Молибден в биологии
Использование молибдена организмами
Кластер FeMoco с атомом молибдена в центре

Молибден является необходимым элементом для большинства организмов. [1] Он наиболее заметен в нитрогеназе [2] , которая является важной частью фиксации азота . [3] [4]

Mo-содержащие ферменты

Молибден является необходимым элементом для большинства организмов; в исследовательской работе 2008 года высказывалось предположение, что дефицит молибдена в ранних океанах Земли мог оказать сильное влияние на эволюцию эукариотической жизни (включая все растения и животных). [1]

Было идентифицировано не менее 50 ферментов, содержащих молибден, в основном в бактериях. [5] [6] Эти ферменты включают альдегидоксидазу , сульфитоксидазу и ксантиноксидазу . [7] За одним исключением, Mo в белках связывается молибдоптерином, давая кофактор молибдена. Единственным известным исключением является нитрогеназа , которая использует кофактор FeMoco , имеющий формулу Fe 7 MoS 9 C. [8]

С точки зрения функции, молибдоэнзимы катализируют окисление и иногда восстановление определенных малых молекул в процессе регулирования азота , серы и углерода . [9] У некоторых животных и у людей окисление ксантина до мочевой кислоты , процесс катаболизма пуринов , катализируется ксантиноксидазой , ферментом, содержащим молибден. Активность ксантиноксидазы прямо пропорциональна количеству молибдена в организме. Чрезвычайно высокая концентрация молибдена меняет тенденцию и может ингибировать катаболизм пуринов и другие процессы. Концентрация молибдена также влияет на синтез белка , метаболизм и рост. [10]

Mo является компонентом большинства нитрогеназ . Среди молибдоферментов нитрогеназы уникальны тем, что в них отсутствует молибдоптерин. [11] [12] Нитрогеназы катализируют образование аммиака из атмосферного азота:

N2 + 8H + + 8e− + 16АТФ + 16H2O → 2NH3 + H2 + 16АДФ + 16Pi

Биосинтез активного центра FeMoco очень сложен. [ 13]

Структура активного центра FeMoco нитрогеназы .
Скелетная структура молибдоптерина с одним атомом молибдена, связанным с обеими тиолатными группами
Кофактор молибдена (на фото) состоит из органического комплекса без молибдена, называемого молибдоптерином , который связал окисленный атом молибдена (VI) через соседние атомы серы (или иногда селена). За исключением древних нитрогеназ, все известные ферменты, использующие Mo, используют этот кофактор.

Молибдат транспортируется в организме в виде MoO2−4. [10]

Метаболизм человека и его дефицит

Молибден является важным микроэлементом в рационе . [14] Известно четыре фермента млекопитающих, зависящих от Mo, все они содержат в своем активном центре кофактор молибдена на основе птерина (Moco): сульфитоксидаза , ксантиноксидоредуктаза , альдегидоксидаза и митохондриальная амидоксимредуктаза . [15] У людей с тяжелым дефицитом молибдена сульфитоксидаза функционирует плохо, и они склонны к токсическим реакциям на сульфиты в продуктах питания. [16] [17] В организме человека содержится около 0,07 мг молибдена на килограмм веса тела, [18] с более высокими концентрациями в печени и почках и более низкими в позвонках. [19] Молибден также присутствует в зубной эмали человека и может помочь предотвратить ее разрушение. [20]

Острая токсичность не наблюдалась у людей, и токсичность сильно зависит от химического состояния. Исследования на крысах показывают, что средняя летальная доза (LD 50 ) составляет всего 180 мг/кг для некоторых соединений Mo. [21] Хотя данные о токсичности для человека отсутствуют, исследования на животных показали, что хроническое употребление более 10 мг/день молибдена может вызвать диарею, задержку роста, бесплодие , низкий вес при рождении и подагру ; это также может повлиять на легкие, почки и печень. [22] [23] Вольфрамат натрия является конкурентным ингибитором молибдена. Пищевой вольфрам снижает концентрацию молибдена в тканях. [19]

Низкая концентрация молибдена в почве в географической полосе от северного Китая до Ирана приводит к общему дефициту молибдена в рационе питания и связана с повышенным уровнем заболеваемости раком пищевода . [24] [25] [26] По сравнению с Соединенными Штатами, где в почве больше молибдена, люди, живущие в этих районах, имеют примерно в 16 раз больший риск развития плоскоклеточного рака пищевода . [27]

Дефицит молибдена также был зарегистрирован как следствие полного парентерального питания без молибдена (полное внутривенное питание) в течение длительных периодов времени. Это приводит к высокому уровню сульфита и урата в крови , во многом так же, как дефицит кофактора молибдена . Поскольку чистый дефицит молибдена по этой причине встречается в основном у взрослых, неврологические последствия не столь выражены, как в случаях врожденного дефицита кофактора. [28]

Врожденное заболевание дефицита кофактора молибдена , наблюдаемое у младенцев, представляет собой неспособность синтезировать кофактор молибдена , гетероциклическую молекулу, обсуждавшуюся выше, которая связывает молибден в активном центре всех известных человеческих ферментов, использующих молибден. Возникающий дефицит приводит к высоким уровням сульфита и урата , а также к неврологическим повреждениям. [29] [30]

Выделение

Большая часть молибдена выводится из организма человека в виде молибдата с мочой. Кроме того, выделение молибдена с мочой увеличивается по мере увеличения потребления молибдена с пищей. Небольшие количества молибдена выводятся из организма с калом через желчь; небольшие количества также могут выходить с потом и волосами. [31] [32]

Избыток и антагонизм меди

Высокий уровень молибдена может мешать усвоению организмом меди , вызывая дефицит меди . Молибден препятствует связыванию белков плазмы с медью, а также увеличивает количество меди, выделяемой с мочой . Жвачные животные , потребляющие высокие уровни молибдена, страдают от диареи , задержки роста, анемии и ахромотрихии (потери пигмента шерсти). Эти симптомы можно облегчить с помощью добавок меди, как диетических, так и инъекционных. [33] Эффективный дефицит меди может усугубляться избытком серы . [19] [34]

Снижение или дефицит меди также может быть преднамеренно вызвано в терапевтических целях соединением тетратиомолибдата аммония , в котором ярко-красный анион тетратиомолибдата является хелатирующим медь агентом. Тетратиомолибдат впервые был использован в терапевтических целях при лечении токсикоза меди у животных. Затем он был введен в качестве лечения болезни Вильсона , наследственного нарушения метаболизма меди у людей; он действует как путем конкуренции с всасыванием меди в кишечнике, так и путем увеличения экскреции. Также было обнаружено, что он оказывает ингибирующее действие на ангиогенез , потенциально путем ингибирования процесса транслокации мембраны, который зависит от ионов меди. [35] Это многообещающее направление для исследования методов лечения рака , возрастной макулярной дегенерации и других заболеваний, которые включают патологическую пролиферацию кровеносных сосудов. [36] [37]

У некоторых видов скота, особенно крупного рогатого скота, избыток молибдена в почве пастбища может вызывать понос ( диарею ), если pH почвы нейтральный или щелочной; см. слезоточивость.

Ссылки

  1. ^ ab Скотт, C.; Лайонс, TW; Беккер, A.; Шен, Y.; Поултон, SW; Чу, X.; Анбар, AD (2008). «Отслеживание поэтапной оксигенации протерозойского океана». Nature . 452 (7186): 456– 460. Bibcode :2008Natur.452..456S. doi :10.1038/nature06811. PMID  18368114. S2CID  205212619.
  2. ^ GJ Leigh. Гл. 5 Структура и спектроскопические свойства металлосерных кластеров. Фиксация азота на рубеже тысячелетий. Elsevier Science BV, Амстердам, 2002. 209-210. ISBN 9780444509659 . 
  3. ^ Burris RH, Wilson PW (июнь 1945 г.). «Биологическая фиксация азота». Annual Review of Biochemistry . 14 (1): 685–708 . doi :10.1146/annurev.bi.14.070145.003345. ISSN  0066-4154.
  4. ^ Streicher SL, Gurney EG, Valentine RC (октябрь 1972 г.). «Гены фиксации азота». Nature . 239 (5374): 495– 9. Bibcode :1972Natur.239..495S. doi :10.1038/239495a0. PMID  4563018. S2CID  4225250.
  5. ^ Энемарк, Джон Х.; Куни, Дж. Джон А.; Ванг, Джун-Джи; Холм, Р. Х. (2004). «Синтетические аналоги и реакционные системы, имеющие отношение к оксотрансферазам молибдена и вольфрама». Chem. Rev. 104 ( 2): 1175– 1200. doi :10.1021/cr020609d. PMID  14871153.
  6. ^ Мендель, Ральф Р.; Биттнер, Флориан (2006). «Клеточная биология молибдена». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Исследования молекулярных клеток . 1763 (7): 621–635 . doi :10.1016/j.bbamcr.2006.03.013. ПМИД  16784786.
  7. ^ Эмсли, Джон (2001). Строительные блоки природы. Оксфорд: Oxford University Press. С.  262– 266. ISBN 978-0-19-850341-5. Архивировано из оригинала 2022-06-30 . Получено 2022-07-02 .
  8. ^ Расс Хилл; Джеймс Холл; Парта Басу (2014). «Моноядерные молибденовые ферменты». Chem. Rev. 114 ( 7): 3963– 4038. doi :10.1021/cr400443z. PMC 4080432. PMID  24467397 . 
  9. ^ Kisker, C.; Schindelin, H.; Baas, D.; Rétey, J.; Meckenstock, RU; Kroneck, PMH (1999). "Структурное сравнение ферментов, содержащих молибденовый кофактор" (PDF) . FEMS Microbiol. Rev . 22 (5): 503–521 . doi : 10.1111/j.1574-6976.1998.tb00384.x . PMID  9990727. Архивировано (PDF) из оригинала 2017-08-10 . Получено 2017-10-25 .
  10. ^ ab Mitchell, Phillip CH (2003). "Обзор базы данных по окружающей среде". Международная ассоциация молибдена. Архивировано из оригинала 2007-10-18 . Получено 2007-05-05 .
  11. ^ Мендель, Ральф Р. (2013). "Глава 15 Метаболизм молибдена". В Banci, Lucia (ред.). Металломика и клетка . Ионы металлов в науках о жизни. Том 12. Springer. doi :10.1007/978-94-007-5561-10_15 (неактивен 1 ноября 2024 г.). ISBN 978-94-007-5560-4.{{cite book}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )электронная книга ISBN 978-94-007-5561-1 ISSN  1559-0836 электронная- ISSN  1868-0402 
  12. ^ Чи Чунг, Ли; Маркус В., Риббе; Илинь, Ху (2014). "Глава 7. Расщепление тройной связи N,N: преобразование диазота в аммиак нитрогеназами ". В Питере М. Х. Кронеке; Марте Э. Сосе Торрес (ред.). Биогеохимия газообразных соединений в окружающей среде, обусловленная металлами . Ионы металлов в науках о жизни. Том 14. Springer. С.  147–174 . doi :10.1007/978-94-017-9269-1_6. ISBN 978-94-017-9268-4. PMID  25416393.
  13. ^ Дос Сантос, Патрисия С.; Дин, Деннис Р. (2008). «Недавно открытая роль железо-серных кластеров». PNAS . 105 (33): 11589– 11590. Bibcode : 2008PNAS..10511589D. doi : 10.1073/pnas.0805713105 . PMC 2575256. PMID  18697949 . 
  14. ^ Шварц, Гюнтер; Белаиди, Абдель А. (2013). «Глава 13. Молибден в здоровье и болезнях человека». В Астрид Сигель; Хельмут Сигель; Роланд КО Сигель (ред.). Взаимосвязи между ионами основных металлов и болезнями человека . Ионы металлов в науках о жизни. Том 13. Springer. стр.  415– 450. doi :10.1007/978-94-007-7500-8_13. ISBN 978-94-007-7499-5. PMID  24470099.
  15. ^ Мендель, Ральф Р. (2009). «Клеточная биология молибдена». BioFactors . 35 (5): 429– 34. doi :10.1002/biof.55. PMID  19623604. S2CID  205487570.
  16. ^ Blaylock Wellness Report , февраль 2010 г., стр. 3.
  17. ^ Cohen, HJ; Drew, RT; Johnson, JL; Rajagopalan, KV (1973). «Молекулярная основа биологической функции молибдена. Связь между сульфитоксидазой и острой токсичностью бисульфита и SO2». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 70 (12 Pt 1–2): 3655– 3659. Bibcode : 1973PNAS...70.3655C. doi : 10.1073/pnas.70.12.3655 . PMC 427300. PMID  4519654 . 
  18. ^ Холлеман, Арнольд Ф.; Виберг, Эгон (2001). Неорганическая химия. Academic Press. стр. 1384. ISBN 978-0-12-352651-9. Архивировано из оригинала 2021-09-28 . Получено 2022-07-02 .
  19. ^ abc Консидайн, Гленн Д., ред. (2005). "Молибден". Энциклопедия химии Ван Ностранда . Нью-Йорк: Wiley-Interscience. С.  1038– 1040. ISBN 978-0-471-61525-5.
  20. ^ Керзон, MEJ; Кубота, Дж.; Бибби, Б.Г. (1971). «Экологическое воздействие молибдена на кариес». Журнал стоматологических исследований . 50 (1): 74– 77. doi :10.1177/00220345710500013401. S2CID  72386871.
  21. ^ "Информационная система оценки риска: сводка токсичности молибдена". Национальная лаборатория Оук-Ридж. Архивировано из оригинала 19 сентября 2007 г. Получено 23 апреля 2008 г.
  22. ^ Coughlan, MP (1983). «Роль молибдена в биологии человека». Журнал наследственных метаболических заболеваний . 6 (S1): 70–77 . doi :10.1007/BF01811327. PMID  6312191. S2CID  10114173.
  23. ^ Barceloux, Donald G.; Barceloux, Donald (1999). «Молибден». Клиническая токсикология . 37 (2): 231– 237. doi :10.1081/CLT-100102422. PMID  10382558.
  24. ^ Yang, Chung S. (1980). «Исследование рака пищевода в Китае: обзор» (PDF) . Cancer Research . 40 (8 Pt 1): 2633– 44. PMID  6992989. Архивировано (PDF) из оригинала 2015-11-23 . Получено 2011-12-30 .
  25. ^ Нури, Мохсен; Чалиан, Хамид; Бахман, Атие; Моллахаджян, Хамид; и др. (2008). «Содержание молибдена и цинка в ногтях у населения с низкой и умеренной заболеваемостью раком пищевода» (PDF) . Архивы иранской медицины . 11 (4): 392– 6. PMID  18588371. Архивировано из оригинала (PDF) 2011-07-19 . Получено 2009-03-23 ​​.
  26. ^ Чжэн, Лю и др. (1982). «Географическое распределение почв с дефицитом микроэлементов в Китае». Acta Ped. Sin . 19 : 209–223 . Архивировано из оригинала 2021-02-05 . Получено 2022-07-02 .
  27. ^ Тейлор, Филип Р.; Ли, Бин; Доуси, Сэнфорд М.; Ли, Цзюнь-Яо; Ян, Чунг С.; Го, Вандэ; Блот, Уильям Дж. (1994). «Профилактика рака пищевода: исследования вмешательства в питание в Линьсяне, Китай» (PDF) . Cancer Research . 54 (7 Suppl): 2029s – 2031s . PMID  8137333. Архивировано (PDF) из оригинала 2016-09-17 . Получено 2016-07-01 .
  28. ^ Абумрад, НН (1984). «Молибден — это важный следовой металл?». Бюллетень Нью-Йоркской медицинской академии . 60 (2): 163–71 . PMC 1911702. PMID  6426561 . 
  29. ^ Смолинский, Б.; Эйхлер, СА; Бухмайер, С.; Мейер, Дж. К.; Шварц, Г. (2008). «Сплайсинг-специфические функции гефирина в биосинтезе кофактора молибдена». Журнал биологической химии . 283 (25): 17370– 9. doi : 10.1074/jbc.M800985200 . PMID  18411266.
  30. ^ Рейсс, Дж. (2000). «Генетика дефицита кофактора молибдена». Генетика человека . 106 (2): 157– 63. doi :10.1007/s004390051023 (неактивен 1 ноября 2024 г.). PMID  10746556.{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )
  31. ^ Гроппер, Сарин С.; Смит, Джек Л.; Карр, Тимоти П. (2016-10-05). Расширенное питание и метаболизм человека. Cengage Learning. ISBN 978-1-337-51421-7. Архивировано из оригинала 2021-11-13 . Получено 2022-07-02 .
  32. ^ Turnlund, JR; Keyes, WR; Peiffer, GL (октябрь 1995 г.). «Поглощение, выделение и задержка молибдена изучались с помощью стабильных изотопов у молодых мужчин при пяти приемах пищевого молибдена». Американский журнал клинического питания . 62 (4): 790– 796. doi : 10.1093/ajcn/62.4.790 . ISSN  0002-9165. PMID  7572711.
  33. ^ Suttle, NF (1974). "Недавние исследования антагонизма меди и молибдена". Труды Общества по питанию . 33 (3): 299–305 . doi : 10.1079/PNS19740053 . PMID  4617883.
  34. ^ Хауэр, Джеральд Дефицит меди у крупного рогатого скота. Архивировано 10 сентября 2011 г. на Wayback Machine . Bison Producers of Alberta. Доступ 16 декабря 2010 г.
  35. ^ Никель, В. (2003). «Тайна неклассической секреции белков, современный взгляд на белки-грузы и потенциальные пути экспорта». Eur. J. Biochem. 270 (10): 2109– 2119. doi : 10.1046/j.1432-1033.2003.03577.x . PMID  12752430.
  36. ^ Brewer GJ; Hedera, P.; Kluin, KJ; Carlson, M.; Askari, F.; Dick, RB; Sitterly, J.; Fink, JK (2003). «Лечение болезни Вильсона тетратиомолибдатом аммония: III. Начальная терапия в общей сложности 55 неврологически пораженных пациентов и последующее наблюдение с терапией цинком». Arch Neurol . 60 (3): 379–85 . doi :10.1001/archneur.60.3.379. PMID  12633149.
  37. ^ Brewer, GJ; Dick, RD; Grover, DK; Leclaire, V.; Tseng, M.; Wicha, M.; Pienta, K.; Redman, BG; Jahan, T.; Sondak, VK; Strawderman, M.; LeCarpentier, G.; Merajver, SD (2000). «Лечение метастатического рака тетратиомолибдатом, антимедным антиангиогенным агентом: исследование фазы I». Clinical Cancer Research . 6 (1): 1– 10. PMID  10656425.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Molybdenum_in_biology&oldid=1273965271#Molybdoenzyme"