WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
THE METAL COMPLEXES КОМПЛЕКСЫ МЕТАЛЛОВ IN LIVING ORGANISMS В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ N. A. ULAKHOVICH..

The biochemical properties of vitally important ‡‡ „‰‡‚ ‚ metal complexes are considered. Experimental evidence concerning the molecular structure of Основная масса биологически активных металmetalloproteins and their лов расположена в средней части первого большого role in oxygen transportaпериода таблицы Менделеева и относится к так наtion as well as in the reguзываемым переходным элементам. Исключение соlation of enzyme activity ставляют четыре металла (натрий, калий, магний, кальций), которые содержатся в организмах в доare presented.

вольно больших количествах. Какие же это элементы Обычно к переходным относят те элементы, у ‡ ·которых в нейтральных свободных атомах d- и f ‚‚‡ атомные орбитали заполнены электронами. Пере ‚‡ ходные металлы содержатся в организмах в очень малых количествах, и уже из этого можно сделать ‰ ‡‚.

осторожный вывод, что их значение (доказанное ‚‰ ‚‰fl прямым опытом) должно быть связано с катализом.

fl Ведь именно активные катализаторы могут способ ‡‚ ствовать быстрым изменениям состава вещества ‚ ‡‡ действуя в малых концентрациях. В дальнейшем мы увидим, что такое предположение в большинстве ‡‡ ‰‡, случаев оказывается верным. Но переходные метал‡ ‡ ‚ „fl лы могут еще выполнять (вместе с органическими ‡‚ соединениями) и другую функцию – переносить с ‚.

места на место группу атомов или целые молекулы, закреплять молекулы в определенном положении, поворачивать их, поляризовать их и т.п. [1]. Жизненно важные металлы, находящиеся в организме человека, и выполняемые ими функции представлены в табл. 1. Понятие “жизненно важный” включает только те катионы металлов, которые присутствуют во всех здоровых тканях человека и диапазон концентраций которых практически постоянен в каждой из тканей; исключение таких катионов из организма приводит к физиологическим аномалиям.

Для живых организмов очень важны комплексные соединения металлов, в которых четыре координационных места занимает одна частица, называемая порфином, содержащим четыре пирролоподобных цикла, соединенных =CH-группами:

.. © ‡‚.., лежат в одной плоскости, рассматриваются как одинаковые.

1 III NH N Важнейшим свойством порфиринов является наличие в молекуле координационной полости, ограниченной атомами азота, N4, имеющей радиус N HN около 2 и способной координировать ионы ме8 IV III таллов М2+, М3+, М4+ и даже с большей степенью окисления. В результате комплексообразования об7 разуются комплексные соединения порфиринов, Порфин так называемые металлопорфирины, обладающие Структура многообразными структурными и химическими особенностями, высокой биологической и каталитиПроизводными порфина являются порфирины.

ческой активностью. При этом металл либо занимает К ним в настоящее время относятся представители центр полости N4 и оказывается в экваториальной многочисленного класса циклических ароматичесплоскости xy, образуя плоский координационный ких соединений, содержащих многоконтурную соузел из атомов MN4, либо оказывается приподняпряженную систему, в основе которой лежит шесттым над плоскостью, в которой лежат атомы N4, и надцатичленный макроцикл, включающий от 4 до образует координационные узлы различной геомет8 атомов азота. В организмах встречаются комплекрической структуры – от тетрагональной пирамиды сы, в которых некоторые атомы водорода в порфине (L)MN4 (структура 2) и октаэдра (L1)(L2)MN4 (струкзамещены на метильные и винильные остатки тура 3) до более сложных геометрических фигур.

пропионовой кислоты (протопорфины). Известны 15 возможных изомерных структур. Однако основL ной каркас этой сложной молекулы сохраняется во многих важнейших веществах: гемоглобине, цитохромах, витамине В12. Ион металла замещает атомы M N N водорода двух пиррольных колец и одновременно связывается координационными связями с третичN N ными атомами азота двух других пиррольных колец.

Благодаря эффекту резонанса связи металла с четырьмя атомами азота пиррольных колец, которые Структура Таблица 1. Металлы, играющие важную роль в организме человека КоординируеМеталл Роль мый атом Натрий O Перенос заряда, передача нервного импульса; исключен из клеток Калий O Перенос заряда, передача нервного импульса; важен внутри клеток Магний O Формирование структуры клеток, гидролиз, перенос фосфата. Важен для создания синтетической ДНК Кальций O Формирование структуры клеток, гидролиз, перенос фосфата. Препятствует активирующему действию магния в ферментных процессах Ванадий Фиксация азота; окислительно–восстановительный катализ в превращениях эфиров; метаболизм железа Хром O Углеводородный обмен; в организмах кофактор инсулина (глюкозный фактор толерантности) Марганец О, N, S Реагент в реакциях окисления–восстановления, фотосинтез, метаболизм жиров, кофактор дыхательных ферментов Железо N, S Реагент в реакциях окисления–восстановления, транспорт кислорода Кобальт N, S Перенос H и CH3-групп, реагент в реакциях окисления–восстановления, в составе витамина ВНикель N, S Содержится в уреазе, стабилизирует структуру РНК и ДНК и структуру рибосом Медь N, S Окислительно–восстановительные реакции, метаболизм фенольных соединений, переносчик О2 в реакциях сшивания коллагена Цинк N, S Входит в состав 70 ферментов, участвует в гидролизе фосфатов и синтезе РНК Молибден N, S Реакции окисления–восстановления, в ферментах, антагонист меди, ‹8, L1 CHCH CHN N M H3C CH CHN N N N Fe LN N H3C CHСтруктура HOOC(H2C)2 (CH2)2COOH Выход центрального атома из плоскости происходит, как правило, при донорно-акцепторном взаи- Структура модействии с молекулой L. Если металл M способен Пятое координационное место занимает азот присоединить вторую молекулу L той же природы с имидазола (Im) гистидинового остатка, через котопротивоположной стороны плоскости xy, то он возрый осуществляется единственная связь группы гема вращается в центр полости N4. Лиганды (L), способ- с полипептидной цепью белка. В настоящее время известны аминокислотный состав и последовательные вступать в координационную сферу металла, ность аминокислот в гемоглобинах, выделенных из уже занятую четырьмя атомами азота порфирина, разных животных, места присоединения частиц геназываются аксиальными.



ма, пространственная структура гемоглобина (работы Перутца и др.). Гем локализован в расщелине Возможности молекул металлопорфиринов вымежду спиралями белка. Одна молекула гемоглобиступать в биологических процессах в качестве биокана, состоящая из четырех белковых субъединиц тализаторов (ферментов) значительно расширяются (“глобул”), содержит четыре гема и, следовательно, в связи с необычайным строением порфиринов и их четыре атома железа. Поскольку кислород в гемокомплексов, своеобразием их свойств и чрезвычай- глобине непосредственно фиксируется железом, то такая молекула может, постепенно насыщаясь, прино большим структурным многообразием. Струксоединить четыре молекулы кислорода. В молекуле турное многообразие связано с многочисленными путями химической модификации молекул порфина за счет замещения атомов водорода.

Известно большое число биологических систем, Oв структуре которых металлопорфирины выполняют функции инициатора того или иного биологического процесса. Наибольшее число исследований посвящено гемоглобину, гему крови, и процессам обратимой фиксации атмосферного кислорода на биологических и модельных системах. Большой N N практический интерес представляет функционирование металлопорфиринов (железопорфиринов) в ферментных системах цитохромов [2]. Кратко расFe смотрим эти явления.

NN Потребление атмосферного кислорода живыми организмами – важнейший биохимический проN цесс. Кислород транспортируется гемоглобином эритроцитов от легких к мышцам и удерживается в мышцах миоглобином [3]. Как гемоглобин, так и N миоглобин представляют собой комплексы железа, в которых группа ферропротопорфирина (гема) соРис. 1. Схема координации в оксигенированном держит Fe(II): гемоглобине.. миоглобина полипептидная цепь координирована Образующийся комплекс карбоксигемоглобин железом гем-группы так же как в гемоглобине. Од- (HbCO) не способен присоединять к себе кислород.

нако в отличие от гемоглобина молекула миоглоби- В молекуле гемоглобина CO координируется атона состоит из одной белковой субъединицы и со- мом Fe(II), вытесняя O2. Одна молекула гемоглобидержит одну гемовую единицу. Структуры окси- и на (точнее, четыре ее гема) может присоединить до дезоксиформ различны, и это различие не только в четырех молекул CO.

том, что одна из них содержит молекулы кислорода, Важным производным гемоглобина является а другая нет.

метгемоглобин, в молекуле которого атом железа При отсутствии кислорода атом Fe(II) в гемогло- находится в степени окисления 3+. Метгемоглобин бине имеет координационное число 5, связан до- не связывает молекулярный кислород. Он образуетнорно-акцепторной связью с четырьмя координи- ся при воздействии на гемоглобин окислителей (окрующими атомами азота протопорфирина и одной сидов азота, метиленового синего, хлоратов). Обраменее прочной связью с третичным атомом азота зование метгемоглобина в крови уменьшает в ней проксимального имидазольного фрагмента гисти- количество функционально важного оксигемоглодина (рис. 1). Координационный узел Fe(N)4NIm бина и нарушает доставку кислорода к тканям.

представляет собой квадратную пирамиду с атомом Комплексы железа с порфиринами участвуют не железа, удаленным от основания пирамиды на 0,8. только в транспорте кислорода, но и выполняют Шестое координационное место не в состоянии за- множество других функций. Среди них процесс пенять ни один имеющийся поблизости лиганд (в том реноса электронов.

числе и Н2О), кроме молекулярного кислорода. Молекула О2 вызывает оксигенирование гемоглобина, а точнее, иона Fe(II). При этом комплекс Fe(N)4NIm из Железопорфирины разных типов, соединяясь с высокоспинового пирамидального состояния перебелками, дают начало группе хромопротеидов, объеходит в низкоспиновое октаэдрическое искаженное диненных под общим названием цитохромы (“цитосостояние с координационным узлом Fe(N)4NIm(O2).

хром” значит “клеточная окраска”). Важным этапом Под влиянием кристаллического поля N-доноробмена вещества (метаболизма) является отщепленых атомов порфирина, а также аксиальных лиганние от пищевых веществ водорода. Атомы водорода дов (Im и O2) t4ge2-конфигурация Fe(II) превращает2 g при этом переходят в ионное состояние, а освободившиеся электроны поступают в дыхательную ся в t6ge0 [4]. На вакантные еg-орбитали переходят 2 g цепь. В этой цепи, переходя от одного соединения к сигма-электронные пары имидазола и кислорода.

другому, они отдают свою энергию на образование Считают, что молекула О2 связывается в шестом кобогатых энергией молекул аденозинтрифосфорной ординационном месте с Fe(II) также за счет дативкислоты, а сами присоединяются к молекуле кислоной -связи. Координированный ион железа поставляет пару электронов, находящуюся на его dyz рода. Получившийся ион кислорода O2- образует с ионами водорода H+ молекулы воды (рис. 2). Пере(или dzx-)-орбитали, на вакантную (разрыхляющую) нос электрона осуществляют железопорфириновые pz-орбиталь молекулы О2. Образованию -связи комплексы, очень похожие на те, которые входят в Fe(II) O2 благоприятствует высокая электроно- состав гемоглобина и миоглобина. Перенос электродонорная способность порфириновой -системы и на осуществляется за счет изменения степени окиспроксимального имидазола. Атом железа после ок- ления железа. Переходы Fe3+ + e = Fe2+, Fe2+ - e = сигенации входит в координационную полость пор- = Fe3+ создают возможность перебрасывать элекфирина N4 и располагается центросимметрично. троны от одного цитохрома к другому.





Структура белка в гемоглобине такова, что она экЦитохромы обычно делят на три класса: a, b и c.

ранирует подход к атому Fe(II) всех других молекул, Лучше других изучен цитохром c, так как только его имеющихся в крови, и своевременно регулирует его можно легко выделить из клеток водными солевыдонорно-акцепторные свойства. Исключение со- ми растворами. В этом соединении порфириновое ставляют токсиканты – яды крови, к которым отно- кольцо, содержащее железо (II) в центре, связано с сятся монооксид углерода, оксиды азота, метиленовый синий. Проникая с атмосферным воздухом в ФП Fe2+ Fe3+ Fe2+ Fe3+ Cu+ 1/2 Oлегкие, монооксид углерода быстро преодолевает альвеолярно-капиллярную мембрану, растворяется 2 цит.b 2 цит.c1 2 цит.c 2 цит.a 2 цит.aв плазме крови, диффундирует в эритроциты и вступает в обратимое химическое взаимодействие (ФПH2)– Fe3+ Fe2+ Fe3+ Fe2+ Cu2+ O2– как с окси-, так и с дезоксигемоглобином:

2H+ H2O HbO2 + CO = HbCO + O2, Hb + CO = HbCO, Рис. 2. Схема процесса клеточного окисления.

где Hb – гемоглобин. ФП – флавопротеид, цит. – цитохром, ‹8, белком за счет ковалентных связей атомов кольца с ламина (цианокобаламина) можно представить остатком цистеина в молекуле белка. С кислородом следующим образом:

цитохром c не реагирует, так как у него шестое коорCO N H динационное место занято аминокислотным остатCH H ком метионина. В цепи переноса электронов цито- хром c передает электроны цитохромам a и a3. Из B CHCH всех цитохромов только они окисляются молеку- C лярным кислородом. Эта система завершает цепь H N CH CH H2NOC цитохромов и носит название цитохромоксидазы, CN CH CHкоторая представляет собой сложный белковый H2C A N Co+ CHN комплекс, содержащий два атома меди и две молекулы уникального гема А: H3C CH2 H N H2NOC C H CHH3C H2NOC H2NOC D CH3 CH3 CHCHH2C H2 H2 HH3C CH3 CHC C C C C C H HO C C C C C C CHCO N H N H2 H H2 H H2 H C CHCH H CHCH N CO H3C CH CH3 OH N N H NH O CHH O- H Fe(II) O H H CH 2 P O N N H CH2 OH O O C CHCH H3C H CH2 CH2 Строение витамина BH CH2 CH2 Структура C C Центральной структурой является порфиринопоO OH O OH добная корриновая кольцевая система, в которой пара пиррольных колец связана между собой непоГем A средственно, а не через группу =CH–, как остальСтруктура ные пары колец и вообще пиррольные кольца в порфиринах. Кобальт (II) находится в положении, Молекула цитохромоксидазы должна обладать внуткоторое в геме занимает железо (II). Считают, что ренней симметрией, имея реакционный центр, к кохарактерное для различных кобаламинов строение торому ферроцитохром может доставлять электрообусловливает и их своеобразные каталитические ны и к которому может присоединяться O2 [5]. Этот свойства. Выявлено большое число производных центр включает как гемы, так и атомы меди. Итак, витамина В12, у которых CN-группа замещена друперенос электронов осуществляется при помощи гим фрагментом. Среди аналогов В12 наибольший ряда соединений (цитохромов), в которых железо интерес представляет метилкобаламин – метаболисвязано в комплекс с порфириновым циклом.

чески активное соединение. У большинства организмов витамин В12 (до 90% общего содержания) находится в виде кофермента, то есть участвует в ферментативных реакциях. В природном коферЭто первое подробно изученное комплексное менте вместо CN-группы содержится остаток дезсоединение, входящее в состав живых организмов оксиаденозина:

(Р. Уильямс, Оксфорд), которое содержится в крови человека в концентрации 2,5 10- 4 мкг/мл. Недоста- CH2 O H точное содержание кобальта в организме обусловливает развитие анемии. В 1926 году было установH H N H N лено, что сырая печень является средством борьбы с подобной патологией. Позднее, в 1948 году, было N OH H N выделено комплексное соединение кобальта красного цвета, которое оказалось действующим начаNHлом противоанемических препаратов. Его назвали кобаламин. Формулу одного из производных коба- Структура.. Витамин В12 необходим для образования эрит- роцитов. Кроме того, он осуществляет перенос ме1. Уильямс Д. Металлы жизни. М.: Мир, 1975. 237 с.

тильных групп на важных стадиях обмена веществ.

Процессы трансметилирования интересны тем, что 2. Березин Б.Д., Ениколопян Н.С. Металлопорфирины.

в одном из образующихся промежуточных продукМ.: Наука, 1988. 160 с.

тов имеется связь между кобальтом и атомом углеро3. Василенко Ю.К. Биологическая химия. М.: Высш.

да переносимой группы, например –CH3. Подобшк., 1978. 381 с.

ные соединения синтезированы и хорошо известны, но в природе, как правило, не встречаются [6]. Ко4. Хартли Ф., Бергес К., Олкок Р. Равновесия в раствобаламиновые комплексы представляют практичесрах. М.: Мир, 1983. 360 с.

ки единственный пример такого рода.

5. Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э., Хилл Р., Леман И. ОсМеталлопорфирины являются макроцикличесновы биохимии. М.: Мир, 1981. Т. 1. 534 с.

кими комплексами, и это накладывает отпечаток 6. Роуз С. Химия жизни. М.: Мир, 1969.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.