Μια ανεπαίσθητη μετατόπιση στον περιοδικό πίνακα αποκαλύπτει ένα περίπλοκο και σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητο στρώμα της βιολογίας.
Ερευνητές αποκαλύπτουν την κρυφή χημεία των «μεταλλοφόρων» στοιχείων στη βιολογία
Μια νέα προσέγγιση NMR (Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού) οπτικοποιεί τη συνδεσιμότητα των χαλκογόνων σε τριχαλκογονίδια γλουταθειόνης/κυστεΐνης, ανοίγοντας τον δρόμο για μια πλατφόρμα στη χημική βιολογία. Πηγή: Kanon Tanaka
Στη δεξιά πλευρά του περιοδικού πίνακα, ακριβώς κάτω από το οξυγόνο, βρίσκεται μια λιγότερο γνωστή ομάδα στοιχείων που ονομάζονται χαλκογόνα ή “μεταλλοφόρα” στοιχεία.
Ενώ το θείο είναι ευρέως αναγνωρισμένο για τον ρόλο του στη βιολογία, οι βαρύτεροι “συγγενείς” του, το σελήνιο και το τελλούριο, είναι πολύ λιγότερο κατανοητοί. Κι όμως, και τα τρία επηρεάζουν αθόρυβα τη χημεία που κρατά τα κύτταρα ζωντανά.
Το θείο αποτελεί ακρογωνιαίο λίθο της ρύθμισης οξειδοαναγωγής (redox), του συστήματος που διαχειρίζεται τη συνεχή ανταλλαγή μεταξύ οξείδωσης και αναγωγής μέσα στα κύτταρα.
Αυτή η ισορροπία είναι απαραίτητη. Όταν καταρρέει, μπορεί να οδηγήσει σε οξειδωτικό στρες, μια κατάσταση που συνδέεται με τη γήρανση και μια σειρά από ασθένειες.
Η γλουταθειόνη, ένα από τα σημαντικότερα αντιοξειδωτικά του σώματος, εξαρτάται από το θείο για να εξουδετερώσει επιβλαβή αντιδραστικά μόρια και να διατηρήσει την κυτταρική σταθερότητα.
Πρόσφατες έρευνες υποδηλώνουν ότι τα βαρύτερα στοιχεία, το σελήνιο και το τελλούριο, συμμετέχουν επίσης σε αυτές τις διαδικασίες οξειδοαναγωγής. Ωστόσο, η μελέτη μορίων που περιέχουν αλυσίδες διαφορετικών ατόμων χαλκογόνου υπήρξε δύσκολη επειδή είναι ασταθή.
Οι περισσότερες προηγούμενες εργασίες βασίζονταν στη φασματομετρία μάζας, η οποία δεν μπορεί να δείξει άμεσα πώς συνδέονται τα άτομα μεταξύ τους. Για να ξεπεράσει αυτόν τον περιορισμό, μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Κιότο ανέπτυξε μια νέα μέθοδο για την καλύτερη παρατήρηση αυτών των αλυσίδων χαλκογόνου.
«Ενδιαφερόμαστε εδώ και καιρό να κατανοήσουμε πώς οι ανεπαίσθητες ατομικές αντικαταστάσεις μπορούν να μεταβάλουν τη βιολογική λειτουργία», λέει ο υπεύθυνος της μελέτης, Kazuma Murakami. «Η χημεία των χαλκογόνων προσφέρει ένα μοναδικό παράθυρο στη βιολογία της οξειδοαναγωγής, το οποίο παραμένει σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητο».
Οι ερευνητές δημιούργησαν μια νέα προσέγγιση βασισμένη σε μια in situ αντίδραση (επί τόπου αντίδραση) σε ένα υδατικό διάλυμα που περιείχε οξειδωμένα μόρια γλουταθειόνης-κυστίνης. Σε αυτό το διάλυμα, εισήγαγαν άτομα σεληνίου ή τελλουρίου.
Στη συνέχεια, ανέλυσαν τις δομές που προέκυψαν χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) 77Se/125Te ανιχνευόμενη από 1H.
Για να αξιολογήσουν τη συμπεριφορά οξειδοαναγωγής, χρησιμοποίησαν δεσμευτές ελεύθερων ριζών (radical scavengers), οι οποίοι βοηθούν στην προστασία των κυττάρων από βλάβες που προκαλούνται από ασταθή μόρια και μπορούν επίσης να αποτρέψουν τη φερρόπτωση, μια μορφή ελεγχόμενου κυτταρικού θανάτου.
Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, η ομάδα παρήγαγε και ανέλυσε επιτυχώς ετερόλογα μόρια τριχαλκογονιδίου που περιλαμβάνουν θείο, σελήνιο ή τελλούριο.
Αυτό τους επέτρεψε να παρατηρήσουν άμεσα τους ασταθείς δεσμούς που συνδέουν διαφορετικά άτομα χαλκογόνου.
Τα αποτελέσματά τους έδειξαν ότι αυτές οι ενώσεις παρουσιάζουν ισχυρή δράση οξειδοαναγωγής.
“Αυτή είναι η πρώτη άμεση φασματοσκοπική απεικόνιση ετεροχαλκογονικών δεσμών σε συστήματα οξειδοαναγωγής”, λέει ο Murakami. “Συνδυάζοντας το πολυπυρηνικό NMR με τη χημεία των υπερχαλκογονιδίων, ανοίξαμε έναν νέο δρόμο για τη μελέτη των βιομορίων με δράση οξειδοαναγωγής”.
Αυτή η τεχνική θα μπορούσε να καταστήσει εφικτό τον σχεδιασμό νέων μορίων με δράση οξειδοαναγωγής με πιο στοχευμένο τρόπο και να βοηθήσει στην ανάπτυξη λειτουργικών βιομορίων και πεπτιδίων. Ενδέχεται επίσης να υποστηρίξει την έρευνα σχετικά με το οξειδοτικό στρες και ασθένειες που συνδέονται με τη φερρόπτωση.
Οι ερευνητές σχεδιάζουν να εφαρμόσουν τη μέθοδό τους σε πιο περίπλοκα βιομόρια και να συνεχίσουν να ερευνούν τους βιολογικούς ρόλους των παραγώγων της γλουταθειόνης που έχουν τροποποιηθεί με χαλκογόνα.
Στοχεύουν επίσης στη δημιουργία νέων ενώσεων με δράση οξειδοαναγωγής, οι οποίες θα μπορούσαν να φανούν χρήσιμες σε μελλοντικές ιατρικές θεραπείες.