Combinațiile complexe în sistemele biologice

Combinatii complexe in sisteme biologice

INTRODUCERE

Chimia bioanorganică

Chimia bioanorganică a apărut tocmai din conştientizarea faptului că organismul viu are nevoie şi de alte elemente decât carbonul, hidrogenul, azotul şi oxigenul. Aici se pot distinge două categorii. Mai întâi aceste elemente prezente în cantităţi mult mai mici decât cele patru elemente majoritare, totalul lor atingând la om totuşi 1% din atomi. Aceste elemente sunt necesare tuturor formelor cunoscute de viată.

A doua categorie este formată din elemente prezente în cantităţi încă şi mai mici (de unde şi numele lor de oligoelemente) dar absolut indispensabile. Este cazul vanadiului, cromului, manganului, ferului, cobaltului, nichelului, cuprului, zincului, molibdenului, borului, siliciului, seleniului, fluorului, iodului şi poate a arsenului, bromului şi staniului. Intervenţia ultimelor trei elemente în procesele vieţii nu a fost încă definitiv probată. Nu orice formă de viaţă are nevoie de toate aceste elemente ci numai de câte o parte din ele.

Fierul este fără îndoială unul din oligoelementele cu rolul cel mai cunoscut în fenomenele vieţii, 65% din acest element găsindu-se în hemoglobină şi 6% în a doua proteină care serveşte la fixarea oxigenului, mioglobina. 13% şi 12% din fer este stocat în feritină şi respectiv hemosiderină.

În alte enzime, absolut vitale cum ar fi citocromii, cantităţile de fer sunt mult mai reduse. În hemoglobină, mioglobină şi citocromi, un atom de fer este legat de o grupare de natură organică particulară, porfirina. Complexul format de fer cu porfirina se numeşte hem. Chimia complecşilor porfirinelor cu fer este foarte vastă. /1/

I. Generalităţi

Metaloenzimele pot fi considerate ca fiind proteine care conţin ioni ai metalelor tranziţionale în situsurile lor active. Enzimele cu zinc au fost identificate pentru toate cele 6 clase importante de enzime: oxido-reductaze, transferaze, hidrolaze, liaze, izomeraze şi ligaze. Ionul de zinc funcţionează ca un centru activ superacid în proteinele care sunt capabile de a iniţia hidroliza la o multitudine de legături chimice susceptibile.

Partea proteică a metaloenzimei selectează şi limitează deasemenea substraturile ce furnezează legătura chimică care va fi hidrolizată. Ionii de metal pot juca deasemenea un rol important în geometria proteinei, în poziţionarea substratului şi în formarea unui situs (loc sau centru) activ.

Dintre cele zece metale care se găsesc în urme (Mn, Mo, Co, Cr, V, Ni, Cd, Sn, Pb, Li), numai patru (Mn, Mo, Co şi Ni) au fost identificate în mod cert ca părţi componenete ale metaloenzimelor. Mn este prezent în câteva metaloenzime importante: superoxiddismutaza (mitocondrială), arginaza, piruvatcarboxilaza, şi glicoziltransferaza. Mn pare să fie implicat direct în mecanismul enzimatic al metabolismului carbohidraţilor cu posibile legături în metabolismul lipidic. În toate molibdoenzimele, cu excepţia nitrogenazei, metalul există ca un Mo cofactor, un complex metalic cu o moleculă organică numită molibdopterină.

Mo poate fi coordinat la doi liganzi oxo sau la un ligand oxo şi o grupare sulfură terminală. În nitrogenază, metalul este prezent într-un cluster unic care conţine fier, molibden şi sulfură. În plante şi microorganisme, se ştie că Ni funcţionează în câteva metaloenzime-ureaze, hidrogenaze şi monoxid de carbon dehidrogenaza. Rolul cobaltului, în ciuda complexităţii sale, este cel mai bine elucidat dintre toate metalele esenţiale care se găsesc în urme. Atât vitamina B12 cât şi coenzima B12 au ioni de Co complexaţi în poziţiile lor ecuatoriale, de patru atomi de azot, care aparţin unui ligand macrociclic numit corină.

Astfel, metaloenzimele au furnizat cel mai bun model pentru a determina cum operează ionii de metal în urme. Datele pe care se bazează acest model, pentru cele şase metale în urme care au mai rămas lipsesc. Cromul funcţionează in vivo ca un complex organic al Cr (peptidic?). Rolul său biologic este de a susţine activitatea insulinei. Alături de crom, acest complex organic poate conţine acid nicotinic şi glutation sau constituenţii săi.

Compuşii vanadiului inhibă numeroase enzime, în particular ATP-aze şi fosfo-transferaze. Acest lucru a sugerat un rol pentru ionul vanadat în controlul pompei de sodiu. Vanadiul este folosit de asemenea ca biocatalizator pentru oxidarea substraturilor implicate în metabolismul colesterolului. Cu excepţia inducţiei metalotioneinei, cele mai multe efecte biologice ale cadmiului au fost cele de inhibiţie. Reglarea deficienţelor de plumb, poate avea ca rezultat corectarea sau prevenirea modificărilor în metabolismul ferului şi hemetologie. Deocamdată date asupra posibilelor acţiuni ale staniului şi litiului lipsesc. Deocamdată nu s-a găsit explicaţii pentru acţiunea acestor ultime 6 elemente în urme şi nu există nici o garanţie că vor fi găsiţi reactanţi peptidici sau proteici specifici. Provocarea pentru chimiştii bioanorganicieni pentru rezolvarea acestor probleme este limpede. /3/