Bioanorganische chemie | bestudeert de rol van metalen in de biologie

Geschiedenis

Paul Ehrlich gebruikte organoarsenicum ("arsenicum") voor de behandeling van syfilis. Dit toonde het belang aan van metalen, of tenminste metalloïden, voor de geneeskunde. Vervolgens ontdekte Rosenberg de kankerbestrijdende werking van cisplatine (cis-PtCl₂ (NH₃ )₂ ). Het eerste eiwit dat ooit werd gekristalliseerd was urease. Dit heeft nikkel op zijn actieve plaats. Vitamine B₁₂ , het middel tegen pernicieuze anemie, bleek door kristallografie van Dorothy Hodgkin een kobaltatoom te hebben in een corrine-macrocyclus. De Watson-Crick-structuur voor DNA toonde de belangrijke structurele rol aan van fosfaathoudende polymeren.

Onderzoeksgebieden

Enkele interessante onderzoeksgebieden zijn:

• Transport en opslag van metaalionen: dit omvat een uiteenlopende verzameling van ionenkanalen, ionenpompen (bv. NaKATPase), vacuolen, sideroforen en andere eiwitten en kleine moleculen die tot doel hebben de concentratie van metaalionen in de cel zorgvuldig te regelen (soms metalloom genoemd).
• Hydrolase enzymen: deze omvatten een diverse verzameling eiwitten die een interactie aangaan met water en substraten. Voorbeelden van deze klasse van metalloproteïnen zijn koolzuuranhydrase, metallofosfatases en metalloproteïnases.
• Metaalhoudende eiwitten voor elektronenoverdracht:
• ijzer-zwavel-eiwitten zoals rubredoxines, ferredoxines en Rieske-eiwitten
• blauwkoperen eiwitten
• cytochromen
• Zuurstoftransport en activeringseiwitten: deze maken gebruik van metalen zoals ijzer, koper en mangaan. Heme wordt door rode bloedcellen gebruikt in de vorm van hemoglobine voor zuurstoftransport. Andere zuurstoftransportsystemen zijn myoglobine, hemocyanine en hemerythrine. Oxidases en oxygenases zijn metaalsystemen die overal in de natuur worden aangetroffen en die gebruik maken van zuurstof om belangrijke reacties uit te voeren, zoals het opwekken van energie. Sommige metalloproteïnen zijn ontworpen om een biologisch systeem te beschermen tegen de potentieel schadelijke effecten van zuurstof en andere reactieve zuurstofhoudende moleculen zoals waterstofperoxide. Een aanvullend metalloproteïne op die welke met zuurstof reageren is chlorofyl, de basis van fotosynthese. Chlorofyl is een koolstofringpigment, vergelijkbaar met andere porfyrinepigmenten zoals heem. In het midden van de chlorinering bevindt zich een magnesiumion. Dit systeem maakt deel uit van de complexe eiwitmachinerie die zuurstof produceert als planten fotosynthese uitvoeren.
• Biometaalsystemen zoals hydrogenasen en methylcobalamine zijn biologische voorbeelden van organometaalverbindingen. Dit gebied is meer gericht op het gebruik van metalen door eencellige organismen. Biometaalverbindingen zijn belangrijk in de milieuchemie.
• De routes van het stikstofmetabolisme: deze maken gebruik van metalen. Nitrogenase is een van de bekendere metalloproteïnen die verband houden met het stikstofmetabolisme. Meer recentelijk is het cardiovasculaire en neuronale belang van stikstofoxide onderzocht, met inbegrip van het enzym stikstofoxidesynthase. (Zie ook: stikstofassimilatie.)
• Metalen in de geneeskunde: dit is de studie van het ontwerp en het werkingsmechanisme van metaalhoudende geneesmiddelen en verbindingen die een interactie aangaan met endogene metaalionen in actieve sites van enzymen. Dit uiteenlopende gebied omvat de platina- en ruthenium-antikankergeneesmiddelen, chelaatvormers, gouden chaperones voor geneesmiddelen en gadolinium-contrastmiddelen.
• In de geestelijke gezondheidszorg: sommige anorganische verbindingen blijken bepaalde stoornissen te behandelen. Zo wordt lithiumcarbonaat gebruikt voor de behandeling van manie bij bipolaire stoornissen.

Meer lezen

• Heinz-Bernhard Kraatz (editor), Nils Metzler-Nolte (editor), 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 "Bio-organische chemie: Inorganic Elements in the Chemistry of Life." 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 en R.J.P. Williams, De biologische chemie van de elementen: De anorganische chemie van het leven, 2e editie, 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.