Bioanorgaaninen kemia – metallien ja metalliproteiinien rooli biologiassa
Tutustu bioanorgaaniseen kemiaan: metallien ja metalliproteiinien vaikutukset hengitykseen, lääketieteeseen ja toksikologiaan — ymmärrä metallien keskeinen rooli biologisissa prosesseissa.
Bioanorgaaninen kemia tutkii metallien roolia biologiassa. Se tutkii myös luonnollisia ilmiöitä, kuten metalliproteiinien käyttäytymistä, sekä keinotekoisesti käyttöönotettuja metalleja lääketieteessä ja toksikologiassa. Monet biologiset prosessit, kuten hengitys, ovat riippuvaisia joistakin epäorgaanisista molekyyleistä. Bioanorgaaniseen kemiaan kuuluu myös sellaisten epäorgaanisten mallien tai jäljitelmien tutkimus, jotka jäljittelevät metalloproteiinien toimintaa.
Se on sekoitus biokemiaa ja epäorgaanista kemiaa. Bioanorgaaninen kemia tutkii elektroninsiirtoproteiinien vaikutuksia biologiaan, substraatin sitoutumista ja aktivoitumista, atomien ja ryhmien kemiaa sekä metallien ominaisuuksia.
Mitä bioanorgaaninen kemia käsittää
Bioanorgaaninen kemia yhdistää epäorgaanisen kemian koordinointi- ja redoksiperiaatteet biologisiin järjestelmiin. Sen keskeisiä tutkimuskysymyksiä ovat esimerkiksi:
- miten metalli-ioneja sitoutuu proteiineihin ja millaiset ligandit (porfyriinit, histidiinit, tioelaatit ym.) määräävät aktiivisuuden;
- kuinka metallikohortit osallistuvat elektroninsiirtoon ja katalyysiin;
- miten solut ylläpitävät metalli-ionien tasapainoa (metal homeostasis) ja estävät myrkyllisyyden;
- miten luonnollisia metalloentsyymejä voidaan jäljitellä synteettisillä malleilla tai käyttää teknisissä sovelluksissa.
Tyypilliset metallit ja niiden roolit
Useat siirtymämetallit ovat elintärkeitä katalyyttisten ja redoksiprosessien kannalta. Tärkeimpiä esimerkkejä:
- Rauta (Fe): happea sitovissa ja elektroninsiirtoproteiineissa (hemoproteiinit, rauta–rikkiklusterit), sekä ferritiinissä ja transferriinissa rautavarastona ja -kuljettajana.
- Kupari (Cu): osallistuu elektroninsiirtoon (esim. sytokromi c oksidaasissa), sekä tyrosinaasin kaltaisissa oksidaaseissa.
- Sinkki (Zn): katalyyttinen tai rakenteellinen ko-faktori monissa entsyymeissä (esim. metalloproteaasit, karbonaattianhydrasa), ei yleensä redoksaktiivinen.
- Mangaani (Mn): osa fotosynteesin vesien hapettavaa kompleksia (Mn4Ca-ryhmä) ja monia oksidaaseja.
- Molybdeeni (Mo), kobalt (Co), nikkeli (Ni) ja muut: osallistuvat typpi-, rikki- ja hiilen aineenvaihdunnan entsyymitoimintoihin (esim. nitrogenaasi, metanogeeniset entsyymit).
Metalliproteiinit ja metalloentsyymit
Metalliproteiinit sisältävät metallikoordinaatiokeskuksia, jotka ovat välttämättömiä substraattien sitoutumiselle ja kemiallisille muunnoksille. Esimerkkejä:
- Hemoproteiinit (hemoglobiini, myoglobiini, sitruunahappoketjun sytokromit): happea kuljettavat ja elektroninsiirtoa toteuttavat proteiinit.
- Rauta–rikkiklusterit: keskeisiä elektroninsiirrossa (esim. ferredoksiinit).
- Tyypilliset metalloentsyymit: nitrogenaasi (typen sitominen), hydrogenaasit (vedyn tuotanto ja kulutus), katalaasit ja peroksidaasit (reaktiivisten happilajien hallinta).
Metallien koordinaatioympäristö — kuten aminohapporesiduiden tyypit ja tilamääritys — määräävät reaktiivisuuden, redoksipotentiaalin ja substraattispesifisyyden.
Elektroninsiirto ja substraatin aktivaatio
Bioanorgaaninen kemia keskittyy usein elektroninsiirtoon ja siihen, miten metallit aktivoivat kovalenttisia sidoksia. Tärkeitä teemoja:
- elektroninsiirtoproteiinien mekanismit (esim. rauta–rikkiklusterit, kupari-sytokromit);
- substraatin sitoutuminen ja aktivoituminen metalli-koordinaatiokeskuksessa (hapetuspelit, nukleofiilinen/hapetus-reaktioiden katalyysi);
- protoninsiirto ja yhdistetyt protoni–elektroninsiirrot, jotka ovat keskeisiä biokatalyysissä (esim. vedyn muodostus/hapetus).
Mallit, biomimeesi ja synteettiset kompleksit
Monet tutkimukset kehittävät epäorgaanisia malleja, jotka jäljittelevät metalliproteiinien rakenteita ja toimintoja. Näin ymmärretään alkuperäisiä mekanismeja ja testataan katalyyttisiä ideoita laboratorio-olosuhteissa. Biomimeettiset kompleksit voivat toimia myös teollisina katalyysaattoreina.
Sovellukset: lääketiede, toksikologia ja teknologia
Bioanorgaanisen kemian löydöillä on laajoja sovelluksia:
- lääketiede: metallipohjaiset lääkkeet (esim. sytostaatti cisplatin ja muut kompleksit), kontrastiainet MRI:ssä (gadolinium-yhdisteet) ja metallien käyttö lääketieteellisissä diagnostisissa menetelmissä;
- toksikologia: raskasmetallien (eliaisina ja haitallisina) vaikutusten ymmärtäminen, toksisuuden mekanismit ja bioremediaatio-metodit;
- teknologia ja ympäristö: synteettiset katalyysit, biosensorit, biopolttoaineiden tuotanto ja veden puhdistus.
Tutkimusmenetelmät ja -haasteet
Bioanorgaanisen kemian tutkimuksessa käytetään monipuolisesti spektroskooppisia ja rakenteellisia menetelmiä, kuten:
- EPR- ja Mössbauer-spektroskopiaa rauta- ja muiden metalli-ytimien tutkimiseen;
- XANES/EXAFS (X-ray absorption spectroscopy) metalliympäristöjen ja koordinaation määrittämiseen;
- röntgenkristallografiaa ja kryo-elektronimikroskopiaa rakenteiden ratkaisussa;
- NMR- ja massaspektrometriaa proteiinien ja ligandien analyysissä.
Haasteita ovat luonnollisten metallikeskusten monimutkaisuus, dynaamiset muutokset solussa ja metallien vähäiset pitoisuudet, jotka tekevät mittauksista vaikeita.
Nykyiset trendit ja tulevaisuus
Bioanorgaaninen kemia suuntautuu yhä enemmän integroimaan proteiinibiologiaa, genomisia lähestymistapoja ja synteettistä kemiaa. Erityisen tärkeää on metalliproteiinien roolin kartoittaminen kokonaisvaltaisissa solutason järjestelmissä (metalloproteomiikka), sekä kestävien katalyyttien ja uusien lääkehoitojen kehittäminen. Myös alkuperän ja evoluution kysymykset — miten metallikoordinaatit ovat muovanneet varhaista elämää — ovat aktiivisia tutkimusaiheita.
Yhteenvetona: bioanorgaaninen kemia selittää, kuinka epäorgaaniset aineet ja erityisesti metallit mahdollistavat ja ohjaavat elintärkeitä biologisia reaktioita. Sen tutkimus tarjoaa sekä perustietoa elämän kemiallisesta toiminnasta että sovelluksia lääketieteeseen, ympäristönsuojeluun ja teknologiaan.
Historia
Paul Ehrlich käytti organoarsenikkia ("arsenikkia") kupan hoitoon. Tämä osoitti metallien tai ainakin metalloidien merkityksen lääketieteessä. Sitten Rosenberg löysi sisplatiinin (cis-PtCl2 (NH3 )2 ) syövänvastaisen vaikutuksen. Ensimmäinen kiteytetty proteiini oli ureaasi. Sen aktiivisessa kohdassa on nikkeliä. Dorothy Hodgkin osoitti kristallografian avulla, että B-vitamiinissa12 , joka on lääke pernicious anemiaan, on kobolttiatomi corrin-makrosyklissä. DNA:n Watson-Crick-rakenne osoitti fosfaattipitoisten polymeerien keskeisen rakenteellisen roolin.
Tutkimusalueet
Joitakin kiinnostuksen kohteita tutkimuksessa ovat:
- Metalli-ionien kuljetus ja varastointi: tähän kuuluu moninaisia ionikanavia, ionipumppuja (esim. NaKATPaasi), vakuoleja, sideroforeja ja muita proteiineja ja pieniä molekyylejä, joiden tarkoituksena on säädellä huolellisesti metalli-ionien pitoisuutta solussa (joskus käytetään nimitystä metallomi).
- Hydrolaasientsyymit: niihin kuuluu monenlaisia proteiineja, jotka ovat vuorovaikutuksessa veden ja substraattien kanssa. Esimerkkejä tästä metalloproteiinien luokasta ovat hiilihappoanhydraasi, metallofosfataasit ja metalloproteinaasit.
- Metalleja sisältävät elektroninsiirtoproteiinit:
- rauta-rikkiproteiinit, kuten rubredoksiinit, ferredoksiinit ja Rieske-proteiinit.
- siniset kupariproteiinit
- sytokromit
- Hapenkuljetus- ja aktivointiproteiinit: ne käyttävät metalleja, kuten rautaa, kuparia ja mangaania. Hemiä käytetään punasoluissa hemoglobiinin muodossa hapen kuljetukseen. Muita hapenkuljetusjärjestelmiä ovat muun muassa myoglobiini, hemosyaniini ja hemerytriini. Oksidaasit ja oksygenaasit ovat kaikkialla luonnossa esiintyviä metallijärjestelmiä, jotka hyödyntävät happea tärkeissä reaktioissa, kuten energiantuotannossa. Jotkin metalloproteiinit on suunniteltu suojaamaan biologista järjestelmää hapen ja muiden reaktiivisten happea sisältävien molekyylien, kuten vetyperoksidin, mahdollisesti haitallisilta vaikutuksilta. Hapen kanssa reagoivia metalloproteiineja täydentävä metalloproteiini on klorofylli, joka on fotosynteesin perusta. Klorofylli on hiilirengaspigmentti, joka on samanlainen kuin muut porfyriinipigmentit, kuten hemi. Kloriinirenkaan keskellä on magnesiumioni. Tämä järjestelmä on osa monimutkaista proteiinikoneistoa, joka tuottaa happea, kun kasvit tekevät fotosynteesiä.
- Bioorgaaniset metalliorgaaniset järjestelmät, kuten hydrogenaasit ja metyylikobalamiini, ovat biologisia esimerkkejä metalliorgaanisista yhdisteistä. Tällä alalla keskitytään enemmän metallien hyödyntämiseen yksisoluisissa eliöissä. Bioorgaaniset metalliyhdisteet ovat merkittäviä ympäristökemiassa.
- Typpiaineenvaihdunnan reitit: niissä käytetään metalleja. Nitrogenaasi on yksi tunnetuimmista typpiaineenvaihduntaan liittyvistä metalloproteiineista. Viime aikoina on tutkittu typpioksidin, myös typpioksidisyntaasientsyymin, sydän- ja verisuonitautien ja hermoston merkitystä. (Katso myös: typen assimilaatio.)
- Metallit lääketieteessä: tässä tutkitaan metallia sisältävien lääkkeiden ja sellaisten yhdisteiden suunnittelua ja vaikutusmekanismeja, jotka ovat vuorovaikutuksessa entsyymien aktiivisissa kohdissa olevien endogeenisten metalli-ionien kanssa. Tähän monipuoliseen alaan kuuluvat mm. platina- ja rutenium-syöpälääkkeet, kelatoivat aineet, kultaiset lääkeainehoitajat ja gadolinium-kontrastiaineet.
- Mielenterveys: joidenkin epäorgaanisten yhdisteiden on todettu hoitavan tiettyjä häiriöitä. Esimerkiksi litiumkarbonaattia on käytetty kaksisuuntaisen mielialahäiriön manian hoitoon.
Lisää lukemista
- Heinz-Bernhard Kraatz (toimittaja), Nils Metzler-Nolte (toimittaja), 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: Epäorgaaniset alkuaineet elämän kemiassa." 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. Fraústo da Silva ja R.J.P. Williams, The biological chemistry of the elements: The inorganic chemistry of life, 2. painos, 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.
| Kemia |
| Analyyttinen kemia - Biokemia - Bio-orgaaninen kemia - Bio-orgaaninen kemia - Biofysikaalinen kemia - Kemiallinen biologia - Kemiallinen fysiikka - Kemiallinen koulutus - Kemiallinen fysiikka - Kemiallinen koulutus - Laskennallinen kemia - Sähkökemia - Sähkökemia - Epäorgaaninen kemia - Materiaalitiede - Farmaseuttinen kemia - Orgaaninen kemia - Orgaaninen kemia - Orgaaninen kemia - Orgaaninen kemia - Orgaaninen kemia - Orgaaninen kemia - Orgaaninen kemia - Orgaaninen kemia - Fysikaalinen kemia - Fysikaalinen kemia - Fotokemia - Polymeerien kemia - Fysikaalinen kemia - Kiinteän olomuodon kemia - Suojattu kemiantehdistys - Teoreettinen kemiantehdistys - Lämmönkestävyys - Märkäkemia - Vihreäkemia - Ydinvoimakemia |
| Luettelo biomolekyyleistä - Luettelo epäorgaanisista yhdisteistä - Luettelo orgaanisista yhdisteistä - Jaksollinen järjestelmä |
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on bio-orgaaninen kemia?
V: Bioanorgaaninen kemia tutkii metallien roolia biologiassa sekä luonnonilmiöitä, kuten metalloproteiinien käyttäytymistä ja keinotekoisesti käyttöön otettuja metalleja lääketieteessä ja toksikologiassa. Siihen kuuluu myös metalloproteiinien toimintaa jäljittelevien epäorgaanisten mallien tai jäljitelmien tutkiminen, jossa yhdistyvät biokemia ja epäorgaaninen kemia.
K: Mitkä biologiset prosessit ovat riippuvaisia joistakin epäorgaanisista molekyyleistä?
V: Monet biologiset prosessit, kuten hengitys, riippuvat joistakin epäorgaanisista molekyyleistä.
K: Mitä bio-epäorgaanisessa kemiassa tutkitaan?
V: Bioanorgaanisessa kemiassa tutkitaan elektroninsiirtoproteiinien, substraatin sitoutumisen ja aktivoitumisen, atomien ja ryhmien kemian sekä metallien ominaisuuksien vaikutuksia biologiaan.
K: Miten bioanorgaanisessa kemiassa yhdistyvät biokemia ja epäorgaaninen kemia?
V: Bioanorgaanisessa kemiassa yhdistyvät biokemia ja epäorgaaninen kemia tutkimalla orgaanisissa malleissa tai jäljitelmissä, jotka jäljittelevät metalloproteiinien toimintaa.
K: Mitkä ovat esimerkkejä luonnossa esiintyvistä ilmiöistä, joita bioanorgaaniset kemistit tutkivat?
V: Esimerkkejä bioanorgaanisen kemian tutkijoiden tutkimista luonnossa esiintyvistä ilmiöistä ovat metalloproteiinien käyttäytyminen ja keinotekoisesti käyttöönotetut metallit lääketieteessä ja toksikologiassa.
K: Mitä tekemistä elektroninsiirtoproteiineilla on bioinorgaanisen kemian kanssa?
V: Elektroninsiirtoproteiinit ovat yksi bioinorgaanisen kemian tutkimuskohteista, samoin kuin substraatin sitoutuminen ja aktivoituminen, atomien ja ryhmien kemia sekä metallien ominaisuudet.
Etsiä