Лигандообменные процессы в жизнедеятельностиПрактически все ионы d -элементов в условиях организма находятся в связанном состоянии, т.к. образуют комплексные соединения с различными биолигандами, в состав которых входят донорные атомы кислорода, азота, серы. Биокомплексообразователи:
Биолиганды:
Биокомплексные соединения значительно различаются по своей 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 физико-химическим параметрам элемент приводит к значительной или полной утрате физиологической активности. Примерами таких соединений являются гемоглобин (только кобальтовый аналог этого соединения обладает незначительной способностью связывать и переносить кислород), цитохромы, витамин В12, хлорофилл. С другой стороны, в организме есть весьма непрочные комплексные соединения, которые часто образуются только на то время, которое нужно для выполнения определенных функций (например, образование между ионом металла-активатором и ферментом комплексного соединения на период осуществления катализа). Специфичность металла в таких комплексах часто не ярко выражена, он может быть замещен на другой без потери физиологической активности. Например, в состав фермента карбоксипептидазы входит цинк, однако он может быть заменен на ионы кобальта(II), марганца(II), никеля(II). При этом получаются также активные карбоксипептидазы. К биокомплексным соединениям с невысокими значениями констант устойчивости можно отнести и такие, которые стабилизируют сложные структуры. Образование, например, металлполинуклеотидных комплексов стабилизирует двойную спираль ДНК. Комплексы с ДНК образуют двухзарядные ионы марганца, кобальта, железа, никеля. Они могут заменять друг друга. Одним из типичных комплексных соединений, отличающихся высокой устойчивостью и большой специфичностью роли металла, является гемоглобин. Гемоглобин, являясь слабой кислотой, входит в состав наиболее емкой буферной системы крови (рис. 6):
Рис. 7. Схема химических превращений гемоглобина при транспорте газов
В живых организмах в настоящее время известно много ферментов, в состав которых входят ионы металлов. Функции их в основном следующие: во-первых, являясь электрофильной группой активного центра фермента, ион металла облегчает взаимодействие с отрицательно заряженными (нуклеофильными) участками молекул субстрата (каталитическая функция как кислоты Льюиса). Во-вторых, ион металла формирует каталитически активную конформацию структуры фермента. В ряде случаев ионы металлов, которые могут находиться в переменных степенях окисления, участвуют в транспорте электронов. Понятие о металло-лигандном балансе
Для организма характерно поддержание на постоянном уровне не только концентрации ионов Н+ (рН), других ионов, но и концентрации веществ, участвующих в лигандообменных равновесиях. В организме постоянно происходит образование и разрушение жизненно необходимых биокомплексов [МбLб], которые состоят из «металлов жизни» (биометаллов Мб) и биолигандов (Lб). Нарушение металло-лигандного баланса возможно в ряде случаев: а) в организм поступают ионы-токсиканты из окружающей среды; наиболее опасны – ионы ртути, кадмия, таллия. Все они способны образовывать прочные комплексные соединения с биолигандами, серьезно нарушая параметры стационарного состояния; б) в организм поступают микроэлементы, необходимые для жизни, но в значительно больших количествах. Это может быть обусловлено особенностью биогеохимических провинций (например, для ряда территорий Узбекистана, Дагестана характерен избыток молибдена; для Урала – избыток никеля). Но чаще всего такая ситуация возникает в результате неразумной деятельности человека (например, в земле виноградников отмечается повышенная концентрация солей меди, которые используются для борьбы с болезнями винограда); в) нарушение металло-лигандного баланса возможно и в результате непоступления (или поступления в значительно меньших количествах) важнейших микроэлементов. Так при лейкемии, в организме в несколько раз падает концентрация цезия, при анемии нарушается равновесное состояние ионов железа и меди. В большинстве случаев это связано с особенностями биогеохимических провинций (например, в местах добычи нефти в Тюменской области – недостаток меди); г) нарушение концентраций ионов металлов возникает в результате связывания их в комплексы с попадающими извне токсичными лигандами. Например, многие средства химической защиты растений содержат в составе молекул донорные атомы (азот, сера, кислород, фосфор), которые способны координироваться ионами биометаллов; д) в ряде случаев в организме образуются лиганды, не свойственные ему в норме, так называемые «фальшивые» лиганды. Такое явление часто называют лигандной патологией. Например, при красной волчанке происходит «незапланированный» гидролиз пептидов, в результате которых образуются соединения, успешно конкурирующие с другими лигандами, в основном ферментами, за ионы меди. Связанные «фальшивыми» лигандами ионы меди не могут образовывать жизненно необходимые биокомплексы (конкуренция между «фальшивым» и настоящим биолигандом за ион). Химизм токсического действия ионов тяжелых металлов можно объяснить с точки зрения теории ЖМКО. Кислотами по Льюису являются частицы, содержащие атомы-акцепторы электронов, основаниями – атомы-доноры. В соответствии с этим ионы металлов (Al3+, Fe3+, Pb2+ и др.) являются кислотами. Оксид О2– и сульфид S2– рассматриваются как основания. Разберем некоторые положения теории «жестких» и «мягких» кислот и оснований (ЖМКО). Для «мягких» частиц характерно наличие достаточно большого радиуса и низкого заряда. Сочетание этих факторов обусловливает большую поляризуемость частицы. Для «жестких» частиц, наоборот, характерно наличие достаточно высокого заряда при небольшом размере. «Жесткие» частицы трудно поляризуются. Таким образом, по мере продвижения вниз по группе периодической системы для ионов одинаковых зарядов будет наблюдаться переход от «жестких» частиц к «мягким» (оксид-ион будет «жестким» основанием, а сульфид-ион – «мягким»; ион цинка – «жесткой» кислотой, ион ртути – «мягкой» кислотой и т.д.). «Мягкие» кислоты предпочтительней координируют «мягкие» основания, а «жесткие» кислоты – «жесткие» основания. В состав активных центров ферментов наряду с донорными атомами азота и кислорода («жесткие» основания) входят атомы серы («мягкое» основание). При попадании в организм ионов тяжелых металлов возникают совмещенные равновесия и, как следствие, конкуренция процессов. Ионы ртути, свинца, таллия являются «мягкими» кислотами, они образуют с атомами серы более прочные соединения, чем ионы биометаллов, представляющие собой более «жесткие» кислоты. Таким образом, возникает конкуренция за лиганд (-SH) между ионами микроэлементов и ионами металлов-токсикантов. Последние, выигрывая конкуренцию, блокируют активные центры ферментов и выключают их из управления метаболизмом. Тяжелые металлы часто называют тиоловыми ядами. При тех или иных отклонениях в металло-лигандном балансе организм включает защитные механизмы и со временем возвращает основные показатели к норме. Однако, в ряде случаев возникает необходимость в проведении фармакотерапии.
|
Fe(II) в составе миоглобина, гемоглобина, ферментов
Кислород
