Бионеорганическая химия

БИОНЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ (неорганическая биохимия), наука, возникшая на стыке биохимии и молекулярной биологии, с одной стороны, и химии координационных соединений - с другой; изучает главным образом комплексы белков, нуклеиновых кислот, липидов и низкомолекулярных природных соединений с ионами металлов, выполняющих определённую биохимическую функцию в организме.

Основное направление исследований в бионеорганической химии - изучение роли металлов в протекании биохимических реакций. Множество разнообразных биологических процессов осуществляется под действием строго определённых ионов металлов. Например, ионы Na⁺, К⁺, Mg²⁺ и Са²⁺ выполняют регуляторную функцию в клетке. Ионы Са²⁺ являются вторичным мессенджером (осуществляют функцию внутриклеточного посредника в действии ряда гормонов, медиаторов нервного возбуждения и пр.), активизирующим многие ферментативные процессы, включая фосфорилирование белков, сжатие гладкой мускулатуры, экзоцитоз. Ионы Mg²⁺ входят в состав хлорофилла и участвуют в фотокаталитических реакциях при фотосинтезе. Ионы переходных металлов - Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Со, V, Cr - как правило, входят в состав активных центров различных металлоферментов, катализирующих прежде всего окислительно-восстановительные процессы. В качестве системы, поддерживающей определённую концентрацию ионов металлов, выступают некоторые металлобелки (например, железосодержащий белок ферритин, медьсодержащий белок церулоплазмин). С исследованиями в области биоэнергетической химии связано решение ряда других проблем - изучение биохимической роли микроэлементов, присутствующих в живых организмах в следовых количествах (например, В,Se, Si, Al, As, Br, I), фиксации азота, транспорта кислорода и пр.

Биоэнергетическая химия сформировалась как самостоятельная дисциплина в 1950-х годах в результате изучения структуры и функции металлобелков, металлоферментов и биологических мембран. Важнейшее направление биоэнергетической химии, появившееся в конце 20 – начале 21 века, - металломика, то есть исследование распределения ионов металлов в различных клеточных компартментах (в случае комплексов ионов металлов с белками - металлопротеомика). Различают качественную и количественную металломику; задача первой - изучение внутриклеточного распределения различных металлов, второй - определение концентрации ионов металлов. Изучением изменений содержания ионов металла в клетке в процессе развития или при воздействии внешних стимулов занимается сравнительная металломика. При повышенном или пониженном, по сравнению с нормальным, содержании ионов металлов развиваются различные патологии. В ряде случаев возникновение патологий связано с индуцируемыми металлами токсическими изменениями в клеточном метаболизме (например, вызываемые некоторыми металлами канцерогенез) и проявляется как следствие влияния ионов металлов на генерирование активных форм кислорода и окислительных сигналов, механизмы регуляции клеточной транскрипции, активации антиоксидантных факторов, онкогенов, апоптоза и пр.

В биоэнергетической химии используются представления химии координационных соединений, квантовой химии, химии природных соединений, энзимологии. Основными методами исследования являются оптические, основанные как на собственных спектральных свойствах биологических комплексов металлов, так и на свойствах специально синтезированных индикаторных соединений - так называемых молекулярных клеточных сенсоров. Применяются также ЯМР и ЭПР, в металломике - комбинация методов двумерного электрофореза или хроматографии с различными вариантами масс-спектрометрии. Практическое значение биоэнергетической химии связано главным образом с разработкой и синтезом новых лекарственных препаратов, действие которых обусловлено формированием комплексов с металлами.

Лит.: Яцимирский К. Б. Введение в бионеорганическую химию. К., 1976; Неорганическая биохимия. М., 1978. Т. 1-2; Silva Frausto Da J. J. R., Williams R.J. Р. The biological chemistry of the elements: the inorganic chemistry of life. 2nd ed. Oxf.; N.Y., 2001; Chen F., Shi Х. Intracellular signal transduction of cells in response to carcinogenis metals // Critical Reviews in Oncology / Hematology. 2002. Vol. 42. № 1; Holm R.Н., Solomon Е.I. Biomimetic inorganic chemistry // Chemical Reviews. 2004. Vol. 104. № 2.