Бионеорганическая химия

БИОНЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Бионеорганическая химия — одно из самых новых направлений неорганической химии. Задачей бионеорганической химии являются выявление неорганических соединений, участвующих в различного рода биологических процессах, их изучение, математическое и химическое моделирование биологических систем с участием этих соединений и, наконец, управление этими системами и их оптимизация. В курсе неорганической химии при систематическом рассмотрении свойств элементов периодической системы необходимо наряду с другими аспектами останавливаться и на проблемах бионеорганической химии, в том числе отмечать биологическую роль тех или иных неорганических соединений.

1. Бионеметаллы и биометаллы

В биологических процессах участвует большое число химических соединений, образованных различными элементами периодической системы. Организмы животных и растений состоят из сложных веществ, включающих в свой состав как элементы-неметаллы, так и элементы с металлическими свойствами. Из неметаллов особенно важную роль играют углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, галогены. Из металлов в состав животных и растительных организмов входят натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кобальт, медь, марганец, молибден и некоторые другие.

Для того чтобы оценить соотношение количеств химических элементов, входящих в состав живых организмов, полезно рассмотреть содержание биоэлементов в организме «среднего» здорового человека (вес 70 кг). Установлено, что на 70 кг массы человека приходится 45,5 кг кислорода (т. е. больше половины массы), углерода-12,6, водорода — 7,0, азота — 2,1 кг, примерно столько же фосфора. Кальция в человеке 1,7 кг, калия — 0,25, натрия — 0,07 кг, магния — 42 г, железа — только 5 г (химики шутят, что железа в человеке хватит лишь на один гвоздь), цинка — 3 г. Остальных металлов в сумме меньше, чем 1 г. В частности, меди — 0,2 г, марганца — 0,02 г.

Интересно, что вхождение химических элементов в состав живых организмов не зависит каким-либо простым образом от их распространенности. Действительно, хотя наиболее распространенный на земле элемент — кислород — является важнейшей составной частью соединений, слагающих растительные и животные организмы, такие распространенные элементы, как кремний и алюминий, в их состав не входят, а относительно мало распространенные кобальт, медь и молибден выполняют важную биологическую роль. Следует отметить также, что среди биоэлементов, т. е. элементов, играющих важную роль в построении живого организма и в процессах поддержания его жизни (обмен веществ, метаболизм), находятся очень сильно различающиеся по своим химическим свойствам, размерам частиц и электронному строению металлы и неметаллы. Например, среди биометаллов (их часто называют «металлами жизни») есть элементы, образующие ионы с благородногазовой электронной «подкладкой», несклонные к проявлению переменной валентности (Na+, K⁺, Mg²⁺, Са²⁺). Наряду с этим есть среди биометаллов и элементы с 18-электронной (Zn²+) или недостроенной 18-электронной «подкладкой» (Cu²⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Mo (V), Mo (VI)). Последние склонны изменять степень окисления в ходе обмена веществ.

Среди перечисленных биометаллов есть элементы, образующие преимущественно ионные (Na, К) и ковалентные связи (Mo, Zn); сильные комплексообразователи, такие, как Fe³⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺. Однако и менее прочные комплексы, образованные, например, ионами Са²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, играют важную биологическую роль, и даже ионы щелочных металлов (Na⁺, К⁺) в метаболических процессах вовлекаются в образование комплексов (с участием макроциклических лигандов). Установлено, что большое значение имеют размеры ионов металлов, участвующих в процессах метаболизма.

Так, например, не очень большая разница в величинах ионных радиусов Na⁺ (0,98 А) и К⁺ (1,33 А) обусловливает очень большую разницу в радиусах гидратированных ионов. Это приводит к неодинаковой роли ионов Na⁺ и К⁺ в процессе метаболизма: Na⁺ — внеклеточный, а К⁺-внутриклеточный ионы. Именно размеры ионов, а также характерный для данного иона тип химической связи определяют, на какие ионы может замещаться тот или иной ион в процессе метаболизма. Установлено, что ионы К⁺ могут замещаться в живых тканях на крупные однозарядные катионы щелочных металлов (Rb⁺, Cs⁺), а также на сходные по размерам ионы NH₄⁺ и Т1⁺. Напротив, относительно маленький ион Na+ может замещаться только на Li+. Интересно, что обмен на ионы Cu⁺ не происходит, видимо, из-за склонности Cu⁺ к образованию ковалентных связей, хотя размеры Cu⁺ и Na⁺ сходны.

Очень важно, что ионы Mg²⁺ и Са²⁺ в биосистемах не замещают друг друга. Это связано, как полагают, с большей ковалентностью связи Mg²⁺ с лигандами по сравнению с Са²⁺. Еще более ковалентные связи с лигандами образует Zn²⁺, он не замещается на Mg²⁺, хотя близок к нему по величине ионного радиуса.

Согласно. К. Б. Яцимирскому, оценку ионности и ковалентности связей ионов биометаллов с лигандами целесообразно проводить следующим образом. Ионность связи пропорциональна отношению квадрата заряда иона к величине ионного радиуса. Это отношение для большинства ионов находится в пределах от 1 до 5. Только для бериллия это отношение аномально велико и составляет 11,7. Именно с этим связывают высокую токсичность иона Ве²⁺.

Ковалентность связи металл-лиганд, по Яцимирскому, можно оценить как отношение

где Iм и Il — потенциалы ионизации (валентных состояний) металла и лиганда соответственно; Sml - интеграл перекрывания орбиталей, взаимодействующих при образовании ковалентной связи. Ковалентность биометаллов, охарактеризованная таким способом, обычно изменяется в интервале 20−135. При малой ковалентности связи наиболее устойчивыми оказываются соединения ионов металлов с кислородом. По мере роста ковалентности все более устойчивыми оказываются соединения со связью металл-азот и, особенно, со связью металл-сера. Такую же корреляцию дает классификация Пирсона, согласно которой «жесткая» кислота соединяется с «жестким» основанием, а «мягкая» кислота — с «мягким» основанием.

Бионеорганическая химия рассматривает не только те элементы и их соединения, которые присутствуют в нормально функционирующем живом организме, но и те элементы (и их соединения), которые, не являясь составной частью здорового организма, могут оказывать на него то или иное воздействие, попадая в организм извне. Речь идет о взаимодействии живого организма с ядовитыми веществами, попавшими в организм случайно или накопившимися в нем, например, в результате неправильной работы тех или иных органов (производные свинца, кадмия, ртути и др.).

Надо учитывать, что очень важной является дозировка различных элементов и их соединений в живом организме. Доказано, что один и тот же элемент может положительно влиять на организм в целом и одновременно быть сильным ядом в случае его передозировки. Уже упоминалось, что цинк принадлежит к числу важнейших биометаллов: ионы Zn²⁺ входят в состав нескольких десятков ферментов, катализирующих протекание жизненно важных процессов. В то же время установлено, что при слишком высоком содержании Zn²⁺ в тканях он оказывает канцерогенное действие.

Примером того же типа может быть селен, который, вообще говоря, не причисляют к биометаллам. Однако в последнее время установлено, что уменьшение содержания селена в пище, потребляемой человеком за день, с 0,3−0,5 мг (Япония) до 0,1−0,2 мг (США, ФРГ) приводит к резкому возрастанию числа раковых заболеваний грудной железы у женщин (более чем в 5 раз). Полагают, что низкое содержание селена в пищевых продуктах, вырабатываемых в странах с высокоразвитой химической промышленностью, связано с большим содержанием в атмосфере соединений серы, вытесняющих селен из природных объектов. В Японии нехватка селена в пище меньше, так как многие пищевые продукты, извлекаемые из моря, содержат большое количество селена.

В задачи бионеорганической химии входит изучение строения и биологической роли неорганических соединений. Эти исследования проводят различными физико-химическими методами, а также методами биологии и биохимии, включающими и математическое моделирование. Бионеорганические исследования имеют первостепенную важность для решения задач медицины, охраны окружающей среды, неорганической технологии. Далее мы кратко рассмотрим свойства и строение некоторых лигандов, играющих важнейшую роль в биологии, в частности соединения, закомплексовывающие биометаллы, а затем перейдем к характеристике свойств важнейших бионеорганических соединений и их роли в процессах жизнедеятельности животных и растений.

2. Важнейшие биолиганды

Биолиганды — это молекулы или ионы, взаимодействующие в организме с биометаллами. Многие из них называются «молекулами жизни». К числу биолигандов относятся главным образом органические соединения. Однако и неорганические лиганды, хотя их существенно меньше, играют в процессах метаболизма важную и незаменимую роль. Это неорганические анионы, такие, как галогенид-ионы (F^-, С1^-, I^-), сульфат — и нитрат-ионы, а также гидроксил-, фосфат — и карбонат-ионы, образование и гидролиз которых вносят немалый вклад в энергетическую «копилку» живого организма. Это, наконец, нейтральные молекулы Н₂О, О₂, СО₂, NH₃. Без этих лигандов метаболизм, питание и сама жизнь организма невозможны.

Поэтому исследование взаимодействия с упомянутыми неорганическими веществами ионов биометаллов, а также других катионов, попадающих в организм извне, — важнейшая задача биохимии. Взаимодействия, реализующиеся в биосистемах, не являются специфическими и рассматриваются в рамках обычных курсов неорганической химии. Поэтому ниже будут представлены сведения лишь о лигандах, характерных именно для биосистем или моделирующих эти системы.

Комплексы с полидентатными и макроциклическими лигандами

Основной особенностью биолигандов является их принадлежность к числу полидентатных и (очень часто) макроциклических лигандов.

Как известно, особая устойчивость комплексных соединений, образованных ионами металла с полидентатными лигандами, объясняется образованием одной молекулой (или ионом) лиганда с данным центральным ионом (катионом металла) одного или нескольких хелатных циклов. Согласно правилу Чугаева, наиболее устойчивыми являются пятичленные хелатные циклы (для систем без кратных связей) и шестичленные циклы (для систем с сопряженными двойными связями). Напомним, что энергетическая выгодность замыкания хелатных циклов (хелатный эффект) определяется как энтропийным, так и эн-тальпийным факторами. Рассмотрим в качестве примера комплексообразование Ni²⁺ с аммиаком и этилендиамином еп:

В обоих комплексах ион Ni²⁺ координирует два атома азота. Большая величина K_уст в случае этилендиаминового комплекса, несомненно, связана с хелатным эффектом: в комплексе [Niеn]²⁺ имеется пятичленный хелатный цикл, тогда как у комплекса [Ni (NH₃)2]²⁺ — «открытое» строение:

Координационно насыщенные аммиакаты Ni²+ имеют состав [Ni (NH₃)4]²⁺ или [Ni (NH₃)6]²⁺.

Установлено, что разница в величинах констант устойчивости этих двух комплексов (A lgKуст = 2,5) определяется энтальпийным (?H= - 1,9 ккал/моль) и энтропийным вкладом (?S = 6,2 кал/град*моль). Разницу в величинах энтальпии образования этих соединений объясняют тем, что в случае [Nien]²⁺ двум атомам азота, входящим в координационную сферу Ni²⁺, не нужно преодолевать взаимного отталкиваия (в отличие от комплекса [Ni (NH₃)2]²⁺). Атомы азота этилендиамина уже включены в состав одной молекулы («сближены» друг с другом). Кроме того, при образовании [Niеn]²⁺ меньше энергии требуется для дегидратации лиганда, чем в случае [Ni (NH₃)2]²⁺: молекулы аммиака меньше по размеру, чем еп, они сильнее гидратируются.

Разница в величинах энтропийных факторов при образовании хелатного и «открытого» комплексов обусловлена увеличением числа частиц при протекании реакции тогда как при синтезе в водном

растворе диаммиаката никеля (II) в результате комплексообразования число частиц не меняется:

что связано с бидентатностью еп и монодентатностью NH₃.

Как указывает Яцимирский, кроме хелатного эффекта в природных металлокомплексах, образованных биолигандами, часто осуществляется макроциклический эффект. В качестве примера рассматриваются термодинамические характеристики комплексов меди с лигандами L` и L" одинаковой дентатности и сходной природы, но только в L" цепь замкнута в макроцикл:

Как видно из приведенных данных, тетрадентатный лиганд L", представляющий собой макроцикл, при прочих равных условиях образует с Cu²⁺ комплекс, в 10⁴ раз более устойчивый, чем такой же тетрадентатный лиганд L`,имеющий незамкнутое цепочечное строение. Природа макроциклического эффекта в полной мере еще не раскрыта, однако можно полагать, что вхождение центрального иона металла в готовую «полость» макроциклического лиганда приносит существенную энергетическую выгоду по сравнению с ситуацией, когда такой готовой полости нет и ее нужно создавать в процессе комплексообра-зования.

Одним из простейших среди природных макроциклических лигандов является энниатин — 18-членный гексадентатный лиганд, включающий кислотные остатки N-метил-валина и о-гидроксивалериата:

Энниатин и подобные ему макроциклические лиганды выполняют в живых организмах роль «ионофоров»: они включают в свою полость те или иные ионы металлов и в таком закомплексованном виде переносят их через биомембраны, регулируя, таким образом, содержание ионов металлов во внеклеточном пространстве и внутри клеток.

В последнее время выполнены важные работы по моделированию природных систем с металлокомплексами, образованными макроциклическими лигандами. В качестве «модельных» лигандов использовались так называемые «короны» (или краун-эфиры) и «криптаты».

Примером простейших корон, являющихся двухмерными (плоскостными) лигандами, могут служить следующие:

Дициклогексил-14-корона-4 Бензо-18-корона-6

Номенклатура краун-эфиров, как видно из приведенных названий и формул, указывает на общее число атомов в макроцикле и число гетероатомов, формирующих полость короны и выполняющих функции доноров.

Экспериментально установлено, что устойчивость комплексных соединений ионов металлов с коронами определяется соотношением размеров иона металла и полости короны. Наибольшая прочность макроциклических комплексов достигается, когда полость плотно «обхватывает» ион металла. Если полость слишком велика или мала, устойчивость комплексов уменьшается.

Те же закономерности были установлены для систем, в которых комплексообразование ионов металлов осуществляется с помощью макроциклических лигандов — криптатов, представляющих собой трехмерные лиганды с полостью, обрамленной тремя углеродными цепями, включающими гетероатомы. Общая формула криптатов имеет вид:

Таким образом, криптаты можно рассматривать как бициклические кислород-донорные лиганды с концевыми атомами, роль которых выполняют третичные атомы азота.

Полагают, что криптаты могут обладать большой избирательностью (селективностью) по отношению к биометаллам, например, природный макроциклический лиганд валиномицин селективен к ионам К⁺. Ниже приведены значения lgК_уст комплексов криптатов и ионов щелочных металлов, образованных лигандами различной дентатности. Число донорных атомов в криптате влияет на размеры полости этого трехмерного макроциклического лиганда и, следовательно, на соотношение размеров комплексообразующего иона металла и полости, а значит и на устойчивость образующегося комплекса:

Интересно, что оптимальный лиганд для Li⁺ содержит в полости макроцикла пять донорных атомов. Увеличение числа донорных атомов и соответственно размеров полости приводит к уменьшению стабильности криптата лития. Для иона Na⁺ оптимальные размеры полости криптата отвечают 6-дентатному лиганду, для иона К⁺ — 7-дентатному. Для иона Rb+ устойчивость комплекса в оптимальных условиях ниже, чем для К⁺, и еще более она падает в случае иона цезия — самого большого по размерам среди ионов щелочных металлов. По-видимому, независимо от размеров полости для большого иона Cs⁺ прочность связи с лигандом мала из-за уменьшения энергии электростатического взаимодействия Cs⁺-лиганд.

Итак, исследование криптатов щелочных металлов показывает, что, регулируя состав и геометрию макроциклических лигандов, можно добиться их высокой селективности по отношению к ионам металлов, входящих в состав комплексов.

Состав и строение природных ионофоров, упрощенными моделями которых являются краун-эфиры и криптаты, сложны и многообразны.

Понятно поэтому, что в биосистемах может быть достигнута высокая селективность действия макроциклических лигандов, это и определяет их «узкую специализацию» в процессах метаболизма.

Биополимеры, на основе которых строится комплексообразование в биологических системах

Наиболее важными биополимерами, обеспечивающими процессы обмена веществ в животных и растительных организмах, в том числе процессы, протекающие с участием комплексных соединений металлов, являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты.

Среди полисахаридов наибольшее значение имеют крахмал, гликоген и целлюлоза. Основным звеном в построении полимерных цепей полисахаридов являются остатки D-глюкозы. Нециклическая D-глюкоза легко циклизуется, образуя две равновесные формы:

При полимеризации б — и в-формы D-глюкопиранозы соединяются в полимерную цепь через кислородные мостики:

Если полимеризуется б-форма, то цепь полимера оказывается разветвленной — получается крахмал и гликоген. При полимеризации в-формы образуется цепочечный неразветвленный полимер — целлюлоза, которая, как известно, обладает волокнистым строением.

Полисахариды, как видно из приведенных формул, имеют в своем составе кислородные атомы, способные проявлять донорные функции. Таким образом, полисахариды, в виде которых организм запасает углеводы (крахмал, гликоген) и которые используются для построения оболочек растительных клеток (целлюлоза), являются полимерными лигандами.

Другой тип биополимерных лигандов — белки (протеины). Белки представляют собой полимерные образования, в которых в том или ином порядке чередуются 23 б-аминокислоты. Строение всех аминокислот может быть описано формулой Различаются они только природой радикала R. б-Аминокислоты, вступая в реакцию полимеризации, образуют пептидную цепь:

Подобно тому как из 32 букв алфавита путем их различного сочетания можно составить огромное количество слов, так из 23 б-аминокислот посредством их сочленения в том или ином порядке получается все многообразие белковых тел, существующих в природе, образуется так называемая первичная белковая структура. Кроме того, рассматривают вторичную, третичную и четвертичную структуру.

Вторичная структура (б — и в-конформации) возникает в результате взаимодействия полипептидных цепей друг с другом. б-Конформация имеет спиралеобразное строение, каждый виток спирали содержит от трех до семи аминокислотных фрагментов. Взаимодействие между соседними полипептидными цепями в такой спирали осуществляется посредством водородных связей, образованных карбонильным кислородом одной цепи с иминогруппой другой цепи:

Редко встречающаяся в-конформация содержит вытянутые друг возле друга неспиральные полипептидные цепи.

Третичная структура белка — это глобулы, образованные б-вторичной структурой в результате свертывания полипептидных цепей в клубки. Свертывание б-спиралей в глобулы происходит в результате взаимодействия друг с другом гидрофобных участков спирали, электростатического взаимодействия заряженных участков цепи, образования сульфидных мостиков и водородных связей.

Четвертичная структура возникает в результате объединения глобул в еще более сложную структуру.

Свойства белков как биолигандов определяются содержанием в полипептидных цепях донорных атомов азота и кислорода, которые могут участвовать в образовании хелатных циклов и макроциклических комплексов. Кроме того, к полипептидным цепям через различные функциональные группы могут быть привязаны порфириновые кольца. Порфирин содержит четыре пиррольных ядра (с различными заместителями):

Как видно из схемы, порфирин представляет собой пример макро-циклического лиганда с четырьмя донорными атомами азота, которые координируются ионами металла, если создаются условия для вытеснения двух протонов порфирина и замещения их на ионы металла. Размер полости порфирина составляет около 2? (диаметр). Порфирин принадлежит к числу «жестких» лигандов, структура которых (и размер полости) мало зависит от природы координируемого иона металла. Порфириновые металлоциклы содержатся в хлорофилле и гемоглобине. Строение порфиринсодержащих комплексов биометаллов будет рассмотрено дальше.

Нуклеиновые кислоты — третий вид наиболее важных биополимерных лигандов. Роль нуклеиновых кислот в биосистемах состоит в хранении и передаче информации о строении синтезируемых организмом белков. Нуклеиновые кислоты состоят из мономеров — нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит фрагменты углевода, гетероциклического основания и остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединяются в нуклеиновые кислоты по следующей схеме:

Примером гетероциклических оснований могут служить аденин и урацил:

В качестве углеводного компонента нуклеиновых кислот выступают рибоза и продукт ее восстановления — дезоксирибоза:

В зависимости от природы углеводного фрагмента нуклеиновые кислоты делятся на две группы: рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК) кислоты. ДНК в растворах имеют строение двойных спиралей. Внутрь спирали обращены гетероциклические основания, скрепленные друг с другом водородными связями, наружу обращены фосфатные группировки. Совершенно ясно, что ДНК и РНК обладают свойствами лигандов: донорные атомы имеются во всех фрагментах нуклеиновых кислот.

Кроме белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот в биосистемах обычно присутствует большое число других химических соединений, проявляющих свойства лигандов и обладающих биологической активностью. Среди них особенно важную роль играют различные органические кислоты, как насыщенные, так и ненасыщенные, например аскорбиновая кислота:

производные фосфорной кислоты (такие, как аденозинфосфаты, липиды) и др.

3. Биологическая роль неорганических соединений

Биологическая роль неорганических веществ (О₂, СО₂, N₂ и т. д.), а также ионов металлов и соединений, включающих эти ионы и атомы металлов, связанные ковалентно, чрезвычайно важна и многообразна. Один из основных процессов, связанных с участием неорганических соединений, — процесс фотосинтеза. Именно взаимодействие Н₂О и СО₂ — двух неорганических соединений — приводит (при катализирующем действии хлорофилла — магниевого комплекса порфирина) к синтезу крахмала С6Н12О6 с выделением кислорода:

Эта реакция проходит через большое число стадий, но суть фотосинтеза состоит все же в соединении неорганических веществ в углевод. Углеводы, синтезируемые в растениях, потребляются травоядными животными. В результате пищеварения и дальнейших сложных превращений в организме травоядных образуются белки и жиры, служащие пищей для хищников и всеядных животных. К числу последних может быть отнесен и человек. Источником энергии, необходимой для жизнедеятельности человека и животных, являются белки, жиры и углеводы, содержащиеся в продуктах питания растительного и животного происхождения. Окисляясь (неорганическим) молекулярным кислородом, эти вещества, вернее продукты их деструкции, дают организму энергию, затрачиваемую на другие жизненно важные химические процессы и превращаемую в механическую энергию (движение), электрическую энергию и др.

Уже упоминалось, что важнейшую роль в процессах метаболизма играют ионофоры, регулирующие содержание акваионов щелочных и щелочноземельных металлов во внеклеточном и внутриклеточном пространстве, а также ферменты. Ферменты — всегда белковые вещества. Они ускоряют или ингибируют важнейшие процессы в организме, способствуют переносу в тканях кислорода и углекислого газа, переносу электронов, ускорению гидролитических процессов.

Роль акваионов металлов и металлсодержащих комплексов в живых организмах состоит в регуляции процессов, связанных с получением, преобразованием и распределением в организме энергии, выделением вредных для организма продуктов реакции.

Рассмотрим на ряде примеров биологическую роль акваионов металлов и их комплексов с биолигандами.

Транспорт ионов металлов и других неорганических компонентов в растительных и животных организмах

Для нормального функционирования живых организмов необходимо строго определенное распределение химических веществ по различным частям организма. В тканях млекопитающих действует система транспорта ионов натрия или калия, получившая название «натриевый (или калиевый) насос». Важнейшую роль играет также транспорт железа и других биометаллов.

Натриевый насос обеспечивает необходимое соотношение концентраций ионов Na⁺ и К⁺ во внеклеточном и внутриклеточном пространстве. Установлено, что в большинстве клеток животного организма [К⁺] составляет 0,12−0,16 моль/л, тогда как [Na⁺] в тех же клетках не превышает 0,01 моль/л. Во внеклеточной жидкости соотношение обратное: [Na⁺]?0,15 моль/л, а [К⁺] меньше, чем 0,004 моль/л. Таким образом, существует значительный градиент концентраций ионов К⁺ и Na⁺ между внеклеточным и внутриклеточным пространством. Такое распределение не может быть самопроизвольным, очевидно, требуется затрата энергии, чтобы ионы К⁺ накапливались внутри клеток, а ионы Na⁺ оттуда выводились. Установлено, что «насос», накачивающий ионы К⁺ в клетки к выкачивающий оттуда ионы Na⁺, т. е. действующий против концентрационного градиента, работает с помощью фосфатопротеина, который образует с ионами К⁺ более прочные соединения (в силу соответствия размеров иона К⁺ и полости ионофора), чем с ионами Na⁺. В составе комплекса с фосфатопротеином ион К⁺ проходит через клеточную мембрану. Во внутриклеточном пространстве фосфато-протеин взаимодействует с аденозинтрифосфатом. Новый лиганд образует более прочное соединение с ионами Na⁺, нежели с ионами К⁺ и выводит ионы Na⁺ из клетки во внеклеточное пространство.

Железо в виде ионов Fe²⁺, Fe³⁺ и биокомплексов необходимо организму животных и человека для выполнения важнейших жизненных функций, таких, например, как перенос кислорода и катализ окислительно-восстановительных процессов, служащих одним из главных источников энергии. В организме животных и человека железо накапливается и сохраняется в печени, селезенке и костном мозге в виде белковых образований — ферритина и гемосидерина. Белковая часть ферритина представляет собой сферическое образование (внешний диаметр около 120 ?) с внутренней полостью диаметром около 75 ?. В полости ферритина находится мицелла, состоящая из гидратированного и гидролизованного фосфата Fe (III). Масса сухого остатка, содержащего железо, составляет 23% от массы ферритина (в гемосидерине железа еще больше).

Транспорт железа от ферритина к красным кровяным тельцам происходит с помощью белка трансферрина, очень прочно связывающего Fe (III) в хелат. Установлено, что хелаты Fe (III), образованные белками типа трансферрина, переносят железо через биомембраны, тогда как сам по себе фосфат железа, содержащийся в ферритине и гемосидерине, преодолеть этих преград не может.

Транспорт О₂ в организме животных и человека осуществляется железосодержащими комплексами — гемоглобином и миоглобином. Оба этих белка содержат «гем-группы», представляющие собой порфириновый комплекс железа:

Гемовая группа присоединяется к белковой части молекулы гемоглобина и миоглобина путем координации гистидинового атома азота белка ионом железа гемовой группы. Таким образом, в координационную сферу иона железа входит пять атомов азота (четыре атома азота порфирина, один атом азота белкового гистидина). Шестое координационное место занимает Н₂О или О₂.

Гемоглобин имеет молекулярную массу 64 500 и включает четыре гем-группы. Миоглобин сходен с гемоглобином по строению, но содержит только одну гем-группу. Гемоглобин почти так же хорошо, как миоглобин, связывает кислород при высоком давлении кислорода, но, когда давление кислорода падает, преимущество в связывании О₂ имеет миоглобин. Падение давления О₂ наблюдается в тканях мышц, потребляющих кислород. Результатом использования кислорода является накопление в мышцах СО₂ и, как следствие, понижение рН. Это еще более способствует высвобождению О₂ из гемоглобина и передаче кислорода миоглобину. Таким образом, и гемоглобин, и миоглобин участвуют в переносе кислорода.

Теряя кислород, железо в гемоглобине (форма дезоксигемоглобина, КЧ железа = 5) переходит в высокоспиновое состояние. Ослабление связи с атомами азота порфирина приводит к выходу атома железа из плоскости кольца порфирина (на 0,7−0,8?). Напротив, вследствие присоединения кислорода к гемоглобину образуется низкоспиновый октаэдрический комплекс, железо в котором находится в плоскости порфиринового кольца (КЧ железа = 6). Хотя связывание молекулярного кислорода гемоглобином и миоглобином сопровождается ослаблением связи O = O в молекулярном кислороде из-за размещения р-дативных электронов железа на разрыхляющих орбиталях О₂, этот процесс сам по себе не сопряжен с необратимым переносом электрона, поэтому его обычно не причисляют к ферментативным окислительно-восстановительным реакциям. Отметим, однако, что разрыхление связи O = O в не может не активировать окислительные реакции.

Например, можно рассматривать взаимодействие активированной формы О₂ с восстановленной формой субстрата StH₂, сопровождающееся переходом его в окисленную (дегидрированную) форму St:

При этом кислород превращается в Н₂О и Н₂О2 с выделением энергии.

Металлсодержащие ферменты

Далеко не все ферменты, катализирующие биологически важные процессы в организме животных и растений, содержат ионы металлов. Однако металлсодержащих ферментов только в организме человека несколько сотен, и их биологическая роль чрезвычайно важна. Нарушение структуры или удаление из организма даже одного из них приводит к тяжелым расстройствам функций организма, а затем и к его гибели.

Металлсодержащие ферменты представляют собой координационные соединения, и поэтому их исследованием занимается неорганическая химия или, точнее, координационная химия.

Рассмотрим строение и биологическую роль нескольких металлоферментов.

Каждый фермент состоит из двух частей: кофермента и апофермента. Кофермент — это легко отделяемая часть фермента. В металлоферментах ион металла составляет основную часть кофермента. Апофермент-остальная часть фермента, которая в отсутствие кофермента не проявляет ферментативной активности.

Обычно рассматривают две группы металлоферментов, различающихся по типу катализируемых ими реакций: ферменты, катализирующие реакции гидролиза, и ферменты, катализирующие протекание окислительно-восстановительных реакций.

Ферментативный катализ реакций гидролиза

Реакции, протекающие в организмах животных и растений с участием воды, играют важнейшую роль в процессе обмена веществ и служат одним из основных источников «энергии, запасаемой организмом.

Реакции гидролиза катализируются обычно теми металлоферментами, которые содержат ионы Са²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺ и Мn²⁺. Хотя ион Мn²⁺ легко вступает в окислительно-восстановительные реакции, в ходе гидролитических реакций он, как и все упомянутые ионы, не меняет степени окисления.

Наиболее хорошо изучены строение и биологическая роль двух из металлоферментов, катализирующих гидролитические процессы, — цинксодержащих ферментов карбоангидразы и карбоксилазы. Отметим, однако, что только в организме человека содержится несколько десятков цинксодержащих ферментов, различающихся по своему строению и функциям.

Карбоангидраза состоит из больших белковых молекул с молекулярной массой 430 000. Каждая из таких макромолекул содержит 260 аминокислотных остатков. Форма молекулы карбоангидразы — эллиптическая, размеры ее (40×45×55) А³. Эллиптическая молекула карбоангидразы имеет полость, причем аминокислоты, составляющие белок апофермента, расположены так, что гидрофобные их части как бы выстилают внутреннюю полость макромолекулы. В одной молекуле фермента содержится только один ион Zn²⁺, который находится вблизи центра полости карбоангидразы. Координационный полиэдр комплекса, центральным ионом которого является Zn²⁺, представляет собой искаженный тетраэдр. Три положения в координационной сфере Zn²⁺ занимают донорные атомы азота из имидазольных групп аминокислоты гистидина:

Четвертое координационное место занято молекулой Н₂О или ионом ОН^-. Фермент карбоангидраза содержится в красных кровяных тельцах. Установлено, что карбоангидраза примерно в 10⁶ раз ускоряет реакцию образования бикарбонат-иона и обратную ей реакцию распада НСО₃^-:

Рассмотрим предполагаемый «концертный» механизм действия карбоангидразы. Ион Zn²⁺, входя в состав несимметрично построенного координационного соединения (имеющего по этой причине напряженную структуру), обладает высокой реакционной способностью. Столкновение на активном центре карбоангидразы иона Zn²⁺, СО₂ и иона ОН ^- в полости карбоангидразы приводит к активации всех участвующих в реакции веществ, в результате чего быстро образуется бикарбонат цинка:

Следующий этап процесса состоит в обмене образовавшегося бикарбонат-иона на Н₂О или ОН-, т. е. в высвобождении активного центра фермента для последующих актов катализа.

Установлено, что ингибирование реакции синтеза и распада бикарбонат-ионов достигается введением в координационную сферу иона Zn²⁺ лигандов, образующих более прочную связь с Zn²⁺, чем с НСО₃^-, Н₂О или ОН^-. Такими являются ионы CN^-, N₃^-, S2O4^{2 -} и др. Так как в некатализируемых условиях (в присутствии CN^-, N₃ ^- и т. д.) синтез НСО₃ ^- и его распад протекают слишком медленно, физиологические требования не выполняются, нормальное состояние организма нарушается.

Каталитическая активность карбоангидразы не понижается при замене Zn²⁺ на ион Со²⁺, в других случаях активность фермента либо падает, либо исчезает.

Карбоксипептидаза представляет собой фермент, вырабатываемый поджелудочной железой млекопитающих. Так же как карбоангидраза, этот фермент содержит один ион Zn²+ на одну белковую макромолекулу, молекулярная масса которой 34 300. Биологическая роль карбо-ксипептидазы заключается в катализе процесса гидролиза пептидов — разрыве пептидной связи на карбоксильном конце пептидной цепи:

Ион Zn²⁺ в карбоксипептидазе, так же как в карбоангидразе, находится в полости активного центра фермента, но только два места в его координационной сфере заняты азотом имидазольных остатков гистидина. Третье место занято кислородом другой аминокислоты — глутамина. Четвертое координационное место в координационной сфере Zn²⁺ принадлежит молекуле воды. Таким образом, и в этом ферменте координационная сфера Zn²⁺ несимметрична, что, по-видимому, обусловливает напряженность структуры фермента и является обязательным условием каталитической активности комплексных соединений.

Предполагают, что одной из важных стадий каталитического процесса, протекающего с участием карбоксипептидазы, является координация ионом Zn²+ атома кислорода карбонила пептидной цепи с вытеснением Н₂О, занимающей одно место в координационной сфере. Координация цинком карбонильного кислорода ослабляет связь С-N в пептидной цепи, что облегчает ее разрыв, сопровождающийся гидролизом. Гидролиз разорванной цепи приводит к ослаблению координации карбонильного кислорода пептидной цепи ионом Zn²⁺. Происходит вытеснение молекулой Н₂О, затем вновь следует координация ионом Zn²⁺ карбонильного кислорода неразорванной цепи и т, д, Ферментативная активность карбоксипептидазы сохраняется, если Zn²⁺ заменить на ион Со²⁺, так же как в случае карбоангидразы. По-видимому, это связано с очень близкими величинами констант устойчивости (т. е. сходными термодинамическими, характеристиками) аналогичных комплексов Zn²⁺ и Со²⁺, а также одинаковыми размерами этих ионов. Замена Zn²⁺ в карбоксипептидазе на Gd²⁺, Hg²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺ приводит к исчезновению каталитической активности фермента.

К группе ферментов, катализирующих процессы гидролиза, относятся также киназы, ускоряющие перемещение различных фрагментов биолигандов (например, ионы РО₃-)от одного биополимера к другому. Все киназы содержат ионы М²⁺. Аминопептидазы (ионы Mg²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Ca²⁺-кофермент) катализируют гидролиз пептидов, при этом каждый из большого числа ферментов, входящих в эту группу, ускоряет разрыв пептидной связи именно для данного сочетания разноименных аминокислот в пептидной цепи. Фосфатазы катализируют гидролиз сложных эфиров на основе ортофосфорной кислоты.

Ферментативный катализ окислительно-восстановительных реакций

Окислительные реакции, протекающие в живом организме с участием молекулярного кислорода, вносят основной вклад в накопление организмом энергии. Окислительно-восстановительные реакции в отсутствие катализатора всегда протекают медленнее, чем реакции обмена ионов (тоже не катализируемые), например реакции гидролиза. Поэтому роль ферментативного катализа в ускорении окислительно-восстановительных процессов, протекающих в живых организмах, является особенно важной. Окислительно-восстановительные реакции в организме катализируются ферментами, содержащими ионы цинка, железа, меди, молибдена, кобальта. Роль металлсодержащих групп в ферментах, катализирующих окислительно-восстановительные процессы, изучена недостаточно. Однако ясно, что ион металла в ферменте не всегда входит в активный его центр. В ряде случаев ионы металла определяют лишь третичную и четвертичную структуру белка, образующего апофермент, а сам по себе кофермент ионов металла не содержит. Тем не менее роль металла остается крайне важной — замена ионов одного металла на другой меняет структуру фермента и его активность.

Из металлсодержащих ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные процессы, наиболее изучены цинксодержащие дегидрогеназы, а также железосодержащие ферменты.

К числу ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции, относятся гемсодержащие ферменты — цитохромы. Атомы железа в цитохромах, так же как в гемоглобине и миоглобине, координируют пять атомов азота (порфирина и гистидина), шестое координационное место занимает атом серы аминокислоты — метионина. Известно 50 видов ферментов этого типа, несколько различающихся по составу органической его части. Железо в цитохромах играет роль переносчика электронов — оно принимает электроны от восстановителя и передает их окислителю. Окислителем может быть и кислород, но он не участвует в координации железа, входящего в состав цитохромов, поскольку железо в цитохроме имеет полностью насыщенную координационную сферу.

Среди гемсодержащих ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции, также большое значение имеют гем-белки — каталаза и пероксидаза, ускоряющие распад перекиси водорода. Последняя образуется в результате катализируемого ферментами взаимодействия восстановленных форм субстратов с молекулярным кислородом.

Кроме гемсодержащих ферментов известно большое число металлсодержащих ферментов, имеющих «негемовое» строение. К их числу принадлежат ферредоксины, играющие в живых организмах, подобно цитохромам, роль переносчиков электронов. Ферредоксины имеют молекулярную массу от 6000 до 12 000. Атомы железа в них окружены четырьмя атомами серы:

Концевые атомы серы принадлежат цистеиновому фрагменту белка. Считают, что важную роль источника (или «ловушки») электронов играет группировка Fe₄S₄, содержащаяся в каждом из ферредоксиновых белков.

Окислительно-восстановительные реакции катализируются также металлоферментами, включающими медь и другие металлы. Важное значение имеет оксидаза аскорбиновой кислоты, содержащаяся в растениях и микроорганизмах. Молекулярная масса оксидазы 140 000, на одну такую белковую глобулу приходится восемь атомов меди. Как показывает название, оксидаза катализирует переход аскорбиновой кислоты в дегидроаскорбиновую кислоту. Медь также содержится в белке-гемоцианине, который способен связывать молекулярный кислород (О₂ на два атома меди). Используется гемоцианин для транспорта кислорода в организмах низших животных.

К числу ферментов, катализирующих перенос электронов, т. е, окислительно-восстановительные процессы, относится нитрогеназа, содержащаяся в азотистых бактериях. Нитрогеназа катализирует связывание атмосферного азота. С использованием меченого азота (¹⁵N₂) показано, что бактерии восстанавливают N₂ в первую очередь до аммиака. Этот процесс происходит только в присутствии Mo, Fe и Mg. Установлено, что нитрогеназа состоит из двух белков (молекулярная масса 250 000 и 70 000), каждый из которых по отдельности не активен.

Только в совместном присутствии эти белки проявляют каталитический эффект. В одном из белков содержится на одну глобулу один-два атома Мо, 15 атомов Fe, большое количество серы; во втором-молибдена нет. имеются два атома железа и два атома серы (неорганической, не входящей в состав белка).

Хлорофилл в зеленых растениях играет важнейшую роль, связанную с энергетическим обеспечением окислительно-восстановительных процессов при фотосинтезе. Установлено, что хлорофилл, т. е. порфириновый комплекс Mg²⁺, содержащийся в хлоропласте зеленых частей растения, поглощает световую энергию. Длина волны поглощаемого света (~ 700 нм) определяется системой сопряженных связей в порфириновом комплексе. Вхождение Mg²⁺ в порфириновый комплекс делает лиганд более жестким, что уменьшает рассеяние энергии в результате колебательных движений.

Световая энергия, запасенная хлорофиллом, расходуется на протекание эндотермической реакции, которая называется реакцией фотосинтеза:

Механизм фотосинтеза в полной мере не изучен. Известно только, что в стадиях фотосинтеза принимают участие комплексы четырех металлов (включая магний хлорофилла). Так, установлено, что в стадии переноса электрона, завершающейся отщеплением молекулярного кислорода, участвует комплекс марганца; на последующих стадиях в реакции вступают комплексы железа (ферредоксин, цитохромы) и меди (пластоцианины).

Таким образом, роль хелатных комплексов металлов в регулировке сложнейших процессов, протекающих в живых и растительных организмах, чрезвычайно важна и многообразна. Отметим еще некоторые из биологически важных процессов, связанных с участием неорганических соединений или ионов.

Другие биологические функции неорганических соединений.

Роль ионов Са²⁺ в организмах животных и растений сложна. Больше всего кальция содержится в костной ткани. Кристаллы кости имеют приблизительный состав Са10(Р0₄)6(ОН)₂ и, таким образом, относятся к числу гидроксилапатитов. Минеральная часть кости включает, кроме того, карбонаты, фториды, цитраты и гидроокиси металлов, среди которых, кроме Са²⁺, есть Mg²⁺, Na⁺ и К⁺. Неорганическая часть кости составляет только 0.25 ее массы — остальное органические компоненты.

Среди наиболее важных функций Са²⁺ — его роль в ферментативных системах, в том числе как регулятора сокращения мышц, передатчика нервного импульса, а также в системе свертывания крови.

В организм кальций вводится в виде среднего фосфата, содержащегося в пище. В пищеварительном тракте под влиянием кислой среды средний фосфат преобразуется в хорошо растворимые кислые фосфаты СаНРО₄ и Са (Н₂РО₄)₂. Именно кислые фосфаты всасываются в кишечнике и переходят в плазму крови.

Концентрация ионов Са²+ в крови человека составляет обычно 0,0022−0,0028 моль/л. Примерно половина кальция находится в виде акваионов, способных проходить через мембраны. Другая часть связана с белком (альбумин) и через мембраны не проходит. Интересно, что концентрацию кальция можно определить, используя биологический тест — по частоте сокращения сердца лягушки (или черепахи). Этот способ определения концентрации незакомплексованного Са²⁺ был использован для определения Куст хелатных комплексов кальция в неорганических исследованиях.

Ионы Са²+ наряду с ионами К⁺ и Mg²⁺ влияют не только на частоту сокращения мышц, в том числе сердечной мышцы, но и на действие сердечных гликозидов (типа наперстянки шерстистой — Digitalis). Известно, что при передозировке гликозидов сердце останавливается.

Введение

при этом ионов К⁺ и Mg²⁺ в мышцу сердца ослабляет действие гликозидов, а введение Са²⁺ — усиливает. Однако ионы Са²⁺ можно связать в прочный комплекс, например с ЭДТА. Так, если вовремя ввести ЭДТА в мышцу остановившегося сердца, оно вновь начинает биться.

Переизбыток Са²+ оказывает нежелательные воздействия на организм — происходит «образование камней», «отложение солей» и т. д. Так как ионы Са²⁺ и Mg²⁺ входят в состав ткани стенок бактериальных клеток, изменение содержания ионов Са²⁺ в системе может привести к гибели микроорганизма. Такой эффект наблюдается, в частности, если в систему ввести ЭДТА или другой комплексон высокой дентатности. ЭДТА, связывая Mg²⁺ и Са²⁺ в прочный комплекс, разрушает стенки бактериальных клеток, что и приводит к гибели микроорганизмов. Вымывание из организма ионов Са²⁺ и других полезных ионов происходит при использовании комплексонов и хелатообразователей для удаления из организма ионов токсичных металлов, таких, как Hg²+, Pb²⁺ и др. Чтобы уменьшить вымывание ионов Са²⁺ при лечении тех или иных заболеваний, в организм вводят ЭДТА в виде кальциевого комплекса СаЭДТА^2-.

Ионы щелочных металлов, как уже упоминалось, выполняют в живых и растительных организмах многообразные функции. Это относится не только к ионам Na⁺ и К⁺. Установлено, что прием препаратов, содержащих ионы Li⁺ и Rb⁺, облегчает состояние больных, у которых обнаружен маниакально-депрессивный синдром.

Передозировка в организме ионов металлов, принадлежащих к числу «металлов жизни», а также случайное введение ионов других металлов (например, Hg²⁺, Be²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺) вызывают тяжелые нарушения жизнедеятельности организма. В эт, их случаях лечение проводят, используя медикаменты (детоксиканты), проявляющие свойства лигандов специфического действия.

Предложено использовать для выведения из организма ионов металлов, проявляющих токсический эффект, следующие лиганды.

Этилендиаминтетраацетат (ЭДТА) — в виде соли кальция — выводит из организма Pb²⁺, V (IV), V (V). Если ЭДТА применяют дли регулировки свертывания крови, то вводят натриевую соль, чтобы понизить [Са²⁺].

Ауринтрикарбоксилат или салицилат (натрия) вводят в организм для закомплексовывания бериллия. Комплексы Ве²⁺ с этими лигандами проходят через биомембраны, и таким образом Ве²⁺ может быть удален из организма.

D-пеннициламин (HSC (CH₃)2-CHNH₂-COOH) используют для специфического связывания Сu²⁺ и выведения меди из организма, в частности, если в результате передозировки или неправильного функционирования организма в печени, мозге и почках накапливается медь (болезнь Вильсона, лейкемия и др.).

Димеркаптал СН₂ОН-CHSH-CH₂SH закомплексовывает и выводит из организма Hg, As, Те, Tl, Au.

Ферриоксимин-В-полигидроксамовая кислота используется для специфического связывания и выведения из организма избытка железа при заболевании «сидерозис».

Многие лекарства, применяемые в медицинской практике, представляют собой лиганды, ингибирующие действие активных центров металлов-ферментов путем координационного насыщения ионов металлов. Например, введение в организм диакарба приводит к подавлению ферментативной активности карбоангидразы, катализирующей реакцию связывания воды и СО₂в бикарбонат-ион.

Ингибирование карбоангидразы диакарбом достигается вследствие координации ионом Zn²⁺ атома серы диакарба. В результате координация Н₂О и СО₂ цинком прекращается, вода не связывается в НСО₃-я выводится из организма — достигается диуретический эффект. К той же группе лекарств относится дисульфурам который блокирует ионы Сu²⁺ в ферменте, катализирующем окисление ацетальдегида.