165656 (Бионеорганическая химия), страница 3

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: