Біонеорганічної ХІМІЯ
Для того щоб оцінити співвідношення кількостей хімічних елементів, що входять до складу живих організмів, корисно розглянути зміст біоелементом в організмі «середнього» здорової людини (вага 70 кг). Встановлено, що на 70 кг маси людину припадає 45,5 кг кисню (тобто більше половини маси), вуглецю-12, 6, водню - 7,0, азоту - 2,1 кг, приблизно стільки ж фосфору. Кальцію в людині 1,7 кг, калію - 0,25, натрію - 0,07 кг, магнію - 42 г, заліза - тільки 5 г (хіміки жартують, що заліза в людині вистачить лише на один цвях), цинку - 3 г . Інших металів в сумі менше, ніж 1 р. Зокрема, міді - 0,2 г, марганцю - 0,02 м.
Цікаво, що входження хімічних елементів до складу живих організмів не залежить яким-небудь простим чином від їх поширеності. Дійсно, хоча найпоширеніший на землі елемент - кисень - є найважливішою складовою частиною сполук, що складають рослинні і тваринні організми, такі поширені елементи, як кремній і алюміній, до їх складу не входять, а відносно мало поширені кобальт, мідь і молібден виконують важливу біологічну роль. Слід відзначити також, що серед біоелементом, тобто елементів, що грають важливу роль у побудові живого організму і в процесах підтримки його життя (обмін речовин, метаболізм), знаходяться дуже сильно розрізняються за своїми хімічними властивостями, розмірами частинок і електронною будовою метали та неметали. Наприклад, серед біометалів (їх часто називають «металами життя») є елементи, що утворюють іони з благородногазовой електронної «підкладкою», несхильність до прояву змінної валентності (Na +, K +, Mg 2 +, Са 2 +). Поряд з цим є серед біометалів і елементи з 18-електронної (Zn 2 +) або недобудованої 18-електронної «підкладкою» (Cu 2 +, Co 2 +, Fe 2 +, Fe 3 +, Mo (V), Mo (VI )). Останні схильні змінювати ступінь окислення в ході обміну речовин.
Серед перерахованих біометалів є елементи, що утворюють переважно іонні (Na, К) і ковалентні зв'язки (Mo, Zn); сильні комплексообразователи, такі, як Fe 3 +, Co 2 +, Cu 2 +, Zn 2 +. Однак і менш міцні комплекси, утворені, наприклад, іонами Са 2 +, Mg 2 +, Mn 2 +, відіграють важливу біологічну роль, і навіть іони лужних металів (Na +, К +) у метаболічних процесах залучаються до утворення комплексів (з участю макроциклічних лігандів). Встановлено, що велике значення мають розміри іонів металів, які беруть участь у процесах метаболізму.
Так, наприклад, не дуже велика різниця у величинах іонних радіусів Na + (0,98 А) і К + (1,33 А) обумовлює дуже велику різницю в радіусах гідратованих іонів. Це призводить до неоднакової ролі іонів Na + і К + в процесі метаболізму: Na + - позаклітинний, а К +-внутрішньоклітинний іони. Саме розміри іонів, а також характерний для даного іона тип хімічного зв'язку визначають, на які іони може заміщатися той чи інший іон в процесі метаболізму. Встановлено, що іони К + можуть заміщатися в живих тканинах на великі однозарядні катіони лужних металів (Rb +, Cs +), а також на подібні за розмірами іони NH 4 + і Т1 +. Навпаки, відносно маленький іон Na + може заміщатися лише на Li +. Цікаво, що за іони Cu + не відбувається, мабуть, через схильність Cu + до утворення ковалентних зв'язків, хоча розміри Cu + і Na + подібні.
Дуже важливо, що іони Mg 2 + і Са 2 + в біосистемах не заміняють один одного. Це пов'язано, як вважають, з більшою ковалентного зв'язку Mg 2 + з лігандами в порівнянні з Са 2 +. Ще більш ковалентні зв'язки з лігандами утворює Zn 2 +, він не заміщується на Mg 2 +, хоча близький до нього за величиною іонного радіуса.
Згідно. К. Б. Яцимирського, оцінку іонності і ковалентних зв'язків іонів біометалів з лігандами доцільно проводити наступним чином. Іонності зв'язку пропорційна відношенню квадрата заряду іона до величини іонного радіуса. Це відношення для більшості іонів знаходиться в межах від 1 до 5. Тільки для берилію це відношення аномально велика і становить 11,7. Саме з цим пов'язують високу токсичність іона Ве 2 +.
Ковалентность зв'язку метал-ліганд, по Яцимирського, можна оцінити як відношення
де I м і I l - потенціали іонізації (валентних станів) металу і ліганду відповідно; S ml - інтеграл перекривання орбіталей, що взаємодіють при утворенні ковалентного зв'язку. Ковалентность біометалів, охарактеризована таким способом, звичайно змінюється в інтервалі 20-135. При малій ковалентного зв'язку найбільш стійкими виявляються з'єднання іонів металів з киснем. У міру зростання ковалентность все більш стійкими виявляються з'єднання зі зв'язком метал-азот і, особливо, із зв'язком метал-сірка. Таку ж кореляцію дає класифікація Пірсона, згідно з якою «жорстка» кислота з'єднується з «жорстким» підставою,, а «м'яка» кислота - з «м'яким» підставою.
Біонеорганічної хімія розглядає не тільки ті елементи та їх сполуки, які присутні в нормально функціонуючому живому організмі, але і ті елементи (та їх сполуки), які, не будучи складовою частиною здорового організму, можуть чинити на нього той чи інший вплив, потрапляючи в організм ззовні. Мова йде про взаємодію живого організму з отруйними речовинами, що потрапили в організм випадково або накопичились в ньому, наприклад, в результаті неправильної роботи тих чи інших органів (похідні свинцю, кадмію, ртуті та ін.)
Треба враховувати, що дуже важливою є дозування різних елементів і їх сполук у живому організмі. Доведено, що один і той же елемент може позитивно впливати на організм в цілому і одночасно бути сильним отрутою у разі його передозування. Вже згадувалося, що цинк належить до числа найважливіших біометалів: іони Zn 2 + входять до складу декількох десятків ферментів, що каталізують протікання життєво важливих процесів. У той же час встановлено, що при занадто високому вмісті Zn 2 + у тканинах він надає канцерогенну дію.
Прикладом того ж типу може бути селен, який, взагалі кажучи, не зараховують до біометалів. Однак останнім часом встановлено, що зменшення вмісту селену в їжі, споживаної людиною за день, з 0,3-0,5 мг (Японія) до 0,1-0,2 мг (США, ФРН) призводить до різкого зростання числа ракових захворювань грудної залози у жінок (більш ніж у 5 разів). Вважають, що низький вміст селену у харчових продуктах, що виробляються в країнах з високорозвиненою хімічною промисловістю, пов'язано з великим вмістом в атмосфері сполук сірки, які витісняють селен з природних об'єктів. У Японії нестача селену в їжі менше, так як багато харчові продукти, які добувають із моря, містять велику кількість селену.
У завдання біонеорганічної хімії входить вивчення будови та біологічної ролі неорганічних сполук. Ці дослідження проводять різними фізико-хімічними методами, а також методами біології та біохімії, що включають і математичне моделювання. Біонеорганічної дослідження мають першорядну важливість для вирішення завдань медицини, охорони навколишнього середовища, неорганічної технології. Далі ми коротко розглянемо властивості і будову деяких лігандів, які відіграють найважливішу роль у біології, зокрема сполуки, закомплексовивающіе біометали, а потім перейдемо до характеристики властивостей найважливіших біонеорганічної з'єднань і їх ролі в процесах життєдіяльності тварин і рослин.
Тому дослідження взаємодії зі згаданими неорганічними речовинами іонів біометалів, а також інших катіонів, що потрапляють в організм ззовні, - найважливіше завдання біохімії. Взаємодії, що реалізуються в біосистемах, не є специфічними і розглядаються в рамках звичайних курсів неорганічної хімії. Тому нижче будуть представлені відомості лише про лігандах, характерних саме для біосистем або моделюючих ці системи.
Комплекси з полідентатними і макроциклічними лігандами
Основною особливістю біолігандами є їх належність до числа полідентатних і (дуже часто) макроциклічних лігандів.
Як відомо, особлива стійкість комплексних сполук, утворених іонами металу з полідентатними лігандами, пояснюється утворенням однієї молекулою (або іоном) ліганда з даними центральним іоном (катіоном металу) одного або декількох хелатних циклів. Згідно з правилом Чугаєва, найбільш стійкими є П'ятичленні хелатні цикли (для систем без кратних зв'язків) і шестичленні цикли (для систем з парними подвійними зв'язками). Нагадаємо, що енергетична вигідність замикання хелатних циклів (хелатний ефект) визначається як ентропійних, так і Ен-тальпійним чинниками. Розглянемо як приклад комплексоутворення Ni 2 + з аміаком і етилендіаміном єп:
В обох комплексах іон Ni 2 + координує два атоми азоту. Велика величина K вуст у разі етилендіамінового комплексу, безсумнівно, пов'язана з хелатним ефектом: у комплексі [Niеn] 2 + є п'ятичленних хелатний цикл, тоді як у комплексу [Ni (NH 3) 2] 2 + - «відкрите» будову:
Координаційно насичені аміакати Ni 2 + мають склад [Ni (NH 3) 4] 2 + або [Ni (NH 3) 6] 2 +.
Встановлено, що різниця у величинах констант стійкості цих двох комплексів (A lgKуст = 2,5) визначається ентальпійним (ΔH = - 1,9 ккал / моль) і ентропійних внеском (ΔS = 6,2 кал / град * моль). Різницю у величинах ентальпії утворення цих сполук пояснюють тим, що у випадку [Nien] 2 + двом атомам азоту, що входять в координаційну сферу Ni 2 +, не потрібно долати взаємно відштовхуються (на відміну від комплексу [Ni (NH 3) 2] 2 + ). Атоми азоту етілендіаміна вже включені до складу однієї молекули («зближені» один з одним). Крім того, при утворенні [Niеn] 2 + менше енергії потрібно для дегідратації ліганда, ніж у випадку [Ni (NH 3) 2] 2 +: молекули аміаку менше за розміром, ніж єп, вони сильніші гідратіруются.
Різниця у величинах ентропійних факторів при утворенні хелатного та «відкритого» комплексів обумовлена збільшенням числа частинок при протіканні реакції тоді як при синтезі у водному
розчині діамміаката нікелю (II) в результаті комплексоутворення число часток не змінюється:
що пов'язано з бідентатною єп і монодентатно NH 3.
Як вказує Яцимирський, крім хелатного ефекту в природних металокомплексах, утворених біолігандами, часто здійснюється макроциклічних ефект. В якості прикладу розглядаються термодинамічні характеристики комплексів міді з лігандами L `і L" однаковою дентатності і подібної природи, але тільки в L "ланцюг замкнута в макроциклу:
Як видно з наведених даних, тетрадентатними ліганд L ", що представляє собою макроциклу, за інших рівних умовах утворює з Cu 2 + комплекс, в 10 4 разів більш стійкий, ніж такий же тетрадентатними ліганд L`, має незамкнуте цепочечной будову. Природа макроциклічного ефекту в повною мірою ще не розкрита, проте можна вважати, що входження центрального іона металу в готову «порожнину» макроциклічного ліганда приносить істотну енергетичну вигоду в порівнянні з ситуацією, коли такий готової порожнини немає і її потрібно створювати в процесі комплексообра-тання.
Одним з найпростіших серед природних макроциклічних лігандів є енніатін - 18-членний гексадентатний ліганд, що включає кислотні залишки N-метил-валіну і про-гідроксівалеріата:
Енніатін і подібні йому макроциклічні ліганди виконують в живих організмах роль «іонофоров»: вони містять у свою порожнину ті чи інші іони металів і в такому закомплексованим вигляді переносять їх через біомембрани, регулюючи, таким чином, вміст іонів металів у позаклітинному просторі і всередині клітин.
Останнім часом виконані важливі роботи з моделювання природних систем з металокомплексів, освіченими макроциклічними лігандами. У якості «модельних» лігандів використовувалися так звані «корони» (або краун-ефіри) і «кріптати».
Прикладом найпростіших корон, що є двомірними (площинними) лігандами, можуть бути такі:
Дициклогексил-14-корона-4 Бензо-18-корона-6
Номенклатура краун-ефірів, як видно з наведених назв і формул, вказує на загальне число атомів в макроциклі і число гетероатомів, формують порожнину корони і виконують функції донорів.
Експериментально встановлено, що стійкість комплексних сполук іонів металів з коронами визначається співвідношенням розмірів іона металу і порожнини корони. Найбільша міцність макроциклічних комплексів досягається, коли порожнину щільно «обхоплює» іон металу. Якщо порожнина занадто велика або мала, стійкість комплексів зменшується.
Ті ж закономірності були встановлені для систем, в яких комплексоутворення іонів металів здійснюється за допомогою макроциклічних лігандів - кріптатов, що представляють собою тривимірні ліганди з порожниною, обрамлена трьома вуглецевими ланцюгами, що включають гетероатоми. Загальна формула кріптатов має вигляд:
Таким чином, кріптати можна розглядати як біциклічні кисень-донорні ліганди з кінцевими атомами, роль яких виконують третинні атоми азоту.
Вважають, що кріптати можуть мати великий вибірковістю (селективністю) по відношенню до біометалів, наприклад, природний макроциклічних лігандів валиномицин селективен до іонів К +. Нижче наведені значення lgК вуст комплексів кріптатов та іонів лужних металів, утворених лігандами різної дентатності. Число донорних атомів в кріптате впливає на розміри порожнини цього тривимірного макроциклічного ліганда і, отже, на співвідношення розмірів комплексоутворюючої іона металу і порожнини, а значить і на стійкість комплексу, що утворюється:
Цікаво, що оптимальний ліганд для Li + містить в порожнині макроциклу п'ять донорних атомів. Збільшення числа донорних атомів і відповідно розмірів порожнини призводить до зменшення стабільності кріптата літію. Для іона Na + оптимальні розміри порожнини кріптата відповідають 6-дентатному ліганда, для іона К + - 7-дентатному. Для іона Rb + стійкість комплексу в оптимальних умовах нижче, ніж для К +, і ще більше вона падає у разі іона цезію - самого великого за розмірами серед іонів лужних металів. Мабуть, незалежно від розмірів порожнини для великого іона Cs + міцність зв'язку з лігандом мала через зменшення енергії електростатичної взаємодії Cs +-ліганд.
Отже, дослідження кріптатов лужних металів показує, що, регулюючи склад і геометрію макроциклічних лігандів, можна добитися їх високої селективності по відношенню до іонів металів, що входять до складу комплексів.
Склад і будова природних іонофоров, спрощеними моделями яких є краун-ефіри і кріптати, складні і різноманітні. Введення
Біонеорганічної хімія - одне з найновіших напрямів неорганічної хімії. Завданням біонеорганічної хімії є виявлення неорганічних сполук, що беруть участь у різного роду біологічних процесах, їх вивчення, математичне та хімічне моделювання біологічних систем з участю цих сполук і, нарешті, управління цими системами і їх оптимізація. У курсі неорганічної хімії при систематичному розгляді властивостей елементів періодичної системи необхідно поряд з іншими аспектами зупинятися і на проблемах біонеорганічної хімії, в тому числі відзначати біологічну роль тих чи інших неорганічних сполук.1. Біонеметалли і біометали
У біологічних процесах бере участь велика кількість хімічних сполук, утворених різними елементами періодичної системи. Організми тварин і рослин складаються з складних речовин, які включають в свій склад як елементи-неметали, так і елементи з металевими властивостями. З неметалів особливо важливу роль грають вуглець, водень, кисень, азот, фосфор, сірка, галогени. З металів до складу тваринних і рослинних організмів входять натрій, калій, кальцій, магній, залізо, цинк, кобальт, мідь, марганець, молібден і деякі інші.Для того щоб оцінити співвідношення кількостей хімічних елементів, що входять до складу живих організмів, корисно розглянути зміст біоелементом в організмі «середнього» здорової людини (вага 70 кг). Встановлено, що на 70 кг маси людину припадає 45,5 кг кисню (тобто більше половини маси), вуглецю-12, 6, водню - 7,0, азоту - 2,1 кг, приблизно стільки ж фосфору. Кальцію в людині 1,7 кг, калію - 0,25, натрію - 0,07 кг, магнію - 42 г, заліза - тільки 5 г (хіміки жартують, що заліза в людині вистачить лише на один цвях), цинку - 3 г . Інших металів в сумі менше, ніж 1 р. Зокрема, міді - 0,2 г, марганцю - 0,02 м.
Цікаво, що входження хімічних елементів до складу живих організмів не залежить яким-небудь простим чином від їх поширеності. Дійсно, хоча найпоширеніший на землі елемент - кисень - є найважливішою складовою частиною сполук, що складають рослинні і тваринні організми, такі поширені елементи, як кремній і алюміній, до їх складу не входять, а відносно мало поширені кобальт, мідь і молібден виконують важливу біологічну роль. Слід відзначити також, що серед біоелементом, тобто елементів, що грають важливу роль у побудові живого організму і в процесах підтримки його життя (обмін речовин, метаболізм), знаходяться дуже сильно розрізняються за своїми хімічними властивостями, розмірами частинок і електронною будовою метали та неметали. Наприклад, серед біометалів (їх часто називають «металами життя») є елементи, що утворюють іони з благородногазовой електронної «підкладкою», несхильність до прояву змінної валентності (Na +, K +, Mg 2 +, Са 2 +). Поряд з цим є серед біометалів і елементи з 18-електронної (Zn 2 +) або недобудованої 18-електронної «підкладкою» (Cu 2 +, Co 2 +, Fe 2 +, Fe 3 +, Mo (V), Mo (VI )). Останні схильні змінювати ступінь окислення в ході обміну речовин.
Серед перерахованих біометалів є елементи, що утворюють переважно іонні (Na, К) і ковалентні зв'язки (Mo, Zn); сильні комплексообразователи, такі, як Fe 3 +, Co 2 +, Cu 2 +, Zn 2 +. Однак і менш міцні комплекси, утворені, наприклад, іонами Са 2 +, Mg 2 +, Mn 2 +, відіграють важливу біологічну роль, і навіть іони лужних металів (Na +, К +) у метаболічних процесах залучаються до утворення комплексів (з участю макроциклічних лігандів). Встановлено, що велике значення мають розміри іонів металів, які беруть участь у процесах метаболізму.
Так, наприклад, не дуже велика різниця у величинах іонних радіусів Na + (0,98 А) і К + (1,33 А) обумовлює дуже велику різницю в радіусах гідратованих іонів. Це призводить до неоднакової ролі іонів Na + і К + в процесі метаболізму: Na + - позаклітинний, а К +-внутрішньоклітинний іони. Саме розміри іонів, а також характерний для даного іона тип хімічного зв'язку визначають, на які іони може заміщатися той чи інший іон в процесі метаболізму. Встановлено, що іони К + можуть заміщатися в живих тканинах на великі однозарядні катіони лужних металів (Rb +, Cs +), а також на подібні за розмірами іони NH 4 + і Т1 +. Навпаки, відносно маленький іон Na + може заміщатися лише на Li +. Цікаво, що за іони Cu + не відбувається, мабуть, через схильність Cu + до утворення ковалентних зв'язків, хоча розміри Cu + і Na + подібні.
Дуже важливо, що іони Mg 2 + і Са 2 + в біосистемах не заміняють один одного. Це пов'язано, як вважають, з більшою ковалентного зв'язку Mg 2 + з лігандами в порівнянні з Са 2 +. Ще більш ковалентні зв'язки з лігандами утворює Zn 2 +, він не заміщується на Mg 2 +, хоча близький до нього за величиною іонного радіуса.
Згідно. К. Б. Яцимирського, оцінку іонності і ковалентних зв'язків іонів біометалів з лігандами доцільно проводити наступним чином. Іонності зв'язку пропорційна відношенню квадрата заряду іона до величини іонного радіуса. Це відношення для більшості іонів знаходиться в межах від 1 до 5. Тільки для берилію це відношення аномально велика і становить 11,7. Саме з цим пов'язують високу токсичність іона Ве 2 +.
Ковалентность зв'язку метал-ліганд, по Яцимирського, можна оцінити як відношення
де I м і I l - потенціали іонізації (валентних станів) металу і ліганду відповідно; S ml - інтеграл перекривання орбіталей, що взаємодіють при утворенні ковалентного зв'язку. Ковалентность біометалів, охарактеризована таким способом, звичайно змінюється в інтервалі 20-135. При малій ковалентного зв'язку найбільш стійкими виявляються з'єднання іонів металів з киснем. У міру зростання ковалентность все більш стійкими виявляються з'єднання зі зв'язком метал-азот і, особливо, із зв'язком метал-сірка. Таку ж кореляцію дає класифікація Пірсона, згідно з якою «жорстка» кислота з'єднується з «жорстким» підставою,, а «м'яка» кислота - з «м'яким» підставою.
Біонеорганічної хімія розглядає не тільки ті елементи та їх сполуки, які присутні в нормально функціонуючому живому організмі, але і ті елементи (та їх сполуки), які, не будучи складовою частиною здорового організму, можуть чинити на нього той чи інший вплив, потрапляючи в організм ззовні. Мова йде про взаємодію живого організму з отруйними речовинами, що потрапили в організм випадково або накопичились в ньому, наприклад, в результаті неправильної роботи тих чи інших органів (похідні свинцю, кадмію, ртуті та ін.)
Треба враховувати, що дуже важливою є дозування різних елементів і їх сполук у живому організмі. Доведено, що один і той же елемент може позитивно впливати на організм в цілому і одночасно бути сильним отрутою у разі його передозування. Вже згадувалося, що цинк належить до числа найважливіших біометалів: іони Zn 2 + входять до складу декількох десятків ферментів, що каталізують протікання життєво важливих процесів. У той же час встановлено, що при занадто високому вмісті Zn 2 + у тканинах він надає канцерогенну дію.
Прикладом того ж типу може бути селен, який, взагалі кажучи, не зараховують до біометалів. Однак останнім часом встановлено, що зменшення вмісту селену в їжі, споживаної людиною за день, з 0,3-0,5 мг (Японія) до 0,1-0,2 мг (США, ФРН) призводить до різкого зростання числа ракових захворювань грудної залози у жінок (більш ніж у 5 разів). Вважають, що низький вміст селену у харчових продуктах, що виробляються в країнах з високорозвиненою хімічною промисловістю, пов'язано з великим вмістом в атмосфері сполук сірки, які витісняють селен з природних об'єктів. У Японії нестача селену в їжі менше, так як багато харчові продукти, які добувають із моря, містять велику кількість селену.
У завдання біонеорганічної хімії входить вивчення будови та біологічної ролі неорганічних сполук. Ці дослідження проводять різними фізико-хімічними методами, а також методами біології та біохімії, що включають і математичне моделювання. Біонеорганічної дослідження мають першорядну важливість для вирішення завдань медицини, охорони навколишнього середовища, неорганічної технології. Далі ми коротко розглянемо властивості і будову деяких лігандів, які відіграють найважливішу роль у біології, зокрема сполуки, закомплексовивающіе біометали, а потім перейдемо до характеристики властивостей найважливіших біонеорганічної з'єднань і їх ролі в процесах життєдіяльності тварин і рослин.
2. Найважливіші біолігандами
Біолігандами - це молекули або іони, що взаємодіють в організмі з біометалів. Багато хто з них називаються «молекулами життя». До числа біолігандами відносяться головним чином органічні сполуки. Однак і неорганічні ліганди, хоча їх істотно менше, грають у процесах метаболізму важливу і незамінну роль. Це неорганічні аніони, такі, як галогенід-іони (F -, С1 -, I -), сульфат - і нітрат-іони, а також гідроксил-, фосфат - і карбонат-іони, освіта і гідроліз яких вносять чималий внесок в енергетичну « скарбничку »живого організму. Це, нарешті, нейтральні молекули Н 2 О, О 2, СО 2, NH 3. Без цих лігандів метаболізм, харчування і саме життя організму неможливі.Тому дослідження взаємодії зі згаданими неорганічними речовинами іонів біометалів, а також інших катіонів, що потрапляють в організм ззовні, - найважливіше завдання біохімії. Взаємодії, що реалізуються в біосистемах, не є специфічними і розглядаються в рамках звичайних курсів неорганічної хімії. Тому нижче будуть представлені відомості лише про лігандах, характерних саме для біосистем або моделюючих ці системи.
Комплекси з полідентатними і макроциклічними лігандами
Основною особливістю біолігандами є їх належність до числа полідентатних і (дуже часто) макроциклічних лігандів.
Як відомо, особлива стійкість комплексних сполук, утворених іонами металу з полідентатними лігандами, пояснюється утворенням однієї молекулою (або іоном) ліганда з даними центральним іоном (катіоном металу) одного або декількох хелатних циклів. Згідно з правилом Чугаєва, найбільш стійкими є П'ятичленні хелатні цикли (для систем без кратних зв'язків) і шестичленні цикли (для систем з парними подвійними зв'язками). Нагадаємо, що енергетична вигідність замикання хелатних циклів (хелатний ефект) визначається як ентропійних, так і Ен-тальпійним чинниками. Розглянемо як приклад комплексоутворення Ni 2 + з аміаком і етилендіаміном єп:
В обох комплексах іон Ni 2 + координує два атоми азоту. Велика величина K вуст у разі етилендіамінового комплексу, безсумнівно, пов'язана з хелатним ефектом: у комплексі [Niеn] 2 + є п'ятичленних хелатний цикл, тоді як у комплексу [Ni (NH 3) 2] 2 + - «відкрите» будову:
Координаційно насичені аміакати Ni 2 + мають склад [Ni (NH 3) 4] 2 + або [Ni (NH 3) 6] 2 +.
Встановлено, що різниця у величинах констант стійкості цих двох комплексів (A lgKуст = 2,5) визначається ентальпійним (ΔH = - 1,9 ккал / моль) і ентропійних внеском (ΔS = 6,2 кал / град * моль). Різницю у величинах ентальпії утворення цих сполук пояснюють тим, що у випадку [Nien] 2 + двом атомам азоту, що входять в координаційну сферу Ni 2 +, не потрібно долати взаємно відштовхуються (на відміну від комплексу [Ni (NH 3) 2] 2 + ). Атоми азоту етілендіаміна вже включені до складу однієї молекули («зближені» один з одним). Крім того, при утворенні [Niеn] 2 + менше енергії потрібно для дегідратації ліганда, ніж у випадку [Ni (NH 3) 2] 2 +: молекули аміаку менше за розміром, ніж єп, вони сильніші гідратіруются.
Різниця у величинах ентропійних факторів при утворенні хелатного та «відкритого» комплексів обумовлена збільшенням числа частинок при протіканні реакції тоді як при синтезі у водному
розчині діамміаката нікелю (II) в результаті комплексоутворення число часток не змінюється:
що пов'язано з бідентатною єп і монодентатно NH 3.
Як вказує Яцимирський, крім хелатного ефекту в природних металокомплексах, утворених біолігандами, часто здійснюється макроциклічних ефект. В якості прикладу розглядаються термодинамічні характеристики комплексів міді з лігандами L `і L" однаковою дентатності і подібної природи, але тільки в L "ланцюг замкнута в макроциклу:
Як видно з наведених даних, тетрадентатними ліганд L ", що представляє собою макроциклу, за інших рівних умовах утворює з Cu 2 + комплекс, в 10 4 разів більш стійкий, ніж такий же тетрадентатними ліганд L`, має незамкнуте цепочечной будову. Природа макроциклічного ефекту в повною мірою ще не розкрита, проте можна вважати, що входження центрального іона металу в готову «порожнину» макроциклічного ліганда приносить істотну енергетичну вигоду в порівнянні з ситуацією, коли такий готової порожнини немає і її потрібно створювати в процесі комплексообра-тання.
Одним з найпростіших серед природних макроциклічних лігандів є енніатін - 18-членний гексадентатний ліганд, що включає кислотні залишки N-метил-валіну і про-гідроксівалеріата:
Енніатін і подібні йому макроциклічні ліганди виконують в живих організмах роль «іонофоров»: вони містять у свою порожнину ті чи інші іони металів і в такому закомплексованим вигляді переносять їх через біомембрани, регулюючи, таким чином, вміст іонів металів у позаклітинному просторі і всередині клітин.
Останнім часом виконані важливі роботи з моделювання природних систем з металокомплексів, освіченими макроциклічними лігандами. У якості «модельних» лігандів використовувалися так звані «корони» (або краун-ефіри) і «кріптати».
Прикладом найпростіших корон, що є двомірними (площинними) лігандами, можуть бути такі:
Дициклогексил-14-корона-4 Бензо-18-корона-6
Номенклатура краун-ефірів, як видно з наведених назв і формул, вказує на загальне число атомів в макроциклі і число гетероатомів, формують порожнину корони і виконують функції донорів.
Експериментально встановлено, що стійкість комплексних сполук іонів металів з коронами визначається співвідношенням розмірів іона металу і порожнини корони. Найбільша міцність макроциклічних комплексів досягається, коли порожнину щільно «обхоплює» іон металу. Якщо порожнина занадто велика або мала, стійкість комплексів зменшується.
Ті ж закономірності були встановлені для систем, в яких комплексоутворення іонів металів здійснюється за допомогою макроциклічних лігандів - кріптатов, що представляють собою тривимірні ліганди з порожниною, обрамлена трьома вуглецевими ланцюгами, що включають гетероатоми. Загальна формула кріптатов має вигляд:
Таким чином, кріптати можна розглядати як біциклічні кисень-донорні ліганди з кінцевими атомами, роль яких виконують третинні атоми азоту.
Вважають, що кріптати можуть мати великий вибірковістю (селективністю) по відношенню до біометалів, наприклад, природний макроциклічних лігандів валиномицин селективен до іонів К +. Нижче наведені значення lgК вуст комплексів кріптатов та іонів лужних металів, утворених лігандами різної дентатності. Число донорних атомів в кріптате впливає на розміри порожнини цього тривимірного макроциклічного ліганда і, отже, на співвідношення розмірів комплексоутворюючої іона металу і порожнини, а значить і на стійкість комплексу, що утворюється:
Цікаво, що оптимальний ліганд для Li + містить в порожнині макроциклу п'ять донорних атомів. Збільшення числа донорних атомів і відповідно розмірів порожнини призводить до зменшення стабільності кріптата літію. Для іона Na + оптимальні розміри порожнини кріптата відповідають 6-дентатному ліганда, для іона К + - 7-дентатному. Для іона Rb + стійкість комплексу в оптимальних умовах нижче, ніж для К +, і ще більше вона падає у разі іона цезію - самого великого за розмірами серед іонів лужних металів. Мабуть, незалежно від розмірів порожнини для великого іона Cs + міцність зв'язку з лігандом мала через зменшення енергії електростатичної взаємодії Cs +-ліганд.
Отже, дослідження кріптатов лужних металів показує, що, регулюючи склад і геометрію макроциклічних лігандів, можна добитися їх високої селективності по відношенню до іонів металів, що входять до складу комплексів.
Зрозуміло тому, що в біосистемах може бути досягнута висока селективність дії макроциклічних лігандів, це і визначає їх «вузьку спеціалізацію» у процесах метаболізму.
Біополімери, на основі яких будується комплексоутворення в біологічних системах
Найбільш важливими биополимерами, що забезпечують процеси обміну речовин у тварин і рослинних організмах, у тому числі процеси, що протікають за участю комплексних сполук металів, є полісахариди, білки і нуклеїнові кислоти.
Серед полісахаридів найбільше значення мають крохмаль, глікоген і целюлоза. Основною ланкою в побудові полімерних ланцюгів полісахаридів є залишки D-глюкози. Нециклічні D-глюкоза легко циклізуються, утворюючи дві рівноважні форми:
При полімеризації α - і β-форми D-глюкопіраноз з'єднуються в полімерну ланцюг через кисневі містки:
Якщо полімеризується α-форма, то ланцюг полімеру виявляється розгалуженої - виходить крохмаль і глікоген. При полімеризації β-форми утворюється цепочечний нерозгалужений полімер - целюлоза, яка, як відомо, володіє волокнистою будовою.
Полісахариди, як видно з наведених формул, мають у своєму складі кисневі атоми, здатні виявляти донорні функції. Таким чином, полісахариди, у вигляді яких організм запасає вуглеводи (крохмаль, глікоген) і які використовуються для побудови оболонок рослинних клітин (целюлоза), є полімерними лігандами.
Розрізняються вони тільки природою радикала R. α-Амінокислоти, вступаючи в реакцію полімеризації, утворюють пептидний ланцюг:
Подібно до того як з 32 букв алфавіту шляхом їх різного поєднання можна скласти величезна кількість слів, так з 23 α-амінокислот за допомогою їх зчленування в тому чи іншому порядку виходить все різноманіття білкових тіл, що існують у природі, утворюється так звана первинна білкова структура. Крім того, розглядають вторинну, третинну і четвертинну структуру.
Вторинна структура (α - і β-конформації) виникає в результаті взаємодії поліпептидних ланцюгів один з одним. α-Конформація має спиралевидні будова, кожен виток спіралі містить від трьох до семи амінокислотних фрагментів. Взаємодія між сусідніми поліпептидними ланцюгами в такої спіралі здійснюється за допомогою водневих зв'язків, утворених карбонільним киснем одного ланцюга з іміногрупи іншого ланцюга:
Рідко зустрічається β-конформація містить витягнуті один біля одного неспіральние поліпептидні ланцюги.
Третинна структура білка - це глобули, утворені α-вторинною структурою в результаті згортання поліпептидних ланцюгів в клубки. Згортання α-спіралей в глобули відбувається в результаті взаємодії один з одним гідрофобних ділянок спіралі, електростатичної взаємодії заряджених ділянок кола, освіти сульфідних містків і водневих зв'язків.
Четвертинна структура виникає в результаті об'єднання глобул у ще більш складну структуру.
Властивості білків як біолігандами визначаються вмістом у поліпептидних ланцюгах донорних атомів азоту і кисню, які можуть брати участь в утворенні хелатних циклів і макроциклічних комплексів. Крім того, до поліпептидним ланцюгів через різні функціональні групи можуть бути прив'язані порфіриновий кільця. Порфірин містить чотири піррольних ядра (з різними заступниками):
Як видно зі схеми, порфірин являє собою приклад макро-циклічного ліганда з чотирма донорними атомами азоту, які координуються іонами металу, якщо створюються умови для витіснення двох протонів порфірину та заміщення їх на іони металу. Розмір порожнини порфірину становить близько 2Ǻ (діаметр). Порфірин належить до числа «жорстких» лігандів, структура яких (і розмір порожнини) мало залежить від природи координується іона металу. Порфіриновий металлоцікли містяться в хлорофілі і гемоглобіні. Будова порфірінсодержащіх комплексів біометалів буде розглянуто далі.
Нуклеїнові кислоти - третій вид найбільш важливих біополімерний лігандів. Роль нуклеїнових кислот у біосистемах полягає у зберіганні і передачі інформації про будову синтезованих організмом білків. Нуклеїнові кислоти складаються з мономерів - нуклеотидів. Кожний нуклеотид містить фрагменти вуглеводу, гетероциклічного підстави і залишок фосфорної кислоти. Нуклеотиди з'єднуються в нуклеїнові кислоти за наступною схемою:
Прикладом гетероциклічних підстав можуть служити аденін і урацил:
В якості вуглеводного компонента нуклеїнових кислот виступають рибоза і продукт її відновлення - дезоксирибоза:
У залежності від природи вуглеводного фрагмента нуклеїнові кислоти поділяються на дві групи: рибонуклеїнові (РНК) і дезоксирибонуклеїнової (ДНК) кислоти. ДНК у розчинах мають будову подвійних спіралей. Всередину спіралі звернені гетероциклічні підстави, скріплені один з одним водневими зв'язками, назовні звернені фосфатні угруповання. Абсолютно ясно, що ДНК і РНК мають властивості лігандів: донорні атоми є у всіх фрагментах нуклеїнових кислот.
Крім білків, полісахаридів і нуклеїнових кислот в біосистемах зазвичай присутня велика кількість інших хімічних сполук, які проявляють властивості лігандів та мають біологічну активність. Серед них особливо важливу роль відіграють різні органічні кислоти, як насичені, так і ненасичені, наприклад аскорбінова кислота:
похідні фосфорної кислоти (такі, як аденозінфосфати, ліпіди) і ін
3. Біологічна роль неорганічних сполук
Біологічна роль неорганічних речовин (О 2, СО 2, N 2 і т. д.), а також іонів металів і сполук, які включають ці іони і атоми металів, пов'язані ковалентно, надзвичайно важлива і різноманітна. Один з основних процесів, пов'язаних з участю неорганічних сполук, - процес фотосинтезу. Саме взаємодія Н 2 О і СО 2 - двох неорганічних сполук - приводить (при каталізує дії хлорофілу - магнієвого комплексу порфірину) до синтезу крохмалю С6Н12О6 з виділенням кисню:Ця реакція проходить через велике число стадій, але суть фотосинтезу полягає все ж у з'єднанні неорганічних речовин в вуглевод. Вуглеводи, що синтезуються в рослинах, споживаються травоїдними тваринами. У результаті травлення та подальших складних перетворень в організмі травоїдних утворюються білки і жири, службовці їжею для хижаків і всеїдних тварин. До числа останніх можна віднести і людина. Джерелом енергії, необхідної для життєдіяльності людини і тварин, є білки, жири і вуглеводи, що містяться в продуктах харчування рослинного і тваринного походження. Окисляючи (неорганічним) молекулярним киснем, ці речовини, вірніше продукти їх деструкції, дають організму енергію, яка витрачається на інші життєво важливі хімічні процеси і перетворювану в механічну енергію (рух), електричну енергію та ін
Вже згадувалося, що найважливішу роль у процесах метаболізму грають іонофори, що регулюють зміст акваіонов лужних і лужноземельних металів у позаклітинному і внутрішньоклітинному просторі, а також ферменти. Ферменти - завжди білкові речовини. Вони прискорюють або інгібують найважливіші процеси в організмі, сприяють перенесенню в тканинах кисню і вуглекислого газу, перенесення електронів, прискоренню гідролітичних процесів.
Роль акваіонов металів і металлсодержащих комплексів у живих організмах полягає у регуляції процесів, пов'язаних з отриманням, перетворенням і розподілом в організмі енергії, виділенням шкідливих для організму продуктів реакції.
Розглянемо на ряді прикладів біологічну роль акваіонов металів та їх комплексів з біолігандами.
Транспорт іонів металів та інших неорганічних компонентів у рослинних і тваринних організмах
Для нормального функціонування живих організмів необхідно строго певний розподіл хімічних речовин по різних частинах організму. У тканинах ссавців діє система транспорту іонів натрію або калію, що отримала назву «натрієвий (або калієвий) насос». Найважливішу роль відіграє також транспорт заліза та інших біометалів.
Натрієвий насос забезпечує необхідне співвідношення концентрацій іонів Na + і К + в позаклітинному і внутрішньоклітинному просторі. Встановлено, що в більшості клітин тваринного організму [К +] становить 0,12-0,16 моль / л, тоді як [Na +] в тих же клітинах не перевищує 0,01 моль / л. Під позаклітинної рідини співвідношення зворотне: [Na +] ≈ 0,15 моль / л, а [К +] менше, ніж 0,004 моль / л. Таким чином, існує значний градієнт концентрацій іонів К + і Na + між позаклітинним і внутрішньоклітинним простором. Такий розподіл не може бути мимовільним, очевидно, потрібно витрата енергії, щоб іони К + накопичувалися всередині клітин, а іони Na + звідти виводилися. Встановлено, що "насос", накачують іони К + в клітини до викачують звідти іони Na +, тобто діючий проти концентраційного градієнта, працює за допомогою фосфатопротеіна, який утворює з іонами К + більш міцні з'єднання (з відповідності розмірів іона До + і порожнини іонофора), ніж з іонами Na +. У складі комплексу з фосфатопротеіном іон К + проходить через клітинну мембрану. Під внутрішньоклітинному просторі фосфат-протеїн взаємодіє з аденозинтрифосфату. Новий ліганд утворює більш міцне з'єднання з іонами Na +, ніж з іонами К + і виводить іони Na + з клітини в позаклітинний простір.
Залізо у вигляді іонів Fe 2 +, Fe 3 + і біокомплексів необхідно організму тварин і людини для виконання найважливіших життєвих функцій, таких, наприклад, як перенесення кисню і каталіз окисно-відновних процесів, службовців одним з головних джерел енергії. В організмі тварин і людини залізо накопичується і зберігається в печінці, селезінці і кістковому мозку у вигляді білкових утворень - феритину і гемосидерину. Білкова частина ферритина являє собою сферичне освіта (зовнішній діаметр близько 120 Ǻ) з внутрішньою порожниною діаметром близько 75 Ǻ. У порожнині феритину знаходиться міцел, що складається з гідратованого і гідролізованого фосфату Fe (III). Маса сухого залишку, що містить залізо, становить 23% від маси феритину (в гемосидерині заліза ще більше).
Транспорт заліза від феритину до червоних кров'яних тельців відбувається з допомогою білка трансферину, дуже міцно зв'язує Fe (III) в хелат. Встановлено, що хелати Fe (III), утворені білками типу трансферину, переносять залізо через біомембрани, тоді як сам по собі фосфат заліза, що міститься в ферритине і гемосидерині, подолати цих перешкод не може.
Транспорт О 2 в організмі тварин і людини здійснюється залізовмісними комплексами - гемоглобіном і міоглобіном. Обидва цих білка містять «гем-групи», що представляють собою порфіриновий комплекс заліза:
Гемов група приєднується до білкової частини молекули гемоглобіну і міоглобіну шляхом координації гистидинового атома азоту білка іоном заліза гемовое групи. Таким чином, в координаційну сферу іона заліза входить п'ять атомів азоту (чотири атома азоту порфірину, один атом азоту білкового гістидину). Шосте координаційне місце займає Н 2 О або О 2.
Гемоглобін має молекулярну масу 64 500 і включає чотири гем-групи. Міоглобін подібний з гемоглобіном за будовою, але містить тільки одну гем-групу. Гемоглобін майже так само добре, як міоглобін, зв'язує кисень при високому тиску кисню, але, коли тиск кисню падає, перевага у зв'язуванні О 2 має міоглобін. Падіння тиску О 2 спостерігається в тканинах м'язів, які споживають кисень. Результатом використання кисню є накопичення в м'язах СО 2 і, як наслідок, зниження рН. Це ще більше сприяє вивільненню О 2 з гемоглобіну і передачу кисню міоглобіну. Таким чином, і гемоглобін, і міоглобін беруть участь у перенесенні кисню.
Втрачаючи кисень, залізо в гемоглобіні (форма дезоксигемоглобина, КЧ заліза = 5) переходить в високоспіновое стан. Ослаблення зв'язку з атомами азоту порфірину призводить до виходу атома заліза з площини кільця порфірину (на 0,7-0,8 Ǻ). Навпаки, внаслідок приєднання кисню до гемоглобіну утворюється нізкоспіновий октаедричні комплекс, залізо в якому знаходиться в площині порфіринового кільця (КЧ заліза = 6). Хоча зв'язування молекулярного кисню гемоглобіном і міоглобіном супроводжується послабленням зв'язку O = O в молекулярному кисні через розміщення π-датівних електронів заліза на розпушуючих орбіталях О 2, цей процес сам по собі не пов'язаний з необоротним перенесенням електрона, тому його зазвичай не зараховують до ферментативним окисно-відновних реакцій. Відзначимо, однак, що розпушення зв'язку O = O в не може не активувати окисні реакції.
Наприклад, можна розглядати взаємодію активованої форми О 2 з відновленою формою субстрату StH 2, що супроводжується переходом його в окислену (дегідрованому) форму St:
При цьому кисень перетворюється в Н 2 О і Н 2 О2 з виділенням енергії.
Металлсодержащих ферменти
Далеко не всі ферменти, що каталізують біологічно важливі процеси в організмі тварин і рослин, містять іони металів. Однак металлсодержащих ферментів тільки в організмі людини кілька сотень, і їх біологічна роль надзвичайно важлива. Порушення структури або видалення з організму навіть одного з них призводить до тяжких розладів функцій організму, а потім і до його загибелі.
Металлсодержащих ферменти представляють собою координаційні сполуки, і тому їх дослідженням займається неорганічна хімія або, точніше, координаційна хімія.
Розглянемо будову і біологічну роль декількох металоферментів.
Кожен фермент складається з двох частин: коферменту і апофермента. Кофермент - це легко відокремлювана частина ферменту. У металоферментів іон металу становить основну частину кофермент. Апофермент-інша частина ферменту, що у відсутність коферменту не проявляє ферментативної активності.
Зазвичай розглядають дві групи металоферментів, що розрізняються за типом каталізуються ними реакцій: ферменти, що каталізують реакції гідролізу, і ферменти, що каталізують протікання окислювально-відновних реакцій.
Ферментативний каталіз реакцій гідролізу
Реакції, що протікають в організмах тварин і рослин з участю води, відіграють найважливішу роль у процесі обміну речовин і служать одним з основних джерел "енергії, що запасається організмом.
Реакції гідролізу катализируются зазвичай тими металоферментів, які містять іони Са 2 +, Mg 2 +, Zn 2 + та Мn 2 +. Хоча іон Мn 2 + легко вступає в окисно-відновні реакції, в ході гідролітичних реакцій він, як і всі згадані іони, не змінює ступеня окислення.
Найбільш добре вивчені будова і біологічна роль двох з металоферментів, каталізують гідролітичні процеси, - що містять цинк, ферментів карбоангідрази та карбоксилази. Відзначимо, однак, що тільки в організмі людини міститься кілька десятків містять цинк, ферментів, що розрізняються за своєю будовою та функціями.
Карбоангідраза складається з великих білкових молекул з молекулярною масою 430 000. Кожна з таких макромолекул містить 260 амінокислотних залишків. Форма молекули карбоангідрази - еліптична, розміри її (40x45x55) А 3. Еліптична молекула карбоангідрази має порожнину, причому амінокислоти, складові білок апофермента, розташовані так, що гідрофобні їх частини як би вистилають внутрішню порожнину макромолекули. В одній молекулі ферменту міститься тільки один іон Zn 2 +, який знаходиться поблизу центру порожнини карбоангідрази. Координаційна Поліедр комплексу, центральним іоном якого є Zn 2 +, являє собою спотворений тетраедр. Три положення в координаційній сфері Zn 2 + займають донорні атоми азоту з імідазольних груп амінокислоти гістидину:
Четверте координаційне місце зайняте молекулою Н 2 О або іоном ОН -. Фермент карбоангідраза міститься в червоних кров'яних тільцях. Встановлено, що карбоангідраза приблизно в 10 6 разів прискорює реакцію утворення бікарбонат-іона і зворотну їй реакцію розпаду НСО 3 -:
Розглянемо передбачуваний «концертний» механізм дії карбоангідрази. Іон Zn 2 +, входячи до складу несиметрично побудованого координаційної сполуки (що має з цієї причини напружену структуру), володіє високою реакційною здатністю. Зіткнення на активному центрі карбоангідрази іона Zn 2 +, СО 2 і іона ОН - в порожнині карбоангідрази призводить до активації всіх що беруть участь в реакції речовин, у результаті чого швидко утворюється бікарбонат цинку:
Наступний етап процесу полягає в обміні утворився бікарбонат-іона на Н 2 О або ОН-, тобто у вивільненні активного центру ферменту для наступних актів каталізу.
Встановлено, що інгібування реакції синтезу і розпаду бікарбонат-іонів досягається введенням в координаційну сферу іона Zn 2 + лігандів, що утворюють більш міцний зв'язок з Zn 2 +, ніж з НСО 3 -, Н 2 О або ОН -. Такими є іони CN -, N 3 -, S2O4 2 - та ін Так як в некаталізіруемих умовах (у присутності CN -, N 3 - і т. д.) синтез НСО 3 - і його розпад протікають надто повільно, фізіологічні вимоги не виконуються, нормальний стан організму порушується.
Каталітична активність карбоангідрази не знижується при заміні Zn 2 + на іон Со 2 +, в інших випадках активність ферменту або падає, або зникає.
Карбоксипептидаза представляє собою ферменту, що виробляється підшлунковою залозою ссавців. Так само як карбоангідраза, цей фермент містить один іон Zn 2 + на одну білкову макромолекулу, молекулярна маса якої 34300. Біологічна роль карбо-ксіпептідази полягає в каталізі процесу гідролізу пептидів - розрив пептидного зв'язку на карбоксильне кінці пептидного ланцюга:
Іон Zn 2 + у карбоксипептидази, так само як у карбоангідрази, знаходиться в порожнині активного центру ферменту, але тільки два місця в його координаційній сфері зайняті азотом імідазольного залишків гістидину. Третє місце зайняте киснем іншої амінокислоти - глутаміну. Четверте координаційне місце в координаційній сфері Zn 2 + належить молекулі води. Таким чином, і в цьому ферменті координаційна сфера Zn 2 + несиметрична, що, мабуть, обумовлює напруженість структури ферменту і є обов'язковою умовою каталітичної активності комплексних сполук.
Припускають, що однією з важливих стадій каталітичного процесу, що протікає за участю карбоксипептидази, є координація іоном Zn 2 + атома кисню карбонила пептидного ланцюга з витісненням Н 2 О, що займає одне місце в координаційній сфері. Координація цинком карбонільного кисню послаблює зв'язок С-N в пептидного ланцюга, що полегшує її розрив, що супроводжується гідролізом. Гідроліз розірваної колі призводить до послаблення координації карбонільного кисню пептидного ланцюга іоном Zn 2 +. Відбувається витіснення молекулою Н 2 О, потім знову слід координація іоном Zn 2 + карбонільного кисню нерозірваної ланцюга і т, д, Ферментативна активність карбоксипептидази зберігається, якщо Zn 2 + замінити на іон Со 2 +, так само як у випадку карбоангідрази. Мабуть, це пов'язано з дуже близькими величинами констант стійкості (тобто подібними термодинамічними, характеристиками) аналогічних комплексів Zn 2 + і Со 2 +, а також однаковими розмірами цих іонів. Заміна Zn 2 + у карбоксипептидази на Gd 2 +, Hg 2 +, Cu 2 +, Pb 2 + призводить до зникнення каталітичної активності ферменту.
До групи ферментів, що каталізують процеси гідролізу, належать також кінази, що прискорюють переміщення різних фрагментів біолігандами (наприклад, іони РВ 3 -) від одного біополімеру до іншого. Всі кінази містять іони М 2 +. Амінопептидази (іони Mg 2 +, Zn 2 +, Mn 2 +, Ca 2 +-кофермент) каталізують гідроліз пептидів, при цьому кожен з великого числа ферментів, що входять в цю групу, прискорює розрив пептидного зв'язку саме для даного поєднання різнойменних амінокислот у пептидного ланцюга. Фосфатази каталізують гідроліз складних ефірів на основі ортофосфорної кислоти.
Ферментативний каталіз окисно-відновних реакцій
Окислювальні реакції, що протікають в живому організмі за участю молекулярного кисню, вносять основний внесок у накопичення організмом енергії. Окислювально-відновні реакції за відсутності каталізатора завжди протікають повільніше, ніж реакції обміну іонів (теж не каталізуються), наприклад реакції гідролізу. Тому роль ферментативного каталізу в прискоренні окислювально-відновних процесів, що протікають в живих організмах, є особливо важливою. Окислювально-відновні реакції в організмі катализируются ферментами, які містять іони цинку, заліза, міді, молібдену, кобальту. Роль металлсодержащих груп у ферментах, що каталізують окислювально-відновні процеси, вивчена недостатньо. Однак ясно, що іон металу в ферменті не завжди входить в активний його центр. У ряді випадків іони металу визначають лише третинну і четвертинну структуру білка, що утворює апофермент, а сам по собі кофермент іонів металу не містить. Проте роль металу залишається вкрай важливою - заміна іонів одного металу на інший змінює структуру ферменту і його активність.
З металлсодержащих ферментів, що каталізують окислювально-відновні процеси, найбільш вивчені містять цинк, дегідрогенази, а також залізовмісні ферменти.
До числа ферментів, що каталізують окислювально-відновні реакції, відносяться гемвмісного ферменти - цитохроми. Атоми заліза в цитохромах, так само як в гемоглобіні і міоглобіні, координують п'ять атомів азоту (порфірину і гістидину), шосте координаційне місце займає атом сірки амінокислоти - метіоніну. Відомо 50 видів ферментів цього типу, дещо різняться за складом органічної його частини. Залізо в цитохромах грає роль переносника електронів - воно приймає електрони від відновлення і передає їх окислителю. Окислювачем може бути і кисень, але він не бере участь у координації заліза, що входить до складу цитохромів, оскільки залізо в цитохрому має повністю насичену координаційну сферу.
Серед гемсодержащих ферментів, що каталізують окислювально-відновні реакції, також велике значення мають гем-білки - каталаза і пероксидаза, що прискорюють розпад перекису водню. Остання утворюється в результаті катализируемого ферментами взаємодії відновлених форм субстратів з молекулярним киснем.
Крім гемсодержащих ферментів відомо велика кількість металлсодержащих ферментів, що мають «негемове» будова. До їх числа належать ферредоксина, що грають в живих організмах, подібно цитохрому, роль переносників електронів. Ферредоксина мають молекулярну масу від 6000 до 12 000. Атоми заліза в них оточені чотирма атомами сірки:
Кінцеві атоми сірки належать цистеїнових фрагменту білка. Вважають, що важливу роль джерела (або «пастки») електронів грає угруповання Fe 4 S 4, що міститься в кожному з ферредоксінових білків.
Окислювально-відновні реакції катализируются також металоферментів, що включають мідь і інші метали. Важливе значення має оксидаза аскорбінової кислоти, що міститься в рослинах і мікроорганізмах. Молекулярна маса оксидази 140 000, на одну таку білкову глобулу припадає вісім атомів міді. Як свідчить назва, оксидаза каталізує перехід аскорбінової кислоти в дегідроаскорбінову кислоту. Мідь також міститься в білку-гемоцианин, який здатний зв'язувати молекулярний кисень (О 2 на два атоми міді). Використовується гемоцианин для транспорту кисню в організмах нижчих тварин.
До числа ферментів, що каталізують перенесення електронів, тобто, окислювально-відновні процеси, відноситься нитрогеназа, що міститься в азотистих бактеріях. Нітрогеназа каталізує зв'язування атмосферного азоту. З використанням міченого азоту (15 N 2) показано, що бактерії відновлюють N 2 в першу чергу до аміаку. Цей процес відбувається тільки в присутності Mo, Fe і Mg. Встановлено, що нитрогеназа складається з двох білків (молекулярна маса 250 000 і 70 000), кожен з яких окремо не активний.
Тільки у спільній присутності ці білки виявляють каталітичний ефект. В одному з білків міститься на одну глобулу один-два атоми Мо, 15 атомів Fe, велика кількість сірки, у другому-молібдену немає. є два атоми заліза і два атоми сірки (неорганічної, що не входить до складу білка).
Хлорофіл в зелених рослинах грає найважливішу роль, пов'язану з енергетичним забезпеченням окислювально-відновних процесів при фотосинтезі. Встановлено, що хлорофіл, тобто порфіриновий комплекс Mg 2 +, що міститься в хлоропласті зелених частин рослини, поглинає світлову енергію. Довжина хвилі поглинається світла (~ 700 нм) визначається системою сполучених зв'язків в порфириновой комплексі. Входження Mg 2 + у порфіриновий комплекс робить ліганд більш жорстким, що зменшує розсіювання енергії в результаті коливальних рухів.
Світлова енергія, збережена хлорофілом, витрачається на протікання ендотермічної реакції, яка називається реакцією фотосинтезу:
Механізм фотосинтезу в повній мірі не вивчений. Відомо тільки, що в стадіях фотосинтезу беруть участь комплекси чотирьох металів (включаючи магній хлорофілу). Так, встановлено, що в стадії переносу електрона, яка завершується відщепленням молекулярного кисню, бере участь комплекс марганцю; на наступних стадіях в реакції вступають комплекси заліза (ферредоксін, цитохроми) і міді (пластоціанін).
Таким чином, роль хелатних комплексів металів в регулюванні найскладніших процесів, що протікають в живих та рослинних організмах, надзвичайно важлива і різноманітна. Відзначимо ще деякі з біологічно важливих процесів, пов'язаних з участю неорганічних сполук або іонів.
Інші біологічні функції неорганічних сполук.
Роль іонів Са 2 + в організмах тварин і рослин складна. Найбільше кальцію міститься в кістковій тканині. Кристали кістки мають приблизний склад Са10 (Р0 4) 6 (ОН) 2 і, таким чином, відносяться до числа гідроксилапатиту. Мінеральна частина кістки включає, крім того, карбонати, фториди, цитрати і гідроокису металів, серед яких, крім Са 2 +, є Mg 2 +, Na + і К +. Неорганічна частина кістки становить лише 0.25 її маси - інше органічні компоненти.
Серед найбільш важливих функцій Са 2 + - його роль у ферментативних системах, в тому числі як регулятора скорочення м'язів, передавача нервового імпульсу, а також у системі згортання крові.
В організм кальцій вводиться у вигляді середнього фосфату, що міститься в їжі. У травному тракті під впливом кислого середовища середній фосфат перетворюється в добре розчинні кислі фосфати СаНРО 4 і Са (Н 2 РО 4) 2. Саме кислі фосфати всмоктуються у кишечнику і переходять в плазму крові.
Концентрація іонів Са 2 + у крові людини становить зазвичай 0,0022-0,0028 моль / л. Приблизно половина кальцію знаходиться у вигляді акваіонов, здатних проходити через мембрани. Інша частина пов'язана з білком (альбумін) і через мембрани не проходить. Цікаво, що концентрацію кальцію можна визначити, використовуючи біологічний тест - по частоті скорочення серця жаби (або черепахи). Цей спосіб визначення концентрації незакомплексовано Са 2 + був використаний для визначення Кущ хелатних комплексів кальцію в неорганічних дослідженнях.
Іони Са 2 + разом з іонами К + і Mg 2 + впливають не тільки на частоту скорочення м'язів, у тому числі серцевого м'яза, а й на дію серцевих глікозидів (типу наперстянки шерстистої - Digitalis). Відомо, що при передозуванні глікозидів серце зупиняється. Введення при цьому іонів К + і Mg 2 + в м'яз серця послаблює дію глікозидів, а введення Са 2 + - підсилює. Однак іони Са 2 + можна зв'язати в міцний комплекс, наприклад з ЕДТА. Так, якщо вчасно ввести ЕДТА в м'яз зупиненого серця, воно знову починає битися.
Надлишок Са 2 + надає небажані дії на організм - відбувається «утворення каменів», «відкладення солей» і т. д. Так як іони Са 2 + і Mg 2 + входять до складу тканини стінок бактеріальних клітин, зміна змісту іонів Са 2 + у системі може привести до загибелі мікроорганізму. Такий ефект спостерігається, зокрема, якщо в систему ввести ЕДТА або інший комплексон високої дентатності. ЕДТА, пов'язуючи Mg 2 + і Са 2 + в міцний комплекс, руйнує стінки бактеріальних клітин, що і призводить до загибелі мікроорганізмів. Вимивання з організму іонів Са 2 + та інших корисних іонів відбувається при використанні комплексонів і хелатообразователей для видалення з організму іонів токсичних металів, таких, як Hg 2 +, Pb 2 + та ін Щоб зменшити вимивання іонів Са 2 + при лікуванні тих чи інших захворювань, в організм вводять ЕДТА у вигляді кальцієвого комплексу СаЕДТА 2 -.
Іони лужних металів, як уже згадувалося, виконують в живих і рослинних організмах різноманітні функції. Це відноситься не тільки до іонів Na + і К +. Встановлено, що прийом препаратів, що містять іони Li + і Rb +, полегшує стан хворих, у яких виявлено маніакально-депресивний синдром.
Передозування в організмі іонів металів, які належать до числа «металів життя», а також випадкове введення іонів інших металів (наприклад, Hg 2 +, Be 2 +, Cd 2 +, Pb 2 +) викликають важкі порушення життєдіяльності організму. У пов, їх випадках лікування проводять, використовуючи медикаменти (детоксиканти), виявляють властивості лігандів специфічної дії.
Запропоновано використовувати для виведення з організму іонів металів, що проявляють токсичний ефект, такі ліганди.
Етилендіамінтетраацетат (ЕДТА) - у вигляді солі кальцію - виводить з організму Pb 2 +, V (IV), V (V). Якщо ЕДТА застосовують дли регулювання згортання крові, то вводять натрієву сіль, щоб знизити [Са 2 +].
Аурінтрікарбоксілат або саліцилат (натрію) вводять в організм для закомплексовиванія берилію. Комплекси Ве 2 + з цими лігандами проходять через біомембрани, і таким чином Ве 2 + може бути видалений з організму.
D-пенніціламін (HSC (CH 3) 2-CHNH 2-COOH) використовують для специфічного зв'язування Сu 2 + та виведення міді з організму, зокрема, якщо в результаті передозування або неправильного функціонування організму в печінці, мозку та нирках накопичується мідь (хвороба Вільсона, лейкемія та ін.)
Дімеркаптал СН 2 ОН-CHSH-CH 2 SH закомплексовивает і виводить з організму Hg, As, Ті, Tl, Au.
Ферріоксімін-В-полігідроксамовая кислота використовується для специфічного зв'язування і виведення з організму надлишку заліза при захворюванні «сідерозіс».
Багато ліків, що застосовуються в медичній практиці, представляють собою ліганди, інгібуючі дію активних центрів металів-ферментів шляхом координаційної насичення іонів металів. Наприклад, введення в організм диакарба призводить до пригнічення ферментативної активності карбоангідрази, що каталізує реакцію зв'язування води і СО 2 в бікарбонат-іон.
Інгібування карбоангідрази диакарба досягається внаслідок координації іоном Zn 2 + атома сірки диакарба. У результаті координація Н 2 О і СО 2 цинком припиняється, вода не зв'язується в НСО третій виводиться з організму - досягається діуретичний ефект. До тієї ж групи ліків належить дісульфурам який блокує іони Сu 2 + у ферменти, що каталізують окислення ацетальдегіду.
Ці ліки використовується при лікуванні алкоголізму, оскільки накопичення ацетальдегіду в організмі викликає неприємні відчуття і відраза до алкоголю.
Багато отрути діють за аналогічним механізмом. Наприклад, чадний газ і ціаніди блокують іони заліза в гемоглобіні і роблять неможливим перенесення О 2 від легких до периферійних тканин. Організм «обескіслорожівается» і гине.
Дія багатьох ліків заснована на здатності комплексних сполук іонів металів проходити через біомембрани, тоді як акваіони і ліганди, взяті окремо, такою здатністю володіють в дуже малому ступені або взагалі не володіють. Прикладом можуть бути антибіотики, активність яких істотно зростає в присутності іонів металів. Те ж відноситься до протигрибкових препаратів типу 8-оксіхіноліната Fe (III). Встановлено, що тільки спільна присутність акваіонов Fe 3 + * aq і 8-оксихіноліну дає антигрибковий ефект. Очевидно, що утворюється комплекс заліза (III) проходить через стінки клітин грибків і викликає їх загибель.
Цікаві дані отримані останнім часом про катіонних комплексах типу Co (NH 3) 6 3 +, Co (NH 3) 5O 2 2 + і комплексах заліза, рутенію та інших перехідних металів з нейтральними лігандами типу фенантроліна і дипіридил. Виявилося, що ці (ймовірно, та інші) катіонні комплекси перехідних металів подібні за геометрії і щільності позитивного заряду з «головкою» ацетилхоліну [(CH 3) 3N +] (CH 2) 2COOCH3. Ацетилхолін є діючим початком отрути кураре, що викликає параліч нервових закінчень. Зазначені катіонні комплекси викликають подібну дію, про це слід пам'ятати, коли в практикумах з неорганічної, аналітичної я координаційної хімії проводиться синтез такого роду комплексних сполук.
Вивчення біологічної активності неорганічних сполук тільки починається. Інтерес до випробування їх біологічної активності різко зріс після відкриття в 1969 р. протиракової активності солі Пейроні - цис-діхлородіаммінплатіни (Н). Було відмічено, що електроліз розчину NH4CI з використанням платинових електродів призводить до втрати здатності відтворення у кишкової палички Є. Зі li. Це віднесли до позитивного дії солі Пейроні, присутніх у розчині. Оскільки антиракова та антимікробну дію симбатно, сіль Пейроні була випробувана на антиракову дію і показала високу ефективність. Зараз проводяться пошуки настільки ж ефективних, але менш токсичних медикаментів. Встановлено, що антиракову дію залежить від будови комплексів платини (та інших металів). Зокрема, транс-ізомер діхлородіаммінплатіни (П) не проявляє антиракового дії. Заміна атомів С1 на Вr і I робить неактивними та цис-ізомер.
Біонеорганічної хімія та охорона навколишнього середовища
Біонеорганічної аспекти екології мають велике значення. Зокрема, впровадження в хімічну технологію і сільське господарство реагентів, здатних закомплексовивать іони металів, викликає небажані зрушення природних рівноваг. Можна згадати, наприклад, дія комплексонів, що скидаються у великих кількостях у природні водойми підприємствами, що застосовують ці реагенти для «пом'якшення» води: фотопромисловості, фарбувальної (текстильної та поліграфічної) промисловістю, енергетикою (введення у воду парових потоків і опалювальної мережі комплексонів для запобігання осадкообразованія ), нафтової і цементною промисловістю (запобігання солеотложеній в трубах, уповільнення схоплювання бетону), сільським господарством (для боротьби з хлорозом і анемією вводять залізо в грунт чи в їжу тварин у вигляді комплексонатів, що не піддаються гидролитическому руйнування і легко засвоювання тваринами, на відміну від акваіонов Fe (II), Fe (III) у розчинах простих солей). Комплексони, потрапляючи в природні водойми, викликають розчинення опадів токсичних металів, десятиліттями накопичуються на дні морів і океанів. Переходячи в розчин у вигляді комплексонатів, іони Hg 2 +, Zn 2 +, Cd 2 +, Pb 2 + та інших токсичних металів проникають через біомембрани отруюють живі організми. Присутність комплексонатів в природних водах викликає гіпоксію (брак кисню), а внаслідок цього загибель планктону і врешті-решт загибель вищих тварин, що стоять в кінці екологічної ланцюга. Кисень витрачається на окислення іонів металів, наприклад на переведення Fe (II) в Ре (III). Комплексони цьому сприяють, так як стабілізують вищі ступені окислення металів, яким відповідають найбільш, стійкі комплекси. Тому не можна не відзначити важливість робіт, присвячених синтезу, дослідження і розробки методів використання комплексоутворюючих агентів, які легко б знешкоджували, потрапляючи в умови скидання. Інтерес, на наш погляд, представляють комплексони типу етілендіаміндіянтарной кислоти. Ці сполуки, володіючи високою комплексоутворюючої здатністю, в природних середовищах швидко дезактивуються і не зміщують усталеного рівноваги.
У плані охорони навколишнього середовища можуть розглядатися і роботи з моделювання процесу зв'язування атмосферного азоту. Заміна енергоємного виробництва синтезом азотовмісних сполук у м'яких умовах (подібно умов зв'язування N2 азотистими бактеріями) призведе в кінцевому підсумку до заощадження природних ресурсів і охорони біосфери.