Законы межэлементных взаимодействий

06 Августа в 0:58 1526 0


В реальной биологической системе (при pH >5) тот или иной элемент обязательно вступает во взаимодействие не только с имеющимися лигандами, но и с другими элементами и их комплексами. Поэтому рассмотрение судьбы отдельных элементов без умёта роли других, в первую очередь переходных металлов, всегда останется неполным и, значит, неверным. Существенное значение имеет величина константы устойчивости (Куст) комплекса (в моль/дм3)-", где п координационное число центрального атома. Определение логарифмов Куст октаэдрических комплексов с лигандом еn (этилендиамин) ряда переходных металлов 4 периода показало увеличение Куст слева направо. Аналогичная закономерность наблюдается для переходных металлов двух других периодов, а также для комплексов с другими лигандами (Фримантл, 1991).

Закон замещения, с увеличением номера группы металла в координационных соединениях (КС) с одинаковыми лигандами их Куст возрастает. Это значит, что левые переходные металлы каждого периода замещаются правыми в КС с одинаковыми лигандами. В случае высокомолекулярных биолигандов, которые образуют КС с несколькими атомами металлов (церулоплазмин, трансферрин, ферритин), Куст этих комплексов зависит от числа связанных атомов металла, степени насыщения биолигандов. Чем выше насыщенность белка металлом, тем ниже Куст. При изъятии первого атома металла у второго Куст ступенчато возрастает, причём значительно. То же наблюдается при последующей потере очередного атома - у каждого остающегося Куст заметно выше. Определение насыщения молекул трансферрина атомами Fe2+ имеет значение для диагностики ряда болезней, например, гемохроматоза, гипохромных анемий, талассемии. Заметим, что Куст КС возрастает при повышении степени окисленности иона металла, а также зависит от химической силы активных групп биолигандов, например, связь с CN сильнее, чем с ОН или Сl.

Из закона замещения, с учётом принципа обратных связей, вытекает несколько следствий. Первое: правые члены периода могут замещаться левыми при их избыточном поступлении в организм. Второе: неконтролируемый избыток какого-либо элемента вызывает дефицит метаболически взаимодействующих с ним элементов. Эти следствия проявляются в случае бесконтрольного избыточного поступления в организм металлов в лекарственных препаратах, или БАДах, или с пищевыми продуктами. Как крайний случай действия следствий закона замещения можно рассматривать изъятие необходимых металлов из активных центров ферментов или из других координированных структур веществами с активными лигандными группами, например, теми же лекарственными препаратами и БАДами, а также антигенами патогенных бактерий, грибков и вирусов или аутоантигенами при нарушении нормальных процессов метаболизма, в частности, при коллагеновых болезнях.

Материалы этой главы - попытка показать взаимодействие в метаболизме эссенциальных металлов в виде схемы (Мухин с соавт., 2005) (рис. 1).

Схема взаимодействия эссенциальных элементов

Рис. 1. Схема взаимодействия эссенциальных элементов

В основу было заложено ключевое понятие кибернетики — принцип обратной связи - во взаимодействии элементов, независимо от того, являются они антагонистами или синергистами. Ни одна система без обратной связи не способна к саморазвитию и самосовершенствованию. Этот принцип является неотъемлемым свойством всех живых систем. Усвоение и обмен любого элемента регулируются обменом одного или нескольких других, связанных с ним метаболически.

1. Са играет главную роль в процессах усвоения всех остальных элементов, выполняя структурные, нейромышечные, ферментативные и сигнальные функции. Поэтому его считают главным неорганическим посредником («внутриклеточным вторичным мессенджером») в метаболических процессах. В свою очередь концентрация Са в клетках регулируется йодсодержащим гормоном кальцитонином. В в виде Са-фруктобората повышает синтез коллагена и увеличивает поступление Са в кости и хрящи, благодаря чему его применяют для профилактики артритов и артрозов, при противовоспалительной терапии и для снятия отека.

Ещё раз выдающаяся роль Са была подтверждена присуждением Нобелевской премии по химии в 2008 г. О. Shimomura, М. Chalfie и R.Y. Tsien. Шимомура обнаружил, что биолюминесценция у медузы Aquorea victoria зависит от специфической люциферазы («экворина»), которая окисляет люциферин («целенторазин») в присутствии ионов Са2+ Возбуждённый экворин испускает квант синего света, который поглощается «зелёным флуоресцирующим белком GFP». GPF излучает поглощённый квант зелёным светом, освобождая при этом Са2+. При освещении не только синим светом, но и УФ, GFP испускает яркий зеленый свет. Чалфи придумал, как ген этого белка можно использовать в качестве метки для слежения за биологическими процессами, а Циен получил модификации GPF, светящиеся всеми цветами радуги, путём замены в нём разных аминокислотных остатков. Стало возможным метить разноцветными белками клетки разных типов и видеть их судьбу в разных процессах, таких как рост патогенных бактерий, раковых клеток или развитие в мозге болезни Альцхаймера.

2. Zn входит в состав большого количества важнейших ферментов и выполняет функцию главного неорганического гормона. На схеме отмечена роль Zn в синтезе селенопротеинов, поскольку они синтезируются с помощью цинксодержащих ДНК- и РНК-полимераз. Ключевая роль цинксодержащей ALA-синтазы в синтезе гема позволяет считать Zn регулятором обмена Fe. Этот случай может служить примером действия принципа ингибирования по обратной связи, так как экспрессия синтеза этого фермента тормозится гемом. В свою очередь активность цинксодержащих ферментов зависит от активности селенопротеинов, контролирующих синтез мРНК на пути синтеза НК-полимераз. Кроме того, усвоение и обмен Zn контролируются медью, связанной с цинком антагонистическими отношениями.

3. Se также регулирует обмен нескольких элементов, прежде всего йода, поскольку йодиназа — селенопротеин. Через I-содержащий гормон кальцитонин Se регулирует концентрацию Са. Кроме того, -содержащий фермент глутатионпероксидаза защищает клетки от свободных радикалов. Эти активные формы кислорода (АФК) образуются в результате работы дыхательной цепи, содержащей Fe и Си. В свою очередь, Se непосредственно подавляет усвоение F, который контролирует усвоение Fe. То есть, с одной стороны, Se стимулирует синтез гема, а с другой — через F подавляет усвоение Fe. Разнонаправленные процессы в метаболизме от, казалось бы, однозначно полезных элементов позволяют живой клетке очень тонко регулировать процессы метаболизма и МЛГ.

4. Fe - основной элемент, обеспечивающий энергетический обмен в клетках. Синтез гема и образование АТФ в процессе окислительного фосфорилирования зависят от нескольких элементов. Синтез гема контролируется Zn и Си, а также Со, который входит в состав витамина В12, и Se, поскольку селенопротеины определяют уровень метаболизма и защищают клетки от АФК. Усвоение Fe регулируется Са и F. Кроме того, синтез АТФ в дыхательной цепи регулируется I-содержащими тиреоидными гормонами.

5. I является обязательным структурным элементом тиреоидных гормонов. Роль таких гормонов в обмене веществ общеизвестна. Она затрагивает важнейшие процессы метаболизма, в частности, обеспечивает гомеостаз Са.

6. Mg и Мп активируют несколько важных ферментов, участвующих в синтезе белков, рецепторов, гема, АТФ. Свойства Mg объясняют его участие в процессах переноса фосфатных групп, в киназах, фосфатазах, во многих ферментах гликолиза и фоторецепции. Константы устойчивости его комплексов невысоки, поэтому в опытах in vitro необходимо вводить Mg2+ в раствор для активирования ферментов. В некоторой степени они могут быть заменены Мп2+ и Ni2+. В настоящее время Мп имеет значение в связи с детоксикацией свободных радикалов, в цикле мочевины в виде аргиназы и в процессах фотосинтетического окисления воды (в фотосистеме II).

7. V, Cr, Mo, W, являются переходными металлами, первые два из первого ряда, Мо - из второго, а W из третьего ряда. Последние три элемента могут заменять друг друга в некоторых процессах, в которых участвует Мо, например, в бактериальных нитрогеназах с кофактором FeMo. Они имеют промежуточные редокс-потенциальные свойства и способны участвовать в катализе гидроксилирования атомов С с Н2O, как источнике O2. Ферментные системы с Мо разделены на три семейства - ксантин-оксидазы, сульфит-оксидазы и ДМСО-оксидазы (DMSO), активные центры которых представлены Мо в окисленной (VI) или в восстановленной (IV) форме. Подобные ферменты с W встречаются в термофильных бактериях и в гипертермофильных архебактериях.

8. Ni и Со считаются эволюционными реликтами. В ранние периоды появления жизни, когда атмосфера планеты не имела кислорода, а состояла из метана, СО и Н2, эти металлы входили в состав ферментов, обеспечивающих метаболизм образовавшихся анаэробных бактерий. По сравнению с содержанием Zn, Fe, Си в плазме крови современных млекопитающих содержание отмеченных двух элементов почти на два порядка меньше. Их электронные свойства сходны с таковыми перечисленных переходных Зd-металлов и поэтому легко заменяются ими в процессах метаболизма. Сейчас роль Со связана с кобаламиновыми корриноидами и В12-зависимыми изомеразами и метилтрансферазами, некорриновыми Со-содержащими ферментами (метионинаминопептидаза, пролидаза, нитрил-гидратаза, глюкозо-изомераза), a Ni в связи с уреазой, гидрогеназой, СО-дегидрогеназой (CODH), ацетилСоА-синтазой (ACS) и никель-железными белками.

9. Щелочные металлы (Na, К) поглощаются клетками, как правило, с участием Mg-АТФ и эти процессы контролируются протеинами, координированными Са. Наличие одновалентных ионов снижает электростатическое отталкивание между фосфатными группами в НК, увеличивая температуру плавления ДНК. Большая часть К+ и Mg2+ оказывается связанной с рибосомами. С помощью ЯМР-спектроскопии выяснено, что моновалентные катионы оказываются связанными в центре G-квартетов теломеров в виде мультислойных структур изомеров. Они ингибируют активность теломеразы.

10. Аl и Ga имеют очень близкие размеры атомов (ионные радиусы, соответственно, 0,57 и 0,62?) и легко замещают друг друга. Аl является биологическим конкурентом Fe, Са, Mg, Р, опасен из-за кумулятивного накопления и быстрого разрушения ЦНС при превышении фракционного порога. Имеет отношение к болезням Паркинсона и Альцхаймера.

11. Эту схему следует дополнить примечанием, что все ионы металлов в «свободном» виде токсичны. «Свободный» в данном контексте означает состояние иона, не связанного с обычным для него биолигандом органической природы. Указанные и не указанные на схеме элементы оказывают биологическое действие, когда они связываются с биолигандами, образуя КС с определенными для каждого процесса Куст. Отмечено влияние на физиологические проявления элементов такие важнейшие физико-химические параметры, как их размер, заряд, энергия ионизации атомов, свойства электронов внешних орбиталей, спин изотопов, коэффициенты распределения (Кр) этих комплексов в цельной крови.

Схема отражает взаимодействие элементов в организме лишь приблизительно, поскольку не учитывает особенности биолигандов с характерными электронными свойствами, размерами и стереохимией. Показать все взаимодействия элементов с помощью двумерной картинки невозможно, для этого требуются иные изобразительные средства.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Похожие статьи
  • 20.07.2012 74636 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 19425 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 17287 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