Н.А. Добрынина - Бионеорганическая химия (1109648), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Настадии фотосинтеза, которая может протекать в темноте (так называемая «темноваястадия»), магний является центром фермента, содержащего рибулоза-1,5-дифосфаткарбоксилат, который называют «рубиско». Этот фермент, очень распространенный вбиосфере, управляет связыванием атмосферного СО2 (~1011 тонн в год!) и созданиембиомассы. В первоначальной форме фермента ион Mg2+ с координационным числом 6октаэдрически координирует карбоксилатные группы остатков глутаминовой и аспара-20гиновой кислот, 3 молекулы воды и карбамат из остатка лизина, причем карбамат образуется при реакции первоначальной порции внешнего СО2 с терминальной аминогруппой лизина, т.е. изначально присутствующий СО2 как бы «запускает» механизм фотосинтеза.
В каталитическом цикле («цикл Кальвина») рибулоза-1,5-дифосфаткарбоксилат замещает 2 молекулы воды в октаэдре магния с образованием собственнорубиско, а далее в присутствии протонов включает дальнейшие порции СО2 в рибулозный фрагмент с образованием новой связи С–С. В этой окислительновосстановительной реакции СО2 в конечном итоге восстанавливается до глюкозы. На«световой» стадии фотосинтеза другой фермент хлорофилл, в центре которого находится ион Mg2+ (рис.2), фотохимически возбуждается и с участием железосерных белков восстанавливает СО2. Дальнейшие стадии фотосинтеза включают целую сериюокислительно-восстановительных реакций с участием молекул АДФ, АТФ, производных хинона, комплексов Mn2+ и Mn4+, в результате чего Н2О, входящая в координационную сферу магния, окисляется до О2.Содержание Са2+ в организме составляет ~1%, кальций – 5-й по распространённости in vivo элемент после C, H, O, N.
В организмах млекопитающих 95% кальцияприходится на твердые ткани: кости и зубы, где он находится в виде фторапатитаСа5(РО4)3F и гидроксиапатита Са5(РО4)3ОН; в организмах птиц и моллюсков преобладает СаСО3. В стенках сосудов и артерий кальций присутствует в виде СаСО3 или комплекса с холестерином, а в почках – в виде оксалатов или уратов (солей мочевой кислоты). Ионы Са2+ , образуя не очень прочные координационные соединения, имеют невысокие значения констант образования переменное координационное число (6 и 8), рыхлую, подвижную координационную сферу, а также высокие скорости обмена лигандами.
Поэтому комплексы кальция пригодны для участия в сигнальных системах, регулируют сокращение мышечных волокон, активируют многие ферменты (табл.6), определяют процесс свертывания крови). Концентрация Са2+ в организме регулируется гормоном паращитовидной железы кальцитонином, а усвоение определяется содержаниемв организме витамина D. Недостаток этого витамина приводит к снижению всасыванияСа и проявляется в виде заболевания рахита. Са – внеклеточный элемент; его концентрация в клетке мала: ~ 10 –7 моль/л, а вне клетки - ~ 10-3 моль/л, причем этот градиентконцентраций сохраняется благодаря Са-насосу.Наиболее изученный Са-содержащий фермент – кальмодулин. Он активирует протеинкиназу, катализирует фосфорилирование белков, активирует Fe-содержащий ферментNO-синтетазу. В кальмодулине ион Са2+ имеет координационное число 6 и окружентремя монодентатными карбоксилами аспарагиновой кислоты, бидентатным фрагментом глутаминовой кислоты и молекулой воды.
Имея возможность к повышению координационного числа, ион Са в кальмодулине дополнительно координирует пептидуюгруппу СО какого-либо белка, изменяя тем самым его структуру, а значит и функции.5.4.– Биометаллы - d- элементыПереходные биометаллы обладают особыми свойствами (табл.5), главное из которых – высокая способность к комплексообразованию. Образуя разнообразные комплексы с многочисленными биолигандами живого организма (табл.6), переходныебиометаллы по существу ведут себя, как «организаторы жизни».5.4.1.МарганецИон марганца Mn2+, радиус которого близок к таковому для Mg2+, образует комплексыс О- и N-донорными биолигандам.
Марганец входит в состав активного центра многихферментов, (табл. 6). В составе ферментов аргиназы и холинэстеразы марганец участвует в свертывании крови; в составе пероксидазы и аминофенолоксидазы регулируетпревращение молекулярного кислорода; в составе пируваткарбоксилазы и фосфоглю-21кодисмутазы влияет на углеводный обмен. Марганец участвует в синтезе витаминовгруппы В и влияет на синтез гемоглобина. В организме марганец концентрируется впечени, почках и поджелудочной железе (табл.2).
Доказана специфическая роль марганца в синтезе мукополисахаридов хрящевой ткани. В кластерном фрагменте фермента с «кислород-выделяющим центром» содержатся 4 атома Mn с координационнымичислами 4, 5 и 6 (что позволяет предположить различные степени окисления марганца),связанные с остатками аспарагиновой и глутаминовой кислот, и молекул воды. Лишьодно координационное место во всем кластере занимает донорный атом азота гистидина. В кластер входит также ион Са.2+.ЖелезоЖелезо необходимо почти для всех форм жизнедеятельности, но, во-первых, оноплохо усваивается из окружающей среды, а во-вторых, избыток железа в организме вызывает «токсический риск». Трудности усвоения железа связаны с крайне малой растворимостью соединений Fe(III), содержащихся в его минералах.
Стоит только соединениям Fe(Ш) раствориться, как при незначительном повышении рН (до ~2,0) происходит гидролиз, приводящий к выпадению полимеризованного гидратированного оксида,труднодоступного для клеток. Вторая проблема – токсичность – связана со способностью ионов Fe(Ш) катализировать выработку радикалов ОН. Природа создала системупервичного захвата, переноса и накопления железа in vivo , основанную исключительнона способности ионов Fe(II) и Fe(III) образовывать высокопрочные комплексные соединения, устойчивые к гидролизу.Проявляя степени окисления +2, +3, +4 и координационные числа 4 и 6, железоочень мобильно в своих соединениях, легко переходя от одного типа координации биолиганда к другому.
Захват железа из внешней среды осуществляется специфическимилигандами – сидерофорами; перенос и циркуляция железа в биожидкостях высших организмах происходит с помощью белков трансферринов, которые вместе с ферритинами отвечают за накопление железа в организме. Среди белков – переносчиков кислорода у высших животных выделяют комплексы железа с порфирином. Формы существования железа в организме подразделяют на «гемовые» (гемоглобин, миоглобин (рис.2,4) и «негемовые» (рис.5, 6).5.4.2.Рис.
4 Схема участия гемоглобина в дыхательном цикле22ЭнтеробактинФеррихромТрансферринРис. 5. Некоторые типичные сидерофоры (энтеробактин, феррихром) и ферритины(трансферрин)Сидерофоры - небольшие полидентатные лиганды с высоким сродством к Fe3+ .Они вырабатываются клетками многих бактерий и выбрасываются во внешнюю среду,где захватывают железо. Существует 2 главных типа сидерофоров: один из них содержит феноляты и катехолаты (энтеробактин) с константой связывания иона Fe3+ , равной~1052 .
Другой тип – это гидроксамовые лиганды (феррихром). Все сидерофоры сFe(Ш)- высокоспиновые комплексы с октаэдрическим строением.Ферритины – это Fe-содержащие белки со сходными структурами, служащиедля транспорта и накопления железа. Ферритины являются главным «хранилищем» негемового железа в организме животных и, будучи полностью загруженными, могут содержать до 20% железа по массе. Наиболее изучены из них: сывороточный альбумин (вплазме крови), овотрансферрин (в белке яиц) и лактоферрин (в молоке). Все трансферрины относятся к гликопротеинами с молярной массой около 80 кДа и содержат 2 раздельных и почти эквивалентных места связывания железа. В трансферринах (рис.5) ионFe(Ш) имеет искаженное октаэдрическое окружение и координирует 2 атома кислородафенольных групп тирозина, атом N имидазола из гистидина, а также группу СОО- аспарагината и группу НСО3- или СО3 2- , причем иногда место карбоната занимает фосфат.
Константа связывания Fe(Ш) каждым центром составляет ~ 1022 – 1026 и сильнозависит от рН.Железо участвует в переносе кислорода в дыхательном цикле в виде белков гемоглобина и миоглобина, содержащих комплекс железа с порфирином (рис.4).Ключевой23момент участия гемоглобина в дыхательным цикле состоит в координации молекулыО2, втягивании фрагмента гемоглобина Fe --- O2 в так называемый «имидазольный карман», а затем распределении О2 током крови по сосудам.
Токсическое действие молекул и ионов, сходных с молекулой О2: CN-, CO и др., - обусловлено их более прочнойсвязью с ионом Fe .Миоглобин - синевато-красная деоксиформа, содержащая высокоспиновый ионFe2+ c координационным числом 5. Миоглобин быстро и обратимо реагирует с молекулой О2 с образованием низкоспинового 6-тикоординационного яркокрасного комплексаFe(П).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
