Материал: полезная метода

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