生物無機化學
生物無機化學是研究金屬在生物體內角色的學科，生物無機化學研究像金屬蛋白及金屬酶等天然的生物分子，金屬與生物分子的相互作用，如金屬離子通道，也研究在醫藥（金屬藥物）及毒物學中，金屬（特別是非膳食礦物質）對生物的影響。許多生物過程，例如呼吸作用，都依賴於無機化學領域內的分子。生物無機化學也包括金屬蛋白的模型研究及仿真[1]
作為生物化學和無機化學的交叉學科，生物無機化學在闡明電子轉移蛋白質，底物結合和活化，原子和基團轉移化學以及生物化學中的金屬性質的含義方面很重要。
活生物體的組成
[編輯]哺乳動物質量的大約99％是碳，氮，鈣，鈉，氯，鉀，氫，磷，氧，和硫的元素[2]。 有機化合物（蛋白質，脂質，和糖類）含有大部分的碳和氮，而大部分的氧和氫以水的形式存在[2] 。 細胞中含金屬的生物分子的整個集合稱為金屬組(metallome)。
歷史
[編輯]德國化學家保羅·埃爾利希（Paul Ehrlich）使用有機砷（「灑爾佛散」）治療梅毒，證明了金屬（或至少是類金屬）與藥物的相關性，這與Rosenberg發現順鉑(cis-PtCl2(NH3)2)的抗癌活性有關。 最早結晶的蛋白質（參閱詹姆斯·B·薩姆納）是脲酶，後來證明其活性位點含有鎳。 多蘿西·霍奇金（Dorothy Crowfoot Hodgkin）在晶體學上顯示維生素B12（一種惡性貧血的治療方法）由咕啉大環中鈷的組成。 DNA的沃森-克里克結構(Watson-Crick structure)證明了含磷酸鹽的聚合物起着關鍵的結構作用。
生物無機化學主題
[編輯]幾種獨特的系統在生物無機化學中可以被識別出來。 主要領域包括：
金屬離子的運輸和儲存
[編輯]本主題涵蓋了各種離子通道，離子泵（例如NaKATPase），液胞，鐵載體，以及其他控制細胞中金屬離子濃度的蛋白質和小分子的集合。 一個問題是，由於溶解性或稀缺性，許多代謝所需的金屬不易獲得。 生物體已經開發出許多策略來收集和運輸這些元素。
酶學
[編輯]生命科學中的許多反應涉及水，金屬離子通常位於這些酶的催化中心（活性位點），即這些是金屬蛋白。 通常，反應的水是一個配體（請參閱金屬水配合物）。 水解酶的例子是碳酸酐酶，金屬磷酸酶，和金屬蛋白酶。 生物無機化學家試圖理解並複製這些金屬蛋白的功能。
含金屬的電子轉移蛋白也是常見的。 它們可以分為三大類：鐵硫蛋白（如氧化還原蛋白，鐵氧還蛋白和Rieske蛋白），藍銅蛋白和細胞色素。
毒性
[編輯]幾種金屬離子對人類和其他動物有毒。 鉛在毒性方面的生物無機化學已得到綜述[3]。
氧轉運和活化蛋白
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有氧生命大量利用了鐵，銅，和錳等金屬。 血紅素以血紅蛋白的形式被紅血球利用來輸送氧氣，它也許是生物學中最公認的金屬系統。 其他氧氣傳輸系統包括肌紅蛋白，血色素，和血紅蛋白。
醫學中的金屬
[編輯]許多藥物含有金屬。 該主題依賴於對含金屬藥物以及與酶活性位點中的內源性金屬離子相互作用的化合物的設計和作用機理的研究。 最廣泛使用的抗癌藥物是順鉑。 核磁共振成像(MRI)造影劑通常含有釓。碳酸鋰已被用於治療躁鬱症的躁狂期。
環境化學
[編輯]環境化學在傳統上強調重金屬與生物的相互作用。 甲基汞造成了稱為水俁病的重大災難。 砷中毒是一個普遍存在的問題，主要是由於地下水的砷污染，這種污染影響了發展中國家的數百萬人。 含汞和砷的化合物的代謝涉及基於鈷胺素（cobalamins）的酶。
生物礦化
[編輯]生物礦化是生物體產生礦物質的過程，通常使已經存在的組織硬化或變硬。 這種組織稱為礦化組織[4][5][6]。 實例包括藻類和硅藻中的硅酸鹽，無脊椎動物中的碳酸鹽以及脊椎動物中的磷酸鈣和碳酸鹽。
相關條目
[編輯]參考資料
[編輯]- ^ Stephen J. Lippard, Jeremy M. Berg, Principles of Bioinorganic Chemistry, University Science Books, 1994, ISBN 0-935702-72-5
- ^ 2.0 2.1 Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R. Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models. American Journal of Physiology. 1991, 261 (2 Pt 1): E190–8. PMID 1872381. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190.
- ^ Maret, Wolfgang. Chapter 1. The Bioinorganic Chemistry of Lead in the Context of its Toxicity. Astrid, S.; Helmut, S.; Sigel, R. K. O. (編). Lead: Its Effects on Environment and Health. Metal Ions in Life Sciences 17. de Gruyter. 2017: 1–20. ISBN 9783110434330. PMID 28731294. doi:10.1515/9783110434330-001.
- ^ Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K.O. Sigel (編). Biomineralization: From Nature to Application. Metal Ions in Life Sciences 4. Wiley. 2008. ISBN 978-0-470-03525-2.
- ^ Weiner, Stephen; Lowenstam, Heinz A. On biomineralization. Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. 1989. ISBN 978-0-19-504977-0.
- ^ Jean-Pierre Cuif; Yannicke Dauphin; James E. Sorauf. Biominerals and fossils through time. Cambridge. 2011. ISBN 978-0-521-87473-1.
