works.tarefer.ru
КОМПЛЕКСНЫЕ СОЕДРНЕНРРЇ (СЃРёРЅ. координационные соединения) — сложные химические вещества, РІ составе которых имеются комплексные РёРѕРЅС‹, образованные центральным атомом РІ определенной степени окисления Рё связанными СЃ РЅРёРј лигандами, С‚. Рµ. простыми Рё сложными ионами или молекулами. Рћ большом мед.-Р±РёРѕР», значении Рљ. СЃ. свидетельствует то, что жизненно необходимые человеку Рё всем живым организмам d-элементы (железо, кобальт, марганец, медь, молибден, цинк) находятся РІ РЅРёС… исключительно РІ РІРёРґРµ Рљ. СЃ., РіР». РѕР±СЂ. СЃРѕ сложными органическими молекулами — белками, азотсодержащими основаниями Рё РґСЂ. s-Рлементы (калий, кальций, магний, натрий) РІ живых организмах также частично находятся РІ составе Рљ. СЃ. Перспективы использования Рљ. СЃ. РІ медицине весьма велики. Лишь сравнительно немногие РёР· известных Рљ. СЃ. исследованы РЅР° Р±РёРѕР», активность. Обнаружено, что СЂСЏРґ Рљ. СЃ. платины проявляет противоопухолевую активность. Некоторые Рљ. СЃ. РІ мед. практике применяются РІ качестве лекарственных средств (напр., витамин Р’12 представляет СЃРѕР±РѕР№ Рљ. СЃ. кобальта). Рљ. СЃ. широко используются РІ анализе лекарственных веществ. Относительно простые Рљ. СЃ. РјРѕРіСѓС‚ служить моделями сложных ферментов или РґСЂСѓРіРёС… биологически активных высокомолекулярных соединений: известны Рљ. СЃ. кобальта, способные обратимо связывать кислород, РїРѕРґРѕР±РЅРѕ гемоглобину.
Для выяснения биохим, роли d-элементов необходимо изучение К. с., в виде которых эти элементы присутствуют в живых организмах. Природные К. с. железа, меди, кобальта, марганца, цинка получены в так наз. индивидуальном состоянии; это гемоглобин (см.), различные металлопротеиды (см.) и др. Особенности участия атомов d-элементов в биохим, процессах объясняются их способностью изменять в своих К. с. степени окисления и координационные числа. Атомы этих элементов входят в активные центры многих ферментов и биологически активных соединений. Наиболее хорошо изучен механизм действия железа в гемоглобине и ферментах цепи окисления — в цитохромах (см.). В этих веществах железо, связанное с протопорфирином, образует макроциклическое К. с. (гем). В гемоглобине железо способно повышать свое координационное число, т. е. число связанных с ним атомов или групп атомов, и за счет этого обратимо присоединять молекулу кислорода. В цитохромах железо служит переносчиком электронов, последовательно меняя степени окисления с +2 на +3 и наоборот.
Лиганды (СЃРј. Комплексоны) образуют так наз. внутреннюю сферу Рљ. СЃ. Заряд комплексного РёРѕРЅР° равен алгебраической СЃСѓРјРјРµ степени окисления центрального атома Рё зарядов лигандов. Р’ состав Рљ. СЃ., РїРѕРјРёРјРѕ комплексных РёРѕРЅРѕРІ, РІС…РѕРґСЏС‚ также противоположно заряженные РёРѕРЅС‹, РЅРµ связанные СЃ центральным атомом непосредственной С…РёРј. СЃРІСЏР·СЊСЋ. Рти РёРѕРЅС‹ образуют внешнюю сферу Рљ. СЃ. Р’ формулах Рљ. СЃ. центральный атом Рё лиганды заключаются РІ квадратные СЃРєРѕР±РєРё, РёРѕРЅС‹ внешней сферы записываются РІРЅРµ этих СЃРєРѕР±РѕРє (K3[FeF6]). Суммарный заряд комплексной частицы РёРЅРѕРіРґР° оказывается равным нулю, тогда Рљ. СЃ. РЅРµ имеет РёРѕРЅРѕРІ внешней сферы ([Co(Nh4)3(NO2)3]).
В названиях К. с. перечисляются лиганды с указанием их количества, называется центральный атом и обозначается степень его окисления (в скобках, римской цифрой). Если комплексная частица является анионом, к названию К. с. присоединяется окончание «-ат». Отдельно указываются ионы внешней сферы. Напр., К. с. K2[PtCl4], [Pt(Nh4)2Cl2] и [Pt(Nh4)4]Cl2 называются так: тетрахлороплатинат (II) калия, дихлородиаминплатина (II), тетраминплатина (II) хлорид.
К К. с. относится большинство неорганических соединений. Количество потенциально возможных К. с. чрезвычайно велико, т. к. число комбинаций различных центральных атомов и лигандов огромно. В тех случаях, когда в качестве лигандов выступают органические молекулы, соответствующие К. с. занимают промежуточное положение между неорганическими и органическими веществами.
В р-рах К. с. диссоциируют как сильные электролиты на комплексный ион и ионы внешней сферы. К. с., не имеющие ионов внешней сферы, в р-рах ведут себя как неэлектролиты. Однако комплексные ионы в р-рах К. с., в свою очередь, обратимо и ступенчато диссоциируют, отщепляя лиганды:
[ZnCl4]2- <-> [ZnCl3]- + Cl-
[ZnCl3]- <-> [ZnCl2] + Cl-
и т. д. Чем менее устойчиво К. с. в р-ре, тем больше относительное содержание продуктов диссоциации комплексных ионов.
Рљ. СЃ. образуют РјРЅРѕРіРѕ изомерных форм (СЃРј. Рзомерия). Особенно специфичны для Рљ. СЃ. РґРІР° РІРёРґР° изомерии: структурная (ионизационная) — различное распределение анионов между внутренней Рё внешней сферой Рљ. СЃ., напр. [Co(Nh4)5Br]SO4 Рё [Co(Nh4)5SO4]Br; геометрическая (стереоизомерия) — различный РїРѕСЂСЏРґРѕРє расположения лигандов РІРѕРєСЂСѓРі центрального атома, напр.
Способность атомов различных С…РёРј. элементов образовывать Рљ. СЃ., С‚. Рµ. играть роль центральных атомов, неодинакова. Наиболее типичными комплексообразователями являются атомы Рё РёРѕРЅС‹ d-элементов. Практически РІСЃРµ соединения d-эле-ментов являются Рљ. СЃ. или РїРѕ своему строению близки Рє РЅРёРј. Так, кристаллогидраты солей d-элементов являются Рљ. СЃ. СЃ молекулами РІРѕРґС‹ РІ качестве лигандов, Р° безводные соли имеют кристаллические структуры, РІ которых катионы d-элементов окружены анионами так же, как Рё РІ комплексных ионах. Хорошими комплексообразователями являются также f-элементы (лантаноиды Рё актиноиды). Меньшее количество Рљ. СЃ. известно для p-элементов. Углерод принадлежит Рє числу немногих элементов, РЅРµ образующих Рљ. СЃ., РЅРѕ РѕРЅ РІС…РѕРґРёС‚ РІ состав множества лигандов. s-Рлементы редко образуют устойчивые Рљ. СЃ. Наибольшее значение имеют РёС… Рљ. СЃ. СЃ комплексонами — так наз. коронными эфирами (циклическими соединениями, РІ молекуле которых чередуются атомы кислорода Рё РіСЂСѓРїРїС‹ — C2h5—).
Лигандами РјРѕРіСѓС‚ быть разнообразные РёРѕРЅС‹ Рё молекулы, имеющие неподеленные валентные электронные пары. Устойчивые Рљ. СЃ. образуются СЃ анионами F-, Cl-, Br-, I-, CN-, NO2-, Р O43-, S2O32- Рё РґСЂ. РР· молекул особенно хорошими лигандами являются те, РІ которых имеются атомы азота, кислорода, серы, фосфора [Nh4, Рќ2O, Nh3Ch4, Nh3Ch3COOH, (Nh3)2CS, P(C2H5)3 Рё РґСЂ.].
К. с. классифицируют в зависимости от вида лигандов и особенностей строения: К. с. с анионными лигандами — ацидокомплексы —
K3[Co(NO2)6], K4[Fe(ON)6], Na2[SiF6];
К. с. с водой — аквакомплексы, гидраты —
Fe[(h3O)6](NO3)3, [Cr(h3O)6]Cl3, [Be(h3O)4](NO3)2;
К. с. с аммиаком — аммиакаты — [Co(Nh4)6]Cl3, [Pd(Nh4)4]SO4, [Ag(Nh4)2]Cl;
К. с. с органическими аминами — аминокомплексы —
[Pt(C5H5N)4]Cl2, [Cd(Ch4Nh3)4](NO3)2;
смешанные К. с., содержащие различные лиганды,—
[Pt(Nh4)2Br2], [Ru(Nh4)5NO]Cl3;
многоядерные К. с., содержащие несколько координационных центров, соединенных мостиковыми лигандами — [(Nh4)5Co—N=С—CO(CN)5]; хелатные К. с.— содержащие циклически присоединенные лиганды:
Для образования хелатных Рљ. СЃ. необходимо, чтобы молекулы, присоединяющиеся Рє центральному атому РІ качестве лигандов, содержали РґРІР° или несколько атомов, способных образовывать РґРѕРЅРѕСЂРЅРѕ-акцепторные СЃРІСЏР·Рё СЃ центральным атомом. Хелатные Рљ. СЃ. обладают особенно большой устойчивостью. Весьма интересны лиганды, сами являющиеся сложными циклическими молекулами. Центральный атом, образуя Рљ. СЃ., помещается внутри такой молекулы. Образующиеся Рљ. СЃ. называют макроциклическими. Рменно такими Рљ. СЃ. являются природные соединения железа, меди, кобальта Рё магния СЃ производными порфирина.
Библиография: Гринберг А. А. Введение в химию комплексных соединений, Л., 1971; Методы и достижения бионеорганической химии, под ред. К. Мак Олиффа, пер. с англ., М., 1978; СкорикН. А. и Кумок В. Н. Химия координационных соединений, М., 1975, библиогр.; Яци-мирский К. Б. Введение в бионеорга-ническую химию, Киев, 1976, библиогр.
А. В. Бабков.
xn--90aw5c.xn--c1avg
Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова
Факультет фундаментальной медицины
Реферат на тему:
Комплексные соединения, их биологическая роль.
Порфириновые комплексы Fe и Mg.
Выполнил:
Москва — 2001
1. Введение. Обзор комплексов. Функциональное строение порфиринов
2. Гемоглобин – строение, механизмы работы
3. Общий путь образования тетрапиррольных предшественников (синтез основы).
4. Синтез гемоглобина и хлорофилла
5. Заключение.
6. Список использованной литературы
Введение.
Комплексные соединения в организмах обычно координируются ионами переходных металлов, например Mn, Co, Fe V(т.н. «биологически активных»). Содержание этих металлов в организмах очень мало, и уже из этого можно сделать предположение, что значение комплексов (доказанное прямым опытом – это почти всегда так) должно быть связано с катализом, т.к. именно активные катализаторы могут способствовать быстрым изменениям состава вещества, действуя в малых концентрациях. Также, комплексы переходных металлов могут играть роль переносчиков групп атомов и целых молекул, закреплять молекулы в определенном положении, поворачивать их, поляризовать и т.п. Металлы-комплексообразователи (таб.1) относятся к группе «жизненно важных», т.е. присутствуют во всех здоровых тканях человека и диапазон их концентраций практически постоянен в каждой ткани, а исключение из организма приводит к тяжелым последствиям.
(!!! здесь 24Рнтера!!! для таблицы!!!)
Обзор комплексов. Значение порфиринов.
Для живых организмов(животных, растений, бактерий) очень важны комплексные соединения металлов, в которых четыре координационных места занимает одна и та же частица, называемая порфином, содержащая четыре пирролоподобных цикла, соединенных =СН-группами (рис. 1):
Производными порфина являются порфирины. Р’ порфиринах, РІ отличие РѕС‚ порфина, имеются боковые цепи вместо некоторых РёР· 8 периферических пиррольных атомов РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°. Расположение Рё РІРёРґ заместителей определяют название Рё специфические функции, соответствующего РїСЂРѕРёР·РІРѕРґРЅРѕРіРѕ. Р’ нормальном обмене веществ человека участвует С‚.РЅ. Рзомер III. Рзомер I РІ значительных количествах появляется РїСЂРё довольно редком дефекте метаболизма. Остальные изомеры Сѓ человека РЅРµ встречаются.
Некоординированные («чистые») порфирины не проявляют биологической активности в организме человека, они работают только в комплексе с металлами (гем – комплекс порфирина и иона железа). В некординированном виде порфирины встречаются в качестве пигментов в скорлупе яиц, птичьих перьях и покровах червей.
Порфирины – это СЏСЂРєРѕ окрашенные соединения. Рљ РЅРёРј РІ настоящее время относятся представители многочисленного класса циклических ароматических соединений, содержащих многоконтурную сопряженную систему, РІ РѕСЃРЅРѕРІРµ которой лежит шестнадцатичленный макроцикл, состоящий РёР· четырех молекул пиррола Рё мостиков. РЈ порфиринов, имеющих красный цвет, пирролы соединены между СЃРѕР±РѕР№ метиновыми мостиками, Рё тогда макроцикл РЅРѕСЃРёС‚ название «порфин»(1). Р’ хлорофиллах, для которых характерна зеленая окраска, частично гидрированы РѕРґРёРЅ или РґРІР° пиррола Рё молекула РЅРѕСЃРёС‚ название «хлорин»(2) или «бактериохлорин»(3). Для кобаламинов, важнейшим РёР· которых является витамин Р’12, РІСЃРµ четыре кольца частично гидрированы Рё вместо РѕРґРЅРѕРіРѕ метинового мостика имеется непосредственная СЃРІСЏР·СЊ между пирролами. Ртот цикл называется РєРѕСЂСЂРёРЅРѕРј(4).
(!!! здесь 15Рнтеров!!! для 1Р™ картинки РёР· Р‘РРћРЎРНТЕЗА!!!)
В составе гемоглобина, миоглобина, цитохромов, каталазы и пероксидазы порфирины выступают в виде комплексов с ионами железа – гемов. Хлорофиллы и бактериохлорофиллы содержат магний. Витамин В12 и родственные ему кобаламины, как следует из названия, имеют в качестве центрального иона кобальт.
Р’ организмах встречаются комплексы, РІ которых некоторые атомы РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° РІ порфине замещены РЅР° метильные Рё винильные остатки РїСЂРѕРїРёРѕРЅРѕРІРѕР№ кислоты (протопорфирины). Рзвестны 15 возможных изомерных структур. Однако РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ каркас этой сложной молекулы сохраняется РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… сложных веществах: гемоглобине, цитохромах, витамине Р’12. РРѕРЅ металла замещает атомы РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° РґРІСѓС… пиррольных колец. РЎРІСЏР·Рё металла СЃ четырьмя атомами азота РґРІСѓС… РґСЂСѓРіРёС… пиррольных колец, которые лежат РІ РѕРґРЅРѕР№ плоскости, благодаря эффекту резонанса рассматриваются как одинаковые.
Важнейшим свойством порфиринов является наличие в молекуле координационной полости, ограниченной атомами азота, N4, имеющей радиус около 2Å и способной координировать ионы металлов М2+, М3+, М4+ и даже с большей степенью окисления. В результате комплексообразования образуются комплексные соединения порфиринов, т.н. металлопорфирины, обладающие многообразными структурными и химическими особенностями, высокой биологической и каталитической активностью. При этом металл либо занимает центр полости N4 и оказывается в экваториальной плоскости xy, образуя плоский координационный узел из атомов MN4, либо оказывается приподнятой над плоскостью, в которой лежат атомы N4 и образует координационные узлы различной геометрической структуры – от терагоналной пирамиды L(MN)4 (рис. 2) и октаэдра (L1 )(L2 )MN4 (рис. 3) до более сложных геометрических фигур.
Выход центрального атома из плоскости происходит, как правило, при донорно-акцепторном взаимодействии с молекулой L. Если металл М способен присоединить вторую молекулу L той же природы с противоположной стороны плоскостиxy, то он возвращается в центр плоскости N4. Лиганды (L1 ), способные вступать в координационную сферу металла, уже занятую четырьмя атомами азота порфирина, называются аксиальными.
Возможности молекул металлопорфиринов выступать в биологических процессах в качестве биокатализаторов (ферментов) значительно расширяется в связи с специфическим строением порфиринов и их комплексов, необычайным своеобразием их свойств и чрезвычайно большим структурным многообразием. Структурное многообразие связано с многочисленными путями химической модификации молекул порфина за счет замещения атомов водорода.
Рзвестно большое число биологических систем, РІ структуре которых металлопорфирины выполняют функции инициатора того или РёРЅРѕРіРѕ биологического процесса. Например, гем РІ составе гемопротеидов участвует РІ транспорте кислорода (гемоглобин), клеточном дыхании (цитохромы), утилизации пероксидов (каталаза). Наибольшее число исследований посвящено гемоглобину, гему РєСЂРѕРІРё, Рё процессам обратимой фиксации атмосферного кислорода РЅР° биологических Рё модельных системах.
Рассмотрим функциональные особенности и механизмы работы гемоглобина, как наиболее хорошо изученные.
Гемоглобин
Потребление атмосферного кислорода живыми организмами – важнейший биохимический процесс. Кислород транспортируется гемоглобином эритроцитов от легких к мышцам и удерживается в мышцах миоглобином. Гемоглобин и миоглобин представляют собой комплексы железа, в которых группа ферропротопорфирина (гема) содержит Fe (III) (рис.4):
Пятое координационное число занимает азот имидазола (Im) гистидинового остатка, через который осуществляется единственная связь группы гема с полипептидной цепью белка. В настоящее время известны аминокислотный состав и последовательность аминокислот в гемоглобинах, выделенных из разных животных, места присоединения частиц гема, пространственная структура гемоглобина (работы Перутца и др.). Гем локализован в расщелине между спиралями белка. Одна молекула гемоглобина, состоящая из четырех белковых субъединиц (глобулл), содержит четыре гема и, следовательно, четыре атома железа. Поскольку кислород в гемоглобине непосредственно фиксируется железом, то такая молекула может, постепенно насыщаясь, присоединить четыре молекулы кислорода. В молекуле миоглобина полипептидная цепь координирована железом гем-группы так же как в гемоглобине. Однако, в отличие от гемоглобина молекула миоглобина состоит из одной белковой субъединицы и содержит одну гемовую единицу. Структуры окси- и дезокси-форм различны, и это различие не исчерпывается тем, что одна из них содержит молекулы кислорода, а другая – нет.
При отсутствии кислорода атом Fe (II) в гемоглобине имеет координационное число 5, связан донорно-акцепторными связями с четырьмя координирующими атомами азота протопорфирина и одной менее прочной связью с третичным атомом азота проксимального имидазольного фрагмента гистидина (рис. 5). Координационный узел Fe (N4 ) N Im представляет собой квадратную пирамиду с атомом железа, удаленным от основания пирамиды на 0.8 Å. Шестое координационное место не в состоянии занять ни один из имеющихся поблизости лигандов (в том числе и Н2 О), кроме молекулярного кислорода. Молекула О2 вызывает оксигенирование гемоглобина, а точнее иона Fe (II). При этом комплекс Fe (N4 ) N Im из высокоспинового пирамидального состояния в низкосипновое октаэдрическое искаженное состояние с координационным узлом Fe (N4 ) N Im (О2 ).
РџРѕРґ влиянием кристаллического поля N-донорных атомов порфирина, Р° также аксиальных лигандов (Im Рё Рћ2 ) t42g e2g –конфигурацияFe (II) превращается РІ t62g e0g. РќР° вакантные eg -орбитали переходят СЃРёРіРјР°-электроные пары имидазола Рё кислорода. Считают, что молекула Рћ2 связывается РІ шестом координационном месте СЃ Fe (II) также Р·Р° счет дативной ПЂ-СЃРІСЏР·Рё. Координированный РёРѕРЅ железа поставляет пару электронов, находящуюся РЅР° его dyz (или dxz )-орбитали, РЅР° вакантную (разрыхляющую) pz -орбиталь молекулы Рћ2. Образованию ПЂ-СЃРІСЏР·Рё Fe (II) в†’ Рћ2 благоприятствует высокая электроннодонорная способность ПЂ-системы Рё проксимального имидазола. Атом железа после оксигенации РІС…РѕРґРёС‚ РІ координационную плоскость N4 Рё располагается ценртосимметрично. Структура белка РІ гемоглобине такова, что РѕРЅ экранирует РїРѕРґС…РѕРґ Рє атому Fe (II) всех РґСЂСѓРіРёС… молекул, имеющихся РІ РєСЂРѕРІРё, Рё своевременно регулирует его РґРѕРЅРѕСЂРЅРѕ-акцепторные свойства. Рсключение составляют токсиканты – СЏРґС‹ РєСЂРѕРІРё, Рє которым относятся РјРѕРЅРѕРѕРєСЃРёРґ углерода, РѕРєСЃРёРґС‹ азота, метиленовый СЃРёРЅРёР№. Проникая СЃ атмосферным РІРѕР·РґСѓС…РѕРј РІ легкие, РјРѕРЅРѕРѕРєСЃРёРґ углерода быстро преодолевает капиллярно- альвеолярную мембрану, растворяется РІ плазме РєСЂРѕРІРё, диффундирует РІ эритроциты Рё вступает РІ обратимое химическое взаимодействие как СЃ РѕРєСЃРё-, так Рё СЃ дезоксигемоглобином:
HbРћ2 + CO = HbCO + Рћ2
Hb + CO = HbCO, где Hb – гемоглобин.
Образующийся комплекс карбоксигемоглобин (HbCO) не способен присоединять к себе кислород. В молекуле гемоглобина СО координируется атомом железа, вытесняя О2. Одна молекула гемоглобина (точнее, четыре её гема) может присоединить до четырех молекул СО.
Важным производным гемоглобина является метгемоглобин, в молекуле которого атом железа находится в степени окисления +3. Метгемоглобин не связывает молекулярный кислород. Он образуется при воздействии на гемоглобин окислителей (оксидов азота, метиленового синего, хлоратов). Образование метгемоглобина в крови уменьшает количество в ней функционально важного оксигемоглобина и нарушает доставку кислорода к тканям. Комплексы железа с порфиринами участвуют не только в транспорте кислорода, но и выполняют множество других функций. Среди них процесс переноса электронов.
Общий путь образования тетрапиррольных предшественников
Начало исследований принято относить Рє 1945 РіРѕРґСѓ, РєРѕРіРґР° молодой американский ученый Шемин поставил эксперимент РЅР° собственном организме, РїСЂРёРЅСЏРІ порцию простейшей аминокислоты глицина, которая отличалась РѕС‚ обычной аминокислоты заменой изотопа 14 N РЅР° 15 N. Через некоторое время РѕРЅ выделил РёР· РєСЂРѕРІРё гемоглобин затем гемин, содержащий повышенное количество изотопа 15 N. Позднее было показано, что глицин конденсируется СЃ сукцинил-РєРѕСЌРЅР·РёРјРѕРј Рђ, давая Оґ-аминолевулиновую кислоту (Оґ-АЛК). Ртот процесс катализируется ферментом АЛК-синтетазой, его обязательным участником является фосфорилированная форма витамина Р’6 – пиридоксальфосфат. Последующими исследованиями было доказано, что Оґ-АЛК выступает РІ качестве общего предшественника РІ биосинтезе всех природных тетрапиррольных пигментов. Описанное образование Оґ-АЛК характерно для животных Рё ферросинтетических бактерий. Р’ растениях Рё Сѓ некоторых прокариотов Оґ-АЛК синтезируется РёР· глютаминовой кислоты.
(!!! здесь 24Рнтера!!! для 1Р™ схемы РёР· Р‘РРћРЎРНТЕЗА!!!)
Две молекулы δ-АЛК под действием фермента порфобилиноген-синтетазы конденсируются в молекулу пиррола, получившего название «порфобилиноген» (ПБГ). Следующая стадия биосинтеза – превращение четырех молекул ПБГ в макроцикл уропорфириноген III (Уро’ген III). Конденсация ПБГ в Уро’ген III состоит из двух этапов. На первом происходит полимеризация ПБГ под действием фермента ПБГ-деаминазы в линейный тетрапиррол. На втором в присутствии фермента косинтетазы происходит не только замыкание билана в макроцикл, но и поворот одного из пиррольных колец (пиррола D) с образованием природного изомера III типа – Уро’гена III. При отсутствии косинтетазы билан замыкается в другой изомер – Уро’ген I, который в последующем биосинтезе не участвует (это очень редкая патология обмена веществ у человека). Только при наличии двух ферментов – дезаминазы и косинтетазы – ПБГ замыкается в изомер III типа. Отдельно взятая косинтетаза не полимеризует ПБГ и не в состоянии изомеризовать Уро’ген I в Уро’ген III. Лишь в начале 90-х годов был окончательно раскрыт механизм образования Уро’гена III.
(!!! здесь 27Рнтеров!!! для 2Р™ схемы РёР· Р‘РРћРЎРНТЕЗА!!!)
После получения дезаминазы высокой степени чистоты генноинженерными методами стало возможным показать, что фермент (Р•) содержит активный центр – кофактор, состоящий РёР· РґРІСѓС… соединенных между СЃРѕР±РѕР№ молекул ПБГ. Ртот дипирролилметан ковалентно связан СЃ белком через атом серы остатка цистеина. Молекулы ПБГ последовательно присоединяются Рє дипирролилметану (СЃ потерей Nh4 ), образуя цепочку РёР· трех (ES1 ), четырех (ES2 ), пяти (ES3 ) Рё шести (ES4 ) пирролов, причем РІСЃРµ присоединения РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґСЏС‚ РїРѕ типу «голова Рє хвосту», Рё, следовательно, полипиррольная цепь имеет регулярно чередующиеся заместители Рђ-Р -Рђ-Р -Рђ-Р - Рё С‚.Рґ. После присоединения четвертой молекулы ПБГ тетрапиррольная цепочка отделяется СЃ образованием оксибилана. Дипирролилметан дезаминазы СЃРЅРѕРІР° готов Рє наращиванию полипиррольного ансамбля (схема↓).
(!!! здесь 14Рнтеров!!! для 3Р™ схемы РёР· Р‘РРћРЎРНТЕЗА!!!)
Наличие простетичсекой РіСЂСѓРїРїС‹ РІ дезаминазе, построенной РёР· молекул, подобных субстрату, – явление необычное для ферментов. Рзвестно только, что, действуя РЅР° дезаминазу сильными кислотами, удается отщепить депирролилметан. Полученный апофермент уже РЅРµ обладает каталитической активностью. Лишь после присоединения РґРІСѓС… первых молей ПБГ РїСЂРё определенном pH дезаминаза СЃРЅРѕРІР° становится СЃРїРѕСЃРѕР±РЅРѕР№ Рє обратимому присоединению четырех молекул ПБГ.
Синтезированный оксибилан под действием второго фермента косинтетазы превращается в Уро’ген III. Для этой циклизации, сопровождающейся обращением пиррольного кольца D, за долгие годы изучения этой реакции предложено свыше двух десятков механизмов. В настоящее время наиболее обоснованным представляется поворот кольца D за счет образования спиро-структуры (на схеме).
После образования Уро’гена III происходит первое разветвление путей биосинтеза тетрапиррольных пигментов. Декарбоксилирование Уро’гена III ведет к порфиринам и хлорофиллам, а С-метилирование – через прекоррин-1 – к витамину В12 и другим кобаламинам.
Биосинтез протогема
(!!! здесь 29Рнтеров!!! для 4Р™ схемы РёР· Р‘РРћРЎРНТЕЗА!!!)
Копро’ген III под действием копропорфириногеноксидазы подвергается окислительному декарбоксилированию. В результате два остатка пропионовой кислоты в положениях 3 и 8 превращаются в винильные группы и образуется протопорфирин IX(Прото IX). На этом участке происходит дальнейшее разветвление путей биосинтеза. Введение ионов двухвалентного железа (фермент феррохелатаза) приводит к образованию протогема, который является простетической группой в многочисленных природных белках – гемопротеидах.
Включение в Прото IX магния начинает новую цепь биосинтетических превращений, ведущую к хлорофиллу а, бактериохлорофиллу и другим зеленым пигментам, общее количество которых на сегодня превышает 50 типов.
Ниже приведена схема, основных превращений магниевого комплекса Прото IX в хлорофилл а (Хл а ).
(!!! здесь 35Рнтеров!!! для 5Р™ схемы РёР· Р‘РРћРЎРНТЕЗА!!!)
Существенным отличием этой ветви биосинтеза РѕС‚ ранее рассмотренной является то, что РїСЂРё биосинтезе Прото IX большая часть промежуточных соединений находится РІ растворах, перемещаясь РѕС‚ РѕРґРЅРѕРіРѕ фермента Рє РґСЂСѓРіРѕРјСѓ, причем сами ферменты также РїРѕ большей части растворены РІ цитоплазме клетки. Биосинтез хлорофиллов, напротив, протекает только РІ хлоропластах, РІСЃРµ ферменты закреплены РІ мембранах Рё часто образуют сложные ассоциаты. Рто значительно затрудняет изучение отдельных стадий, механизмов превращений промежуточных соединений, Рё, РІ СЃРІСЏР·Рё СЃ этим, общая картина биосинтеза РҐР» Р° остаётся менее СЏСЃРЅРѕР№.Р’ целом же Рѕ биосинтезе известно следующее. После введения РёРѕРЅР° магния РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ этерификация остатка РїСЂРѕРїРёРѕРЅРѕРІРѕР№ кислоты РІ положении 13. Далее этот остаток окисляется через несколько промежуточных стадий, давая после замыкания кольцо Р•(12). Затем РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ восстановление винильной РіСЂСѓРїРїС‹ РґРѕ этильной РІ положении 8 СЃ образованием 3-винилпротохлорофилла(13).
Следующая важная стадия включает РІ себя восстановление РґРІРѕР№РЅРѕР№ СЃРІСЏР·Рё РІ кольце D. Рсключительно важную роль играет РїСЂРё этом освещение растений. Показано, что РІ отсутствии света Сѓ высших растений накапливается протохлорофиллид. Даже короткая световая экспозиция РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє превращению протохлорофиллида РІ хлорофиллид(14). Р’ то же время, низшие растения Рё водоросли РјРѕРіСѓС‚ синтезировать хлорофиллид Рё РїСЂРё отсутствии света. РќР° заключительном этапе РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ этерификация хлорофиллида природным спиртом фитолом РїСЂРё участии РѕСЃРѕР±РѕРіРѕ фермента хлорофиллсинтетазы. Р’ результате образуется хлорофилл Р° (15).
(!!! здесь 18Рнтеров!!! для РҐР» b Рё БХл Р° РёР· Р‘РРћРЎРНТЕЗА!!!)
Пути биосинтеза РґСЂСѓРіРёС… хлорофиллов, Р° также бактериохлорофиллов изучены РїРѕРєР° недостаточно. Рзвестно, однако, что РІСЃРµ эти пигменты образуются через РҐР» Р°. Р’ случае хлорофилла b РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ окисление метильной РіСЂСѓРїРїС‹ РІ положении 7 РґРѕ формильной (16). Образование самого распространенного среди бактериохлорофиллов Р° –изомера (17) включает превращение винильной РіСЂСѓРїРїС‹ РІ ацетильную, гидрирование второго пиррольного остатка Р’ Рё этерификацию остатка РїСЂРѕРїРёРѕРЅРѕРІРѕР№ кислоты фитолом.
Заключение
Металлопорфирины являются макроциклическими комплексами, и это накладывает отпечаток на их строение и свойства. Однако, они отличаются от бесчисленного множества других групп макроциклических комплексов тем, что являются ароматическими макроциклами с уникальной сопряженной π-системой. Ароматичность порфиринов определяет их электроннодонорные свойства, то есть способность к снижению локальных положительных и отрицательных зарядов путем их распределения по ароматическим орбиталям. Вследствие этого стабилизируются катион- и анион-радикальные формы, а также различные степени окисления металлов, возникающие в процессе функционирования биологически активных соединений на основе металлопорфиринов.
Рзложенные здесь пути биосинтеза протогема Рё хлорофилла Р° показывают, насколько близко переплетаются фундаментальные процессы жизнедеятельности РІ бактериях, высших растениях Рё животном РјРёСЂРµ. РџСЂРё значительных различиях объектов исследования РІ рассмотренных схемах используются близкие или общие методы построения промежуточных соединений.
Успешное раскрытие путей биосинтеза «пигментов жизни» можно рассматривать как важный этап в развитии современной молекулярной биологии и биохимии. Полученные знания могут быть использованы и в медицинской практике в борьбе с определенными наследственными заболеваниями, при химических отравлениях и других процессах, связанных с нарушениями биосинтеза гемопротеидов. Примером успешного использования биосинтеза гема явился предложенный недавно модифицированный метод фотодинамической терапии рака, основанный на введении в организм пациента δ-АЛК, которая превращается в Прото IX, а последний накапливается в злокачественных опухолях[1].
Список использованной литературы
1. Блюменфельд Л.А. «Гемоглобин»/СОЖ, №4, 1998
2. Миронов А.Ф. «Биосинтез тетрапиррольных пигментов»/СОЖ, №7, 1998
3. Улахович Н.А. «Комплексы металлов в живых организмов»/СОЖ, №8, 1998
4. Tradeth A. et al. В«Clinical chemistryВ», L: Oxford University press, 1976
[1] Статья А.Ф. Миронова в СОЖ №8 за 1996, С.32
www.ronl.ru