Юрин - Основы ксенобиологии - 2001 (947302), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Не исключено, что при последующем распаде хелатобразованного комплекса составляющие его агенты окажутся также ксенобиотиком для определенных организмов. В последнем случае эти чужеродные соединения подвергнутся метаболическим превращениям (в случае органических ксенобиотиков). Рассмотрим примеры трансформации неорганических соединений. 7.1. Металлы в живой клетке Живые организмы нуждаются в катионах металлов, обеспечивающих протекание многих жизненно важных процессов. Более того, многие из этих металлов необходимы для всех форм жизни. К ним относятся' а) тяжелые металлы (кобальт, медь, железо, марганец, молибден, цинк и в меньших количествах хром, ванадий, никель и свинец); б) легкие металлы, обычно встречающиеся в большом количестве (кальций, магний, калий и натрий).
Медь, железо, молибден, кобальт и иногда марганец принимают участие в окислительно-восстановительных процессах; действие цинка, магния и марганца связано с процессами гидролиза и переноса групп; кальций играет наиболее важную роль при создании гибких или жестких структур, а также может инициировать реакцию, вызывая повидимому, структурные изменения (подобное действие иногда проявляет и магний), является вторичным мессенджером. Натрий и калий, благодаря их распространенности, служат переносчиками заряда; они очень слабо связываются и поэтому могут быстро обмениваться.
Когда речь идет о тяжелых металлах, то многие из них необходимы в следовых количествах. Повышенные же их концентрации в организме вызывают токсические эффекты. Токсическое действие чужеродных металлов часто обусловлено антагонизмом катионов. Так, например, свинец — известный нейротоксин, вытесняет кальций из некоторых отделов нервной системы и тем самым препятствует выделению нейромедиаторов. В 19бО г. широко распространившееся загрязнение восточного побережья Японии кадмием в сочетании с низким уровнем поглощения кальция привело к развитию у людей мучительной болезни — одной нз разновидностей остеомиелита. Выяснилось, что причина этого заболевания — антагонизм кадмия и кальция. С другой стороны, известны случаи синергического действия металлов.
Например, показано, что внесение отдельных металлов в концентрациях, соответствующих предельно-допустимым (Канада, США), в культуру водорослей хлорелла, сценедесмус и других не влияло на рост клеток, тогда как их смесь сильно подавляла рост, даже при более низких концентрациях. Число таких примеров достаточно велико. Относительно концентрационных эффектов металлов следует подчеркнуть, что реакция (р) организма на тяжелые металлы является двухфазной (рис 7.1). Если организм получает слишком мало металлов, ему наносится тяжелый ущерб.
Это объясняется тем, что в организме содержится множество ферментов, которые могут функционировать только в присутствии тяжелых металлов, хотя бы в следовых количествах. Однако если организм получает слишком много металла, то наступает вторая фаза, связанная с токсическим действием избыточного количества.
Рис. 7.! . Реакция организма на дейетане тяжелых метал лоа 153 7.2. Образование хелатных комплексов Известно много веществ (лигандов), способных связываться с металлами. Они часто образуют с ними хелатные соединения. Если металл оказывается заключенным в лиганде между такими элементами, как Х, О или Б, то образуется хелатное кольцо. В зависимости от количества вступивших во взаимодействие атомов металлов и лиганд могут образовываться комплексы 1:1, 1:2 и др.
Рассмотрим три основных вида лигандов, образующих одно кольцо в комплексе 1;1 (бидентатные лиганды). На рис. 7.2 представлены три основных типа хелатных соединений. Сиз' Н Х вЂ” Снт-Снг-Хнз зтилендиамил) Н~Х снт соз (глицин-аныои) ОзС-СОз (аниои щавелевой кислоты) Н НСГ1 Ъ Сн ' НС Нз н,с ~1Ч~~ Си ОС / ОС Рис. 7.2. три основных типа комплексов (стехиометрия ц Н Стрелки в кольце показывают направление смещения в норме неподеленной пары электронов от атомов О, И или $ к металлу При содержании двух электронодонорных групп заряд катиона металла при образовании хелатного соединения не меняется (этилендиамин). Лиганды могут содержать также одну электронодонорную и одну анионную группы, как в глицине. В этом случае заряд металла уменьшается на единицу. И наконец, лиганд может содержать две ани- 154 Примером такой двухфазной реакции может служить действие меди на овес: как избыточное, так и недостаточное количество этого металла наносит вред процессам его роста и развития (см.
рис. 7.1). Рост микроорганизмов также часто зависит от концентрации одного или нескольких катионов металлов в питательной среде: следует избегать как избыточных, так и недостаточных концентраций, так как в любом случае рост будет заторможен. онные группы (например, щавелевая кислота), в этом случае заряд металла уменьшается на две единицы. Образование хелатных связей атомами кислорода н азота происходит обычно лишь в тех случаях, когда при этом получаются пяти- и шестичленные циклы. Пятнчленные циклы значительно стабильнее. Однако при образовании хелатных связей через серу возникают устойчивые четырехчленные циклы (рис.
7.3). (Ме)з)ч — С = Б Я вЂ” Сп Рис. 7.3. Комплекс медь-диметилдитиокарбамат Комплексы в соотношении 2:1 могут образовываться в присутствии избытка лигандов. Лиганды типа щавелевой кислоты используют заряд для образования комплексов 1:1, однако они могут соединяться в дальнейшем с комплексом этилендиаминового типа, образуя смешанные комплексы. Комплексы 1:1 глицинового типа способны соединятъся с другими лигандами этого типа.
Комплекс 1:1, образованный лигандами, подобными этиленднамину, может соединяться с любым из трех типов лигандОВ. Для оценки прочности связей (варьирующейся в широких пределах для разных комплексов) применяют константы устойчивости, характеризующие равновесие между одним нли несколькими лигандамн н одним ионом металла, подчиняющееся закону действия масс. Так, для комплекса в соотношении 1:1 константа устойчивости (6) рассчитывается следующим образом.
[МеХ) е= (7.1) !МеЦХ) где в числителе находится концентрация комплекса, а в знаменателе— концентрация образующих его компонентов. Часто необходимо знать общую константу устойчивости (Р), представляющую собой произведение частных констант, Произведение двух частных констант обозначают как ~3з (Рз = ОРОз в случае соединения катиона металла с двумя молекулами лиганда, с тремя молекулами — 13з= =6РОз. йз и т д.). Константы устойчивости обычно определяют потенциометрическим титрованием лигандов в присутствии или отсутствии металла и обработкой результатов посредством довольно сложных вычислений.
Следует подчеркнуть, что понятие «лиганд» относится не ко всем присугствующим в системе молекулам органического соединения, а 155 только к части, находящейся в соответствующей форме, которая может связывать катион металла. В случае этилендиамина, глицина и щавелевой кислоты лигандами могут служить ненонизированные молекулы, моно- и дианионы соответственно. Поэтому, если при сравнении относительной реакционной способности лигандов при физиологических условиях пользуются константами устойчивости, необходимо учитывать и значения рК, лигандов.
По сравнению с ферментами, обладающими высокой специфичностью в отношении определенного металла, среди синтетических металлосвязывающих агентов подобная избирательность встречается значительно реже. Металлы по своему сродству к большинству хелатирующих агентов располагаются примерно в следующем порядке (от наибольшего сродства к наименьшему): Ге'+, Нц'+, Си'+, Д!', ХР', РЬ', Со", Уп", Ге'+, СД', Мп', Мд'+, Са", Некоторые из приведенных двухвалентных металлов расположены друг за другом в периодической системе следующим образом (в скобках указаны атомные номера): Мп (25), Ге (26), Со (27), И1 (23), Сц (29), Уп (30). В этом ряду, называемом первым рядом переходных элементов, сродство к хелатирующим агентам последовательно увеличивается, достигая максимума у меди (Си~').
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
