Н.А. Добрынина - Бионеорганическая химия (1109648), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Следующей стадией является медленная реакция аутоокисления, приводящая квысвобождению иона О2– и образованию комплекса Fe(Ш) (метмиоглобин), которыйуже неактивен к связыванию О2. В здоровых тканях под действием фермента метгемоглобин-редуктазы протекает восстановление комплекса Fe(Ш) с метгемоглобином доаналогичного комплекса с Fe(П).Миоглобин связывает молекулу О2 преимущественно в синглетном состоянии, когдазаполненная разрыхляющая молекулярная π-орбиталь кислорода является доноромэлектронной пары, а пустая – акцептором (рис.6) . Донорная пара располагается на 3dz2– орбитали Fe2+, а свободная молекулярная орбиталь принимает донорную пару атомаазота группы NH имидазольного фрагмента гистидина.
Таким образом, молекула кислорода становится мостиковой, и за счет π-акцепторных свойств молекулы кислородакак лиганда сильного поля Fe(П) переходит из высокоспинового в низкоспиновое состояние и возвращается в плоскость порфиринового кольца.Рис.6. Связывание молекулы кислорода с миоглобиномГемоглобин – тетрамер из подобных миоглобину субъединиц с 4-мя атомам железа, совместно связывающими кислород. Гемоглобин – белок-переносчик кислорода,найденный в специальных клетках – эритроцитах (красные кровяные клетки).
1 л кровичеловека содержит ~ 150 г гемоглобина. Вообще гемоглобин обладает невысокой активностью по отношению к кислороду и поэтому не может переносить О2 к миоглобину. При повышении давления кислорода сродство гемоглобина к О2 увеличивается, и врезультате гемоглобин в легких захватывает О2 . Поэтому различают 2 конформациигемоглобина: напряженное состояние с низким сродством к О2 и расслабленное состояние с высоким сродством к О2.Помимо Fe-содержащих белков – переносчиков О2 , есть еще белки – переносчики электронов – цитохромы, которые содержат некоторые металлы, в том числе и железо. Так как железо образует окислительно-восстанеовительную пару Fe2+/Fe3+, то потенциал этой пары и определяет перенос электрона.
В Fe-содержащих цитохромах координационное число железа обычно равно 6, аминокислотные фрагменты всегда находятся в аксиальных позициях (в отличие от гемоглобина, где одно аксиальное место24либо пустое, либо занято молекулой воды), а железо находится в низкоспиновом состоянии для обеих степеней окисления.К белкам – переносчикам электронов относятся и железосерные белки (рис.7),содержащие фрагменты кластера (Fe-S)n , называемого ферредоксином.Рис. 7.
Строение «негемового» железо-серного белка (Cys – остаток цистеина)В них железо тетраэдрически окружено атомами серы тиолатных фрагментов цистеина.Известны примеры координации железом кроме атомов серы также и карбоксилатыхлигандов, имидазола, алкоксигрупп (в серине) и внешних лигандов Н2О и ОН-. Приэтом координационное число атома железа возрастает до 6. Помимо кубических кластеров типа [4Fe – 4S] известны и более крупные : [8Fe - 7S] и [Mo–7Fe–8S–X] (в нитрогеназе).5.4.3.КобальтКобальт входит в состав кобаламина – кофермента В12 (рис.8).Рис.
8. Фрагмент кобаламина – витамина В12 вблизи центра координации.Это эндогенный витамин, который синтезируется микрофлорой кишечника. Кобаламин содержит макроцикл – корриновое кольцо, связанное с нуклеотидом и диметилбензимидазолом. Полость в центре корринового кольца занята атомом Со с координационным числом 5, а шестое координационное место может занимать, как напримерв коферменте В12, 5-деоксиаденозин, связанный с Со через группу –СН2 -. Благодаряэтому кофермент В12 является редким примером природного металлорганического соединения.
Если шестое координационное место занимают какие-либо другие небольшие лиганды, то получается аквакобаламин, гидроксокобаламин, цианокобаламин (из-25вестный как собственно витамин В12 . В кобаламине атом Со может находиться в трёхсостояниях окисления: +3, +2 и +1, причем все они низкоспиновые. Со(Ш) с конфигурацией d6 имеет координационное число 6, Со(П) – 5 с неспаренным электроном наd(z2) – орбитали. Со(I) имеет 4-хкоординационное квадратноплоское окружение.
Главная ферментативная роль кобаламина связана с обменным переносом радикалов Н илиСН3 между биолигандами. Другие ферменты – кобаламины – катализируют обмен радикалами в случаях изомеризации (мутазы) и дегидратации (лиазы). Обмен радикаламиначинается с ослабления связи Со – С, что приводит к образованию низкоспинового 5тикоординационного Со(П) и радикала СH2R, который замещается на какой-либо другой. Реакции переноса группы СН3 основаны на высокой нуклеофильности Со(+1) вквадратноплоском окружении. Эта реакция имеет место при биосинтезе метионина, атакже для деятельности бактерий-метаногенов, вырабатывающих метан.
Кобаламинжизненно важен для высших организмов (для человека необходимы несколько мг вдень), но вырабатывается он лишь микроорганизмами. При недостатке витамина В12часто возникает злокачественная анемия (табл.8).Таблица 8Патологии в жизнедеятельности организма, связанные с отклонениями от нормысодержания некоторых металловНедостатокЭлементИзбытокАнемияFeГемохроматозисНарушениекровообращения, CuРевматоидный артритдефекты костейАномалии строения скелетаMnМешает метаболизму железаНедостатки развития скелета, ZnИзбыток быстро выводится и неполового развития, выраженнаявредитпотребность в витамине ААнемия, потребность в витамине СоНакапливаясь в печени, мешаетВ12синтезу гемоглобина;подавляет потребление О2 в митохондриях сердцаПотребность в специфических МоПодагра, отложения уратов, остеоферментахпорозМедленная переработка глюкозы CrКанцероген, вызывает изменения вклетках кровиМедленный рост, деформация Sn?зубовОбщие симптомы недомоганийNiИнгибирует некоторые окислительно-восстановительные ферментыДепрессия роста, избыточное VПодавление синтеза холестерина;окисление липидовингибирование более 13 ферментных системВлияние на ростPbОтложение в костях – «сатурнизм»Рахит,хрупкость костей, зубовСаОтложение в сосудах, атеросклерозСоли Со2+ способствуют накоплению некоторых других витаминов: пиридоксина, никотинамида, - которые положительно влияют на все виды обмена веществ: белковый, минеральный и углеводный.
Избыток Со подавляет функции щитовидной железы,так как влияет на содержание иода в её гормоне. Это проявляется в виде заболевания –26эндемического зоба, распространенного в регионах с повышенным содержанием кобальта в почве и питьевой воде. Интересно отметить, что ближайший аналог кобальта никель – считается нежелательным и даже опасным в биосфере. Однако, Ni (в не установленной до сих пор степени окисления) входит в активный центр фермента уреазы,ответственной за гидролиз мочевины, а также вместе с кофактором F-430 «помогает»бактериям-метаногенам восстанавливать группы СН3СО до метана.МедьЧеловек в сутки поглощает с пищей 2 – 3 мг меди, из которых усваивается всего30%.
В растительных и животных организмах медь находится в виде координационныхсоединений, причем в основном это медьсодержащие белки (табл. 6). Ферментов, содержащих медь в активном центре, насчитывается более 20, большинство из которыхоксидазы. Их биологическая роль связана с процессами гидроксилирования, окислительного катализа, переноса кислорода. Наиболее подробно изучена роль меди в ферменте цитохромоксидазе, который управляет реакциями типа О2 → Н2О, О2→ Н2О2, атакже очень важной для организма реакцией диспропорционирования О2- → О2- + Оо ,протекающей при участии фермента супероксиддисмутазы .
К белкам – переносчикамкислорода относится белок гемоцианин, который, в отличие от гемоглобина являетсявнешнеклеточным, что вообще характерно для Cu-содержащих белков (рис.9). Гемоцианин – олигомер, причем каждая мономерная единица содержит 2 атома меди, расположенных очень близко. Деоксигемоцианин бесцветен, но приобретает яркосинююокраску при связывании О2 .
В деоксигемоцианине атом Cu(I) имеет координационноечисло 3 и пирамидально координирует 3 остатка гистидина. После присоединения молекула О2 она образует 2 мостиковые связи, соединяя 2 атома меди. Спектральные исследования показывают, что при этом О2 восстанавливается до О22-. Остатки белка приэтом значительно сближаются, а атомы Cu приобретают координационное число 5, чтотипично уже только для Cu(П).5.4.4.ГемоцианинПластоцианин (окисленный)Рис.9.
Строение некоторых медьсодержащих белковПереносчиками электронов служат так называемые «синие» медные белки, содержащие и Cu(I), и Cu(П), и остатки тиолатных групп, имидазол и цистеин. В пластоцианинеи азурине присутствует плоский комплекс Cu(I) с координационным числом 3. При координации 4-го лиганда (обычно содержащего донорный атом серы) координационноечисло Cu(I) повышается до 4 в тетраэдрическом окружении.27В цитохром с оксидазе и N2O-редуктазе центр фермента представляет собой биядерныйкомплекс, в котором 2 атома Cu связаны через бидентатный остаток цистеина, причемкаждый атом Cu координирует гетероциклический атом азота имидазола .
При одноэлектронном окислении этой формы образуется пурпурный парамагнитный комплекс, вкотором неспаренный электрон принадлежит обоим атомам меди...5.4.5.ЦинкИоны Zn2+ образуют комплексы с лигандами с донорными атомами О и N. Цинквходит в состав активного центра в состав многих важных ферментов (табл. 6), в основном, катализирующих реакции гидролиза пептидов, коллагена, фосфолипидов и др.Цинк активирует фермент карбангидразу (рис.10), ответственную за гидратацию СО2 вбиожидкостях и перенос ионов Н+ к СО32-, что регулирует одну из важнейших буферных систем организма.Рис10.
КарбангидразаЦинк-содержащие ферменты образуют примечательные по своей форме «цинковые пальцы». Это происходит потому, что фрагменты ДНК образуют повторяющиесядомены, которые «складываются» около ионов цинка и возникают характерные складки – «пальцы» . В состав «пальцев» входят фрагменты типа (Cys)2(His)2, (Cys)3(His),(Cys)4 или тиолатные кластерные комплексы с мостиковыми остатками цистеина.Цинк нормализует сахарный обмен и необходим для нормальной секреции инсулина.
Отклонения содержания цинка от нормы (табл. 8) приводят к серьезным заболеваниям.Рис.11. Фрагмент ксантиноксидазы5.4.6 МолибденМолибден способен проявлять как различные степени окисления (+4, +5, +6), таки переменные координационные числа (4, 5, 6, 8). Поэтому биологическое действие Моразнообразно. Именно наличие Мо позволяет бобовым растениям усваивать атмосферный азот В организме животных Мо входит в состав окислительно-восстановительныхферментов (табл..6), в том числе ксантиноксидазы, участвующей в обмене пуринов ипереносе О2. При избытке Мо в почве он накапливается в организме, что способствует28активизации ксантиноксидазы (рис.11) и синтезу избыточного количества мочевой кислоты.В результате этого образуются кальциевые соли этой кислоты – ураты, которыеотлагаются в суставах, вызывая подагру.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
