Bioanorganska 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.[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. [1]

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. [2]

Slika 3: Struktura kofaktorja FeMoco, ki je katalitski center nitrogenaze. [3]

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] [4]

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