результате окисления образуются менее токсичные продукты. Например, наркотик морфин превращается в биологически малоактивный оксиморфин.
Из других соединений марганца следует отметить марганец (II) сульфат и марганец (II) хлорид, которые используют при лечении малокровия.
Втеле взрослого человека содержится 12 мг (1,6 10–5 %). Марганец концентрируется в костях (43%), остальное — в мягких тканях, в том числе и
вмозге.
Ворганизме марганец образует металлокомплексы с белками, нуклеиновыми кислотами, АТФ, АДФ, отдельными аминокислотами. Содержащие марганец металлоферменты: аргиназа, холинэстераза, фосфоглюкомутаза, пируваткарбоксилаза.
Связывание аммиака — токсичного продукта превращения аминокислот в организме млекопитающих осуществляется через аминокислоту аргинин. Аргиназа — фермент, катализирующий в печени гидролиз аргинина. В результате аргинин расщепляется на мочевину и циклическую аминокислоту орнитин:
Мочевина — нетоксичное, растворимое в воде вещество. Оно потоком крови доставляется в почки и выводится с мочой.
Атомный радиус марганца 128 пм. Это объясняет то обстоятельство, что марганец может замещать магний (атомный радиус 160 пм) в его соединении с АТФ, существенно влияя на перенос энергии в организме.
Гидролиза аденозинтрифосфата (АТФ) до аденозиндифосфата (АДФ) обеспечивает энергетику жизнедеятельности. В организме этот процесс активируется магнием в результате образования комплексов МgАТФ2– и MgAДФ–. Однако установлено, что активацию могут осуществлять и ионы марганца Мn2+. При этом оказывается, что комплексы МnАТФ2– и МnАДФ– более активны. Участие марганца в гидролизе можно представить в виде:
Ионы Mg2+ и марганца Мn2+ осуществляют также активацию ферментов — нуклеаз. Эти ферменты катализируют в двенадцатиперстной кишке гидролиз нуклеиновых кислот ДНК и РНК. В результате эти биополимеры расщепляются на мономерные единицы — нуклеотиды. В частности такой нуклеазой является дезоксирибонуклеаза, которая катализирует гидролиз ДНК только в присутствии ионов Mg2+ или Мn2+.
388
Марганец может входить и в состав неорганических соединений организма. Это, например, малорастворимый марганец магний пирофосфат MnMgP2O7. Кристаллы этой соли локализуются на внутренней поверхности мембраны везикул.
Почти одинаковое значение атомного радиуса марганца (128 пм) и железа (126 пм) объясняет способность марганца замещать железо в порфириновом комплексе эритроцита. По той же причине марганец может замещать и цинк (атомный радиус 127 пм) в цинкзависимых ферментах, изменяя при этом их каталитические свойства.
О наличии технеция в живых организмах данных нет. Однако соединения технеция с бисфосфонатами используют для радио-изотопного метода диагностики. Метастабильный изотоп технеция 99Тс является излучителем лучей. В первые минуты после внутривенного введения препарата «Технефор», содержащего 99Тс, можно исследовать состояние мягких тканей, через 2—3 ч после введения — костных. Ниже приводится формула строения комплекса Тс с бисфосфонатом:
В соединении с бисфосфонатом технеций обычно четырехвалентен, при этом координационное число может быть равным 6, что хорошо видно на схеме.
Таким образом, для решения медико-биологических задач используются не только соединения жизненно необходимого Мn, но и соединения искусственного элемента 99Тс.
§5. VIII Б-группы (семейство железа и семейство платины)
В VIIIB-группе периодической системы расположены химические элементы — переходные металлы: Fe, Co, Ni, Rn, Rh, Pd, Os, Ir, Pt.
По распространенности в природе, применению соединений в медицине и технике и роли в организме железо стоит на первом месте в
VIIIB-группе.
Железо Fe и кобальт Со — необходимые микроэлементы живых организмов.
Железо — биогенный элемент, содержится в тканях животных и растений. Общая масса железа в организме взрослого человека примерно 5г, что составляет 0,007%. Металлическое железо мало токсично, а соединения Fe(II), Fe(III) и Fe(VI) в больших количествах опасны для здоровья.
389
Наиболее важными с физиологической точки зрения являются железосодержащие белки: гемоглобин, миоглобин, цитохромы, пероксидазы, каталаза. Гемоглобин — главная составная часть эритроцитов. Общее содержание гемоглобина равно 700г, а кровь взрослых людей содержит в среднем около 14 – 15%. Обеспечивает внешнее дыхание, являясь переносчиком кислорода от легких к тканям. Миоглобин, цитохромы, каталаза обеспечивают клеточное дыхание. Например, в скелетной и сердечной мышце находится миоглобин. Он способен связывать до 14% общего количества кислорода в организме. Это его свойство играет важную роль в снабжение кислородом работающих мышц. Если при сокращение мышцы кровеносные капилляры её сжимаются и кровоток в некоторых участках мышцы прекращается, в течение некоторого времени сохраняется снабжение мышечных волокон кислородом.
Все эти белки состоят из собственно белковых частей и связанных с ними активных центров:
Активный центр представляет собой макроциклическое комплексное соединение — гем (от греч. — кровь). В качестве макроциклического лиганда выступает тетрадентантное соединение — порфирин. Донорные атомы азота расположены по углам квадрата, в центре которого расположен ион железа. В целом, комплекс имеет октаэдрическую конфигурацию. Пятая
390
орбиталь через азот аминокислоты — гистидина используется для связи тема с белком. Шестая орбиталь свободна и может связывать различные низкомолекулярные лиганды R: O2, H2O2, CO, CN–.
Гемоглобин состоит из четырех белковых молекул (субъединиц), которые образуют единый макромолекулярный агрегат. Каждая субъединица по строению аналогична молекуле миоглобина. Таким образом, гемоглобин может одновременно связывать четыре молекулы О2 а миоглобин — одну.
В тканях имеется также несколько негемовых железосодержащих белковых комплексов. Это, например, ферменты — оксидазы, а также белки
— накопители (депо) и переносчики железа. Избыток железа переносится с кровью белком — трансферрином и накапливается в виде белка — ферритина в различных тканях и органах, особенно в печени, селезенке, костном мозге. Трансферрин – класс железо связывающих молекул. Наиболее изученный – это трансферрин сыворотки – является транспортным белком, переносящим железо из обломков гемоглобина селезёнки и печени в костный мозг, где на специальных его участках вновь синтезируется гемоглобин. Весь сывороточный трансферрин, единовременно связывая только 4 мг железа, ежедневно переносит в костный мозг около 40мг железа
– весьма существенное доказательство его эффективности как транспортного белка. Больные с генетически обусловленными нарушениями синтеза трансферрина страдают железодефицитной анемией, нарушениями иммунной системы и интоксикацией от избытка железа!
По химическому строению трансферрин – это гликопротеин с молекулярной массой около 80 000. Он состоит из одной полипептидной цепи, свёрнутой так, что она образует два компактных участка, каждый из которых способен связывать по одному иону железа (III). Правда, связывание железа возможно лишь при связывание аниона. В отсутствие подходящего аниона катион железа не присоединяется к трансфферину. В большинстве случаев в природе для этого используется карбонат, хотя активировать центр связывание металла способны и другие анионы, например оксалат, малонат, и цитрат.
Высокая устойчивость комплекса железа с трансферрином делает его отличным переносчиком, но зато и выдвигает проблему высвобождения железа из комплекса. Многие из хороших хелатирующих агентов малопригодны в качестве посредников при высвобождение железа. Наиболее эффективным из них оказался пирофосфат. Принимая во внимание
391
существенную роль в связывание железа с транферрином, было бы логически предложить, что удаление аниона должно лежать в основе любого механизма высвобождение железа, однако никакой корреляции между способностью замещать карбонат в трансферриновом комплексе и их эффективностью как посредника в освобождение железа не найдено. В транспортной системе микробов отдача ионов железа переносчиком вызывается восстановлением их до Fe (II), но, как достоверно установлено, из трансферрина железо высвобождается в виде Fe (III). В органах млекопитающих железо в основном запасается в двух формах – ферритине и гемосидерине. Гемосидерин изучен не достаточно хорошо и, возможно, является продуктом распада ферритина. Ферритин (Мr 460000) в настоящее время охарактеризован довольно полно. Это водорастворимый белок, состоящий из 24 одинаковых субъединиц, которые составляют пустотелую сферическую оболочку. Во внутренней полости находится мицелярное ядро, содержание железа в котором примерно 57%. Мицела может содержать до 4500 атомов железа, если ферритин полностью насыщен железом (что не является обязательным). Белковую оболочку пронизывают шесть каналов, которые служат для приёма и отдачи железа.
Приём железа происходит при каталитическом окислении аппоферритином Fe (II) в Fe (III), а высвобождение – при восстановление Fe (II) восстановленными флавинами. В большинстве клеток синтез ферритина значительно ускоряется в присутствии железа; в клетках печени крыс синтез субъединиц проходит за 2 – 3 мин.
На основе законов химического равновесия нетрудно понять функционирование гемоглобина как переносчика кислорода от легких к тканям.
Гемоглобин без кислорода (дезоксигемоглобин) представляет собой слабую кислоту и его химическую формулу можно представить в виде ННb+ Карбонилгемоглобин представляет собой соединение гемоглобина с угарным газом. Это соединение примерно в 150 – 300 раз прочнее, чем соединение гемоглобина с кислородом. Поэтому примесь даже 0,1% угарного газа во вдыхаемом воздухе ведёт к тому, что 80% гемоглобина оказываются связанными с окисью углерода и не присоединяют кислород, что является опасным для жизни.
Присоединение кислорода сопровождается отщеплением протона и образуется оксигемоглобин НbO2. При этом имеет место равновесие:
Оксигемоглобин несколько отличается по цвету от гемоглобина, поэтому артериальная кровь, содержащая оксигемоглобин, имеет ярко - алый цвет. Притом тем более яркий, чем полнее произошло её насыщение кислородом. Венозная кровь, содержащая большое количество восстановленного гемоглобина, имеет тёмно – вишнёвый цвет. При поступлении бедной кислородом венозной крови в легкие, где парциальное давление кислорода велико (до 20 кПа), его растворимость возрастает
392