Химические основы применения неорганических соединений d-элементов: общая характеристика

Глава 4,5 ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ d-ЭЛЕМЕНТОВ. МЕТАЛЛОФЕРМЕНТЫ

Вопросы к занятию

1. Химические основы применения неорганических соединений d-элементов: общая характеристика. Металлоферменты.

2. Химические основы применения неорганических соединений d-элементов: VI Б группа (Cr, Mo, W).

3. Химические основы применения неорганических соединений d-элементов: VII Б группа (Mn, Te).

4. Химические основы применения неорганических соединений d-элементов: VIII Б группа (подгруппа железа: Fe, Co, Ni; семейство платины: Pt).

5. Химические основы применения неорганических соединений d-элементов: I Б группа (Cu, Ag, Au).

6. Химические основы применения неорганических соединений d-элементов: II Б группа (Zn, Cd, Hg).

7. Неорганические соединения d-элементов в перечне ГФ.

Химические основы применения неорганических соединений d-элементов: общая характеристика

Необходимо отметить высокие комплексообразующие спо­собности d-элементов, которые обычно значительно выше, чем у s- и р-элементов. Более 1/3 всех микроэлементов организма составляют d-элементы. В организмах они существуют в виде комплекс­ных соединений или гидратированных ионов со средним вре­менем обмена гидратной оболочки от 10^–1 до 10^–10 с. Поэто­му можно утверждать, что «свободные» ионы металлов в ор­ганизме не существуют: это либо их гидраты, либо продукты гидролиза.

В биохимических реакциях d-элементы наиболее часто проявляют себя как металлы-комплексообразователи. Лигандами при этом выступают биологически активные вещества, как правило, органического характера или анионы неоргани­ческих кислот.

Рис. Схематическое изображение структуры биокластера рубредоксина (рубредоксин — белок, выделенный из ciostridium pasteurianum): Fe — железо (II, III), S — cepa(II); железо связано с четырьмя цистииовымн (Cys) атомами серы, его связевые облака имеют тетраэдрическую конфигурацию

Белковые молекулы образуют с d-элементами бионеорга­нические комплексы — кластеры или биокластеры. Ион ме­талла (металл-комплексообразователь) располагается внутри полости кластера, взаимодействуя с электроотрицательными атомами связывающих групп белка: гидроксильных (—ОН), сульфгидрильных (—SH), карбоксильных (—СООН) и ами­ногрупп белков (H₂N–). Для проникновения иона металла в полость кластера необходимо, чтобы диаметр иона был соиз­мерим с размером полости. Таким образом, природа регулирует формирование биокластеров с ионами d-элементов оп­ределенных размеров (схематически биокластер представлен на рис.).

Наиболее известные металлоферменты: карбоангидраза, ксантиноксидаза, сукцинатдегидрогеназа, цитохромы, рубре­доксин. Они представляют собой биокластеры, полости кото­рых образуют центры связывания субстратов с ионами ме­талла.

Биокластеры (белковые комплексы) выполняют различ­ные функции.

Транспортные белковые комплексы доставляют к органам кислород и необходимые элементы. Координация металла идет через кислород карбоксильных групп и азот амино-групп белка. При этом образуется устойчивое хелатное соединение:

В качестве координирующего металла выступают d-элементы (кобальт, никель, железо и др.). Пример железосодержаще­го транспортного белкового комплекса — трансферрин.

Другие биокластеры могут выполнять аккумуляторную (накопительную) роль — это железосодержащие белки: ге­моглобин, миоглобин, ферритин.

Биокомплексные соединения значительно различаются по устойчивости. Одни из них настолько прочны, что постоянно находятся в организме и выполняют определенную функцию. Роль металла в таких комплексах высокоспецифична: замена его даже на близкий по свойствам элемент приводит к значительной или полной утрате физиологической активности. Примерами таких соединений являются гемоглобин, витамины В12, хлорофилл и некоторые металлоферменты, например, цитохромы. В организме присутствуют и менее прочные комплексы, которые образуются только для выполнения определенных функций, после чего распадаются: например, образование между ионом металла и ферментом комплексного соединения на период осуществления катализа. Большинство таких ферментов обладают каталитической активностью, но без иона металла она будет ниже. Ионы металлов выполняют функцию активаторов. Специфичность металлов в этих комплексах не выражена. Он может быть заменен на другой металл без потери физиологической активности. К биологическим соединениям с невысокими значениями констант устойчивости можно отнести соединения, которые стабилизируют сложные структуры. Например, образование металлополинуклеотидных комплексов стабилизирует двойную спираль ДНК. Комплексы с ДНК (в основном с донорным атомом кислорода, фосфатных групп, частично с донорными атомами азота оснований) образуют двухзарядные ионы марганца, кобальта, железа и никеля. Они взаимозаменяемы. Промежуточное положение между этими двумя группами биокомплексов занимают диссоциирующие металлоферменты. Ионы металлов в этих комплексах выполняют функции кофактора. Например, карбоксипептидаза в отсутствии иона металла неактивна. Максимальная активность в присутствии иона цинка.

Итак, с повышением прочности комплекса повышается специфичность его биологического действия.

В живых организмах действует большое число ферментов, в состав которых входят ионы металлов, выполняющие следующие функции: 1) они являются электрофильной группой активного центра фермента и облегчают взаимодействие с отрицательно заряженными участками молекул субстрата, 2) ион металла формирует каталитически активную конформацию структуры фермента, 3) в ряде случаев ионы металла, которые могут находиться в переменных степенях окисления, участвует в транспорте электронов (многоядерные комплексы).

Концентрации ионов d–элементов в организме поддерживаются постоянными за счет существования механизма металлолигандного гомеостаза, основными звеньями которого являются: всасывание, распределение, транспорт, депонирование и элиминация. Параметры всасывания и элиминации в норме сбалансированы, т.е. при уменьшении поступления в организм того или иного микроэлемента уменьшается его выведение и наоборот. Для поддержания постоянной концентрации ионов металлов в организме существуют депонированные и транспортные формы. Например, железо в организме млекопитающих депонируется в составе ферритина – водорастворимого белка,в котором находится мицеллярное ядро неорганического соединения железа (III). В депонированной форме находится около 25% железа. Регуляция металлолигандного гомеостаза осуществляется с помощью нервной, эндокринной и иммунной систем. Комплексонаты переходных металлов обеспечивают сбалансированность минерального питания, активизируют метаболические процессы, интенсифицируют рост и развитие организма. Наибольшую близость в биологическом действии (процессах иммуногенеза, кроветворения, стимулирующем эффекте) показали комплексонаты, образованные ионами металлов в степени окисления +2, сходные по электронной структуре атомы. Это обусловливает неспецифичность в их биологическом действии поддерживается и активно проявляется в присутствии полидентатных лигандов – комплексонов. Комплексонаты, образованные ионом металла с более высокой степенью окисления, малым размером иона, более высоким сродством к электрону, обладают наиболее высоким стимулирующим эффектом. Для ионов переходных металлов в биологическом действии их комплексонатов характерно больше горизонтальное сходство, чем вертикальное в периодической системе Д.И.Менделеева в ряду Ti – Zn. По интенсивности их стимулирую щего действия на организм их можно расположить в следующий ряд: Ti⁴⁺ > Fe³⁺ > Cu²⁺ > Fe ²⁺

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: