Обмен биометаллов

Обмен воды тесно связан с обменом электролитов и металлоорганических комплексов. В живой материи обнаруживается 76 химических элементов, причем 16 из них - обязательные компоненты всех классов организмов.

Химические элементы по содержанию в организме условно подразделяют на макроэлементы (содержание 10'2 масс.% и более) и микроэлементы (1012— 10"3 масс.%). Из металлов к первой группе относятся Са, К, Na, Mg, Fc, а ко второй - Mn, Си, Zn, Со, Mo, А1.

Необходимые для жизнеобеспечения организма биометаллы и, в частности, минеральные вещества поступают в организм с пищей. При этом важно не только их абсолютное количество, но и соотношение между некоторыми компонентами. Так, оптимальное соотношение между кальцием и фосфором в организме составляет 2:1, а соотношение натрий : калий : кальций - 100:1:1,5.

Минеральные вещества усваиваются в основном в тонком кишечнике. Некоторое количество всасывается в желудке и в толстом кишечнике. Диффузия солей через мембраны требует затрат энергии.

После всасывания минеральные соли поступают в печень и далее - переносятся в различные органы. Их доля в организме 2-3%, но распределяются они в органах и тканях неравномерно.

Для натрия и калия основным депо служит кожа и мышцы. Печень содержит много железа, меди, кобальта, марганца, молибдена, селена и др.

Катионы кальция и магния откладываются в виде фосфатов, галогенидов и карбонатов в костях. Здесь же откладывается и ряд микроэлементов (фтор, стронций, цезий, алюминий, свинец, олово и др.).

Важнейшая функция минеральных веществ заключается в регуляции кислотно-основного равновесия, в частности, в поддержании постоянства pH в крови и тканях. Они поддерживают также на определенном уровне осмотическое давление крови и лимфы, существенно влияют на состояние структуры тканей. Свободные ионы определяют конфигурацию белков, а вместе с ней и биологическую активность последних. Ионы влияют также на функцию нервной системы, двигательных и секреторных клеток.

Среди биометаллов есть элементы, образующие преимущественно ионные (Na, К, Mg, Са) или ковалентнополярные связи (Мо). Другие же металлы: Fe(II), Fc(III), Co(II), Cu(II), Zn(II) - проявляют себя как сильные комплексообразователи, образующие прочные координационные соединения. Однако в биохимических процессах участвуют и менее устойчивые комплексы, образованные Мп(Н), Са(Н), Mg(II). В виде комплексов с макроциклическими лигандами, в частности, белковой природы, в метаболических процессах также участвуют ионы Na", КГ.

Значительное место в процессах метаболизма занимают комплексы металлов с неорганическими лигандами - нейтральными молекулами (Н20,С02, 02, N2, NH3) и анионами (ОН", СО32*, РО43’, SC>42‘, NO3", F", Cl", I" и др.). Однако большую часть биолигандов составляют органические молекулы как низкомолекулярные, так и макромолекулы, в частности, белковые молекулы ферментов.

Жизненно важными являются комплексы металлов с азотистыми макроциклическими лигандами, из которых наибольшее значение имеют порфирины и коррины, построенные на основе четырех конденсированных пиррольных колец.

Порфиринат железа(Н) входит в качестве простстичсской группы в состав хромопротеида гемоглобина, выполняющего роль переносчика кислорода (см. п. 9.3 - Структура и классификация белков; п. 11.1.1 - Состав крови). Гемоглобин составляет 90% плотного остатка эритроцитов - красных кровяных телец, массовая доля которых в крови составляет 39-49%.

Магнийпорфириновый комплекс составляет основу хлорофилла, играющего важную роль в процессе фотосинтеза (см. п. 7.2.8).

Аналогичный по строению корриновый комплекс кобальта(Ш) входит в состав цианкобаламина - витамина В12 (см. п. 5.2.6).

Структура металлокомплекса, в частности, геометрия полости вокруг центрального атома, определяет его субстратную стереоселективность, т.е., форму, размеры и природу субстрата, способного координироваться с катионом металла и подвергаться каталитическому превращению. Так, в ферменте карбоксипсптидазс в тетраэдрической координационной сфере Zn2 два места заняты атомами азота имидазольных остатков аминокислоты гистидина, третье положение принадлежит атому кислорода аминокислоты глутамина, а в четвертом - расположена молекула воды.

Процессу каталитического гидролиза пептидной связи предшествует координация центрального атома Zn+2, как кислоты Льюиса, с карбонильным атомом кислорода, место которому уступает молекула воды:

Ферменты - переносчики электронов, включающие «негемовое» железо - ферредоксины - содержат железо, связанное с четырьмя атомами серы цистеиновых фрагментов белка (цистеин - серосодержащая аминокислота HS-CH2-CH(NH2)-COOH):

Белковая макромолекула фермента оксидазм аскорбиновой кислоты включает в свой состав 8 атомов меди, а фермент интрогеиаза, катализирующая восстановление N2 в аммиак, содержит атомы Fe, Mg и Мо.

Белки типа трансферрина образуют хелатный комплекс с Fe(III) и обеспечивают его перенос через биомембраны.

Как показано в разделе «Ферменты и коферменты» (гл. 4), большинство ферментов состоит из белковой макромолекулы или ассоциата нескольких таких молекул (апофермента) и небелковой части (кофер- мента). В мсталлофермснтах катион металла обычно входит в кофер- мент. По типу катализируемых реакций различают несколько классов ферментов, важное место среди которых занимают гидролазы (катализируют реакции гидролиза) и оксидо-редуктазы (катализируют окислительно-восстановительные реакции). Реакции гидролиза катализируют металлоферменты, содержащие ионы Ca(II), Mg(II), Zn(ll) и Mn(II), а окислительно-восстановительные реакции - Fe(II) (в цито- хромах), Cu(II), Mn(II), Mo(VI).

Большой интерес представляют природные иопофоры (энниатины, нактины, валиномицин), осуществляющие перенос катионов щелочных металлов и металлов подгруппы II А через клеточные мембраны. Обрамление молекулярной полости энниатина можно представить в следующим виде:

Ионофоры обычно проявляют высокую селективность по отношению к катионам металла. Так, валиномицин может проводить в 10 тыс. раз больше катионов калия, чем натрия.

Механизм действия молекул природных ионофоров моделируют краун-эфиры, нашедшие применение в химической технологии для извлечения и разделения редких металлов, в приборостроении - для создания чувствительных датчиков, а также в медицине, в частности, в качестве антидотов при отравлении соединениями некоторых металлов. Краун-эфиры представляют собой макроциклические лиганды из класса простых эфиров, способные удерживать в своей полости катион металла за счет взаимодействия с его вакантными орбиталями (электромагнитным полем) нсподеленных пар электронов гстсроатомов (О, N, S):

Особенностью краун-эфиров является высокая селективность к катиону металла, обусловленная строго фиксированным размером полости. В частности, краун-эфиры образуют прочные координационные соединения с катионами щелочных металлов. При этом, варьируя размер полости за счет изменения размера цикла и природы связанных с ним заместителей, можно связывать катионы избирательно. Например, дициклогексил-12-краун-4 образует прочные комплексы с катионом натрия, радиус которого лучше всего соответствует размеру полости эфира, в то время как устойчивость комплексов данного лиганда с калием значительно ниже.

Замена атомов кислорода в краун-эфире на серу увеличивает размер полости, что позволяет этим лигандам образовывать прочные координационные соединения с катионами металлов подгруппы II А. Тиокраун-эфиры - перспективные реагенты для определения содержания щелочноземельных металлов, в частности, радиоактивного изотопа 90Sr, а также для выведения последнего из организма.

В биохимической практике, медицине и в химическом анализе для получения координационных (комплексных) соединений широко применяются полидентатные комплексоны ряда аминокислот:

Чаще всего находит применение динатриевая соль ЭДТА (три- лон Б, комплексен III). С его помощью определяют содержание кальция и магния в водной вытяжке из почвы, примеси магния в калийных удобрениях и общую жесткость воды (молярную концентрацию эквивалентов Са и Mg, ммоль/л).

Хотя ион Са2+ является слабым комплексообразователем, его хелатный комплекс с ЭДТА довольно устойчив (Ку *10п).

Подобные комплексы железа, полученные на основе трилона Б и других полидентатных лигандов, используются для борьбы с хлорозом - заболеванием многолетних растений (плодовых деревьев, винограда, кустарников), обусловленным нехваткой в известковых почвах водорастворимых форм Fe(lII). Хлороз проявляется в нарушении процессов синтеза хлорофилла в листьях больных растений.

К полидентатным лигандам относятся полимерные молекулы солей полифосфорнмх и поликремниевых кислот, полиэфиров этиленгликоли (lI-foCH2CHjj^OHJ, низкомолекулярные полифункцио- нальные соединения из класса карбоновых кислот, кислород-, азот- и серосодержащих гетероциклов, полипептидов и др.

Хорошо известна цветная реакция на полипептиды и белки (биу- ретовая реакция), основанная на их комгшексообразовании в щелочной среде с гидроксидом мсди(Н).

Многие лекарственные препараты и яды являются потенциальными лигандами (или их предшественниками), способными координироваться с каталитическими мсталлоцснтрами, изменяя тем самым их активность или стереоспецифичность. Кроме этого, процессы комплексообразования биометаллов с лекарственными препаратами могут способствовать выводу этих металлов из организма. Предполагается, что функцию веществ, выводящих из организма ионы тяжелых металлов, в том числе и радионуклидов (продуктов радиоактивного распада), играет грубая клетчатка, пектины, не перевариваемые в организме человека, и окрашенные пигменты красных вин, овощей и фруктов.

В действии различных микроэлементов и лекарственных препаратов может наблюдаться физиологический синергизм или антагонизм. В первом случае присутствие одного компонента усиливает активность другого. При этом эффект совместного действия ряда факторов больше, чем эффект последовательного действия каждого из них в отдельности. Например, лечение анемии с помощью комплекса микроэлементов и витаминов дает лучший терапевтический эффект, нежели разрозненное применение отдельных компонентов.

Если же один элемент подавляет действие другого, то в данном случае говорят об их функциональном антагонизме. На принципе антагонизма основано действие антидотов (противоядий). Антагонистами являются железо и марганец, литий и натрий, бериллий и магний, молибден и цинк, кобальт и магний. Избыток в организме цинка вызывает угнетение активности железосодержащих ферментов. В то же время медь препятствует такому действию цинка.

Передозировка любого из жизненно необходимых микроэлементов приводит к отрицательному воздействию на организм. По этой причине важнейшей задачей при создании новых композиций фармакологических препаратов, пищевых и кормовых добавок является оптимальный подбор качественного состава и соотношения компонентов, а также биоорганической «упаковки» микроэлементов, обеспечивающих усвояемость, синергизм действия и, в конечном итоге, положительный терапевтический эффект.

Хелатные комплексы металлов используются в химиотерапии. В частности, комплексы жслсза(Ш) с оксином (8-оксихинолином) обладают противогрибковым и антибактериальным действием.

Соединения и комплексы золота Au(I) с серусодержащими лигандами применяются для лечения ревматического артирита. А имеющие цис- конфигурацию комплексы платины, например, цис- дихлордиамминплатина(Н), являются противоопухолевыми средствами. Предполагают, что механизм их действия заключается в том, что в опухолевой клетке они связываются к ДНК и ингибируют ее репликацию.

Пеницилламин сн^С(СН3)-сн-соон способствует выведению ме- SH nh2

ди с мочой у больных, страдающих болезнью Вильсона.

Установлена способность тетрациклинов захватывать ионы металлов (Cu2+, Ni2+, Zn2+). Существует корреляция между антибактериальными свойствами антибиотиков и их способностью образовывать стабильные хелатные комплексы с ионами кальция.

Избыточное количество ионов металлов ингибируют действия тетрациклинов.

Соединения железа при передозировке соответствующих препаратов могут вызвать сидероз. К такому заболеванию может привести и употребление пива, сваренного в железных чанах.

Проблемой глобального масштаба является загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами и некоторыми токсичными неметаллами.

Среди экологически опасных веществ отмстим соединения ртути (промышленные стоки и фунгициды), кадмия (производственные электрохимические процессы), мышьяка (из инсектицидов, гербицидов и продуктов сгорания угля), свинца (тетраэтилсвинец как антидетонатор моторного топлива, технологические процессы). Очень токсичны ионы Вс , ТГ и соединения плутония.

Вредные металлы вытесняют естественные ионы, связываются с биологическими активными центрами, предпочтительно с серосодержащими лигандами, азотистыми основаниями и фосфатными группами, нарушая метаболические процессы, в частности, ингибируя действие металл оферментов.

На абсорбцию, распределение и токсичность ряда металлов и металлоидов в высокой степени влияют процессы их метилирования.

Так, неорганические соединения ртути, попадая в водоемы со сточными водами, под влиянием микроорганизмов донных отложений подвергаются метилированию с образованием иона CHhHg*. Ион CH^Hg* растворяется в липидах, что позволяет ему накапливаться в мозге и вызывать необратимые процессы отравления.

В качестве метилирующего средства может также выступать СНзСо(Ш)-корриноид (витамин В12).

Биометилирование характерно также для свинца, мышьяка, талия, селена, платины и др. элементов.

Большинство способов лечения отравлений металлами предполагает использование хелатирующих агентов с целью образования и быстрого выведения растворимых и малотоксичных комплексов.

Следует отметить ярко выраженную способность растений приспосабливаться к высокому содержанию токсичных металлов (Си, Cd, Pb, Zn, Sn, Ni и др.) в почве. Первым участком растения, на который действуют тяжелые металлы, является поверхность корней. Один из возможных механизмов развития толерантности растений состоит в способности включенных в состав ферментов (кислых фосфатаз) специфических белков клеточной стенки связывать и, таким образом, инактивировать ионы этих металлов, не пропуская их в клетку.

Растения-индикаторы, указывающие на наличие в почве ценных минеральных отложений, содержащих Ni, Ag, Au, U и др., используются в геологеразведке.

Различные области Земли отличаются друг от друга химической средой жизни и миграцией химических элементов, что существенно влияет на минеральный обмен проживающий на данной территории животных. Таких областей, называемых бногеохимическими провинциями, на Земле существует 25.

Нарушение обмена веществ у животных, обусловленное природным геохимическим фактором, нередко приводит к эндемическим заболеваниям (от греческого endemos - местный). Например, в районах, где почвы и вода бедны иодом, встречается эндемический зоб. А в биогсохимичсской провинции с пониженным содержанием кобальта и меди распространена эндемическая анемия.

Вопросы для самоконтроля

  • 1. Какие виды воды существуют в животных организмах? Их функциональная роль.
  • 2. Назовите макроэлементы и микроэлементы, содержащиеся в организме? Какую биологическую роль они играют?
  • 3. Опишите структуру гемоглобина и хлорофилла.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >