Bioinorganisk kemi: metaller i biologien, metalloproteiner og medicin

Bioinorganisk kemi: metaller i biologien, metalloproteiner og medicin — opdag metallers rolle i enzymfunktion, toksikologi og nye medicinske anvendelser.

Forfatter: Leandro Alegsa

Bioinorganisk kemi undersøger metallernes rolle i biologien. Den undersøger også naturlige fænomener som metalloproteiners adfærd og kunstigt indførte metaller i medicin og toksikologi. Mange biologiske processer som f.eks. respiration er afhængige af visse uorganiske molekyler. Bioinorganisk kemi omfatter også studiet af uorganiske modeller eller mimikere, der efterligner den måde, som metalloproteiner fungerer på.

Det er en blanding af biokemi og uorganisk kemi. Bioinorganisk kemi undersøger konsekvenserne for biologien af elektronoverførselsproteiner, substratbindinger og aktivering, atom- og gruppekemi samt metals egenskaber.



 

Hvad omfatter feltet?

Bioinorganisk kemi dækker både grundlæggende og anvendt forskning. Feltet går fra beskrivelse af, hvilke metaller der findes i levende organismer, til detaljerede undersøgelser af, hvordan metalioner binder i aktive centre, hvordan de medvirker i katalyse, og hvordan de bevæger sig og reguleres i celler. Emner omfatter bl.a.:

  • Metalloproteiners struktur og funktion (fx proteiner med jern-, kobber-, zink- eller mangancentre).
  • Metalbaserede katalytiske mekanismer, herunder oxygenaktivering, redoxreaktioner og hydrolyse.
  • Transport, oplagring og homeostase af metaller: hvordan celler optager, fordeler og skærmer mod metaller.
  • Metallers rolle i sygdom, toksicitet og medicinsk behandling (metallodroger, kontrastmidler, chelationsterapi).
  • Udvikling af syntetiske modeller, der mimikerer enzymernes aktive centre og kan bruges som katalysatorer eller i teknologi.

Vigtige metalloproteiner og konkrete eksempler

Metaller optræder i en række velkendte biologiske proteiner. Nogle eksempler:

  • Hæm-proteiner (jern): hemoglobin og myoglobin (ilttransport og -lagring), cytokromer (elektrontransport i respiration), peroxidaser (oxiderende reaktioner).
  • Jern-svovl-klynger: findes i ferredoxiner og mange enzymkomplekser, hvor de medvirker i elektronoverførsel.
  • Kobberproteiner: plastocyanin og cytokrom c oxidase (elektrontransport og iltaktivering); ceruloplasmin (jernstofskifte).
  • Zink: fungerer ofte som katalytisk eller strukturelt cofactor i enzymer som carbonanhydrase og i zink-finger-domæner, der binder DNA.
  • Mangan: vigtigt i fotosystem II (ilt-evolutionskomplekset) og i visse metylerings- og oxidase-enzymers aktive centre.
  • Molybdæn og kobolt: findes i enzymer som nitrogenase (FeMo-cofactor) og i koenzym B12 (kobolt) med centrale biologiske roller.

Metallers biologiske roller

Metaller bidrager til biologiske funktioner på flere måder:

  • Katalyse: aktive centre i enzymer bruger metalioner til at aktivere substrater og sænke aktiveringsenergi.
  • Elektronoverførsel: metaller med variable oxidationstrin (fx Fe, Cu) er ideelle til redoxprocesser i respiration og fotosyntese.
  • Strukturel stabilitet: nogle metaller stabiliserer proteinstrukturer eller komplekser (fx zinc fingers).
  • Transport og oplagring: proteiner som transferrin, ferritin og ceruloplasmin sørger for sikker transport og opbevaring af metalioner.
  • Signalering og regulering: metalioner kan fungere som signalmolekyler eller som nødvendig kofaktor for transkriptionsfaktorer.

Metaller i medicin og toksikologi

Metaller har både gavnlige og skadelige anvendelser i medicin:

  • Metallodroger: kemoterapeutika som platinforbindelser (fx cisplatin) bruges mod kræft; lithium anvendes ved bipolar lidelse; guldforbindelser historisk i behandling af reumatoid artrit.
  • Diagnostik: gadolinium-baserede kontrastmidler til MR og radioaktive metaller eller komplekser til nuklearmedicin (scintigrafi, PET)
  • Antimikrobielle og gastroprotektive midler: visse bismut- og kobberforbindelser anvendes klinisk.
  • Toksicitet: tungmetaller som bly, kviksølv og cadmium er giftige selv i lave koncentrationer og forstyrrer proteiner og cellulære processer.
  • Behandling af metalforgiftning: kelatordannelser og andre terapeutiske tilgange anvendes for at fjerne skadelige metalioner fra kroppen.

Metodikker i bioinorganisk kemi

For at forstå metallers rolle i biologien bruges en række eksperimentelle teknikker:

  • Spektroskopi: EPR (elektronparamagnetisk resonans) til radikal- og metalcentre, Mössbauer til jern, UV-vis, IR og Raman til ligand- og bindingskarakterisering.
  • X-ray-teknikker: røntgenkrystallografi for atomare strukturer og XAS/EXAFS/XANES for oxidationstilstand og lokale koordinationsmiljøer.
  • Massespektrometri: herunder ICP-MS til bestemmelse af metalindhold og kobling til proteomanalyser.
  • Elektrokemi: måling af redoxegenskaber og elektronoverførsel i biologiske systemer.
  • Biokemiske metoder: mutagenese, kinetikstudier og cellebiologiske teknikker til at kortlægge funktionelle konsekvenser.

Uorganiske modeller og biomimetik

Et vigtigt aspekt ved bioinorganisk kemi er syntese af modeller — små, veldefinerede metalkomplekser, der efterligner et enzymaktivt center. Formålet er både at afdække mekanismer og at udvikle nye katalysatorer til industriel anvendelse eller til medicinske formål. Disse modeller kan hjælpe med at forstå, hvordan geometri, ligandtype og elektronisk struktur styrer reaktivitet.

Metallhomeostase og cellerens håndtering af metaller

Celler har komplekse netværk til at regulere metalniveauer: transportører, chaperoner (proteiner der leverer metaller til specifikke destinationer), depotproteiner og regulatoriske mekanismer, som forhindrer uhensigtsmæssig binding og toksicitet. Forstyrrelser i disse systemer kan føre til sygdomme (fx anæmi ved jernmangel eller neurodegeneration ved metalubalance).

Anvendelser og fremtidige perspektiver

Bioinorganisk kemi har direkte betydning for udvikling af nye lægemidler, diagnostiske værktøjer, miljøovervågning og grøn kemi (bioinspirerede katalysatorer til bæredygtig syntese). Feltet er tværfagligt og trækker på kemi, biologi, fysik og medicin for at løse både grundlæggende og anvendte problemer.

Samlet set kobler bioinorganisk kemi metallernes grundlæggende kemi med biologiske funktioner og medicinske anvendelser — fra naturens enzymer til menneskeskabte metallodroger og miljømæssige udfordringer.

Historie

Paul Ehrlich brugte organoarsenikaler ("arsenikaler") til behandling af syfilis. Dette viste metallernes, eller i det mindste metalloidernes, relevans for lægevidenskaben. Derefter opdagede Rosenberg cisplatin (cis-PtCl2 (NH )32 ) som kræftbekæmpende stof. Det første protein, der nogensinde blev krystalliseret, var urease. Dette har nikkel på sit aktive sted. B-vitamin12 , der er et middel mod perniciøs anæmi, blev ved hjælp af krystallografi af Dorothy Hodgkin vist at have et koboltatom i en corrin-makrocyklus. Watson-Crick-strukturen for DNA viste den centrale strukturelle rolle, som fosfatholdige polymerer spiller.



 

Forskningsområder

Nogle af de områder, der er af interesse for forskning, er:

  • Transport og lagring af metalioner: Dette omfatter en bred vifte af ionkanaler, ionpumper (f.eks. NaKATPase), vacuoler, siderophorer og andre proteiner og små molekyler, hvis formål er at kontrollere koncentrationen af metalioner i cellen (undertiden benævnt metallom).
  • Hydrolaseenzymer: Disse omfatter en bred vifte af proteiner, der interagerer med vand og substrater. Eksempler på denne klasse af metalloproteiner er kulsyreanhydrase, metallofosfataser og metalloproteinaser.
  • Metalholdige elektronoverførselsproteiner:
    • jern-svovlproteiner som rubredoxiner, ferredoxiner og Rieske-proteiner
    • blå kobberproteiner
    • cytokromer
  • Oxygen transport- og aktiveringsproteiner: Disse gør brug af metaller som jern, kobber og mangan. Hæm anvendes af røde blodlegemer i form af hæmoglobin til ilttransport. Andre ilttransportsystemer omfatter myoglobin, hæmocyanin og hæmerythrin. Oxidaser og oxygenaser er metalsystemer, der findes overalt i naturen, og som udnytter ilt til at udføre vigtige reaktioner som f.eks. energiproduktion. Nogle metalloproteiner er designet til at beskytte et biologisk system mod de potentielt skadelige virkninger af ilt og andre reaktive iltholdige molekyler som f.eks. hydrogenperoxid. Et metalloprotein, der supplerer de metalloproteiner, der reagerer med ilt, er klorofyl, der er grundlaget for fotosyntesen. Klorofyl er et kulstofringspigment, der ligner andre porphyrinpigmenter som f.eks. hæm. I midten af klorinringen er der en magnesiumion. Dette system er en del af det komplekse proteinmaskineri, der producerer ilt, når planter laver fotosyntese.
  • Bioorganometalliske systemer såsom hydrogenaser og methylcobalamin er biologiske eksempler på organometalliske forbindelser. Dette område er mere fokuseret på unicellulære organismers udnyttelse af metaller. Bioorganometalliske forbindelser har stor betydning for miljøkemien.
  • Kvælstofmetabolismeveje: Disse gør brug af metaller. Nitrogenase er et af de mere berømte metalloproteiner, der er forbundet med kvælstofmetabolismen. På det seneste har man undersøgt nitrogenoxidets kardiovaskulære og neuronale betydning, herunder enzymet nitrogenoxidsyntase. (Se også: kvælstofassimilation.)
  • Metaller i medicin: Dette er studiet af udformningen og virkningsmekanismen af metalholdige lægemidler og forbindelser, der interagerer med endogene metalioner i enzymernes aktive steder. Dette forskelligartede område omfatter platin- og rutheniummidler mod kræft, chelaterende midler, guldlægemidler og gadoliniumkontrastmidler.
  • Inden for mental sundhed: Nogle uorganiske forbindelser har vist sig at kunne behandle visse lidelser. F.eks. er lithiumcarbonat blevet anvendt til behandling af mani ved bipolar lidelse.


 

Mere læsning

  • Heinz-Bernhard Kraatz (redaktør), Nils Metzler-Nolte (redaktør), Concepts and Models in Bioinorganic Chemistry, John Wiley and Sons, 2006, ISBN 3-527-31305-2
  • Ivano Bertini, Harry B. Gray, Edward I. Stiefel, Joan Selverstone Valentine, Biological Inorganic Chemistry, University Science Books, 2007, ISBN 1-891389-43-2
  • Wolfgang Kaim, Brigitte Schwederski "Bioinorganisk kemi: Bioorganisk kemi: Uorganiske elementer i livskemien." John Wiley and Sons, 1994, ISBN 0-471-94369-X
  • Ivano Bertini, Harry B. Gray, Stephen J. Lippard, Joan Selverstone Valentine, "Bioinorganic Chemistry," University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-57-1
  • Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, Principles of Bioinorganic Chemistry, University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5
  • Rosette M. Roat-Malone, Bioinorganic Chemistry : A Short Course, John Wiley & Sons|Wiley-Interscience, 2002, ISBN 0-471-15976-X
  • J.J.R.R. Fraústo da Silva og R.J.P. Williams, The biological chemistry of the elements: The inorganic chemistry of life, 2. udgave, 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

Kemi

Analytisk kemi - Biokemi - Bioinorganisk kemi - Bioorganisk kemi - Biofysisk kemi - Kemisk biologi - Kemisk fysik - Kemisk uddannelse - Computerkemi - Elektrokemi - Miljøkemi - Grøn kemi - Uorganisk kemi - Materialer - Farmaceutisk kemi - Kernekemi - Farmaci - Organisk kemi - Organometallisk kemi - Fysik - Fysisk kemi - Fotokemi - Polymerkemi - Faststofkemi - Supramolekylær kemi - Teoretisk kemi - Termokemi - Vådkemi - Teoretisk kemi

Liste over biomolekyler - Liste over uorganiske forbindelser - Liste over organiske forbindelser - Det periodiske system
 

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er bioinorganisk kemi?


A: Bioinorganisk kemi er studiet af metallers rolle i biologien samt naturlige fænomener som metalloproteiners adfærd og kunstigt indførte metaller i medicin og toksikologi. Det omfatter også undersøgelse af uorganiske modeller eller efterligninger, der efterligner metalloproteinernes funktion, hvilket kombinerer biokemi med uorganisk kemi.

Spørgsmål: Hvilke biologiske processer afhænger af nogle uorganiske molekyler?


Svar: Mange biologiske processer som f.eks. respiration er afhængige af nogle uorganiske molekyler.

Sp: Hvad indebærer bioinorganisk kemi at studere?


Svar: Bioinorganisk kemi omfatter undersøgelse af konsekvenserne for biologien af elektronoverførselsproteiner, substratbindinger og aktivering, atom- og gruppekemi samt metals egenskaber.

Spørgsmål: Hvordan kombinerer bioinorganisk kemi biokemi med uorganisk kemi?


A: Bioinorganisk kemi kombinerer biokemi med uorganisk kemi ved at studere organiske modeller eller efterligninger, der efterligner metalloproteinernes funktion.

Sp: Hvad er eksempler på naturligt forekommende fænomener, som bioinorganiske kemikere studerer?


A: Eksempler på naturligt forekommende fænomener, som bioinorganisk-kemikere studerer, omfatter metalloproteiners adfærd og kunstigt indførte metaller i medicin og toksikologi.

Sp: Hvad har elektronoverførselsproteiner med bioinorganisk kemi at gøre?


A: Elektronoverførselsproteiner er et aspekt, der undersøges af bioinoragnisk kemi, sammen med substratbindinger og aktivering, atom- og gruppekemi samt metalegenskaber.


Søge
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3