Бионеорганическая химия (стр. 4 из 6)

Транспорт железа от ферритина к красным кровяным тельцам происходит с помощью белка трансферрина, очень прочно связывающего Fe (III) в хелат. Установлено, что хелаты Fe(III), образованные белками типа трансферрина, переносят железо через биомембраны, тогда как сам по себе фосфат железа, содержащийся в ферритине и гемосидерине, преодолеть этих преград не может.

Транспорт О₂ в организме животных и человека осуществляется железосодержащими комплексами - гемоглобином и миоглобином. Оба этих белка содержат «гем-группы», представляющие собой порфириновый комплекс железа:

Гемовая группа присоединяется к белковой части молекулы гемоглобина и миоглобина путем координации гистидинового атома азота белка ионом железа гемовой группы. Таким образом, в координационную сферу иона железа входит пять атомов азота (четыре атома азота порфирина, один атом азота белкового гистидина). Шестое координационное место занимает Н₂О или О₂.

Гемоглобин имеет молекулярную массу 64 500 и включает четыре гем-группы. Миоглобин сходен с гемоглобином по строению, но содержит только одну гем-группу. Гемоглобин почти так же хорошо, как миоглобин, связывает кислород при высоком давлении кислорода, но, когда давление кислорода падает, преимущество в связывании О₂ имеет миоглобин. Падение давления О₂наблюдается в тканях мышц, потребляющих кислород. Результатом использования кислорода является накопление в мышцах СО₂ и, как следствие, понижение рН. Это еще более способствует высвобождению О₂ из гемоглобина и передаче кислорода миоглобину. Таким образом, и гемоглобин, и миоглобин участвуют в переносе кислорода.

Теряя кислород, железо в гемоглобине (форма дезоксигемоглобина, КЧ железа = 5) переходит в высокоспиновое состояние. Ослабление связи с атомами азота порфирина приводит к выходу атома железа из плоскости кольца порфирина (на 0,7-0,8Ǻ). Напротив, вследствие присоединения кислорода к гемоглобину образуется низкоспиновый октаэдрический комплекс, железо в котором находится в плоскости порфиринового кольца (КЧ железа = 6). Хотя связывание молекулярного кислорода гемоглобином и миоглобином сопровождается ослаблением связи O = O в молекулярном кислороде из-за размещения π-дативных электронов железа на разрыхляющих орбиталях О₂, этот процесс сам по себе не сопряжен с необратимым переносом электрона, поэтому его обычно не причисляют к ферментативным окислительно-восстановительным реакциям. Отметим, однако, что разрыхление связи O = O в не может не активировать окислительные реакции.

Например, можно рассматривать взаимодействие активированной формы О₂ с восстановленной формой субстрата StH₂, сопровождающееся переходом его в окисленную (дегидрированную) форму St:

При этом кислород превращается в Н₂О и Н₂О2 с выделением энергии.

Металлсодержащие ферменты

Далеко не все ферменты, катализирующие биологически важные процессы в организме животных и растений, содержат ионы металлов. Однако металлсодержащих ферментов только в организме человека несколько сотен, и их биологическая роль чрезвычайно важна. Нарушение структуры или удаление из организма даже одного из них приводит к тяжелым расстройствам функций организма, а затем и к его гибели.

Металлсодержащие ферменты представляют собой координационные соединения, и поэтому их исследованием занимается неорганическая химия или, точнее, координационная химия.

Рассмотрим строение и биологическую роль нескольких металлоферментов.

Каждый фермент состоит из двух частей: кофермента и апофермента. Кофермент - это легко отделяемая часть фермента. В металлоферментах ион металла составляет основную часть кофермента. Апофермент-остальная часть фермента, которая в отсутствие кофермента не проявляет ферментативной активности.

Обычно рассматривают две группы металлоферментов, различающихся по типу катализируемых ими реакций: ферменты, катализирующие реакции гидролиза, и ферменты, катализирующие протекание окислительно-восстановительных реакций.

Ферментативный катализ реакций гидролиза

Реакции, протекающие в организмах животных и растений с участием воды, играют важнейшую роль в процессе обмена веществ и служат одним из основных источников "энергии, запасаемой организмом.

Реакции гидролиза катализируются обычно теми металлоферментами, которые содержат ионы Са²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺ и Мn²⁺. Хотя ион Мn²⁺ легко вступает в окислительно-восстановительные реакции, в ходе гидролитических реакций он, как и все упомянутые ионы, не меняет степени окисления.

Наиболее хорошо изучены строение и биологическая роль двух из металлоферментов, катализирующих гидролитические процессы, - цинксодержащих ферментов карбоангидразы и карбоксилазы. Отметим, однако, что только в организме человека содержится несколько десятков цинксодержащих ферментов, различающихся по своему строению и функциям.

Карбоангидраза состоит из больших белковых молекул с молекулярной массой 430 000. Каждая из таких макромолекул содержит 260 аминокислотных остатков. Форма молекулы карбоангидразы - эллиптическая, размеры ее (40x45x55) А³. Эллиптическая молекула карбоангидразы имеет полость, причем аминокислоты, составляющие белок апофермента, расположены так, что гидрофобные их части как бы выстилают внутреннюю полость макромолекулы. В одной молекуле фермента содержится только один ион Zn²⁺, который находится вблизи центра полости карбоангидразы. Координационный полиэдр комплекса, центральным ионом которого является Zn²⁺, представляет собой искаженный тетраэдр. Три положения в координационной сфере Zn²⁺ занимают донорные атомы азота из имидазольных групп аминокислоты гистидина:

Четвертое координационное место занято молекулой Н₂О или ионом ОН^-. Фермент карбоангидраза содержится в красных кровяных тельцах. Установлено, что карбоангидраза примерно в 10⁶ раз ускоряет реакцию образования бикарбонат-иона и обратную ей реакцию распада НСО₃^-:

Рассмотрим предполагаемый «концертный» механизм действия карбоангидразы. Ион Zn²⁺, входя в состав несимметрично построенного координационного соединения (имеющего по этой причине напряженную структуру), обладает высокой реакционной способностью. Столкновение на активном центре карбоангидразы иона Zn²⁺, СО₂ и иона ОН ^- в полости карбоангидразы приводит к активации всех участвующих в реакции веществ, в результате чего быстро образуется бикарбонат цинка:

Следующий этап процесса состоит в обмене образовавшегося бикарбонат-иона на Н₂О или ОН-, т. е. в высвобождении активного центра фермента для последующих актов катализа.

Установлено, что ингибирование реакции синтеза и распада бикарбонат-ионов достигается введением в координационную сферу иона Zn²⁺ лигандов, образующих более прочную связь с Zn²⁺, чем с НСО₃^-,Н₂О или ОН^-. Такими являются ионы CN^-, N₃^-, S2O4^{2 -} и др. Так как в некатализируемых условиях (в присутствии CN^-, N₃ ^- и т. д.) синтез НСО₃ ^- и его распад протекают слишком медленно, физиологические требования не выполняются, нормальное состояние организма нарушается.

Каталитическая активность карбоангидразы не понижается при замене Zn²⁺ на ион Со²⁺, в других случаях активность фермента либо падает, либо исчезает.

Карбоксипептидаза представляет собой фермент, вырабатываемый поджелудочной железой млекопитающих. Так же как карбоангидраза, этот фермент содержит один ион Zn²+ на одну белковую макромолекулу, молекулярная масса которой 34300. Биологическая роль карбо-ксипептидазы заключается в катализе процесса гидролиза пептидов - разрыве пептидной связи на карбоксильном конце пептидной цепи:

Ион Zn²⁺ в карбоксипептидазе, так же как в карбоангидразе, находится в полости активного центра фермента, но только два места в его координационной сфере заняты азотом имидазольных остатков гистидина. Третье место занято кислородом другой аминокислоты - глутамина. Четвертое координационное место в координационной сфере Zn²⁺ принадлежит молекуле воды. Таким образом, и в этом ферменте координационная сфера Zn²⁺ несимметрична, что, по-видимому, обусловливает напряженность структуры фермента и является обязательным условием каталитической активности комплексных соединений.

Предполагают, что одной из важных стадий каталитического процесса, протекающего с участием карбоксипептидазы, является координация ионом Zn²+ атома кислорода карбонила пептидной цепи с вытеснением Н₂О, занимающей одно место в координационной сфере. Координация цинком карбонильного кислорода ослабляет связь С-N в пептидной цепи, что облегчает ее разрыв, сопровождающийся гидролизом. Гидролиз разорванной цепи приводит к ослаблению координации карбонильного кислорода пептидной цепи ионом Zn²⁺. Происходит вытеснение молекулой Н₂О, затем вновь следует координация ионом Zn²⁺ карбонильного кислорода неразорванной цепи и т, д, Ферментативная активность карбоксипептидазы сохраняется, если Zn²⁺ заменить на ион Со²⁺, так же как в случае карбоангидразы. По-видимому, это связано с очень близкими величинами констант устойчивости (т. е. сходными термодинамическими, характеристиками) аналогичных комплексов Zn²⁺ и Со²⁺, а также одинаковыми размерами этих ионов. Замена Zn²⁺ в карбоксипептидазе на Gd²⁺, Hg²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺ приводит к исчезновению каталитической активности фермента.