Кіріспе

Биологиядағы металдардың рөлін зерттеу журналы. Биоорганикалық химия – биологиядағы металдардың атқаратын рөлін зерттейтін ғылым саласы. Биоорганикалық химия металлопротеиндердің қалай жұмыс істейтіні сияқты табиғи құбылыстарды, сондай-ақ медицина және токсикологияда қолданылатын, тіпті қажетті емес металдарды жасанды түрде енгізуді қамтиды. Көптеген биологиялық процестер, мысалы, тыныс алу, бейорганикалық химия саласына жататын молекулаларға байланысты. Бұл ғылымға металлопротеиндердің қызметін имитациялайтын бейорганикалық модельдерді зерттеу де кіреді. Биохимия мен бейорганикалық химияның үйлесімі ретінде биоорганикалық химия электрондық тасымалдау ақуыздарының, субстраттарды байланыстыру және белсендірудің, атомдар мен топтардың тасымалдану химиясының, сондай-ақ биологиялық химиядағы металл қасиеттерінің маңыздылығын анықтауда маңызды рөл атқарады. Биоорганикалық химияны дамыту үшін шынайы салааралық жұмысты табысты жүзеге асыру қажет.

Тірі организмдердің құрамы

Сүтқоректілердің массасының шамамен 99% көміртек, азот, кальций, натрий, хлор, калий, сутек, фосфор, оттегі және күкірт элементтерінен тұрады. Органиқалық қосылыстар (ақуыздар, майлар және көмірсулар) көміртек пен азоттың көп бөлігін қамтиды, ал оттегі мен сутегінің көп бөлігі су ретінде кездеседі.

Қысқылтегін тасымалдау және белсендіру ақуыздары

Аэробикалық тіршілік темір, мыс, марганец сияқты металдарды кеңінен пайдаланады. Гемоглобин түріндегі гема қызыл қан жасушаларында оттекті тасымалдау үшін қолданылады және биологиядағы ең танымал металл жүйесі болып табылады. Басқа оттекті тасымалдау жүйелеріне миоглобин, гемоцианин және гемеритрин жатады. Оксидазалар мен оксигеназалар – табиғатта кездесетін металл жүйелері, олар цитохром c оксидазасында энергия өндіру сияқты маңызды реакцияларды жүзеге асыру үшін немесе цитохром P450 оксидазаларында және метан монооксигеназасында кішкентай молекулаларды тотықтыру үшін оттекті пайдаланады. Кейбір металлопротеиндер биологиялық жүйені оттегінің және сутек пероксиді сияқты басқа да реактивті оттегі бар молекулалардың потенциалды зиянды әсерінен қорғауға арналған. Бұл жүйелерге пероксидазалар, каталазалар және супероксид дисмутазалар кіреді. Оттегімен реакцияға түсетін металлопротеиндерге толықтыратын нәрсе – өсімдіктерде кездесетін оттекті дамыту кешені. Бұл жүйе өсімдіктер фотосинтез процесін жүргізгенде оттегін өндіретін күрделі ақуыздық механизмнің бір бөлігі болып табылады.

Биоорганометалл химиясы

Биоорганометалл жүйелерінде металл-көміртегі байланыстары құрылымдық элементтер ретінде немесе аралық заттар болып табылады. Биоорганометалл ферменттері мен ақуыздарға гидрогеназалар, азот фиксациялаушы ферменттегі FeMoco және метилкобаламин жатады. Бұл табиғатта кездесетін органометалл қосылыстары. Бұл сала көбінесе бір жасушалы организмдердің металдарды пайдалануына бағытталған. Биоорганометалл қосылыстары экологиялық химияда маңызды рөл атқарады.

Медицинадағы металдар

Бірқатар дәрі-дәрмектерде металдар бар. Бұл тақырып металлдарды қамтитын фармацевтикалық препараттардың құрылымын және әрекет ету механизмін, сондай-ақ ферменттердің белсенді орындарындағы эндогенді металл иондарымен әрекеттесетін қосылыстарды зерттеуге негізделген. Ең көп қолданылатын қатерлі ісікке қарсы препарат – цисплатин. МРТ контраст заттарының құрамында көбінесе гадолиний болады. Литий карбонаты екіполярлық аурудың маниялық фазасын емдеу үшін қолданылады. Алтыннан жасалған антиартриттік дәрілер, мысалы, ауранофин саудаға түскен. Көміртек монооксидін бөліп шығаратын молекулалар – металл кешендері, олар қабынуды басу үшін аз мөлшерде көміртек монооксидін бөліп шығару арқылы әзірленді. Азот оксидінің жүрек-қан тамырлары және нейрондық маңызы, соның ішінде азот оксиді синтезасы ферменті зерттелді. (Сондай-ақ: азотты сіңіруді қараңыз.) Бұған қоса, триазолопиримидиндерге негізделген металл өтпел кешендері бірнеше паразит штамдарына қарсы сынақтан өтті.

Қоршаған орта химиясы

Экологиялық химия дәстүрлі түрде ауыр металдардың тірі организмдермен өзара әрекеттесуіне баса назар аударады. Метил сынап Минамата ауруы деп аталатын үлкен апатқа себеп болды. Арсенмен улану – дамушы елдердегі миллиондаған адамдарға әсер ететін жер асты суларының арсенмен ластануының салдарынан кең таралған проблема. Меркурий және арсен қосылыстарының метаболизмі кобаламинге негізделген ферменттерді қатыстырады.

Биоминерализация

Биоминерализация – тірі организмдердің минералдарды өндіру процесі, көбінесе қолданыстағы тіндерді нығайту немесе қатайту үшін. Мұндай тіндер минералданған тіндер деп аталады. Мысалдарға балдырлар мен диатомдардағы силикаттар, омыртқасыз жануарлардағы карбонаттар, омыртқалы жануарлардағы кальций фосфаттары мен карбонаттары жатады. Басқа мысалдарға бактериялардың қатысуымен түзілген мыс, темір және алтын кен орындары кіреді. Биологиялық түзілген минералдардың көбінесе арнайы қолданыстары бар, мысалы, магниттік тактикалық бактериялардағы магниттік сенсорлар (Fe3O4), гравитацияны сезу құрылғылары (CaCO3, CaSO4, BaSO4) және темірді сақтау және қозғалту (ферритин ақуызындағы Fe2O3•H2O). Өмірлік ортадан тыс темір кальцификацияны күшейтуге тым қатысты болғандықтан, оны бақылау қабықшаларды дамыту үшін өте маңызды; ферритин ақуызы темірдің таралуын бақылауда маңызды рөл атқарады.

Қатты және сілтілі жер металдар

Көптеген органикалық емес элементтер иондық электролиттер ретінде әрекет етеді. Ең маңызды иондар – натрий, калий, кальций, магний, хлорид, фосфат және бикарбонат. Жасұша мембраналары арқылы нақты градиенттерді сақтау осмостық қысым мен pH деңгейін қалыпта ұстауға мүмкіндік береді. Иондар нервтер мен бұлшық еттер үшін де өте маңызды, себебі осы тіндердегі әрекет потенциалы жасуша сыртындағы сұйықтық пен цитозол арасындағы электролиттердің алмасуы арқылы туындайды. Электролиттер жасушаларға иондық каналдар деп аталатын жасуша мембранасындағы белоктар арқылы кіреді және шығады. Мысалы, бұлшықет жиырылуы жасушалық мембранадағы және Т-түтікшелердегі иондық каналдар арқылы кальций, натрий және калийдің қозғалысына байланысты.

Өтпелі металдар

Өтпелі металдар әдетте организмдерде іздік элементтер түрінде кездеседі, мырыш және темір ең көп таралғандары. Бұл металдар ақуыз кофакторлары және сигнал молекулалары ретінде қолданылады. Көптегендері каталаза сияқты ферменттердің және гемоглобин сияқты оттекті тасымалдаушы ақуыздардың қызметі үшін қажет. Бұл кофакторлар белгілі бір ақуызға берік байланысқан; фермент кофакторлары катализ кезінде өзгеруі мүмкін болғанымен, катализ аяқталғаннан кейін кофакторлар әрқашан бастапқы күйіне оралады. Металл микроэлементтері организмдерге арнайы тасымалдаушылар арқылы сіңіріледі және қолданылмаған кезде ферритин немесе металлотионеин сияқты сақтау ақуыздарына байланыстырылады. Кобальт В12 витаминінің жұмыс істеуі үшін маңызды.

Негізгі топтың қосылыстары

Металдардан басқа көптеген элементтер биоактивті. Күкірт пен фосфор барлық тіршілік үшін қажет. Фосфор көбінесе фосфат және оның түрлі эстерлері түрінде кездеседі. Күкірт сульфаттан (SO42−) сульфидке (S2−) дейін әртүрлі тотығу дәрежелерінде болады. Селен – антиоксиданттар болып табылатын ақуыздарға қатысатын микроэлемент. Кадмий оның уыттылығымен маңызды.