Изомерия биолигандов и хелатирование

20 Июля в 23:02 2308 0


При обсуждении стереохимии металлорганических комплексных соединений важнейшую роль играет их изомерия — существование веществ с одинаковым составом, то есть обладающих одинаковой суммарной формулой, но различающихся по физическим и химическим свойствам.

Если изомеры отличаются порядком связи атомов, говорят о структурной изомерии. Примером могут служить цитрат и изоцитрат, отличающиеся положением группы -ОН (рис. 1).

Структурная изомерия

Рис. 1. Структурная изомерия

Другой формой изомерии является различное расположение заместителей относительно плоскости двойной связи (цис-транс-изомерия), особенно важное при обмене липидов. Если заместители расположены по разные стороны от этой плоскости, речь идет о транс-расположении. Если заместители располагаются по одну сторону от плоскости двойной связи, то говорят о цис-расположении. Примером этой формы изомерии можно назвать фумаровую кислоту — промежуточный продукт нитратного цикла, карбоксильные группы в которой располагаются в транс-положении, и ее цис-изомер малеиновую кислоту. Эти кислоты различаются температурами плавления и константами диссоциации, а преобразование одной в другую возможно лишь с помощью химических реакций (рис. 2).

Цис-транс-изомерия

Рис. 2. Цис-транс-изомерия

В природе встречается преимущественно цис-конформация. Например, в медицине применяют цис-изомер Pt, подавляющий рост раковых клеток, тогда как транс-изомер таким действием не обладает. Другой пример — изомеры октадеценовых кислот (18:1; 9). Цис-изомер с двойной связью между 9 и 10 атомами С называют олеиновой кислотой. Её молекула образует цепь из 18 метиленовых групп, которая в середине, после двойной связи, изогнута под углом примерно в 30°, то есть напоминает галочку с углом между «крыльями» примерно в 150°. Клетки печени используют эти молекулы для синтеза с помощью синтазы ЖК более ненасыщенных длинноцепочечных жирных кислот (ДЦЖК), например, 20:4 (арахидоновой кислоты). Затем ферментами типа циклооксигеназы и липооксигеназы такие ДЦЖК превращаются в мощные физиологические регуляторы — эйкозаноиды (от греч. eikos = 20): простагландины, простациклины, тромбоксаны, лейкотриены, липоксины. Часть эйкозаноидов встраивается в мембраны клеток, регулируя их жизнедеятельность и проницаемость.

Известно, что для получения пищевых жиров (например, маргаринов) растительные масла гидрогенируют, чтобы образовались полинасыщенные ЖК, например, пальмитиновая и стеариновая кислоты (16:0 и 18:0). При этом неизбежно образуется также заметное количество транс-изомеров исходных ЖК, в частности, элаиновая кислота (18:1; 9) и оба изомера вакценовой кислоты (18:1; 11). Кстати, последняя в небольших количествах встречается в природных животных жирах. Эти ЖК не опознаются синтазами ЖК, цикло- и липооксигеназами из-за необычной конфигурации. Транс-кислоты (элаиновая и вакценовая) не имеют изгиба после двойной связи, а цис-изомер (18:1; 11) кислота имеет неравные «крылья». Однако они включаются в мембраны клеток и внутриклеточных структур, нарушая их функционирование.

В результате потребления транс-изомеров ЖК повышается уровень липопротеинов низкой плотности (ЛПНП; «плохой холестерин») и триглицеридов, и одновременно снижается уровень липопротеинов высокой плотности (ЛПВП; «хороший холестерин»). Тем самым увеличивается риск развития ишемической болезни сердца и ожирения.

Транс-изомеры ЖК могут повреждать клетки мозга и периферической нервной системы, поскольку защитная оболочка нейронов (миелин) состоит из белка только на 30%, а на 70% — из ЖК, главным образом, олеиновой (цис-18:1; 9) и докогексаеновой (цис-22:6; 4, 7, 10, 13, 16, 19) кислот. Замена этих ЖК на транс-изомеры приводит к изменению электрической активности нейронов и их способности к передаче сигналов. Это приводит к нервному вырождению и снижению умственных способностей, что проявляется при рассеянном склерозе, болезнях Паркинсона и Альцгеймера.

Приведенные примеры показывают, что при оценке безопасности пищи или лекарств необходимо учитывать изомерию составляющих их компонентов. Поэтому, например, в США с 2006 г. на упаковках молочных продуктов и маргаринов обязательно указывают содержание транс-изомеров ЖК. (В составе жира грудного молока в среднем содержится около 7,2% трансизомеров ЖК из потребленных матерями частично гидрогенированных растительных жиров).

С другой стороны, транс-изомеры ЖК можно применять для лечения некоторых заболеваний. Например, по неподтвержденным сведениям, элаиновая кислота накапливается в мембранах опухолевых клеток и запускает в них процесс саморазрушения — апоптоз.

Третья форма изомеров — конформеры: изомеры, образующиеся благодаря свободному вращению вокруг простых связей. Например, янтарная кислота в растворах может иметь множество конформаций, в частности, такое же расположение атомов, как в фумаровой и малеиновой кислотах. Предпочтительной в данном случае является конформация, где карбоксильные группы из-за сильного отталкивания располагаются, как в фумаровой кислоте (соответственно транс-положению; рис. 3).

Конформеры

Рис. 3. Конформеры

В циклических структурах также возможны взаимные перемещения атомов, что приводит к их неплоскому расположению в молекуле. Шестичленные кольца наиболее часто принимают конформаций «кресла» и «ванны». Первая из них устойчивее, но вторая, будучи мономером в полисахаридах, усиливает способность последних к электростатическому связыванию ионов металлов из окружающей среды. Например, в составе альгината морской капусты d-маннуроновая кислота, состоящая из остатков d-маннозы в конформаций «кресла», представлена простыми цепочками полимера. При этом остатки карбоксильных групп нейтрализованы ионами металлов. В то же время l-гулуроновая кислота, спонтанно образующаяся из d-маннуроновой, содержит участки, образованные мономером в конформаций ванны. Это приводит к образованию в цепочке полимера «мешочков», состоящих из 5 остатков мономера, в которых ионы металлов задерживаются активнее, чем при нейтрализации кислотных остатков, образуя слабые комплексы с гидроксильными группами Сахаров. Таким образом, они защищаются от вымывания физически (рис. 4).

Структура d-маннуроновой и l-гулуроновой кислот

Рис. 4. Структура d-маннуроновой и l-гулуроновой кислот

Аналогичные свойства описаны и у макромолекул. Белки и нуклеиновые кислоты (НК) характеризуются определенными конформациями, стабилизированными внутримолекулярными взаимодействиями.

Очень большую роль в живой природе играет хиральная (от греч. cheir — рука) изомерия, возникающая в случае наличия в молекуле асимметрического атома углерода, то есть атома с четырьмя различными заместителями. Это приводит к образованию структур, которые нельзя совместить из-за зеркальной изомерии, как две руки одного человека.

Подобные оптические стереоизомеры называются также энантиомерами. Атомы в таких молекулах соединяются у разных изомеров одинаково, но в пространстве располагаются различным образом, то есть имеют разную конформацию. Критерием хиральности является невозможность одновременного существования у молекулы центра и плоскостей симметрии. Чаще всего энантиомеры называют «L- и D-формами». Они имеют очень близкие химические свойства, но вращают плоскость поляризованного света в противоположных направлениях, то есть обладают оптической активностью (рис. 5).

Хиральная изомерия

Рис. 5. Хиральная изомерия

Вещества в живых организмах состоят из оптически активных молекул одной конфигурации, а именно, L-изомеров аминокислот и D-изомеров углеводов. Отсутствие правых белков и левых Сахаров в живой природе называют «гомохиральностъю жизни». Кроме того, в живой природе отмечено абсолютное преобладание цис-изомеров жирных кислот. Значение такой диссимметрии (синтеза веществ в живой природе только из одного вида оптических изомеров) подчеркивается фактом, что такие же вещества, но синтезированные из энантиомеров другой конфигурации, являются для большинства животных ядами.

Возможно, отмеченное в живой материи предпочтение лишь одного стереоизомера объясняется тем, что молекулы именно такой конформации легко образуют координационные металлорганические соединения — хелатные структуры. Как уже сказано выше, так называют комплексное соединение, образующееся при присоединении двух донорных атомов одного лиганда к одному и тому же иону металла с образованием цикла — хелата.

Хелаты обладают, как правило, координационной, или донорно-акцепторной, связью. Наиболее устойчивы 5- и 6-членные хелаты. При большем или меньшем числе членов хелаты неустойчивы.

В живой природе хелаты образуются вследствие хелатного аффекта — энергетически выгодного изменения энтропии, не требующего от живой клетки затрат энергии. Образование или распад хелата зависят от константы устойчивости образовавшейся молекулы, координационного числа иона металла, стереохимии комплекса, а также от присутствия других лигандов с другими электроннодонорными свойствами.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Похожие статьи
  • 20.07.2012 73926 44
    Типы химических связей

    Каждый атом обладает некоторым числом электронов. Вступая в химические реакции, атомы отдают, приобретают, либо обобществляют электроны, достигая наиболее устойчивой электронной конфигурации. Наиболее устойчивой оказывается конфигурация с наиболее низкой энергией (как в атомах благородных газов&...

    Бионеорганика
  • 21.07.2012 19320 16
    Ионные насосы

    Ионными насосами называют молекулярные механизмы, локализованные в мембране и способные транспортировать вещества за счет энергии, высвобождаемой при расщеплении АТФ, или любого другого вида энергии.

    Бионеорганика
  • 19.06.2012 17111 20
    1 группа (1А подгруппа) — щелочные металлы (главная группа)

    В нее входят Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (табл. 1 и 2). По многим химическим свойствам несколько отличается от других щелочных металлов Li+, имеющий диагональное сходство с Mg2+.

    Бионеорганика
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы