Курсовая работа (т): Влияние степени окисления элементов на их биологическую роль

В общем виде дыхательную цепь можно представить в виде следующей схемы:

Рисунок 8. Схема процесса клеточного окисления

Для клетки очень важно, чтобы молекула кислорода, присоединив четыре электрона, полностью восстановилась до двух молекул Н₂O. При неполном восстановлении кислорода образуется Н₂O₂. Перекись водорода крайне токсична для клеток. При ее взаимодействии с биоорганическими соединениями клеток образуются радикалы, инициирующие пероксидное окисление. Под действием радикалов повреждают клеточные мембраны и ДНК. Аэробные клетки защищают себя от этого воздействия перекиси с помощью негемового железосодержащего фермента каталазы, прекращающей перекись водорода в воду и молекулярный кислород.

Действие каталазы (СаtFе²⁺) может быть представлено в виде каталитического цикла из двух последовательных реакций:

СаtFе²⁺ + Н₂О₂ → СаtFе²⁺•Н₂О₂

СаtFе²⁺•Н₂О₂ + Н₂О₂ → СаtFе²⁺ + 2Н₂О + О₂

В результате разрушаются две молекулы перекиси водорода, а молекула каталазы освобождается и может вступать в следующий каталитический цикл [3].

Биологическая роль меди

Медь - биогенный элемент. В организме она обнаружена в двух степенях окисления - Cu⁺ и Cu²⁺. Ионы меди по сравнению с ионами других металлов активнее реагируют с аминокислотами и белками, потому что они образуют устойчивые комплексы, так называемые клешневидные или хелатные.

В ходе эволюции, когда природа создавала систему переноса кислорода, у нее был выбор между железом и медью. По-видимому, первоначально у большинства животных пигментом крови служил медьсодержащий белок гемоцианин, но позднее преимущество получил гемоглобин. Очевидно, что высшие животные с их возросшей потребностью в кислороде должны были переключиться на гемоглобин, тогда как моллюски и членистоногие сохранили гемоцианин, вполне отвечающий их потребностям. У хордовых гемоцианины обнаруживаются только в плазме крови.

Главная функция меди у высших организмов - каталитическая. В настоящее время известен целый ряд медьсодержащих ферментов: церулоплазмин, тирозиназа, супероксиддисмутаза и цитохромоксидаза, биологическая роль которой была рассмотрена в предыдущей главе. Так же медь активирует синтез гемоглобина, белков, участвует в образовании костной ткани и пигмента кожных покровов.

Супероксиддисмутаза - медьсодержащий фермент, предотвращающий действие пероксид аниона, который образуется в дыхательной цепи при неполном восстановлении кислорода:

О₂ + е^- → О₂^-

Взаимодействие этого аниона с органическими соединениями клетки приводит к образованию радикалов и нарушению нормального развития клетки. Повреждающее действие предотвращается супероксиддисмутазой. Этот фермент катализирует реакцию:

О₂^- + О₂^- + 2Н⁺ → Н₂О₂ + О₂

Образующийся при этом пероксид водорода разлагается каталазой.

Токсическое действие соединений меди обусловлено тем, что ионы меди взаимодействуют с тиольными и аминогруппами белков. При этом образуются биокластеры хелатного типа. Вследствие таких взаимодействий белки становятся нерастворимыми, теряют ферментативную активность. В результате нарушается нормальная жизнедеятельность.

Биологическая роль кобальта

Кобальт также является одним из важнейших биогенных элементов. Ион Со³⁺ входит в состав витамина В₁₂. Важнейшей функцией катиона Co²⁺ является активация ферментных систем, таких как альдолаза, карбоангидраза. Установлена возможность обратимого транспорта кислорода с участием ионов двухвалентного кобальта, а также их участие в протеолизе.

Карбоангидраза - фермент, катализирующий обратимую реакцию гидратации диоксида углерода:

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃^-.

Фермент обнаружен в эритроцитах, в поджелудочной и слюнной железе, в слизистой желудка, в почках, в ткани центральной нервной системы, в сетчатке глаза и т. д. Имеются сведения об участии карбоангидразы в управлении переносом дыхательных газов, в регуляции pH, в управлении реакциями биосинтеза с участием бикарбоната (глюконеогенез, синтез аминокислот, липогенез), в регуляции обновления костной ткани, в регуляции образования мочи, в реакциях, обеспечивающих образование соляной кислоты в железах желудка, бикарбонатов в соке поджелудочной железы и в слюне.

Карбоангидраза ускоряет реакцию гидратации двуокиси углерода в цитоплазме эритроцита в 1500-2000 раз по сравнению с аналогичной реакцией, протекающей в плазме крови, не содержащей карбоангидразы. Фермент в зависимости от напряжения двуокиси углерода и от ряда других факторов может ускорять реакцию гидратации молекул углекислого газа с образованием угольной кислоты и бикарбонатных ионов. Гемоглобин присоединяет положительно заряженный ион водорода - по два протона на каждые 4 освободившиеся молекулы кислорода, что способствует поддержанию буферных свойств крови. В капиллярах микроциркуляторного русла легких кислород, наоборот, присоединяется к молекуле дезоксигемоглобина. Водород же присоединяется к бикарбонату, образуя угольную кислоту, которая диссоциирует на воду и углекислый газ. Это приводит к высвобождению двуокиси углерода из крови в альвеолярную смесь газов. В тканях при снижении pH гемоглобин легко отдает кислород. Это обратимое явление лежит в основе внешнего дыхания, которое было более подробно рассмотрено в главе о биологической роли железа [4].

Витамин B₁₂ - единственный витамин в состав которого входит ион металла. Центральная структура цианокобальмина - порфириноподобная кольцевая система, в которой пара пиррольных колец связана между собой непосредственно, а не через группу =CH-. Кобальт (II) находится в положении, которое в геме занимает железо (II). Считается, что строение кобаламинов обусловливает их своеобразные каталитические свойства.

Рисунок 9. Строение витамина В₁₂

Найдено большое число производных цианокобальмина, у которых CN-группа замещена другим фрагментом. Установлено, что аналоги витамина В₁₂ являются кофакторами различных ферментов, участвующих в эритропоэзе [9].

До 90% от общего количества в организме цианокобальмина находится в виде кофермента, то есть участвует в ферментативных реакциях.

Рисунок 10. Реакции, происходящие с участием коферментых форм витамина В12.

А. Ферменты катализируют перенос атома водорода от атома С₁ к атому С₂ и обмен на группу Х.

Б. Реакция, катализируемая метиласпармутазой. Группы H и Х, присоединенные к соседним атомам углерода, обмениваются местами.

Наиболее важную роль витамина В₁₂ играет в развитии и формировании эритроцитов.

Биологическая роль марганца

Марганец является биогенным элементом и одним из десяти металлов жизни. Он принадлежит к числу немногих элементов, способных существовать в восьми различных состояниях окисления. Однако в биологических системах реализуются только два из этих состояний: Mn²⁺, Mn³⁺.

Особенностью биохимии марганца является способность заменять ионы некоторых металлов на ион Mn²⁺. Это объясняется двумя факторами. Во-первых, близкие значения атомных радиусов. Например, значение атомного радиуса марганца (128 пм) и железа (126 пм) почти одинаковое, и поэтому Mn (II) способен замещать Fe (II) в порфириновом комплексе эритроцита; по той же причине Mn (II) может заменять и Zn (II). Во-вторых, предпочтение в качестве лигандов одинаковых групп. Например, марганец и магний тяготеют к карбоксильным и фосфатным группам, поэтому Mn (II) может заменять Mg (II) в комплексах с ДНК и соединениях с АТФ [5].

Влияние марганца на жизнедеятельность очень разнообразно и сказывается главным образом на росте, образовании крови и функции половых желёз. Так же этот он необходим для активации ряда ферментов: дегидрогеназ изолимонной и яблочной кислот, аргиназа, холинэстераза, фосфоглюкомутаза, пируваткарбоксилаза, дезоксирибонуклеаза и т. д.

Малатдегидрогеназа или дегидрогеназа яблочной кислоты - фермент, катализирующий последний этап цикла Кребса. Цикл Кребса является тем центром, в котором сходятся практически все метаболические пути. Это общий конечный путь окисления ацетильных групп органических молекул, играющих роль «клеточного топлива»: углеводов, жирных кислот и аминокислот.

Гидролиз АТФ до АДФ играет важную роль в организме, так как обеспечивает его энергией для жизнедеятельности. В организме этот процесс активируется магнием в результате образования комплексов МgАТФ^2- и МgАДФ^-. Однако активацию могут осуществлять и ионы Мn²⁺. При этом комплексы марганца более активны, чем магния. Участие марганца в гидролизе можно представить в виде:

Рисунок 11. Схема гидролиза АТФ при усачтие ионов марганца

Ионы Мg²⁺ и Мn²⁺ осуществляют также активацию нуклеаз. Эти ферменты катализируют в двенадцатиперстной кишке гидролиз нуклеиновых кислот ДНК и РНК. В результате они расщепляются на мономерные единицы - нуклеотиды. Наприме, такой нуклеазой является дезоксирибонуклеаза, которая катализирует гидролиз ДНК [3].

Связывание аммиака, токсичного продукта превращения аминокислот в организме млекопитающих, осуществляется через аргинин. Аргиназа - фермент, катализирующий в печени гидролиз аргинина. В результате аргинин расщепляется на мочевину и орнитин. Мочевина - нетоксичное для организма вещество. Оно с потоком крови попадает в почки и выводится с мочой.

Рисунок 12. Схема гидролиза аргинина

Биологическая роль молибдена

Молибден является одним из важнейших биоэлементов. Как и марганец, молибден может реализовать восемь различных степеней окисления. В биохимических процессах он участвует в степенях окисления +5 и +6.

На примере молибдена можно проследить связь и взаимовлияние метабиологической активности микроэлементов. Избыток молибдена приводит к уменьшению концентрации меди и кобальта. Непосредственное взаимодействие между Мо и Сu может приводить к образованию в желудочно-кишечнем тракте труднорастворимого соединения CuMoO₄ [3].

Молибден образует устойчивые оксокомплексы и, видимо, поэтому входит в состав ферментов, обеспечивающих перенос оксогрупп. Кроме кислородных комплексов, молибден образует галогенидные, тиоцианатные и цианидные комплексы.

Молибден входит в состав ряда ферментов. В организме человека к ним относятся альдегидогидроксидазы, ксантиндегидрогеназы, ксантиноксидазы и сульфитоксидаза.

Ксантиноксидаза - важнейший фермент в обмене азота. Он катализирует оксиление пуринов. Конечным продуктом реакции является мочевая кислота, которая затем выводиться из организма с мочой. В ходе ферментативной реакции Mo⁶⁺ переходит в Mo⁵⁺, а потом в Mo⁴⁺.

Рисунок 13. Схема оксиления пурина при участии ксантиноксидазы

Предполагается, что в ходе каталитического процесса молибден образует связь с азотом и кислородом ксантина [3].

Так же ксантиониксидаза может катализировать окисление альдегидов.

Рисунок 14. Схема оксиления альдегида при участии ксантиноксидазы

Сульфитоксидаза представляет собой димер, образованный двумя идентичными субъединицами, каждая из которых содержит по одному атому молибдена и одной молекуле цитохрома. Она превращает сульфит в сульфат и строго специфична к своему субстрату.

SO₃^2- + H₂O → SO₄^2- + 2H⁺ +2e

Эта реакция является конечной стадией окислительной деградации цистеина, метионина и сульфатидов. Нарушение функции сульфитоксидазы приводит к большим неврологическим отклонениям и ранней смерти. Фермент присутствует в печени, где он локализуется в межмембранном пространстве митохондрий. Его физиологический акцептор электронов - цитохром с [1].

Практическая часть. Колебательные реакции

Перекись водорода. Для безопасной работы следует использовать защитную одежду, защитные очки и резиновые перчатки; при попадании на кожу или слизистые тщательно промыть водой; не ставить горючих материалов вблизи места хранения перекиси водорода.

Концентрированная серная кислота. Работать с концентрированной серной кислотой следует под тягой в защитной одежде, в защитных очках и в резиновых перчатках. При попадании на кожу тщательно промыть пораженное место водой и нейтрализовать кислоту содой.

Иодат и бромат калия. Соли являются сильными окислителями, поэтому работать с ними следует в защитной одежде, в защитных очках и резиновых перчатках. При попадании на кожу или слизистые тщательно промыть водой.

Используемые посуда и реактивы

Для реакции Бриггса-Раушера: электронные весы, чашка Петри, стеклянный шпатель, мерный стакан, мерный цилиндр, электрическая плитка, кристаллизатор, мерная пипетка, магнитная мешалка, H₂O_2(30%), KIO_3(тв), H₂SO_4(конц), крахмал, малоновая кислота, MnSO₄·5H₂O

Для реакции Белоусова-Жаботинского: электронные весы, чашка Петри, стеклянный шпатель, мерный стакан, мерный цилиндр, мерная пипетка, магнитная мешалка, KBrO_3(тв), H₂SO_4(конц), Ce(SO₄)_2(тв), лимонная кислота.

Методика реакции Бриггса-Раушера

Готовится 3 раствора. Назовем их «раствор 1», «раствор 2» и «раствор 3».

Раствор 1. 40 мл 30% H₂O₂ доводят дистиллированной водой до 100 мл.

Раствор 2. Нагревают 60-70 мл дистиллированной воды, а затем в ней растворяют 4,3 грамма иодата калия (из-за плохой растворимости иодата). Потом этот раствор ставят на ледяную баню и добавляют 0,4 мл концентрированной серной кислоты. После охлаждения раствора его объем доводят до 100 мл.

Раствор 3. 30 мл дистиллированной воды доводят до кипения. В другом стакане смешивают 0,3 г крахмала и 5 мл воды и тщательно перемешивают. Затем эту суспензию вливают в закипевшую воду и снова перемешивают. Еще в одном стакане готовиться раствор сульфата марганца(II) и малоновой кислоты. На 200 мл воды добавляют 1,4 г пентагидрата сульфата марганца(II) и 5,2 г малоновой кислоты. Затем к нему приливают крахмальный раствор и доводят объем конечного раствора до 300 мл.

Приготовленные растворы нужно слить в определенной последовательности. Так же важно, чтобы конечный раствор тщательно перемешивался, поэтому лучше проводить опыт на магнитной мешалке. Сначала отбирают 100 мл раствора 3 и добавляют к нему раствор 2. После того, как раствор немного пожелтеет, к нему добавляют раствор 1 и через секунд 30-60 наблюдаются колебания.