Бионеорганическая химия

Бионеоргани́ческая хи́мия (англ. bioinorganic chemistry), область химической науки, которая на молекулярном уровне изучает роль металлов и их соединений в биологических процессах. Объектами исследования в бионеорганической химии являются функциональные комплексы нуклеиновых кислот, белков, липидов и низкомолекулярных природных соединений с ионами металлов. Совокупность металлосодержащих биомолекул в клетке называется металломом (англ. metallome). Металломика (metallomics) – область, посвящённая анализу совокупности металлов и металлоидов в клетке и тканях живых организмов.

Задачами бионеорганической химии являются:

1) изучение роли металлов и их соединений в живых организмах и в окружающей среде;

2) изучение реакционной способности металлов и их соединений по отношению к биологическим субстратам;

3) моделирование структуры ферментов и процессов с их участием; биомиметический катализ;

4) направленный синтез биологически активных координационных и металлоорганических соединений; выявление зависимостей между структурой соединений металлов и их свойствами;

5) создание лекарственных препаратов;

6) создание биоматериалов.

Как самостоятельная наука бионеорганическая химия сформировалась во 2-й половине 20 в. на стыке биологии и неорганической химии и относится к междисциплинарным наукам. Исследования в области бионеорганической химии связаны с биохимией, молекулярной биологией, энзимологией, органической и физической химией, химией координационных соединений, фармакологией, медициной и другими научными направлениями.

Ключевым этапом в развитии бионеорганической химии было установление молекулярной структуры металлопротеинов и детального механизма их действия с участием металлосодержащих активных сайтов.

Первым белком, выделенным в кристаллической форме в 1926 г. американским биохимиком Дж. Б. Самнером (Нобелевская премия, 1946, за открытие способности ферментов к кристаллизации), был фермент уреаза (КФ 3.5.1.5), содержащий два атома никеля и осуществляющий гидролиз мочевины до двуокиси углерода и аммиака. Его кристаллическая структура решена в 1995 г. американским кристаллографом П. Э. Карпласом.

В 1959 г. британские биохимики М. Ф. Перуц и Дж. К. Кендрю (совместная Нобелевская премия, 1962, за исследование структуры глобулярных белков) сообщили об установлении молекулярной структуры гемоглобина и миоглобина – гемовых белков, содержащих железо.

В 1956 г. британский химик и биохимик Д. М. Кроуфут-Ходжкин (Нобелевская премия, 1964, за определение с помощью рентгеновских лучей структур биологически активных веществ) установила по данным рентгеноструктурного анализа молекулярную структуру цианокобаломина, содержащего атом кобальта в макрокольце корринового комплекса.

В 1972 г. совместно группами Р. Б. Вудворда (Нобелевская премия, 1965, за выдающийся вклад в искусство органического синтеза) в Кембридже (США) и А. Эшенмозера в Цюрихе (Швейцария) выполнен полный химический синтез витамина В₁₂ .

Таким образом, ко 2-й половине 20 в. сформировалось представление о возможности изучения структуры и функций различных биомолекул, прежде всего белков, в состав которых входят один или несколько атомов металла. Раздел химической науки – бионеорганическая химия – приобрёл самостоятельное значение.

С 2009 г. бионеорганическая химия включена в номенклатуру научных специальностей РФ – 1.4.11, по которым присуждаются учёные степени в Российской Федерации (Высшая аттестационная комиссия).

Для решения структурно-функциональных задач привлекаются разнообразные физические, физико-химические, математические и биологические методы: рентгеноструктурный анализ, ядерный магнитный резонанс, Мёссбауэровская спектроскопия, электронный парамагнитный резонанс, XAFS-спектроскопия (X-ray absorption fine structure) , Рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния), электронная спектроскопия поглощения, кинетические методы (англ. stopped-flow), квантовохимические расчёты и др.

Биогенные металлы (Na, K, Mg, Ca, V, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) и металлоиды (P, S, Se) вовлечены в общие метаболические пути в живых организмах. Основными процессами, в которых металлы (указаны в скобках ниже) играют определяющую роль, являются процессы транспорта металлов в клетку [осуществляют белки ферритин (Fe), трансферрин (Fe), церуплазмин (Cu) и др.]; переноса электронов [осуществляют белки цитохромы (Fe), железосерные белки (Fe), синие медные белки (Cu) и др.]; связывания, запасания и транспорта кислорода [осуществляют белки гемоглобин (Fe), миоглобин (Fe), гемоэритрин (Fe), гемоцианин (Cu) и др.], дыхания, фотосинтеза, передачи биохимических сигналов, защиты от токсичных и мутагенных агентов и др.

[[File:Активный сайт [NiFe]-гидрогеназы.webp|thumb|right|alt=Активный сайт [NiFe]-гидрогеназы|Активный сайт [NiFe]-гидрогеназы.]]Среди ферментов, в состав активных сайтов которых входят один или несколько атомов металлов: гидролазы – фосфатазы (Zn, Mg, Cu), аминопептидазы (Zn, Mg), карбоксипептидазы (Zn); оксидоредуктазы – оксидазы (Fe, Cu), редуктазы (Fe, Cu, Mo), нитрогеназы (Fe, Mo, V), гидроксилазы (Fe, Cu, Mo), гидрогеназы (Fe, Ni), супероксиддисмутазы (Fe, Cu, Mn); изомеразы и синтазы – кофактор витамин В₁₂ (Cо).

Ряд ферментов содержит в активных сайтах металл, связанный ковалентной связью с атомом углерода (М-С), и относится к металлоорганическим системам ([NiFe]-, [FeFe]- и [Fe]-гидрогеназы, витамин В₁₂ в форме аденозилкобаламина). Для некоторых ферментов характерно образование в каталитическом цикле интермедиатов, содержащих структурный фрагмент М-С (Ni-зависимая метилкоэнзим M редуктаза, ацетил-CoA синтаза/СО дегидрогеназа).

Важным разделом бионеорганической химии исторически являлось создание и изучение лекарственных препаратов, в состав молекул которых входит атом металла. Позднее этот раздел стал относиться к части медицинской химии, получившей название «неорганическая медицинская химия».

Вехой в истории неорганической медицинской химии стало открытие в 1965 г. американским химиком Б. Розенбергом антипролиферативной активности цисплати́на.

В 1978 г. цисплатин одобрен Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (англ. Food and Drug Administration, FDA) для терапии рака яичка, в том числе метастазирующего.

Соединения металлов применяются в качестве средств терапии и диагностики для лечения метаболических и генетических нарушений, сердечно-сосудистых заболеваний, воспалительных процессов, инфаркта, диабета, малярии, а также нейродегенеративных заболеваний.

К наиболее распространённым препаратам на основе соединений металлов относятся контрастные реагенты для магнитно-резонанcной томографии, содержащие преимущественно гадолиний (магневист, омнискан и др.); противоартритный препарат золота (ауранофин); антипсихотический препарат лития – для лечения биполярных расстройств (седалит); противоязвенные и антисептические средства – комплексы висмута (де-нол, десмол и др.); противоопухолевый препарат – триоксид мышьяка (тризенокс); большая группа препаратов на основе соединений железа для лечения железодефицитной анемии и др.

Rosenberg B. Inhibition of cell division in Escherichia coli by electrolysis products from a platinum electrode / B. Rosenberg, L. Van Camp, T. Krigas // Nature. – 1965. – Vol. 20, № 49725. – P. 698–699.
Вудворд Р. Б. Полный синтез витамина В12 // Успехи химии. – 1974. – Т. 43, № 4. – С. 727–743.
Harris R. R. The Harris Interviews / R. R. Harris, M. W. Nirenberg // National Institutes of Health. – 1995. – P. 41. – Retrieved 2012-07-23.
Bolster M. W. G. de. Glossary of terms used in bioinorganic chemistry (IUPAC Recommendations 1997) // Pure and Applied Chemistry. – 1997. – Vol. 69, № 6. – P. 1251–1304.
Karplus P. A. 70 Years of crystalline urease: what have we learned? / P. A. Karplus, M. A. Pearson, R. P. Hausinger // Accounts of chemical research. – 1997. – Vol. 30, № 8. – P. 330–337.
Physical Methods in bioinorganic chemistry : spectroscopy and magnetism / ed. L. Que, Jr. – Sausalito, CA : University Science Books, 2000.
Fraústo da Silva J. J. R. The biological chemistry of the elements : the inorganic chemistry of life / J. J. R. Fraústo da Silva and R. J. P. Williams. – 2nd ed. – Oxford ; New York : Oxford University Press, 2001.
Handbook of metalloproteins / ed. A. Messerschmidt [et al.]. – Chichester ; New York : Wiley, 2001. – 2 vol.
Dodson G. Dorothy Mary Crowfoot Hodgkin, 12 May 1910–29 July 1994 // Biographical memoirs of fellows of the Royal Society. – 2002. – Vol. 48. – P. 181–219.
Fersht A. R. Max Ferdinand Perutz OM FRS // Nature Structural & Molecular Biology. – 2002. – Vol. 9, № 4. – P. 245–246.
Roat-Malone R. M. Bioinorganic chemistry : a short course. – Hoboken, NJ : Wiley, 2002.
Berg J. М. Bioinorganic chemistry / J. М. Berg, S. J. Lippard // Current Opinion in Chemical Biology. – 2004. – Vol. 8, № 2. – P. 160–161.
Concepts and models in bioinorganic chemistry / ed. H.-B. Kraatz and N. Metzler-Nolte. – Weinheim : Wiley, 2006.
Crichton R. R. Metal-based neurodegeneration : from моlесulаr mechanisms to therapeutic strategies / R. R. Crichton & R. J. Ward. – Chichester ; Hoboken, NJ : J. Wiley & Sons, 2006.
Биометаллоорганическая химия / пер. с англ. В. П. Дядченко и К. В. Зайцева ; ред. Ж. Жауэн. – Москва : Бином. Лаборатория знаний, 2009. – (Медицинская химия).
Metal-carbon bonds in enzymes and cofactors / ed. by A. Sigel [et al.]. – Cambridge : Royal Society of Chemistry, 2009. – (Metal ions in life sciences ; 6).
Биологическая неорганическая химия : структура и реакционная способность / пер. с англ. В. В. Авдеевой и Д. В. Севастьянова. – Москва : Бином. Лаборатория знаний, 2013. – 2 т. – (Лучший зарубежный учебник).
Lead : its effects on environment and health / ed. S. Astrid [et al.]. – Berlin : De Gruyter, 2017.
Чарушин В. Н. Химические элементы в медицине / В. Н. Чарушин, Ю. А. Титова, Е. Р. Милаева // Вестник Российской академии наук. – 2020. – Т. 90, № 4. – С. 335–345.
Милаева Е. Р. Неорганическая медицинская химия : учебное пособие. – Москва : Издательство Московского университета, 2022.

Бионеорганическая химия

Задачи бионеорганической химии

Становление бионеорганической химии как науки

Методы бионеорганической химии

Металлы в живых системах

Металлы в медицине

Литература