Материал: полезная метода

§7.Лабораторная работа «Фармакопейные реакции d-элементов»

Опыт 1. Открытие ионов железа

Общая реакция на закисное и окисное железо.

Краствору соли закисного или окисного железа (около 0,02 г иона железа) прибавляют раствор сульфида аммония; образуется черный осадок, растворимый в разведенных минеральных кислотах.

Открытие закисного железа.

К2 мл раствора соли закисного железа (около 0,02 г иона железа) прибавляют 0,5 мл разведенной хлористоводородной кислоты и 1 мл раствора феррицианида калия; образуется синий осадок.

Открытие окисного железа.

А. К 2 мл раствора соли окисного железа (около 0,001 г иона железа) прибавляют 0,5 мл разведенной хлористоводородной кислоты и 1-2 капли раствора ферроцианида калия; образуется синий осадок.

Б. К 2 мл раствора соли окисного железа (около 0,001 г иона железа) прибавляют 0,5 мл разведенной хлористоводородной кислоты и 1- 2 капли

раствора роданида аммония; появляется красное окрашивание. Опыт 2. Открытие ионов Сu2+

Выполнение реакции

1. К 2—3 каплям раствора, содержащего ионы меди (II) (рН ≤ 7), прибавляют 1—2 капли раствора реагента. Образуется красно-бурый осадок.

2. К 2—3 каплям раствора, содержащего ионы меди (II), добавляют большой избыток раствора аммиака до рН>9. Появление интенсивносинего цвета раствора указывает на присутствие меди.

3. Поместите одну каплю раствора медного купороса на железную или цинковую пластинку. Наблюдайте образование красного налета

свободной меди.

Опыт 3. Открытие ионов Zn2+

Выполнение реакций

1. К 2 мл нейтрального раствора соли цинка (0,005-0,02 г иона цинка) прибавляют 0,5 мл раствора сульфида натрия или сероводорода; образуется белый осадок, нерастворимый в разведенной уксусной кислоте

илегкорастворимый в разведенной хлористоводородной кислоте.

2. К 2 мл раствора соли цинка (0,005-0,02 г иона цинка) прибавляют 0,5 мл раствора ферроцианида калия; образуется белый осадок, нерастворимый в разведенной хлористоводородной кислоте.

Опыт 4. Открытие ионов Ag+

Выполнение реакции.

К 1—2 каплям раствора, содержащего ионы серебра, добавляют 1—2 капли 30%-ного раствора уксусной кислоты и 1—2 капли раствора сульфида аммония. Образуется черный осадок сульфида серебра.

375

2. К 2—3 каплям испытуемого раствора, подкисленного азотной кислотой, добавляют 2—3 капли 2 М раствора НСl. Образуется аморфный белый осадок. Его центрифугируют, промывают водой и обрабатывают 2—3 каплями концентрированного раствора NH3. Каплю полученного раствора помещают на предметное стекло. Через некоторое время после испарения растворителя образуются характерные кристаллы Ag(NH3)2Cl.

Опыт 5. Открытие ионов Mn2+

Выполнение реакции

1.К капле раствора нитрата или сульфата марганца прибавляют каплю концентрированной азотной кислоты, 3–4 капли воды и немного твердого висмутата натрия. Раствор окрашивается в малиновый цвет.

2.К 5—6 каплям раствора (NH4)2S2O8 прибавляют каплю 2М

раствора H2SO4, 1—2 капли концентрированной Н3РО4 (фосфорная кислота стабилизирует ионы MnO4– и препятствует их разложению), 1—2 капли раствора AgNO3 и нагревают. В нагретую окислительную смесь вносят при помощи стеклянной палочки минимальное количество раствора, содержащего ионы Mn2+ и не содержащего хлорид-ионы, перемешивают и наблюдают красно-фиолетовую окраску раствора.

376

ТЕМА 16. ХИМИЯ МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩИХ ФЕРМЕНТОВ

Вопросы к занятию

1.Химические основы применения неорганических соединений d- элементов: общая характеристика. Металлоферменты.

2.Химические основы применения неорганических соединений d- элементов: VI Б группа (Cr, Mo, W).

3.Химические основы применения неорганических соединений d- элементов: VII Б группа (Mn, Te).

4.Химические основы применения неорганических соединений d- элементов: VIII Б группа (подгруппа железа: Fe, Co, Ni; семейство платины: Pt).

5.Химические основы применения неорганических соединений d- элементов: I Б группа (Cu, Ag, Au).

6.Химические основы применения неорганических соединений d- элементов: II Б группа (Zn, Cd, Hg).

7.Неорганические соединения d-элементов в перечне ГФ.

§1. Химические основы применения неорганических соединений d-элементов: общая характеристика

Необходимо отметить высокие комплексообразующие способности d-элементов, которые обычно значительно выше, чем у s- и р-элементов. Более 1/3 всех микроэлементов организма составляют d-элементы. В организмах они существуют в виде комплексных соединений или гидратированных ионов со средним временем обмена гидратной оболочки от 10–1 до 10–10 с. Поэтому можно утверждать, что «свободные» ионы металлов в организме не существуют: это либо их гидраты, либо продукты гидролиза.

В биохимических реакциях d-элементы наиболее часто проявляют себя как металлы-комплексообразователи. Лигандами при этом выступают биологически активные вещества, как правило, органического характера или анионы неорганических кислот.

Рис. Схематическое изображение структуры биокластера рубредоксина (рубредоксин — белок, выделенный из ciostridium pasteurianum): Fe — железо (II, III), S — cepa(II); железо связано с четырьмя цистииовымн (Cys) атомами серы, его связевые облака имеют тетраэдрическую

377

конфигурацию

Белковые молекулы образуют с d-элементами бионеорганические комплексы — кластеры или биокластеры. Ион металла (металлкомплексообразователь) располагается внутри полости кластера, взаимодействуя с электроотрицательными атомами связывающих групп белка: гидроксильных (—ОН), сульфгидрильных (—SH), карбоксильных (—СООН) и аминогрупп белков (H2N–). Для проникновения иона металла в полость кластера необходимо, чтобы диаметр иона был соизмерим с размером полости. Таким образом, природа регулирует формирование биокластеров с ионами d-элементов определенных размеров (схематически биокластер представлен на рис.).

Наиболее известные металлоферменты: карбоангидраза, ксантиноксидаза, сукцинатдегидрогеназа, цитохромы, рубредоксин. Они представляют собой биокластеры, полости которых образуют центры связывания субстратов с ионами металла.

Биокластеры (белковые комплексы) выполняют различные функции. Транспортные белковые комплексы доставляют к органам кислород и необходимые элементы. Координация металла идет через кислород

карбоксильных групп и азот амино-групп белка. При этом образуется устойчивое хелатное соединение:

В качестве координирующего металла выступают d-элементы (кобальт, никель, железо и др.). Пример железосодержащего транспортного белкового комплекса — трансферрин.

Другие биокластеры могут выполнять аккумуляторную (накопительную) роль — это железосодержащие белки: гемоглобин, миоглобин, ферритин.

Биокомплексные соединения значительно различаются по устойчивости. Одни из них настолько прочны, что постоянно находятся в организме и выполняют определенную функцию. Роль металла в таких комплексах высокоспецифична: замена его даже на близкий по свойствам элемент приводит к значительной или полной утрате физиологической активности. Примерами таких соединений являются гемоглобин, витамины В12, хлорофилл и некоторые металлоферменты, например, цитохромы. В организме присутствуют и менее прочные комплексы, которые образуются только для выполнения определенных функций, после

378

чего распадаются: например, образование между ионом металла и ферментом комплексного соединения на период осуществления катализа. Большинство таких ферментов обладают каталитической активностью, но без иона металла она будет ниже. Ионы металлов выполняют функцию активаторов. Специфичность металлов в этих комплексах не выражена. Он может быть заменен на другой металл без потери физиологической активности. К биологическим соединениям с невысокими значениями констант устойчивости можно отнести соединения, которые стабилизируют сложные структуры. Например, образование металлополинуклеотидных комплексов стабилизирует двойную спираль ДНК. Комплексы с ДНК (в основном с донорным атомом кислорода, фосфатных групп, частично с донорными атомами азота оснований) образуют двухзарядные ионы марганца, кобальта, железа и никеля. Они взаимозаменяемы. Промежуточное положение между этими двумя группами биокомплексов занимают диссоциирующие металлоферменты. Ионы металлов в этих комплексах выполняют функции кофактора. Например, карбоксипептидаза в отсутствии иона металла неактивна. Максимальная активность в присутствии иона цинка.

Итак, с повышением прочности комплекса повышается специфичность его биологического действия.

В живых организмах действует большое число ферментов, в состав которых входят ионы металлов, выполняющие следующие функции: 1) они являются электрофильной группой активного центра фермента и облегчают взаимодействие с отрицательно заряженными участками молекул субстрата, 2) ион металла формирует каталитически активную конформацию структуры фермента, 3) в ряде случаев ионы металла, которые могут находиться в переменных степенях окисления, участвует в транспорте электронов (многоядерные комплексы).

Концентрации ионов d–элементов в организме поддерживаются постоянными за счет существования механизма металлолигандного гомеостаза, основными звеньями которого являются: всасывание, распределение, транспорт, депонирование и элиминация. Параметры всасывания и элиминации в норме сбалансированы, т.е. при уменьшении поступления в организм того или иного микроэлемента уменьшается его выведение и наоборот. Для поддержания постоянной концентрации ионов металлов в организме существуют депонированные и транспортные формы. Например, железо в организме млекопитающих депонируется в составе ферритина – водорастворимого белка,в котором находится мицеллярное ядро неорганического соединения железа (III). В депонированной форме находится около 25% железа. Регуляция металлолигандного гомеостаза осуществляется с помощью нервной, эндокринной и иммунной систем. Комплексонаты переходных металлов обеспечивают сбалансированность минерального питания, активизируют

379

метаболические процессы, интенсифицируют рост и развитие организма. Наибольшую близость в биологическом действии (процессах иммуногенеза, кроветворения, стимулирующем эффекте) показали комплексонаты, образованные ионами металлов в степени окисления +2, сходные по электронной структуре атомы. Это обусловливает неспецифичность в их биологическом действии поддерживается и активно проявляется в присутствии полидентатных лигандов – комплексонов. Комплексонаты, образованные ионом металла с более высокой степенью окисления, малым размером иона, более высоким сродством к электрону, обладают наиболее высоким стимулирующим эффектом. Для ионов переходных металлов в биологическом действии их комплексонатов характерно больше горизонтальное сходство, чем вертикальное в периодической системе Д.И.Менделеева в ряду Ti – Zn. По интенсивности

их стимулирую щего действия на организм их можно расположить в следующий ряд: Ti4+ > Fe3+ > Cu2+ > Fe 2+

§2 Лигандообменные и металлообменные равновесия. Хелатотерапия. Термодинамические принципы хелатотерапии.

Если в системе несколько лигандов с одним ионом металла или несколько ионов металла с одним лигандом способных к образованию комплексных соединений, то наблюдаются конкурирующие процессы: в первом случае лигандообменное равновесие - конкуренция между лигандами за ион металла, во втором случае металлообменное равновесие - конкуренция между ионами металла за лиганд. Преобладающим будет процесс образования наиболее прочного комплекса. Например, в растворе имеются ионы: магния, цинка, железа (III), меди, хрома (II), железа (II) и марганца (II). При введении в этот раствор небольшого количества этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) происходит конкуренция между ионами металлов и связывание в комплекс железа (III), так как он образует с ЭДТА наиболее прочный комплекс.

В организме постоянно происходит взаимодействие биометаллов (Мб) и биолигандов (Lб), образование и разрушение жизненнонеобходимых биокомплексов (МбLб)

Мб + Lб  МбLб

В организме человека, животных и растений имеются различные механизмы защиты и поддержки данного равновесия от различных ксенобиотиков (чужеродных веществ) и в том числе от ионов тяжелых металлов. Ионы тяжелых металлов, не связанные в комплекс, и их гидрокомплексы, являются токсичными частицами (Мт). В этих случаях, наряду с естественным металлолигандным равновесием, может возникнуть новое равновесие, с образованием более прочных чужеродных комплексов, содержащих металлы токсиканты (MтLб) или лиганды–токсиканты (МбLт),

380