| 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».**
5. Некоторые металлоэнзимы организма животных
| Название энзима | Металл | Стехиометрия | Источник получения |
|---|---|---|---|
| Моноаминооксидаза Уриказа Цитохромоксидаза | Си Си Си | ICu ICu lCu/гем | Плазма | крупного Печень } рогатого Сердце J скота |
| НАД • Н-дегидрогеназа Сукцинатдегидрогеназа Альдегидоксидаза | Fe Fe Fe, Mo | 4Fe 4Fe 8Fe, 2Mo | Сердце свиньи Сердце свиньи Печень свиньи |
| Пируваткарбоксилаза | Mn | 4Mn | Печень цыплят |
| Ксантиноксидаза | Mo | l,5Mo, 8Fe | Молоко коровье |
| Карбоангидраза Карбоксипептидаза А Карбоксипептидаза Б Алкогольдегидро- геназа Лейцинамино- пептидаза | Zn Zn Zn Zn Zn | 1 Zn 1 Zn 1 Zn 4 Zn 4—6 Zn | Эритроциты ) крупного Панкреас J рогатого скота Панкреас свиньи Печень лошади Почки свиньи |
| Глютатионпероксидаза | Se | 4Se | Эритроциты крупного рогатого скота |
родственных цианкобаламину). Эти соединения необходимы для активности металмалонил-КоА-мутазы и метионинсинтетазы (диолдегидразы).
В ферментативных реакциях, а к т и в и р у е м ы х м е т а л л а ми, металл обычно не прочно связан с ферментом и может быть почти полностью извлечен диализом при рН 7,0. Стабильность такого комплекса невелика.
Следующие 15 катионов могут служить активаторами одного или нескольких ферментов*: Na+, К + , Rb+, Cs+, Mg 2+, Са 2+, Zn 2+, Cd 2+, Cr 2+, Cu 2+, Mn 2+, Fe2+, Co2+, Ni 2+, Al 2+.
Широко распространена взаимозаменяемость катионов, имеющих сходные ионные радиусы, электронную конфигурацию и электроотрицательность.
Например, ионы M n 2 + , Fe2+, Со 2 + N i 2 + активируют аргиназу in vitro. Все указанные четыре катиона относятся к первой переходной серии периодической системы. Различия в степени активации фермента этими ионами обусловлены лишь различиями в координационных комплексах, которые они образуют (электрон-
*** Детально об активирующем влиянии отдельных ионов на ферменты см. в главах 6 и 7.**
