Бионеорганическая химия

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:

Если полимеризуется α-форма, то цепь полимера оказывается развет­вленной — получается крахмал и гликоген. При полимеризации β-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 α-аминокислоты. Строение всех аминокислот может быть описано формулой

Различаются они только природой радикала R. α-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 α-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 (α- и β-конформации) возникает в резуль­тате взаимодействия полипептидных цепей друг с другом. α-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 β-конформация содержит вытянутые друг возле друга неспиральные полипептидные цепи.

Третичная структура белка — это глобулы, образованные α-вторичной структурой в результате свертывания полипептидных цепей в клубки. Свертывание α-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 2Ǻ (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 Ǻ) с внутренней полостью диаметром около 75 Ǻ. 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—0,8Ǻ). 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 π-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 (40x45x55) 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-, S2O42- 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.

Страницы: 1, 2, 3