Бионеорганическая химия

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 34300. 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 СаЭДТА2-.

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. Это лекарство используется при лечении алкого­лизма, поскольку накопление ацетальдегида в организме вызывает неприятные ощущения и отвращение к алкоголю.

Многие яды действуют по аналогичному механизму. Например, угарный газ и цианиды блокируют ионы железа в гемоглобине и дела­ют невозможным перенос О2 от легких к периферийным тканям. Орга­низм «обескислороживается» и гибнет.

Действие многих лекарств основано на способности комплексных соединений ионов металлов проходить через биомембраны, тогда как акваионы и лиганды, взятые в отдельности, такой способностью об­ладают в очень малой степени либо вообще не обладают. Примером могут быть антибиотики, активность которых существенно возрастает в присутствии ионов металлов. То же относится к противогрибковым препаратам типа 8-оксихинолината Fe (III). Установлено, что только совместное присутствие акваионов Fe3+*aq и 8-оксихинолина дает анти­грибковый эффект. Очевидно, что образующийся комплекс железа (III) проходит через стенки клеток грибков и вызывает их гибель.

Интересные данные получены в последнее время о катионных комплексах типа Co(NH3)63+, Co(NH3)5O22+ и комплексах железа, ру­тения и других переходных металлов с нейтральными лигандами типа фенантролина и дипиридила. Оказалось, что эти (вероятно, и другие) катионные комплексы переходных металлов сходны по геометрии и плотности положительного заряда с «головкой» ацетилхолина [(CH3)3N+](CH2)2COOCH3. Ацетилхолин является действующим нача­лом яда кураре, вызывающего паралич нервных окончаний. Указанные катионные комплексы вызывают подобное действие, об этом следует помнить, когда в практикумах по неорганической, аналитической я координационной химии проводится синтез такого рода комплексных соединений.

Изучение биологической активности неорганических соединений только начинается. Интерес к испытанию их биологической активности резко возрос после открытия в 1969 г. противораковой активности соли Пейроне — цис-дихлородиамминплатины(Н). Было замечено, что электролиз раствора NH4CI с использованием платиновых электродов приводит к потере способности воспроизводства у кишечной палочки Е. Соli. Это отнесли к положительному действию соли Пейроне, присутствующеи в растворе. Поскольку антираковое и антимикробное дей­ствие симбатны, соль Пейроне была испытана на антираковое действие и показала высокую эффективность. Сейчас проводятся поиски столь же эффективных, но менее токсичных медикаментов. Установлено, что антираковое действие зависит от строения комплексов платины (и дру­гих металлов). В частности, транс-изомер дихлородиамминплатины(П) не проявляет антиракового действия. Замена атомов С1 на Вr и I де­лает неактивными и цис-изомер.

Бионеорганическая химия и охрана окружающей среды

Бионеорганические аспекты экологии имеют большое значение. В част­ности, внедрение в химическую технологию и сельское хозяйство реагентов, способных закомплексовывать ионы металлов, вызывает не­желательные сдвиги природных равновесий. Можно упомянуть, напри­мер, действие комплексонов, сбрасываемых в больших количествах в природные водоемы предприятиями, применяющими эти реагенты для «умягчения» воды: фотопромышленностью, красильной (текстильной и полиграфической) промышленностью, энергетикой (введение в воду па­ровых потоков и отопительной сети комплексонов для предотвращения осадкообразования), нефтяной и цементной промышленностью (предот­вращение солеотложений в трубах, замедление схватывания бетона), сельским хозяйством (для борьбы с хлорозом и анемией вводят же­лезо в почву или в пищу животных в виде комплексонатов, не подвер­гающихся гидролитическому разрушению и легко усвояемому живот­ными, в отличие от акваионов Fe (II), Fe(III) в растворах простых солей). Комплексоны, попадая в природные водоемы, вызывают раст­ворение осадков токсичных металлов, десятилетиями накапливающихся на дне морей и океанов. Переходя в раствор в виде комплексонатов, ионы Hg2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+ и других токсичных металлов проникают через биомембраны и отравляют живые организмы. Присутствие комп­лексонатов в природных водах вызывает гипоксию (недостаток кисло­рода), а вследствие этого гибель планктона и в конце концов гибель высших животных, стоящих в конце экологической цепи. Кислород тратится на окисление ионов металлов, например на переведение Fe(II) в Ре(III). Комплексоны этому способствуют, так как стабилизируют высшие степени окисления металлов, которым отвечают наиболее, устойчивые комплексы. Поэтому нельзя не отметить важность работ, посвященных синтезу, исследованию и разработке методов использо­вания комплексообразующих агентов, которые легко бы обезврежива­лись, попадая в условия сброса. Интерес, на наш взгляд, представляют комплексоны типа этилендиаминдиянтарной кислоты. Эти соединения, обладая высокой комплексообразующей способностью, в природных средах быстро дезактивируются и не смещают установившегося равно­весия.

В плане охраны окружающей среды могут рассматриваться и ра­боты по моделированию процесса связывания атмосферного азота. Замена энергоемкого производства синтезом азотсодержащих соедине­ний в мягких условиях (подобно условиям связывания N2 азотистыми бактериями) приведет в конечном итоге к сбережению природных ре­сурсов и охране биосферы.

Страницы: 1, 2, 3