Bioanorgaaniline keemia

Bioanorgaaniline keemia uurib metallide rolli bioloogias. See hõlmab nii looduslikult 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. Metalle kasutatakse ka meditsiinis nii ravimite, diagnostiliste vahendite kui ka mürkidena. Biokeemia ja anorgaanilise keemia vahepealse teadusharuna aitab bioanorgaaniline keemia mõista nii elektronülekandevalke, ensüümide substraatidele seondumist ja aktivatsiooni, aatomi- ja rühmaülekandeprotsesse kui ka metallide omadusi biokeemias. Imetajad koosnevad peamiselt vesiniku-, hapniku-, süsiniku-, lämmastiku-, fosfori- ja väävliaatomitest, mida nimetatakse põhielementideks. Lisaks on olulised 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 ka fosforit. 30% kõikidest valkudest on metalloproteiinid ehk sisaldavad vähemalt ühte anorgaanilist elementi. 1910. aastate alguses sai tuntuks süüfilise ravim salvarsaan, mis on organoarseeniline ühend. See aine tõestas metallide tähtsust meditsiinis. Salvarsaanile järgnes Barnett Rosenbergi avastus cis-plaatinast kui vähiravimist. Ka esimene kristalliseeritud valk oli metalloproteiin ureaas, mille aktiivtsentris on nikliaatom. Bioanorgaanilise keemia uurimisvaldkonda kuuluvad mitmed bioloogilised süsteemid. Olulisemad uurimisalad on: See teema hõlmab ioonkanaleid, ioonpumpasid (nt Na+/K+-ATPaas), vakuoole, siderofoore ning teisi valke ja väikeseid molekule, mis reguleerivad metalliioonide kontsentratsiooni rakkudes. Organismidele oluliseks probleemiks on paljude ainevahetuses vajalike metallide omastamine, kuna nende lahustuvus on halb või neid esineb vähe. Selliste elementide omastamiseks ja transportimiseks on evolutsiooni käigus tekkinud mitmeid strateegiaid. Ühe kindla oksüdatsiooniastmega hüdraatunud metalliioonide (nt Na+, K+, Mg2+, Ca2+) transportimine on lihtne, kuna need lahustuvad hästi ning organismis leidub neid palju. Tsingiioon esineb samuti ainult ühes oksüdatsiooniastmes Zn2+ kujul, aga selle kontsentratsioon kehas on võrreldes eelnevalt mainitud ioonidega madalam ning see on kõrgema pH juures lahustumatu. Seega tuleb tsingi transportimiseks siduda see kõrge afiinsusega happelises keskkonnas. Mõned siirdemetallid, näiteks mangaan, koobalt ja nikkel, esinevad mitmes oksüdatsiooniastmes, kuid kõige stabiilsemad on need oksüdatsiooniastmes +2 ning transportimine toimub sarnaselt tsingiga. Koobalt esineb B12-vitamiini koostises, seega transporditakse teda B12-vitamiinina. Sellistel juhtudel pole aga metalli oksüdatsiooniaste üheselt määratav. Siirdemetalle nagu vanaadiumit, molübdeeni ja volframit leidub hapnikurikkas keskkonnas oksüanioonidena (VO43-,MoO42-,WO42-), mida aluselises keskkonnas saab transportida sarnaselt fosfaat- ja sulfaatioonidega. Toksilised metalliioonid nagu kaadmium ja plii võivad rakku siseneda aga transporterite kaudu, mis on mõeldud bioaktiivsete ioonide transpordiks. Näiteks Fe2+ iooni transporteri Dmt1 kaudu saavad rakku siseneda ka Cd2+ ja Pb2+ ioonid. Ensüümid on biokatalüsaatorid, mis kiirendavad keemilisi reaktsioone ning säilivad pärast reaktsiooni endisel kujul. Elussüsteemides toimuvad peaaegu kõik keemilised reaktsioonid ensüümide osalusel. Paljude ensüümide aktiivtsentris on metalliioonid või metalliioonide akvakompleksid. Metalle sisaldavad elektronülekandevalgud on samuti levinud. Neid saab jagada kolme suurde klassi: raud-väävel valgud (näiteks rubredoksiin, ferredoksiin ja Rieske valgud), sinised vasevalgud ja tsütokroomid. Need elektronülekandevalgud täiendavad mittemetallisi elektrontransportereid nagu nikotiinamiidadeniindinukleotiidi (NAD) ja flaviinadeniindinukleotiidi (FAD). Lämmastikuringe põhineb suures osas metallide redoksreaktsioonidel. Aeroobid kasutavad ulatuslikult selliseid metalle nagu raud, vask ja mangaan. Kõige tuntum metalliaatomit sisaldav molekul bioloogias on heem, mida leidub punastes verelibledes hemoglobiini koostises ning mida kasutatakse hapniku transpordiks. Teised hapnikut transportivad molekulid on näiteks müoglobiin, hemotsüaniin ja hemerütriin. Oksüdaasid ja oksügenaasid on metalle sisaldavad ensüümid, mis viivad läbi olulisi redoksreaktsioone, näiteks energia tootmine tsütokroom c oksüdaasi abil, kus kasutatakse 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 võib esineda viies vaheolekus, kusjuures kõigi olekute peale kokku esineb mangaan neljas oksüdatsiooniastmes.  Bioorganometallilistele molekulidele on omased metall-süsinik-sidemed nii struktuurielementidena kui ka vaheühenditena. Bioorganometalliliste ensüümide ja valkude hulka kuuluvad hüdrogenaasid, FeMo-kofaktor (FeMoco) nitrogenaasis ja metüülkobalamiin, mis on looduslikult esinevad metallorgaanilised ühendid. Biometallorgaaniline keemia keskendub rohkem metallide uurimisele ainuraksetes organismides. Biometallorgaanilised ühendid on väga oluline osa keskkonnakeemiast. Mitmed ravimid sisaldavad metalle. Et selliseid ravimeid kasutusele võtta, tuleb kasutada bioanorgaanilise keemia uurimismeetodeid, mis aitavad mõista metallide rolli organismis, ning nendele tuginedes sünteesida uusi ravimeid. Ravimid võivad ise metalle sisaldada või mõjutada metalliioonidega ensüümide aktiivtsentreid. Kasutatuim vähivastane ravim on cis-plaatina, mida kasutatakse paljude vähktõve liikide puhul ning mida süstitakse patsiendi verre. Cis-plaatina häirib DNA replikatsiooni ja tapab seetõttu kiiremini jagunevad rakud. Vähirakud jagunevad kiiremini kui terved rakud, seega mõjutab cis-plaatina neid rohkem. Kehas vahetatakse ravimi molekulis üks kahest kloriidist vee vastu ja saadakse akvakompleks cis-[PtCl(NH3)2(H2O)]+. Kloriidi dissotsieerumine on raku sees soositud, sest raku sees on kloriidiooni kontsentratsioon ainult 3–20% kloriidi kontsentratsioonist rakuvälises keskkonnas. Ligandne vesi cis-[PtCl(NH3)2(H2O)]+ kompleksis on DNAs kergesti vahetatav 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. Cis-plaatina ristseob DNA mitmel erineval moel ning häirib sellega rakkude jagunemist. Kahjustatud DNA kutsub esile DNA parandamise mehhanismid ning kui parandamine osutub võimatuks, aktiveerub apoptoos ehk programmeeritud rakusurm. Lisaks cis-plaatinale kasutatakse tänapäeva meditsiinis paljusid muid metalle ja nende ühendeid. Veel näited metallidest, mida meditsiinis kasutatakse: Tsink – saab kasutada paikselt haavade ja herpese raviks. Hõbe – kasutatakse infektsiooni vältimiseks põletushaavade korral. Antimon – kasutatakse põletikuliste nahahaiguste, 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 – lullasoolade komplekse kasutatakse reumatoidartriidi raviks. Keskkonnakeemia klassikaliseks valdkonnaks 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 avastati Jaapanis Minamata haigus, mille põhjustajaks oli elavhõbedamürgistus. Minamata lahe lähedal avati keemiatehas, 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 olid kohalike elanike põhitoiduallikaks. Minamata haiguse sümptomiteks on ataksia, tuimus kätes ja jalgades, üldine nõrkus, perifeerse nägemise kadu ning kuulmise ja kõne kahjustused. Äärmuslikel juhtudel võib nädal pärast sümptomite teket järgneda psühhoos, halvatus, kooma ja surm. Minamata haigusse oli 2001. aasta märtsi seisuga haigestunud kokku 2265 inimest, kellest 1784 (78,8%) surid. Biomineralisatsioon on protsess, mille käigus elusorganismid toodavad mineraale, sageli selleks, et muuta tugevamaks või jäigemaks olemasolevaid kudesid. Sellised kudesid kutsutakse mineraliseerunud kudedeks. Näiteks moodustavad vetikad silikaate, selgrootud karbonaate ning selgroogsed kaltsiumifosfaate ja karbonaate. Bakterid on seotud kulla-, vase- ja rauamaakide tekkega. Bioloogiliselt moodustunud mineraalid on sageli eriotstarbelised, nagu näiteks magnetsensorid magnetotaktilistes bakterites (Fe3O4), gravitatsioonisensorid (CaCO3, CaSO4, BaSO4) ja raua ladestamiseks mõeldud mineraalid (Fe2O3 • H2O ferritiinis). Kuna rakuvälises keskkonnas on raud seotud lupjumise esile kutsumisega, on rauakontsentratsiooni regulatsioon hädavajalik karpide ja kodade moodustumiseks. Valk ferritiin mängib olulist rolli raua jaotumises ja selle kaudu karpide moodustumises. Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, Principles of Bioinorganic Chemistry, University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5 Biokeemia: lühikursus, John L. Tymoczko, Jeremy M. Berg, Lubert Stryer, TTÜ Kirjastus, 2016, ISBN 9949239311, ISBN 9789949239313 Rosenzweig AC (2002) Metallochaperones: Bind and deliver. Chem Biol 9:673–677 Dieter Rehder (2008). "Introduction to Bioinorganic Chemistry" (PDF). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 21.09.2015. Vaadatud 21.01.2017. Abstract : Manganese: The Oxygen-Evolving Complex & Models1 : Encyclopedia of Inorganic Chemistry : Wiley InterScience[alaline kõdulink] Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, R.K.O., toim-d (2010). Organometallics in Environment and Toxicology. Metal Ions in Life Sciences. Kd 7. Cambridge: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1. Wang, Dong; Lippard, Stephen J. (2005). "Cellular processing of platinum anticancer drugs". Nature Reviews Drug Discovery. 4 (4): 307–320. DOI:10.1038/nrd1691. ISSN 1474-1776. 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. Trzaska, Stephen (2005). "Cisplatin". Chemical & Engineering News. 83 (25). 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. DOI:10.1179/joc.2008.20.3.348. PMID 18606591. Official government figure as of March 2001. See "Minamata Disease: The History and Measures, ch2" Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel, toim (2008). Biomineralization: From Nature to Application. Metal Ions in Life Sciences. Kd 4. Wiley. ISBN 978-0-470-03525-2. Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. (1989). On biomineralization. Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 0-19-504977-2. Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf (2011). Biominerals and fossils through time. Cambridge. ISBN 978-0-521-87473-1. Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "The role of iron in the mechanism of experimental calcification". J Histochem Cytochem. 11 (6): 799–803. DOI:10.1177/11.6.799. Originaali arhiivikoopia seisuga 2. august 2012. Vaadatud 21. jaanuaril 2017. 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. DOI:10.1038/nature02631. PMID 15295599. 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. DOI:10.1016/S0940-2993(11)80429-X. PMID 8312724. 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. DOI:10.1186/1471-2148-7-160. PMC 2034539. PMID 17845714.