Biomolecules and metal ions - evolution, biological functions, and biomedicine - Cheatsheet

Entstehung von komplexen Biomolekülen

Definition:

Bildung komplexer Biomoleküle aus einfachen organischen Verbindungen unter präbiotischen Bedingungen.

Details:

• Miller-Urey-Experiment: Simulation frühzeitlicher Erdbedingungen zeigte Bildung organischer Moleküle aus einfachen Gasen.
• RNA-Welt-Hypothese: Erste selbstreplizierende Moleküle könnten RNA gewesen sein.
• Katalytische Prozesse: Metallionen als Katalysatoren für Bildung von Peptiden und Nukleinsäuren.
• Schutz durch Mikroumgebungen: Koazervate, Mikrosphären als Vorläufer von Zellen dienten als Schutz und Reaktionsräume.

Rolle von Metallionen in prähistorischen Organismen

Definition:

Metallionen spielte eine entscheidende Rolle in der Funktion und Evolution prähistorischer Organismen.

Details:

• Metallionen wie Fe, Cu, Zn, Mg waren essentiell für die Katalyse von biochemischen Reaktionen.
• Sie bildeten das zentrale Atom in vielen Enzymen (z.B. Hämoglobin, Cytochrome).
• Metallionen stabilisierten die Struktur von Proteinen und Nukleinsäuren.
• Sie förderten die Evolution von komplexeren biochemischen Prozessen.
• Frühe Lebensformen nutzten Metallionen, um Energie in reduzierenden Umgebungen zu gewinnen.
• Metallionenwechsel in der Umwelt könnte zur Entwicklung neuer metabolischer Wege geführt haben.

Metallionen als Kofaktoren in Enzymen

Definition:

Metallionen in Enzymen dienen als Kofaktoren, um deren katalytische Aktivität zu unterstützen oder Struktur zu stabilisieren.

Details:

• Metallionen binden an das Enzym und ermöglichen Redoxreaktionen oder Stabilisierung von Ladungen
• Wichtige Metallionen: Fe²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Cu²⁺
• Metallionen können als strukturelle Elemente oder in enzymatischen Mechanismen wirken
• Beispiel: Fe²⁺ in Hämoglobin für Sauerstofftransport
• Bindungseigenschaften und Koordination beeinflussen die Funktionalität

Transport und Speicherung von Metallionen

Definition:

Transport und Speicherung von Metallionen sind grundlegende Prozesse in biomolekularen Systemen, bei denen Metallionen an spezifische Proteinträger und Speicherproteine binden.

Details:

• Essentiell für zahlreiche biologische Funktionen
• Transportproteine: Metallothioneine, Transferrine, Ferritine
• Speicherorte: Lysosomen, Peroxisomen, Mitochondrien
• Mechanismen: Koordination durch Aminosäurereste (z.B. Histidin, Cystein)
• Regulation: Homöostase via Metallregulatorproteine (z.B. MT, TF)
• Störungen: Toxizität oder Mangelerscheinungen bei Dysregulation

Signalübertragung und zelluläre Kommunikation

Definition:

Signalübertragung und zelluläre Kommunikation betreffen die Prozesse, durch die Zellen Signale empfangen, verarbeiten und beantworten.

Details:

• Wichtige Moleküle: Metallionen (z.B. Ca²⁺), Proteine, Lipiden
• Signalübertragungstypen: parakrin, autokrin, endokrin, juxtakrin
• Signalwege: Kinasen/phosphatasen, sekundäre Botenstoffe (z.B. cAMP, IP₃)
• Rezeptoren: G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, Rezeptor-Tyrosinkinasen
• Funktion: Regulierung von Wachstum, Differenzierung, Stoffwechsel, Apoptose

Metallionen in der Diagnostik (z.B. MRT-Kontrastmittel)

Definition:

Metallionen wie Gadolinium werden in der Diagnostik als Kontrastmittel für MRT verwendet, um die Bildqualität zu verbessern.

Details:

• Gadolinium: häufigstes Metallion in MRT-Kontrastmitteln
• Erhöht den Kontrast zwischen verschiedenen Geweben
• Gd³⁺-Komplexe: stabil und minimieren die Toxizität
• Verbessern die Erkennung von Tumoren, Entzündungen und vaskulären Strukturen
• Verwendung in Chelatkomplexen, um Nebenwirkungen zu reduzieren

Krebstherapien mit Metallkomplexen

Definition:

Behandlung von Krebs mit Metallkomplexen; Basis für Entwicklung neuer Chemotherapeutika; Metallionen in Komplexen zeigen höhere Selektivität und Effizienz gegen Tumorzellen im Vergleich zu rein organischen Verbindungen

Details:

• Ziel: Zerstörung von Krebszellen durch Interaktion mit DNA, RNA oder Proteinen
• Platinbasierte Komplexe (z.B. Cisplatin) sind weit verbreitet
• Mechanismus: Bildung intra- und interstrang-Cross-Links in der DNA -> Hemmung der DNA-Replikation und -Transkription
• Weitere Metalle: Ruthenium, Titan, Gold und Gallium
• Vorteile: Erhöhte Stabilität und Wirkstofffreisetzung, Verminderung von Nebenwirkungen
• Nachteile: Resistenzentwicklung, toxische Nebenwirkungen, komplizierte Herstellung und Verabreichung

Toxikologie und Nebenwirkungen von Metallionen

Definition:

Studie von Schäden durch Metallionen in Lebewesen und Erforschung unerwünschter Nebenwirkungen

Details:

• Metallionen können toxisch wirken, indem sie Proteine denaturieren oder Enzyme hemmen.
• Schwermetalle wie Pb2+, Hg2+, und Cd2+ bekannt für ihre hohe Toxizität.
• Metallionen können oxidative Schäden verursachen durch Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS).
• \textit{Chelatbildung}: Minderung der toxischen Wirkung durch Bindung und Ausscheidung.
• Toxizität hängt von Form, Konzentration, Expositionsdauer und Aufnahmeweg ab.
• Akute und chronische Vergiftungen unterscheiden: akut = kurzzeitig und stark, chronisch = langfristig und schwach.
• Toxizitätsmessung: LD50 (Letale Dosis 50%) testet nötige Dosis, um 50% einer Testpopulation zu töten.
• Therapeutische Anwendungen: Einige Metallionen in gering dosierten Medikamenten verwendet, z.B. Li+ bei bipolaren Störungen.