Специфические особенности бионеорганики

15 Июня в 18:58 2892 0


Как ясно из сказанного, к бионеорганике относятся многие достижения химических дисциплин, ранее относимых, в частности, к неорганической химии. В первую очередь это касается координационной химии (КХ) — одного из ключевых разделов химии, необходимого для понимания механизмов обмена веществ и поддержания металл-лигандного гомеостаза в норме и патологии, а также для поиска способов исправления этих нарушений. Первостепенная роль принципов КХ для медицинской бионеорганики вытекает из отмеченного выше отсутствия в организме при физиологических условиях свободных ионов металлов.

Большое значение имеют данные элементологии. Химические элементы можно сравнить с кирпичами, из которых по законам высшего порядка создается здание организма. Однако даже доскональное знание элементов и их свойств не позволяет объяснить ни механизмов их взаимодействия, ни структуры и функций образуемых молекул. Элементология и бионеорганика соотносятся друг с другом примерно как химия и биология в формулировке А. Ленинджера: в биологии работает система принципов молекулярной логики живого, которой нет в химии.

Метаболическое значение, свойства и функции комплексных соединений с занимающими центральное положение ионами металлов невозможно понять без анализа структуры лигандов. Рассмотрим роль металла в биологической системе на примере комплексов с порфириновым кольцом и различными боковыми цепями. Если центральным атомом является Fe, образуется красный гем (рис. 1, 2) — основной переносчик О2 в крови и регулятор кислотно-основного равновесия у большинства животных.

Гем А

Рис. 1. Гем А (ферропротопорфирин, цитогем)

Строение гема

Рис. 2. Строение гема

Гем является обязательным компонентом гемоглобина, миоглобина, цитохромов и ряда важнейших окислительных ферментов (пероксидазы, каталазы). При этом в молекулах гемо- и миоглобина, обеспечивающих перенос лигандов, в частности, кислорода, Fe всегда двухвалентен, тогда как в цито-хромах, функция которых заключается в переносе электронов, Fe, исходно трехвалентный, обратимо меняет валентность [Fe(III) — Fe(II) — Fe(IV)].

Если центральным атомом порфиринового кольца оказывается Си, образуется синий гемоцианин (рис. 3).

Гемоцианин

Рис. 3. Гемоцианин

В крови некоторых беспозвоночных он обеспечивает те же транспортные функции, что и гемоглобин в крови млекопитающих. Однако, поскольку валентность Си может изменяться только от +1 до +2, кислородная ёмкость (выносливость) гемоцианина у низших организмов оказывается ниже, чем гема у высших организмов. Атом Си непосредственно связан с белком.

С Mg порфириновое кольцо (с дополнительным остатком изопреноидно-го спирта фитола) образует зеленый хлорофилл (рис. 4, 5).

Хлорофиллы

Рис. 4. Хлорофиллы а и b.

Фитол

Рис. 5. Фитол (линейный терпеноидный спирт из 4 изопреновых блоков)

Хлорофилл содержится только в фотосинтезирующих растениях, где обеспечивает синтез органических веществ, попутно обогащая атмосферу кислородом. Этот пигмент не образует комплексов с белками, а обеспечивает улавливание световой энергии, возбуждение электрона реакционного центра в синглетное состояние и немедленный перенос возбужденного электрона на соседний феофитин (хлорофилл без Mg2+). Образовавшаяся в реакционном центре электронная дыра заполняется электроном, который отнимается от воды водорасщепляющим ферментом. Возбужденный электрон участвует в цепи восстановления молекул СО2. Процесс продолжается, пока поглощается свет.

С ионом Со корриновое кольцо (отличается от порфирина отсутствием метинового мостика в одной из четырех связей между пиррольными кольцами) образует слабо желтый цианкобаламин (витамин В12) (рис. 6).

Цианкобаламин

Рис. 6. Цианкобаламин (витамин В и, а-(5,6-диметилбензимидазолил) цианкобамид)

Он синтезируется микроорганизмами, обитающими в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) животных, и легко усваивается слизистой желудка в присутствии эндогенного гликопротеина — мукопротеинового «внутреннего фактора».

Витамин В12 играет важную роль в различных метаболических процессах. Он необходим для реакций трансметилирования, в частности, для синтеза высокоэргического креатинфосфата, а также:

•для восстановления рибонуклеотидов до дезоксирибонуклеотидов, то есть для синтеза ДНК;

• для конверсии метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА (промежуточный метаболит нитратного цикла), то есть для процессов разрушения жирных кислот (ЖК) с нечетным числом атомов углерода и глюкоиеогенеза — превращения деградированной ЖК в глюкозу. Сукцинил-КоА необходим для синтеза порсриринов и гема;

• для биосинтеза метиопина из гомоцистеина, то есть для получения незаменимой серосодержащей аминокислоты, из которой может образоваться цистеин.

Авитаминоз (недостаточность витамина) В12 может проявляться перпициозной (злокачественной) анемией.

Последний пример напоминает, что человек является симбионтным существом, и нормальная жизнедеятельность организма возможна только при благоприятных условиях не только для него, но и для обитающих в нем полезных микробов. При чрезмерном потреблении антибиотиков может развиться дисбактериоз, вызывающий в числе прочих осложнений и авитаминоз В12.

Вышеприведенные примеры показывают, что функции биолигандов нельзя предвидеть, исходя только из структуры молекул. С другой стороны, если в описанных комплексах заменить ионы металлов, функция этих комплексов теряется, что также невозможно объяснить с точки зрения элементологии, поскольку при этом незначительное с точки зрения элементного состава изменение стереохимии молекулы биолигандов от того или иного бокового заместителя приобретает решающее значение.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Похожие статьи
  • 20.07.2012 74222 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 19372 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 17181 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