الكيمياء الحيوية غير العضوية

تُستخدم مجموعة متنوعة من النواقل (مثل مضخة الأيونات NaKATPase )، والفجوات ، وبروتينات التخزين (مثل الفيريتين )، والجزيئات الصغيرة (مثل السايدروفورات ) للتحكم في تركيز أيونات المعادن وتوافرها الحيوي في الكائنات الحية. ومن الأهمية بمكان أن العديد من المعادن الأساسية لا يمكن للبروتينات اللاحقة الوصول إليها بسهولة نظرًا لانخفاض ذوبانها في المحاليل المائية أو ندرتها في البيئة الخلوية. وقد طورت الكائنات الحية عددًا من الاستراتيجيات لجمع هذه العناصر ونقلها مع الحد من سميتها الخلوية .

تتضمن العديد من التفاعلات في علوم الحياة الماء، وغالبًا ما تتواجد أيونات المعادن في المراكز التحفيزية (المواقع النشطة) لهذه الإنزيمات، أي أنها بروتينات معدنية . في كثير من الأحيان، يكون الماء المتفاعل بمثابة ربيطة (انظر معقد الماء المعدني ). من أمثلة إنزيمات الهيدرولاز : الأنهيدراز الكربوني ، والفوسفاتازات المعدنية ، والبروتينات المعدنية . يسعى الكيميائيون الحيويون غير العضويين إلى فهم وظيفة هذه البروتينات المعدنية ومحاكاتها.

تُعدّ بروتينات نقل الإلكترون المحتوية على المعادن شائعة أيضاً. ويمكن تصنيفها إلى ثلاث فئات رئيسية: بروتينات الحديد والكبريت (مثل الروبيريدوكسينات ، والفيريدوكسينات ، وبروتينات ريسك )، وبروتينات النحاس الأزرق ، والسيتوكرومات . تُكمّل هذه البروتينات الناقلة للإلكترونات ناقلات الإلكترون غير المعدنية، مثل نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD) وفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD). وتعتمد دورة النيتروجين بشكل كبير على المعادن في تفاعلات الأكسدة والاختزال.

تُعدّ العديد من أيونات المعادن سامة للإنسان والحيوانات الأخرى. وقد تمت مراجعة الكيمياء الحيوية غير العضوية للرصاص في سياق سميته. ^{[ 4 ]}

تستخدم الكائنات الحية الهوائية المعادن على نطاق واسع، مثل الحديد والنحاس والمنغنيز. يُستخدم الهيم في خلايا الدم الحمراء على شكل هيموجلوبين لنقل الأكسجين، وربما يكون هذا النظام المعدني الأكثر شهرة في علم الأحياء. تشمل أنظمة نقل الأكسجين الأخرى الميوغلوبين والهيموسيانين والهيمريثرين . الأكسيدازات والأكسيجينازات هي أنظمة معدنية موجودة في الطبيعة، تستفيد من الأكسجين لإجراء تفاعلات مهمة، مثل توليد الطاقة في سيتوكروم سي أوكسيداز ، أو أكسدة الجزيئات الصغيرة في سيتوكروم P450 أوكسيداز أو ميثان مونوأكسيجيناز . صُممت بعض البروتينات المعدنية لحماية النظام البيولوجي من الآثار الضارة المحتملة للأكسجين وجزيئات الأكسجين التفاعلية الأخرى، مثل بيروكسيد الهيدروجين . تشمل هذه الأنظمة البيروكسيدازات والكاتالازات وديسموتازات الأكسيد الفائق . يُعد مُركب توليد الأكسجين الموجود في النباتات بروتينًا معدنيًا مكملاً لتلك التي تتفاعل مع الأكسجين . يُعد هذا النظام جزءًا من الآلية البروتينية المعقدة التي تنتج الأكسجين أثناء قيام النباتات بعملية التمثيل الضوئي .

تتميز الأنظمة العضوية المعدنية الحيوية بروابط فلزية-كربونية كعناصر بنائية أو كمركبات وسيطة. تشمل الإنزيمات والبروتينات العضوية المعدنية الحيوية الهيدروجيناز ، وFeMoco في النيتروجيناز، وميثيل كوبالامين . هذه مركبات عضوية معدنية طبيعية . يركز هذا المجال بشكل أكبر على استخدام المعادن من قبل الكائنات وحيدة الخلية. للمركبات العضوية المعدنية الحيوية أهمية في الكيمياء البيئية . ^{[ 5 ]}

تحتوي العديد من الأدوية على معادن. ويعتمد هذا المجال على دراسة تصميم وآلية عمل المستحضرات الصيدلانية المحتوية على المعادن، والمركبات التي تتفاعل مع أيونات المعادن الداخلية في المواقع النشطة للإنزيمات. يُعد السيسبلاتين أكثر أدوية السرطان استخدامًا . تحتوي عوامل التباين في التصوير بالرنين المغناطيسي عادةً على الغادولينيوم . وقد استُخدم كربونات الليثيوم لعلاج نوبة الهوس في اضطراب ثنائي القطب. كما تم تسويق أدوية مضادة لالتهاب المفاصل تحتوي على الذهب، مثل الأورانوفين . طُوّرت جزيئات مُطلقة لأول أكسيد الكربون ، وهي عبارة عن مركبات معدنية، لكبح الالتهاب عن طريق إطلاق كميات صغيرة من أول أكسيد الكربون. دُرست أهمية أكسيد النيتريك على القلب والأوعية الدموية والجهاز العصبي ، بما في ذلك إنزيم سينثاز أكسيد النيتريك . (انظر أيضًا: استيعاب النيتروجين ). بالإضافة إلى ذلك، تم اختبار مركبات انتقالية معدنية قائمة على التريازولوبيريميدينات ضد العديد من سلالات الطفيليات. ^{[ 6 ]}

يركز علم الكيمياء البيئية تقليديًا على تفاعل المعادن الثقيلة مع الكائنات الحية. وقد تسبب ميثيل الزئبق في كارثة كبرى تُعرف باسم مرض ميناماتا . ويُعد التسمم بالزرنيخ مشكلة واسعة الانتشار، ويعود ذلك في معظمه إلى تلوث المياه الجوفية بالزرنيخ ، مما يؤثر على ملايين الأشخاص في البلدان النامية. وتتضمن عملية استقلاب المركبات المحتوية على الزئبق والزرنيخ إنزيمات تعتمد على الكوبالامين .

التمعدن الحيوي هو العملية التي تُنتج بها الكائنات الحية المعادن ، غالبًا لتصلب الأنسجة الموجودة. تُسمى هذه الأنسجة بالأنسجة المُتمعدنة . ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} تشمل الأمثلة السيليكات في الطحالب والدياتومات ، والكربونات في اللافقاريات ، وفوسفات وكربونات الكالسيوم في الفقاريات . ومن الأمثلة الأخرى رواسب النحاس والحديد والذهب التي تُكوّنها البكتيريا. غالبًا ما يكون للمعادن المُتشكلة _{بيولوجيًا استخدامات خاصة} ، مثل أجهزة الاستشعار المغناطيسي في البكتيريا المغناطيسية (Fe3O4 _{) ،} وأجهزة استشعار الجاذبية (CaCO3 _، CaSO4 _{، BaSO4} ) ، وتخزين الحديد وتعبئته (Fe2O3 _• H2O _في بروتين الفيريتين ). نظرًا لأن الحديد خارج الخلية ^{[ 10 ]} يُشارك بقوة في تحفيز التكلس، ^{[ 11 ] [ 12 ]} فإن التحكم فيه ضروري في تكوين الأصداف؛ ويلعب بروتين الفيريتين دورًا مهمًا في التحكم في توزيع الحديد. ^{[ 13 ]}

تعمل العناصر غير العضوية الوفيرة كإلكتروليتات أيونية . ومن أهم هذه الأيونات الصوديوم ، والبوتاسيوم ، والكالسيوم ، والمغنيسيوم ، والكلوريد ، والفوسفات ، والبيكربونات . ويحافظ الحفاظ على تدرجات دقيقة عبر أغشية الخلايا على الضغط الأسموزي ودرجة الحموضة . ^{[ 15 ]} كما تُعد الأيونات ضرورية للأعصاب والعضلات ، إذ تُنتج جهود الفعل في هذه الأنسجة عن طريق تبادل الإلكتروليتات بين السائل خارج الخلوي والسيتوسول . ^{[ 16 ]} تدخل الإلكتروليتات إلى الخلايا وتخرج منها عبر بروتينات في غشاء الخلية تُسمى قنوات أيونية . فعلى سبيل المثال، يعتمد انقباض العضلات على حركة الكالسيوم والصوديوم والبوتاسيوم عبر القنوات الأيونية في غشاء الخلية والأنابيب المستعرضة . ^{[ 17 ]}

توجد المعادن الانتقالية عادةً كعناصر نادرة في الكائنات الحية، ويُعدّ الزنك والحديد أكثرها وفرةً. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} تُستخدم هذه المعادن كعوامل مساعدة للبروتينات وجزيئات إشارة. العديد منها ضروري لنشاط إنزيمات مثل الكاتالاز وبروتينات نقل الأكسجين مثل الهيموجلوبين . ^{[ 21 ]} ترتبط هذه العوامل المساعدة ارتباطًا وثيقًا ببروتين مُحدد؛ فعلى الرغم من إمكانية تعديل العوامل المساعدة للإنزيم أثناء عملية التحفيز، إلا أنها تعود دائمًا إلى حالتها الأصلية بعد انتهاء التحفيز. تُمتص العناصر الغذائية المعدنية الدقيقة في الكائنات الحية بواسطة نواقل مُحددة، وترتبط ببروتينات التخزين مثل الفيريتين أو الميثالوثيونين عندما لا تكون قيد الاستخدام. ^{[ 22 ] [ 23 ]} يُعدّ الكوبالت ضروريًا لوظيفة فيتامين ب12 . ^{[ 24 ]}

_{العديد من العناصر الأخرى ، إلى جانب المعادن} ^، نشطة بيولوجيًا. يُعدّ الكبريت والفوسفور ضروريين لجميع أشكال الحياة. يوجد الفوسفور بشكل شبه حصري على هيئة فوسفات وإستراته المختلفة . يوجد الكبريت في حالات أكسدة متنوعة، بدءًا من الكبريتات ( SO₄²⁻ ) وصولًا إلى الكبريتيد (S²⁻ ⁾ . السيلينيوم عنصر نادر يدخل في تركيب البروتينات المضادة للأكسدة. أما الكادميوم، فيُعدّ عنصرًا مهمًا نظرًا لسميته. ^{[ 25 ]}