شیمی زیستمعدنی
شیمی زیستمعدنی به مطالعه نقشهای اساسی یونهای فلزی در سیستمهای زنده میپردازد، از انتقال اکسیژن و انتقال الکترون گرفته تا کاتالیز آنزیمی و عملکرد داروهای مبتنی بر فلز.
Definition
شیمی زیستمعدنی مطالعه نقش یونهای فلزی و گونههای معدنی در سیستمهای بیولوژیکی است، از جمله ساختارها و مکانیسمهای متالوپروتئینها و متالوآنزیمها و استفاده از فلزات در پزشکی.
Scope
این حوزه عملکرد فلزات در زیستشناسی را پوشش میدهد: چگونه متالوپروتئینها و متالوآنزیمها مراکز فلزی را برای کاتالیز تنظیم میکنند، چگونه سیستمهای مبتنی بر آهن و مس اکسیژن را انتقال و ذخیره میکنند، چگونه خوشههای آهن-گوگرد و مراکز مس و هم در تنفس و فتوسنتز الکترونها را جابجا میکنند، و چگونه کمپلکسهای فلزی به عنوان دارو و ابزارهای تشخیصی مورد بهرهبرداری قرار میگیرند. این رشته از شیمی کوئوردیناسیون برای تفسیر جایگاههای فلزی بیولوژیکی استفاده میکند اما بر زمینه بیولوژیکی تمرکز دارد؛ مدلهای میدان لیگاند زیربنایی خود در شیمی کوئوردیناسیون مورد بررسی قرار میگیرند.
Sub-topics
Core questions
- چرا فلزات خاصی برای نقشهای بیولوژژیکی خاص انتخاب میشوند؟
- چگونه یک محیط پروتئینی یک مرکز فلزی را برای اتصال برگشتپذیر اکسیژن یا کاتالیز تنظیم میکند؟
- چگونه سیستمهای بیولوژیکی الکترونها را به سرعت و به طور خاص در فواصل طولانی منتقل میکنند؟
- چگونه میتوان کمپلکسهای فلزی را به عنوان عوامل درمانی و تشخیصی طراحی کرد؟
Key concepts
- متالوپروتئینها و متالوآنزیمها
- مراکز آهن هم و غیرهم
- خوشههای آهن-گوگرد
- اتصال برگشتپذیر اکسیژن و همکاری
- انتقال الکترون بیولوژیکی
- متالوداروها و درمان کیلاسیون
Key theories
- حالت انتاتیک و کنترل پروتئین بر جایگاههای فلزی
- پروتئینها میتوانند یک هندسه کوئوردیناسیون تحت فشار و از نظر انرژی آماده را بر یک مرکز فلزی تحمیل کنند که واکنشپذیری آن را افزایش میدهد و خواص طیفسنجی و ردوکس غیرمعمول جایگاههایی مانند مس آبی را توضیح میدهد.
- اتصال تعاونی اکسیژن در هموگلوبین
- اتصال برگشتپذیر اکسیژن به آهن هم باعث تغییر ساختاری سوم و چهارم میشود که میل ترکیبی جایگاههای باقیمانده را افزایش میدهد و منحنی اتصال سیگموئیدی را تولید میکند که برای انتقال کارآمد اکسیژن ضروری است.
- انتقال الکترون بیولوژیکی دوربرد
- نظریه مارکوس که در مورد متالوپروتئینها به کار میرود، توضیح میدهد که چگونه الکترونها بین مراکز ردوکس در فواصل ثابت با نرخهایی که توسط نیروی محرکه و انرژی بازآرایی تنظیم میشوند، تونل میزنند و زنجیرههای انتقال الکترون تنفس و فتوسنتز را سازماندهی میکنند.
Mechanisms
متالوآنزیمها با اتصال و فعالسازی سوبستراها در یک مرکز فلزی واکنشها را کاتالیز میکنند—کوئوردینه کردن دیاکسیژن برای اکسیداسیون، قطبی کردن آب برای هیدرولیز، یا چرخه بین حالتهای اکسیداسیون برای انتقال الکترونها—در حالی که معماری پروتئین دسترسی، هندسه و پتانسیل ردوکس را کنترل میکند.
Clinical relevance
شیمی زیستمعدنی عملکرد فلزات کمیاب ضروری را توضیح میدهد و زیربنای داروهای ضدسرطان مبتنی بر پلاتین و سایر فلزات، عوامل کنتراست MRI گادولینیوم، درمان کیلاسیون برای اضافه بار آهن و مسمومیت با فلزات، و تشخیص بیماریهای مرتبط با فلزات است.
History
شیمی زیستمعدنی در اواسط قرن بیستم با آشکار شدن جایگاههای فلزی در پروتئینها توسط زیستشناسی ساختاری، که با ساختار بلوری هموگلوبین توسط پروتز آغاز شد، شکل گرفت. کشف فعالیت ضدسرطانی سیسپلاتین توسط روزنبرگ در دهه 1960 و مطالعه طیفسنجی دقیق مراکز مس و آهن توسط گری، لیپارد و دیگران، این رشته را به عنوان پلی بین شیمی معدنی و زیستشناسی تثبیت کرد.
Key figures
- Stephen Lippard
- Harry Gray
- Max Perutz
- Barnett Rosenberg
Related topics
Seminal works
- perutz1960
- lippard1994
- bertini2007
Frequently asked questions
- چرا زیستشناسی از این همه فلزات مختلف استفاده میکند؟
- فلزات مختلف پتانسیلهای ردوکس، هندسههای ترجیحی و اسیدیتههای لوئیس متفاوتی را ارائه میدهند، بنابراین آهن و مس برای انتقال الکترون و شیمی اکسیژن مناسب هستند، روی برای کاتالیز غیرردوکس و ساختار مناسب است، و منیزیم و کلسیم برای تعادل بار و سیگنالدهی مناسب هستند.
- داروهای مبتنی بر فلز مانند سیسپلاتین چگونه عمل میکنند؟
- سیسپلاتین یک کمپلکس پلاتین است که پس از از دست دادن لیگاندهای کلرید خود در داخل سلولها، به طور کووالانسی به بازهای DNA متصل شده و مارپیچ دوگانه را تغییر شکل میدهد، تکثیر را مسدود کرده و باعث مرگ سلولی میشود؛ این مرجع شیمی را توصیف میکند، نه راهنمایی درمانی را.