Реферат: Бионеорганическая химия

--PAGE_BREAK--Состав и строение природных ионофоров, упрощенными моделями которых являются краун-эфиры и криптаты, сложны и многообразны.
Понятно поэтому, что в биосистемах может быть достигнута высокая селективность действия макроциклических лигандов, это и определяет их «узкую специализацию» в процессах метаболизма.
Биополимеры, на основе которых строится комплексообразование в биологических системах
Наиболее важными биополимерами, обеспечивающими процессы обмена веществ в животных и растительных организмах, в том числе процессы, протекающие с участием комплексных соединений металлов, являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты.
<imagedata src=«41448.files/image023.png» o: cropbottom=«38373f»><img width=«543» height=«158» src=«dopb200001.zip» v:shapes="_x0000_i1036">
Среди полисахаридов наибольшее значение имеют крахмал, гликоген и целлюлоза. Основным звеном в построении полимерных цепей полисахаридов являются остатки D-глюкозы. Нециклическая D-глюкоза легко циклизуется, образуя две равновесные формы:
<imagedata src=«41448.files/image025.jpg» o:><img width=«104» height=«95» src=«dopb200002.zip» v:shapes="_x0000_i1037">
<imagedata src=«41448.files/image027.jpg» o:><img width=«328» height=«116» src=«dopb200003.zip» v:shapes="_x0000_i1038">
При полимеризации α — и β-формы D-глюкопиранозы соединяются в полимерную цепь через кислородные мостики:
<imagedata src=«41448.files/image029.jpg» o:><img width=«386» height=«56» src=«dopb200004.zip» v:shapes="_x0000_i1039">
Если полимеризуется α-форма, то цепь полимера оказывается разветвленной — получается крахмал и гликоген. При полимеризации β-формы образуется цепочечный неразветвленный полимер — целлюлоза, которая, как известно, обладает волокнистым строением.
Полисахариды, как видно из приведенных формул, имеют в своем составе кислородные атомы, способные проявлять донорные функции. Таким образом, полисахариды, в виде которых организм запасает углеводы (крахмал, гликоген) и которые используются для построения оболочек растительных клеток (целлюлоза), являются полимерными лигандами.
<imagedata src=«41448.files/image031.png» o:><img width=«96» height=«24» src=«dopb200005.zip» v:shapes="_x0000_s1026">Другой тип биополимерных лигандов — белки (протеины). Белки представляют собой полимерные образования, в которых в том или ином порядке чередуются 23 α-аминокислоты. Строение всех аминокислот может быть описано формулой
Различаются они только природой радикала R. α-Аминокислоты, вступая в реакцию полимеризации, образуют пептидную цепь:
<imagedata src=«41448.files/image033.jpg» o:><img width=«390» height=«75» src=«dopb200006.zip» v:shapes="_x0000_i1042">
Подобно тому как из 32 букв алфавита путем их различного сочетания можно составить огромное количество слов, так из 23 α-аминокислот посредством их сочленения в том или ином порядке получается все многообразие белковых тел, существующих в природе, образуется так называемая первичная белковая структура. Кроме того, рассматривают вторичную, третичную и четвертичную структуру.
Вторичная структура (α — и β-конформации) возникает в результате взаимодействия полипептидных цепей друг с другом. α-Конформация имеет спиралеобразное строение, каждый виток спирали содержит от трех до семи аминокислотных фрагментов. Взаимодействие между соседними полипептидными цепями в такой спирали осуществляется посредством водородных связей, образованных карбонильным кислородом одной цепи с иминогруппой другой цепи:
<imagedata src=«41448.files/image035.jpg» o:><img width=«129» height=«30» src=«dopb200007.zip» v:shapes="_x0000_i1043">
Редко встречающаяся β-конформация содержит вытянутые друг возле друга неспиральные полипептидные цепи.
Третичная структура белка — это глобулы, образованные α-вторичной структурой в результате свертывания полипептидных цепей в клубки. Свертывание α-спиралей в глобулы происходит в результате взаимодействия друг с другом гидрофобных участков спирали, электростатического взаимодействия заряженных участков цепи, образования сульфидных мостиков и водородных связей.
Четвертичная структура возникает в результате объединения глобул в еще более сложную структуру.
Свойства белков как биолигандов определяются содержанием в полипептидных цепях донорных атомов азота и кислорода, которые могут участвовать в образовании хелатных циклов и макроциклических комплексов. Кроме того, к полипептидным цепям через различные функциональные группы могут быть привязаны порфириновые кольца. Порфирин содержит четыре пиррольных ядра (с различными заместителями):
<imagedata src=«41448.files/image037.jpg» o:><img width=«134» height=«115» src=«dopb200008.zip» v:shapes="_x0000_i1044">
Как видно из схемы, порфирин представляет собой пример макро-циклического лиганда с четырьмя донорными атомами азота, которые координируются ионами металла, если создаются условия для вытеснения двух протонов порфирина и замещения их на ионы металла. Размер полости порфирина составляет около 2Ǻ (диаметр). Порфирин принадлежит к числу «жестких» лигандов, структура которых (и размер полости) мало зависит от природы координируемого иона металла. Порфириновые металлоциклы содержатся в хлорофилле и гемоглобине. Строение порфиринсодержащих комплексов биометаллов будет рассмотрено дальше.
Нуклеиновые кислоты — третий вид наиболее важных биополимерных лигандов. Роль нуклеиновых кислот в биосистемах состоит в хранении и передаче информации о строении синтезируемых организмом белков. Нуклеиновые кислоты состоят из мономеров — нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит фрагменты углевода, гетероциклического основания и остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединяются в нуклеиновые кислоты по следующей схеме:
<imagedata src=«41448.files/image039.jpg» o:><img width=«305» height=«130» src=«dopb200009.zip» v:shapes="_x0000_i1045">
Примером гетероциклических оснований могут служить аденин и урацил:
<imagedata src=«41448.files/image041.jpg» o:><img width=«313» height=«100» src=«dopb200010.zip» v:shapes="_x0000_i1046">
В качестве углеводного компонента нуклеиновых кислот выступают рибоза и продукт ее восстановления — дезоксирибоза:
<shape id="_x0000_i1047" type="#_x0000_t75" o:ole=""><imagedata src=«41448.files/image043.emz» o:><img width=«340» height=«105» src=«dopb200011.zip» v:shapes="_x0000_i1047">
В зависимости от природы углеводного фрагмента нуклеиновые кислоты делятся на две группы: рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК) кислоты. ДНК в растворах имеют строение двойных спиралей. Внутрь спирали обращены гетероциклические основания, скрепленные друг с другом водородными связями, наружу обращены фосфатные группировки. Совершенно ясно, что ДНК и РНК обладают свойствами лигандов: донорные атомы имеются во всех фрагментах нуклеиновых кислот.
Кроме белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот в биосистемах обычно присутствует большое число других химических соединений, проявляющих свойства лигандов и обладающих биологической активностью. Среди них особенно важную роль играют различные органические кислоты, как насыщенные, так и ненасыщенные, например аскорбиновая кислота:
<imagedata src=«41448.files/image045.jpg» o:><img width=«219» height=«66» src=«dopb200012.zip» v:shapes="_x0000_i1048">
производные фосфорной кислоты (такие, как аденозинфосфаты, липиды) и др.

3. Биологическая роль неорганических соединений Биологическая роль неорганических веществ (О2, СО2, N2 и т. д.), а также ионов металлов и соединений, включающих эти ионы и атомы металлов, связанные ковалентно, чрезвычайно важна и многообразна. Один из основных процессов, связанных с участием неорганических соединений, — процесс фотосинтеза. Именно взаимодействие Н2О и СО2 — двух неорганических соединений — приводит (при катализирующем действии хлорофилла — магниевого комплекса порфирина) к синтезу крахмала С6Н12О6 с выделением кислорода:
<imagedata src=«41448.files/image047.jpg» o:><img width=«230» height=«35» src=«dopb200013.zip» v:shapes="_x0000_i1049">
Эта реакция проходит через большое число стадий, но суть фотосинтеза состоит все же в соединении неорганических веществ в углевод. Углеводы, синтезируемые в растениях, потребляются травоядными животными. В результате пищеварения и дальнейших сложных превращений в организме травоядных образуются белки и жиры, служащие пищей для хищников и всеядных животных. К числу последних может быть отнесен и человек. Источником энергии, необходимой для жизнедеятельности человека и животных, являются белки, жиры и углеводы, содержащиеся в продуктах питания растительного и животного происхождения. Окисляясь (неорганическим) молекулярным кислородом, эти вещества, вернее продукты их деструкции, дают организму энергию, затрачиваемую на другие жизненно важные химические процессы и превращаемую в механическую энергию (движение), электрическую энергию и др.
Уже упоминалось, что важнейшую роль в процессах метаболизма играют ионофоры, регулирующие содержание акваионов щелочных и щелочноземельных металлов во внеклеточном и внутриклеточном пространстве, а также ферменты. Ферменты — всегда белковые вещества. Они ускоряют или ингибируют важнейшие процессы в организме, способствуют переносу в тканях кислорода и углекислого газа, переносу электронов, ускорению гидролитических процессов.
Роль акваионов металлов и металлсодержащих комплексов в живых организмах состоит в регуляции процессов, связанных с получением, преобразованием и распределением в организме энергии, выделением вредных для организма продуктов реакции.
Рассмотрим на ряде примеров биологическую роль акваионов металлов и их комплексов с биолигандами.
Транспорт ионов металлов и других неорганических компонентов в растительных и животных организмах
Для нормального функционирования живых организмов необходимо строго определенное распределение химических веществ по различным частям организма. В тканях млекопитающих действует система транспорта ионов натрия или калия, получившая название «натриевый (или калиевый) насос». Важнейшую роль играет также транспорт железа и других биометаллов.
Натриевый насос обеспечивает необходимое соотношение концентраций ионов Na+ и К+ во внеклеточном и внутриклеточном пространстве. Установлено, что в большинстве клеток животного организма [К+] составляет 0,12-0,16 моль/л, тогда как [Na+] в тех же клетках не превышает 0,01 моль/л. Во внеклеточной жидкости соотношение обратное: [Na+]≈0,15 моль/л, а [К+]меньше, чем 0,004 моль/л. Таким образом, существует значительный градиент концентраций ионов К+ и Na+ между внеклеточным и внутриклеточным пространством. Такое распределение не может быть самопроизвольным, очевидно, требуется затрата энергии, чтобы ионы К+ накапливались внутри клеток, а ионы Na+ оттуда выводились. Установлено, что «насос», накачивающий ионы К+ в клетки к выкачивающий оттуда ионы Na+, т. е. действующий против концентрационного градиента, работает с помощью фосфатопротеина, который образует с ионами К+ более прочные соединения (в силу соответствия размеров иона К+ и полости ионофора), чем с ионами Na+. В составе комплекса с фосфатопротеином ион К+ проходит через клеточную мембрану. Во внутриклеточном пространстве фосфато-протеин взаимодействует с аденозинтрифосфатом. Новый лиганд образует более прочное соединение с ионами Na+, нежели с ионами К+ и выводит ионы Na+ из клетки во внеклеточное пространство.
Железо в виде ионов Fe2+, Fe3+ и биокомплексов необходимо организму животных и человека для выполнения важнейших жизненных функций, таких, например, как перенос кислорода и катализ окислительно-восстановительных процессов, служащих одним из главных источников энергии. В организме животных и человека железо накапливается и сохраняется в печени, селезенке и костном мозге в виде белковых образований — ферритина и гемосидерина. Белковая часть ферритина представляет собой сферическое образование (внешний диаметр около 120 Ǻ) с внутренней полостью диаметром около 75 Ǻ. В полости ферритина находится мицелла, состоящая из гидратированного и гидролизованного фосфата Fe(III). Масса сухого остатка, содержащего железо, составляет 23% от массы ферритина (в гемосидерине железа еще больше).
Транспорт железа от ферритина к красным кровяным тельцам происходит с помощью белка трансферрина, очень прочно связывающего Fe (III) в хелат. Установлено, что хелаты Fe(III), образованные белками типа трансферрина, переносят железо через биомембраны, тогда как сам по себе фосфат железа, содержащийся в ферритине и гемосидерине, преодолеть этих преград не может.
Транспорт О2 в организме животных и человека осуществляется железосодержащими комплексами — гемоглобином и миоглобином. Оба этих белка содержат «гем-группы», представляющие собой порфириновый комплекс железа:
<imagedata src=«41448.files/image049.jpg» o:><img width=«316» height=«233» src=«dopb200014.zip» v:shapes="_x0000_i1050">
Гемовая группа присоединяется к белковой части молекулы гемоглобина и миоглобина путем координации гистидинового атома азота белка ионом железа гемовой группы. Таким образом, в координационную сферу иона железа входит пять атомов азота (четыре атома азота порфирина, один атом азота белкового гистидина). Шестое координационное место занимает Н2О или О2.
Гемоглобин имеет молекулярную массу 64 500 и включает четыре гем-группы. Миоглобин сходен с гемоглобином по строению, но содержит только одну гем-группу. Гемоглобин почти так же хорошо, как миоглобин, связывает кислород при высоком давлении кислорода, но, когда давление кислорода падает, преимущество в связывании О2 имеет миоглобин. Падение давления О2наблюдается в тканях мышц, потребляющих кислород. Результатом использования кислорода является накопление в мышцах СО2 и, как следствие, понижение рН. Это еще более способствует высвобождению О2 из гемоглобина и передаче кислорода миоглобину. Таким образом, и гемоглобин, и миоглобин участвуют в переносе кислорода.
Теряя кислород, железо в гемоглобине (форма дезоксигемоглобина, КЧ железа = 5) переходит в высокоспиновое состояние. Ослабление связи с атомами азота порфирина приводит к выходу атома железа из плоскости кольца порфирина (на 0,7-0,8Ǻ). Напротив, вследствие присоединения кислорода к гемоглобину образуется низкоспиновый октаэдрический комплекс, железо в котором находится в плоскости порфиринового кольца (КЧ железа = 6). Хотя связывание молекулярного кислорода гемоглобином и миоглобином сопровождается ослаблением связи O = O в молекулярном кислороде из-за размещения π-дативных электронов железа на разрыхляющих орбиталях О2, этот процесс сам по себе не сопряжен с необратимым переносом электрона, поэтому его обычно не причисляют к ферментативным окислительно-восстановительным реакциям. Отметим, однако, что разрыхление связи O = O в не может не активировать окислительные реакции.
Например, можно рассматривать взаимодействие активированной формы О2 с восстановленной формой субстрата StH2, сопровождающееся переходом его в окисленную (дегидрированную) форму St:

При этом кислород превращается в Н2О и Н2О2 с выделением энергии.
Металлсодержащие ферменты
Далеко не все ферменты, катализирующие биологически важные процессы в организме животных и растений, содержат ионы металлов. Однако металлсодержащих ферментов только в организме человека несколько сотен, и их биологическая роль чрезвычайно важна. Нарушение структуры или удаление из организма даже одного из них приводит к тяжелым расстройствам функций организма, а затем и к его гибели.
Металлсодержащие ферменты представляют собой координационные соединения, и поэтому их исследованием занимается неорганическая химия или, точнее, координационная химия.
Рассмотрим строение и биологическую роль нескольких металлоферментов.
Каждый фермент состоит из двух частей: кофермента и апофермента. Кофермент — это легко отделяемая часть фермента. В металлоферментах ион металла составляет основную часть кофермента. Апофермент-остальная часть фермента, которая в отсутствие кофермента не проявляет ферментативной активности.
Обычно рассматривают две группы металлоферментов, различающихся по типу катализируемых ими реакций: ферменты, катализирующие реакции гидролиза, и ферменты, катализирующие протекание окислительно-восстановительных реакций.
Ферментативный катализ реакций гидролиза
Реакции, протекающие в организмах животных и растений с участием воды, играют важнейшую роль в процессе обмена веществ и служат одним из основных источников «энергии, запасаемой организмом.
Реакции гидролиза катализируются обычно теми металлоферментами, которые содержат ионы Са2+, Mg2+, Zn2+ и Мn2+. Хотя ион Мn2+ легко вступает в окислительно-восстановительные реакции, в ходе гидролитических реакций он, как и все упомянутые ионы, не меняет степени окисления.
Наиболее хорошо изучены строение и биологическая роль двух из металлоферментов, катализирующих гидролитические процессы, — цинксодержащих ферментов карбоангидразы и карбоксилазы. Отметим, однако, что только в организме человека содержится несколько десятков цинксодержащих ферментов, различающихся по своему строению и функциям.
Карбоангидраза состоит из больших белковых молекул с молекулярной массой 430 000. Каждая из таких макромолекул содержит 260 аминокислотных остатков. Форма молекулы карбоангидразы — эллиптическая, размеры ее (40x45x55) А3. Эллиптическая молекула карбоангидразы имеет полость, причем аминокислоты, составляющие белок апофермента, расположены так, что гидрофобные их части как бы выстилают внутреннюю полость макромолекулы. В одной молекуле фермента содержится только один ион Zn2+, который находится вблизи центра полости карбоангидразы. Координационный полиэдр комплекса, центральным ионом которого является Zn2+, представляет собой искаженный тетраэдр. Три положения в координационной сфере Zn2+ занимают донорные атомы азота из имидазольных групп аминокислоты гистидина:
<imagedata src=»41448.files/image053.jpg" o:><img width=«179» height=«72» src=«dopb200016.zip» v:shapes="_x0000_i1052">
Четвертое координационное место занято молекулой Н2О или ионом ОН-. Фермент карбоангидраза содержится в красных кровяных тельцах. Установлено, что карбоангидраза примерно в 106 раз ускоряет реакцию образования бикарбонат-иона и обратную ей реакцию распада НСО3-:
    продолжение
--PAGE_BREAK--