165656 (Бионеорганическая химия), страница 4

Четвертое координационное место занято молекулой Н₂О или ионом ОН^-. Фермент карбоангидраза содержится в красных кровяных тельцах. Установлено, что карбоангидраза примерно в 10⁶ раз ускоряет реакцию образования бикарбонат-иона и обратную ей реакцию распада НСО₃^-:

Рассмотрим предполагаемый «концертный» механизм действия карбоангидразы. Ион Zn²⁺, входя в состав несимметрично построенного координационного соединения (имеющего по этой причине напряженную структуру), обладает высокой реакционной способностью. Столкновение на активном центре карбоангидразы иона Zn²⁺, СО₂ и иона ОН ^- в полости карбоангидразы приводит к активации всех участвующих в реакции веществ, в результате чего быстро образуется бикарбонат цинка:

Следующий этап процесса состоит в обмене образовавшегося бикарбонат-иона на Н₂О или ОН-, т. е. в высвобождении активного центра фермента для последующих актов катализа.

Установлено, что ингибирование реакции синтеза и распада бикарбонат-ионов достигается введением в координационную сферу иона Zn²⁺ лигандов, образующих более прочную связь с Zn²⁺, чем с НСО₃^-,Н₂О или ОН^-. Такими являются ионы CN^-, N₃^-, S2O4^{2 -} и др. Так как в некатализируемых условиях (в присутствии CN^-, N₃ ^- и т. д.) синтез НСО₃ ^- и его распад протекают слишком медленно, физиологические требования не выполняются, нормальное состояние организма нарушается.

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 СаЭДТА^2-.

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.