Bioanorgaaninen kemia | tutkii metallien roolia biologiassa

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.