chemia bionieorganiczna

chemia bionieorganiczna, biochemia nieorganiczna,

interdyscyplinarna dziedzina wiedzy (z pogranicza chemii i biologii) badająca pierwiastki chem. (i ich związki, gł. koordynacyjne) występujące w organizmach żywych i istotne dla funkcjonowania tych organizmów, a także syntetyczne modele kompleksów biologicznych.

Chemia bionieorganiczna wyodrębniła się z chemii nieorg. na pocz. lat 80. XX w. w wyniku nagromadzenia danych eksperymentalnych świadczących o podstawowej roli jonów metali w przebiegu większości procesów życiowych, jak oddychanie, metabolizm, wiązanie azotu, fotosynteza, przekazywanie bodźców nerwowych, skurcz mięśniowy, przetwarzanie sygnałów czy ochrona przed substancjami toksycznymi i mutagennymi.

W chemii bionieorganicznej można wyróżnić 2 gł. działy: badania układów naturalnie istniejących w środowisku biol. oraz badania cząsteczek wprowadzanych do układów biol. (leki, próbniki, bądź też środki toksyczne przedostające się z otoczenia). W celu poznania struktury cząsteczek biol. i ich funkcji w procesach życiowych wykorzystuje się najnowocześniejsze metody fizykochemiczne: dyfrakcję i spektroskopię absorpcyjną promieniowania rentegenowskiego, jądr. i elektronowy rezonans magnet., spektroskopię Mossbauera i spektroskopię elektronową, metody elektrochem. oraz pomiary właściwości elektryczne i magnetycznych.

Spośród 25 pierwiastków chem. obecnych w organizmach żywych 9 — sód, potas, magnez, wapń, siarka, fosfor, chlor, krzem, żelazo — to tzw. makroelementy, występujące w większych stężeniach. Pozostałe pierwiastki (np. V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, W, Se, F, I) występują w ilościach śladowych i są zw. mikroelementami. Zainteresowanie właściwościami jonów litowców i berylowców wiąże się z ich udziałem w procesach transportu przez membrany, w działaniu pompy sodowo-potasowej, skurczu mięśnia, włączaniu i wyłączaniu procesów metabolicznych. Jon magnezu (Mg²⁺) jest obecny w cząsteczkach ponad 100 enzymów, a jony wapnia (Ca²⁺) i cynku (Zn²⁺) określają strukturę cząsteczek wielu białek oraz wchodzą w skład kości, zębów itp. Intensywnie są rozwijane badania mające na celu określenie roli magnezu w powstawaniu chlorofilu oraz w procesie fotosyntezy. Jony metali przejściowych: żelaza, miedzi, molibdenu, kobaltu, chromu, wanadu i niklu są gł. składnikami kompleksów biol. zw. metaloenzymami, katalizujących m.in. reakcje: hydrolizy, przenoszenia grup funkcyjnych, izomeryzacji, redukcji (azotu, tlenu, rybonukleotydów), utleniania wody, lub składnikami aktywatorów procesów enzymatycznych. Jony metali mogą być także aktywatorami procesów enzymatycznych oraz brać udział w wiązaniu i transporcie biologicznie istotnych składników, np. tlenu. Wysoki stopień zaawansowania osiągnęły w tej ostatniej dziedzinie badania struktury oraz funkcji białek miedziowych — hemocyjanin, i żelaza — hemoglobin, mioglobin i hemerytryn, oraz synteza prostszych układów modelowych tych białek. Od lat 90. równie intensywnie rozwijają się prace dotyczące wiązania i transportu azotu, cyklu azotowego, enzymów biorących udział w przemianach azotu, kompleksów azotu, procesów redoks azotanów, tlenków azotu i syntezy kompleksów biomimetycznych. Reakcje typu redoks kontrolują wiele procesów zachodzących w organizmach żywych. Poza coraz lepszą znajomością procesów redukcji tlenu i azotu uwidacznia się w tej dziedzinie postęp w zrozumieniu mechanizmów działania wit. B₁₂ oraz klasterowych struktur centrów aktywnych białek żelazowo-siarkowych uczestniczących w procesach przenoszenia elektronów. Choć wiele już wiadomo o zmianach strukturalnych cząsteczki białka w czasie, gdy podlega ona procesowi redoks, nadal nie są znane drogi przenoszenia elektronu pomiędzy różnymi cząsteczkami. Prowadzi się intensywne prace teoret. i eksperymentalne nad mechanizmem transportu elektronowego dalekiego zasięgu, wpływem orientacji molekuł, odległości i natury środowiska na szybkość przenoszenia elektronu między cząsteczkami białek; bada się mechanizmy przyswajania, transportu, magazynowania i wydalania pierwiastków, układy przechowujące żelazo — tzw. syderofory, oraz metalotioneiny odpowiedzialne za transport jonów o dużej toksyczności, np. jonów kadmu (Cd²⁺) i ołowiu (Pb²⁺). Rozwijają się badania i próby odtwarzania biol. mechanizmów rozpoznawania jon. i molekularnego, np. badania oddziaływań jonów i prostych kompleksów metali z biomolekułami (np. wiązania DNA z kompleksami platyny stosowanymi jako leki przeciwnowotworowe), roli jonów metali w stabilizacji określonych struktur białkowych, RNA i DNA lub w indukowaniu zmian konformacyjnych biomolekuł. W 2. poł. lat 90. zacieśniły się związki chemii bionieorganicznej z medycyną, dynamicznie rozwijały się badania mechanizmów działania jonów tych metali, których niedobór lub nadmiar wywołuje określone schorzenia (np. chorobę Wilsona). O wpływie osiągnięć chemii bionieorganicznej na lecznictwo świadczy duża liczba kompleksów metali stosowanych jako radiofarmaceutyki, leki przeciwnowotworowe, leki stosowane w reumatoidalnym zapaleniu stawów czy środki kontrastowe w metodach diagnostycznych opartych na neutronowym rezonansie magnetycznym.

Osiągnięcia chemii bionieorganicznej zwykle są prezentowane w czasopismach nauk. poświęconych chemii nieorganicznej. Chemia bionieorganiczna rozwija się w wielu ośr. nauk.; największe sukcesy w badaniach enzymów pochodzą z Massachusetts Institute of Technology (m.in. S.J. Lippard), znaczących postępów w badaniach syderoforów, kompleksów metali, badaniach nad usuwaniem metali z organizmów żywych dokonano na Uniwersytecie Kalifornijskim (K.N. Raymond), prace nad oddziaływaniami kompleksów metali z purynami i aminokwasami są prowadzone m.in. w Inst. Chemii Nieorg. uniw. w Bazylei (A. Zuberbühler, H. Sigel, T. Kaden), nad membranami lipidowymi, katalizą, metaloporfirynami — na Uniwersytecie Princeton (J.T. Groves), oddziaływaniami jonów metali z DNA, lekami przeciwnowotworowymi na bazie kompleksów metali — na uniwersytecie w Dortmundzie (B. Lippert), badania enzymów zawierających cynk oraz mechanizmów procesów enzymatycznych są prowadzone w uniw. we Florencji (J. Bertini).