Ilustracja przedstawiająca grafikę otrzymaną w wyniku symulacji fragmentu struktury najprawdopodobniej fragmentu białka, które kompleksuje metal symbolizowany przez zieloną kulę. Opisano: 1. Pobieranie i przechowywanie metali przejściowych. Istnieją trzy możliwe poziomy każdego podstawowego pierwiastka w diecie, w kolejności rosnącej jego koncentracji w organizmie żywym: niedobór; poziom optymalny; poziom toksyczny. Jeśli stężenie w diecie istotnego pierwiastka jest zbyt niskie, wówczas organizm musi wydobyć go ze środowiska i skoncentrować. Natomiast jeżeli stężenie niezbędnego pierwiastka w diecie jest zbyt wysokie, organizm powinien posiadać możliwość ograniczenia jego spożycia, aby uniknąć toksycznego działania. Co więcej – organizmy muszą szybko wyłączyć proces wchłaniania substancji, jeśli poziom określonych pierwiastków w pożywieniu nagle wzrośnie. Niezbędną funkcją jest również magazynowanie substancji odżywczych. Absorpcja (pochłanianie) metali przejściowych obejmuje trzy różne etapy: I – metal musi zostać „uwolniony” z otoczenia i doprowadzony do kontaktu z komórką w postaci, która może zostać wchłonięta; II – metal musi zostać przetransportowany przez błonę komórkową do komórki; III – pierwiastek musi zostać przetransportowany do miejsca jego wykorzystania w komórce lub do innych komórek organizmu. Ponieważ niedobór żelaza (anemia) jest najbardziej rozpowszechnionym niedoborem pokarmowym znanym u ludzi, jego przyswajanie jest szczególnie dobrze poznane. Zdjęcie przedstawiające dwie dłonie. Po lewej stronie dłoń osoby cierpiącej na ciężką anemię, po prawej zdrowej osoby. Lewa dłoń jest blada, zaś prawa jest zaróżowiona. Po lewej stronie znajduje się ręka osoby z ciężką anemią, a po prawej ręka osoby bez anemii., 2. Przyswajalność związków żelaza. Rozpuszczalność jonów metali, takich jak np. Fe³⁺, które tworzą wysoce nierozpuszczalne wodorotlenki, zależy od pH i obecności czynników kompleksujących. W atmosferze tlenu żelazo występuje jako Fe(III), ze względu na dodatni potencjał redukcyjny jonów Fe³⁺ (Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺; E° = +0,77 V). Ponieważ wodorotlenek żelaza(III) (Fe(OH)₃) jest wysoce nierozpuszczalny, równowagowe stężenie Fe³⁺_(aq) przy pH 7,0 jest bardzo niskie. Aby uzupełnić zalecane dzienne spożycie jonów żelaza (1 mg/dzień), należałoby pić dziennie 2 × 1013 l wody nasyconej żelazem. Organizmy żywe mogą rozwiązać ten problem, konsumując skoncentrowane źródła żelaza, takie jak czerwone mięso, czego nie mogą zrobić mikroorganizmy. W konsekwencji większość mikroorganizmów syntetyzuje i wydziela cząsteczki organiczne zwane sideroforami w celu zwiększenia całkowitego stężenia dostępnego żelaza w otaczającym środowisku. Siderofory są związkami cyklicznymi, które wykorzystują ligandy dwukleszczowe – np. grupy hydroksamianowe i katecholanowe – do wiązania Fe³⁺ w układzie oktaedrycznym. Typowym sideroforem jest ferrichrom, czyli cykliczny heksapeptyd, tworzący kompleks z atomami żelaza. Na ilustracji jest struktura ferrichromu, czyli cyklicznego heksapeptydu, tworzącego kompleks z atomami żelaza. Ferrichrom to siderofor złożony z trzech reszt glicyny i trzech modyfikowanych reszt ornityny z grupami hydroksaminianowymi [-N(OH)C(=O)C-]. Sześć atomów tlenu z trzech grup hydroksamianowych wiąże Fe(III) w prawie doskonałej oktaedrycznej koordynacji, co znacznie zwiększa stabilność powstałego kompleksu żelaza na trzecim stopniu utlenienia. Struktura ferrichromu. Jest to siderofor złożony z trzech reszt glicyny i trzech modyfikowanych reszt ornityny z grupami hydroksaminianowymi [-N(OH)C(=O)C-]. Sześć atomów tlenu z trzech grup hydroksamianowych wiąże Fe(III) w prawie doskonałej oktaedrycznej koordynacji, co znacznie zwiększa stabilność powstałego kompleksu Fe³⁺. Stałe tworzenia kompleksów żelazochromu i enterobaktyny (inny przykład sideroforu) z jonami Fe³⁺ wynoszą odpowiednio około 1032 i 1040. Są więc wystarczająco wysokie, aby umożliwić im rozpuszczenie prawie każdego związku Fe(III)., 3. Siderofory. Siderofory zwiększają obecność jonów Fe³⁺ w roztworze, dostarczając bakteriom zapas żelaza. Ilustracja przedstawiająca strukturę kompleksu katecholiny z żelazem na trzecim stopniu utlenienia. Kompleks o strukturze pierścień benzenowy, który podstawiony jest w pozycji 1 oraz dwa atomami tlenu obdarzonymi ładunkami ujemnymi. Od wspomnianych atomów tlenu odchodzą wiązania do atomu żelaza na trzecim stopniu utlenienia, tworząc pięcioczłonowy pierścień. Grafika przedstawia kompleks katecholiny z żelazem(III). Ponadto siderofory neutralizują dodatni ładunek jonu metalu i zapewniają hydrofobowe „owijanie”, umożliwiające rozpoznanie kompleksu Fe³⁺–siderofor przez określone białko, które transportuje go do wnętrza komórki. Gdy żelazo znajdzie się w komórce, zostaje zredukowane do Fe²⁺ o znacznie mniejszym powinowactwie do sideroforu i samorzutnej dysocjacji. Z kolei organizmy wielokomórkowe mogą zwiększać stężenie żelaza w swojej diecie, obniżając pH w przewodzie pokarmowym.

Przy pH 1,0 (przybliżonym pH żołądka) większość soli Fe(III) rozpuszcza się, tworząc jony Fe³⁺_(aq), które są wchłaniane przez określone białka w ścianie jelita. Białko zwane transferyną tworzy kompleks z żelazem(III), umożliwiając jego transport do innych komórek. Białka, które ściśle wiążą się z Fe(III), mogą być również stosowane jako środki przeciwbakteryjne, ponieważ żelazo jest niezbędne do wzrostu bakterii. Mleko, łzy i białko jaja zawierają białka podobne do transferyny, a ich wysokie powinowactwo do Fe³⁺ pozwala im na sekwestrację (związanie) żelaza, zapobiegając w ten sposób rozwojowi bakterii., 4. Transferryna. Żelazo jest uwalniane z transferryny poprzez redukcję do jonów Fe²⁺. Następnie są one używane od razu (np. do syntezy hemoglobiny) albo przechowywane w bardzo dużym białku zwanym ferrytyną do wykorzystania w przyszłości. Ilustracja przedstawiająca grafikę otrzymaną w wyniku symulacji fragmentu struktury transferryny. Na czarnym tle różnokolorowe i różnokształtne struktury białkowe oraz związany w centrum atom żelaza. Grafika prezentuje fragment cząsteczki transferryny ze związanym atomem żelaza (pomarańczowa kulka w centrum). Ferrytyna wykorzystuje tlen do utleniania Fe²⁺ do Fe³⁺, które przy obojętnym pH wytrąca się w centralnej jamie białka jako polimerowa mieszanina Fe(OH)₃ i FePO₄. Ponieważ w pełni obciążona cząsteczka ferrytyny może zawierać aż 4500 atomów Fe, co odpowiada około 25% masy Fe, to jest ona skutecznym sposobem przechowywania żelaza w wysoce skoncentrowanej postaci. Gdy komórka potrzebuje żelaza, jony Fe³⁺ są redukowane do znacznie bardziej rozpuszczalnych jonów Fe²⁺ przez reduktor, np. kwas askorbinowy (witamina C). Struktura ferrytyny zawiera kanały na połączeniach podjednostek, które zapewniają ścieżki dla przedostawania się i wychodzenia z wnętrza cząsteczki żelaza.

Ilustracja przedstawiająca grafikę, na której znajduje się kompleks białka z jonem metalu symbolizowanym przez szarą kulkę. Struktura białkowa jest rozbudowana, poszczególne fragmenty oznaczone różnymi kolorami, łączą się za pomocą łańcuchów polipeptydowych. Opisano: 1. Metaloenzymy. Kompleksy są szeroko stosowane w chemii jako katalizatory. Niektóre reakcje biologiczne są ważne w naszym codziennym życiu. Przypomnijmy, że katalizatory to substancje chemiczne, które obniżają energię aktywacji, czyli przyspieszają tempo reakcji chemicznej. Wiele enzymów (biologicznych katalizatorów białkowych) w naszym organizmie wymaga do działania jonu metalu, związanego w kompleksie koordynacyjnym. Te kompleksy metal-białko (białka są ligandami) nazywane są metaloenzymami. Bez nich większość reakcji biologicznych zachodziłaby na tyle wolno, aby mogło istnieć życie., 2. Przykłady metaloenzymów. Do przykładów kompleksowych metaloenzymów koordynacyjnych należą: enzymy zawierające kompleks cynku, takie jak anhydraza węglanowa; są ważne dla buforowania reakcji we krwi; enzymy kompleksu miedzi ważne dla magazynowania żelaza i produkcji pigmentów we włosach, w skórze i oczach; enzymy kompleksów niklu jako część enzymów ureazy i hydrogenazy; kompleks kobaltu kofaktor enzymu witaminy B12 – niezbędny do metabolizmu tłuszczów, węglowodanów i białek., 3. Anhydrazy węglanowe. Do grupy enzymów, katalizujących wzajemną przemianę między tlenkiem węgla(IV) a wodą oraz zdysocjowanymi jonami kwasu węglowego (HCO₃^-), należą anhydrazy węglanowe (dehydratazy węglanowe). W miejscu aktywnym większości związków tego typu znajduje się jon cynku. Z tego powodu zalicza się je do metaloenzymów. Funkcją tego typu enzymów jest utrzymywanie równowagi kwasowo-zasadowej oraz udział w transporcie tlenku węgla(IV). Ilustracja przedstawiająca grafikę, na której znajduje się centralny fragment aktywnej ludzkiej anhydrazy węglanowej, w środku znajduje się atom cynku, otoczony przez histydyny wbudowane w strukturę białkową i grupę OH. Histydyna to aminokwas o strukturze grupa COOH związana z grupą CH, która to łączy się z grupą ${\text{NH}}_2$ oraz ${\text{CH}}_2$, która to łączy się z pierścieniem imidazolu w pozycji C4. Imidazol to pięcioczłonowy pierścień, zawierający w swej strukturze dwa atomy azotu N1 oraz N3 oddzielonych atomem węgla C2. Pomiędzy atomami C4 i C5 oraz atomami N1 i C2 znajdują się wiązania podwójne. Grafika prezentuje centralny fragment aktywnej ludzkiej anhydrazy węglanowej, gdzie w środku znajduje się atom cynku, otoczony przez histydyny (zielono-niebieskie) i grupę -OH (biało-czerwona). W czym pomaga obecność anhydrazy węglanowej? Utrzymuje homeostazę kwasowo-zasadową, reguluje pH i równowagę płynów. Funkcja enzymu ulega w niewielki sposób zmianie, w zależności od jego lokalizacji: w wyściółce żołądka wytwarza kwas; w nerkach wpływa na zawartość wody w komórce; w oczach wpływa również na zawartość wody. Przykładowo, w leczeniu jaskry (nadmiernego gromadzenia się wody w oczach) wykorzystuje się inhibitory anhydrazy węglanowej, które zmieniają równowagę płynów w oczach pacjenta, zmniejszając tym samym ciśnienie., 4. Białka ze skoordynowaną miedzią. To białka, w których skład wchodzi jeden lub więcej kationów miedzi (grupy prostetyczne). We wszystkich formach życia oddychającego powietrzem występuje omawiany typ związków. Funkcją tych białek jest przenoszenie elektronów z udziałem tlenu (O₂) lub bez niego. Białka zawierające skoordynowaną miedź są wykorzystywane przez niektóre organizmy do przenoszenia tlenu. Oksydaza cytochromu c (cco) jest jedną z istotniejszych protein miedzi, występujących u ludzi. Jej rolą jest pośrednictwo w kontrolowanym spalaniu wytwarzającym ATP. Ilustracja przedstawiająca grafikę, na której znajduje się kompleks miedzi z plastocyjaniną. Rozbudowana struktura białkowa, w której atom centralny stanowi miedź symbolizowana przez kulkę, która to kompleksowana jest przez reszty następujących aminokwasów dwóch histydyn, metioniny oraz cysteiny. Grafika prezentuje kompleks miedzi z plastocyjaniną., 5. Witamina B12. Witamina B12 (kobalamina) rozpuszcza się w wodzie oraz uczestniczy w metabolizmie wszystkich komórek organizmu ludzkiego. Wchodzi w skład witamin z grupy B, pełni rolę kofaktora syntezy DNA oraz metabolizmu kwasów tłuszczowych i aminokwasów. Kobalamina odgrywa ważną rolę w syntezie mieliny oraz w dojrzewaniu rosnących czerwonych krwinek w szpiku kostnym, dlatego jest istotna dla prawidłowego działania układu nerwowego. Witamina B12 charakteryzuje się złożoną budową, ponadto występuje w czterech prawie identycznych formach chemicznych (witamerów): cyjanokobalamina, hydroksykobalamina, adenozylokobalamina, metylokobalamina. W celu zwalczania lub leczenia deficytu witamin wykorzystywane są cyjanokobalamina i hydroksykobalamina, które po zaabsorbowaniu są zamieniane w adenozylokobalaminę i metylokobalaminę, czyli postacie wykazujące się aktywnością fizjologiczną. W skład każdej formy witaminy B12 wchodzi kobalt (Co), wbudowany w środek pierścienia. Niektóre bakterie i archeony są w stanie wytwarzać samoistnie witaminę B12. Kolejno bakterie te osadzają na roślinach, które docierają do układu pokarmowego roślinożerców, a te z kolei do układu pokarmowego zwierząt. Bakterie te rozmnażają się w żołądku i tworzą część ich trwałej flory jelitowej, wytwarzając wewnętrznie witaminę B12. Ilustracja przedstawiająca grafikę, na której znajduje się struktura witaminy B12. Atom centralny w kompleksie stanowi dodatnio naładowany jon kobaltu występujący na trzecim stopniu utlenienia, który związany jest z grupą CN oraz czterema pierścieniami pirolu, które to łączą mostki metinowe, to jest grupy o strukturze grupa CH, od której odchodzi wiązanie podwójne i wiązanie pojedyncze. Pierścienie pirolowe są podstawione różnymi grupami w tym: grupami metylo- oraz etyloamidowymi, metylowymi oraz łańcuchem zawierającym, między innymi ugrupowanie amidowe, fosforanowe, fragment deoksyrybozy, a także dimetylobenzoimidazolu, którego jeden z atomów azotu jest również kompleksowany przez atom centralny. Model 3D witaminy B12., 6. Enzymy kompleksów niklu. Przykładem enzymów niklu są ureazy, które definiuje się jako czynniki wirulencji (tj. zdolności zarazków do wywoływania infekcji) w niektórych organizmach. Kompleks niklu jest używany jako katalizator podczas hydrolizy mocznika, gdzie produktami reakcji są amoniak i karbaminian. Ilustracja przedstawiająca model 3D kompleksu jonów niklu na drugim stopniu utlenienia symbolizowanych przez kulki z ureazą. Rozbudowana struktura białkowa w postaci między innymi helis. Model 3D kompleksu jonów Ni²⁺ (zielony) z ureazą. Kolejno enzymy niklowo-żelazowe z grupy hydrogenaz katalizują utlenianie H₂ z wygenerowaniem protonów i elektronów lub redukcję protonów do gazowego wodoru. Dysmutaza ponadtlenkowa i enzymy glioksalazy I u bakterii oraz kilku pasożytniczych eukariotycznych pasożytów trypanosomalnych są reprezentantami innej klasy enzymów, w których skład wchodzi kation niklu. Na zdrowie człowieka mogą wpływać kationy niklu, znajdujące się w diecie człowieka. Wywołują one infekcje bakteriami niklozależnymi. Dopuszczalną normą spożycia rozpuszczalnych soli niklu przez człowieka jest 1000 µg/dzień. Wchłaniana postać niklu jest wydalana z moczem. Do żywności gotowanej w naczyniach ze stali nierdzewnej przechodzą stosunkowo duże ilości niklu – np. wartość niklu wyekstrahowanego po 10 cyklach gotowania sosu pomidorowego wynosiła średnio 88 µg.