Введение

Изучение роли металлов в биологии

Биоорганическая химия – это область, изучающая роль металлов в биологических системах. Она охватывает исследование как естественных явлений, таких как поведение металлопротеинов, так и искусственно вводимых металлов, включая нежизненно важные, в медицине и токсикологии. Многие биологические процессы, например, дыхание, зависят от молекул, относящихся к области неорганической химии. Эта дисциплина также включает изучение неорганических моделей или имитаций, воспроизводящих поведение металлопротеинов. Будучи сочетанием биохимии и неорганической химии, биоорганическая химия играет важную роль в понимании механизмов электронного транспорта белками, связывания и активации субстратов, переноса атомов и групп, а также влияния свойств металлов на биологические процессы. Для дальнейшего развития биоорганической химии необходимо успешное развитие междисциплинарных исследований.

Состав живых организмов

Около 99% массы млекопитающих составляют элементы углерод, азот, кальций, натрий, хлор, калий, водород, фосфор, кислород и сера. Органические соединения (белки, липиды и углеводы) содержат основную часть углерода и азота, а большая часть кислорода и водорода содержится в виде воды.

Транспортные и активационные белки кислорода

Аэробные организмы широко используют такие металлы, как железо, медь и марганец. Гем используется эритроцитами в форме гемоглобина для транспорта кислорода и, пожалуй, является наиболее известной металлосодержащей системой в биологии. К другим системам транспорта кислорода относятся миоглобин, гемоцианин и гемеритрин. Оксидазы и оксигеназы – это металлосодержащие системы, распространенные в природе, которые используют кислород для осуществления важных реакций, таких как выработка энергии в цитохром c-оксидазе или окисление малых молекул в цитохроме P450 оксидазах или метанмонооксигеназе. Некоторые металлопротеины предназначены для защиты биологических систем от потенциально вредного воздействия кислорода и других реакционноспособных кислородсодержащих молекул, таких как перекись водорода. К этим системам относятся пероксидазы, каталазы и супероксиддисмутазы. В дополнение к металлопротеинам, реагирующим с кислородом, существует кислород-эволюционирующий комплекс, присутствующий в растениях. Эта система является частью сложного белкового аппарата, который производит кислород в процессе фотосинтеза.

Биоорганиометаллургическая химия

Биоорганиометаллические системы характеризуются наличием металлоуглеродных связей в качестве структурных элементов или промежуточных соединений. Биоорганиометаллические ферменты и белки включают в себя гидрогеназы, FeMoco в нитрогеназе и метилкобаламин. Это природные органометаллические соединения. Данная область исследований больше ориентирована на использование металлов одноклеточными организмами. Биоорганиометаллические соединения играют важную роль в экологической химии.

Металлы в медицине

В ряде лекарственных средств содержатся металлы. Данная область изучает структуру и механизм действия металлосодержащих фармацевтических препаратов, а также соединений, взаимодействующих с эндогенными ионами металлов в активных центрах ферментов. Наиболее широко используемым противораковым препаратом является цисплатин. В качестве контрастных веществ для МРТ обычно используется гадолиний. Карбонат лития применяется для лечения маниакальной фазы биполярного расстройства. Коммерциализированы противоартритные препараты на основе золота, например, ауранофин. Разработаны металлокомплексы, высвобождающие угарный газ, для подавления воспаления путем выделения небольших количеств угарного газа. Исследовалась кардиоваскулярная и нейронная значимость оксида азота, включая фермент синтазу оксида азота. (См. также: ассимиляция азота.) Помимо этого, переходные металлические комплексы на основе триазолопиримидинов были протестированы против различных штаммов паразитов.

Химия окружающей среды

Химия окружающей среды традиционно делает акцент на взаимодействии тяжелых металлов с организмами. Метилртуть стала причиной крупной катастрофы, известной как болезнь Минамата. Отравление мышьяком – широко распространенная проблема, главным образом из-за загрязнения подземных вод мышьяком, которое затрагивает миллионы людей в развивающихся странах. Метаболизм соединений ртути и мышьяка включает ферменты, основанные на кобаламине.

Биоминерализация

Биоминерализация – это процесс, посредством которого живые организмы производят минералы, часто для упрочнения или повышения жесткости существующих тканей. Такие ткани называются минерализованными тканями. Примеры включают силикаты у водорослей и диатомей, карбонаты у беспозвоночных, а также фосфаты кальция и карбонаты у позвоночных. Другие примеры – месторождения меди, железа и золота, в формировании которых участвуют бактерии. Биологически образованные минералы часто имеют особое применение, например, магнитные сенсоры у магнитотактических бактерий (Fe3O4), органы восприятия гравитации (CaCO3, CaSO4, BaSO4) и хранение и мобилизацию железа (Fe2O3•H2O в белке ферритине). Поскольку внеклеточное железо играет важную роль в индуцировании кальцификации, его контроль необходим при формировании раковин; белок ферритин играет важную роль в контроле распределения железа.

Алкальные и щелочноземельные металлы

Многочисленные неорганические элементы выступают в роли ионных электролитов. Наиболее важными ионами являются натрий, калий, кальций, магний, хлорид, фосфат и бикарбонат. Поддержание точных градиентов концентраций через клеточные мембраны обеспечивает поддержание осмотического давления и pH. Ионы также критически важны для функционирования нервов и мышц, поскольку потенциалы действия в этих тканях генерируются за счет обмена электролитами между внеклеточной жидкостью и цитозолем. Электролиты проникают в клетки и покидают их через белки в клеточной мембране, называемые ионными каналами. Например, сокращение мышц зависит от перемещения кальция, натрия и калия через ионные каналы в клеточной мембране и Т-трубочках.

Переходные металлы

Переходные металлы обычно присутствуют в организмах в виде микроэлементов, при этом цинк и железо встречаются наиболее часто. Эти металлы используются как кофакторы белков и сигнальные молекулы. Многие из них необходимы для активности ферментов, таких как каталаза, и белков-переносчиков кислорода, таких как гемоглобин. Эти кофакторы прочно связаны с конкретным белком; хотя кофакторы ферментов могут модифицироваться в процессе катализа, они всегда возвращаются в исходное состояние после завершения катализа. Микроэлементы-металлы поглощаются организмами с помощью специальных транспортеров и связываются с белками-депо, такими как ферритин или металлотионеин, когда не используются. Кобальт необходим для функционирования витамина B12.

Соединения основных групп

Многие другие элементы, помимо металлов, обладают биологической активностью. Сера и фосфор необходимы для всей жизни. Фосфор существует почти исключительно в виде фосфатов и их различных эфиров. Сера существует в различных степенях окисления, от сульфата (SO42−) до сульфида (S2−). Селен – микроэлемент, входящий в состав белков-антиоксидантов. Кадмий имеет значение из-за своей токсичности.