الكيمياء العضوية المعدنية الحيوية
الكيمياء العضوية المعدنية الحيوية هي دراسة الجزيئات النشطة بيولوجيًا التي تحتوي على كربون مرتبط مباشرة بالمعادن أو أشباه الفلزات. منذ فترة طويلة تم الاعتراف بأهمية مراكز المجموعة الرئيسية والمعادن الانتقالية باعتبارها مهمة لوظيفة الإنزيمات والجزيئات الحيوية الأخرى. ومع ذلك، فإن مجموعة فرعية صغيرة فقط من المجمعات المعدنية الطبيعية والمستحضرات الصيدلانية المحضرة صناعياً هي عضوية معدنية ؛ أي أنها تتميز برابطة تساهمية مباشرة بين المعدن (الذرة) وذرة الكربون. كانت الأمثلة الأولى والوحيدة لفترة طويلة للمركبات العضوية المعدنية الحيوية التي تحدث بشكل طبيعي هي عوامل الكوبالامين المساعدة (فيتامين ب 12 ) بأشكاله المختلفة. [1] في القرن الحادي والعشرين، نتيجة لاكتشاف أنظمة جديدة تحتوي على روابط كربون-معدن في علم الأحياء، ظهرت الكيمياء العضوية المعدنية بسرعة باعتبارها تخصصًا فرعيًا متميزًا للكيمياء الحيوية غير العضوية التي تمتد بين الكيمياء العضوية المعدنية والكيمياء الحيوية . تشمل المركبات العضوية المعدنية الحيوية الطبيعية الإنزيمات وبروتينات الاستشعار . كما يوجد ضمن هذا المجال مركبات عضوية معدنية معدة صناعيًا تعمل كأدوية جديدة وعوامل تصوير ( تكنيتيوم-99م سيستامبي ) بالإضافة إلى المبادئ ذات الصلة بعلم السموم للمركبات العضوية المعدنية (على سبيل المثال، ميثيل الزئبق ). [2] [3] وبالتالي، أصبحت الكيمياء العضوية المعدنية الحيوية ذات صلة متزايدة بالطب وعلم الأدوية . [4]
في العوامل المساعدة والمجموعات الاصطناعية
فيتامين ب 12 هو النوع العضوي المعدني الأكثر بروزًا. فيتامين ب 12 هو في الواقع مجموعة من العوامل المساعدة للإنزيمات ذات الصلة ، والتي يحتوي العديد منها على روابط كوبالت-ألكيل، ويشارك في تفاعلات الميثيل البيولوجي وإعادة ترتيب 1،2-كربون. لفترة طويلة منذ أن أوضح هودجكين بنيته في عام 1955، كان يُعتقد أنه المثال الوحيد لنظام عضوي معدني حيوي يحدث بشكل طبيعي.
تُجري العديد من الإنزيمات العضوية الحيوية تفاعلات تتضمن أول أكسيد الكربون . يحفز إنزيم أول أكسيد الكربون ديهيدروجينيز (CODH) تفاعل تحول الماء إلى غاز ، والذي يوفر CO (من خلال وسيط نيكيل كاربوكسيلات ) لتخليق أسيتيل كوإنزيم أ . تتم الخطوة الأخيرة عن طريق إنزيم Ni-Fe CO-methylating acetyl-CoA synthase (ACS). غالبًا ما يحدث CODH وACS معًا في مركب رباعي، حيث يتم نقل CO عبر نفق ويتم توفير مجموعة الميثيل بواسطة ميثيل كوبالامين .
الهيدروجينازات هي عضوي معدني حيوي بمعنى أن مواقعها النشطة تتميز بوظائف Fe–CO، على الرغم من أن ربيطات CO هي مجرد متفرجين. [5] تحتوي هيدروجينازات [FeFe] ثنائية النواة على موقع نشط Fe 2 (μ-SR) 2 (μ-CO)(CO) 2 ( CN ) 2 متصل بمجموعة 4Fe4S عبر ثيولات جسرية. يوصف الموقع النشط لهيدروجينازات [NiFe] بأنه (NC) 2 (OC)Fe(μ-SR) 2 Ni(SR) 2 (حيث SR هو سيستينيل ). [6] تحتوي هيدروجينازات [Fe] أحادية النواة على موقع نشط Fe(CO) 2 (SR)(LX)، حيث LX هو ربيطة 6-أسيل ميثيل-2-بيريدينول، مرتبطة بمركز Fe من خلال نيتروجين البيريديل (L) وكربون الأسيل (X). [7] [8] وبالتالي فإن هذه الفئة من الهيدروجينازات توفر أمثلة على معقدات أسيل الحديد الطبيعية.
تتضمن عملية تكوين الميثان ، وهي عملية التخليق الحيوي للميثان، الخطوة الأخيرة وهي انقسام رابطة النيكل - الميثيل في العامل المساعد F430 .
يحتوي عامل الحديد والموليبدينوم المساعد ( FeMoco ) للنيتروجينازات على وحدة Fe 6 C وهو مثال على الكربيد الخلالي الموجود في علم الأحياء. [9] [10]
تم الإبلاغ عن أن أول مثال لنوع أريل ميتال طبيعي، وهو معقد كماشة يحتوي على رابطة نيكل -أريل، يشكل الموقع النشط لراكيميز اللاكتات . [11]
في بروتينات الاستشعار
من المعروف أن بعض البروتينات التي تحتوي على [NiFe] تستشعر H2 وبالتالي تنظم النسخ.
من المعروف أن البروتينات المحتوية على النحاس تستشعر الإيثيلين، وهو هرمون معروف بأهمية نضج الفاكهة. يوضح هذا المثال الدور الأساسي للكيمياء العضوية المعدنية في الطبيعة، حيث ترتبط جزيئات قليلة خارج معقدات المعادن الانتقالية منخفضة القيمة بالألكينات بشكل عكسي. تمنع السيكلوبروبينات النضج عن طريق الارتباط بمركز النحاس (I). يرتبط الارتباط بالنحاس أيضًا بحاسة الشم لدى الثدييات للأوليفينات. [12]
يوجد أول أكسيد الكربون بشكل طبيعي وهو عامل نسخ من خلال مركبه مع بروتين استشعار يعتمد على البورفيرينات الحديدية.
في الطب
كان للمركبات العضوية المعدنية التي تحتوي على الزئبق (على سبيل المثال، الثيومرسال ) والزرنيخ (على سبيل المثال، سالفارسان ) تاريخ طويل من الاستخدام في الطب كمضادات للميكروبات غير انتقائية قبل ظهور المضادات الحيوية الحديثة.
يُظهِر ثنائي كلوريد التيتانوسين نشاطًا مضادًا للسرطان، كما يُعد ثنائي كلورو إيدوبيس[( p -methoxybenzyl)cyclopentadienyl]titanium مرشحًا حاليًا لعقار مضاد للسرطان. تُعَد معقدات الأرين والسيكلوبنتادينيل منصات خاملة حركيًا لتصميم المستحضرات الصيدلانية المشعة الجديدة.
علاوة على ذلك، تم إجراء دراسات باستخدام ربيطات شبه اصطناعية خارجية؛ على وجه التحديد لناقل الدوبامين، حيث لوحظت زيادة في الفعالية الناتجة فيما يتعلق بسلوك تسهيل المكافأة ( أهمية الحافز ) والاعتياد، وخاصة مع مركب فينيل تروبان [η 6 -(2 β - كاربوميثوكسي -3 β - فينيل) تروبان] ثلاثي كربونيل الكروم .
كما يتم أيضًا البحث بشكل نشط في المركبات العضوية المعدنية التي تطلق أول أكسيد الكربون ، وذلك بسبب أهمية أول أكسيد الكربون كناقل للغاز .
علم السموم
في مجال الكيمياء العضوية المعدنية الحيوية، هناك دراسة لمصائر المركبات العضوية المعدنية الاصطناعية. وقد حظي رباعي إيثيل الرصاص باهتمام كبير في هذا الصدد، كما حظي خلفاؤه مثل ميثيل سيكلوبنتادينيل منجنيز تريكاربونيل . ويشكل ميثيل الزئبق حالة سيئة السمعة بشكل خاص؛ حيث يتم إنتاج هذا الكاتيون من خلال عمل إنزيمات مرتبطة بفيتامين ب 12 على الزئبق.
مراجع
- ^ Hodgkin DG, Pickworth J, Robertson JH, Trueblood KN, Prosen RJ, White JG (أغسطس 1955). "البنية البلورية لحمض الهيكساكاربوكسيليك المشتق من فيتامين ب12 والبنية الجزيئية للفيتامين". مجلة نيتشر . 176 (4477): 325-328. رمز Bibcode :1955Natur.176..325H. doi :10.1038/176325a0. PMID 13253565. S2CID 4220926.
- ^ Sigel A, Sigel H, Sigel RK, eds. (2009). روابط معدنية-كربونية في الإنزيمات والعوامل المساعدة . أيونات معدنية في علوم الحياة. المجلد 6. الجمعية الملكية للكيمياء. ISBN 978-1-84755-915-9.
- ^ Linck RC, Rauchfuss TB (2005). "Synthetic Models for Bioorganometallic Reaction Centers". في Jaouen G (محرر). Bioorganometallics: Biomolecules, Labeling, Medicine . Weinheim: Wiley-VCH. ص. 403–435. doi :10.1002/3527607692.ch12. ISBN 978-3-527-30990-0.
- ^ Jaouen G (2006). Bioorganometallics : biomolecules, labeling, medicine . Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 3527607692. OCLC 85821090.
- ^ كاماك ر، فراي م، روبسون ر (2001). الهيدروجين كوقود: التعلم من الطبيعة . لندن: تايلور وفرانسيس. ISBN 978-0-415-24242-4.
- ^ Volbeda A, Fontecilla-Camps JC (2003). "الموقع النشط والآلية التحفيزية لهيدروجينات النيكل والحديد". معاملات دالتون (21): 4030-4038. doi :10.1039/B304316A.
- ^ Hiromoto T, Ataka K, Pilak O, Vogt S, Stagni MS, Meyer-Klaucke W, et al. (فبراير 2009). "يشير التركيب البلوري لـ [Fe]-hydrogenase المتحور بـ C176A إلى وجود ارتباط أسيل-حديد في مركب الحديد بالموقع النشط". رسائل FEBS . 583 (3): 585-590. doi :10.1016/j.febslet.2009.01.017. PMID 19162018. S2CID 1055079.
- ^ Schaupp S، Arriaza-Gallardo FJ، Pan HJ، Kahnt J، Angelidou G، Paczia N، وآخرون. (مايو 2022). "التخليق الحيوي لعامل [Fe]-Hydrogenase المساعد في المختبر يؤكد على السلائف الحيوية المقترحة". Angewandte Chemie . 61 (22): e202200994. doi :10.1002/anie.202200994. PMC 9314073. PMID 35286742 .
- ^ Spatzal T, Aksoyoglu M, Zhang L, Andrade SL, Schleicher E, Weber S, et al. (نوفمبر 2011). "دليل على الكربون الخلالي في العامل المساعد للنيتروجيناز FeMo". Science . 334 (6058): 940. Bibcode :2011Sci...334..940S. doi :10.1126/science.1214025. PMC 3268367. PMID 22096190 .
- ^ Lancaster KM, Roemelt M, Ettenhuber P, Hu Y, Ribbe MW, Neese F, et al. (نوفمبر 2011). "أظهرت مطيافية انبعاث الأشعة السينية وجود كربون مركزي في العامل المساعد للنيتروجيناز والحديد والموليبدينوم". Science . 334 (6058): 974–977. Bibcode :2011Sci...334..974L. doi :10.1126/science.1206445. PMC 3800678. PMID 22096198 .
- ^ Rankin JA، Mauban RC، Fellner M، Desguin B، McCracken J، Hu J، et al. (يونيو 2018). "عامل مساعد نيكل-بينسر لاكتات راسيميز يعمل بآلية نقل هيدريد مقترن بالبروتون". الكيمياء الحيوية . 57 (23): 3244-3251. doi :10.1021/acs.biochem.8b00100. OSTI 1502215. PMID 29489337.
- ^ Duan X, Block E, Li Z, Connelly T, Zhang J, Huang Z, et al. (فبراير 2012). "الدور الحاسم للنحاس في الكشف عن الروائح المنسقة للمعادن". وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 109 (9): 3492–3497. Bibcode :2012PNAS..109.3492D. doi : 10.1073/pnas.1111297109 . PMC 3295281. PMID 22328155 .
