отношении является частным проявлением более общей закономерности— образования металлоорганических комплексов, основного типа соединений в биологических системах. Комплексообразование в большей или меньшей степени свойственно всем элементам периодической системы, однако наиболее выражена эта способность у катионов металлов.
В комплексном соединении ион металла занимает центральное место. Ионы или молекулы, образующие комплекс с металлом, называются аддендами или лигандами. Простыми анионными лигандами in vivo являются СО§- НСО§- POJ-, HPOJ-, Н 2 РО~, F~ С1~, Вг~, J-, вода. Наряду с этим лигандами может служить большое число природных органических соединений. Это аминокислоты, пептиды, белки, нуклеопротеиды, нуклеиновые кислоты, карбоновые кислоты, углеводы, фосфолипиды и другие соединения, содержащие электронно-донорные атомы (азот, кислород, сеРУ).
Предпочтение, отдаваемое ионом металла той или иной группе,, зависит от ряда факторов: характера металла, природы лиганда,, особенности растворителя и др. Прочность образуемых комплексов ион металла-лиганд хорошо объясняется с позиции концепции жестких и мягких кислот и оснований.
Согласно электронной теории кислот и оснований Льюиса, акцепторы электронов (атомы, ионы или молекулы) играют роль кислот, а доноры электронов — оснований.
Кислоты или основания делятся, в свою очередь, на жесткие и мягкие. Мягкость или жесткость обусловлены подвижностью электронов, или поляризуемостью частиц. При легком смещении электронов частицы относят к мягким, при трудном —к жестким (подробнее см. 4, 13, 20, 21). Катионы щелочных, щелочноземельных и переходных биоэлементов-металлов являются в основном жесткими кислотами, а неорганические анионы — жесткими основаниями. Прочные связи образуют только жесткие кислоты с жесткими основаниями и мягкие кислоты с мягкими основаниями.
Связь между противоположными по жесткости кислотами и основаниями всегда будет слабой, если она вообще возможна.
Стабильность комплекса ион двухвалентного металла-лиганд (зависящий от порядка изменения мягкости) изменяется согласно ряду Ирвинга-Уильямса следующим образом:
C a < M g < M n < F e < C o « N i < C u > Z n ,
т. е. соответствует переходу от жесткой кислоты С а 2 + к иону с промежуточной жесткостью Си 2+.
Мягкость лигандов, или их способность быть донорами электронов, также влияет на устойчивость комплекса и селективность ионов металла. Так, у белков при переходе от кислородных электронно-донорных функциональных групп (жестких) к сернистым (мягким) меняется порядок предпочтения металла (табл. 3).
При взаимодействии некоторых ионов с органическими соединениями (аминокислотами, пептидами, белками) происходит про-
| Электронно-донорные атомы | Металл, предпочитаемый белком | Примеры соединений |
|---|---|---|
| —от = N,0~ = N, —S - S | Са, Mg, Mn Fe, Со, Ni Си, Zn Cd, Pb, Hg | АТФ-азы, енолазы Карбоангидраза, окси-НЬ Кар боксипептидаза Прочность связей приводит к отравлению ферментов |
цесс хелатирования, т. е. образования клешневидных комплексов*. За комплектование в этих группах ответственны атомы N, О, S. Эти элементы располагают электронными парами, с помощью которых осуществляется координационная связь и заполнение электронной конфигурации центрального иона [23].
Особо прочные комплексы образуются при наличии реакционноспособных групп с отрицательным зарядом в боковых цепях аминокислот. Присутствие таких групп в гистидине, цистине, цистеине делает их наиболее сильными комплексонами среди аминокислот. Комплексы ионов с пептидами менее прочны, чем с аминокислотами.
4. Биологическая роль металлов и их способность к комплексообразованию [2!]
| Металлы | Положе ние в пе риодиче ской си стеме и электрон ная струк тура | Биологическая роль | Локализа ция в ор ганизме | Состояние окисления | Предпочи таемые донорные атомы | Прочность координа ционных связей | Обмен между свободны ми ионами и ионами комп лекса |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Na К | Группа I A, s 1 | Перенос заря да, осмотическое равновесие | Мобиль ная | I | -О"* | Малая | Очень быстрый |
| Mg Са | Группа II A, s* | Образование с труктур. «триг- гсрные» реакции | Частично мобиль ная | II | -о~~ | Довольно большая | Умеренно быстрый |
| Мо Мп Fe Си Со | Переход ный ряд, d' - d" | Катализ реак ций окисления — восстановления, образования ак тивных центров ферментов | Статиче ская | V/VI II/III I I / I I I и/т 1/п | —S ~ - 0 N, —О N, —О N. - S | Большая | Не проис ходит |
| Zn | Группа II Б, d 1 0 | «Сверхкислот ные» катализа торы | Статиче ская | н | N, -S~~ | Большая | Не проис ходит |
*** О хелатировании говорят, когда ион металла связывается с двумя или более атомами одного лиганда.**
Координационные соединения (хелаты)* — это наиболее выгодная для организма форма взаимодействия металла с лигандом. Активность элементов в этих комплексах возрастает часто в сотни тысяч и миллионы раз в сравнении с активностью металла в ионном состоянии [23].
Способность металлов к образованию координационных связей неодинакова (табл.4).
В образовании координационных связей ионами металла главных подгрупп периодической системы (Na, К, Са, Mg) важную роль играют электростатические взаимодействия; образующиеся комплексы весьма лабильны. Переходные металлы (Mn, Fe, Со, Си, Mo, Zn) дают координационные связи, имеющие преимущественно ковалентный характер. Они катализируют окислительно-восстановительные реакции и участвуют в образовании активных центров ферментов. Действие каждого металла специфично.
Наибольший интерес для биологов представляет, естественно, взаимодействие ионов металлов с ферментными системами. Это взаимодействие колеблется в широком диапазоне — от слабого ионного эффекта до образования комплексов.
Все ферменты, требующие для проявления максимальной активности присутствия металлов, можно разделить на две группы: 1) металлоферменты (или металлокоферменты) и 2) ферменты, активируемые металлом.
В металлоферментах металл является интегральным компонентом молекулы и не удаляется диализом. Извлечение его сильной кислотой или хелатирующим агентом приводит к снижению активности фермента. Ферменты этого типа обычно содержат в активном центре переходные металлы (Си, Fe, Zn), формирующие очень стабильные координационные комплексы. Металл всегда присутствует в стехиометрических количествах, обычно от 1 до 4, иногда до 6 — 8 атомов на молекулу фермента (например, Fe в порфириновом комплексе каталазы, цитохромоксидазы). Некоторые из ферментов этого типа содержат два металла, например цитохромоксидаза (Fe и Си), ксантиноксидаза (Fe и Мо).
Примеры металлоэнзимов в организме сельскохозяйственных животных приведены в таблице 5.
Потребность в металле у перечисленных ферментов не является специфичной во всех случаях без исключения. Так, цинк может быть извлечен из карбоксипептидазы А и замещен атомом кобальта. В пируваткарбоксилазе марганец может быть заменен магнием in vitro без потери активности.
Если в металлоферменте ион металла постоянно связан в составе активного центра, то, будучи прочной частью кофермента, ион может входить в активный центр и выходить из него. Примером может служить Со (III) в составе B i 2 — коферментов (соединений,
*** Понятие «координационные соединения» более узкое, чем «комплексные соединения».**
