Комплексные соединения биолигандов

20 Июля в 23:23 3312 0


В физиологических условиях металлы находятся в комплексе с присутствующими лигандами. Например, щелочные металлы — с водой и имеющимися анионами. Комплексное состояние, особенно в виде хелатных внутрикомплексных соединений (ВКС), оказывается для металлов термодинамически наиболее выгодным. То есть причина перехода металла в комплекс примерно та же, что и, например, реакции нейтрализации: из Н+ и ОН образуется энергетически более выгодное соединение — недиссоциированная вода.

Комплексы обладают рядом преимуществ: 1) Атом металла находится не в ионной форме; 2) Наличие циклической группировки придает ему устойчивость, так что в растворе металл не гидролизуется. Например, в гликоляте Си ион металла не обнаруживается характерной реакцией с H2S, изменяется и специфическая окраска иона; 3) У образующихся соединений способность растворяться в воде резко снижается, вплоть до полного исчезновения, и наоборот, появляется способность растворяться в неполярных органических растворителях; 4) Многие ВКС становятся летучими, но при термической обработке не разлагаются.

Поскольку все ВКС являются металлоциклами, причина их спонтанного образования связана с химической прочностью ВКС различной структуры и конфигурации. Для биологии чрезвычайно важно, что при образовании хелатов проницаемость биомембран значительно изменяется, после чего его компоненты могут вовлекаться в процессы метаболизма.

Металлопротеины и металлоферменты

Белки выполняют чрезвычайно разнообразные функции: катализируют химические реакции в виде ферментов; выступают в качестве структурных элементов, в том числе в виде прионов, способных передавать свою инфекционную структуру по наследству без участия НК; входят в состав сократительных систем и рецепторов; служат запасными питательными веществами и средством транспорта различных веществ; играют роль гормонов, обеспечивают защиту организма в виде иммуноглобулинов-антител при поступлении в организм антигенов — также в большинстве случаев белков. При этом гомологичные белки специфичны для определенных видов живых существ, и их первичная структура определяется кодом ДНК.

Напомним, что протеинами называют белковые молекулы, состоящие только из аминокислот. Условно принятый нижний предел молекулярной массы (М) белка составляет 6000 Дальтон при средней М одного аминокислотного остатка 120 Дальтон (то есть молекула белка состоит минимум из 50 аминокислот).

Комплексные соединения белков с металлами (металлопротеины) выполняют разнообразные функции. В транспортных или запасающих металлы белках связь белок-металл обычно слабая. Наиболее известны из них Fe-coдержащие трансферрин и ферритин, а также Сu-содержащий церулоплазмин. Помимо транспортных функций, эти белки участвуют в функционировании антиоксидантной системы организма (АОС). Очень прочны связи белок-металл в молекулах ферментов. При изъятии из них металлов ферментативные функции или исчезают, или резко снижаются. В табл. 1 приведены примеры некоторых протеинов (Ленинджер, 1974).

Таблица 1. Примеры протеинов

Класс

Простетическая группа

Приблизительное содержание (групп/молекулу белка)

Нуклеопротеины

Рибосомы

Вирус табачной мозаики

РНК

РНК

50-60

5

Липопротеины

β-Липопротеиды плазмы

Фосфолипиды, холестерин, нейтральные липиды

79

Гликопротеины

γ-Глобулин

Орозомукоид плазмы

Гексозамин, галактоза, манноза, сиаловая кислота

Галактоза, манноза, N-ацетилгалактозамин, N-ацетилнейраминовая кислота

2

40

Фосфопротеииы

Казеин молока

Фосфатная группа, связанная сложноэфирной связью с остатком серина

4

Гемопротеииы

Гемоглобин

Цитохром с

Железопротопорфирин

То же

4

4

Флавопротеины

Сукцинатдегидрогеназа

Оксидаза D-аминокислот

Флавиннуклеотид

То же

2

2

Металлопротеины

Ферритин

Тирозиноксидаза

Алкогольдегидрогеназа

Fe(OH)3,

Сu

Zn

23

2

3

Молекула белка любого типа в нативном состоянии обладает характерной именно для нее пространственной структурой (конформацией). В зависимости от неё белки подразделяют на два основных класса: фибриллярные (составляющие структурные элементы соединительной ткани — коллаген, кератин, эластин) и глобулярные (выполняющие динамические функции — ферменты, антитела, некоторые гормоны, транспортные белки).

Как правило, фибриллярные белки нерастворимы в воде и в слабых солевых растворах и образуют длинные волокна или слои, расположенные вдоль одной оси. Напротив, глобулярные белки растворимы в воде и легко диффундируют. Помимо них, имеется промежуточная разновидность белков, которая состоит из длинных палочковидных структур, но растворима в водных солевых растворах, например, белки миозин (структурный компонент мышц) и фибриноген (предшественник фибрина — основного компонента кровяного сгустка).

В организме содержится несколько десятков тысяч белков. Важно знать влияние металлов на конформацию образуемых металлопротеинов и соответствующее изменение функций такого комплекса. В зависимости от природы металла вторичная (тип укладки полипептидных цепей) и третичная (образование плотно упакованной конфигурации глобулярных белков) структуры могут нарушаться, что может изменять четвертичную (надмолекулярную, ковалентно не связанную) структуру белка. Примером белка с четвертичной структурой — олигомерного, состоящего из четырех протомеров — является гемоглобин (2 идентичные α-цепи и 2 идентичные β-цепи). α- и β-цепи молекулы гемоглобина имеют сходные конформации в виде 8 α-спиралей, но различаются аминокислотной последовательностью. В центре каждой находится гем (с Fe2+). Все они плотно уложены с образованием единой стабильной молекулярной структуры, которая способна выполнять свои функции только в едином комплексе.

Число протомеров в подобном белке может достигать нескольких тысяч. Например, в частице вируса табачной мозаики содержится около 2200 пептидных цепей. Нарушение конформации белковой молекулы, как правило, значительно изменяет функцию металлофермента и метаболизм в клетке, ткани, организме в целом (табл. 2).

Таблица 2. Некоторые металлопротеины в организме человека

Металл

Комплекс

Функция

Fe2- или Fe3-

Гем

Гемин

Перенос лигандов (О2, СO2)

Перенос электронов

Цитохромы

Перенос электронов в дыхательной цепи

Пероксидаза

Каталаза

Сукцинатдегидрогеназа (негеминовый белок)

Ферритин (апоферритин)

Альдегидоксидаза (в печени, требует Мо2+)

Трансферрин

Лактоферрии (гликопротеид)

Ксантиноксидаза

НАДН-дегидрогеиаза

Ферредоксин

Окисление Н2O2

то же

Флавопротеид в ЦТК, отщепляющий 2 транс-атома H у сукцината с образованием фумарата

Депо Fe2+ (<12 мкг/л = отсутствие запасов металла в организме)

Окисляет этаналь (ацетальдегид) до ацетата

Транспорт Fe2- (белок плазмы крови)

При хроническом панкреатите повышается его содержание в соке двенадцатиперстной кишки

Кофакторы Мо и ФАД, акцептор – О2

Фермент I и II комплексов ДЦ, переносит электроны через ФМН и Fe/S-центры на переносчик — убихинон с образованием убигидрохинона QH2

Содержит негеминовое Fe, участвует как восстановитель в процессе фиксации азота.

Zn2+

ДНК, РНК-нолимеразы

АЛА-синтаза

Алкогольдегидрогеназа (в печени)

Карбоангидраза (карбонат-дегидратаза)

Аминопептидазы

Карбоксииептидазы

Дипептидаза

α-Амилаза

β-Амилаза Металлотионеин

Нейтральные протеазы (протеиназы):

Сериновые (трипсин, энтеропептидаза, химотрипсин, эластаза, факторы свертывания крови, плазмин)

Цистеиновые (папаин)

Дегидрогеназы-редуктазы (глютамин-, лактат-)

Альдолаза

Лейцинаминопептидаза

Фоефолипаза

Щелочная фосфатаза

Репликация ДНК и РНК в направлении 3' —> 5'

Сукцинил-КоА + глицин - СООН ↔ 5-аминолевулинат (синтез тетрагидропиррольных колец)

Окисляет этанол до этаналя (ацетальдегида)

Гидратирование СО2 в обкладочных клетках стенок желудка

Экзопептидаза, гидролизует пептиды с N-конца

Экзопептидаза, гидролизует пептиды с С-конца

Экзопептидаза, расщепляет только дипептиды

Гидролизует α(1→4) связи амилозы до глюкозы и мальтозы

Гидролизует те же связи до мальтозы

Белок печени, богатый цистеином, удаляет избыток Сd2+, Си2+, Hg2+, Zn2+. Эти ионы индуцируют синтез белка.

Эндопептидаза, гидролизует пептидную связь внутри пептидной цепи. Классифицируются по механизму реакции (сериновые, цистеиновые и т.д. в активном центре).

Расщепляет иммуноглобулины на 2 Fab-фрагмента и 1 Fc-фрагмент

Действуют на СН-ОН группы донора, переносят восстановительные эквиваленты в реакции, где субстратом вещества в скобках (глютамин или лактат)

Расщепляет фруктозо-1,6-дифосфат на 2 С3-фрагмснта

Экзопептидаза, гидролизует NH2-концевые остатки большинства аминокислот в ЖКТ

Фермент поджелудочной железы, гидролизует липиды в ЖКТ, для чего требуются соли желчных кислот

Мембранный фермент. Отщепляет Ра при гидролизе связи Р-O в процессе заякоривания белков, содержащих на С-конце гликозилированный фосфатидилинозит (ГФИ)

Си2+ или Си+

Гемоцианин

Тирозиназа

Цитохромоксндаза

Лизилоксидаза (протеин-лизин-6-оксидаза)

Церулоплазмин

Купреины (митохондрий эритроцитов, гепатоцитов, нейронов)

Лактаза

Переносит лиганды O2 и СО2 в крови ряда беспозвоночных

Расщепляет тирозин на пути синтеза ацетил-КоА и включения атомов С в ЦТК

Последний фермент в ДЦ, окисляемый О2

Окисление ε-остатков лизина в микрофибриллах коллагена с образованием альдегидных групп и их конденсация с образованием внутри- и межмолекулярных поперечных связей

Перенос и депо Си в крови

Медьсодержащие белки в эритроцитах, тканях печени, мозга

Гидролизует в ЖКТ лактозу молока до D-галактозы и D-глюкозы. С возрастом синтез фермента снижается

Мп2+

Аргиназа

Фосфотрансфсразы (киназы) — требуют Mg2+

Пируваткарбоксилаза (требует Mg2+ и биотин)

Фермент цикла мочевины в печени, гидролизующий аргинин через изомочевину в мочевину и орнитин

Переносят фосфатную группу на разные акцепторные группы

Фермент ЦТК в митохондриях печени. Из пирувата и СО2 за счет АТФ образует оксалоацетат, АДФ и Ра

Mg2+

Фосфогидролазы

Аденилатциклаза


Гуанилатциклаза

Катализируют гидролиз моноэфиров фосфата

Фермент плазматической мембраны. Катализирует синтез 3',5'-циклоАМФ из АТФ при повышении содержания адреналина (в мышцах и печени) и глюкагона (в печени)

То же в механизме зрительного восприятия и передаче сигналов в клетку с помощью G-белков — рецепторов третьего типа

К+

Пируватфосфокиназа (требует Mg2+)

Фермент, переносящий Ра из фосфоеиолпирувата после расщепления глюкозы на АДФ с образованием АТФ

Na+

K/Na обменивающая

АТФаза (требует К+ и Mg2+)

Гликопротеины плазматической мембраны

Осуществляют АТФ-зависимый активный транспорт ионов против концентрационного градиента для поддержания неравновесного распределения Na+ и К+ между живой клеткой и средой

Са2+

Амилаза (требует Zn2+)

Гидролиз амилозы до глюкозы и мальтозы

В металлоферментах ион металла выполняет одну из двух возможных функций. Во-первых, он может служить мостиком, связывающим фермент с субстратом благодаря образованию координационного комплекса. Во-вторых, он может непосредственно выполнять каталитическую функцию, как например, это происходит в ферментах, разлагающих перекись водорода, в которых ион Fe2+ («ферро») или Fe3+ («ферри») играет роль каталитического центра. Эта способность имеется и у простых солей железа, но во много раз более слабая.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Похожие статьи
  • 20.07.2012 73651 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 19250 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 17042 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