Bioanorganische Chemie

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1 Wolfgang Kaim, Brigitte Schwederski Bioanorganische Chemie Zur Funktion chemischer Elemente in Lebensprozessen 4., durchgesehene Auflage Teubner

2 Inhaltsübersicht 1 Historischer Überblick und aktuelle Bedeutung 1 2 Einige Grundlagen Vorkommen und Verfügbarkeit anorganischer Elemente in Organismen Biologische Funktionen anorganischer Elemente "Biologische" Liganden für Metailionen Koordination durch Proteine - Anmerkungen zur enzymatischen Katalyse Tetrapyrrol-Liganden und andere Makrozyklen Nukleobasen, Nukleotide und Nukleinsäuren (RNA, DNA) als Komplexliganden Bedeutung von Modellverbindungen 39 3 Cobalamine einschließlich Vitamin und Coenzym B Historischer Abrß und strukturelle Charakterisierung Reaktionen der Alkylcobalamine Einelektronen-Reduktion und -Oxidation Co-C-Bindungsspaltung Mutase-Aktivität des Coenzyms B Alkylierungs-Reaktionen des Methylcobalamins Modellsysteme und Rolle des Apoenzyms 56 4 Metalle im Zentrum der Photosynthese: Magnesium und Mangan Umfang und Gesamteffektivität der Photosynthese Primärprozesse der Photosynthese Licht-Absorption (Energieaufnahme) Excitonen-Transport (gerichtete Energieübertragung) Ladungstrennung und Elektronentransport Ankopplung chemischer Reaktionen: Die Wasseroxidation 72

3 XII Inhaltsübersicht 5 Der anorganische Naturstoff 0 2 : Aufnahme, Transport und Speicherung Entstehung sowie molekulare und komplexchemische Eigenschaften von Disauerstoff Sauerstoff-Transport und -Speicherung mittels Hämoglobin und Myoglobin Alternativer Sauerstoff-Transport in einigen Wirbellosen: Hämerythrin und Hämocyanin Katalyse durch Hämoproteine: Elektronenübertragung, Sauerstoffaktivierung und Metabolismus anorganischer Zwischenprodukte Cytochrome Cytochrom P-450: Sauerstoffübertragung von 0 2 auf nicht aktivierte Substrate Peroxidasen: Abbau und Verwertung des zweifach reduzierten Disauerstoffs Steuerung des Reaktionsmechanismus der Oxyhäm-Gruppe - Erzeugung und Funktion organischer freier Radikale Hämoproteine in der katalytischen Umsetzung teilreduzierter Stickstoff- und Schwefeloxide Eisen-Schwefel- und andere Nichthäm-Eisen-Proteine Biologische Bedeutung der Elementkombination Eisen/Schwefel Rubredoxine [2Fe-2S]-Zentren Mehrkernige Fe/S-Cluster: Bedeutung der Proteinumgebung und katalytische Aktivität Modellverbindungen für Eisen-Schwefel-Proteine Eisenenzyme ohne Porphyrin- und Schwefel-Liganden Eisenhaltige Ribonukleotid-Reduktase (RR) Methan-Monooxygenase Violette saure Phosphatasen (Fe/Fe und Zn/Fe) Einkernige Nichthäm-Eisen-Enzyme 155

4 Inhaltsübersicht xiii 8 Aufnahme, Transport und Speicherung eines essentiellen Elements: Das Beispiel Eisen Problematik der Eisenmobilisierung - Löslichkeit, Oxidationsstufen und medizinische Relevanz Siderophore: Eisen-Aufnahme durch Mikroorganismen Phytosiderophore: Aufnahme von Eisen durch Pflanzen Transport und Speicherung von Eisen Transferrin Ferritin Hämosiderin Nickelhaltige Enzyme: Die steile Karriere eines lange übersehenen Biometalls Überblick Urease Hydrogenasen CO-Dehydrogenase = CO-Oxidoreduktase = Acetyl-CoA-Synthase Methyl-Coenzym M-Reduktase Modellverbindungen Kupferhaltige Proteine: Die Alternative zu biologischem Eisen Der Typ 1: "Blaue" Kupfer-Proteine Typ 2- und Typ 3-Kupfer-Zentren in 0 2 -aktivierenden Proteinen: Sauerstofftransport und Oxygenierung Kupferproteine als Oxidasen/Reduktasen Cytochrom c-oxidase Cu.Zn-Superoxid-Dismutase: Ein substratspezifisches Antioxidans..217

5 XIV Inhaltsübersicht 11 Biologische Funktion der "frühen" Übergangsmetalle: Molybdän, Wolfram, Vanadium, Chrom Sauerstoff-Übertragung durch Wolfram- und Molybdän-enthaltende Enzyme Überblick Der Molybdopterin-Cofaktor Metalloenzyme im biologischen Stickstoffkreislauf: Molybdänabhängige Stickstoff-Fixierung Alternative Nitrogenasen Biologisches Vanadium außerhalb von Nitrogenasen Chrom(lll) im Stoffwechsel Zink: Enzymatische Katalyse von Aufbau- und Abbau- Reaktionen sowie strukturelle und genregulatorische Funktionen Überblick Carboanhydrase (CA) Carboxypeptidase A (CPA) und andere Hydrolasen (Peptidasen, Proteinasen, Lipasen, Phosphatasen) Katalyse von Kondensations-Reaktionen durch zinkhaltige Enzyme Alkohol-Dehydrogenase (ADH) und verwandte Enzyme Der "Zink-Finger" und andere genregulierende Metalloproteine Insulin, hgh, Metallothionein und DNA-Reparatursysteme als zinkhaltige Proteine Ungleich verteilte Mengenelemente: Funktion und Transport von Alkalimetall- und Erdalkalimetall-Kationen Charakterisierung von K +, Na +, Ca 2+ und Mg Komplexe von Alkali- und Erdalkalimetallionen mit Makrozyklen lonenkanäle lonenpumpen 287

6 Inhaltsübersicht xv 14 Katalyse und Regulation bioenergetischer Prozesse durch die Erdalkalimetallionen Mg 2+ und Ca 2 * Magnesium: Katalyse des Phosphat-Transfers durch zweiwertige Ionen Calcium als Bestandteil biologischer Regelkreise Biomineralisation: Kontrollierte Konstruktion biologischer Hochleistungsmaterialien Überblick Keimbildung und Kristallwachstum Beispiele für Biominerale Calciumphosphate in Wirbeltierknochen Calciumcarbonat Kieselsäure Eisenoxide Schwermetallsulfate Biologische Bedeutung anorganischer Nichtmetall- Elemente Überblick Bor Silicium Arsen und dreiwertiger Phosphor Brom Fluor lod Selen 329

7 xvi Inhaltsübersicht 17 Die bioanorganische Chemie vorwiegend toxischer Metalle Überblick Blei Cadmium Thallium Quecksilber Aluminium Beryllium Chrom als Chromat Biochemisches Verhalten anorganischer Radionuklide: Strahlenbelastung und medizinischer Nutzen Überblick Natürliche und künstliche Radioisotope außerhalb medizinischer Anwendungen Bioanorganische Chemie von Radiopharmazeutika Übersicht Technetium - ein künstliches "bioanorganisches" Element Chemotherapie mit Verbindungen nicht-essentieller Elemente: Platin, Gold, Lithium Überblick Platin-Komplexe in der Krebstherapie Entdeckung, Anwendungsspektrum und Struktur- Wirkungs-Beziehungen Wirkungsweise von Cisplatin Cytotoxische Verbindungen anderer Metalle 378

8 Inhaltsübersicht xvii 19.4 Goldhaltige Pharmazeutika in der Therapie rheumatischer Arthritis Historische Entwicklung Goldverbindungen als Antirheumatika Hypothesen über die Wirkungsweise goldhaltiger Antirheumatika Lithium in der Psychopharmatherapie 382 Literaturverzeichnis 383 Glossar 424 Stichwortverzeichnis 432