Bioanorganische Chemie
Die bioanorganische Chemie untersucht die Rolle von Metallen in der Biologie. Sie untersucht auch natürliche Phänomene wie das Verhalten von Metalloproteinen und künstlich eingeführten Metallen in Medizin und Toxikologie. Viele biologische Prozesse wie die Atmung hängen von einigen anorganischen Molekülen ab. Zur bioanorganischen Chemie gehört auch das Studium anorganischer Modelle oder Nachahmungen, die die Funktionsweise von Metalloproteinen imitieren.
Es ist eine Mischung aus Biochemie und anorganischer Chemie. Die bioanorganische Chemie untersucht die Auswirkungen von Elektronentransferproteinen, Substratbindungen und -aktivierung, Atom- und Gruppenchemie sowie Metalleigenschaften auf die Biologie.
Geschichte
Paul Ehrlich verwendete Organoarsene ("Arsenika") zur Behandlung der Syphilis. Dies zeigte die Relevanz von Metallen, oder zumindest von Metalloiden, für die Medizin. Dann entdeckte Rosenberg die krebshemmende Wirkung von Cisplatin (cis-PtCl2(NH3)2). Das erste Protein, das jemals kristallisiert wurde, war Urease. Diese hat Nickel an ihrem aktiven Zentrum. Vitamin B12, das Heilmittel für perniziöse Anämie, wurde durch die Kristallographie von Dorothy Hodgkin gezeigt, dass es ein Kobaltatom in einem Corrin-Makrozyklus besitzt. Die Watson-Crick-Struktur für DNA zeigte die strukturelle Schlüsselrolle, die phosphathaltige Polymere spielen.
Forschungsgebiete
Einige Interessensgebiete in der Forschung sind:
- Transport und Speicherung von Metallionen: Dies umfasst eine vielfältige Sammlung von Ionenkanälen, Ionenpumpen (z.B. NaKATPase), Vakuolen, Siderophoren und anderen Proteinen und kleinen Molekülen, deren Ziel es ist, die Konzentration von Metallionen in der Zelle (manchmal als Metallom bezeichnet) sorgfältig zu kontrollieren.
- Hydrolase-Enzyme: Dazu gehört eine vielfältige Sammlung von Proteinen, die mit Wasser und Substraten interagieren. Beispiele für diese Klasse von Metalloproteinen sind Kohlensäureanhydrase, Metallophosphatasen und Metalloproteinasen.
- Metallhaltige Elektronentransferproteine:
- Eisen-Schwefel-Proteine wie Rubredoxine, Ferredoxine und Rieske-Proteine
- blaue Kupferproteine
- Zytochrome
- Sauerstofftransport- und Aktivierungsproteine: Diese machen Gebrauch von Metallen wie Eisen, Kupfer und Mangan. Häm wird von den roten Blutkörperchen in Form von Hämoglobin für den Sauerstofftransport genutzt. Andere Sauerstofftransportsysteme sind Myoglobin, Hämocyanin und Hämerythrin. Oxidasen und Oxygenasen sind in der Natur vorkommende Metallsysteme, die den Sauerstoff zur Durchführung wichtiger Reaktionen wie der Energiegewinnung nutzen. Einige Metalloproteine sind dazu bestimmt, ein biologisches System vor den potenziell schädlichen Auswirkungen von Sauerstoff und anderen reaktiven sauerstoffhaltigen Molekülen wie Wasserstoffperoxid zu schützen. Ein komplementäres Metalloprotein zu denen, die mit Sauerstoff reagieren, ist Chlorophyll, die Grundlage der Photosynthese. Chlorophyll ist ein Kohlenstoff-Ringpigment, ähnlich wie andere Porphyrin-Pigmente wie Häm. In der Mitte des Chlorringes befindet sich ein Magnesiumion. Dieses System ist Teil der komplexen Proteinmaschinerie, die bei der Photosynthese der Pflanzen Sauerstoff produziert.
- Bioorganometallische Systeme wie Hydrogenasen und Methylcobalamin sind biologische Beispiele für organometallische Verbindungen. Dieser Bereich konzentriert sich mehr auf die Nutzung von Metallen durch einzellige Organismen. Bioorganometallische Verbindungen sind in der Umweltchemie von Bedeutung.
- Die Stoffwechselwege des Stickstoffs: Diese machen Gebrauch von Metallen. Die Nitrogenase ist eines der bekannteren Metalloproteine, die mit dem Stickstoffmetabolismus verbunden sind. In jüngerer Zeit wurde die kardiovaskuläre und neuronale Bedeutung von Stickstoffmonoxid untersucht, einschließlich des Enzyms Stickstoffmonoxid-Synthase. (Siehe auch: Stickstoffassimilation).
- Metalle in der Medizin: Hier geht es um die Untersuchung des Aufbaus und des Wirkmechanismus von metallhaltigen Arzneimitteln und Verbindungen, die mit endogenen Metallionen in den aktiven Zentren der Enzyme interagieren. Zu diesem vielfältigen Gebiet gehören die Platin- und Ruthenium-Krebsmedikamente, Chelatbildner, Gold-Arzneimittel-Chaperone und Gadolinium-Kontrastmittel.
- In der psychischen Gesundheit: Es wurden einige anorganische Verbindungen zur Behandlung bestimmter Störungen gefunden. Beispielsweise wurde Lithiumcarbonat zur Behandlung von Manie bei bipolaren Störungen verwendet.
Fragen und Antworten
F: Was ist bioanorganische Chemie?
A: Bioanorganische Chemie ist die Untersuchung der Rolle von Metallen in der Biologie sowie von natürlichen Phänomenen wie dem Verhalten von Metalloproteinen und künstlich eingeführten Metallen in der Medizin und Toxikologie. Dazu gehört auch die Untersuchung anorganischer Modelle oder Mimiken, die die Funktionsweise von Metalloproteinen nachahmen, wodurch Biochemie und anorganische Chemie miteinander verbunden werden.
F: Welche biologischen Prozesse hängen von bestimmten anorganischen Molekülen ab?
A: Viele biologische Prozesse, wie z.B. die Atmung, hängen von einigen anorganischen Molekülen ab.
F: Was wird in der bioanorganischen Chemie untersucht?
A: Die bioanorganische Chemie befasst sich mit den Auswirkungen von Elektronenübertragungsproteinen, Substratbindungen und -aktivierung, Atom- und Gruppenchemie sowie Metalleigenschaften auf die Biologie.
F: Wie verbindet die bioanorganische Chemie die Biochemie mit der anorganischen Chemie?
A: Die bioanorganische Chemie verbindet die Biochemie mit der anorganischen Chemie, indem sie organische Modelle oder Nachahmer untersucht, die die Funktionsweise von Metalloproteinen nachahmen.
F: Was sind Beispiele für natürlich vorkommende Phänomene, die von bioanorganischen Chemikern untersucht werden?
A: Beispiele für natürlich vorkommende Phänomene, die von bioanorganischen Chemikern untersucht werden, sind das Verhalten von Metalloproteinen und künstlich eingeführte Metalle in der Medizin und Toxikologie.
F: Was haben Elektronentransferproteine mit bioinorganischer Chemie zu tun?
A: Elektronenübertragungsproteine sind ein Aspekt, der von der bioinoragnischen Chemie untersucht wird, ebenso wie Substratbindungen und -aktivierung, Atom- und Gruppenchemie sowie Metalleigenschaften.
