Bioanorganická chémia

Bioanorganická chémia je oblasť chémie, ktorá sa zaoberá zastúpením chemických prvkov periodickej tabuľky v organizmoch.

História

Ľudská superoxiddismutáza obsahuje atóm mangánu. Chráni ľudské bunky pred superoxidovým aniónom, ktorý môže vyvolať rakovinu.

Zdá sa, že označenie rýchlo sa rozvíjajúcej oblasti chémie ako „bioanorganickej“ obsahuje protirečenie, ktoré však jednoducho odráža mylnú predstavu siahajúcu až k počiatkom modernej vedy. Začiatkom 19. storočia sa chémia ešte delila na „organickú“ chémiu, ktorá zahŕňala iba látky izolované z „orgh.anizmov“ a „anorganickú“ chémiu „mŕtvej hmoty“. Toto rozlišovanie stratilo zmysel po Wöhlerovej syntéze „organickej“ močoviny z „anorganického“ kyanatanu amónneho v roku 1828. V súčasnosti je organická chémia definovaná ako chémia uhľovodíkov a ich derivátov s možným zahrnutím určitých nekovových heteroelementov, ako sú N, O a S, bez ohľadu na pôvod materiálu.

Rastúca potreba spoločného, ​​nie nevyhnutne látkovo orientovaného označenia chémie živých organizmov potom viedla k novému pojmu „biochémia“. Klasická biochémia sa dlho zaoberala najmä organickými zlúčeninami; tieto dve oblasti však nie sú v žiadnom prípade totožné. Vylepšené metódy stopovej analýzy preukázali dôležitosť veľkého počtu „anorganických“ prvkov v biochemických procesoch, a tak odhalili množstvo čiastočne anorganických prírodných produktov.

Chlorofyl b

Zodpovedajúci zoznam by zahŕňal:

• metaloenzýmy (cca 40 % známych enzýmov: Fe, Cu, Mn, Mo, Ni, V, Zn, Mg, Ca a ďalšie)
• neenzymatické metaloproteíny (napr. hemoglobín: Fe);
• nízkomolekulové prírodné produkty (napr. chlorofyl: Mg);
• koenzýmy, vitamíny (napr. vitamín B12: Co);
• hormóny (napr. tyroxín, trijódtyronín: I);
• antibiotiká (napr. penicilín: S)
• ionofóry (napr. valinomycín: K);
• biominerály (napr. kosti, zuby, lastúry, koraly, perly: Ca, Si a iné)

Vitamín B₁₂: komplex kobaltu, ktorý prenáša jednouhlíkové skupiny.

Fe-Mo-S Klaster: kofaktor využívaný baktériami na enzymatickú redukciu vzdušného dusíka, N₂, na amoniak, NH₃, ktorý sa využíva na syntézu proteínov, aminosacharidov, fosfolipidov a nukleových kyselín. Tento kofaktor je súčasťou enzýmu nitrogenázy.

Niektoré (podľa dnešnej definície) „anorganické“ prvky boli zavedené pomerne skoro ako nevyhnutné zložky živých systémov. Príklady zahŕňajú extrakcie uhličitanu draselného (K₂CO₃, potaš) z rastlín a komplexných solí s obsahom železa K_3,4[Fe(CN)₆] zo zvieracej krvi v 18. storočí, objavy elementárneho fosforu (ako P₄) suchou destiláciou zvyškov moču v r. 1669 a elementárneho jódu z popola morských rias v roku 1811. V polovici 19. storočia Liebigove štúdie o metabolizme anorganických živín, najmä dusíkatých, fosforečných a draselných solí, výrazne zlepšilo poľnohospodárstvo, takže táto konkrétna oblasť vedy získala obrovský praktický význam. Avšak toto teoretické pozadie a vtedajšie analytické metódy nestačili na získanie podrobných informácií o mechanizme účinku základných prvkov, z ktorých viaceré sa vyskytujú len v stopových množstvách. Niektoré veľmi nápadné zlúčeniny, ktoré zahŕňajú anorganické prvky, ako hemoglobín obsahujúci železo a chlorofyl obsahujúci horčík, „pigmenty života“, boli analyzované a charakterizované neskôr v rámci špeciálnej podoblasti organickej chémie prírodných produktov. Bolo to až po roku 1960, kedy sa bioanorganická chémia stala nezávislou a vysoko interdisciplinárnou výskumnou oblasťou.

Mangánový klaster v rastlinách, ktorý oxiduje vodu H₂O za tvorby kyslíka O₂.

Pre tento vývoj boli rozhodujúce tieto faktory:

1. Biochemické postupy izolácie a čistenia, ako je chromatografia a nové fyzikálne metódy analýzy stopových prvkov, ako je atómová absorpčná alebo emisná spektroskopia, vyžadujú stále menšie množstvo materiálu. Tieto metodické pokroky umožnili nielen detekciu, ale aj chemickú a funkčnú charakterizáciu stopových prvkov alebo inak nenápadných kovových iónov v biologických materiáloch. Dospelý človek obsahuje napríklad asi 2 g zinku v iónovej forme (Zn²⁺). Hoci zinok nemožno považovať za skutočný stopový prvok, jednoznačný dôkaz o jeho existencii v enzýmoch bol stanovený až v 30. rokoch 20. storočia. Pravé bioesenciálne stopové prvky, ako sú nikel a selén, sú prítomné ako konštitutívne zložky v niekoľkých dôležitých enzýmov, čo bolo zistené až okolo roku 1970.
2. Snahy o objasnenie mechanizmov organických, anorganických a biochemických reakcií viedli k skorému pochopeniu špecifických biologických funkcií niektorých anorganických prvkov. V súčasnosti sa robí veľa pokusov napodobniť biochemickú reaktivitu prostredníctvom štúdií reaktivity modelových systémov, nízkomolekulových komplexov alebo metaloproteínov na mieru.
3. Rýchly pokrok v bioanorganickej chémii bol možný vďaka príspevkom od:
   1. fyziky (techniky detekcie a charakterizácie);
   2. biológie (dodávka materiálu a špecifické úpravy založené na mutagenéze);
   3. poľnohospodárskych a nutričných ​​vied (účinky anorganických prvkov a ich vzájomné vzájomná závislosť);
   4. farmakológie (interakcia medzi liečivami a endogénnymi alebo exogénnymi anorganickými látky);
   5. medicíny (zobrazovacie a iné diagnostické pomôcky, chemoterapia);
   6. toxikológie a environmentálnych vied.

Referencie

Biologický portál Chemický portál