Биоинорганическая химия – это область, в которой основное внимание уделяется биохимии неорганических элементов и соединений. Это включает динамику ионов металлов в живых системах, функцию металлопротеинов и применение неорганических лекарств.
Органические молекулы – это молекулы, которые обладают связями углерод-водород, которые, таким образом, составляют большинство биомолекул в живых существах. Большая часть углерода и азота у живых животных связана с органическими белками, липидами и углеводными соединениями, причем большая часть кислорода и водорода содержится в воде. Следующие наиболее распространенные элементы в живых существах включают неорганические элементы кальций, натрий, хлор, калий, фосфор и серу, которые играют различные роли в выполнении клеточных функций и гомеостазе.
Кальций, например, действует как электролит, который играет важную роль в сокращении мышц и передаче нервных сигналов, а также входит в состав костей и зубов, в то время как фосфор обеспечивает ион фосфата (PO 4 3- ), ключевой компонент ДНК, РНК, фосфолипидов, и молекула-переносчик энергии аденозин-5′-трифосфат (АТФ).
Металлический гомеостаз
Многие ионы металлов необходимы для жизни, в то время как другие очень токсичны даже в минимальных концентрациях, в некоторых случаях в зависимости от вида. Переходные металлы, такие как медь и железо, участвуют в образовании активных форм кислорода посредством переноса электронов, что может повредить локальные биомолекулы и вызвать гибель клеток. Однако медь и железо необходимы для многих клеточных процессов, и поэтому для поддержания гомеостаза возникли различные клеточные механизмы.
В дрожжах фермент супероксиддисмутаза обеспечивает защиту от окислительного стресса, катализируя образование перекиси водорода из супероксидных радикалов. Медь транспортируется через клеточную мембрану транспортерами с высоким или низким сродством, причем их активность модулируется внеклеточными концентрациями меди и усиливается в условиях с низким содержанием меди.
Что такое биоорганическая химия?
Точно так же железо транспортируется в дрожжи в виде ионов или соединений через специфические и неспецифические белки-переносчики мембран. Интересно, что медь необходима для гомеостаза железа у дрожжей, поскольку эти хелатирующие железо переносчики представляют собой медьсодержащие металлопротеины.
Металлопротеины
Совокупность металлов и металлсодержащих биомолекул в клетке называется металломом, что традиционно относится к динамике ионов металлов и их гомеостазу, но также включает металлопротеины. Почти половина всех белков в природе содержат металлы, при этом большая часть требует, чтобы металлы выполняли свои функции. Наиболее распространенными металлами в белках являются магний, цинк, железо и марганец, где они используются благодаря своим хелатирующим свойствам и участию в окислительно-восстановительных реакциях.
Вероятно , самые ранние признаны металлопротеины были гемоглобином, где железо впервые было идентифицировано в крови в начале 18 – го века Lemery и Жоффруа, который сгоревшая кровью в пепел и наблюдаемом магнитные частицы внутри. В течение 1950-х и 60-х годов широко публиковались рентгеновские структуры белков, включая первое четкое изображение расположения железа в гемоглобине.
Биомолекула гемоглобина содержит четыре субъединицы, расположенные по кругу, каждая из которых содержит одну гемовую группу, которая способствует связыванию с центральным ионом Fe 2+ . До связывания с молекулярным кислородом ион находится ниже плоскости расслабленного порфиринового кольца, тогда как после связывания с кислородом ион Fe 3+ втягивается вверх в плоскость теперь напряженного кольца.
Цинк, как известно, иметь важное значение для эукариот , начиная с середины 19 – го века, признается в качестве составной части некоторых ферментов , начиная с 1940 – х и 50 – х годов. Цинк играет несколько структурных и функциональных ролей в белках, стабилизируя свернутые белковые структуры, часто в форме структурного белкового мотива, известного как цинковый палец. Мотивы цинковых пальцев регулируют специфичность связывания белков и активно используются во время транскрипции, трансляции и передачи мРНК, а также во многих других областях.
Неорганические лекарства
Неорганические лекарства использовались людьми на протяжении тысяч лет, и в древнеегипетских медицинских текстах описывалось использование меди для стерилизации воды и ран. Одним из первых современных неорганических лекарств были органические соединения мышьяка, разработанные немецким врачом Полем Эрлихом в 1909 году для лечения сифилиса.
Вероятно, наиболее успешным разработанным неорганическим лекарством может быть распространенный химиотерапевтический препарат цисплатин и его производные, описанный в 1845 году и известный в то время как соль Пейрона. Структура цисплатина была позже выяснена Альфредом Вернером в 1893 году, а цитотоксические свойства препарата были исследованы Барнеттом Розенбергом в 1965 году. Было отмечено, что цитотоксическую активность проявлял только цис- изомер, при этом плоская квадратная форма Pt 2+ комплекс более цитотоксичен, чем октаэдрический комплекс.
Позже цисплатин был применен к крысам с саркомой, где было показано, что он очень эффективен в предпочтительном нацеливании на быстро делящиеся клетки, как это наблюдается при раке, и был быстро одобрен FDA в 1978 году для использования против рака яичников и яичек, при этом показатели выживаемости последнего увеличивались. по сравнению с предыдущими уровнями всего от 10% до 85%.
Наноматериалы находятся в интересном режиме размера с точки зрения взаимодействия с биомолекулами, имея диаметр, сопоставимый с белками, поэтому они способны проникать в клетки и взаимодействовать с клеточными механизмами. Поведение наноматериалов, созданных из металлов in vivo и in vitro , поэтому является предметом озабоченности химиков-биоинорганических химиков, с областями применения, начиная от противомикробных покрытий на высококонтактных поверхностях, медицинских устройств и повязок для ран, и заканчивая использованием наночастиц в качестве лечебных и диагностических. инструменты в клинике.