Dieses Buch ist hervorgegangen aus einer zweisemestrigen Vorlesung, gehal ten seit 1983 an den Universitäten Frankfurt und Stuttgart (W. K. ). Für ein Verständ nis werden Grundkenntnisse aus den modernen Naturwissenschaften, speziell aus der Chemie und Biochemie vorausgesetzt, wie sie nach dem Besuch einführender Vorlesungen oder bei entsprechendem Interesse für das Sachgebiet vorhanden sein sollten. Wir haben uns trotz dieser Voraussetzung entschlossen, häufiger gebrauch te Begriffe in einem Glossar zu erläutern; weiterhin werden einige physikalische Un tersuchungsmethoden (dunkel unterlegt)…mehr
Dieses Buch ist hervorgegangen aus einer zweisemestrigen Vorlesung, gehal ten seit 1983 an den Universitäten Frankfurt und Stuttgart (W. K. ). Für ein Verständ nis werden Grundkenntnisse aus den modernen Naturwissenschaften, speziell aus der Chemie und Biochemie vorausgesetzt, wie sie nach dem Besuch einführender Vorlesungen oder bei entsprechendem Interesse für das Sachgebiet vorhanden sein sollten. Wir haben uns trotz dieser Voraussetzung entschlossen, häufiger gebrauch te Begriffe in einem Glossar zu erläutern; weiterhin werden einige physikalische Un tersuchungsmethoden (dunkel unterlegt) an entsprechender Stelle im Text skizziert und in bezug auf ihre Aussagekraft eingeordnet. Eine besondere Schwierigkeit bei der Vorstellung dieses stark interdisziplinären und auch noch nicht eindeutig abgegrenzten Gebietes betrifft die Einschränkung in der Breite und im Detail. Obwohl der Schwerpunkt bei Metalloproteinen und den Elektrolyt-Elementen liegt, haben wir wegen der Betonung der Funktionalität chemi scher Elemente und wegen teilweise öffentlich-populärwissenschaftlich geführter Dis kussionen auch medizinisch-therapeutische, toxikologische und umweltbezogene Aspekte einbezogen. Was einzelne Details betrifft, so können oft nur Hypothesen vorgestellt werden; angesichts der außerordentlich raschen Entwicklung auf diesem Gebiet sind viele der strukturellen und mechanistischen Aussagen mit der Einschrän kung "höchstwahrscheinlich" oder gar nur "vermutlich" zu versehen - auch wenn dies im Text nicht immer explizit zum Ausdruck kommen kann. Wie die Literaturzu sammenstellung belegt, haben wir versucht, aktuelle Informationen aus dem Jahre 1991 noch zu berücksichtigen.Hinweis: Dieser Artikel kann nur an eine deutsche Lieferadresse ausgeliefert werden.
Inhaltsübersicht.- 1 Historischer Überblick - aktuelle Bedeutung.- 2 Einige Grundlagen.- 2.1 Vorkommen und Verfügbarkeit anorganischer Elemente in Organismen.- 2.2 Biologische Funktionen anorganischer Elemente.- 2.3 "Biologische" Liganden für Metallionen.- 2.3.1 Koordination durch Proteine - Anmerkungen zur enzymatischen Katalyse.- 2.3.2 Tetrapyrrol-Liganden und andere Makrozyklen.- 2.3.3 Freie und polymergebundene Nukleobasen als Komplexliganden.- 2.4 Bedeutung von Modellverbindungen.- 3 Cobalamine (Vitamin und Coenzym B12).- 3.1 Historischer Abriß und strukturelle Charakterisierung.- 3.2 Reaktionen des Coenzyms B12.- 3.2.1 Einelektronen-Reduktion und -Oxidation.- 3.2.2 Co-C-Bindungsspaltung.- 3.2.3 Mutase-Aktivität.- 3.2.4 Alkylierungs-Reaktionen.- 3.3 Modellsysteme und Rolle des Apoenzyms.- 4 Metalle im Zentrum der Photosynthese: Magnesium und Mangan.- 4.1 Umfang und Gesamteffektivität der Photosynthese.- 4.2 Primärprozesse der Photosynthese.- 4.2.1 Licht-Absorption (Energieaufnahme).- 4.2.2 Excitonen-Transport (gerichtete Energieübertragung).- 4.2.3 Ladungstrennung und Elektronentransport.- 4.3 Ankopplung chemischer Reaktionen: Die Wasseroxidation.- 5 Der anorganische Naturstoff O2: Aufnahme, Transport und Speicherung.- 5.1 Entstehung sowie molekulare und komplexchemische Eigenschaften von Disauerstoff O2.- 5.2 Sauerstoff-Transport und -Speicherung mittels Hämoglobin und Myoglobin.- 5.3 Alternativer Sauerstoff-Transport in einigen Wirbellosen: Hämerythrin und Hämocyanin.- 6 Katalyse durch Hämoproteine: Elektronenübertragung, Sauerstoffaktivierung und Metabolismus anorganischer Zwischenprodukte.- 6.1 Cytochrome.- 6.2 Cytochrom P-450: Sauerstoffübertragung von O2 auf nicht aktivierte Substrate.- 6.3 Peroxidasen: Abbau und Verwertung deszweifach reduzierten Disauerstoffs.- 6.4 Steuerung des Reaktionsmechanismus der Oxyhäm-Gruppe - Erzeugung und Funktion organischer freier Radikale.- 6.5 Hämoproteine in der katalytischen Umsetzung teilreduzierter Stickstoff- und Schwefeloxide.- 7 Eisen-Schwefel- und andere Nicht-Hämeisen-Proteine.- 7.1 Biologische Bedeutung der Elementkombination Eisen/Schwefel.- 7.2 Rubredoxine.- 7.3 2Fe-Ferredoxine.- 7.4 Mehrkernige Fe/S-Cluster: Bedeutung der Proteinumgebung und katalytische Aktivität.- 7.5 Modellverbindungen für Eisen-Schwefel-Proteine.- 7.6 Eisenenzyme ohne Porphyrin- und Sulfid-Liganden.- 7.6.1 Eisenhaltige Ribonukleotid-Reduktase (RR).- 7.6.2 Methan-Monooxygenase.- 7.6.3 Violette saure Phosphatasen (Fe/Fe und Zn/Fe).- 7.6.4 Einkernige Nicht-Häm-Eisenenzyme.- 8 Aufnahme, Transport und Speicherung eines essentiellen Elements: Das Beispiel Eisen.- 8.1 Problematik der Eisenmobilisierung.- 8.2 Siderophore: Eisen-Aufnahme und -Transport in Mikroorganismen.- 8.3 Transport und Speicherung von Eisen in Pflanzen.- 8.4 Transport und Speicherung von Eisen in Tieren.- 8.4.1 Transferrin.- 8.4.2 Ferritin.- 8.4.3 Hämosiderin.- 9 Nickelhaltige Enzyme: Die steile Karriere eines lange übersehenen "Biometalls".- 9.1 Überblick.- 9.2 Urease.- 9.3 Hydrogenasen.- 9.4 CO-Dehydrogenase = CO-Oxidoreduktase = Acetyl-CoA-Synthase.- 9.5 Methyl-Coenzym M-Reduktase.- 9.6 Modellverbindungen.- 10 Kupferhaltige Proteine: Die Alternative zu biologischem Eisen.- 10.1 Der Typ 1: "Blaue" Kupfer-Zentren.- 10.2 Typ 2- und Typ 3-Kupfer-Zentren in O2-aktivierenden Proteinen: Sauerstofftransport und Oxygenierung.- 10.3 Kupferproteine als Oxidasen/Reduktasen.- 10.4 Cytochrom c-Oxidase.- 10.5 Cu,Zn-Superoxid-Dismutase: Ein substratspezifisches Antioxidans.- 11 Biologische Funktion der"frühen" Übergangsmetalle: Molybdän, Wolfram, Vanadium, Chrom.- 11.1 Molybdoenzyme: Sauerstoff-Übertragung und Stickstoff -Fixierung.- 11.1.1 Sauerstoff-Übertragung durch Molybdoenzyme: Der Molybdopterin-Cofaktor.- 11.2 Metalloenzyme im biologischen Stickstoffkreislauf: Molybdänabhängige Stickstoff-Fixierung.- 11.3 Alternative Nitrogenasen.- 11.4 Biologisches Vanadium außerhalb von Nitrogenasen.- 11.5 Chrom(III) im Stoffwechsel.- 12 Zink: Enzymatische Katalyse von Aufbau- und Abbau-Reaktionen sowie strukturelle und genregulatorische Funktionen.- 12.1 Überblick.- 12.2 Carboanhydrase (CA).- 12.3 Carboxypeptidase A (CPA) und andere Hydrolasen.- 12.4 Katalyse von Kondensations-Reaktionen durch zinkhaltige Enzyme.- 12.5 Alkohol-Dehydrogenase (ADH) und verwandte Enzyme.- 12.6 Der "Zink-Finger" und andere genregulierende Metalloproteine.- 12.7 Insulin und Metallothionein als zinkhaltige Proteine.- 13 Ungleich verteilte Mengenelemente: Funktion und Transport von Alkalimetall- und Erdalkalimetall-Kationen.- 13.1 Charakterisierung von K+, Na+, Ca2+ und Mg2+.- 13.2 Komplexe von Alkali- und Erdalkalimetallionen mit Makrozyklen.- 13.3 lonenkanäle.- 13.4 lonenpumpen.- 14 Katalyse und Regulation bioenergetischer Prozesse durch die Erdalkalimetallionen Mg2+ und Ca2+.- 14.1 Magnesium: Katalyse des Phosphat-Transfers durch zweiwertige Ionen.- 14.2 Calcium als Bestandteil biologischer Regelkreise.- 15 Biomineralisation: Kontrollierter Aufbau biologischer Hochleistungsmaterialien.- 15.1 Überblick.- 15.2 Keimbildung und Kristallwachstum.- 15.3 Beispiele für Biominerale.- 15.3.1 Calciumphosphate in Wirbeltier-Knochen und -Zähnen.- 15.3.2 Calciumcarbonate.- 15.3.3 Kieselsäure.- 15.3.4 Eisenoxide.- 15.3.5 Schwermetallsulfate.- 16 Biologische Bedeutung anorganischerNichtmetall-Elemente.- 16.1 Überblick.- 16.2 Bor.- 16.3 Silicium.- 16.4 Arsen.- 16.5 Brom.- 16.6 Fluor.- 16.7 Iod.- 16.8 Selen.- 17 Die bioanorganische Chemie vorwiegend toxischer Metalle.- 17.1 Überblick.- 17.2 Blei.- 17.3 Cadmium.- 17.4 Thallium.- 17.5 Quecksilber.- 17.6 Aluminium.- 17.7 Beryllium.- 17.8 Chrom als Chromat.- 18 Biochemisches Verhalten anorganischer Radionuklide: Strahlenbelastung und medizinischer Nutzen.- 18.1 Überblick.- 18.2 Natürliche und künstliche Radioisotope außerhalb medizinischer Anwendungen.- 18.3 Bioanorganische Chemie von Radiopharmazeutika.- 18.3.1 Übersicht.- 18.3.2 Technetium - ein künstliches "bioanorganisches" Element.- 19 Chemotherapie mit Verbindungen nicht-essentieller Elemente: Platin, Gold, Lithium.- 19.1 Überblick.- 19.2 Platin-Komplexe in der Krebstherapie.- 19.2.1 Entdeckung, Anwendungsspektrum und StrukturWirkungs-Beziehungen.- 19.2.2 Wirkungsweise von Cisplatin.- 19.3 Cytotoxische Verbindungen anderer Metalle.- 19.4 Goldhaltige Pharmaka in der Therapie rheumatischer Arthritis.- 19.4.1 Historische Entwicklung.- 19.4.2 Goldverbindungen als Antirheumatika.- 19.4.3 Hypothesen über die Wirkungsweise goldhaltiger Antirheumatika.- 19.5 Lithium in der Psychotherapie.- Verzeichnis der Einschübe.- Stichwortverzeichnis.
Inhaltsübersicht.- 1 Historischer Überblick - aktuelle Bedeutung.- 2 Einige Grundlagen.- 2.1 Vorkommen und Verfügbarkeit anorganischer Elemente in Organismen.- 2.2 Biologische Funktionen anorganischer Elemente.- 2.3 "Biologische" Liganden für Metallionen.- 2.3.1 Koordination durch Proteine - Anmerkungen zur enzymatischen Katalyse.- 2.3.2 Tetrapyrrol-Liganden und andere Makrozyklen.- 2.3.3 Freie und polymergebundene Nukleobasen als Komplexliganden.- 2.4 Bedeutung von Modellverbindungen.- 3 Cobalamine (Vitamin und Coenzym B12).- 3.1 Historischer Abriß und strukturelle Charakterisierung.- 3.2 Reaktionen des Coenzyms B12.- 3.2.1 Einelektronen-Reduktion und -Oxidation.- 3.2.2 Co-C-Bindungsspaltung.- 3.2.3 Mutase-Aktivität.- 3.2.4 Alkylierungs-Reaktionen.- 3.3 Modellsysteme und Rolle des Apoenzyms.- 4 Metalle im Zentrum der Photosynthese: Magnesium und Mangan.- 4.1 Umfang und Gesamteffektivität der Photosynthese.- 4.2 Primärprozesse der Photosynthese.- 4.2.1 Licht-Absorption (Energieaufnahme).- 4.2.2 Excitonen-Transport (gerichtete Energieübertragung).- 4.2.3 Ladungstrennung und Elektronentransport.- 4.3 Ankopplung chemischer Reaktionen: Die Wasseroxidation.- 5 Der anorganische Naturstoff O2: Aufnahme, Transport und Speicherung.- 5.1 Entstehung sowie molekulare und komplexchemische Eigenschaften von Disauerstoff O2.- 5.2 Sauerstoff-Transport und -Speicherung mittels Hämoglobin und Myoglobin.- 5.3 Alternativer Sauerstoff-Transport in einigen Wirbellosen: Hämerythrin und Hämocyanin.- 6 Katalyse durch Hämoproteine: Elektronenübertragung, Sauerstoffaktivierung und Metabolismus anorganischer Zwischenprodukte.- 6.1 Cytochrome.- 6.2 Cytochrom P-450: Sauerstoffübertragung von O2 auf nicht aktivierte Substrate.- 6.3 Peroxidasen: Abbau und Verwertung deszweifach reduzierten Disauerstoffs.- 6.4 Steuerung des Reaktionsmechanismus der Oxyhäm-Gruppe - Erzeugung und Funktion organischer freier Radikale.- 6.5 Hämoproteine in der katalytischen Umsetzung teilreduzierter Stickstoff- und Schwefeloxide.- 7 Eisen-Schwefel- und andere Nicht-Hämeisen-Proteine.- 7.1 Biologische Bedeutung der Elementkombination Eisen/Schwefel.- 7.2 Rubredoxine.- 7.3 2Fe-Ferredoxine.- 7.4 Mehrkernige Fe/S-Cluster: Bedeutung der Proteinumgebung und katalytische Aktivität.- 7.5 Modellverbindungen für Eisen-Schwefel-Proteine.- 7.6 Eisenenzyme ohne Porphyrin- und Sulfid-Liganden.- 7.6.1 Eisenhaltige Ribonukleotid-Reduktase (RR).- 7.6.2 Methan-Monooxygenase.- 7.6.3 Violette saure Phosphatasen (Fe/Fe und Zn/Fe).- 7.6.4 Einkernige Nicht-Häm-Eisenenzyme.- 8 Aufnahme, Transport und Speicherung eines essentiellen Elements: Das Beispiel Eisen.- 8.1 Problematik der Eisenmobilisierung.- 8.2 Siderophore: Eisen-Aufnahme und -Transport in Mikroorganismen.- 8.3 Transport und Speicherung von Eisen in Pflanzen.- 8.4 Transport und Speicherung von Eisen in Tieren.- 8.4.1 Transferrin.- 8.4.2 Ferritin.- 8.4.3 Hämosiderin.- 9 Nickelhaltige Enzyme: Die steile Karriere eines lange übersehenen "Biometalls".- 9.1 Überblick.- 9.2 Urease.- 9.3 Hydrogenasen.- 9.4 CO-Dehydrogenase = CO-Oxidoreduktase = Acetyl-CoA-Synthase.- 9.5 Methyl-Coenzym M-Reduktase.- 9.6 Modellverbindungen.- 10 Kupferhaltige Proteine: Die Alternative zu biologischem Eisen.- 10.1 Der Typ 1: "Blaue" Kupfer-Zentren.- 10.2 Typ 2- und Typ 3-Kupfer-Zentren in O2-aktivierenden Proteinen: Sauerstofftransport und Oxygenierung.- 10.3 Kupferproteine als Oxidasen/Reduktasen.- 10.4 Cytochrom c-Oxidase.- 10.5 Cu,Zn-Superoxid-Dismutase: Ein substratspezifisches Antioxidans.- 11 Biologische Funktion der"frühen" Übergangsmetalle: Molybdän, Wolfram, Vanadium, Chrom.- 11.1 Molybdoenzyme: Sauerstoff-Übertragung und Stickstoff -Fixierung.- 11.1.1 Sauerstoff-Übertragung durch Molybdoenzyme: Der Molybdopterin-Cofaktor.- 11.2 Metalloenzyme im biologischen Stickstoffkreislauf: Molybdänabhängige Stickstoff-Fixierung.- 11.3 Alternative Nitrogenasen.- 11.4 Biologisches Vanadium außerhalb von Nitrogenasen.- 11.5 Chrom(III) im Stoffwechsel.- 12 Zink: Enzymatische Katalyse von Aufbau- und Abbau-Reaktionen sowie strukturelle und genregulatorische Funktionen.- 12.1 Überblick.- 12.2 Carboanhydrase (CA).- 12.3 Carboxypeptidase A (CPA) und andere Hydrolasen.- 12.4 Katalyse von Kondensations-Reaktionen durch zinkhaltige Enzyme.- 12.5 Alkohol-Dehydrogenase (ADH) und verwandte Enzyme.- 12.6 Der "Zink-Finger" und andere genregulierende Metalloproteine.- 12.7 Insulin und Metallothionein als zinkhaltige Proteine.- 13 Ungleich verteilte Mengenelemente: Funktion und Transport von Alkalimetall- und Erdalkalimetall-Kationen.- 13.1 Charakterisierung von K+, Na+, Ca2+ und Mg2+.- 13.2 Komplexe von Alkali- und Erdalkalimetallionen mit Makrozyklen.- 13.3 lonenkanäle.- 13.4 lonenpumpen.- 14 Katalyse und Regulation bioenergetischer Prozesse durch die Erdalkalimetallionen Mg2+ und Ca2+.- 14.1 Magnesium: Katalyse des Phosphat-Transfers durch zweiwertige Ionen.- 14.2 Calcium als Bestandteil biologischer Regelkreise.- 15 Biomineralisation: Kontrollierter Aufbau biologischer Hochleistungsmaterialien.- 15.1 Überblick.- 15.2 Keimbildung und Kristallwachstum.- 15.3 Beispiele für Biominerale.- 15.3.1 Calciumphosphate in Wirbeltier-Knochen und -Zähnen.- 15.3.2 Calciumcarbonate.- 15.3.3 Kieselsäure.- 15.3.4 Eisenoxide.- 15.3.5 Schwermetallsulfate.- 16 Biologische Bedeutung anorganischerNichtmetall-Elemente.- 16.1 Überblick.- 16.2 Bor.- 16.3 Silicium.- 16.4 Arsen.- 16.5 Brom.- 16.6 Fluor.- 16.7 Iod.- 16.8 Selen.- 17 Die bioanorganische Chemie vorwiegend toxischer Metalle.- 17.1 Überblick.- 17.2 Blei.- 17.3 Cadmium.- 17.4 Thallium.- 17.5 Quecksilber.- 17.6 Aluminium.- 17.7 Beryllium.- 17.8 Chrom als Chromat.- 18 Biochemisches Verhalten anorganischer Radionuklide: Strahlenbelastung und medizinischer Nutzen.- 18.1 Überblick.- 18.2 Natürliche und künstliche Radioisotope außerhalb medizinischer Anwendungen.- 18.3 Bioanorganische Chemie von Radiopharmazeutika.- 18.3.1 Übersicht.- 18.3.2 Technetium - ein künstliches "bioanorganisches" Element.- 19 Chemotherapie mit Verbindungen nicht-essentieller Elemente: Platin, Gold, Lithium.- 19.1 Überblick.- 19.2 Platin-Komplexe in der Krebstherapie.- 19.2.1 Entdeckung, Anwendungsspektrum und StrukturWirkungs-Beziehungen.- 19.2.2 Wirkungsweise von Cisplatin.- 19.3 Cytotoxische Verbindungen anderer Metalle.- 19.4 Goldhaltige Pharmaka in der Therapie rheumatischer Arthritis.- 19.4.1 Historische Entwicklung.- 19.4.2 Goldverbindungen als Antirheumatika.- 19.4.3 Hypothesen über die Wirkungsweise goldhaltiger Antirheumatika.- 19.5 Lithium in der Psychotherapie.- Verzeichnis der Einschübe.- Stichwortverzeichnis.
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