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.**
ной конфигурации и типе связей). А это, в свою очередь, обусловлено разной степенью насыщения З^-орбиты у атомов данных элементов.
Каков же механизм влияния ионов металлов на каталитические свойства ферментов?
Прежде всего, ферменты, имея единую трехмерную структуру, первично обладают каталитической функцией. Металл требуется лишь для проявления ими максимальной активности.
Надо полагать, что конкретный механизм влияния иона металла на каталитическую активность будет зависеть от того, входит ли металл в структуру активного центра фермента или выполняет функцию активатора. В первом случае роль металла может заключаться:
а) в повышении селективности фермента по отношению к субстрату;
б) в непосредственном включении металла в катализ путем окисления и восстановления в ходе реакций, связанных с переносом электронов.
Не удивительно, что эти специфические функции может выполнять только определенный металл и только в определенном состоянии окисления ( M n " / " 1 , Fe"/" 1, Си 1 ' 1 1 , Со"/ 1 1 1 и т. д.).
Во втором случае возможны следующие варианты каталитического влияния металла:
а) ион металла облегчает связывание субстрата с ферментом путем координации и изменения формы субстрата в соответствии со стерическими требованиями активного центра (рис. 2.6,Л);
б) ион металла связывает одновременно кофермент и субстрат с ферментом (рис. 2.6, Б);
Рис. 2.6. Функции металла в ферментных системах [26].
