Metallionen in der Biochemie: Rollen & Bedeutung

Zwei Drittel aller Elemente sind Metalle. Eine ihrer wichtigsten Eigenschaften ist, dass sie nicht leicht ionisiert werden können. Das bedeutet, dass sie im Körper in ihrer ionischen Form überleben und an vielen biologischen Reaktionen teilnehmen können. Da es so viele Rollen von Metallionen in der Biochemie gibt, müssen sie in Kategorien unterteilt und mit Beispielen erklärt werden.

RNA-Moleküle und Proteinsynthese

Obwohl eine geringe Ionisierung normalerweise vorteilhaft für Metallionen in der Biochemie ist, könnten die reaktiveren Metalle die Entwicklung von Ribonukleinsäure (RNA)-Molekülen zu modernen Proteinsynthese-Maschinen weiter vorangetrieben haben. Die Proteinsynthese ist der Mechanismus, der es Menschen ermöglicht, komplexe Moleküle wie Enzyme, Chaperone und zelluläre Transportproteine aufzubauen. Magnesium und Kalium sind zwei Beispiele für nützliche Metallionen in der RNA-Biologie. Sie sind beide kationische Spezies, die sich eng an polyanionisches RNA binden können und das RNA-Molekül während der Faltung unterstützen können, was bedeutet, dass es bei der Proteinsynthese effektiver arbeitet.

Enzymkatalyse

Metallionen spielen eine wichtige Rolle bei der Metallkomplexbildung und arbeiten eng mit vielen Enzymen im Körper zusammen. Sie sind die Vermittler oder „Co-Substrate“ vieler enzymbezogener Reaktionen, die sich kurz an einen Abschnitt des Moleküls binden, es mit seinem Substrat zusammenbringen und es dann wieder freigeben, wenn die richtige Reaktion stattgefunden hat. DNA-Ligase ist ein Beispiel für ein Enzym, das während der Reaktionsphase oder „Katalyse“ ein Metallion in seinem aktiven Zentrum hat. Das Metallion hilft, die Reaktion zu beschleunigen, indem es das Substrat in das aktive Zentrum zieht und es dort mit elektrostatischen Kräften hält. Metallo-Enzyme entstehen, wenn das Metallion stärker an das Enzym bindet und einen stabilen Komplex bildet, wie das Eisen im Hämoglobin im Blut.

Energieverbrauch in Muskeln

Magnesium arbeitet mit dem ATP-Komplex (Adenosintriphosphat) zusammen, um Ihren Muskeln zu ermöglichen, Energie aus Nahrung zu gewinnen. Dies ist ein weiterer wesentlicher Lebensprozess. Metallionkatalyse bewirkt eine Stabilisierung der sich entwickelnden negativen Ladung auf den Teilen der Substrate, die versuchen, das aktive Zentrum des ATP-Komplexes zu verlassen. Dies befreit sie, um zu gehen, sodass die korrekte Verarbeitung fortgesetzt werden kann. Wenn das Substrat nach der Reaktionsphase das Molekül nicht verlassen würde, könnte das ATP keine neuen Substrate aufnehmen. Es würde keine neue Energie für die Muskelfunktion aufgenommen werden.

Genregulation und Krankheitskontrolle

Ungefähr ein Drittel aller bekannten Proteine enthält Metallionen als Kofaktoren. Eine wichtige Funktion, die diese Metallchelaten oder -komplexe ausführen, ist die Genregulation, die für das Überleben der Art von entscheidender Bedeutung ist. Viele Krankheiten, einschließlich genetischer Defekte, wurden als ausschließlich verursacht durch Defekte, Inkonsistenzen und falschen Stoffwechsel von Metallionen im Körper identifiziert. Platinmetalle, die eine reiche Stereochemie haben und als starke, effektive Kofaktoren wirken können, sind nicht für ihr Vorkommen im Körper bekannt. Sie werden jetzt in der Forschung verwendet, um schnellere, effizientere reaktive Biochemien zu entwickeln, die möglicherweise helfen können, Krankheiten wie Hämochromatose und Menkes-Syndrom zu verhindern oder zu behandeln.

Eisenspeicherung

Eisen ist aus vielen Gründen für Ihren Körper unerlässlich, nicht zuletzt wegen seiner wichtigen Funktion im Blut und in der Leber. Eisen kann nicht ohne die Hilfe von komplexen Molekülen, sogenannten „Chelatoren“, absorbiert oder aus dem Körper entfernt werden. Transferrin ist ein natürlich vorkommendes Beispiel. Eisenchelatoren helfen, Eisen aus dem Magen-Darm-Trakt zu absorbieren, aber manche Menschen haben eine Erkrankung, die bedeutet, dass sie zu viel absorbieren. Wenn das überschüssige Eisen nicht entfernt und ausgeschieden wird, können sie einen potenziell lebensbedrohlichen Fall von Eisenüberladung entwickeln. Dies stellt ein interessantes Gleichgewicht zwischen der korrekten Funktion eines Metallionkomplexes und einem tödlichen Funktionsverlust dar. Synthetische Chelatoren werden entwickelt, um Eisenüberladung zu behandeln.