الكيمياء الحيوية غير العضوية

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 9 صور
الموسوعة الحرة

الكيمياء الحيوية غير العضوية هي مجال يدرس دور المعادن في علم الأحياء . تشمل الكيمياء الحيوية غير العضوية دراسة كل من الظواهر الطبيعية مثل سلوك البروتينات المعدنية وكذلك المعادن التي يتم إدخالها بشكل مصطنع، بما في ذلك تلك التي ليست ضرورية ، في الطب وعلم السموم . تعتمد العديد من العمليات البيولوجية مثل التنفس على جزيئات تندرج ضمن نطاق الكيمياء غير العضوية . يشمل هذا المجال أيضًا دراسة النماذج غير العضوية أو المحاكيات التي تحاكي سلوك البروتينات المعدنية. [1]

باعتبارها مزيجًا من الكيمياء الحيوية والكيمياء غير العضوية ، فإن الكيمياء الحيوية غير العضوية مهمة في توضيح آثار بروتينات نقل الإلكترون ، وارتباطات الركيزة وتنشيطها، وكيمياء نقل الذرات والمجموعات، فضلاً عن خصائص المعادن في الكيمياء الحيوية. إن التطوير الناجح للعمل متعدد التخصصات حقًا ضروري لتطوير الكيمياء الحيوية غير العضوية. [2]

تركيب الكائنات الحية

تتكون حوالي 99% من كتلة الثدييات من عناصر الكربون والنيتروجين والكالسيوم والصوديوم والكلور والبوتاسيوم والهيدروجين والفوسفور والأكسجين والكبريت . [3] تحتوي المركبات العضوية (البروتينات والدهون والكربوهيدرات ) على غالبية الكربون والنيتروجين ومعظم الأكسجين والهيدروجين موجودان على شكل ماء . [ 3 ] تسمى المجموعة الكاملة من الجزيئات الحيوية المحتوية على المعادن في الخلية بالميتالوم .

تاريخ

استخدم بول إيرليتش الزرنيخ العضوي ("الزرنيخ") لعلاج مرض الزهري ، مما يدل على أهمية المعادن، أو على الأقل أشباه الفلزات، في الطب، والتي ازدهرت مع اكتشاف روزنبرج للنشاط المضاد للسرطان للسيسبلاتين (cis-PtCl 2 (NH 3 ) 2 ). كان أول بروتين متبلور على الإطلاق (انظر جيمس ب. سومنر ) هو اليورياز ، والذي تبين لاحقًا أنه يحتوي على النيكل في موقعه النشط . أظهرت دوروثي كروفوت هودجكين أن فيتامين ب 12 ، علاج فقر الدم الخبيث ، يتكون من الكوبالت في حلقة كورين كبيرة .

مواضيع في الكيمياء الحيوية غير العضوية

هناك العديد من الأنظمة المميزة التي يمكن التعرف عليها في الكيمياء الحيوية غير العضوية. وتشمل المجالات الرئيسية ما يلي:

نقل وتخزين أيونات المعادن

يتم استخدام مجموعة متنوعة من الناقلات (على سبيل المثال مضخة الأيونات NaKATPase )، والفجوات ، وبروتينات التخزين (على سبيل المثال الفيريتين )، والجزيئات الصغيرة (على سبيل المثال السايدروفور ) للتحكم في تركيز أيونات المعادن والتوافر البيولوجي في الكائنات الحية. والأمر الحاسم هو أن العديد من المعادن الأساسية لا يمكن الوصول إليها بسهولة من البروتينات الموجودة في المصب بسبب انخفاض قابليتها للذوبان في المحاليل المائية أو ندرتها في البيئة الخلوية. وقد طورت الكائنات الحية عددًا من الاستراتيجيات لجمع ونقل مثل هذه العناصر مع الحد من سميتها الخلوية .

علم الأنزيمات

تتضمن العديد من التفاعلات في علوم الحياة الماء، وغالبًا ما تكون الأيونات المعدنية في المراكز الحفزية (المواقع النشطة) لهذه الإنزيمات، أي أنها بروتينات معدنية . غالبًا ما يكون الماء المتفاعل عبارة عن ربيطة (انظر معقد الماء المعدني ). ومن أمثلة إنزيمات الهيدرولاز أنهيدراز الكربونيك ، والفوسفاتازات المعدنية ، والبروتينازات المعدنية . يسعى الكيميائيون الحيويون غير العضويون إلى فهم وتكرار وظيفة هذه البروتينات المعدنية.

البروتينات الناقلة للإلكترون المحتوية على المعادن شائعة أيضًا. ويمكن تنظيمها في ثلاث فئات رئيسية: بروتينات الحديد والكبريت (مثل الروبريدوكسينات والفيريدوكسينات وبروتينات ريسكي ) وبروتينات النحاس الأزرق والسيتوكرومات . هذه البروتينات الناقلة للإلكترون مكملة لناقلات الإلكترون غير المعدنية نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD) وفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد ( FAD). تستخدم دورة النيتروجين المعادن على نطاق واسع في التحويلات المتبادلة للأكسدة والاختزال.

تعمل مجموعات 4Fe-4S كمرحلات للإلكترون في البروتينات.

سمية

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

بروتينات نقل الأكسجين وتنشيطه

تستخدم الحياة الهوائية على نطاق واسع المعادن مثل الحديد والنحاس والمنجنيز. يستخدم الهيم بواسطة خلايا الدم الحمراء في شكل هيموجلوبين لنقل الأكسجين وربما يكون أكثر أنظمة المعادن شهرة في علم الأحياء. تشمل أنظمة نقل الأكسجين الأخرى الميوغلوبين والهيموسيانين والهيميريريثرين . الأوكسيديزات والأكسجينيزات هي أنظمة معدنية موجودة في جميع أنحاء الطبيعة تستفيد من الأكسجين لإجراء تفاعلات مهمة مثل توليد الطاقة في أوكسيديز السيتوكروم سي أو أكسدة الجزيئات الصغيرة في أوكسيديزات السيتوكروم بي 450 أو أحادي أوكسجيناز الميثان . تم تصميم بعض البروتينات المعدنية لحماية النظام البيولوجي من التأثيرات الضارة المحتملة للأكسجين والجزيئات الأخرى المحتوية على الأكسجين التفاعلية مثل بيروكسيد الهيدروجين . تشمل هذه الأنظمة البيروكسيديزات والكاتالازات وأكسيد ديسميوتاز الفائق . البروتين المعدني المكمل لتلك التي تتفاعل مع الأكسجين هو معقد تطوير الأكسجين الموجود في النباتات. يعد هذا النظام جزءًا من الآلية البروتينية المعقدة التي تنتج الأكسجين أثناء قيام النباتات بعملية التمثيل الضوئي .

يعد الميوغلوبين موضوعًا بارزًا في الكيمياء الحيوية غير العضوية، مع الاهتمام بشكل خاص بمجمع الحديد الهيم المرتبط بالبروتين.

الكيمياء العضوية المعدنية الحيوية

تتميز الأنظمة العضوية المعدنية الحيوية بروابط معدنية-كربونية كعناصر بنيوية أو كوسيطات. تشمل الإنزيمات والبروتينات العضوية المعدنية الحيوية الهيدروجينازات ، وFeMoco في النيتروجيناز، وميثيل كوبالامين . هذه المركبات العضوية المعدنية الطبيعية . يركز هذا المجال بشكل أكبر على استخدام المعادن بواسطة الكائنات وحيدة الخلية. المركبات العضوية المعدنية الحيوية مهمة في الكيمياء البيئية . [5]

بنية FeMoco ، المركز التحفيزي للنيتروجيناز.

المعادن في الطب

يحتوي عدد من الأدوية على معادن. يعتمد هذا الموضوع على دراسة تصميم وآلية عمل المستحضرات الصيدلانية المحتوية على معادن، والمركبات التي تتفاعل مع أيونات المعادن الذاتية في المواقع النشطة للإنزيم. أكثر الأدوية المضادة للسرطان استخدامًا هو سيسبلاتين . تحتوي عوامل التباين في التصوير بالرنين المغناطيسي عادةً على الغادولينيوم . تم استخدام كربونات الليثيوم لعلاج المرحلة الهوسية من الاضطراب ثنائي القطب. تم تسويق أدوية الذهب المضادة لالتهاب المفاصل، مثل أورانوفين . تم تطوير جزيئات إطلاق أول أكسيد الكربون وهي عبارة عن مجمعات معدنية لقمع الالتهاب عن طريق إطلاق كميات صغيرة من أول أكسيد الكربون. تم فحص الأهمية القلبية الوعائية والعصبية لأكسيد النيتريك ، بما في ذلك إنزيم أكسيد النيتريك سينثيز . (انظر أيضًا: استيعاب النيتروجين ). بالإضافة إلى ذلك، تم اختبار مجمعات الانتقال المعدنية القائمة على ثلاثي آزولوبيريميدين ضد العديد من سلالات الطفيليات. [6]

الكيمياء البيئية

تؤكد الكيمياء البيئية تقليديًا على تفاعل المعادن الثقيلة مع الكائنات الحية. تسبب ميثيل الزئبق في كارثة كبرى تسمى مرض ميناماتا . التسمم بالزرنيخ مشكلة واسعة النطاق ترجع إلى حد كبير إلى تلوث المياه الجوفية بالزرنيخ ، والذي يؤثر على ملايين الأشخاص في البلدان النامية. يتضمن استقلاب المركبات المحتوية على الزئبق والزرنيخ إنزيمات تعتمد على الكوبالامين .

التمعدن الحيوي

التمعدن الحيوي هو العملية التي تنتج بها الكائنات الحية المعادن ، غالبًا لتصلب أو تقوية الأنسجة الموجودة. تسمى هذه الأنسجة الأنسجة المعدنية . [7] [8] [9] تشمل الأمثلة السيليكات في الطحالب والدياتومات ، والكربونات في اللافقاريات ، وفوسفات الكالسيوم والكربونات في الفقاريات . تشمل الأمثلة الأخرى رواسب النحاس والحديد والذهب التي تنطوي على البكتيريا. غالبًا ما يكون للمعادن المتكونة بيولوجيًا استخدامات خاصة مثل أجهزة الاستشعار المغناطيسية في البكتيريا المغناطيسية ( Fe 3 O 4 )، وأجهزة استشعار الجاذبية (CaCO 3 و CaSO 4 و BaSO 4 ) وتخزين الحديد وتعبئته (Fe 2 O 3 • H 2 O في بروتين الفيريتين ). نظرًا لأن الحديد خارج الخلية [ 10 ] يشارك بقوة في تحفيز التكلس، [11] [12] فإن التحكم فيه ضروري في تطوير الأصداف؛ يلعب بروتين الفيريتين دورًا مهمًا في التحكم في توزيع الحديد. [13]

أنواع المواد غير العضوية في علم الأحياء

القلويات والمعادن القلوية الترابية

مثل العديد من المضادات الحيوية، فإن مونينسين -أ هو أيونوفور يرتبط بإحكام بـ Na + (كما هو موضح باللون الأصفر). [14]

تعمل العناصر غير العضوية الوفيرة كإلكتروليتات أيونية . وأهم الأيونات هي الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم والمغنيسيوم والكلوريد والفوسفات والبيكربونات . ويحافظ الحفاظ على التدرجات الدقيقة عبر الأغشية الخلوية على الضغط الأسموزي ودرجة الحموضة . [15] كما أن الأيونات مهمة للأعصاب والعضلات ، حيث يتم إنتاج جهد الفعل في هذه الأنسجة عن طريق تبادل الإلكتروليتات بين السائل خارج الخلية والسيتوزول . [16] تدخل الإلكتروليتات الخلايا وتخرج منها من خلال البروتينات الموجودة في غشاء الخلية والتي تسمى القنوات الأيونية . على سبيل المثال، يعتمد تقلص العضلات على حركة الكالسيوم والصوديوم والبوتاسيوم عبر القنوات الأيونية في غشاء الخلية والأنابيب المستعرضة . [17]

المعادن الانتقالية

توجد المعادن الانتقالية عادةً كعناصر أثرية في الكائنات الحية، حيث يكون الزنك والحديد أكثر وفرة. [18] [19] [20] تُستخدم هذه المعادن كعوامل مساعدة للبروتين وجزيئات إشارة. العديد منها ضروري لنشاط الإنزيمات مثل الكاتالاز وبروتينات حاملة للأكسجين مثل الهيموجلوبين . [ 21 ] ترتبط هذه العوامل المساعدة ارتباطًا وثيقًا ببروتين معين؛ على الرغم من أنه يمكن تعديل العوامل المساعدة للإنزيم أثناء التحفيز، إلا أن العوامل المساعدة تعود دائمًا إلى حالتها الأصلية بعد حدوث التحفيز. يتم امتصاص العناصر الغذائية الدقيقة المعدنية في الكائنات الحية بواسطة ناقلات محددة وترتبط ببروتينات التخزين مثل الفيريتين أو الميتالوثيونين عند عدم استخدامها. [22] [23] الكوبالت ضروري لعمل فيتامين ب 12. [ 24]

مركبات المجموعة الرئيسية

هناك العديد من العناصر الأخرى إلى جانب المعادن التي تعتبر نشطة بيولوجيًا. الكبريت والفوسفور مطلوبان لجميع أشكال الحياة. يوجد الفوسفور حصريًا تقريبًا في صورة فوسفات وإستراته المختلفة . يوجد الكبريت في مجموعة متنوعة من حالات الأكسدة، تتراوح من الكبريتات (SO42− ) إلى الكبريتيد (S2− ) . السيلينيوم هو عنصر نادر يشارك في البروتينات التي تعمل كمضادات للأكسدة. الكادميوم مهم بسبب سميته. [25]

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ ستيفن جيه ليبارد، جيريمي إم بيرج، مبادئ الكيمياء الحيوية غير العضوية ، كتب العلوم الجامعية، 1994، ISBN  0-935702-72-5
  2. ^ جوميروفا، نادية آي؛ رومبل، أنيت (2021-03-31). "تداخل التخصصات لتطوير الكيمياء: تطبيق البولي أوكسوميتالات في علم الأحياء". الكيمياء غير العضوية . 60 (9): 6109-6114. doi : 10.1021/acs.inorgchem.1c00125 . ISSN  0020-1669. PMC 8154434. PMID 33787237  . 
  3. ^ ab Heymsfield S, Waki ​​M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R (1991). "التحليل الكيميائي والعناصري للبشر في الجسم الحي باستخدام نماذج تكوين الجسم المحسنة". المجلة الأمريكية لعلم وظائف الأعضاء . 261 (2 Pt 1): E190–8. doi :10.1152/ajpendo.1991.261.2.E190. PMID  1872381.
  4. ^ ماريت، ولفجانج (2017). "الفصل الأول. الكيمياء الحيوية غير العضوية للرصاص في سياق سميته". في أستريد، س.؛ هيلموت، س.؛ سيجل، ر.ك.و (المحررون). الرصاص: تأثيراته على البيئة والصحة . أيونات المعادن في علوم الحياة. المجلد 17. دي جرويتر. ص. 1-20. doi :10.1515/9783110434330-001. ISBN 9783110434330. PMID  28731294.
  5. ^ Sigel, A.; Sigel, H.; Sigel, RKO, eds. (2010). Organometallics in Environment and Toxicology . Metal Ions in Life Sciences. المجلد 7. كامبريدج: RSC publishing. ISBN 978-1-84755-177-1.
  6. ^ Méndez-Arriaga JM, Oyarzabal I, et al. (مارس 2018). "تقييم مبيدات الليشمانيات والتريبانوسيدال في المختبر والخصائص المغناطيسية لمجمعات 7-amino-1,2,4-triazolo[1,5-a]pyrimidine Cu(II)". مجلة الكيمياء الحيوية غير العضوية . 180 : 26–32. doi :10.1016/j.jinorgbio.2017.11.027. PMID  29227923.
  7. ^ أستريد سيجل، هيلموت سيجل ورولاند كيه أو سيجل، محررون (2008). التمعدن الحيوي: من الطبيعة إلى التطبيق . أيونات المعادن في علوم الحياة. المجلد 4. وايلي. رقم ISBN 978-0-470-03525-2.
  8. ^ واينر، ستيفن؛ لوينستام، هاينز أ. (1989). حول التمعدن الحيوي . أكسفورد [أوكسفوردشاير]: مطبعة جامعة أكسفورد. رقم ISBN 978-0-19-504977-0.
  9. ^ جان بيير كويف؛ يانيك دوفين؛ جيمس إي. سوروف (2011). المعادن الحيوية والحفريات عبر الزمن . كامبريدج. ISBN 978-0-521-87473-1.
  10. ^ Gabbiani G, Tuchweber B (1963). "دور الحديد في آلية التكلس التجريبي". J Histochem Cytochem . 11 (6): 799–803. doi : 10.1177/11.6.799 .
  11. ^ شولز، ك.؛ زوندرفان، آي.؛ جيرينجا، إل.؛ تيمرمانز، ك.؛ فيلدهويس، إم.؛ ريبيسيل، يو. (2004). "تأثير توافر المعادن النزرة على تكلس الكوكوليثوفوريد" (PDF) . نيتشر . 430 (7000): 673–676. رمز Bibcode :2004Natur.430..673S. doi :10.1038/nature02631. PMID  15295599.
  12. ^ Anghileri, LJ; Maincent, P.; Cordova-Martinez, A. (1993). "حول آلية تكلس الأنسجة الرخوة الناتج عن الحديد المعقد". علم الأمراض التجريبي والسمية . 45 (5-6): 365-368. doi :10.1016/S0940-2993(11)80429-X. PMID  8312724.
  13. ^ جاكسون، دي جي؛ وورهايد، جي؛ ديجنان، بي إم (2007). "التعبير الديناميكي عن جينات أصداف الرخويات القديمة والجديدة أثناء التحولات البيئية". علم الأحياء التطوري بي إم سي . 7 : 160. doi : 10.1186/1471-2148-7-160 . PMC 2034539. PMID  17845714 . 
  14. ^ جرينوود، نورمان ن .؛ إيرنشو، آلان (1997). كيمياء العناصر (الطبعة الثانية). باتروورث-هاينمان . رقم ISBN 978-0-08-037941-8.
  15. ^ Sychrová H (2004). "الخميرة ككائن نموذجي لدراسة نقل وتوازن كاتيونات الفلزات القلوية" (PDF) . Physiol Res . 53 (Suppl 1): S91–8. PMID  15119939.
  16. ^ ليفيتان الأول (1988). "تعديل القنوات الأيونية في الخلايا العصبية والخلايا الأخرى". Annu Rev Neurosci . 11 : 119–36. doi :10.1146/annurev.ne.11.030188.001003. PMID  2452594.
  17. ^ Dulhunty A (2006). "اقتران الإثارة والانكماش من الخمسينيات إلى الألفية الجديدة". Clin Exp Pharmacol Physiol . 33 (9): 763–72. doi :10.1111/j.1440-1681.2006.04441.x. PMID  16922804.
  18. ^ دلوهي، أدريان سي؛ أوتن، كارين إي. (2013). "المعادن الحديدية في الكائنات حقيقية النواة". في بانسي، لوسيا (المحرر). علم المعادن والخلية . أيونات المعادن في علوم الحياة. المجلد 12. سبرينغر. ص 241-278. doi :10.1007/978-94-007-5561-1_8. ISBN 978-94-007-5560-4. PMC  3924584 . PMID  23595675.الكتاب الإلكتروني ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN  1559-0836 ISSN الإلكتروني  1868-0402 
  19. ^ Mahan D, Shields R (1998). "التركيب المعدني الكبير والصغير للخنازير منذ الولادة حتى وزن 145 كيلوغرامًا". مجلة علوم الحيوانات . 76 (2): 506–12. doi :10.2527/1998.762506x. PMID  9498359. مؤرشف من الأصل في 2011-04-30.
  20. ^ Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N (2004). "تحليل بصمة العنصر للشعير (Hordeum vulgare) باستخدام مطيافية الكتلة البلازمية المقترنة بالحث، ومطيافية الكتلة النظيرية، والإحصاءات المتعددة المتغيرات". Anal Bioanal Chem . 378 (1): 171–82. doi :10.1007/s00216-003-2219-0. PMID  14551660.
  21. ^ Finney L, O'Halloran T (2003). "Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors". Science . 300 (5621): 931–6. Bibcode :2003Sci...300..931F. doi :10.1126/science.1085049. PMID  12738850. S2CID  14863354.
  22. ^ Cousins ​​R, Liuzzi J, Lichten L (2006). "Mammalian zinc transport, trading, and signals". J Biol Chem . 281 (34): 24085–9. doi : 10.1074/jbc.R600011200 . PMID  16793761.
  23. ^ Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D (2007). "امتصاص الحديد والتمثيل الغذائي في الألفية الجديدة". Trends Cell Biol . 17 (2): 93–100. doi :10.1016/j.tcb.2006.12.003. PMID  17194590.
  24. ^ كراكان، فالنتين؛ بانيرجي، روما (2013). "نقل الكوبالت والكورينويد والكيمياء الحيوية". في بانسي، لوسيا (محرر). علم المعادن والخلية . أيونات المعادن في علوم الحياة. المجلد 12. سبرينغر. ص 333-374. doi :10.1007/978-94-007-5561-1_10. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID  23595677.الكتاب الإلكتروني ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN  1559-0836 ISSN الإلكتروني  1868-0402 
  25. ^ ماريت، ولفجانج؛ موليس، جان مارك (2013). "الفصل الأول. الكيمياء الحيوية غير العضوية للكادميوم في سياق سميته". في أستريد سيجل، هيلموت سيجل ورولاند كيه أو سيجل (المحرر). الكادميوم: من علم السموم إلى الجوهر . أيونات المعادن في علوم الحياة. المجلد 11. سبرينغر. ص 1-30.

الأدب

  • هاينز بيرنهارد كراتز (محرر)، نيلز ميتزلر نولتي (محرر)، المفاهيم والنماذج في الكيمياء الحيوية غير العضوية ، جون وايلي وأولاده، 2006، ISBN 3-527-31305-2 
  • إيفانو بيرتيني، هاري ب. جراي، إدوارد آي. ستيفل، جوان سيلفرستون فالنتين، الكيمياء الحيوية غير العضوية ، كتب العلوم الجامعية، 2007، ISBN 1-891389-43-2 
  • فولفجانج كايم، بريجيت شويدرسكي، "الكيمياء الحيوية غير العضوية: العناصر غير العضوية في كيمياء الحياة"، جون وايلي وأولاده، 1994، ISBN 0-471-94369-X 
  • روزيت م. روات مالون، الكيمياء الحيوية غير العضوية: دورة قصيرة ، وايلي-إنترسايس ، 2002، ISBN 0-471-15976-X 
  • JJR Fraústo da Silva و RJP Williams، الكيمياء البيولوجية للعناصر: الكيمياء غير العضوية للحياة ، الطبعة الثانية، مطبعة جامعة أكسفورد ، 2001، ISBN 0-19-850848-4 
  • لورانس كيو جونيور، محرر، الطرق الفيزيائية في الكيمياء الحيوية غير العضوية ، كتب العلوم الجامعية، 2000، ISBN 1-891389-02-5 
  • الصفحة الرئيسية لجمعية الكيمياء الحيوية غير العضوية (SBIC)
  • الجمعية الفرنسية للكيمياء الحيوية غير العضوية
  • مسرد المصطلحات في الكيمياء الحيوية غير العضوية
  • مجموعات التنسيق المعدنية في البروتينات بقلم مارغوري هاردينج
  • المعهد الأوروبي للمعلوماتية الحيوية
  • MetalPDB: قاعدة بيانات لمواقع المعادن في الهياكل الجزيئية الحيوية محفوظ في 2015-09-15 على موقع Wayback Machine
تم الاسترجاع من "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=الكيمياء_الحيوية_غير_العضوية&oldid=1240194595"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate