|
'''Bioanorgaaniline keemia''' uurib metallide rolli bioloogias. See koosnebhõlmab nii naturaalselt organismiorganismis olevaid olevatestühendeid, nagu metalloproteiinid, kui ka tehislikusttehislikult organismi viidud metallide ja nende ühendite uurimisest. Paljud bioloogilised protessidprotsessid, nagu näiteks hingamine, sõltuvad molekulidest, mis kuuluvad anorgaanilise keemia valdkonda. Samas kasutatakse metalle ka meditsiinis nii ravimite, diagnoosimisvahenditenadiagnostiliste vahendite kui ka mürkidena. <ref>Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, ''Principles of Bioinorganic Chemistry'', University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5</ref>
Biokeemia ja anorgaanilise keemia segunavahpealse teadusharuna, aitab bioanorgaanilisebioanorgaaniline keemia mõista nii elektron-ülekande valkude, substraadi sidumise ja molekuli aktivatsiooni, aatomi või rühma ülekande protsesserühmaülekandeprotsesse kui ka metallide omadusi biokeemias.
==Elusorganismide koostis==
Imetajad koosnevad peamiselt vesinikustvesiniku-, hapnikusthapniku-, süsinikustsüsiniku-, lämmastikustlämmastiku-, fosforistfosfori- ja väävlistväävliaatomitest, mida nimetatakse põhielemendideks. Lisaks on olulised ka biofunksionaalsed ioonideioonid (naatriumNa+, magneesiumMg2+, kaaliumK+, kaltsiumCa2+ ning kloorCl-) ning mikroelemendid (boor, räni, seleen, jood, vanaadium, kroom, mangaan, raud, koopalt, tsink, kaadmium, molübdeen ja wolframinwolfram). Süsinikust, vesinikust ja lämmastikust koosnevad kolm neljast biomolekulide põhiklassist: valgud, lipiidid ja süsivesikud. Viimane klass, nukleiinhapped koosnevad fosforist, hapnikust ja vesinikust. <ref> Biokeemia: lühikursus, John L. Tymoczko, Jeremy M. Berg, Lubert Stryer, TTÜ Kirjastus, 2016, ISBN-10: 9949239311, ISBN-13: 9789949239313</ref>
30 % aga kõikidest valkudest on metalloproteiinid ehk sisaldavad vähemalt ühte anorgaanilist elementi <ref>Rosenzweig AC (2002) Metallochaperones: Bind and deliver. Chem Biol 9:673–677</ref>.
==Ajalugu ==
1910ndadte alguses sainsai tuntuks süüfilise ravim Salvarsan, mis on organoarseeniline ühend. Selle ainega tõestati metallide tähtsus meditsiinis. Salvarsanile järgnes cisplatina, kui vähiravimi avastamine Rosenbergi poolt. SammutiKa esimene kristalliseeritud valk oli metalloproteiin, milleks oli ureaas, millelmille aktiivsestsentris on nikkelnikkli aktiivsestsentrisaatom.
==Bioanorgaanilise keemia teematikad ==
Mitu erinevat bioloogilist süsteemi kuuluvad ka bioanorgaanilise keemia uurimisvaldkonda. Olulisemad valdkonnad on:
Mitmeid erinevaid süsteeme on identifitseeritavad bioanorgaanilised keemia, olulisemate valdkondade hulka kuuluvad:
=== Metalliioonide transport ja hoiustamine ===
See teema hõlmab erinevaid ioonkanaleid, ioon pumbasidioonpumpasid (nt NaKATPase), vakuoole, siderofoore ja teisi valke ning väikeseid molekule, mis kontrollivadreguleerivad metalliioonide kontsentratsioonkontsentratsiooni rakkudesserakkudes. Üks suurimad probleeme on see, et paljud metallid, midaorganismidele on metaboolselt vajavajalike eimetallide ole kergesti kättesaadavomandamine, kuna nende lahustuvus on halbväike või on organismis on sedaneid vähe. Selliseid elemendite kogumiseksomandamiseks ja nende transportimiseks on organismidevolutsiooni väljakäigus arendanudtekkinud mitmeid strateegiaid.
Hüdraatunud üheÜhe kindla oksüdatsiooniastmega hüdraatunud metalliioonide(nt. Na<sup>+</sup> , K<sup>+</sup>, Mg<sup>2+</sup>, Ca<sup>2+</sup>) transport on lihtne, kuna need lahustuvad hästi ning organismis leidub neid palju. TsingilTsingiioon onsaab kasamuti üksesineda oksüdatsioonilaste,ainult milleksühes onoksüdatsioonilastmes Zn<sup>2+</sup> kujul, aga sedaselle kontsentratsioon on paljuvõrreldes vähemeelnevalt mainitud ioonidega madalam ning kõrgemalsee on kõrgema pH onväärtuse lahustumatu,juures mittelahustuv. niiSeega tuleb tsingi transportimiseks siduda see kõrge afiinsusega happelises keskkonnas. Mõned poolmetallid nagu mangaan, koobalt, ja nikkel esinevad aga mitmes oksüdatsiooniastmes, kuid oksüdatsioonilastekõige kaksstabiilsemad on neilnad kõigeteises stabiilsemoksüdatsiooniastmes ning transportimine toimub sarnaselt tsingile. Koobalt esineb aga vitamiin B<sup>12</sup> koostises, seega on lihtne koobaltit transportida vitamiin B<sup>12</sup> -na. OnSellistel agajuhtudel ebaselgepole millineaga onmetalli sellisteloksüdatsioonilaste juhtuleüheselt metalli oksüdatsioonilastemääratav. Poolmetallid nagu vanaadiumi, molübdeeni ja volframini leidub hapnikuhapnikurikkas rikastes kohtadeskeskkonnas oksüanioonidena (VO<sub>4</sub> <sup>3-</sup>,MoO<sub>4</sub> <sup>2-</sup>,WO<sub>4</sub> <sup>2-</sup>), mida aluselises keskkonnas saab transportida sarnaselt fosfaat - ning sulfaat ioonidelesulfaatioonidele. Toksilisi metalliioone nagu kaadmium ja plii võivad siseneda aga transporteride kaudu, mis on mõeldud bioaktiivsete ioonide transpordiks. Näiteks Fe<sup>2+</sup> iooni transporterittransporteri Dmt1, kasutavadkaudu saavad rakku siseneda ka Cd<sup>2+</sup> ja Pb<sup>2+</sup> ioonid , et rakku siseneda. ▼
▲Hüdraatunud ühe kindla oksüdatsiooniastmega metalliioonide(nt. Na<sup>+</sup> , K<sup>+</sup>, Mg<sup>2+</sup>, Ca<sup>2+</sup>) transport on lihtne, kuna need lahustuvad hästi ning organismis leidub neid palju. Tsingil on ka üks oksüdatsioonilaste, milleks on Zn<sup>2+</sup>, aga seda on palju vähem ning kõrgemal pH on lahustumatu, nii tuleb tsingi transportimiseks siduda kõrge afiinsusega happelises keskkonnas. Mõned poolmetallid nagu mangaan, koobalt, ja nikkel esinevad aga mitmes oksüdatsiooniastmes, kuid oksüdatsioonilaste kaks on neil kõige stabiilsem ning transportimine toimub sarnaselt tsingile. Koobalt esineb aga vitamiin B<sup>12</sup> koostises, seega on lihtne koobaltit transportida vitamiin B<sup>12</sup> -na. On aga ebaselge milline on sellistel juhtule metalli oksüdatsioonilaste. Poolmetallid nagu vanaadiumi, molübdeeni ja volframini leidub hapniku rikastes kohtades oksüanioonidena (VO<sub>4</sub> <sup>3-</sup>,MoO<sub>4</sub> <sup>2-</sup>,WO<sub>4</sub> <sup>2-</sup>), mida aluselises keskkonnas saab transportida sarnaselt fosfaat ning sulfaat ioonidele. Toksilisi metalliioone nagu kaadmium ja plii võivad siseneda aga transporteride kaudu, mis on mõeldud bioaktiivsete ioonide transpordiks. Näiteks Fe<sup>2+</sup> iooni transporterit Dmt1, kasutavad ka Cd<sup>2+</sup> ja Pb<sup>2+</sup> ioonid, et rakku siseneda.
=== Ensümoloogia===
Ensüümid on biokatalüsaatorid, mis mõjutavadkiirendavad keemilisi reaktsioone ilmaning reagentidegataastuvad püsivaidpärast seoseidreaktsiooni moodustamataendisel ningkujul. elussüsteemidesElussüsteemides toimuvad peaaegu kõik keemilised reaktsioonid ensüümide osalusel. Paljude ensüümide aktiivtsentris on metalliioonid või metalliioonide akvakompleksid. Näiteiks hüdrolüaas ensüümid on karboanhüdraasi, metallophosphatases ja metallproteinaas. Bioanorgaanilised keemikudBioanorgaanikud püüavad mõista ja korrata metalloproteiinidele funktsioone.
Metalle sisaldavad elektronideelektronülekande ülekande valgudvalkud on levinud. Neid saab jagatudjagada kolme suurde klassi: raud-väävel valgud (näiteks rubredoxins, ferredoxins ja Rieske valgud), sininedsinised vase valkudvalgud ja tsütokroomid. Need elektrontranspordi valgudelektronülekandevalgud täiendavad mittemetallisi elektronitransportereid nagu nikotiinhappeamiidadeniindinukleotiidi (NAD) ja flaviinadeniindinukleotiidi (FAD). LämmastikuringetLämmastikuringe toetub laialdast metallide redoksreaktsioonidele.
=== Hapniku transport ===
[[Image:Haem-B-3D-vdW.png|thumb|right|200px| heem B mudel, hall on raud iron, sinine on lämmastik, must süsninik, valge on vesinik, punased on hapniku aatomid]]
Aeroobne elu kasutab ulatuslikult metalle nagu raud, vask ja mangaan. Kõige tuntum metallmetalli aatomit sisaldav süsteem bioloogias on heem, mida leidub punastes vererakkudeverelibledes hemoglobiini kujul ning mida kasutatakse hapniku transportiks. Teised hapniku transpordi süsteemidtranspordisüsteemid sisaldavad müoglobiini, hemotsüaniinhemotsüaniini.
OksüdaasideksOksüdaasid ja oksügenaasid on metallisedmetalle süsteemid,sisaldavad mis kasutavad ära hapnikuensüümid, et läbi viia olulisi reaktsiooneredoksreaktsioone nagu energia tootmine tsütokroom c oksüdaasis. Looduskasutades onoksüdeerijana agahapnikku. kaEvolutsiooni arvestanudkäigus hapnikuon kahjulevälja mõjudega,kujunenud ningka mõnedhapniku metalloproteiinidkahjulikku onmõju hapnikupärssivad jametalle teiste reaktiivsete hapnikusisaldusegasisaldavad molekulidensüümid, nagumis näitekslagundavad vesinikperoksiid,hapnikust tekkivaid kahjulikeradikaale mõjudenäiteks eest kaitseks mõeldudvesinikperoksiidi. NeedSellides süsteemidensüümid sisaldavadon näiteks peroksidaasid, katalaasidekatalaasid ja superoksiidi dismutasesdismutaasid.
Lisaks eelmainitud metalloproteinmetalloproteiinidele, mis reageerivad hapnikuga on veel hapniku vabastav kompleks, mis esinevad taimedes ning on osa keerulisest mehhanismist, mis taimedes fotosünteesi käigus toodab hapnikku. Selle tuumaks on Mn<sub>4</sub>Ca<sub>1</sub>O<sub>x</sub>Cl<sub>1–2</sub>(HCO<sub>3</sub>)<sub>y</sub> ning mis esineb viies erinevas oksüdatsiooniastmes. <ref>[http://mrw.interscience.wiley.com/emrw/9780470862100/eic/article/ia128/current/abstract Abstract : Manganese: The Oxygen-Evolving Complex & Models1 : Encyclopedia of Inorganic Chemistry : Wiley InterScience<!-- Bot generated title -->]</ref>
=== Biometallorgaaniline keemia ===
Bioorganometallisele süsteemile on omased metall-süsinik sidemeid nii struktuurielemendena kui ka vaheühenditena. Bioorganometalliste ensüümide ja valkude hulka kuuluvad hüdrogenaasid, FeMoco nitrogenaasi ja metüükobalamiini, need on looduslikult esinevate metallorgaanilisi ühendeid. See ala on keskendunud metallide kasutamise uurimisel ainuraksetes organismides. Biometallorgaanilised ühendid on väga oluline osa keskkonnakeemiast. <ref>{{cite book |editor-last=Sigel |editor-first=A. |editor2=Sigel, H. |editor3=Sigel, R.K.O. |title=Organometallics in Environment and Toxicology|publisher=RSC publishing|location=Cambridge|year=2010|series=Metal Ions in Life Sciences|volume=7|isbn=978-1-84755-177-1}}</ref>
=== Metallid meditsiinis ===
Mitmed ravimid sisaldavad metalle,. etEt agaselliseid ravimeid kasutusele võtta selliseid ravimeid tuleb kasutada bioanorgaanilistbioanorgaanilise keemiat.keemia meetodeid, Mismis aitabaitavad mõista metallide rolli organismis ning selle tuginedes disainida uusi ravimeid. RavimeidRavimid võivad sisaldada metalle või mõjutada metalliioonidega ensüümide aktiivtsentreid.
[[File:Cisplatin-stereo.svg|thumb|Cisplatin-stereo|Figure 2. Cis-platina struktuur]]
Enimkasutatud vähivastane ravim on cis-platina, mida kasutatakse paljude erinevate vähi liikidevähiliikide puhul ning mida süstitakse patsiendi verre. Cis-platina häirib DNA replikatsiooni ning see tapab kiiremakiiremini jagunemisegajagunevad rakud. Teoorias kantserogeensed rakudVähirakud jagunevad kiiremini kui terved rakud ja niiseega on neil suurem tõenäosus saadamõjutab Cis-platinastplatina mõjutatudneid saadarohkem. Pärast manustamist üks kahest kloriidikloriidist vahetatakse vee vastu ja saadakse akvakompleks cis-[PtCl(NH<sub>3</sub>)<sub>2</sub>(H<sub>2</sub>O)]<sup>+</sup>. Kloriidi dissotsieeriminedissotsieerumine on soositud raku sees, sest rakusisese kloriidi kontsentratsioon on ainult 3-20% kloriidi ekstratsellulaarseskontsentratsioonist vedelikusrakuvälises kloriidi kontsentratsioonistkeskkonnas. <ref name="WangLippard2005">{{cite journal|last1=Wang|first1=Dong|last2=Lippard|first2=Stephen J.|title=Cellular processing of platinum anticancer drugs|journal=Nature Reviews Drug Discovery|volume=4|issue=4|year=2005|pages=307–320|issn=1474-1776|doi=10.1038/nrd1691}}</ref><ref>{{cite journal|first1=Timothy C. |last1=Johnstone |first2=Kogularamanan |last2=Suntharalingam |first3=Stephen J. |last3=Lippard |title=The Next Generation of Platinum Drugs: Targeted Pt(II) Agents, Nanoparticle Delivery, and Pt(IV) Prodrugs |journal=[[Chem. Rev.]]|date= 2016 |volume =116 |page= 3436–3486| DOI=10.1021/acs.chemrev.5b00597}}</ref> Ligandne vesi cis- -[PtCl(NH<sub>3</sub>)<sub>2</sub>(H<sub>2</sub>O)]<sup>+</sup> on kergesti vahetatav DNAs N-heterotsüklilise aluse vastu. Kõige paremini seondub Guaniinguaniin. Pärast [PtCl(guaniin-DNA)(NH<sub>3</sub>)<sub>2</sub>]<sup>+</sup> moodustumist võivad tekkida ristsidemed kui välja vahetatakse teine kloriid. <ref name = trzaska>{{cite journal | url = http://pubs.acs.org/cen/coverstory/83/8325/8325cisplatin.html | title = Cisplatin | first= Stephen|last= Trzaska | journal= [[Chemical & Engineering News]] | volume = 83 | issue = 25 | date = 20 June 2005}}</ref> Cis-platina ristseob DNA mitmel erineval moel ning nii häirib rakkude jagunemist. Kahjustatud DNA kutsub esile DNA parandamise mehhanismid, mis omakorda aktiveerivad apoptoosi, kui parandus osutub võimatuks. <ref name="pmid18606591">{{cite journal | last1= Pruefer |first1=F. G. |last2=Lizarraga |first2=F. |last3=Maldonado|first3= V. |last4=Melendez-Zajgla |first4=J. | title = Participation of Omi HtrA2 serine–protease activity in the apoptosis induced by cisplatin on SW480 colon cancer cells | journal = J. Chemother. | volume = 20 | issue = 3 | pages = 348–54 | date = June 2008 | pmid = 18606591 | doi = 10.1179/joc.2008.20.3.348 }}</ref>
Lisaks Ciscis-platinale kasutatkse tänapäeva meditsiinis paljusid teiseteisi metalle ja nende ühendeid. Veel näited metallidest, mida meditsiinis kasutatakse:
*[[Tsink]]: saab kasutada paikselt haavade raviks ning Zn<sup>2+</sup>herpese saab kasutada, et ravida herpesviirustraviks.
*[[Hõbe]]: kasutatakse nakkuse vältimiseks põletus haavadepõletushaavade korral.
*[[Antimon]]: kasutatakse põletikuliste naha haiguste raviksnahahaiguste nagu näiteks akne raviks.
*[[TehnetsiumTehneetsium]]: Kõige levinum radioaktiivne isotoop, mida kasutatakse pildistamiseks
*[[Erbium|Erbiumi]] (III), [[raud]] (III), [[mangaan]] (II). Magnetresonantstomograafias kasutatavad kontrastained.
*[[Koobalt]] (III). Vähi raviks, Bleomycin koostises.
*[[Liitium]]. Li<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> kasutatakse bipolaarsusebipolaarse häire raviks.
*[[Kuld]]. Au soolade komplekse kasutatakse Reumatoidartriitireumatoidartriidi raviks
=== Keskkonnakeemia ===
Keskkonnakeemia traditsiooniliselt rõhutab raskmetallide koosmõju organismides. Metüülelavhõbe on põhjustanud Minamata haigus katastroofi. Arseeni mürgistus on laialt levinud probleem, mis tuleneb enamasti põhjavee saastumise, mis mõjutab miljonid arengumaade elanikke. Elavhõbedat ja arseeni sisaldavate ühendite metabolism hõlmab B12-vitamiinil ehk kobalamiinil põhinevat ensüümi.
=== Biomineralisatsiooni ===
BiomineralisatsiooniBiomineralisatsioon on protsess, mille käigus elusorganismid tootavadtoodavad mineraale., Sagelisageli selleks, et muuta tugevamaks või jäigemaks olemasolevaid kudesid. Sellised kudesid kutsutakse mineraliseerunud kudedeks.
<ref>{{cite book |title=Biomineralization: From Nature to Application|editor=Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel|publisher=Wiley|year=2008|series=Metal Ions in Life Sciences|volume=4| isbn=978-0-470-03525-2}}</ref><ref name=Weiner1989>{{cite book |author1=Weiner, Stephen |author2=Lowenstam, Heinz A. | title=On biomineralization| publisher=Oxford University Press |location=Oxford [Oxfordshire] |year=1989 |pages= |isbn=0-19-504977-2}}</ref><ref>{{cite book|title=Biominerals and fossils through time|author1=Jean-Pierre Cuif |author2=Yannicke Dauphin |author3=James E. Sorauf |publisher=Cambridge|year=2011| isbn=978-0-521-87473-1}}</ref>
Näiteks moodustavad vetikad silikaate, selgrootud karbonaatide ning selgroogsed kaltsiumifosfaate ja karbonaadidkarbonaate. Bakterid aga hoiustavad mineraalides näited vaske, rauda ja kulda. Bioloogiliselt moodustunud mineraalid on sageli eriotstarbelised, nagu näiteks magnet anduridmagnetandurid magnetotaktilistes bakterides (Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>), gravitatsiooni sensoridgravitatsioonisensorid (CaCO<sub>3</sub>, CaSO<sub>4</sub>, BaSO<sub>4</sub>) ja raua ladustamisemõeldud ja kasutuselevõttuladustamiseks (Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> • H<sub>2</sub>O valgu ferritiin). Kuna ekstratsellulaarserakuvälises keskkonnas on raud on tugevalt seotud lubjastuminelupjumise esilekutsumisega, selleon kontrollraua onregulatsioon hädavajalik arendadakarpide kapridenormaalseks moodustamiselmoodustamiseks. Valk ferritiin mängib olulist rolli raua jaotumise kontrollimisel ja selle kaudu karpide moodustumisel. <ref>{{cite journal|url=http://www.jhc.org/cgi/content/abstract/11/6/799|vauthors=Gabbiani G, Tuchweber B |title=The role of iron in the mechanism of experimental calcification|journal= J Histochem Cytochem |year=1963|volume=11|issue=6|pages=799–803|doi=10.1177/11.6.799}}</ref> <ref>{{Cite journal| doi = 10.1038/nature02631| pmid = 15295599| year = 2004| last1 = Schulz | first1 = K.| last2 = Zondervan | first2 = I.| last3 = Gerringa | first3 = L.| last4 = Timmermans | first4 = K.| last5 = Veldhuis | first5 = M.| last6 = Riebesell | first6 = U.| title = Effect of trace metal availability on coccolithophorid calcification.| volume = 430| issue = 7000| pages = 673–676| journal = Nature |bibcode = 2004Natur.430..673S }}</ref><ref>{{Cite journal| pmid = 8312724| year = 1993| last1 = Anghileri | first1 = L. J.| last2 = Maincent | first2 = P.| last3 = Cordova-Martinez | first3 = A.| title = On the mechanism of soft tissue calcification induced by complexed iron| volume = 45| issue = 5–6| pages = 365–368| journal = Experimental and Toxicologic Pathology | doi=10.1016/S0940-2993(11)80429-X}}</ref>.<ref name='Jackson2007'>{{Cite journal | doi = 10.1186/1471-2148-7-160 | title = Dynamic expression of ancient and novel molluscan shell genes during ecological transitions | year = 2007 | last1 = Jackson | first1 = D. J. | last2 = Wörheide | first2 = G. | last3 = Degnan | first3 = B. M. | journal = BMC Evolutionary Biology | volume = 7 | pages = 160| pmid = 17845714 | pmc = 2034539 }}</ref>
== Viited ==
{{viited}}
| 