Бионеоргани́ческая хи́мия (англ. bioinorganic chemistry), область химической науки, которая на молекулярном уровне изучает роль металлов и их соединений в биологических процессах. Объектами исследования в бионеорганической химии являются функциональные комплексы нуклеиновых кислот, белков, липидов и низкомолекулярных природных соединений с ионами металлов. Совокупность металлосодержащих биомолекул в клетке называется металломом (англ. metallome). Металломика (metallomics) – область, посвящённая анализу совокупности металлов и металлоидов в клетке и тканях живых организмов.

Задачи бионеорганической химии

Задачами бионеорганической химии являются:

1) изучение роли металлов и их соединений в живых организмах и в окружающей среде;

2) изучение реакционной способности металлов и их соединений по отношению к биологическим субстратам;

3) моделирование структуры ферментов и процессов с их участием; биомиметический катализ;

4) направленный синтез биологически активных координационных и металлоорганических соединений; выявление зависимостей между структурой соединений металлов и их свойствами;

5) создание лекарственных препаратов;

6) создание биоматериалов.

Становление бионеорганической химии как науки

Как самостоятельная наука бионеорганическая химия сформировалась во 2-й половине 20 в. на стыке биологии и неорганической химии и относится к междисциплинарным наукам. Исследования в области бионеорганической химии связаны с биохимией, молекулярной биологией, энзимологией, органической и физической химией, химией координационных соединений, фармакологией, медициной и другими научными направлениями.

Ключевым этапом в развитии бионеорганической химии было установление молекулярной структуры металлопротеинов и детального механизма их действия с участием металлосодержащих активных сайтов.

Металлопротеин уреаза.Металлопротеин уреаза.Первым белком, выделенным в кристаллической форме в 1926 г. американским биохимиком Дж. Б. Самнером (Нобелевская премия, 1946, за открытие способности ферментов к кристаллизации), был фермент уреаза (КФ 3.5.1.5), содержащий два атома никеля и осуществляющий гидролиз мочевины до двуокиси углерода и аммиака. Его кристаллическая структура решена в 1995 г. американским кристаллографом П. Э. Карпласом.

Молекулярная структура гемоглобина и миоглобина.Молекулярная структура гемоглобина и миоглобина.В 1959 г. британские биохимики М. Ф. Перуц и Дж. К. Кендрю (совместная Нобелевская премия, 1962, за исследование структуры глобулярных белков) сообщили об установлении молекулярной структуры гемоглобина и миоглобина – гемовых белков, содержащих железо.

В 1956 г. британский химик и биохимик Д. М. Кроуфут-Ходжкин (Нобелевская премия, 1964, за определение с помощью рентгеновских лучей структур биологически активных веществ) установила по данным рентгеноструктурного анализа молекулярную структуру цианокобаломина, содержащего атом кобальта в макрокольце корринового комплекса.

Химическая формула и молекулярная структура витамина В₁₂.Химическая формула и молекулярная структура витамина В₁₂.В 1972 г. совместно группами Р. Б. Вудворда (Нобелевская премия, 1965, за выдающийся вклад в искусство органического синтеза) в Кембридже (США) и А. Эшенмозера в Цюрихе (Швейцария) выполнен полный химический синтез витамина В₁₂.

Таким образом, ко 2-й половине 20 в. сформировалось представление о возможности изучения структуры и функций различных биомолекул, прежде всего белков, в состав которых входят один или несколько атомов металла. Раздел химической науки – бионеорганическая химия – приобрёл самостоятельное значение.

С 2009 г. бионеорганическая химия включена в номенклатуру научных специальностей РФ – 1.4.11, по которым присуждаются учёные степени в Российской Федерации (Высшая аттестационная комиссия).

Методы бионеорганической химии

Для решения структурно-функциональных задач привлекаются разнообразные физические, физико-химические, математические и биологические методы: рентгеноструктурный анализ, ядерный магнитный резонанс, Мёссбауэровская спектроскопия, электронный парамагнитный резонанс, XAFS-спектроскопия (X-ray absorption fine structure) , Рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния), электронная спектроскопия поглощения, кинетические методы (англ. stopped-flow), квантовохимические расчёты и др.

Металлы в живых системах

Биогенные металлы (Na, K, Mg, Ca, V, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) и металлоиды (P, S, Se) вовлечены в общие метаболические пути в живых организмах. Основными процессами, в которых металлы (указаны в скобках ниже) играют определяющую роль, являются процессы транспорта металлов в клетку [осуществляют белки ферритин (Fe), трансферрин (Fe), церуплазмин (Cu) и др.]; переноса электронов [осуществляют белки цитохромы (Fe), железосерные белки (Fe), синие медные белки (Cu) и др.]; связывания, запасания и транспорта кислорода [осуществляют белки гемоглобин (Fe), миоглобин (Fe), гемоэритрин (Fe), гемоцианин (Cu) и др.], дыхания, фотосинтеза, передачи биохимических сигналов, защиты от токсичных и мутагенных агентов и др.

Активный сайт [NiFe]-гидрогеназы.Активный сайт [NiFe]-гидрогеназы.Среди ферментов, в состав активных сайтов которых входят один или несколько атомов металлов: гидролазы – фосфатазы (Zn, Mg, Cu), аминопептидазы (Zn, Mg), карбоксипептидазы (Zn); оксидоредуктазы – оксидазы (Fe, Cu), редуктазы (Fe, Cu, Mo), нитрогеназы (Fe, Mo, V), гидроксилазы (Fe, Cu, Mo), гидрогеназы (Fe, Ni), супероксиддисмутазы (Fe, Cu, Mn); изомеразы и синтазы – кофактор витамин В₁₂ (Cо).

Ряд ферментов содержит в активных сайтах металл, связанный ковалентной связью с атомом углерода (М-С), и относится к металлоорганическим системам ([NiFe]-, [FeFe]- и [Fe]-гидрогеназы, витамин В₁₂ в форме аденозилкобаламина). Для некоторых ферментов характерно образование в каталитическом цикле интермедиатов, содержащих структурный фрагмент М-С (Ni-зависимая метилкоэнзим M редуктаза, ацетил-CoA синтаза/СО дегидрогеназа).

Металлы в медицине

Важным разделом бионеорганической химии исторически являлось создание и изучение лекарственных препаратов, в состав молекул которых входит атом металла. Позднее этот раздел стал относиться к части медицинской химии, получившей название «неорганическая медицинская химия».

Вехой в истории неорганической медицинской химии стало открытие в 1965 г. американским химиком Б. Розенбергом антипролиферативной активности цисплати́на.

Цисплатин – (SP-4-2)-диамминдихлороплатина.Цисплатин – (SP-4-2)-диамминдихлороплатина.В 1978 г. цисплатин одобрен Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (англ. Food and Drug Administration, FDA) для терапии рака яичка, в том числе метастазирующего.

Соединения металлов применяются в качестве средств терапии и диагностики для лечения метаболических и генетических нарушений, сердечно-сосудистых заболеваний, воспалительных процессов, инфаркта, диабета, малярии, а также нейродегенеративных заболеваний.

К наиболее распространённым препаратам на основе соединений металлов относятся контрастные реагенты для магнитно-резонанcной томографии, содержащие преимущественно гадолиний (магневист, омнискан и др.); противоартритный препарат золота (ауранофин); антипсихотический препарат лития – для лечения биполярных расстройств (седалит); противоязвенные и антисептические средства – комплексы висмута (де-нол, десмол и др.); противоопухолевый препарат – триоксид мышьяка (тризенокс); большая группа препаратов на основе соединений железа для лечения железодефицитной анемии и др.