生物無機化学
生物学における金属の役割の研究

生物無機化学は、生物学における金属の役割を研究する分野です。生物無機化学には、金属タンパク質の挙動などの自然現象と、医学および毒物学における非必須金属を含む人工的に導入された金属の両方の研究が含まれます。呼吸などの多くの生物学的プロセスは、無機化学の領域に属する分子に依存しています。この分野には、金属タンパク質の挙動を模倣する無機モデルまたは模倣体の研究も含まれます。[1]

生化学と無機化学の融合である生物無機化学は、電子伝達タンパク質、基質結合と活性化、原子および基移動化学、そして生物化学における金属特性の影響を解明する上で重要です。真に学際的な研究の成功は、生物無機化学の発展に不可欠です。[2]

生物の構成

哺乳類の質量の約99%は、炭素、窒素、カルシウム、ナトリウム、塩素、カリウム、水素、リン、酸素、硫黄の元素で構成されています。[3]有機化合物（タンパク質、脂質、炭水化物）は炭素と窒素の大部分を含み、酸素と水素の大部分は水として存在しています。[3]細胞内の金属含有生体分子 の集合全体は、メタロームと呼ばれます。

歴史

パウル・エールリッヒは梅毒の治療に有機ヒ素（「ヒ素剤」）を使用し、金属、あるいは少なくとも半金属の医学への関連性を実証しました。これは、ローゼンバーグによるシスプラチン（cis-PtCl 2 (NH 3 ) 2）の抗がん活性の発見によって開花しました。結晶化された最初のタンパク質（ジェームズ・B・サムナー参照）はウレアーゼであり、後に活性部位にニッケルを含むことが示されました。 悪性貧血の治療薬であるビタミンB12は、ドロシー・クロウフット・ホジキンによって結晶構造的に、コリン環内のコバルトで構成されていることが示されました。

生物無機化学のテーマ

生物無機化学では、いくつかの異なるシステムが識別可能です。主な分野は次のとおりです。

金属イオンの輸送と貯蔵

生体内では、金属イオンの濃度と生体内利用能を制御するために、多様な輸送体（例：イオンポンプNaKATPase）、液胞、貯蔵タンパク質（例：フェリチン）、小分子（例：シデロフォア）が利用されています。重要なことに、多くの必須金属は、水溶液への溶解度が低い、または細胞環境では希少であるため、下流のタンパク質に容易にアクセスできません。生物は、細胞毒性を制限しながら、そのような元素を収集および輸送するための多くの戦略を開発してきました。

酵素学

生命科学における多くの反応には水が関与しており、金属イオンはこれらの酵素の触媒中心（活性部位）に存在することがよくあります。つまり、これらは金属タンパク質です。反応する水はしばしば配位子です（金属アクア錯体を参照）。加水分解酵素の例としては、炭酸脱水酵素、金属ホスファターゼ、メタロプロテアーゼなどがあります。生物無機化学者は、これらの金属タンパク質の機能を理解し、再現しようと努めています。

金属含有電子伝達タンパク質も一般的です。これらは、鉄硫黄タンパク質（ルブレドキシン、フェレドキシン、リースケタンパク質など）、青色銅タンパク質、シトクロムの3つの主要なクラスに分類できます。これらの電子伝達タンパク質は、非金属電子輸送体であるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NAD）およびフラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）と相補的です。窒素循環では、酸化還元相互変換に金属が広く利用されています

4Fe-4Sクラスターはタンパク質内で電子リレーとして機能します。

毒性

いくつかの金属イオンはヒトや他の動物に対して有毒です。鉛の毒性に関する生物無機化学はレビューされています。[4]

酸素輸送と活性化タンパク質

好気性生物は、鉄、銅、マンガンなどの金属を広範に利用しています。 ヘムは、赤血球によってヘモグロビンの形で酸素運搬に利用されており、生物学でおそらく最も認知されている金属システムです。その他の酸素運搬システムには、ミオグロビン、ヘモシアニン、ヘムエリスリンなどがあります。 酸化酵素と酸素添加酵素は、自然界で見られる金属システムで、酸素を利用して、シトクロム c 酸化酵素でのエネルギー生成や、シトクロム P450 酸化酵素やメタンモノオキシゲナーゼでの小分子の酸化などの重要な反応を実行します。一部の金属タンパク質は、酸素や過酸化水素などの他の反応性酸素含有分子の潜在的に有害な影響から生物系を保護するように設計されています。これらのシステムには、ペルオキシダーゼ、カタラーゼ、スーパーオキシドジスムターゼなどがあります。酸素と反応する金属タンパク質を補完するものとして、植物に存在する酸素発生複合体があります。

ミオグロビンは生物無機化学における重要な研究対象であり、特にタンパク質に固定されている鉄ヘム錯体に注目が集まっています。

生体有機金属化学

生体有機金属系は、構造要素または中間体として金属-炭素結合を特徴としています。生体有機金属酵素およびタンパク質には、ヒドロゲナーゼ、ニトロゲナーゼのFeMoco 、メチルコバラミンが含まれます。これらは天然に存在する有機金属化合物です。この分野は、単細胞生物による金属の利用に重点を置いています。生体有機金属化合物は環境化学において重要です。[5]

ニトロゲナーゼの触媒中心であるFeMocoの構造。

医療における金属

多くの薬剤には金属が含まれています。このテーマは、金属含有医薬品の設計と作用機序、および酵素活性部位の内因性金属イオンと相互作用する化合物の研究に基づいています。最も広く使用されている抗がん剤はシスプラチンです。MRI 造影剤には一般的にガドリニウムが含まれています。 炭酸リチウムは双極性障害の躁病期の治療に使用されてきました。オーラノフィンなどの金抗関節炎薬が商品化されています。 一酸化炭素放出分子は、少量の一酸化炭素を放出することで炎症を抑制するために開発された金属錯体です。一酸化窒素合成酵素を含む一酸化窒素の心血管および神経細胞における重要性が検討されています。（窒素同化も参照）さらに、トリアゾロピリミジンに基づく金属遷移錯体は、いくつかの寄生虫株に対して試験されています。[6]

環境化学

環境化学は伝統的に、重金属と生物との相互作用を重視しています。 メチル水銀は水俣病と呼ばれる大きな災害を引き起こしました。ヒ素中毒は、主に地下水のヒ素汚染による広範な問題であり、発展途上国では何百万人もの人々に影響を与えています。水銀およびヒ素含有化合物の代謝には、コバラミンをベースとした酵素が関与しています。

バイオミネラリゼーション

バイオミネラリゼーションとは、生体が鉱物を生成する過程であり、多くの場合、既存の組織を硬化または堅くする。このような組織は、鉱物化組織と呼ばれる。[7] [8] [9] 例としては、藻類や珪藻類のケイ酸塩、無脊椎動物の炭酸塩、脊椎動物のリン酸カルシウムおよび炭酸カルシウムが挙げられる。その他の例としては、細菌が関与する銅、鉄、金の鉱床が挙げられる。生物学的に形成された鉱物は、磁性細菌の磁気センサー（Fe 3 O 4）、重力センサー（CaCO 3、CaSO 4、BaSO 4）、鉄の貯蔵および動員（タンパク質フェリチン中のFe 2 O 3 •H 2 O ）など、特別な用途を持つことが多い。細胞外鉄[10]は石灰化の誘導に強く関与しているため、[11] [12]鉄の制御は貝殻の発達に不可欠であり、タンパク質フェリチンは鉄の分布制御に重要な役割を果たしている。[13]

生物学における無機物質の種類

アルカリ金属とアルカリ土類金属

多くの抗生物質と同様に、モネンシンAはNa +と強く結合するイオノフォアです（黄色で表示）。[14]

豊富な無機元素はイオン性 電解質として機能します。最も重要なイオンは、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、塩化物、リン酸、重炭酸塩です。細胞膜を横切る正確な勾配を維持することで、浸透圧とpHが維持されます。[15]イオンは神経や筋肉にとっても重要です。これらの組織の活動電位は、細胞外液と細胞質の間の電解質の交換によって生成されるためです。[16]電解質は、イオンチャネルと呼ばれる細胞膜のタンパク質を介して細胞に出入りします。例えば、筋肉の収縮は、細胞膜とT管のイオンチャネルを通るカルシウム、ナトリウム、カリウムの移動に依存しています。[17]

遷移金属

遷移金属は通常、生物体内に微量元素として存在し、亜鉛と鉄が最も豊富です。[18] [19] [20]これらの金属はタンパク質補因子やシグナル伝達分子として使用されます。多くはカタラーゼなどの酵素やヘモグロビンなどの酸素運搬タンパク質の活性に不可欠です。[21]これらの補因子は特定のタンパク質に密接に結合しています。酵素補因子は触媒作用中に修飾される可能性がありますが、触媒作用が起こった後は常に元の状態に戻ります。金属微量栄養素は特定のトランスポーターによって生物体内に取り込まれ、使用されていないときはフェリチンやメタロチオネインなどの貯蔵タンパク質に結合します。[22] [23] コバルトはビタミンB12の機能に不可欠です。[24]

典型化合物

金属以外にも多くの元素が生理活性を持っています。硫黄とリンはす​​べての生命にとって不可欠です。リンはほぼ例外なくリン酸とその様々なエステルとして存在します。硫黄は硫酸塩（ SO）から様々な酸化状態で存在します。 2−4
）から硫化物（S 2−）まで変化します。セレンは抗酸化物質であるタンパク質に関与する微量元素です。カドミウムは毒性があるため重要です。[25]

参照

参考文献

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文献

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  • ロゼット・M・ロート＝マローン著『 生物無機化学：短期講座』、ワイリー・インターサイエンス、2002年、ISBN 978-0-471-15976-6
  • JJR Fraústo da Silva、RJP Williams著、『元素の生物化学：生命の無機化学』第2版、オックスフォード大学出版局、2001年、ISBN 978-0-19-850848-9
  • ローレンス・クエ・ジュニア編、『生無機化学における物理的手法』、ユニバーシティ・サイエンス・ブックス、2000年、ISBN 978-1-891389-02-3
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