Бионеорганическая химия

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 Kуст 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 lgКуст 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.

Страницы: 1, 2, 3