemijo, je kristalografsko predstavila Dorothy Crowfoot Hodgkin. Kristalografsko je dokazala, da makrociklični corrin vsebuje kobalt. Watson-Crickova oblika DNA predstavlja ključno strukturno vlogo polimerov, ki vsebujejo fosfat.

== Teme v bioanorganski kemiji ==
V bioanorganski kemiji je mogoče prepoznati več različnih sistemov. Glavna področja so:

=== Transport in hramba kovinskih ionov ===
Raznovrsten nabor transportnih sredstev (npr. ionska črpalka Na+/K+ ATPaza), vakuole, shranjevalni proteini (npr. feritin) in majhne molekule (npr. sideroforji) so zadolženi za uravnavanje koncentracije kovinskih ionov in njihovo biodostopnost v živih organizmih. Ključno je, da mnogo esencialnih kovin ni zlahka dostopnih proteinom v končni fazi zaradi slabe topnosti v vodnih raztopinah oz. deficitarnega celičnega okolja. Organizmi so razvili različne strategije za zbiranje in transport teh elementov, poleg tega tudi omejijo njihovo citotoksičnost.

=== Encimatika ===
Številne reakcije v raznovrstnih vedah o življenju vključujejo vodo in kovinske ione, ki so pogosto v katalitskih centrih (tj. aktivnih mestih) encimov, kot so to npr. kovinski proteini. Voda, ki nastopa pri reakcijah, pogosto reagira kot ligand (kovinski akva kompleksi). Primeri encimov hidrolaz so ogljikove anhidraze, kovinske fosfataze in kovinske proteinaze. Bioanorganski kemiki si prizadevajo razumeti in reproducirati vlogo teh kovinskih proteinov.
Pogosti so tudi kovinski proteini, ki so sposobni prenašati elektrone. Lahko jih porazdelimo v tri večje razrede: železo-žveplovi proteini (kot so npr. rubredoksini, ferodoksini in Rieske protein), modri bakrovi proteini in citokromi. Ti proteini, ki prenašajo elektrone, so komplementarni nekovinskim elektronskim prenašalcem, kot sta npr. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) in flavin adenin dinukleotid (FAD). Tudi dušikov cikel v veliki meri uporablja kovine za medsebojne redoks pretvorbe.

''Slika 1:'' 4Fe-4S klastri kot prenašalci elektronov v proteinih. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/FdRedox.png/1024px-FdRedox.png]

=== Toksičnost ===
Nekateri kovinski ioni so strupeni za ljudi in mnoge živali. V povezavi s toksičnostjo svinca je bila pregledana bioanorganska kemija svinca.[4]

=== Transport kisika in aktivacija proteinov ===
Aerobno življenje izdatno uporablja kovine kot so železo, baker in mangan. Hem je v rdečih krvničkah v obliki hemoglobina za transport kisika in je morda najbolj prepoznaven kovinski sistem v biologiji. Drugi transporti kisika vključujejo mioglobin, hemocianin in hemeritrin. Oksidaze in oksigenaze so kovinski sistemi, ki jih najdemo po vsej naravi in izkoriščajo kisik za izvajanje pomembnih reakcij, kot je na primer proizvodnja energije v citokrom c oksidazi ali pa oksidacija majhnih molekul v citokrom P450 oksidazah oziroma metan monooksigenazi. Nekateri kovinski proteini so zasnovani za zaščito biološkega sistema pred potencialno škodljivimi vplivi kisika in drugih reaktivnih molekul, ki vsebujejo kisik, kot je recimo vodikov peroksid. Ti sistemi vključujejo peroksidaze, katalaze in superoksid dismutaze. Komplementarni kovinski protein je kompleks, ki je prisoten v rastlinah in sprošča kisik tam, kjer je kisik za potek reakcij potreben. Ta sistem je del kompleksnega proteinskega mehanizma, ki rastlinam služi za proizvodnjo kisika med fotosintezo.

=== Bioorganokovinska kemija ===
Bioorganokovinski sistemi so sistemi biološko aktivnih molekul, ki vsebujejo ogljik, vezan neposredno na kovino oz. polkovino. Vez kovina–ogljik lahko v sistemu nastopa kot strukturni element ali kot intermediat. Bioorganokovinski encimi in proteini vključujejo hidrogenaze, kofaktor FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze in metilkobalamin. To so primeri naravno prisotnih organokovinskih spojin. Področje bioorganokovinske kemije je pretežno osredotočeno na uporabo kovin s strani enoceličnih organizmov. Bioorganokovinske spojine so pomembne predvsem v kemiji okolja.[5]

''Slika 2:'' Mioglobin je pomembna tema v bioanorganski kemiji, z določeno pozornostjo na železo-hem kompleks, ki je zasidran na protein. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Myoglobin.png/800px-Myoglobin.png]

''Slika 3:'' Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/FeMoco_cluster.svg/800px-FeMoco_cluster.svg.png]

=== Kovine v medicini ===
Številna zdravila vsebujejo kovine. Ta tema se opira na preučevanje zasnove in mehanizma delovanja farmacevtskih izdelkov, ki vsebujejo kovine in spojin, ki medsebojno delujejo z endogenimi kovinskimi ioni na encimsko aktivnih mestih. Najbolj razširjeno zdravilo proti raku je cisplatin. Kontrastna sredstva za MRI običajno vsebujejo gadolinij. Litijev karbonat se uporablja za zdravljenje manične faze bipolarne motnje. Komercializirana protiartritična zdravila, ki vsebujejo zlato, npr. auranofin. CORMs (molekule, ki sproščajo ogljikov monoksid), so kovinski kompleksi, ki so bili razviti za zatiranje vnetja s sproščanjem majhnih količin ogljikovega monoksida. Preučen je bil kardiovaskularni in nevronski pomen dušikovega oksida, vključno z encimom NO sintaze. (Glejte tudi: asimilacija dušika.) Poleg tega so bili kovinski prehodni kompleksi na osnovi triazolopirimidinov testirani proti več sevom parazitov.[6]

=== Kemija okolja ===
Kemija okolja tradicionalno poudarja interakcijo težkih kovin z organizmi. Metilirano živo srebro je povzročilo veliko katastrofo, imenovano Minamatska bolezen. Zastrupitev z arzenom je zelo razširjena težava, predvsem zaradi onesnaženja podzemne vode z arzenom, ki prizadene več milijonov ljudi v državah v razvoju. Presnova spojin, ki vsebujejo živo srebro in arzen, vključuje encime na osnovi kobalamina.

=== Biomineralizacija ===
Biomineralizacija je proces, s katerim živi organizmi proizvajajo minerale, pogosto za trdnost ali utrjevanje obstoječih tkiv. Takšna tkiva imenujemo mineralizirana tkiva.[7][8][9] Primeri vključujejo silikate v kremenastih algah, karbonate v nevretenčarjih ter kalcijeve fosfate in karbonate v vretenčarjih. Drugi primeri vključujejo nahajališča bakra, železa in zlata, ki vsebujejo bakterije. Biološko oblikovani minerali imajo pogosto posebne namene, kot so magnetni senzorji v magnetotaktičnih bakterijah (Fe3O4), naprave za zaznavanje gravitacije (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ter shranjevanje in mobilizacija železa (Fe2O3•H2O v proteinu feritinu). Ker je zunajcelično[10] železo močno vključeno v indukcijo kalcifikacije[11][12], je njegov nadzor bistvenega pomena pri razvoju lupin; beljakovina feritin ima pomembno vlogo pri nadzoru porazdelitve železa.[13]

== Vrste anorganskih substanc v biologiji ==

=== Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine ===
Bogati anorganski elementi delujejo kot ionski elektroliti. Najpomembnejši ioni so natrij, kalij, kalcij, magnezij, klorid, fosfat in bikarbonat. Osmotski tlak in pH se ohranjata z vzdrževanjem natančnih gradientov čez celične membrane.[15] Ioni so ključni tudi za živce in mišice, saj akcijski potencial v teh tkivih nastane z izmenjavo elektrolitov med zunajcelično tekočino in citosolom.[16] Elektroliti vstopajo v celice in jih zapuščajo skozi beljakovine v celični membrani, imenovane ionski kanalčki. Na primer, krčenje mišic je odvisno od migracije kalcija, natrija in kalija skozi ionske kanalčke v celični membrani in T-tubulih.[17]

''Slika 4:'' Tako kot mnogi antibiotiki je tudi monenzin-A ionofor, ki tesno veže Na+ (na sliki prikazano rumeno).[14]
[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Monensin2.png]

=== Prehodne kovine ===
Prehodne kovine so v organizmih navadno prisotne kot elementi v sledovih za razliko od cinka in železa, ki ju je v organizmih največ.[18][19][20] Te kovine se uporabljajo kot proteinski kofaktorji in signalne molekule. Mnogi so nujni za delovanje encimov, kot je katalaza, in beljakovin, ki prenašajo kisik, kot je recimo hemoglobin.[21] Ti kofaktorji so tesno povezani s specifičnim proteinom. Čeprav se lahko encimski kofaktorji med katalizo spremenijo, se le ti vedno vrnejo v prvotno stanje po katalizi. Kovinska mikrohranila prevzamejo organizmi s posebnimi transporterji in se vežejo na skladiščne proteine, kot sta feritin ali metalotionein (MT), ko niso aktivni.[22][23] Kobalt je nujen za delovanje vitamina B12.[24]

=== Spojine glavnih skupin periodnega sistema ===
Mnogi drugi elementi poleg kovin so bioaktivni. Žveplo in fosfor nujno potrebujejo vsa živa bitja. Fosfor praktično izključno obstaja kot fosfat oz. v obliki njegovih različnih estrov. Žveplo obstaja v različnih oksidacijskih stanjih, od sulfata (SO42−) do sulfida (S2−). Selen je element v sledovih, ki pa pomembeno sodeluje pri beljakovinah, ki so antioksidanti. Kadmij je pomemben zaradi svoje toksičnosti.[25]

== Glej tudi ==
[[Fiziologija]]

[[Kofaktor]]

[[Metabolizem železa]]

== Reference ==
1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5

2. Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (2021-03-31). "Interweaving Disciplines to Advance Chemistry: Applying Polyoxometalates in Biology" (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inor gchem.1c00125). ''Inorganic Chemistry:'' acs.inorgchem.1c00125. doi:10.1021/acs.inorgchem.1c00125 (https://doi.org/10.1021%2Facs.inorgchem.1c00125). ISSN 0020-16 9 (https://www.worldcat.org/issn/0020-1669). PMC 8154434 (https://www.ncb i.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8154434).

3. Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models". ''American Journal of Physiology.'' '''261''' (2 Pt 1): E190–8. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 (https://doi.org/10.1152%2Fajpendo.1991.261.2.E19 0). PMID 18723 1 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1872381).

4. Maret, Wolfgang (2017). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity". In Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (eds.). ''Lead: Its Effects on Environment and Health.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20. doi:10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID 28731294.

5. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., eds. (2010). ''Organometallics in Environment and Toxicology.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.

6. Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (March 2018). "In vitro leishmanicidal and trypanocidal evaluation and magnetic properties of 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II) complexes". ''Journal of Inorganic Biochemistry.'' '''180''': 26–32. doi:10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID 29227923.

7. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, ed. (2008). ''Biomineralization: From Nature to Application.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.

8. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). ''On biomineralization.'' Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.

9. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). ''Biominerals and fossils through time.'' Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.

10. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". ''J Histochem Cytochem.'' '''11''' (6): 799–803. doi:10.1177/11.6.799. Archived from the original on 2012-08-02.

11. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification" (https://epic.awi.de/id/epri nt/13015/1/Sch2004bl.pdf) (PDF). ''Nature.'' '''430''' (7000): 673–676.
Bibcode:2004Natur.430..673S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Natur.430..673S).
doi:10.1038/nature02631 (https://doi.org/10.1038%2Fnature02631). PMID 15295599 (https:// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15295599).

12. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". ''Experimental and Toxicologic Pathology.'' '''45''' (5–6): 365–368. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X (https://doi.org/10.1016%2FS0940-2993%2 811%2980429-X). PMID 8312724 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8312724).

13. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pm c/articles/PMC2034539). ''BMC Evolutionary Biology.'' '''7''': 160. doi:10.1186/1471-2148-7-160 (https://doi.org/10.1186%2F1471-2148-7-160). PMC 2034539 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pmc/articles/PMC2034539). PMID 17845714 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17845714).

14. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). ''Chemistry of the Elements'' (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

15. Sychrová H (2004). "Yeast as a model organism to study transport and homeostasis of alkali metal cations" (http://www.biomed.cas.cz/physiolres/pdf/53%20Suppl%201/53_S91.pdf) (PDF). ''Physiol Res.'' 53 Suppl 1: S91–8. PMID 15119939 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1 5119939).

16. Levitan I (1988). "Modulation of ion channels in neurons and other cells". ''Annu Rev Neurosci.'' '''11''': 119–36. doi:10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 (https://doi.org/10.1146% 2Fannurev.ne.11.030188.001003). PMID 2452594 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/245259
4).

17. Dulhunty A (2006). "Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium". ''Clin Exp Pharmacol Physiol.'' '''33''' (9): 763–72. doi:10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID 16922804.

18. Dlouhy, Adrienne C.; Outten, Caryn E. (2013). "Chapter 8 The Iron Metallome in Eukaryotic Organisms". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 241–78. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584. PMID 23595675. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

19. Mahan D, Shields R (1998). "Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight". ''J Anim Sci.'' '''76''' (2): 506–12. doi:10.2527/1998.762506x. PMID 9498359. Archived from the original on 2011-04-30.

20. Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Elemental fingerprint analysis of barley (Hordeum vulgare) using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics". ''Anal Bioanal Chem.'' '''378''' (1): 171–82. doi:10.1007/s00216-003-2219-0. PMID 14551660.

21. Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". ''Science.'' '''300''' (5621): 931–6. Bibcode:2003Sci...300..931F. doi:10.1126/science.1085049. PMID 12738850. S2CID 14863354.

22. Cousins R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trafficking, and signals". ''J Biol Chem.'' '''281''' (34): 24085–9. doi:10.1074/jbc.R600011200. PMID 16793761.

23. Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Iron uptake and metabolism in the new millennium". ''Trends Cell Biol.'' '''17''' (2): 93–100. doi:10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID 17194590.

24. Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Chapter 10 Cobalt and Corrinoid Transport and Biochemistry". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 333–74. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

25. Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Cadmium in the Context of its Toxicity". In Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). ''Cadmium: From Toxicology to Essentiality.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 11. Springer. pp. 1–30.

== Literatura ==
- Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), ''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 "Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." 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

- J.J.R. Fraústo da Silva and R.J.P. 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., ed., ''Physical Methods in Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

== Zunanje povezave ==
> The Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC)'s: https://www.sbichem.org/

> The French Bioinorganic Chemistry Society: http://frenchbic.cnrs.fr/

> Glossary of Terms in Bioinorganic Chemistry: https://web.archive.org/web/20050204054913/http://www.chem.qmw.ac.uk/iupac/bioinorg/

> Metal Coordination Groups in Proteins by Marjorie Harding: https://web.archive.org/web/20140603015531/http://tanna.bch.ed.ac.uk/

> European Bioinformatics Institute: https://www.ebi.ac.uk/

> MetalPDB: A database of metal sites in biomolecular structures: https://metalpdb.cerm.unifi.it/

Bioanorganska kemija

2023-01-04T22:45:35Z

Jaka Prelog: /* Biomineralizacija */

''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry

'''Bioanorganska kemija''' je področje, ki proučuje vlogo kovin v biologiji. Obravnava tako naravne pojave, kot je denimo obnašanje kovinskih proteinov oz. metaloproteinov, kot tudi umetno vnesene kovine, vključno s tistimi, ki niso bistvene v medicini in toksikologiji. Veliko bioloških procesov, kot je recimo dihanje, je odvisnih od molekul, ki jih uvrščamo v področje anorganske kemije. To področje raziskuje tudi anorganske modele oz. mimetike, ki oponašajo obnašanje metaloproteinov.[1]

Kot mešanica biokemije in anorganske kemije je bioanorganska kemija pomembna v pojasnjevanju udeležbe elektron-transfer proteinov, vezave substrata in njegove aktivacije, kemije prenosa atomov in skupin, kot tudi lastnosti kovin v biološki kemiji. Uspešen razvoj interdisciplinarnega dela je ključen za napredek bioanorgaske kemije.[2]

== Sestava živih organizmov ==
Približno 99 % mase sesalcev predstavljajo elementi ogljik, dušik, kalcij, natrij, klor, kalij, vodik, fosfor, kisik in žveplo.[3] Organske spojine (proteini, lipidi in ogljikovi hidrati) večinoma vsebujejo ogljik in dušik, večina kisika in vodika pa je prisotna v obliki vode.[3] Celoten nabor kovin vsebujočih biomolekul v celici proučuje ''metalomika''.

== Zgodovina ==
Paul Ehrlich je uporabljal organoarzene (“arzenike”) za zdravljenje sifilisa, s čimer je pokazal pomembnost kovin oz. polkovin za medicino, ki se je razcvetela z Rosenbergovim odkritjem proti rakavega delovanja cisplatina (cis-PtCl2(NH3)2). Prvi protein, ki jim ga je uspelo kristalizrati, je bila ureaza, za katero se je kasneje izkazalo, da vsebuje nikelj kot aktivno mesto. Vitamin B12, zdravilo za perniciozno anemijo, je kristalografsko predstavila Dorothy Crowfoot Hodgkin. Kristalografsko je dokazala, da makrociklični corrin vsebuje kobalt. Watson-Crickova oblika DNA predstavlja ključno strukturno vlogo polimerov, ki vsebujejo fosfat.

== Teme v bioanorganski kemiji ==
V bioanorganski kemiji je mogoče prepoznati več različnih sistemov. Glavna področja so:

=== Transport in hramba kovinskih ionov ===
Raznovrsten nabor transportnih sredstev (npr. ionska črpalka Na+/K+ ATPaza), vakuole, shranjevalni proteini (npr. feritin) in majhne molekule (npr. sideroforji) so zadolženi za uravnavanje koncentracije kovinskih ionov in njihovo biodostopnost v živih organizmih. Ključno je, da mnogo esencialnih kovin ni zlahka dostopnih proteinom v končni fazi zaradi slabe topnosti v vodnih raztopinah oz. deficitarnega celičnega okolja. Organizmi so razvili različne strategije za zbiranje in transport teh elementov, poleg tega tudi omejijo njihovo citotoksičnost.

=== Encimatika ===
Številne reakcije v raznovrstnih vedah o življenju vključujejo vodo in kovinske ione, ki so pogosto v katalitskih centrih (tj. aktivnih mestih) encimov, kot so to npr. kovinski proteini. Voda, ki nastopa pri reakcijah, pogosto reagira kot ligand (kovinski akva kompleksi). Primeri encimov hidrolaz so ogljikove anhidraze, kovinske fosfataze in kovinske proteinaze. Bioanorganski kemiki si prizadevajo razumeti in reproducirati vlogo teh kovinskih proteinov.
Pogosti so tudi kovinski proteini, ki so sposobni prenašati elektrone. Lahko jih porazdelimo v tri večje razrede: železo-žveplovi proteini (kot so npr. rubredoksini, ferodoksini in Rieske protein), modri bakrovi proteini in citokromi. Ti proteini, ki prenašajo elektrone, so komplementarni nekovinskim elektronskim prenašalcem, kot sta npr. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) in flavin adenin dinukleotid (FAD). Tudi dušikov cikel v veliki meri uporablja kovine za medsebojne redoks pretvorbe.

''Slika 1:'' 4Fe-4S klastri kot prenašalci elektronov v proteinih. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/FdRedox.png/1024px-FdRedox.png]

=== Toksičnost ===
Nekateri kovinski ioni so strupeni za ljudi in mnoge živali. V povezavi s toksičnostjo svinca je bila pregledana bioanorganska kemija svinca.[4]

=== Transport kisika in aktivacija proteinov ===
Aerobno življenje izdatno uporablja kovine kot so železo, baker in mangan. Hem je v rdečih krvničkah v obliki hemoglobina za transport kisika in je morda najbolj prepoznaven kovinski sistem v biologiji. Drugi transporti kisika vključujejo mioglobin, hemocianin in hemeritrin. Oksidaze in oksigenaze so kovinski sistemi, ki jih najdemo po vsej naravi in izkoriščajo kisik za izvajanje pomembnih reakcij, kot je na primer proizvodnja energije v citokrom c oksidazi ali pa oksidacija majhnih molekul v citokrom P450 oksidazah oziroma metan monooksigenazi. Nekateri kovinski proteini so zasnovani za zaščito biološkega sistema pred potencialno škodljivimi vplivi kisika in drugih reaktivnih molekul, ki vsebujejo kisik, kot je recimo vodikov peroksid. Ti sistemi vključujejo peroksidaze, katalaze in superoksid dismutaze. Komplementarni kovinski protein je kompleks, ki je prisoten v rastlinah in sprošča kisik tam, kjer je kisik za potek reakcij potreben. Ta sistem je del kompleksnega proteinskega mehanizma, ki rastlinam služi za proizvodnjo kisika med fotosintezo.

=== Bioorganokovinska kemija ===
Bioorganokovinski sistemi so sistemi biološko aktivnih molekul, ki vsebujejo ogljik, vezan neposredno na kovino oz. polkovino. Vez kovina–ogljik lahko v sistemu nastopa kot strukturni element ali kot intermediat. Bioorganokovinski encimi in proteini vključujejo hidrogenaze, kofaktor FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze in metilkobalamin. To so primeri naravno prisotnih organokovinskih spojin. Področje bioorganokovinske kemije je pretežno osredotočeno na uporabo kovin s strani enoceličnih organizmov. Bioorganokovinske spojine so pomembne predvsem v kemiji okolja.[5]

''Slika 2:'' Mioglobin je pomembna tema v bioanorganski kemiji, z določeno pozornostjo na železo-hem kompleks, ki je zasidran na protein. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Myoglobin.png/800px-Myoglobin.png]

''Slika 3:'' Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/FeMoco_cluster.svg/800px-FeMoco_cluster.svg.png]

=== Kovine v medicini ===
Številna zdravila vsebujejo kovine. Ta tema se opira na preučevanje zasnove in mehanizma delovanja farmacevtskih izdelkov, ki vsebujejo kovine in spojin, ki medsebojno delujejo z endogenimi kovinskimi ioni na encimsko aktivnih mestih. Najbolj razširjeno zdravilo proti raku je cisplatin. Kontrastna sredstva za MRI običajno vsebujejo gadolinij. Litijev karbonat se uporablja za zdravljenje manične faze bipolarne motnje. Komercializirana protiartritična zdravila, ki vsebujejo zlato, npr. auranofin. CORMs (molekule, ki sproščajo ogljikov monoksid), so kovinski kompleksi, ki so bili razviti za zatiranje vnetja s sproščanjem majhnih količin ogljikovega monoksida. Preučen je bil kardiovaskularni in nevronski pomen dušikovega oksida, vključno z encimom NO sintaze. (Glejte tudi: asimilacija dušika.) Poleg tega so bili kovinski prehodni kompleksi na osnovi triazolopirimidinov testirani proti več sevom parazitov.[6]

=== Kemija okolja ===
Kemija okolja tradicionalno poudarja interakcijo težkih kovin z organizmi. Metilirano živo srebro je povzročilo veliko katastrofo, imenovano Minamatska bolezen. Zastrupitev z arzenom je zelo razširjena težava, predvsem zaradi onesnaženja podzemne vode z arzenom, ki prizadene več milijonov ljudi v državah v razvoju. Presnova spojin, ki vsebujejo živo srebro in arzen, vključuje encime na osnovi kobalamina.

=== Biomineralizacija ===
Biomineralizacija je proces, s katerim živi organizmi proizvajajo minerale, pogosto za trdnost ali utrjevanje obstoječih tkiv. Takšna tkiva imenujemo mineralizirana tkiva.[7][8][9] Primeri vključujejo silikate v kremenastih algah, karbonate v nevretenčarjih ter kalcijeve fosfate in karbonate v vretenčarjih. Drugi primeri vključujejo nahajališča bakra, železa in zlata, ki vsebujejo bakterije. Biološko oblikovani minerali imajo pogosto posebne namene, kot so magnetni senzorji v magnetotaktičnih bakterijah (Fe3O4), naprave za zaznavanje gravitacije (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ter shranjevanje in mobilizacija železa (Fe2O3•H2O v proteinu feritinu). Ker je zunajcelično[10] železo močno vključeno v indukcijo kalcifikacije[11][12], je njegov nadzor bistvenega pomena pri razvoju lupin; beljakovina feritin ima pomembno vlogo pri nadzoru porazdelitve železa.[13]

== Vrste anorganskih substanc v biologiji ==

=== Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine ===
Bogati anorganski elementi delujejo kot ionski elektroliti. Najpomembnejši ioni so natrij, kalij, kalcij, magnezij, klorid, fosfat in bikarbonat. Osmotski tlak in pH se ohranjata z vzdrževanjem natančnih gradientov čez celične membrane.[15] Ioni so ključni tudi za živce in mišice, saj akcijski potencial v teh tkivih nastane z izmenjavo elektrolitov med zunajcelično tekočino in citosolom.[16] Elektroliti vstopajo v celice in jih zapuščajo skozi beljakovine v celični membrani, imenovane ionski kanalčki. Na primer, krčenje mišic je odvisno od migracije kalcija, natrija in kalija skozi ionske kanalčke v celični membrani in T-tubulih.[17]

''Slika 4:'' Tako kot mnogi antibiotiki je tudi monenzin-A ionofor, ki tesno veže Na+ (na sliki prikazano rumeno).[14]
[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Monensin2.png]

=== Prehodne kovine ===
Prehodne kovine so v organizmih navadno prisotne kot elementi v sledovih za razliko od cinka in železa, ki ju je v organizmih največ.[18][19][20] Te kovine se uporabljajo kot proteinski kofaktorji in signalne molekule. Mnogi so nujni za delovanje encimov, kot je katalaza, in beljakovin, ki prenašajo kisik, kot je recimo hemoglobin.[21] Ti kofaktorji so tesno povezani s specifičnim proteinom. Čeprav se lahko encimski kofaktorji med katalizo spremenijo, se le ti vedno vrnejo v prvotno stanje po katalizi. Kovinska mikrohranila prevzamejo organizmi s posebnimi transporterji in se vežejo na skladiščne proteine, kot sta feritin ali metalotionein (MT), ko niso aktivni.[22][23] Kobalt je nujen za delovanje vitamina B12.[24]

=== Spojine glavnih skupin periodnega sistema ===
Mnogi drugi elementi poleg kovin so bioaktivni. Žveplo in fosfor nujno potrebujejo vsa živa bitja. Fosfor praktično izključno obstaja kot fosfat oz. v obliki njegovih različnih estrov. Žveplo obstaja v različnih oksidacijskih stanjih, od sulfata (SO42−) do sulfida (S2−). Selen je element v sledovih, ki pa pomembeno sodeluje pri beljakovinah, ki so antioksidanti. Kadmij je pomemben zaradi svoje toksičnosti.[25]

== Glej tudi ==
[[Fiziologija]]

[[Kofaktor]]

[[Metabolizem železa]]

== Reference ==
1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5

2. Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (2021-03-31). "Interweaving Disciplines to Advance Chemistry: Applying Polyoxometalates in Biology" (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inor gchem.1c00125). ''Inorganic Chemistry:'' acs.inorgchem.1c00125. doi:10.1021/acs.inorgchem.1c00125 (https://doi.org/10.1021%2Facs.inorgchem.1c00125). ISSN 0020-16 9 (https://www.worldcat.org/issn/0020-1669). PMC 8154434 (https://www.ncb i.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8154434).

3. Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models". ''American Journal of Physiology.'' '''261''' (2 Pt 1): E190–8. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 (https://doi.org/10.1152%2Fajpendo.1991.261.2.E19 0). PMID 18723 1 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1872381).

4. Maret, Wolfgang (2017). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity". In Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (eds.). ''Lead: Its Effects on Environment and Health.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20. doi:10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID 28731294.

5. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., eds. (2010). ''Organometallics in Environment and Toxicology.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.

6. Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (March 2018). "In vitro leishmanicidal and trypanocidal evaluation and magnetic properties of 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II) complexes". ''Journal of Inorganic Biochemistry.'' '''180''': 26–32. doi:10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID 29227923.

7. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, ed. (2008). ''Biomineralization: From Nature to Application.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.

8. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). ''On biomineralization.'' Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.

9. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). ''Biominerals and fossils through time.'' Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.

10. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". ''J Histochem Cytochem.'' '''11''' (6): 799–803. doi:10.1177/11.6.799. Archived from the original on 2012-08-02.

11. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification" (https://epic.awi.de/id/epri nt/13015/1/Sch2004bl.pdf) (PDF). ''Nature.'' '''430''' (7000): 673–676.
Bibcode:2004Natur.430..673S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Natur.430..673S).
doi:10.1038/nature02631 (https://doi.org/10.1038%2Fnature02631). PMID 15295599 (https:// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15295599).

12. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". ''Experimental and Toxicologic Pathology.'' '''45''' (5–6): 365–368. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X (https://doi.org/10.1016%2FS0940-2993%2 811%2980429-X). PMID 8312724 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8312724).

13. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pm c/articles/PMC2034539). ''BMC Evolutionary Biology.'' '''7''': 160. doi:10.1186/1471-2148-7-160 (https://doi.org/10.1186%2F1471-2148-7-160). PMC 2034539 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pmc/articles/PMC2034539). PMID 17845714 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17845714).

14. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). ''Chemistry of the Elements'' (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

15. Sychrová H (2004). "Yeast as a model organism to study transport and homeostasis of alkali metal cations" (http://www.biomed.cas.cz/physiolres/pdf/53%20Suppl%201/53_S91.pdf) (PDF). ''Physiol Res.'' 53 Suppl 1: S91–8. PMID 15119939 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1 5119939).

16. Levitan I (1988). "Modulation of ion channels in neurons and other cells". ''Annu Rev Neurosci.'' '''11''': 119–36. doi:10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 (https://doi.org/10.1146% 2Fannurev.ne.11.030188.001003). PMID 2452594 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/245259
4).

17. Dulhunty A (2006). "Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium". ''Clin Exp Pharmacol Physiol.'' '''33''' (9): 763–72. doi:10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID 16922804.

18. Dlouhy, Adrienne C.; Outten, Caryn E. (2013). "Chapter 8 The Iron Metallome in Eukaryotic Organisms". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 241–78. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584. PMID 23595675. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

19. Mahan D, Shields R (1998). "Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight". ''J Anim Sci.'' '''76''' (2): 506–12. doi:10.2527/1998.762506x. PMID 9498359. Archived from the original on 2011-04-30.

20. Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Elemental fingerprint analysis of barley (Hordeum vulgare) using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics". ''Anal Bioanal Chem.'' '''378''' (1): 171–82. doi:10.1007/s00216-003-2219-0. PMID 14551660.

21. Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". ''Science.'' '''300''' (5621): 931–6. Bibcode:2003Sci...300..931F. doi:10.1126/science.1085049. PMID 12738850. S2CID 14863354.

22. Cousins R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trafficking, and signals". ''J Biol Chem.'' '''281''' (34): 24085–9. doi:10.1074/jbc.R600011200. PMID 16793761.

23. Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Iron uptake and metabolism in the new millennium". ''Trends Cell Biol.'' '''17''' (2): 93–100. doi:10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID 17194590.

24. Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Chapter 10 Cobalt and Corrinoid Transport and Biochemistry". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 333–74. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

25. Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Cadmium in the Context of its Toxicity". In Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). ''Cadmium: From Toxicology to Essentiality.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 11. Springer. pp. 1–30.

== Literatura ==
- Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), ''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 "Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." 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

- J.J.R. Fraústo da Silva and R.J.P. 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., ed., ''Physical Methods in Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

== Zunanje povezave ==
> The Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC)'s: https://www.sbichem.org/

> The French Bioinorganic Chemistry Society: http://frenchbic.cnrs.fr/

> Glossary of Terms in Bioinorganic Chemistry: https://web.archive.org/web/20050204054913/http://www.chem.qmw.ac.uk/iupac/bioinorg/

> Metal Coordination Groups in Proteins by Marjorie Harding: https://web.archive.org/web/20140603015531/http://tanna.bch.ed.ac.uk/

> European Bioinformatics Institute: https://www.ebi.ac.uk/

> MetalPDB: A database of metal sites in biomolecular structures: https://metalpdb.cerm.unifi.it/

Bioanorganska kemija

2023-01-04T22:40:50Z

Jaka Prelog: /* Zgodovina */

''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry

'''Bioanorganska kemija''' je področje, ki proučuje vlogo kovin v biologiji. Obravnava tako naravne pojave, kot je denimo obnašanje kovinskih proteinov oz. metaloproteinov, kot tudi umetno vnesene kovine, vključno s tistimi, ki niso bistvene v medicini in toksikologiji. Veliko bioloških procesov, kot je recimo dihanje, je odvisnih od molekul, ki jih uvrščamo v področje anorganske kemije. To področje raziskuje tudi anorganske modele oz. mimetike, ki oponašajo obnašanje metaloproteinov.[1]

Kot mešanica biokemije in anorganske kemije je bioanorganska kemija pomembna v pojasnjevanju udeležbe elektron-transfer proteinov, vezave substrata in njegove aktivacije, kemije prenosa atomov in skupin, kot tudi lastnosti kovin v biološki kemiji. Uspešen razvoj interdisciplinarnega dela je ključen za napredek bioanorgaske kemije.[2]

== Sestava živih organizmov ==
Približno 99 % mase sesalcev predstavljajo elementi ogljik, dušik, kalcij, natrij, klor, kalij, vodik, fosfor, kisik in žveplo.[3] Organske spojine (proteini, lipidi in ogljikovi hidrati) večinoma vsebujejo ogljik in dušik, večina kisika in vodika pa je prisotna v obliki vode.[3] Celoten nabor kovin vsebujočih biomolekul v celici proučuje ''metalomika''.

== Zgodovina ==
Paul Ehrlich je uporabljal organoarzene (“arzenike”) za zdravljenje sifilisa, s čimer je pokazal pomembnost kovin oz. polkovin za medicino, ki se je razcvetela z Rosenbergovim odkritjem proti rakavega delovanja cisplatina (cis-PtCl2(NH3)2). Prvi protein, ki jim ga je uspelo kristalizrati, je bila ureaza, za katero se je kasneje izkazalo, da vsebuje nikelj kot aktivno mesto. Vitamin B12, zdravilo za perniciozno anemijo, je kristalografsko predstavila Dorothy Crowfoot Hodgkin. Kristalografsko je dokazala, da makrociklični corrin vsebuje kobalt. Watson-Crickova oblika DNA predstavlja ključno strukturno vlogo polimerov, ki vsebujejo fosfat.

== Teme v bioanorganski kemiji ==
V bioanorganski kemiji je mogoče prepoznati več različnih sistemov. Glavna področja so:

=== Transport in hramba kovinskih ionov ===
Raznovrsten nabor transportnih sredstev (npr. ionska črpalka Na+/K+ ATPaza), vakuole, shranjevalni proteini (npr. feritin) in majhne molekule (npr. sideroforji) so zadolženi za uravnavanje koncentracije kovinskih ionov in njihovo biodostopnost v živih organizmih. Ključno je, da mnogo esencialnih kovin ni zlahka dostopnih proteinom v končni fazi zaradi slabe topnosti v vodnih raztopinah oz. deficitarnega celičnega okolja. Organizmi so razvili različne strategije za zbiranje in transport teh elementov, poleg tega tudi omejijo njihovo citotoksičnost.

=== Encimatika ===
Številne reakcije v raznovrstnih vedah o življenju vključujejo vodo in kovinske ione, ki so pogosto v katalitskih centrih (tj. aktivnih mestih) encimov, kot so to npr. kovinski proteini. Voda, ki nastopa pri reakcijah, pogosto reagira kot ligand (kovinski akva kompleksi). Primeri encimov hidrolaz so ogljikove anhidraze, kovinske fosfataze in kovinske proteinaze. Bioanorganski kemiki si prizadevajo razumeti in reproducirati vlogo teh kovinskih proteinov.
Pogosti so tudi kovinski proteini, ki so sposobni prenašati elektrone. Lahko jih porazdelimo v tri večje razrede: železo-žveplovi proteini (kot so npr. rubredoksini, ferodoksini in Rieske protein), modri bakrovi proteini in citokromi. Ti proteini, ki prenašajo elektrone, so komplementarni nekovinskim elektronskim prenašalcem, kot sta npr. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) in flavin adenin dinukleotid (FAD). Tudi dušikov cikel v veliki meri uporablja kovine za medsebojne redoks pretvorbe.

''Slika 1:'' 4Fe-4S klastri kot prenašalci elektronov v proteinih. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/FdRedox.png/1024px-FdRedox.png]

=== Toksičnost ===
Nekateri kovinski ioni so strupeni za ljudi in mnoge živali. V povezavi s toksičnostjo svinca je bila pregledana bioanorganska kemija svinca.[4]

=== Transport kisika in aktivacija proteinov ===
Aerobno življenje izdatno uporablja kovine kot so železo, baker in mangan. Hem je v rdečih krvničkah v obliki hemoglobina za transport kisika in je morda najbolj prepoznaven kovinski sistem v biologiji. Drugi transporti kisika vključujejo mioglobin, hemocianin in hemeritrin. Oksidaze in oksigenaze so kovinski sistemi, ki jih najdemo po vsej naravi in izkoriščajo kisik za izvajanje pomembnih reakcij, kot je na primer proizvodnja energije v citokrom c oksidazi ali pa oksidacija majhnih molekul v citokrom P450 oksidazah oziroma metan monooksigenazi. Nekateri kovinski proteini so zasnovani za zaščito biološkega sistema pred potencialno škodljivimi vplivi kisika in drugih reaktivnih molekul, ki vsebujejo kisik, kot je recimo vodikov peroksid. Ti sistemi vključujejo peroksidaze, katalaze in superoksid dismutaze. Komplementarni kovinski protein je kompleks, ki je prisoten v rastlinah in sprošča kisik tam, kjer je kisik za potek reakcij potreben. Ta sistem je del kompleksnega proteinskega mehanizma, ki rastlinam služi za proizvodnjo kisika med fotosintezo.

=== Bioorganokovinska kemija ===
Bioorganokovinski sistemi so sistemi biološko aktivnih molekul, ki vsebujejo ogljik, vezan neposredno na kovino oz. polkovino. Vez kovina–ogljik lahko v sistemu nastopa kot strukturni element ali kot intermediat. Bioorganokovinski encimi in proteini vključujejo hidrogenaze, kofaktor FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze in metilkobalamin. To so primeri naravno prisotnih organokovinskih spojin. Področje bioorganokovinske kemije je pretežno osredotočeno na uporabo kovin s strani enoceličnih organizmov. Bioorganokovinske spojine so pomembne predvsem v kemiji okolja.[5]

''Slika 2:'' Mioglobin je pomembna tema v bioanorganski kemiji, z določeno pozornostjo na železo-hem kompleks, ki je zasidran na protein. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Myoglobin.png/800px-Myoglobin.png]

''Slika 3:'' Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/FeMoco_cluster.svg/800px-FeMoco_cluster.svg.png]

=== Kovine v medicini ===
Številna zdravila vsebujejo kovine. Ta tema se opira na preučevanje zasnove in mehanizma delovanja farmacevtskih izdelkov, ki vsebujejo kovine in spojin, ki medsebojno delujejo z endogenimi kovinskimi ioni na encimsko aktivnih mestih. Najbolj razširjeno zdravilo proti raku je cisplatin. Kontrastna sredstva za MRI običajno vsebujejo gadolinij. Litijev karbonat se uporablja za zdravljenje manične faze bipolarne motnje. Komercializirana protiartritična zdravila, ki vsebujejo zlato, npr. auranofin. CORMs (molekule, ki sproščajo ogljikov monoksid), so kovinski kompleksi, ki so bili razviti za zatiranje vnetja s sproščanjem majhnih količin ogljikovega monoksida. Preučen je bil kardiovaskularni in nevronski pomen dušikovega oksida, vključno z encimom NO sintaze. (Glejte tudi: asimilacija dušika.) Poleg tega so bili kovinski prehodni kompleksi na osnovi triazolopirimidinov testirani proti več sevom parazitov.[6]

=== Kemija okolja ===
Kemija okolja tradicionalno poudarja interakcijo težkih kovin z organizmi. Metilirano živo srebro je povzročilo veliko katastrofo, imenovano Minamatska bolezen. Zastrupitev z arzenom je zelo razširjena težava, predvsem zaradi onesnaženja podzemne vode z arzenom, ki prizadene več milijonov ljudi v državah v razvoju. Presnova spojin, ki vsebujejo živo srebro in arzen, vključuje encime na osnovi kobalamina.

=== Biomineralizacija ===
Biomineralizacija je proces, s katerim živi organizmi proizvajajo minerale, pogosto za trdnost ali utrjevanje obstoječih tkiv. Takšna tkiva imenujemo mineralizirana tkiva.[7][8][9] Primeri vključujejo silikate v kremenastih algah, karbonate v nevretenčarjih ter kalcijeve fosfate in karbonate v vretenčarjih. Drugi primeri vključujejo nahajališča bakra, železa in zlata, ki vsebujejo bakterije. Biološko oblikovani minerali imajo pogosto posebne namene, kot so magnetni senzorji v magnetotaktičnih bakterijah (Fe3O4), naprave za zaznavanje gravitacije (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ter shranjevanje in mobilizacija železa (Fe2O3•H2O v proteinu feritinu). Ker je zunajcelično[10] železo močno vključeno v indukcijo kalcifikacije[11][12], je njegov nadzor bistvenega pomena pri razvoju lupin; beljakovina feritin ima pomembno vlogo pri nadzoru porazdelitve železa.[13]

== Vrste anorganskih substanc v biologiji ==

=== Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine ===
Bogati anorganski elementi delujejo kot ionski elektroliti. Najpomembnejši ioni so natrij, kalij, kalcij, magnezij, klorid, fosfat in bikarbonat. Osmotski tlak in pH se ohranjata z vzdrževanjem natančnih gradientov čez celične membrane.[15] Ioni so ključni tudi za živce in mišice, saj akcijski potencial v teh tkivih nastane z izmenjavo elektrolitov med zunajcelično tekočino in citosolom.[16] Elektroliti vstopajo v celice in jih zapuščajo skozi beljakovine v celični membrani, imenovane ionski kanalčki. Na primer, krčenje mišic je odvisno od migracije kalcija, natrija in kalija skozi ionske kanalčke v celični membrani in T-tubulih.[17]

''Slika 4:'' Tako kot mnogi antibiotiki je tudi monenzin-A ionofor, ki tesno veže Na+ (na sliki prikazano rumeno).[14]
[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Monensin2.png]

=== Prehodne kovine ===
Prehodne kovine so v organizmih navadno prisotne kot elementi v sledovih za razliko od cinka in železa, ki ju je v organizmih največ.[18][19][20] Te kovine se uporabljajo kot proteinski kofaktorji in signalne molekule. Mnogi so nujni za delovanje encimov, kot je katalaza, in beljakovin, ki prenašajo kisik, kot je recimo hemoglobin.[21] Ti kofaktorji so tesno povezani s specifičnim proteinom. Čeprav se lahko encimski kofaktorji med katalizo spremenijo, se le ti vedno vrnejo v prvotno stanje po katalizi. Kovinska mikrohranila prevzamejo organizmi s posebnimi transporterji in se vežejo na skladiščne proteine, kot sta feritin ali metalotionein (MT), ko niso aktivni.[22][23] Kobalt je nujen za delovanje vitamina B12.[24]

=== Spojine glavnih skupin periodnega sistema ===
Mnogi drugi elementi poleg kovin so bioaktivni. Žveplo in fosfor nujno potrebujejo vsa živa bitja. Fosfor praktično izključno obstaja kot fosfat oz. v obliki njegovih različnih estrov. Žveplo obstaja v različnih oksidacijskih stanjih, od sulfata (SO42−) do sulfida (S2−). Selen je element v sledovih, ki pa pomembeno sodeluje pri beljakovinah, ki so antioksidanti. Kadmij je pomemben zaradi svoje toksičnosti.[25]

== Glej tudi ==
[[Fiziologija]]

[[Kofaktor]]

[[Metabolizem železa]]

== Reference ==
1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5

2. Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (2021-03-31). "Interweaving Disciplines to Advance Chemistry: Applying Polyoxometalates in Biology" (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inor gchem.1c00125). ''Inorganic Chemistry:'' acs.inorgchem.1c00125. doi:10.1021/acs.inorgchem.1c00125 (https://doi.org/10.1021%2Facs.inorgchem.1c00125). ISSN 0020-16 9 (https://www.worldcat.org/issn/0020-1669). PMC 8154434 (https://www.ncb i.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8154434).

3. Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models". ''American Journal of Physiology.'' '''261''' (2 Pt 1): E190–8. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 (https://doi.org/10.1152%2Fajpendo.1991.261.2.E19 0). PMID 18723 1 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1872381).

4. Maret, Wolfgang (2017). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity". In Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (eds.). ''Lead: Its Effects on Environment and Health.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20. doi:10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID 28731294.

5. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., eds. (2010). ''Organometallics in Environment and Toxicology.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.

6. Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (March 2018). "In vitro leishmanicidal and trypanocidal evaluation and magnetic properties of 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II) complexes". ''Journal of Inorganic Biochemistry.'' '''180''': 26–32. doi:10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID 29227923.

7. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, ed. (2008). ''Biomineralization: From Nature to Application.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.

8. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). ''On biomineralization.'' Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.

9. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). ''Biominerals and fossils through time.'' Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.

10. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". ''J Histochem Cytochem.'' '''11''' (6): 799–803. doi:10.1177/11.6.799. Archived from the original on 2012-08-02.

11. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification" (https://epic.awi.de/id/epri nt/13015/1/Sch2004bl.pdf) (PDF). ''Nature.'' '''430''' (7000): 673–676.
Bibcode:2004Natur.430..673S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Natur.430..673S).
doi:10.1038/nature02631 (https://doi.org/10.1038%2Fnature02631). PMID 15295599 (https:// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15295599).

12. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". ''Experimental and Toxicologic Pathology.'' '''45''' (5–6): 365–368. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X (https://doi.org/10.1016%2FS0940-2993%2 811%2980429-X). PMID 8312724 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8312724).

13. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pm c/articles/PMC2034539). ''BMC Evolutionary Biology.'' '''7''': 160. doi:10.1186/1471-2148-7-160 (https://doi.org/10.1186%2F1471-2148-7-160). PMC 2034539 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pmc/articles/PMC2034539). PMID 17845714 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17845714).

14. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). ''Chemistry of the Elements'' (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

15. Sychrová H (2004). "Yeast as a model organism to study transport and homeostasis of alkali metal cations" (http://www.biomed.cas.cz/physiolres/pdf/53%20Suppl%201/53_S91.pdf) (PDF). ''Physiol Res.'' 53 Suppl 1: S91–8. PMID 15119939 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1 5119939).

16. Levitan I (1988). "Modulation of ion channels in neurons and other cells". ''Annu Rev Neurosci.'' '''11''': 119–36. doi:10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 (https://doi.org/10.1146% 2Fannurev.ne.11.030188.001003). PMID 2452594 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/245259
4).

17. Dulhunty A (2006). "Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium". ''Clin Exp Pharmacol Physiol.'' '''33''' (9): 763–72. doi:10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID 16922804.

18. Dlouhy, Adrienne C.; Outten, Caryn E. (2013). "Chapter 8 The Iron Metallome in Eukaryotic Organisms". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 241–78. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584. PMID 23595675. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

19. Mahan D, Shields R (1998). "Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight". ''J Anim Sci.'' '''76''' (2): 506–12. doi:10.2527/1998.762506x. PMID 9498359. Archived from the original on 2011-04-30.

20. Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Elemental fingerprint analysis of barley (Hordeum vulgare) using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics". ''Anal Bioanal Chem.'' '''378''' (1): 171–82. doi:10.1007/s00216-003-2219-0. PMID 14551660.

21. Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". ''Science.'' '''300''' (5621): 931–6. Bibcode:2003Sci...300..931F. doi:10.1126/science.1085049. PMID 12738850. S2CID 14863354.

22. Cousins R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trafficking, and signals". ''J Biol Chem.'' '''281''' (34): 24085–9. doi:10.1074/jbc.R600011200. PMID 16793761.

23. Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Iron uptake and metabolism in the new millennium". ''Trends Cell Biol.'' '''17''' (2): 93–100. doi:10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID 17194590.

24. Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Chapter 10 Cobalt and Corrinoid Transport and Biochemistry". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 333–74. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

25. Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Cadmium in the Context of its Toxicity". In Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). ''Cadmium: From Toxicology to Essentiality.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 11. Springer. pp. 1–30.

== Literatura ==
- Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), ''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 "Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." 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

- J.J.R. Fraústo da Silva and R.J.P. 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., ed., ''Physical Methods in Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

== Zunanje povezave ==
> The Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC)'s: https://www.sbichem.org/

> The French Bioinorganic Chemistry Society: http://frenchbic.cnrs.fr/

> Glossary of Terms in Bioinorganic Chemistry: https://web.archive.org/web/20050204054913/http://www.chem.qmw.ac.uk/iupac/bioinorg/

> Metal Coordination Groups in Proteins by Marjorie Harding: https://web.archive.org/web/20140603015531/http://tanna.bch.ed.ac.uk/

> European Bioinformatics Institute: https://www.ebi.ac.uk/

> MetalPDB: A database of metal sites in biomolecular structures: https://metalpdb.cerm.unifi.it/

Koordinacijska kemija

2022-12-21T13:26:41Z

Jaka Prelog: /* Opis predmeta */

==Opis predmeta==
Pri predmetu Koordinacijska kemija obravnavamo značilne lastnosti koordinacijskih spojin, praktično uporabo sinteznih metod in osnovne karakterizacije v povezavi s podatki iz strukturne
analize.

Del seminarjev iz Koordinacijske kemije je organiziran tako, da skupina študentov obravnava določeno tematiko in pripravi vsebino na na Wiki FKKT.

[[KK seminar 2022/23]]

Bioanorganska kemija

2022-12-21T13:24:59Z

Jaka Prelog: /* Zunanje povezave */

''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry

'''Bioanorganska kemija''' je področje, ki proučuje vlogo kovin v biologiji. Obravnava tako naravne pojave, kot je denimo obnašanje kovinskih proteinov oz. metaloproteinov, kot tudi umetno vnesene kovine, vključno s tistimi, ki niso bistvene v medicini in toksikologiji. Veliko bioloških procesov, kot je recimo dihanje, je odvisnih od molekul, ki jih uvrščamo v področje anorganske kemije. To področje raziskuje tudi anorganske modele oz. mimetike, ki oponašajo obnašanje metaloproteinov.[1]

Kot mešanica biokemije in anorganske kemije je bioanorganska kemija pomembna v pojasnjevanju udeležbe elektron-transfer proteinov, vezave substrata in njegove aktivacije, kemije prenosa atomov in skupin, kot tudi lastnosti kovin v biološki kemiji. Uspešen razvoj interdisciplinarnega dela je ključen za napredek bioanorgaske kemije.[2]

== Sestava živih organizmov ==
Približno 99 % mase sesalcev predstavljajo elementi ogljik, dušik, kalcij, natrij, klor, kalij, vodik, fosfor, kisik in žveplo.[3] Organske spojine (proteini, lipidi in ogljikovi hidrati) večinoma vsebujejo ogljik in dušik, večina kisika in vodika pa je prisotna v obliki vode.[3] Celoten nabor kovin vsebujočih biomolekul v celici proučuje ''metalomika''.

== Zgodovina ==
Paul Ehrlich je uporabljal organoarzene (“arzenike”) za zdravljenje sifilisa, s čimer je pokazal pomembnost kovin oz. polkovin za medicino, ki se je razcvetela z Rosenbergovim odkritjem proti rakavega delovanja cisplatina (cis-PtCl2(NH3)2). Prvi protein, ki jim ga je uspelo kristalizrati, je bila ureaza, za katero se je kasneje izkazalo, da vsebuje nikelj kot aktivno mesto. Vitamin B12, zdravilo za perniciozno anemijo, je kristalografsko predstavila Dorothy Crowfoot Hodgkin. Kristalografsko je dokazala, da makrociklični corrin vsebuje kobalt. Watson-Crickova oblika DNA predstavlja ključno strukturno vlogo polimerov, ki vsebujejo fosfat.

== Teme v bioanorganski kemiji ==
V bioanorganski kemiji je mogoče prepoznati več različnih sistemov. Glavna področja so:

=== Transport in hramba kovinskih ionov ===
Raznovrsten nabor transportnih sredstev (npr. ionska črpalka Na+/K+ ATPaza), vakuole, shranjevalni proteini (npr. feritin) in majhne molekule (npr. sideroforji) so zadolženi za uravnavanje koncentracije kovinskih ionov in njihovo biodostopnost v živih organizmih. Ključno je, da mnogo esencialnih kovin ni zlahka dostopnih proteinom v končni fazi zaradi slabe topnosti v vodnih raztopinah oz. deficitarnega celičnega okolja. Organizmi so razvili različne strategije za zbiranje in transport teh elementov, poleg tega tudi omejijo njihovo citotoksičnost.

=== Encimatika ===
Številne reakcije v raznovrstnih vedah o življenju vključujejo vodo in kovinske ione, ki so pogosto v katalitskih centrih (tj. aktivnih mestih) encimov, kot so to npr. kovinski proteini. Voda, ki nastopa pri reakcijah, pogosto reagira kot ligand (kovinski akva kompleksi). Primeri encimov hidrolaz so ogljikove anhidraze, kovinske fosfataze in kovinske proteinaze. Bioanorganski kemiki si prizadevajo razumeti in reproducirati vlogo teh kovinskih proteinov.
Pogosti so tudi kovinski proteini, ki so sposobni prenašati elektrone. Lahko jih porazdelimo v tri večje razrede: železo-žveplovi proteini (kot so npr. rubredoksini, ferodoksini in Rieske protein), modri bakrovi proteini in citokromi. Ti proteini, ki prenašajo elektrone, so komplementarni nekovinskim elektronskim prenašalcem, kot sta npr. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) in flavin adenin dinukleotid (FAD). Tudi dušikov cikel v veliki meri uporablja kovine za medsebojne redoks pretvorbe.

''Slika 1:'' 4Fe-4S klastri kot prenašalci elektronov v proteinih. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/FdRedox.png/1024px-FdRedox.png]

=== Toksičnost ===
Nekateri kovinski ioni so strupeni za ljudi in mnoge živali. V povezavi s toksičnostjo svinca je bila pregledana bioanorganska kemija svinca.[4]

=== Transport kisika in aktivacija proteinov ===
Aerobno življenje izdatno uporablja kovine kot so železo, baker in mangan. Hem je v rdečih krvničkah v obliki hemoglobina za transport kisika in je morda najbolj prepoznaven kovinski sistem v biologiji. Drugi transporti kisika vključujejo mioglobin, hemocianin in hemeritrin. Oksidaze in oksigenaze so kovinski sistemi, ki jih najdemo po vsej naravi in izkoriščajo kisik za izvajanje pomembnih reakcij, kot je na primer proizvodnja energije v citokrom c oksidazi ali pa oksidacija majhnih molekul v citokrom P450 oksidazah oziroma metan monooksigenazi. Nekateri kovinski proteini so zasnovani za zaščito biološkega sistema pred potencialno škodljivimi vplivi kisika in drugih reaktivnih molekul, ki vsebujejo kisik, kot je recimo vodikov peroksid. Ti sistemi vključujejo peroksidaze, katalaze in superoksid dismutaze. Komplementarni kovinski protein je kompleks, ki je prisoten v rastlinah in sprošča kisik tam, kjer je kisik za potek reakcij potreben. Ta sistem je del kompleksnega proteinskega mehanizma, ki rastlinam služi za proizvodnjo kisika med fotosintezo.

=== Bioorganokovinska kemija ===
Bioorganokovinski sistemi so sistemi biološko aktivnih molekul, ki vsebujejo ogljik, vezan neposredno na kovino oz. polkovino. Vez kovina–ogljik lahko v sistemu nastopa kot strukturni element ali kot intermediat. Bioorganokovinski encimi in proteini vključujejo hidrogenaze, kofaktor FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze in metilkobalamin. To so primeri naravno prisotnih organokovinskih spojin. Področje bioorganokovinske kemije je pretežno osredotočeno na uporabo kovin s strani enoceličnih organizmov. Bioorganokovinske spojine so pomembne predvsem v kemiji okolja.[5]

''Slika 2:'' Mioglobin je pomembna tema v bioanorganski kemiji, z določeno pozornostjo na železo-hem kompleks, ki je zasidran na protein. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Myoglobin.png/800px-Myoglobin.png]

''Slika 3:'' Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/FeMoco_cluster.svg/800px-FeMoco_cluster.svg.png]

=== Kovine v medicini ===
Številna zdravila vsebujejo kovine. Ta tema se opira na preučevanje zasnove in mehanizma delovanja farmacevtskih izdelkov, ki vsebujejo kovine in spojin, ki medsebojno delujejo z endogenimi kovinskimi ioni na encimsko aktivnih mestih. Najbolj razširjeno zdravilo proti raku je cisplatin. Kontrastna sredstva za MRI običajno vsebujejo gadolinij. Litijev karbonat se uporablja za zdravljenje manične faze bipolarne motnje. Komercializirana protiartritična zdravila, ki vsebujejo zlato, npr. auranofin. CORMs (molekule, ki sproščajo ogljikov monoksid), so kovinski kompleksi, ki so bili razviti za zatiranje vnetja s sproščanjem majhnih količin ogljikovega monoksida. Preučen je bil kardiovaskularni in nevronski pomen dušikovega oksida, vključno z encimom NO sintaze. (Glejte tudi: asimilacija dušika.) Poleg tega so bili kovinski prehodni kompleksi na osnovi triazolopirimidinov testirani proti več sevom parazitov.[6]

=== Kemija okolja ===
Kemija okolja tradicionalno poudarja interakcijo težkih kovin z organizmi. Metilirano živo srebro je povzročilo veliko katastrofo, imenovano Minamatska bolezen. Zastrupitev z arzenom je zelo razširjena težava, predvsem zaradi onesnaženja podzemne vode z arzenom, ki prizadene več milijonov ljudi v državah v razvoju. Presnova spojin, ki vsebujejo živo srebro in arzen, vključuje encime na osnovi kobalamina.

=== Biomineralizacija ===
Biomineralizacija je proces, s katerim živi organizmi proizvajajo minerale, pogosto za trdnost ali utrjevanje obstoječih tkiv. Takšna tkiva imenujemo mineralizirana tkiva.[7][8][9] Primeri vključujejo silikate v kremenastih algah, karbonate v nevretenčarjih ter kalcijeve fosfate in karbonate v vretenčarjih. Drugi primeri vključujejo nahajališča bakra, železa in zlata, ki vsebujejo bakterije. Biološko oblikovani minerali imajo pogosto posebne namene, kot so magnetni senzorji v magnetotaktičnih bakterijah (Fe3O4), naprave za zaznavanje gravitacije (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ter shranjevanje in mobilizacija železa (Fe2O3•H2O v proteinu feritinu). Ker je zunajcelično[10] železo močno vključeno v indukcijo kalcifikacije[11][12], je njegov nadzor bistvenega pomena pri razvoju lupin; beljakovina feritin ima pomembno vlogo pri nadzoru porazdelitve železa.[13]

== Vrste anorganskih substanc v biologiji ==

=== Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine ===
Bogati anorganski elementi delujejo kot ionski elektroliti. Najpomembnejši ioni so natrij, kalij, kalcij, magnezij, klorid, fosfat in bikarbonat. Osmotski tlak in pH se ohranjata z vzdrževanjem natančnih gradientov čez celične membrane.[15] Ioni so ključni tudi za živce in mišice, saj akcijski potencial v teh tkivih nastane z izmenjavo elektrolitov med zunajcelično tekočino in citosolom.[16] Elektroliti vstopajo v celice in jih zapuščajo skozi beljakovine v celični membrani, imenovane ionski kanalčki. Na primer, krčenje mišic je odvisno od migracije kalcija, natrija in kalija skozi ionske kanalčke v celični membrani in T-tubulih.[17]

''Slika 4:'' Tako kot mnogi antibiotiki je tudi monenzin-A ionofor, ki tesno veže Na+ (na sliki prikazano rumeno).[14]
[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Monensin2.png]

=== Prehodne kovine ===
Prehodne kovine so v organizmih navadno prisotne kot elementi v sledovih za razliko od cinka in železa, ki ju je v organizmih največ.[18][19][20] Te kovine se uporabljajo kot proteinski kofaktorji in signalne molekule. Mnogi so nujni za delovanje encimov, kot je katalaza, in beljakovin, ki prenašajo kisik, kot je recimo hemoglobin.[21] Ti kofaktorji so tesno povezani s specifičnim proteinom. Čeprav se lahko encimski kofaktorji med katalizo spremenijo, se le ti vedno vrnejo v prvotno stanje po katalizi. Kovinska mikrohranila prevzamejo organizmi s posebnimi transporterji in se vežejo na skladiščne proteine, kot sta feritin ali metalotionein (MT), ko niso aktivni.[22][23] Kobalt je nujen za delovanje vitamina B12.[24]

=== Spojine glavnih skupin periodnega sistema ===
Mnogi drugi elementi poleg kovin so bioaktivni. Žveplo in fosfor nujno potrebujejo vsa živa bitja. Fosfor praktično izključno obstaja kot fosfat oz. v obliki njegovih različnih estrov. Žveplo obstaja v različnih oksidacijskih stanjih, od sulfata (SO42−) do sulfida (S2−). Selen je element v sledovih, ki pa pomembeno sodeluje pri beljakovinah, ki so antioksidanti. Kadmij je pomemben zaradi svoje toksičnosti.[25]

== Glej tudi ==
[[Fiziologija]]

[[Kofaktor]]

[[Metabolizem železa]]

== Reference ==
1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5

2. Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (2021-03-31). "Interweaving Disciplines to Advance Chemistry: Applying Polyoxometalates in Biology" (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inor gchem.1c00125). ''Inorganic Chemistry:'' acs.inorgchem.1c00125. doi:10.1021/acs.inorgchem.1c00125 (https://doi.org/10.1021%2Facs.inorgchem.1c00125). ISSN 0020-16 9 (https://www.worldcat.org/issn/0020-1669). PMC 8154434 (https://www.ncb i.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8154434).

3. Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models". ''American Journal of Physiology.'' '''261''' (2 Pt 1): E190–8. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 (https://doi.org/10.1152%2Fajpendo.1991.261.2.E19 0). PMID 18723 1 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1872381).

4. Maret, Wolfgang (2017). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity". In Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (eds.). ''Lead: Its Effects on Environment and Health.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20. doi:10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID 28731294.

5. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., eds. (2010). ''Organometallics in Environment and Toxicology.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.

6. Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (March 2018). "In vitro leishmanicidal and trypanocidal evaluation and magnetic properties of 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II) complexes". ''Journal of Inorganic Biochemistry.'' '''180''': 26–32. doi:10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID 29227923.

7. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, ed. (2008). ''Biomineralization: From Nature to Application.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.

8. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). ''On biomineralization.'' Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.

9. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). ''Biominerals and fossils through time.'' Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.

10. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". ''J Histochem Cytochem.'' '''11''' (6): 799–803. doi:10.1177/11.6.799. Archived from the original on 2012-08-02.

11. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification" (https://epic.awi.de/id/epri nt/13015/1/Sch2004bl.pdf) (PDF). ''Nature.'' '''430''' (7000): 673–676.
Bibcode:2004Natur.430..673S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Natur.430..673S).
doi:10.1038/nature02631 (https://doi.org/10.1038%2Fnature02631). PMID 15295599 (https:// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15295599).

12. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". ''Experimental and Toxicologic Pathology.'' '''45''' (5–6): 365–368. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X (https://doi.org/10.1016%2FS0940-2993%2 811%2980429-X). PMID 8312724 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8312724).

13. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pm c/articles/PMC2034539). ''BMC Evolutionary Biology.'' '''7''': 160. doi:10.1186/1471-2148-7-160 (https://doi.org/10.1186%2F1471-2148-7-160). PMC 2034539 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pmc/articles/PMC2034539). PMID 17845714 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17845714).

14. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). ''Chemistry of the Elements'' (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

15. Sychrová H (2004). "Yeast as a model organism to study transport and homeostasis of alkali metal cations" (http://www.biomed.cas.cz/physiolres/pdf/53%20Suppl%201/53_S91.pdf) (PDF). ''Physiol Res.'' 53 Suppl 1: S91–8. PMID 15119939 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1 5119939).

16. Levitan I (1988). "Modulation of ion channels in neurons and other cells". ''Annu Rev Neurosci.'' '''11''': 119–36. doi:10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 (https://doi.org/10.1146% 2Fannurev.ne.11.030188.001003). PMID 2452594 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/245259
4).

17. Dulhunty A (2006). "Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium". ''Clin Exp Pharmacol Physiol.'' '''33''' (9): 763–72. doi:10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID 16922804.

18. Dlouhy, Adrienne C.; Outten, Caryn E. (2013). "Chapter 8 The Iron Metallome in Eukaryotic Organisms". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 241–78. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584. PMID 23595675. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

19. Mahan D, Shields R (1998). "Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight". ''J Anim Sci.'' '''76''' (2): 506–12. doi:10.2527/1998.762506x. PMID 9498359. Archived from the original on 2011-04-30.

20. Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Elemental fingerprint analysis of barley (Hordeum vulgare) using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics". ''Anal Bioanal Chem.'' '''378''' (1): 171–82. doi:10.1007/s00216-003-2219-0. PMID 14551660.

21. Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". ''Science.'' '''300''' (5621): 931–6. Bibcode:2003Sci...300..931F. doi:10.1126/science.1085049. PMID 12738850. S2CID 14863354.

22. Cousins R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trafficking, and signals". ''J Biol Chem.'' '''281''' (34): 24085–9. doi:10.1074/jbc.R600011200. PMID 16793761.

23. Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Iron uptake and metabolism in the new millennium". ''Trends Cell Biol.'' '''17''' (2): 93–100. doi:10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID 17194590.

24. Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Chapter 10 Cobalt and Corrinoid Transport and Biochemistry". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 333–74. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

25. Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Cadmium in the Context of its Toxicity". In Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). ''Cadmium: From Toxicology to Essentiality.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 11. Springer. pp. 1–30.

== Literatura ==
- Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), ''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 "Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." 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

- J.J.R. Fraústo da Silva and R.J.P. 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., ed., ''Physical Methods in Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

== Zunanje povezave ==
> The Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC)'s: https://www.sbichem.org/

> The French Bioinorganic Chemistry Society: http://frenchbic.cnrs.fr/

> Glossary of Terms in Bioinorganic Chemistry: https://web.archive.org/web/20050204054913/http://www.chem.qmw.ac.uk/iupac/bioinorg/

> Metal Coordination Groups in Proteins by Marjorie Harding: https://web.archive.org/web/20140603015531/http://tanna.bch.ed.ac.uk/

> European Bioinformatics Institute: https://www.ebi.ac.uk/

> MetalPDB: A database of metal sites in biomolecular structures: https://metalpdb.cerm.unifi.it/

Bioanorganska kemija

2022-12-21T13:21:10Z

Jaka Prelog: /* Literatura */

''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry

'''Bioanorganska kemija''' je področje, ki proučuje vlogo kovin v biologiji. Obravnava tako naravne pojave, kot je denimo obnašanje kovinskih proteinov oz. metaloproteinov, kot tudi umetno vnesene kovine, vključno s tistimi, ki niso bistvene v medicini in toksikologiji. Veliko bioloških procesov, kot je recimo dihanje, je odvisnih od molekul, ki jih uvrščamo v področje anorganske kemije. To področje raziskuje tudi anorganske modele oz. mimetike, ki oponašajo obnašanje metaloproteinov.[1]

Kot mešanica biokemije in anorganske kemije je bioanorganska kemija pomembna v pojasnjevanju udeležbe elektron-transfer proteinov, vezave substrata in njegove aktivacije, kemije prenosa atomov in skupin, kot tudi lastnosti kovin v biološki kemiji. Uspešen razvoj interdisciplinarnega dela je ključen za napredek bioanorgaske kemije.[2]

== Sestava živih organizmov ==
Približno 99 % mase sesalcev predstavljajo elementi ogljik, dušik, kalcij, natrij, klor, kalij, vodik, fosfor, kisik in žveplo.[3] Organske spojine (proteini, lipidi in ogljikovi hidrati) večinoma vsebujejo ogljik in dušik, večina kisika in vodika pa je prisotna v obliki vode.[3] Celoten nabor kovin vsebujočih biomolekul v celici proučuje ''metalomika''.

== Zgodovina ==
Paul Ehrlich je uporabljal organoarzene (“arzenike”) za zdravljenje sifilisa, s čimer je pokazal pomembnost kovin oz. polkovin za medicino, ki se je razcvetela z Rosenbergovim odkritjem proti rakavega delovanja cisplatina (cis-PtCl2(NH3)2). Prvi protein, ki jim ga je uspelo kristalizrati, je bila ureaza, za katero se je kasneje izkazalo, da vsebuje nikelj kot aktivno mesto. Vitamin B12, zdravilo za perniciozno anemijo, je kristalografsko predstavila Dorothy Crowfoot Hodgkin. Kristalografsko je dokazala, da makrociklični corrin vsebuje kobalt. Watson-Crickova oblika DNA predstavlja ključno strukturno vlogo polimerov, ki vsebujejo fosfat.

== Teme v bioanorganski kemiji ==
V bioanorganski kemiji je mogoče prepoznati več različnih sistemov. Glavna področja so:

=== Transport in hramba kovinskih ionov ===
Raznovrsten nabor transportnih sredstev (npr. ionska črpalka Na+/K+ ATPaza), vakuole, shranjevalni proteini (npr. feritin) in majhne molekule (npr. sideroforji) so zadolženi za uravnavanje koncentracije kovinskih ionov in njihovo biodostopnost v živih organizmih. Ključno je, da mnogo esencialnih kovin ni zlahka dostopnih proteinom v končni fazi zaradi slabe topnosti v vodnih raztopinah oz. deficitarnega celičnega okolja. Organizmi so razvili različne strategije za zbiranje in transport teh elementov, poleg tega tudi omejijo njihovo citotoksičnost.

=== Encimatika ===
Številne reakcije v raznovrstnih vedah o življenju vključujejo vodo in kovinske ione, ki so pogosto v katalitskih centrih (tj. aktivnih mestih) encimov, kot so to npr. kovinski proteini. Voda, ki nastopa pri reakcijah, pogosto reagira kot ligand (kovinski akva kompleksi). Primeri encimov hidrolaz so ogljikove anhidraze, kovinske fosfataze in kovinske proteinaze. Bioanorganski kemiki si prizadevajo razumeti in reproducirati vlogo teh kovinskih proteinov.
Pogosti so tudi kovinski proteini, ki so sposobni prenašati elektrone. Lahko jih porazdelimo v tri večje razrede: železo-žveplovi proteini (kot so npr. rubredoksini, ferodoksini in Rieske protein), modri bakrovi proteini in citokromi. Ti proteini, ki prenašajo elektrone, so komplementarni nekovinskim elektronskim prenašalcem, kot sta npr. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) in flavin adenin dinukleotid (FAD). Tudi dušikov cikel v veliki meri uporablja kovine za medsebojne redoks pretvorbe.

''Slika 1:'' 4Fe-4S klastri kot prenašalci elektronov v proteinih. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/FdRedox.png/1024px-FdRedox.png]

=== Toksičnost ===
Nekateri kovinski ioni so strupeni za ljudi in mnoge živali. V povezavi s toksičnostjo svinca je bila pregledana bioanorganska kemija svinca.[4]

=== Transport kisika in aktivacija proteinov ===
Aerobno življenje izdatno uporablja kovine kot so železo, baker in mangan. Hem je v rdečih krvničkah v obliki hemoglobina za transport kisika in je morda najbolj prepoznaven kovinski sistem v biologiji. Drugi transporti kisika vključujejo mioglobin, hemocianin in hemeritrin. Oksidaze in oksigenaze so kovinski sistemi, ki jih najdemo po vsej naravi in izkoriščajo kisik za izvajanje pomembnih reakcij, kot je na primer proizvodnja energije v citokrom c oksidazi ali pa oksidacija majhnih molekul v citokrom P450 oksidazah oziroma metan monooksigenazi. Nekateri kovinski proteini so zasnovani za zaščito biološkega sistema pred potencialno škodljivimi vplivi kisika in drugih reaktivnih molekul, ki vsebujejo kisik, kot je recimo vodikov peroksid. Ti sistemi vključujejo peroksidaze, katalaze in superoksid dismutaze. Komplementarni kovinski protein je kompleks, ki je prisoten v rastlinah in sprošča kisik tam, kjer je kisik za potek reakcij potreben. Ta sistem je del kompleksnega proteinskega mehanizma, ki rastlinam služi za proizvodnjo kisika med fotosintezo.

=== Bioorganokovinska kemija ===
Bioorganokovinski sistemi so sistemi biološko aktivnih molekul, ki vsebujejo ogljik, vezan neposredno na kovino oz. polkovino. Vez kovina–ogljik lahko v sistemu nastopa kot strukturni element ali kot intermediat. Bioorganokovinski encimi in proteini vključujejo hidrogenaze, kofaktor FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze in metilkobalamin. To so primeri naravno prisotnih organokovinskih spojin. Področje bioorganokovinske kemije je pretežno osredotočeno na uporabo kovin s strani enoceličnih organizmov. Bioorganokovinske spojine so pomembne predvsem v kemiji okolja.[5]

''Slika 2:'' Mioglobin je pomembna tema v bioanorganski kemiji, z določeno pozornostjo na železo-hem kompleks, ki je zasidran na protein. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Myoglobin.png/800px-Myoglobin.png]

''Slika 3:'' Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/FeMoco_cluster.svg/800px-FeMoco_cluster.svg.png]

=== Kovine v medicini ===
Številna zdravila vsebujejo kovine. Ta tema se opira na preučevanje zasnove in mehanizma delovanja farmacevtskih izdelkov, ki vsebujejo kovine in spojin, ki medsebojno delujejo z endogenimi kovinskimi ioni na encimsko aktivnih mestih. Najbolj razširjeno zdravilo proti raku je cisplatin. Kontrastna sredstva za MRI običajno vsebujejo gadolinij. Litijev karbonat se uporablja za zdravljenje manične faze bipolarne motnje. Komercializirana protiartritična zdravila, ki vsebujejo zlato, npr. auranofin. CORMs (molekule, ki sproščajo ogljikov monoksid), so kovinski kompleksi, ki so bili razviti za zatiranje vnetja s sproščanjem majhnih količin ogljikovega monoksida. Preučen je bil kardiovaskularni in nevronski pomen dušikovega oksida, vključno z encimom NO sintaze. (Glejte tudi: asimilacija dušika.) Poleg tega so bili kovinski prehodni kompleksi na osnovi triazolopirimidinov testirani proti več sevom parazitov.[6]

=== Kemija okolja ===
Kemija okolja tradicionalno poudarja interakcijo težkih kovin z organizmi. Metilirano živo srebro je povzročilo veliko katastrofo, imenovano Minamatska bolezen. Zastrupitev z arzenom je zelo razširjena težava, predvsem zaradi onesnaženja podzemne vode z arzenom, ki prizadene več milijonov ljudi v državah v razvoju. Presnova spojin, ki vsebujejo živo srebro in arzen, vključuje encime na osnovi kobalamina.

=== Biomineralizacija ===
Biomineralizacija je proces, s katerim živi organizmi proizvajajo minerale, pogosto za trdnost ali utrjevanje obstoječih tkiv. Takšna tkiva imenujemo mineralizirana tkiva.[7][8][9] Primeri vključujejo silikate v kremenastih algah, karbonate v nevretenčarjih ter kalcijeve fosfate in karbonate v vretenčarjih. Drugi primeri vključujejo nahajališča bakra, železa in zlata, ki vsebujejo bakterije. Biološko oblikovani minerali imajo pogosto posebne namene, kot so magnetni senzorji v magnetotaktičnih bakterijah (Fe3O4), naprave za zaznavanje gravitacije (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ter shranjevanje in mobilizacija železa (Fe2O3•H2O v proteinu feritinu). Ker je zunajcelično[10] železo močno vključeno v indukcijo kalcifikacije[11][12], je njegov nadzor bistvenega pomena pri razvoju lupin; beljakovina feritin ima pomembno vlogo pri nadzoru porazdelitve železa.[13]

== Vrste anorganskih substanc v biologiji ==

=== Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine ===
Bogati anorganski elementi delujejo kot ionski elektroliti. Najpomembnejši ioni so natrij, kalij, kalcij, magnezij, klorid, fosfat in bikarbonat. Osmotski tlak in pH se ohranjata z vzdrževanjem natančnih gradientov čez celične membrane.[15] Ioni so ključni tudi za živce in mišice, saj akcijski potencial v teh tkivih nastane z izmenjavo elektrolitov med zunajcelično tekočino in citosolom.[16] Elektroliti vstopajo v celice in jih zapuščajo skozi beljakovine v celični membrani, imenovane ionski kanalčki. Na primer, krčenje mišic je odvisno od migracije kalcija, natrija in kalija skozi ionske kanalčke v celični membrani in T-tubulih.[17]

''Slika 4:'' Tako kot mnogi antibiotiki je tudi monenzin-A ionofor, ki tesno veže Na+ (na sliki prikazano rumeno).[14]
[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Monensin2.png]

=== Prehodne kovine ===
Prehodne kovine so v organizmih navadno prisotne kot elementi v sledovih za razliko od cinka in železa, ki ju je v organizmih največ.[18][19][20] Te kovine se uporabljajo kot proteinski kofaktorji in signalne molekule. Mnogi so nujni za delovanje encimov, kot je katalaza, in beljakovin, ki prenašajo kisik, kot je recimo hemoglobin.[21] Ti kofaktorji so tesno povezani s specifičnim proteinom. Čeprav se lahko encimski kofaktorji med katalizo spremenijo, se le ti vedno vrnejo v prvotno stanje po katalizi. Kovinska mikrohranila prevzamejo organizmi s posebnimi transporterji in se vežejo na skladiščne proteine, kot sta feritin ali metalotionein (MT), ko niso aktivni.[22][23] Kobalt je nujen za delovanje vitamina B12.[24]

=== Spojine glavnih skupin periodnega sistema ===
Mnogi drugi elementi poleg kovin so bioaktivni. Žveplo in fosfor nujno potrebujejo vsa živa bitja. Fosfor praktično izključno obstaja kot fosfat oz. v obliki njegovih različnih estrov. Žveplo obstaja v različnih oksidacijskih stanjih, od sulfata (SO42−) do sulfida (S2−). Selen je element v sledovih, ki pa pomembeno sodeluje pri beljakovinah, ki so antioksidanti. Kadmij je pomemben zaradi svoje toksičnosti.[25]

== Glej tudi ==
[[Fiziologija]]

[[Kofaktor]]

[[Metabolizem železa]]

== Reference ==
1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5

2. Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (2021-03-31). "Interweaving Disciplines to Advance Chemistry: Applying Polyoxometalates in Biology" (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inor gchem.1c00125). ''Inorganic Chemistry:'' acs.inorgchem.1c00125. doi:10.1021/acs.inorgchem.1c00125 (https://doi.org/10.1021%2Facs.inorgchem.1c00125). ISSN 0020-16 9 (https://www.worldcat.org/issn/0020-1669). PMC 8154434 (https://www.ncb i.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8154434).

3. Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models". ''American Journal of Physiology.'' '''261''' (2 Pt 1): E190–8. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 (https://doi.org/10.1152%2Fajpendo.1991.261.2.E19 0). PMID 18723 1 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1872381).

4. Maret, Wolfgang (2017). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity". In Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (eds.). ''Lead: Its Effects on Environment and Health.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20. doi:10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID 28731294.

5. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., eds. (2010). ''Organometallics in Environment and Toxicology.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.

6. Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (March 2018). "In vitro leishmanicidal and trypanocidal evaluation and magnetic properties of 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II) complexes". ''Journal of Inorganic Biochemistry.'' '''180''': 26–32. doi:10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID 29227923.

7. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, ed. (2008). ''Biomineralization: From Nature to Application.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.

8. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). ''On biomineralization.'' Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.

9. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). ''Biominerals and fossils through time.'' Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.

10. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". ''J Histochem Cytochem.'' '''11''' (6): 799–803. doi:10.1177/11.6.799. Archived from the original on 2012-08-02.

11. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification" (https://epic.awi.de/id/epri nt/13015/1/Sch2004bl.pdf) (PDF). ''Nature.'' '''430''' (7000): 673–676.
Bibcode:2004Natur.430..673S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Natur.430..673S).
doi:10.1038/nature02631 (https://doi.org/10.1038%2Fnature02631). PMID 15295599 (https:// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15295599).

12. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". ''Experimental and Toxicologic Pathology.'' '''45''' (5–6): 365–368. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X (https://doi.org/10.1016%2FS0940-2993%2 811%2980429-X). PMID 8312724 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8312724).

13. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pm c/articles/PMC2034539). ''BMC Evolutionary Biology.'' '''7''': 160. doi:10.1186/1471-2148-7-160 (https://doi.org/10.1186%2F1471-2148-7-160). PMC 2034539 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pmc/articles/PMC2034539). PMID 17845714 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17845714).

14. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). ''Chemistry of the Elements'' (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

15. Sychrová H (2004). "Yeast as a model organism to study transport and homeostasis of alkali metal cations" (http://www.biomed.cas.cz/physiolres/pdf/53%20Suppl%201/53_S91.pdf) (PDF). ''Physiol Res.'' 53 Suppl 1: S91–8. PMID 15119939 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1 5119939).

16. Levitan I (1988). "Modulation of ion channels in neurons and other cells". ''Annu Rev Neurosci.'' '''11''': 119–36. doi:10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 (https://doi.org/10.1146% 2Fannurev.ne.11.030188.001003). PMID 2452594 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/245259
4).

17. Dulhunty A (2006). "Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium". ''Clin Exp Pharmacol Physiol.'' '''33''' (9): 763–72. doi:10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID 16922804.

18. Dlouhy, Adrienne C.; Outten, Caryn E. (2013). "Chapter 8 The Iron Metallome in Eukaryotic Organisms". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 241–78. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584. PMID 23595675. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

19. Mahan D, Shields R (1998). "Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight". ''J Anim Sci.'' '''76''' (2): 506–12. doi:10.2527/1998.762506x. PMID 9498359. Archived from the original on 2011-04-30.

20. Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Elemental fingerprint analysis of barley (Hordeum vulgare) using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics". ''Anal Bioanal Chem.'' '''378''' (1): 171–82. doi:10.1007/s00216-003-2219-0. PMID 14551660.

21. Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". ''Science.'' '''300''' (5621): 931–6. Bibcode:2003Sci...300..931F. doi:10.1126/science.1085049. PMID 12738850. S2CID 14863354.

22. Cousins R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trafficking, and signals". ''J Biol Chem.'' '''281''' (34): 24085–9. doi:10.1074/jbc.R600011200. PMID 16793761.

23. Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Iron uptake and metabolism in the new millennium". ''Trends Cell Biol.'' '''17''' (2): 93–100. doi:10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID 17194590.

24. Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Chapter 10 Cobalt and Corrinoid Transport and Biochemistry". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 333–74. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

25. Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Cadmium in the Context of its Toxicity". In Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). ''Cadmium: From Toxicology to Essentiality.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 11. Springer. pp. 1–30.

== Literatura ==
- Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), ''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 "Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." 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

- J.J.R. Fraústo da Silva and R.J.P. 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., ed., ''Physical Methods in Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 2000, ISBN 1-891389-02-5

== Zunanje povezave ==

Bioanorganska kemija

2022-12-21T13:17:37Z

Jaka Prelog: /* Reference */

''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry

'''Bioanorganska kemija''' je področje, ki proučuje vlogo kovin v biologiji. Obravnava tako naravne pojave, kot je denimo obnašanje kovinskih proteinov oz. metaloproteinov, kot tudi umetno vnesene kovine, vključno s tistimi, ki niso bistvene v medicini in toksikologiji. Veliko bioloških procesov, kot je recimo dihanje, je odvisnih od molekul, ki jih uvrščamo v področje anorganske kemije. To področje raziskuje tudi anorganske modele oz. mimetike, ki oponašajo obnašanje metaloproteinov.[1]

Kot mešanica biokemije in anorganske kemije je bioanorganska kemija pomembna v pojasnjevanju udeležbe elektron-transfer proteinov, vezave substrata in njegove aktivacije, kemije prenosa atomov in skupin, kot tudi lastnosti kovin v biološki kemiji. Uspešen razvoj interdisciplinarnega dela je ključen za napredek bioanorgaske kemije.[2]

== Sestava živih organizmov ==
Približno 99 % mase sesalcev predstavljajo elementi ogljik, dušik, kalcij, natrij, klor, kalij, vodik, fosfor, kisik in žveplo.[3] Organske spojine (proteini, lipidi in ogljikovi hidrati) večinoma vsebujejo ogljik in dušik, večina kisika in vodika pa je prisotna v obliki vode.[3] Celoten nabor kovin vsebujočih biomolekul v celici proučuje ''metalomika''.

== Zgodovina ==
Paul Ehrlich je uporabljal organoarzene (“arzenike”) za zdravljenje sifilisa, s čimer je pokazal pomembnost kovin oz. polkovin za medicino, ki se je razcvetela z Rosenbergovim odkritjem proti rakavega delovanja cisplatina (cis-PtCl2(NH3)2). Prvi protein, ki jim ga je uspelo kristalizrati, je bila ureaza, za katero se je kasneje izkazalo, da vsebuje nikelj kot aktivno mesto. Vitamin B12, zdravilo za perniciozno anemijo, je kristalografsko predstavila Dorothy Crowfoot Hodgkin. Kristalografsko je dokazala, da makrociklični corrin vsebuje kobalt. Watson-Crickova oblika DNA predstavlja ključno strukturno vlogo polimerov, ki vsebujejo fosfat.

== Teme v bioanorganski kemiji ==
V bioanorganski kemiji je mogoče prepoznati več različnih sistemov. Glavna področja so:

=== Transport in hramba kovinskih ionov ===
Raznovrsten nabor transportnih sredstev (npr. ionska črpalka Na+/K+ ATPaza), vakuole, shranjevalni proteini (npr. feritin) in majhne molekule (npr. sideroforji) so zadolženi za uravnavanje koncentracije kovinskih ionov in njihovo biodostopnost v živih organizmih. Ključno je, da mnogo esencialnih kovin ni zlahka dostopnih proteinom v končni fazi zaradi slabe topnosti v vodnih raztopinah oz. deficitarnega celičnega okolja. Organizmi so razvili različne strategije za zbiranje in transport teh elementov, poleg tega tudi omejijo njihovo citotoksičnost.

=== Encimatika ===
Številne reakcije v raznovrstnih vedah o življenju vključujejo vodo in kovinske ione, ki so pogosto v katalitskih centrih (tj. aktivnih mestih) encimov, kot so to npr. kovinski proteini. Voda, ki nastopa pri reakcijah, pogosto reagira kot ligand (kovinski akva kompleksi). Primeri encimov hidrolaz so ogljikove anhidraze, kovinske fosfataze in kovinske proteinaze. Bioanorganski kemiki si prizadevajo razumeti in reproducirati vlogo teh kovinskih proteinov.
Pogosti so tudi kovinski proteini, ki so sposobni prenašati elektrone. Lahko jih porazdelimo v tri večje razrede: železo-žveplovi proteini (kot so npr. rubredoksini, ferodoksini in Rieske protein), modri bakrovi proteini in citokromi. Ti proteini, ki prenašajo elektrone, so komplementarni nekovinskim elektronskim prenašalcem, kot sta npr. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) in flavin adenin dinukleotid (FAD). Tudi dušikov cikel v veliki meri uporablja kovine za medsebojne redoks pretvorbe.

''Slika 1:'' 4Fe-4S klastri kot prenašalci elektronov v proteinih. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/FdRedox.png/1024px-FdRedox.png]

=== Toksičnost ===
Nekateri kovinski ioni so strupeni za ljudi in mnoge živali. V povezavi s toksičnostjo svinca je bila pregledana bioanorganska kemija svinca.[4]

=== Transport kisika in aktivacija proteinov ===
Aerobno življenje izdatno uporablja kovine kot so železo, baker in mangan. Hem je v rdečih krvničkah v obliki hemoglobina za transport kisika in je morda najbolj prepoznaven kovinski sistem v biologiji. Drugi transporti kisika vključujejo mioglobin, hemocianin in hemeritrin. Oksidaze in oksigenaze so kovinski sistemi, ki jih najdemo po vsej naravi in izkoriščajo kisik za izvajanje pomembnih reakcij, kot je na primer proizvodnja energije v citokrom c oksidazi ali pa oksidacija majhnih molekul v citokrom P450 oksidazah oziroma metan monooksigenazi. Nekateri kovinski proteini so zasnovani za zaščito biološkega sistema pred potencialno škodljivimi vplivi kisika in drugih reaktivnih molekul, ki vsebujejo kisik, kot je recimo vodikov peroksid. Ti sistemi vključujejo peroksidaze, katalaze in superoksid dismutaze. Komplementarni kovinski protein je kompleks, ki je prisoten v rastlinah in sprošča kisik tam, kjer je kisik za potek reakcij potreben. Ta sistem je del kompleksnega proteinskega mehanizma, ki rastlinam služi za proizvodnjo kisika med fotosintezo.

=== Bioorganokovinska kemija ===
Bioorganokovinski sistemi so sistemi biološko aktivnih molekul, ki vsebujejo ogljik, vezan neposredno na kovino oz. polkovino. Vez kovina–ogljik lahko v sistemu nastopa kot strukturni element ali kot intermediat. Bioorganokovinski encimi in proteini vključujejo hidrogenaze, kofaktor FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze in metilkobalamin. To so primeri naravno prisotnih organokovinskih spojin. Področje bioorganokovinske kemije je pretežno osredotočeno na uporabo kovin s strani enoceličnih organizmov. Bioorganokovinske spojine so pomembne predvsem v kemiji okolja.[5]

''Slika 2:'' Mioglobin je pomembna tema v bioanorganski kemiji, z določeno pozornostjo na železo-hem kompleks, ki je zasidran na protein. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/Myoglobin.png/800px-Myoglobin.png]

''Slika 3:'' Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/60/FeMoco_cluster.svg/800px-FeMoco_cluster.svg.png]

=== Kovine v medicini ===
Številna zdravila vsebujejo kovine. Ta tema se opira na preučevanje zasnove in mehanizma delovanja farmacevtskih izdelkov, ki vsebujejo kovine in spojin, ki medsebojno delujejo z endogenimi kovinskimi ioni na encimsko aktivnih mestih. Najbolj razširjeno zdravilo proti raku je cisplatin. Kontrastna sredstva za MRI običajno vsebujejo gadolinij. Litijev karbonat se uporablja za zdravljenje manične faze bipolarne motnje. Komercializirana protiartritična zdravila, ki vsebujejo zlato, npr. auranofin. CORMs (molekule, ki sproščajo ogljikov monoksid), so kovinski kompleksi, ki so bili razviti za zatiranje vnetja s sproščanjem majhnih količin ogljikovega monoksida. Preučen je bil kardiovaskularni in nevronski pomen dušikovega oksida, vključno z encimom NO sintaze. (Glejte tudi: asimilacija dušika.) Poleg tega so bili kovinski prehodni kompleksi na osnovi triazolopirimidinov testirani proti več sevom parazitov.[6]

=== Kemija okolja ===
Kemija okolja tradicionalno poudarja interakcijo težkih kovin z organizmi. Metilirano živo srebro je povzročilo veliko katastrofo, imenovano Minamatska bolezen. Zastrupitev z arzenom je zelo razširjena težava, predvsem zaradi onesnaženja podzemne vode z arzenom, ki prizadene več milijonov ljudi v državah v razvoju. Presnova spojin, ki vsebujejo živo srebro in arzen, vključuje encime na osnovi kobalamina.

=== Biomineralizacija ===
Biomineralizacija je proces, s katerim živi organizmi proizvajajo minerale, pogosto za trdnost ali utrjevanje obstoječih tkiv. Takšna tkiva imenujemo mineralizirana tkiva.[7][8][9] Primeri vključujejo silikate v kremenastih algah, karbonate v nevretenčarjih ter kalcijeve fosfate in karbonate v vretenčarjih. Drugi primeri vključujejo nahajališča bakra, železa in zlata, ki vsebujejo bakterije. Biološko oblikovani minerali imajo pogosto posebne namene, kot so magnetni senzorji v magnetotaktičnih bakterijah (Fe3O4), naprave za zaznavanje gravitacije (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ter shranjevanje in mobilizacija železa (Fe2O3•H2O v proteinu feritinu). Ker je zunajcelično[10] železo močno vključeno v indukcijo kalcifikacije[11][12], je njegov nadzor bistvenega pomena pri razvoju lupin; beljakovina feritin ima pomembno vlogo pri nadzoru porazdelitve železa.[13]

== Vrste anorganskih substanc v biologiji ==

=== Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine ===
Bogati anorganski elementi delujejo kot ionski elektroliti. Najpomembnejši ioni so natrij, kalij, kalcij, magnezij, klorid, fosfat in bikarbonat. Osmotski tlak in pH se ohranjata z vzdrževanjem natančnih gradientov čez celične membrane.[15] Ioni so ključni tudi za živce in mišice, saj akcijski potencial v teh tkivih nastane z izmenjavo elektrolitov med zunajcelično tekočino in citosolom.[16] Elektroliti vstopajo v celice in jih zapuščajo skozi beljakovine v celični membrani, imenovane ionski kanalčki. Na primer, krčenje mišic je odvisno od migracije kalcija, natrija in kalija skozi ionske kanalčke v celični membrani in T-tubulih.[17]

''Slika 4:'' Tako kot mnogi antibiotiki je tudi monenzin-A ionofor, ki tesno veže Na+ (na sliki prikazano rumeno).[14]
[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Monensin2.png]

=== Prehodne kovine ===
Prehodne kovine so v organizmih navadno prisotne kot elementi v sledovih za razliko od cinka in železa, ki ju je v organizmih največ.[18][19][20] Te kovine se uporabljajo kot proteinski kofaktorji in signalne molekule. Mnogi so nujni za delovanje encimov, kot je katalaza, in beljakovin, ki prenašajo kisik, kot je recimo hemoglobin.[21] Ti kofaktorji so tesno povezani s specifičnim proteinom. Čeprav se lahko encimski kofaktorji med katalizo spremenijo, se le ti vedno vrnejo v prvotno stanje po katalizi. Kovinska mikrohranila prevzamejo organizmi s posebnimi transporterji in se vežejo na skladiščne proteine, kot sta feritin ali metalotionein (MT), ko niso aktivni.[22][23] Kobalt je nujen za delovanje vitamina B12.[24]

=== Spojine glavnih skupin periodnega sistema ===
Mnogi drugi elementi poleg kovin so bioaktivni. Žveplo in fosfor nujno potrebujejo vsa živa bitja. Fosfor praktično izključno obstaja kot fosfat oz. v obliki njegovih različnih estrov. Žveplo obstaja v različnih oksidacijskih stanjih, od sulfata (SO42−) do sulfida (S2−). Selen je element v sledovih, ki pa pomembeno sodeluje pri beljakovinah, ki so antioksidanti. Kadmij je pomemben zaradi svoje toksičnosti.[25]

== Glej tudi ==
[[Fiziologija]]

[[Kofaktor]]

[[Metabolizem železa]]

== Reference ==
1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5

2. Gumerova, Nadiia I.; Rompel, Annette (2021-03-31). "Interweaving Disciplines to Advance Chemistry: Applying Polyoxometalates in Biology" (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inor gchem.1c00125). ''Inorganic Chemistry:'' acs.inorgchem.1c00125. doi:10.1021/acs.inorgchem.1c00125 (https://doi.org/10.1021%2Facs.inorgchem.1c00125). ISSN 0020-16 9 (https://www.worldcat.org/issn/0020-1669). PMC 8154434 (https://www.ncb i.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8154434).

3. Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models". ''American Journal of Physiology.'' '''261''' (2 Pt 1): E190–8. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190 (https://doi.org/10.1152%2Fajpendo.1991.261.2.E19 0). PMID 18723 1 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1872381).

4. Maret, Wolfgang (2017). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity". In Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (eds.). ''Lead: Its Effects on Environment and Health.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 17. de Gruyter. pp. 1–20. doi:10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID 28731294.

5. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., eds. (2010). ''Organometallics in Environment and Toxicology.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.

6. Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (March 2018). "In vitro leishmanicidal and trypanocidal evaluation and magnetic properties of 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II) complexes". ''Journal of Inorganic Biochemistry.'' '''180''': 26–32. doi:10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID 29227923.

7. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, ed. (2008). ''Biomineralization: From Nature to Application.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2.

8. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). ''On biomineralization.'' Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-504977-0.

9. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). ''Biominerals and fossils through time.'' Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1.

10. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". ''J Histochem Cytochem.'' '''11''' (6): 799–803. doi:10.1177/11.6.799. Archived from the original on 2012-08-02.

11. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification" (https://epic.awi.de/id/epri nt/13015/1/Sch2004bl.pdf) (PDF). ''Nature.'' '''430''' (7000): 673–676.
Bibcode:2004Natur.430..673S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Natur.430..673S).
doi:10.1038/nature02631 (https://doi.org/10.1038%2Fnature02631). PMID 15295599 (https:// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15295599).

12. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". ''Experimental and Toxicologic Pathology.'' '''45''' (5–6): 365–368. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X (https://doi.org/10.1016%2FS0940-2993%2 811%2980429-X). PMID 8312724 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8312724).

13. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pm c/articles/PMC2034539). ''BMC Evolutionary Biology.'' '''7''': 160. doi:10.1186/1471-2148-7-160 (https://doi.org/10.1186%2F1471-2148-7-160). PMC 2034539 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pmc/articles/PMC2034539). PMID 17845714 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17845714).

14. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). ''Chemistry of the Elements'' (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

15. Sychrová H (2004). "Yeast as a model organism to study transport and homeostasis of alkali metal cations" (http://www.biomed.cas.cz/physiolres/pdf/53%20Suppl%201/53_S91.pdf) (PDF). ''Physiol Res.'' 53 Suppl 1: S91–8. PMID 15119939 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/1 5119939).

16. Levitan I (1988). "Modulation of ion channels in neurons and other cells". ''Annu Rev Neurosci.'' '''11''': 119–36. doi:10.1146/annurev.ne.11.030188.001003 (https://doi.org/10.1146% 2Fannurev.ne.11.030188.001003). PMID 2452594 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/245259
4).

17. Dulhunty A (2006). "Excitation-contraction coupling from the 1950s into the new millennium". ''Clin Exp Pharmacol Physiol.'' '''33''' (9): 763–72. doi:10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID 16922804.

18. Dlouhy, Adrienne C.; Outten, Caryn E. (2013). "Chapter 8 The Iron Metallome in Eukaryotic Organisms". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 241–78. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC 3924584. PMID 23595675. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

19. Mahan D, Shields R (1998). "Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight". ''J Anim Sci.'' '''76''' (2): 506–12. doi:10.2527/1998.762506x. PMID 9498359. Archived from the original on 2011-04-30.

20. Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "Elemental fingerprint analysis of barley (Hordeum vulgare) using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics". ''Anal Bioanal Chem.'' '''378''' (1): 171–82. doi:10.1007/s00216-003-2219-0. PMID 14551660.

21. Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". ''Science.'' '''300''' (5621): 931–6. Bibcode:2003Sci...300..931F. doi:10.1126/science.1085049. PMID 12738850. S2CID 14863354.

22. Cousins R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trafficking, and signals". ''J Biol Chem.'' '''281''' (34): 24085–9. doi:10.1074/jbc.R600011200. PMID 16793761.

23. Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "Iron uptake and metabolism in the new millennium". ''Trends Cell Biol.'' '''17''' (2): 93–100. doi:10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID 17194590.

24. Cracan, Valentin; Banerjee, Ruma (2013). "Chapter 10 Cobalt and Corrinoid Transport and Biochemistry". In Banci, Lucia (ed.). ''Metallomics and the Cell.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 12. Springer. pp. 333–74. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595677. electronic-book ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 electronic-ISSN 1868-0402

25. Maret, Wolfgang; Moulis, Jean-Marc (2013). "Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Cadmium in the Context of its Toxicity". In Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel (ed.). ''Cadmium: From Toxicology to Essentiality.'' Metal Ions in Life Sciences. Vol. 11. Springer. pp. 1–30.

== Literatura ==

== Zunanje povezave ==

Bioanorganska kemija

2022-12-21T13:01:05Z

Jaka Prelog: /* Glej tudi */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T13:00:52Z

Jaka Prelog: /* Glej tudi */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:57:15Z

Jaka Prelog: /* Spojine glavnih skupin periodnega sistema */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:54:41Z

Jaka Prelog: /* Prehodne kovine */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:52:23Z

Jaka Prelog: /* Bioorganokovinska kemija */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:50:59Z

Jaka Prelog: /* Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:50:34Z

Jaka Prelog: /* Alkalijske in zemeljsko alkalijske kovine */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:46:28Z

Jaka Prelog: /* Vrste anorganskih substanc v biologiji */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:46:01Z

Jaka Prelog: /* Biomineralizacija */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:45:40Z

Jaka Prelog: /* Biomineralizacija */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:41:30Z

Jaka Prelog: /* Kemija okolja */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:39:17Z

Jaka Prelog: /* Kovine v medicini */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:36:31Z

Jaka Prelog: /* Encimatika */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:35:32Z

Jaka Prelog: /* Bioorganokovinska kemija */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:30:39Z

Jaka Prelog: /* Transport kisika in aktivacija proteinov */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:27:55Z

Jaka Prelog: /* Encimatika */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:17:32Z

Jaka Prelog: /* Encimatika */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:17:23Z

Jaka Prelog: /* Transport kisika in aktivacija proteinov */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:15:03Z

Jaka Prelog: /* Transport kisika in aktivacija proteinov */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:12:22Z

Jaka Prelog: /* Transport in hramba kovinskih ionov */

Bioanorganska kemija

2022-12-21T12:10:37Z

Jaka Prelog:

Bioanorganska kemija

2022-12-21T11:46:06Z

Jaka Prelog:

Bioanorganska kemija

2022-12-21T11:35:04Z

Jaka Prelog:

Bioorganokovinska kemija

2022-12-21T11:28:48Z

Jaka Prelog: /* V kofaktorjih in prostetičnih skupinah */

''Povzeto po '''Bioorganometallic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioorganometallic_chemistry

'''Bioorganokovinska kemija''' proučuje biološko aktivne molekule, ki imajo ogljik neposredno vezan na kovino ali polkovino. Že dolgo vemo, kako pomembni so kovinski centri kovin glavnih skupin periodnega sistema in prehodnih elementov, pri delovanju encimov in drugih biomolekul. Vendar je le majhen delež kovinskih kompleksov, ki se pojavljajo v naravi ali pa so sintetično pripravljeni v farmacevtski industriji, ''organokovinskih''; to pomeni, da vsebujejo neposredno kovalentno vez med (pol)kovino in ogljikovim atomom. Prvi in edini primeri bioorganokovinskih spojin, ki so se pojavljali v naravi, so bili precej časa kobalaminski kofaktorji (vitamin B12) v različnih oblikah.[1] V 21. stoletju se je z odkritjem novih bioloških sistemov, ki vsebujejo vez med ogljikom in kovino, bioorganokovinska kemija začela hitro razvijati kot poddisciplina bioorganske kemije, ki se giblje med organokovinsko kemijo in biokemijo. Biorganokovinske spojine, ki se pojavljajo v naravi, vsebujejo encime in senzorske proteine. Med njih spadajo tudi sintetične organokovinske spojine, kot so npr. nova zdravila in kontrastna sredstva (tehntecijev-99m sestamibi), ki so prav tako tudi osnova toksikologije organokovinskih kompleksov (npr. metilirano živo srebro).[2][3]
Posledično je bioorganokovinska kemija vedno bolj pomembna v medicini in farmaciji.[4]

== V kofaktorjih in prostetičnih skupinah ==
Vitamin B12 je prevladujoča vrsta bioorganokovinskih spojin. Vitamin B12 je ime za skupek sorodnih encimskih kofaktorjev, med njimi jih precej vsebuje kobalt-alkilne vezi in so vključeni v biološke reakcije metilacije in 1,2-ogljikove premestitve. Še dolgo po tem, ko je Hodgkin leta 1955 odkril njegovo strukturo, je veljal za edini primer bioorganokovinskega sistema, ki se pojavlja v naravi.
Veliko bioorganokovinskih encimov sodeluje v reakcijah, v katerih je vključen ogljikov monoksid. Ogljikov monoksid dehidrogenaza (CODH) katalizira reakcije pretvorbe voda-plin, ki proizvaja CO (skozi nikelj karboksilatni intermediat) za biosintezo acetilkoencima A. Na ta zadnji korak vpliva Ni-Fe encim CO-metilirana acetil-CoA sintaza (ACS). CODH in ACS se velikokrat pojavljata skupaj v tetrameričnem kompleksu, kjer se CO prenese skozi tunel, metilna skupina pa pride iz metil kobaltamina.

Hidrogenaze so bioorganokovinske spojine, ki so iz vidika njihovih aktivnih mest, substituirane z Fe-CO substituenti, čeprav CO ligandi v reakcijah ne sodelujejo.[5] Hidrogenaze, ki vsebujejo le železo, imajo aktivno mesto Fe2(μ-SR)2(μ-CO)(CO)2(CN)2 povezano s klastrom 4Fe4S preko premostitvenega tiola. Aktivno mesto [NiFe]-hidrogenaz je opisano z (NC)2(OC)Fe(μ-SR)2Ni(SR)2 (kjer je SR cistein).[6] Hidrogenaze brez FeS imajo nedoločeno aktivno mesto, ki vsebuje Fe(CO)2 center.
Biosinteza metana (metanogeneza) v zadnjem koraku vključuje cepitev vezi nikelj-metil v kofaktorju F430.
Primer intersticijskega karbida z enoto Fe6C je železo-molibdenov kofaktor (FeMoco) encima nitrogenaze, ki ga najdemo v biologiji.[7][8]
Prvi primer naravno prisotne zvrsti aril-kovina je kleščast kompleks, ki vsebuje vez nikelj-aril. Odkrili so ga na aktivnem mestu laktatne racemaze.[9]

== V senzorskih proteinih ==
Nekateri proteini, ki vsebujejo [NiFe] lahko detektirajo H2 in tako regulirajo transkripcijo.
Proteini, ki vsebujejo baker lahko zaznajo eten, ki je znan kot hormon, ki povzroča zorenje sadja. Ta primer ilustrira esencialno vlogo organokovinske kemije v naravi, saj le redke molekule, poleg nizko valenčnih kompleksov kovin prehoda, reverzibilno vežejo alkene. Ciklopropeni inhibirajo zorenje z vezavo na bakrov(I) kovinski center. Vezava na baker je prav tako vpletena v voh olefinov pri sesalcih. [10]
Ogljikov monoksid se naravno pojavlja in je transkripcijski faktor, v obliki kompleksa s senzorskim proteinom, ki temelji na železovih porfirinih.

== V medicini ==
Organokovinske spojine, ki vsebujejo živo srebro (npr.tiomersal) in arzen (npr. salvarsan) imajo dolgo zgodovino uporabe v medicini, kot neselektivni antimikotiki pred razvojem modernih antibiotikov.
Titanocen diklorid kaže protirakavo delovanje, bis[(p-metoksibenzil)ciklopentadienil]titan(IV) diklorid (oz. titanocen Y) pa je trenutni kandidat za zdravljenje raka. Aromatski in ciklopentadienil kompleksi so kinetično inertne platforme za načrtovanje novih radiofarmacevtskih izdelkov.
Poleg tega so bile opravljene študije z uporabo eksogenih polsintetičnih ligandov; posebej za dopaminski prenašalec, pri čemer je posledično opazna povečana učinkovitost vedenja, ki spodbuja nagrajevanje (spodbujevalni izraz) in tvorbo navad, in sicer s spojino feniltropan. [η6-(2β-karbometoksi-3β-fenil)tropan]trikarbonilkromat.
Aktivno se preiskujejo tudi organokovinske spojine, ki sproščajo ogljikov monoksid, zaradi njegovega pomena kot prenašalca plinov.

== Toksikologija ==
Znotraj kraljestva bioorganokovinske kemije sodi tudi preučevanje usode sitnetičnih organokovinskih spojin. Tetraetil svinec je bil v zvezi s tem deležen precejšnje pozornosti, tako kot tudi njegovi nasledniki, npr. metilciklopentadienil mangan trikarbonil. Metil živo srebro je posebej razvpit primer, saj ta kation nastane z delovanjem encimov, povezanih z vitaminom B12, na živo srebro.

== Reference ==
1. White, John G.; Prosen, Richard J.; Kenneth N. Trueblood; Robertson, John H.; Pickworth, Jenny; Hodgkin, Dorothy Crowfoot (August 1955). "Structure of Vitamin B 12 : Structure of the Hexacarboxylic Acid derived from B 12 and the Molecular Structure of the Vitamin". ''Nature.'' '''176''' (4477): 325–328. Bibcode:1955Natur.176..325H (https://ui.adsabs.har vard.edu/abs/1955Natur.176..325H). doi:10.1038/176325a0 (https://doi.org/10.1038%2F176 325a0). ISSN 1476-4687 (https://www.worldcat.org/issn/1476-4687). PMID 13253565 (http s://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/13253565). S2CID 4220926 (https://api.semanticscholar.org/Co rpusID:4220926).

2. Sigel A, Sigel H, Sigel RK, eds. (2009). ''Metal-carbon bonds in enzymes and cofactors.''
Metal Ions in Life Sciences. Vol. 6. Royal Society of Chemistry. ISBN 978-1-84755-915-9.

3. Linck RC, Rauchfuss TB (2005). "Synthetic Models for Bioorganometallic Reaction Centers". In Jaouen G (ed.). ''Bioorganometallics: Biomolecules, Labeling, Medicine.'' Weinheim: Wiley-VCH. pp. 403–435. doi:10.1002/3527607692.ch12 (https://doi.org/10.100 2%2F3527607692.ch12). ISBN 978-3-527-30990-0.

4. ''Bioorganometallics : biomolecules, labeling, medicine.'' Jaouen, Gérard. Weinheim: Wiley-
VCH. 2006. ISBN 3527607692. OCLC 85821090 (https://www.worldcat.org/oclc/85821090).

5. Cammack R, Frey M, Robson R (2001). ''Hydrogen as a Fuel: Learning from Nature.'' London: Taylor & Francis. ISBN 978-0-415-24242-4.

6. Volbeda A, Fontecilla-Camps JC (2003). "The Active Site and Catalytic Mechanism of NiFe Hydrogenases". ''Dalton Transactions'' (21): 4030–4038. doi:10.1039/B304316A (https://doi.or g/10.1039%2FB304316A).

7. Spatzal T, Aksoyoglu M, Zhang L, Andrade SL, Schleicher E, Weber S, Rees DC, Einsle O (November 2011). "Evidence for interstitial carbon in nitrogenase FeMo cofactor" (https://ww w.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3268367). ''Science.'' '''334''' (6058): 940.
Bibcode:2011Sci...334..940S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2011Sci...334..940S).
doi:10.1126/science.1214025 (https://doi.org/10.1126%2Fscience.1214025). PMC 3268367 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3268367). PMID 22096190 (https://pubmed. ncbi.nlm.nih.gov/22096190).

8. Lancaster KM, Roemelt M, Ettenhuber P, Hu Y, Ribbe MW, Neese F, Bergmann U, DeBeer S (November 2011). "X-ray emission spectroscopy evidences a central carbon in the nitrogenase iron–molybdenum cofactor" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC380 0678). ''Science.'' '''334''' (6058): 974–7. Bibcode:2011Sci...334..974L (https://ui.adsabs.harvard. edu/abs/2011Sci...334..974L). doi:10.1126/science.1206445 (https://doi.org/10.1126%2Fsci ence.1206445). PMC 3800678 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3800678). PMID 22096198 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22096198).

9. Rankin, Joel A.; Mauban, Robert C.; Fellner, Matthias; Desguin, Benoît; McCracken, John; Hu, Jian; Varganov, Sergey A.; Hausinger, Robert P. (2018-06-12). "Lactate Racemase Nickel-Pincer Cofactor Operates by a Proton-Coupled Hydride Transfer Mechanism". ''Biochemistry.'' '''57''' (23): 3244–3251. doi:10.1021/acs.biochem.8b00100 (https://doi.org/10.102 1%2Facs.biochem.8b00100). ISSN 0006-2960 (https://www.worldcat.org/issn/0006-2960). OSTI 1502215 (https://www.osti.gov/biblio/1502215). PMID 29489337 (https://pubmed.ncbi. nlm.nih.gov/29489337).

10. Duan X, Block E, Li Z, Connelly T, Zhang J, Huang Z, et al. (February 2012). "Crucial role of copper in detection of metal-coordinating odorants" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/article s/PMC3295281). ''Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.'' '''109''' (9): 3492–7. Bibcode:2012PNAS..109.3492D (https://ui.adsabs.harvard.edu/a bs/2012PNAS..109.3492D). doi:10.1073/pnas.1111297109 (https://doi.org/10.1073%2Fpna s.1111297109). PMC 3295281 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3295281). PMID 22328155 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22328155).

Bioanorganska kemija

2022-12-21T11:15:31Z

Jaka Prelog: /* Sestava živih organizmov */

KK seminar 2022/23

2022-12-21T11:14:45Z

Jaka Prelog:

Seminarje oz. gesla vnesete tu spodaj. Na tej strani napišete naslov seminarja/gesla, vsebino pa na ločeni samostojni strani.

----

'''''Naslov seminarja/gesla:'''''

7.1 [[Bioanorganska kemija]] - avtorji: Klara Šparlek, Anže Devjak, Neža Drnovšek in Jaka Prelog

7.2 [[Bioorganokovinska kemija]] - avtorji: Klara Šparlek, Anže Devjak, Neža Drnovšek in Jaka Prelog

Bioanorganska kemija

2022-12-21T11:11:23Z

Jaka Prelog:

Bioanorganska kemija

2022-12-21T11:09:46Z

Jaka Prelog: New page: ''Povzeto po '''Bioinorganic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioinorganic_chemistry '''Bioanorganska kemija''' je področje, ki prouču...

Bioorganokovinska kemija

2022-12-21T11:00:09Z

Jaka Prelog: /* V kofaktorjih in prostetičnih skupinah */

''Povzeto po '''Bioorganometallic chemistry''' from Wikipedia, the free encyclopedia:'' https://en.wikipedia.org/wiki/Bioorganometallic_chemistry

'''Bioorganokovinska kemija''' proučuje biološko aktivne molekule, ki imajo ogljik neposredno vezan na kovino ali polkovino. Že dolgo vemo, kako pomembni so kovinski centri kovin glavnih skupin periodnega sistema in prehodnih elementov, pri delovanju encimov in drugih biomolekul. Vendar je le majhen delež kovinskih kompleksov, ki se pojavljajo v naravi ali pa so sintetično pripravljeni v farmacevtski industriji, ''organokovinskih''; to pomeni, da vsebujejo neposredno kovalentno vez med (pol)kovino in ogljikovim atomom. Prvi in edini primeri bioorganokovinskih spojin, ki so se pojavljali v naravi, so bili precej časa kobalaminski kofaktorji (vitamin B12) v različnih oblikah.[1] V 21. stoletju se je z odkritjem novih bioloških sistemov, ki vsebujejo vez med ogljikom in kovino, bioorganokovinska kemija začela hitro razvijati kot poddisciplina bioorganske kemije, ki se giblje med organokovinsko kemijo in biokemijo. Biorganokovinske spojine, ki se pojavljajo v naravi, vsebujejo encime in senzorske proteine. Med njih spadajo tudi sintetične organokovinske spojine, kot so npr. nova zdravila in kontrastna sredstva (tehntecijev-99m sestamibi), ki so prav tako tudi osnova toksikologije organokovinskih kompleksov (npr. metilirano živo srebro).[2][3]
Posledično je bioorganokovinska kemija vedno bolj pomembna v medicini in farmaciji.[4]

== V kofaktorjih in prostetičnih skupinah ==
Vitamin B12 je prevladujoča vrsta bioorganokovinskih spojin. Vitamin B12 je ime za skupek sorodnih encimskih kofaktorjev, med njimi jih precej vsebuje kobalt-alkilne vezi in so vključeni v biološke reakcije metilacije in 1,2-ogljikove premestitve. Še dolgo po tem, ko je Hodgkin leta 1955 odkril njegovo strukturo, je veljal za edini primer bioorganokovinskega sistema, ki se pojavlja v naravi.
Veliko bioorganokovinskih encimov sodeluje v reakcijah, v katerih je vključen ogljikov monoksid. Ogljikov monoksid dehidrogenaza (CODH) katalizira reakcije pretvorbe voda-plin, ki proizvaja CO (skozi nikelj karboksilatni intermediat) za biosintezo acetilkoencima A. Na ta zadnji korak vpliva Ni-Fe encim CO-metilirana acetil-CoA sintaza (ACS). CODH in ACS se velikokrat pojavljata skupaj v tetraedričnem kompleksu, kjer se CO prenese skozi tunel, metilna skupina pa pride iz metil kobaltamina.

Hidrogenaze so bioorganokovinske spojine, ki so iz vidika njihovih aktivnih mest, substituirane z Fe-CO substituenti, čeprav CO ligandi v reakcijah ne sodelujejo.[5] Hidrogenaze, ki vsebujejo le železo, imajo aktivno mesto Fe2(μ-SR)2(μ-CO)(CO)2(CN)2 povezano s klastrom 4Fe4S preko premostitvenega tiola. Aktivno mesto [NiFe]-hidrogenaz je opisano z (NC)2(OC)Fe(μ-SR)2Ni(SR)2 (kjer je SR cistein).[6] Hidrogenaze brez FeS imajo nedoločeno aktivno mesto, ki vsebuje Fe(CO)2 center.
Biosinteza metana (metanogeneza) v zadnjem koraku vključuje cepitev vezi nikelj-metil v kofaktorju F430.
Primer intersticijskega karbida z enoto Fe6C je železo-molibdenov kofaktor (FeMoco) encima nitrogenaze, ki ga najdemo v biologiji.[7][8]
Prvi primer naravno prisotne zvrsti aril-kovina je kleščast kompleks, ki vsebuje vez nikelj-aril. Odkrili so ga na aktivnem mestu laktatne racemaze.[9]

== V senzorskih proteinih ==
Nekateri proteini, ki vsebujejo [NiFe] lahko detektirajo H2 in tako regulirajo transkripcijo.
Proteini, ki vsebujejo baker lahko zaznajo eten, ki je znan kot hormon, ki povzroča zorenje sadja. Ta primer ilustrira esencialno vlogo organokovinske kemije v naravi, saj le redke molekule, poleg nizko valenčnih kompleksov kovin prehoda, reverzibilno vežejo alkene. Ciklopropeni inhibirajo zorenje z vezavo na bakrov(I) kovinski center. Vezava na baker je prav tako vpletena v voh olefinov pri sesalcih. [10]
Ogljikov monoksid se naravno pojavlja in je transkripcijski faktor, v obliki kompleksa s senzorskim proteinom, ki temelji na železovih porfirinih.

== V medicini ==
Organokovinske spojine, ki vsebujejo živo srebro (npr.tiomersal) in arzen (npr. salvarsan) imajo dolgo zgodovino uporabe v medicini, kot neselektivni antimikotiki pred razvojem modernih antibiotikov.
Titanocen diklorid kaže protirakavo delovanje, bis[(p-metoksibenzil)ciklopentadienil]titan(IV) diklorid (oz. titanocen Y) pa je trenutni kandidat za zdravljenje raka. Aromatski in ciklopentadienil kompleksi so kinetično inertne platforme za načrtovanje novih radiofarmacevtskih izdelkov.
Poleg tega so bile opravljene študije z uporabo eksogenih polsintetičnih ligandov; posebej za dopaminski prenašalec, pri čemer je posledično opazna povečana učinkovitost vedenja, ki spodbuja nagrajevanje (spodbujevalni izraz) in tvorbo navad, in sicer s spojino feniltropan. [η6-(2β-karbometoksi-3β-fenil)tropan]trikarbonilkromat.
Aktivno se preiskujejo tudi organokovinske spojine, ki sproščajo ogljikov monoksid, zaradi njegovega pomena kot prenašalca plinov.

== Toksikologija ==
Znotraj kraljestva bioorganokovinske kemije sodi tudi preučevanje usode sitnetičnih organokovinskih spojin. Tetraetil svinec je bil v zvezi s tem deležen precejšnje pozornosti, tako kot tudi njegovi nasledniki, npr. metilciklopentadienil mangan trikarbonil. Metil živo srebro je posebej razvpit primer, saj ta kation nastane z delovanjem encimov, povezanih z vitaminom B12, na živo srebro.

== Reference ==
1. White, John G.; Prosen, Richard J.; Kenneth N. Trueblood; Robertson, John H.; Pickworth, Jenny; Hodgkin, Dorothy Crowfoot (August 1955). "Structure of Vitamin B 12 : Structure of the Hexacarboxylic Acid derived from B 12 and the Molecular Structure of the Vitamin". ''Nature.'' '''176''' (4477): 325–328. Bibcode:1955Natur.176..325H (https://ui.adsabs.har vard.edu/abs/1955Natur.176..325H). doi:10.1038/176325a0 (https://doi.org/10.1038%2F176 325a0). ISSN 1476-4687 (https://www.worldcat.org/issn/1476-4687). PMID 13253565 (http s://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/13253565). S2CID 4220926 (https://api.semanticscholar.org/Co rpusID:4220926).

2. Sigel A, Sigel H, Sigel RK, eds. (2009). ''Metal-carbon bonds in enzymes and cofactors.''
Metal Ions in Life Sciences. Vol. 6. Royal Society of Chemistry. ISBN 978-1-84755-915-9.

3. Linck RC, Rauchfuss TB (2005). "Synthetic Models for Bioorganometallic Reaction Centers". In Jaouen G (ed.). ''Bioorganometallics: Biomolecules, Labeling, Medicine.'' Weinheim: Wiley-VCH. pp. 403–435. doi:10.1002/3527607692.ch12 (https://doi.org/10.100 2%2F3527607692.ch12). ISBN 978-3-527-30990-0.

4. ''Bioorganometallics : biomolecules, labeling, medicine.'' Jaouen, Gérard. Weinheim: Wiley-
VCH. 2006. ISBN 3527607692. OCLC 85821090 (https://www.worldcat.org/oclc/85821090).

5. Cammack R, Frey M, Robson R (2001). ''Hydrogen as a Fuel: Learning from Nature.'' London: Taylor & Francis. ISBN 978-0-415-24242-4.

6. Volbeda A, Fontecilla-Camps JC (2003). "The Active Site and Catalytic Mechanism of NiFe Hydrogenases". ''Dalton Transactions'' (21): 4030–4038. doi:10.1039/B304316A (https://doi.or g/10.1039%2FB304316A).

7. Spatzal T, Aksoyoglu M, Zhang L, Andrade SL, Schleicher E, Weber S, Rees DC, Einsle O (November 2011). "Evidence for interstitial carbon in nitrogenase FeMo cofactor" (https://ww w.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3268367). ''Science.'' '''334''' (6058): 940.
Bibcode:2011Sci...334..940S (https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2011Sci...334..940S).
doi:10.1126/science.1214025 (https://doi.org/10.1126%2Fscience.1214025). PMC 3268367 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3268367). PMID 22096190 (https://pubmed. ncbi.nlm.nih.gov/22096190).

8. Lancaster KM, Roemelt M, Ettenhuber P, Hu Y, Ribbe MW, Neese F, Bergmann U, DeBeer S (November 2011). "X-ray emission spectroscopy evidences a central carbon in the nitrogenase iron–molybdenum cofactor" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC380 0678). ''Science.'' '''334''' (6058): 974–7. Bibcode:2011Sci...334..974L (https://ui.adsabs.harvard. edu/abs/2011Sci...334..974L). doi:10.1126/science.1206445 (https://doi.org/10.1126%2Fsci ence.1206445). PMC 3800678 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3800678). PMID 22096198 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22096198).

9. Rankin, Joel A.; Mauban, Robert C.; Fellner, Matthias; Desguin, Benoît; McCracken, John; Hu, Jian; Varganov, Sergey A.; Hausinger, Robert P. (2018-06-12). "Lactate Racemase Nickel-Pincer Cofactor Operates by a Proton-Coupled Hydride Transfer Mechanism". ''Biochemistry.'' '''57''' (23): 3244–3251. doi:10.1021/acs.biochem.8b00100 (https://doi.org/10.102 1%2Facs.biochem.8b00100). ISSN 0006-2960 (https://www.worldcat.org/issn/0006-2960). OSTI 1502215 (https://www.osti.gov/biblio/1502215). PMID 29489337 (https://pubmed.ncbi. nlm.nih.gov/29489337).

10. Duan X, Block E, Li Z, Connelly T, Zhang J, Huang Z, et al. (February 2012). "Crucial role of copper in detection of metal-coordinating odorants" (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/article s/PMC3295281). ''Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.'' '''109''' (9): 3492–7. Bibcode:2012PNAS..109.3492D (https://ui.adsabs.harvard.edu/a bs/2012PNAS..109.3492D). doi:10.1073/pnas.1111297109 (https://doi.org/10.1073%2Fpna s.1111297109). PMC 3295281 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3295281). PMID 22328155 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22328155).