Металлы в живых организмах

Основная масса биологически активных металлов расположена в средней части первого большого периода таблицы Менделеева и относится к так называемым переходным элементам. Исключение составляют четыре металла (натрий, калий, магний, кальций), которые содержатся в организмах в довольно больших количествах. Обычно к переходным относят те элементы, у которых в нейтральных свободных атомах dи f-атомные орбитали заполнены электронами. Переходные металлы содержатся в организмах в очень малых количествах, и уже из этого можно сделать осторожный вывод, что их значение (доказанное прямым опытом) должно быть связано с катализом. Ведь именно активные катализаторы могут способствовать быстрым изменениям состава вещества действуя в малых концентрациях.

Переходные металлы 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].

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.

Комплексы металлов с порфиринами и порфириноподобными веществами. 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.

Производными порфина являются порфирины. К ним в настоящее время относятся представители многочисленного класса циклических ароматических соединений, содержащих многоконтурную сопряженную систему, в основе которой лежит шестнадцатичленный макроцикл, включающий от 4 до 8 атомов азота. В организмах встречаются комплексы, в которых некоторые атомы водорода в порфине замещены на метильные и винильные остатки пропионовой кислоты (протопорфины). Известны 15 возможных изомерных структур. Однако основной каркас этой сложной молекулы сохраняется во многих важнейших веществах: гемоглобине, цитохромах, витамине В12. Ион металла замещает атомы водорода двух пиррольных колец и одновременно связывается координационными связями с третичными атомами азота двух других пиррольных колец. Благодаря эффекту резонанса связи металла с четырьмя атомами азота пиррольных колец, которые лежат в одной плоскости, рассматриваются как одинаковые.

Важнейшим свойством порфиринов является наличие в молекуле координационной полости, ограниченной атомами азота, N4, имеющей радиус около 2 Б и способной координировать ионы металлов М2 +, М3 +, М4 + и даже с большей степенью окисления. В результате комплексообразования образуются комплексные соединения порфиринов, так называемые металлопорфирины, обладающие многообразными структурными и химическими особенностями, высокой биологической и каталитической активностью. При этом металл либо занимает центр полости N4 и оказывается в экваториальной плоскости xy, образуя плоский координационный узел из атомов MN4, либо оказывается приподнятым над плоскостью, в которой лежат атомы N4, и образует координационные узлы различной геометрической структуры — от тетрагональной пирамиды (L)MN4 и октаэдра (L1)(L2)MN4 до более сложных геометрических фигур.

Выход центрального атома из плоскости происходит, как правило, при донорно-акцепторном взаимодействии с молекулой L. Если металл M способен присоединить вторую молекулу L той же природы с противоположной стороны плоскости xy, то он возвращается в центр полости N4. Лиганды (L), способные вступать в координационную сферу металла, уже занятую четырьмя атомами азота порфирина, называются аксиальными.

Возможности молекул металлопорфиринов выступать в биологических процессах в качестве биокатализаторов (ферментов) значительно расширяются в связи с необычайным строением порфиринов и их комплексов, своеобразием их свойств и чрезвычайно большим структурным многообразием. Структурное многообразие связано с многочисленными путями химической модификации молекул порфина за счет замещения атомов водорода. порфирин аминокислота гемоглобин цитохром Известно большое число биологических систем, в 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 практический интерес представляет функционирование металлопорфиринов (железопорфиринов) в ферментных системах цитохромов [2]. Кратко рассмотрим эти явления.

Гемоглобин. Потребление атмосферного кислорода живыми организмами — важнейший биохимический процесс. Кислород транспортируется гемоглобином эритроцитов от легких к мышцам и удерживается в мышцах миоглобином [3]. Как гемоглобин, так и миоглобин представляют собой комплексы железа, в которых группа ферропротопорфирина (гема) содержит Fe (II).

Пятое координационное место занимает азот имидазола (Im) гистидинового остатка, через который осуществляется единственная связь группы гема с полипептидной цепью белка. В настоящее время известны аминокислотный состав и последовательность аминокислот в гемоглобинах, выделенных из разных животных, места присоединения частиц гема, пространственная структура гемоглобина (работы Перутца и др.). Гем локализован в расщелине между спиралями белка. Одна молекула гемоглобина, состоящая из четырех белковых субъединиц («глобул»), содержит четыре гема и, следовательно, четыре атома железа. Поскольку кислород в гемоглобине непосредственно фиксируется железом, то такая молекула может, постепенно насыщаясь, присоединить четыре молекулы кислорода. В молекуле миоглобина полипептидная цепь координирована железом гем-группы так же как в гемоглобине. Однако в отличие от гемоглобина молекула миоглобина состоит из одной белковой субъединицы и содержит одну гемовую единицу. Структуры оксии дезоксиформ различны, и это различие не только в том, что одна из них содержит молекулы кислорода, а другая нет.

При отсутствии кислорода атом Fe (II) в гемоглобине имеет координационное число 5, связан донорно-акцепторной связью с четырьмя координирующими атомами азота протопорфирина и одной менее прочной связью с третичным атомом азота проксимального имидазольного фрагмента гистидина (рис. 1). Координационный узел Fe (N)4NIm представляет собой квадратную пирамиду с атомом железа, удаленным от основания пирамиды на 0,8 Б. Шестое координационное место не в состоянии занять ни один имеющийся поблизости лиганд (в том числе и Н2О), кроме молекулярного кислорода. Молекула О2 вызывает оксигенирование гемоглобина, а точнее, иона Fe (II). При этом комплекс Fe (N)4NIm из высокоспинового пирамидального состояния переходит в низкоспиновое октаэдрическое искаженное состояние с координационным узлом Fe (N)4NIm (O₂).

Под влиянием кристаллического поля N-донорных атомов порфирина, а также аксиальных лигандов (Im и O₂) -конфигурация Fe (II) превращается в [4]. На вакантные еg-орбитали переходят сигма-электронные пары имидазола и кислорода. Считают, что молекула О2 связывается в шестом координационном месте с Fe (II) также за счет дативной p-связи. Координированный ион железа поставляет пару электронов, находящуюся на его dyz (или dzx-)-орбитали, на вакантную (разрыхляющую) pz-орбиталь молекулы О2. Образованию p-связи Fe (II) O2 благоприятствует высокая электронодонорная способность порфириновой p-системы и проксимального имидазола. Атом железа после оксигенации входит в координационную полость порфирина N4 и располагается центросимметрично. Структура белка в гемоглобине такова, что она экранирует подход к атому Fe (II) всех других молекул, имеющихся в крови, и своевременно регулирует его донорно-акцепторные свойства. Исключение составляют токсиканты — яды крови, к которым относятся монооксид углерода, оксиды азота, метиленовый синий. Проникая с атмосферным воздухом в легкие, монооксид углерода быстро преодолевает альвеолярно-капиллярную мембрану, растворяется в плазме крови, диффундирует в эритроциты и вступает в обратимое химическое взаимодействие как с окси-, так и с дезоксигемоглобином:

HbO2 + CO = HbCO + O2

Hb + CO = HbCO

где Hb — гемоглобин.

Образующийся комплекс карбоксигемоглобин (HbCO) не способен присоединять к себе кислород. В молекуле гемоглобина CO координируется атомом Fe (II), вытесняя O2. Одна молекула гемоглобина (точнее, четыре ее гема) может присоединить до четырех молекул CO.

Важным производным гемоглобина является метгемоглобин, в молекуле которого атом железа находится в степени окисления 3+. Метгемоглобин не связывает молекулярный кислород. Он образуется при воздействии на гемоглобин окислителей (оксидов азота, метиленового синего, хлоратов). Образование метгемоглобина в крови уменьшает в ней количество функционально важного оксигемоглобина и нарушает доставку кислорода к тканям. Комплексы железа с порфиринами участвуют не только в транспорте кислорода, но и выполняют множество других функций. Среди них процесс переноса электронов.

Цитохромы. Железопорфирины разных типов, соединяясь с белками, дают начало группе хромопротеидов, объединенных под общим названием цитохромы («цитохром» значит «клеточная окраска»). Важным этапом обмена вещества (метаболизма) является отщепление от пищевых веществ водорода. Атомы водорода при этом переходят в ионное состояние, а освободившиеся электроны поступают в дыхательную цепь. В этой цепи, переходя от одного соединения к другому, они отдают свою энергию на образование богатых энергией молекул аденозинтрифосфорной кислоты, а сами присоединяются к молекуле кислорода. Получившийся ион кислорода O2 — образует с ионами водорода H+ молекулы воды (рис. 2). Перенос электрона осуществляют железопорфириновые комплексы, очень похожие на те, которые входят в состав гемоглобина и миоглобина. Перенос электрона осуществляется за счет изменения степени окисления железа. Переходы Fe3 + + e = Fe2 +, Fe2 + - e = = Fe3 + создают возможность перебрасывать электроны от одного цитохрома к другому.

Цитохромы обычно делят на три класса: a, b и c. Лучше других изучен цитохром c, так как только его можно легко выделить из клеток водными солевыми растворами. В этом соединении порфириновое кольцо, содержащее железо (II) в центре, связано с белком за счет ковалентных связей атомов кольца с остатком цистеина в молекуле белка. С кислородом цитохром c не реагирует, так как у него шестое координационное место занято аминокислотным остатком метионина. В цепи переноса электронов цитохром c передает электроны цитохромам a и a3. Из всех цитохромов только они окисляются молекулярным кислородом. Эта система завершает цепь цитохромов и носит название цитохромоксидазы, которая представляет собой сложный белковый комплекс, содержащий два атома меди и две молекулы уникального гема А.

Молекула цитохромоксидазы должна обладать внутренней симметрией, имея реакционный центр, к которому ферроцитохром может доставлять электроны и к которому может присоединяться O2 [5]. Этот центр включает как гемы, так и атомы меди. Итак, перенос электронов осуществляется при помощи ряда соединений (цитохромов), в которых железо связано в комплекс с порфириновым циклом.

Витамин В12. Это первое подробно изученное комплексное соединение, входящее в состав живых организмов (Р. Уильямс, Оксфорд), которое содержится в крови человека в концентрации 2,5 «10- 4 мкг/мл. Недостаточное содержание кобальта в организме обусловливает развитие анемии. В 1926 году было установлено, что сырая печень является средством борьбы с подобной патологией. Позднее, в 1948 году, было выделено комплексное соединение кобальта красного цвета, которое оказалось действующим началом противоанемических препаратов. Его назвали кобаламин.

Центральной структурой является порфириноподобная корриновая кольцевая система, в которой пара пиррольных колец связана между собой непосредственно, а не через группу =CH-, как остальные пары колец и вообще пиррольные кольца в порфиринах. Кобальт (II) находится в положении, которое в геме занимает железо (II). Считают, что характерное для различных кобаламинов строение обусловливает и их своеобразные каталитические свойства. Выявлено большое число производных витамина В12, у которых CN-группа замещена другим фрагментом. Среди аналогов В12 наибольший интерес представляет метилкобаламин — метаболически активное соединение. У большинства организмов витамин В12 (до 90% общего содержания) находится в виде кофермента, то есть участвует в ферментативных реакциях. В природном коферменте вместо CN-группы содержится остаток дезоксиаденозина.

Витамин В12 необходим для образования эритроцитов. Кроме того, он осуществляет перенос метильных групп на важных стадиях обмена веществ. Процессы трансметилирования интересны тем, что в одном из образующихся промежуточных продуктов имеется связь между кобальтом и атомом углерода переносимой группы, напримерCH3. Подобные соединения синтезированы и хорошо известны, но в природе, как правило, не встречаются [6]. Кобаламиновые комплексы представляют практически единственный пример такого рода.

Металлопорфирины являются макроциклическими комплексами, и это накладывает отпечаток на их строение и свойства. Однако они отличаются от бесчисленного множества других групп макроциклических комплексов тем, что являются ароматическими макроциклами с уникальной сопряженной p-системой. Ароматичность порфиринов определяет их электронодонорные свойства, то есть способность к снижению локальных положительных и отрицательных зарядов путем их распределения по ароматическим орбиталям. Вследствие этого стабилизируются катиони анионрадикальные формы, а также различные степени окисления металлов, возникающие в процессе функционирования биологически активных соединений на основе металлопорфиринов.

• 1. Уильямс Д. Металлы жизни. М.: Мир, 1975. 237 с.
• 2. Березин Б. Д., Ениколопян Н. С. Металлопорфирины. М.: Наука, 1988. 160 с.
• 3. Василенко Ю. К. Биологическая химия. М.: Высш. шк., 1978. 381 с.
• 4. Хартли Ф., Бергес К., Олкок Р. Равновесия в растворах. М.: Мир, 1983. 360 с.
• 5. Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э., Хилл Р., Леман И. Основы биохимии. М.: Мир, 1981. Т. 1. 534 с.
• 6. Роуз С. Химия жизни. М.: Мир, 1969.