Bioanorgaaniline keemia

Allikas: Vikipeedia
Jump to navigation Jump to search

Bioanorgaaniline keemia uurib metallide rolli bioloogias. See hõlmab nii naturaalselt organismis olevate ühendite, nagu metalloproteiinide, kui ka tehislikult organismi viidud metallide ja nende ühendite uurimist. Paljud bioloogilised protsessid, näiteks hingamine, sõltuvad molekulidest, mis kuuluvad anorgaanilise keemia valdkonda. Samas kasutatakse metalle ka meditsiinis nii ravimite, diagnostiliste vahendite kui ka mürkidena.[1]

Biokeemia ja anorgaanilise keemia vahepealse teadusharuna aitab bioanorgaaniline keemia mõista nii elektron-ülekande valkude, substraadi sidumise ja molekuli aktivatsiooni, aatomi või rühmaülekandeprotsesse kui ka metallide omadusi biokeemias.

Elusorganismide koostis[muuda | muuda lähteteksti]

Imetajad koosnevad peamiselt vesiniku-, hapniku-, süsiniku-, lämmastiku-, fosfori- ja väävliaatomitest, mida nimetatakse põhielementideks. Lisaks on olulised ka biofunktsionaalsed ioonid (Na+, K+, Mg2+, Ca2+ ja Cl-) ning mikroelemendid (boor, räni, seleen, jood, vanaadium, kroom, mangaan, raud, koobalt, tsink, kaadmium, molübdeen ja volfram). Süsinikust, vesinikust, hapnikust ja lämmastikust koosnevad neljast biomolekulide põhiklassist kolm: valgud, lipiidid ja süsivesikud. Viimasesse nukleiinhapete klassi kuuluvad molekulid sisaldavad lisaks süsinikule, vesinikule, hapnikule ja lämmastikule ka fosforit.[2] 30% kõikidest valkudest on metalloproteiinid ehk sisaldavad vähemalt ühte anorgaanilist elementi.[3]

Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

1910ndate alguses sai tuntuks süüfilise ravim salvarsaan, mis on organoarseeniline ühend. Selle ainega tõestati metallide tähtsus meditsiinis. Salvarsaanile järgnes cis-plaatina kui vähiravimi avastamine Barnett Rosenbergi poolt. Ka esimene kristalliseeritud valk oli metalloproteiin ureaas, mille aktiivtsentris on nikliaatom.

Bioanorgaanilise keemia temaatikad[muuda | muuda lähteteksti]

Mitu bioloogilist süsteemi kuulub ka bioanorgaanilise keemia uurimisvaldkonda. Olulisemad valdkonnad on:

Metalliioonide transport ja hoiustamine[muuda | muuda lähteteksti]

See teema hõlmab ioonkanaleid, ioonpumpasid (nt Na+/K+-ATPaas), vakuoole, siderofoore ja teisi valke ning väikeseid molekule, mis reguleerivad metalliioonide kontsentratsiooni rakkudes. Üks suuremaid probleeme organismidele on osade metaboolselt vajalike metallide omandamine, kuna nende lahustuvus on väike või on organismis neid vähe. Selliste elementide omastamiseks ja transportimiseks on evolutsiooni käigus tekkinud mitmeid strateegiaid.

Kobalamiin

Ühe kindla oksüdatsiooniastmega hüdraatunud metalliioonide (nt Na+, K+, Mg2+, Ca2+) transport on lihtne, kuna need lahustuvad hästi ning organismis leidub neid palju. Tsingiioon saab samuti esineda ainult ühes oksüdatsiooniastmes Zn2+ kujul, aga selle kontsentratsioon on võrreldes eelnevalt mainitud ioonidega madalam ning see on kõrgema pH väärtuse juures mittelahustuv. Seega tuleb tsingi transportimiseks siduda see kõrge afiinsusega happelises keskkonnas. Mõned siirdemetallid, näiteks mangaan, koobalt ja nikkel, esinevad mitmes oksüdatsiooniastmes, kuid kõige stabiilsemad on nad oksüdatsiooniastmes +2 ning transportimine toimub sarnaselt tsingiga. Koobalt esineb B12-vitamiini koostises, seega on lihtne koobaltit transportida B12-vitamiinina. Sellistel juhtudel pole aga metalli oksüdatsiooniaste üheselt määratav. Siirdemetalle nagu vanaadiumit, molübdeeni ja volframit leidub hapnikurikkas keskkonnas oksüanioonidena (VO4 3-,MoO4 2-,WO4 2-), mida aluselises keskkonnas saab transportida sarnaselt fosfaat- ja sulfaatioonidega. Toksilised metalliioonid nagu kaadmium ja plii võivad siseneda aga transporterite kaudu, mis on mõeldud bioaktiivsete ioonide transpordiks. Näiteks Fe2+ iooni transporteri Dmt1 kaudu saavad rakku siseneda ka Cd2+ ja Pb2+ ioonid.[4]

Ensümoloogia[muuda | muuda lähteteksti]

Ensüümid on biokatalüsaatorid, mis kiirendavad keemilisi reaktsioone ning taastuvad pärast reaktsiooni endisel kujul. Elussüsteemides toimuvad peaaegu kõik keemilised reaktsioonid ensüümide osalusel. Paljude ensüümide aktiivtsentris on metalliioonid või metalliioonide akvakompleksid.

Metalle sisaldavad elektronülekandevalgud on levinud. Neid saab jagada kolme suurde klassi: raud-väävel valgud (näiteks rubredoksiin, ferredoksiin ja Rieske valgud), sinised vase valgud ja tsütokroomid. Need elektronülekandevalgud täiendavad mittemetallisi elektronitransportereid nagu nikotiinamiidadeniindinukleotiidi (NAD) ja flaviinadeniindinukleotiidi (FAD). Lämmastikuringe toetub laialdastele metallide redoksreaktsioonidele.

4Fe-4S klastreid kasutatakse valkudes elektronide ülekandmiseks

Hapniku transport[muuda | muuda lähteteksti]

Heem B mudel (hall on raud, sinine – lämmastik, must – süsinik, valge – vesinik, punased on hapniku aatomid)

Aeroobne elu kasutab ulatuslikult selliseid metalle nagu raud, vask ja mangaan. Kõige tuntum metalliaatomit sisaldav süsteem bioloogias on heem, mida leidub punastes verelibledes hemoglobiini koostises ning mida kasutatakse hapniku transpordiks. Teised hapniku transpordi süsteemid sisaldavad müoglobiini, hemotsüaniini ja hemerütriini.

Oksüdaasid ja oksügenaasid on metalle sisaldavad ensüümid, mis viivad läbi olulisi redoksreaktsioone, näiteks energia tootmine tsütokroom c oksüdaasis, kasutades oksüdeerijana hapnikku. Evolutsiooni käigus on välja kujunenud ka hapniku kahjulikke mõjusid pärssivad ensüümid, mis sisaldavad metalle ning lagundavad hapnikust tekkivaid radikaale, näiteks vesinikperoksiidi. Sellised ensüümid on näiteks peroksüdaasid, katalaasid ja superoksiidi dismutaasid.

Lisaks eelmainitud metalloproteiinidele, mis reageerivad hapnikuga, on hapnikuringega seotud veel hapnikku vabastav kompleks. See esineb taimedes fotosüsteem II koosseisus ning on osa keerulisest mehhanismist, mis taimedes fotosünteesi käigus toodab hapnikku. Selle tuumaks on Mn4Ca1OxCl1–(HCO3)y, mis saab esineda viies vaheolekus, kusjuures kõigi olekute peale kokku esineb mangaan neljas osküdatsiooniastmes.[5] 

Biometallorgaaniline keemia[muuda | muuda lähteteksti]

Bioorganometallisele süsteemile on omased metall-süsiniksidemeid nii struktuurielementidena kui ka vaheühenditena. Bioorganometalliste ensüümide ja valkude hulka kuuluvad hüdrogenaasid, FeMo-kofaktor (FeMoco) nitrogenaasis ja metüülkobalamiin on looduslikult esinevad metallorgaanilised ühendid. See ala on keskendunud metallide kasutamise uurimisele ainuraksetes organismides. Biometallorgaanilised ühendid on väga oluline osa keskkonnakeemiast.[6]

Metallid meditsiinis[muuda | muuda lähteteksti]

Mitmed ravimid sisaldavad metalle. Et selliseid ravimeid kasutusele võtta, tuleb kasutada bioanorgaanilise keemia meetodeid, mis aitavad mõista metallide rolli organismis ning sellele tuginedes disainida uusi ravimeid. Ravimid võivad sisaldada metalle või mõjutada metalliioonidega ensüümide aktiivtsentreid.

Cis-plaatina struktuur

Kasutatuim vähivastane ravim on cis-plaatina, mida kasutatakse paljude vähitüüpide puhul ning mida süstitakse patsiendi verre. Cis-plaatina häirib DNA replikatsiooni ning sellepärast tapab kiiremini jagunevad rakud. Vähirakud jagunevad kiiremini kui terved rakud ja seega mõjutab Cis-plaatina neid rohkem. Pärast manustamist vahetatakse üks kahest kloriidist vee vastu ja saadakse akvakompleks cis-[PtCl(NH3)2(H2O)]+. Kloriidi dissotsieerumine on soositud raku sees, sest raku sees on kloriidiooni kontsentratsioon ainult 3–20% kloriidi kontsentratsioonist rakuvälises keskkonnas.[7][8] Ligandne vesi cis- -[PtCl(NH3)2(H2O)]+ kompleksis on kergesti vahetatav DNAs N-heterotsüklilise aluse vastu. Kõige paremini seondub guaniin. Pärast [PtCl(guaniin-DNA)(NH3)2]+ moodustumist vahetub välja ka teine klooriaatom ning DNAs võivad tekkida ristsidemed.[9] Cis-plaatina ristseob DNA mitmel erineval moel ning häirib sellega rakkude jagunemist. Kahjustatud DNA kutsub esile DNA parandamise mehhanismid ning kui parandus osutub võimatuks, aktiveerub apoptoos ehk programmeeritud rakusurm.[10]

Lisaks cis-plaatinale kasutatakse tänapäeva meditsiinis paljusid muid metalle ja nende ühendeid. Veel näited metallidest, mida meditsiinis kasutatakse[4]:

  • Tsink – saab kasutada paikselt haavade raviks ja herpese raviks.
  • Hõbe – kasutatakse nakkuse vältimiseks põletushaavade korral.
  • Antimon – kasutatakse põletikuliste nahahaiguste nagu näiteks akne raviks.
  • Tehneetsium – levinuim radioaktiivne isotoop, mida kasutatakse radioaktiivse markerina.
  • Erbium (III), raud (III), mangaan (II) – magnetresonantstomograafias kasutatavad kontrastained.
  • Koobalt (III) – vähi raviks bleomütsiini koostises.
  • Liitium – Li2CO3 kasutatakse bipolaarse häire raviks.
  • Kuld – Au soolade komplekse kasutatakse reumatoidartriidi raviks.

Keskkonnakeemia[muuda | muuda lähteteksti]

Metüülelavhõbeda 3D-mudel, halli värvi on elavhõbeda, valget värvi on vesiniku- ja musta värvi on süsinikuaatomid

Keskkonnakeemia traditsiooniline huvi on raskmetallide toksilise mõju uurimine. Arseenimürgistus on laialt levinud probleem, mis tuleneb enamasti põhjavee saastumisest ning mõjutab miljoneid arengumaade elanikke. Elavhõbedat ja arseeni sisaldavate ühendite metabolism hõlmab B12-vitamiinil ehk kobalamiinil põhinevat ensüümi. 1956. aastal Jaapanis avastati Minamata haigus, mille põhjustajaks oli elavhõbedamürgitus. Minamata lahe lähedal avati keemia tehas, mis kasutas etanaali tootmiseks katalüsaatorina metüülelavhõbedat. Sellist tootmisviisi kasutati 36 aastat ning kogu reovesi juhiti Minamata lahte. Metüülelavhõbe on väga mürgine kemikaal, mis bioakumuleerub. Metüülelavhõbe jõudis inimeste organismi merikarpide ja kalade kaudu, mis oli kohalike elanike põhitoiduallikaks. Minamata haiguse sümptomiteks on ataksia, tuimus kätes ja jalgades, üldine nõrkus, perifeerse nägemise kadu ning kuulmise ja kõne kahjustused. Äärmuslikes olukordades võib nädal pärast sümptomite teket järgneda hullumeelsus, halvatus, kooma ja surm. Minamata haigusse oli 2001. aasta märtsi seisuga haigestunud 2265 inimest, kellest 1784 (78,8%) oli surnud.[11]

Biomineralisatsioon[muuda | muuda lähteteksti]

Biomineralisatsioon on protsess, mille käigus elusorganismid toodavad mineraale, sageli selleks, et muuta tugevamaks või jäigemaks olemasolevaid kudesid. Sellised kudesid kutsutakse mineraliseerunud kudedeks.[12][13][14] Näiteks moodustavad vetikad silikaate, selgrootud karbonaate ning selgroogsed kaltsiumifosfaate ja karbonaate. Bakterid aga hoiustavad mineraalides näited vaske, rauda ja kulda. Bioloogiliselt moodustunud mineraalid on sageli eriotstarbelised, nagu näiteks magnetandurid magnetotaktilistes bakterites (Fe3O4), gravitatsioonisensorid (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ja on raua ladestamiseks mõeldud (Fe2O3 • H2O valgu ferritiin). Kuna rakuvälises keskkonnas on raud tugevalt seotud lupjumise esilekutsumisega, on raua regulatsioon hädavajalik karpide normaalseks moodustumiseks. Valk ferritiin mängib olulist rolli raua jaotumise kontrollimisel ja selle kaudu karpide moodustumisel.[15][16][17][18]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, Principles of Bioinorganic Chemistry, University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5
  2. Biokeemia: lühikursus, John L. Tymoczko, Jeremy M. Berg, Lubert Stryer, TTÜ Kirjastus, 2016, ISBN 9949239311, ISBN 9789949239313
  3. Rosenzweig AC (2002) Metallochaperones: Bind and deliver. Chem Biol 9:673–677
  4. 4,0 4,1 Dieter Rehder. "Introduction to Bioinorganic Chemistry". 2008. Vaadatud 21.01.2017.
  5. Abstract : Manganese: The Oxygen-Evolving Complex & Models1 : Encyclopedia of Inorganic Chemistry : Wiley InterScience
  6. Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., toim. (2010). Organometallics in Environment and Toxicology. Metal Ions in Life Sciences 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1. 
  7. Wang, Dong; Lippard, Stephen J. (2005). "Cellular processing of platinum anticancer drugs". Nature Reviews Drug Discovery 4 (4): 307–320. ISSN 1474-1776. doi:10.1038/nrd1691. 
  8. Johnstone, Timothy C.; Suntharalingam, Kogularamanan; Lippard, Stephen J. (2016). "The Next Generation of Platinum Drugs: Targeted Pt(II) Agents, Nanoparticle Delivery, and Pt(IV) Prodrugs". Chem. Rev. 116: 3436–3486. doi:10.1021/acs.chemrev.5b00597. 
  9. Trzaska, Stephen (2005). "Cisplatin". Chemical & Engineering News 83 (25). 
  10. Pruefer, F. G.; Lizarraga, F.; Maldonado, V.; Melendez-Zajgla, J. (2008). "Participation of Omi HtrA2 serine–protease activity in the apoptosis induced by cisplatin on SW480 colon cancer cells". J. Chemother. 20 (3): 348–54. PMID 18606591. doi:10.1179/joc.2008.20.3.348. 
  11. Official government figure as of March 2001. See "Minamata Disease: The History and Measures, ch2"
  12. Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, toim. (2008). Biomineralization: From Nature to Application. Metal Ions in Life Sciences 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2. 
  13. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). On biomineralization. Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 0-19-504977-2. 
  14. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). Biominerals and fossils through time. Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1. 
  15. "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". J Histochem Cytochem 11 (6): 799–803. 1963. doi:10.1177/11.6.799. 
  16. Schulz, K.; Zondervan, I.; Gerringa, L.; Timmermans, K.; Veldhuis, M.; Riebesell, U. (2004). "Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification.". Nature 430 (7000): 673–676. Bibcode:2004Natur.430..673S. PMID 15295599. doi:10.1038/nature02631. 
  17. Anghileri, L. J.; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron". Experimental and Toxicologic Pathology 45 (5–6): 365–368. PMID 8312724. doi:10.1016/S0940-2993(11)80429-X. 
  18. Jackson, D. J.; Wörheide, G.; Degnan, B. M. (2007). "Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions". BMC Evolutionary Biology 7: 160. PMC 2034539. PMID 17845714. doi:10.1186/1471-2148-7-160.