Комплексные сполуки, їх біологічна роль (з прикладу хлорофілу і гемоглобина)

Московський державний університет ім. У. Ломоносова.

Факультет фундаментальної медицины.

Реферат на тему:

Комплексні сполуки, їх біологічна роль.

Порфіринові комплекси Fe і Mg.

Выполнил:

Москва — 2001.

1. Запровадження. Огляд комплексів. Функціональне будова порфіринів 2. Гемоглобін — будова, механізми роботи 3. Загальний шлях освіти тетрапиррольных попередників (синтез основи). 4. Синтез гемоглобіну і хлорофилла.

. Біосинтез протогема.

. Біосинтез хлорофілів 5. Укладання. 6. Список використаної литературы Введение.

Комплексні з'єднання перетворені на організмах зазвичай координуються іонами перехідних металів, наприклад Mn, Co, Fe V (т.н. «біологічно активних»). Зміст цих металів в організмах обмаль, вже цього можна зробити припущення, що значення комплексів (доведене прямим досвідом — це майже завжди так) має бути з катализом, т.к. саме активні каталізатори можуть сприяти швидких змін складу речовини, діючи у «малих концентраціях. Також, комплекси перехідних металів можуть зайняти позицію переносників груп атомів і аж молекул, закріплювати молекули у певному становищі, повертати їх, поляризувати тощо. Металикомплексообразователи (таб.1) ставляться до групи «життєво важливих», тобто. присутні у всіх здорових тканинах чоловіки й діапазон їх концентрацій практично постійний кожної тканини, а виключення з організму призводить до важким последствиям.

(!!!здесь 24Энтера!!! для таблицы!!!).

Обзор комплексів. Значення порфиринов.

Для живих организмов (животных, рослин, бактерій) дуже важливі комплексні сполуки металів, у яких чотири координаційних місця займає сама й той самий частка, звана порфином, що містить чотири пирролоподобных циклу, з'єднаних =СН-группами (рис. 1):

Похідними порфина є порфірини. У порфиринах, на відміну порфина, є бічні ланцюга замість деяких із 8 периферичних пиррольных атомів водню. Розташування й посвідку заступників визначають назва і специфічні функції, відповідного похідного. У нормальному обміні речовин людини бере участь т.зв. Ізомер III. Ізомер I в значних кількостях з’являється за досить рідкісною дефекті метаболізму. Інші ізомери в людини не встречаются.

Некоординированные («чисті») порфірини не виявляють біологічної активності у людини, вони працюють лише у комплексі з металами (гем — комплекс порфирина і іона заліза). У некординированном вигляді порфірини зустрічаються як пігментів в шкаралупі яєць, пташиних пір'ї і покривах червей.

Порфірини — це яскраво забарвлені сполуки. Проти них час ставляться представники численного класу циклічних ароматичних сполук, містять многоконтурную сполучену систему, основу якої лежить шестнадцатичленный макроцикл, що з чотирьох молекул пиррола і місточків. У порфіринів, мають червоний колір, пирролы з'єднані між собою метиновыми містками, і тоді макроцикл називається «порфин"(1). У хлорофиллах, котрим характерна зелена забарвлення, частково гидрированы одну чи дві пиррола і молекула називається «хлорин"(2) чи «бактериохлорин"(3). Для кобаламинов, найважливішим із якого є вітамін В12, чотири кільця частково гидрированы і тоді замість одного метинового містка є безпосередній зв’язок між пирролами. Цей цикл називається коррином (4).

(!!!здесь 15Энтеров!!! для 1Й картинки з БИОСИНТЕЗА!!!).

У складі гемоглобіну, міоглобіну, цитохромов, каталази і пероксидази порфірини виступають на вигляді комплексів з іонами заліза — гемов. Хлорофиллы і бактериохлорофиллы містять магній. Вітамін В12 та дві родинні йому кобаламины, як міститься в назві, мають у своєму ролі центрального іона кобальт.

У організмах зустрічаються комплекси, у яких деякі атоми водню в порфине заміщені на метильные і винильные залишки пропионовой кислоти (протопорфирины). Відомі 15 можливих изомерных структур. Проте основний каркас цим складним молекули зберігається у багатьох складних речовинах: гемоглобіні, цитохромах, вітаміні В12. Іон металу заміщає атоми водню двох пиррольных кілець. Зв’язки металу з чотирма атомами азоту двох інших пиррольных кілець, які у площині, завдяки ефекту резонансу розглядаються як одинаковые.

Найважливішим властивістю порфіринів є у молекулі координаційної порожнини, обмеженою атомами азоту, N4, має радіус близько 2Е і здатна координувати іони металів М2+, М3+, М4+ і і з більшою мірою окислення. Через війну комплексоутворення утворюються комплексні сполуки порфіринів, т.зв. металлопорфирины, які мають різноманітними структурними і хімічними особливостями, високої біологічної та каталітичної активністю. У цьому метал або займає центр порожнини N4 і штучним виявляється в екваторіальній площині xy, створюючи плаский координаційний вузол з атомів MN4, або виявляється піднесеною над площиною, у якій лежать атоми N4 і утворить координаційні вузли різної геометричній структури — від терагоналной піраміди L (MN)4 (рис. 2) і октаэдра (L1)(L2)MN4 (рис. 3) до складних геометричних фигур.

Вихід центрального атома із площини відбувається, зазвичай, при донорно-акцепторном взаємодії з молекулою L. Якщо метал М здатний приєднати другу молекулу L тієї ж природи з протилежного боку площині xy, він повертається у центр площині N4. Лиганды (L1), здатні розпочинати координаційну сферу металу, вже зайняту чотирма атомами азоту порфирина, називаються аксиальными.

Можливості молекул металлопорфиринов виступати у біологічних процесів у ролі біокаталізаторів (ферментів) значно розширюється в зв’язки України із специфічною будовою порфіринів та його комплексів, надзвичайним своєрідністю їх властивостей та Ющенка надзвичайно великим структурним різноманіттям. Структурне розмаїття пов’язані з численними шляхами хімічної модифікації молекул порфина з допомогою заміщення атомів водорода.

Відома велика число біологічних систем, у структурі яких металлопорфирины виконують функції ініціатора тієї чи іншої біологічного процесу. Наприклад, гем у складі гемопротеидов бере участь у транспорті кисню (гемоглобін), клітинному подиху (цитохроми), утилізації пероксидов (каталаза). Найбільше досліджень присвячено гемоглобину, гему крові, і процесам оборотного фіксації атмосферного кисню на біологічних і модельних системах.

Розглянемо функціональні особливості і механізми роботи гемоглобіну, як найкраще вивчені. Гемоглобин.

Споживання атмосферного кисню живими організмами — найважливіший біохімічний процес. Кисень транспортується гемоглобіном еритроцитів від легких до м’язам і утримується в м’язах миоглобином. Гемоглобін і миоглобин є комплекси заліза, у яких група ферропротопорфирина (гема) містить Fe (III) (рис.4):

П’яте координаційне число займає азот имидазола (Im) гистидинового залишку, з якого здійснюється єдина зв’язок групи гема з полипептидной ланцюгом білка. Нині відомі амінокислотний склад і послідовність амінокислот в гемоглобинах, виділених із різних тварин, місця приєднання частинок гема, просторова структура гемоглобіну (роботи Перутца та інших.). Гем локалізований в ущелині між спіралями білка. Одна молекула гемоглобіну, що складається з чотирьох білкових субодиниць (глобулл), містить чотири гема і, отже, чотири атома заліза. Оскільки кисень в гемоглобіні безпосередньо фіксується залізом, така молекула може, поступово насичуючи, приєднати чотири молекули кисню. У молекулі міоглобіну полипептидная ланцюг координирована залізом гем-группы як і в гемоглобіні. Проте, на відміну гемоглобіну молекула міоглобіну складається з однієї білкової субъединицы і містить одну гемовую одиницю. Структури оксиі дезокси-форм різні, і ця різниця не вичерпується тим, що з них містить молекули кисню, іншу — нет.

За відсутності кисню атом Fe (II) в гемоглобіні має координаційне число 5, пов’язаний донорно-акцепторными зв’язками з чотирма координуючими атомами азоту протопорфирина та однієї менш міцної зв’язком із третинним атомом азоту проксимального имидазольного фрагмента гистидина (рис. 5). Координаційний вузол Fe (N4) N Im є квадратну піраміду з атомом заліза, віддаленим від підстави піраміди на 0.8 Є. Шосте координаційне місце неспроможна зайняти жодного з наявних поблизу лигандов (зокрема і Н2О), крім молекулярного кисню. Молекула О2 викликає оксигенирование гемоглобіну, а точніше іона Fe (II). У цьому комплекс Fe (N4) N Im з высокоспинового пірамідального стану в низкосипновое октаэдрическое викривлене стан із координаційним вузлом Fe (N4) N Im (О2). Під упливом кристалічного поля N-донорных атомів порфирина, і навіть аксиальных лигандов (Im і О2) t42ge2g -конфігурація Fe (II) перетворюється на t62ge0g. На вакантні egорбитали переходять сигма-электроные пари имидазола і кисню. Вважають, що молекула О2 пов’язується в шостому координаційній місці з Fe (II) також рахунок дативной ?-зв'язку. Органічний іон заліза поставляє пару електронів, що знаходиться з його dyz (чи dxz)-орбитали, на вакантну (разрыхляющую) pz-орбиталь молекули О2. Освіті ?-зв'язку Fe (II) > О2 сприяє висока электроннодонорная здатність ?-системи та проксимального имидазола. Атом заліза після оксигенації входить у координаційну площину N4 і розташовується ценртосимметрично. Структура білка в гемоглобіні така, що він екранує підхід до атома Fe (II) від інших молекул, наявних у крові, і регулює його донорно-акцепторные властивості. Виняток становлять токсиканти — отрути крові, до яких належать монооксид вуглецю, оксиди азоту, метиленовый синій. Проникаючи з атмосферним повітрям до легень, монооксид вуглецю швидко долає капиллярноальвеолярную мембрану, розчиняється в плазмі крові, дифундує в еритроцити і вступає в оборотне хімічне взаємодія і з окси-, і з дезоксигемоглобином: HbО2 + CO = HbCO + О2 Hb + CO = HbCO, де Hb — гемоглобин.

Утворений комплекс карбоксигемоглобин (HbCO) неспроможний приєднувати себе кисень. У молекулі гемоглобіну ЗІ координується атомом заліза, витісняючи О2. Одна молекула гемоглобіну (точніше, чотири її гема) може приєднати чотирьох молекул СО.

Важливим похідним гемоглобіну є метгемоглобин, в молекулі якого атом заліза перебуває у ступеня окислення +3. Метгемоглобин не пов’язує молекулярний кисень. Він утворюється під час вплив на гемоглобін окислювачів (оксидів азоту, метиленового синього, хлоратов). Освіта метгемоглобіну у крові зменшує кількість у ній функціонально важливого оксигемоглобина порушує доставку кисню до тканинам. Комплекси заліза із порфіринами беруть участь у транспорті кисню, а й виконують багато інших функцій. У тому числі процес перенесення електронів. Загальний шлях освіти тетрапиррольных предшественников.

Початок досліджень заведено відносити до 1945 року, коли молодий американського вченого Шемин поставив експеримент у власному організмі, прийнявши порцію найпростішої амінокислоти глицина, яка відрізнялася від звичайній амінокислоти заміною ізотопу 14N на 15N. Невдовзі він виділив із крові гемоглобін потім гемин, у якому більша кількість ізотопу 15N. Пізніше засвідчили, що гліцин вони вбирають з сукцинилкоэнзимом А, даючи ?-аминолевулиновую кислоту (?-АЛК). Цей процес відбувається каталізується ферментом АЛК-синтетазой, її обов’язковою учасником є фосфорилированная форма вітаміну В6 — пиридоксальфосфат. Наступними дослідженнями було доведено, що ?-АЛК виступає як загального попередника в біосинтезі всіх природних тетрапиррольных пігментів. Описане освіту ?-АЛК притаманно тварин і звинувачують ферросинтетических бактерій. У рослинах і в декого прокариотов ?-АЛК синтезується з глютаминовой кислоти. (!!!тут 24Энтера!!! для 1Й схеми з БИОСИНТЕЗА!!!).

Дві молекули ?-АЛК під впливом ферменту порфобилиноген-синтетазы конденсуються в молекулу пиррола, названих «порфобилиноген» (ПБГ). Наступна стадія біосинтезу — перетворення чотирьох молекул ПБГ в макроцикл уропорфириноген III (Уро'ген III). Конденсація ПБГ в Уро’ген III і двох етапів. У першому відбувається полімеризація ПБГ під дією ферменту ПБГ-деаминазы в лінійний тетрапиррол. З другого краю в присутності ферменту косинтетазы відбувається замикання билана в макроцикл, а й поворот однієї з пиррольных кілець (пиррола D) з освітою природного ізомеру III типу — Уро’гена III. За відсутності косинтетазы білан замикається на другий ізомер — Уро’ген I, що у наступному біосинтезі не бере участь (це надзвичайно рідкісна патологія обміну речовин в людини). Тільки за наявності двох ферментів — дезаминазы і косинтетазы — ПБГ замикається в ізомер III типу. Окремо узята косинтетаза не полимеризует ПБГ вперше і не стані изомеризовать Уро’ген I в Уро’ген III. Лише на початку 90-х був остаточно розкрито механізм освіти Уро’гена III. (!!!тут 27Энтеров!!! для 2Й схеми з БИОСИНТЕЗА!!!).

Після набуття дезаминазы високого рівня чистоти генноинженерными методами можна було показати, що фермент (Є) містить активний центр — кофактор, що з двох з'єднаних між собою молекул ПБГ. Цей дипирролилметан ковалентно пов’язані з білком через атом сірки залишку цистеина. Молекули ПБГ послідовно приєднуються до дипирролилметану (з втратою NH3), створюючи ланцюжок із трьох (ES1), чотирьох (ES2), п’яти (ES3) і шести (ES4) пирролов, причому всі приєднання відбуваються на кшталт «голова до хвосту», і, отже, полипиррольная ланцюг має регулярно що чергуються заступники А-Р-А-Р-А-Ртощо. Після приєднання четвертої молекули ПБГ тетрапиррольная ланцюжок відокремлюється із заснуванням оксибилана. Дипирролилметан дезаминазы знову готовий піти на нарощуванню полипиррольного ансамблю (схемаv). (!!!тут 14Энтеров!!! для 3Й схеми з БИОСИНТЕЗА!!!).

Наявність простетичсекой групи в дезаминазе, побудованої з молекул, подібних субстрату, — явище незвичне для ферментів. Відомо лише, що, діючи на дезаминазу сильними кислотами, вдається отщепить депирролилметан. Отриманий апофермент не має каталітичної активністю. Тільки після приєднання двох перших молей ПБГ при певному pH дезаминаза знову стає здатної до обратимому приєднання чотирьох молекул ПБГ.

Синтезований оксибилан під впливом другого ферменту косинтетазы перетворюється на Уро’ген III. З цією циклізації, сопровождающейся зверненням пиррольного кільця D, довгі роки вивчення цієї реакції запропоновано понад два десятки механізмів. Нині найбільш обгрунтованим представляється поворот кільця D з допомогою освіти спироструктури (на схеме).

Після утворення Уро’гена III відбувається перше розгалуження шляхів біосинтезу тетрапиррольных пігментів. Декарбоксилирование Уро’гена III веде до порфиринам і хлорофиллам, а С-метилирование — через прекоррин-1 — до витамину В12 та інших кобаламинам.

Синтез гемоглобіну і хлорофилла.

Біосинтез протогема.

Розглянемо шлях, що веде до головному порфирину в живий організм — протопорфирину IX та її железосодержащему комплексу — протогему. Перетворення Уро’гена III під впливом відповідного ферменту включає послідовне декарбоксилирование залишків оцтової кислоти до метильной групи із заснуванням копропорфириногена III (Копро'ген III). Декарбоксилирование починається з кільця D і далі триває по годинниковий стрілці через кільця А, В і З. Є також дані, що у певних умовах може й інший порядок декарбоксилирования.

(!!!здесь 29Энтеров!!! для 4Й схеми з БИОСИНТЕЗА!!!).

Копро’ген III під впливом копропорфириногеноксидазы піддається окислительному декарбоксилированию. Через війну два залишку пропионовой кислоти у заключних положеннях 3 і побачили 8-го перетворюються на винильные групи й утворюється протопорфирин IX (Прото IX). У цьому ділянці відбувається подальше розгалуження шляхів біосинтезу. Запровадження іонів двухвалентного заліза (фермент феррохелатаза) призводить до утворення протогема, що є простетической групою у численних природних білках — гемопротеидах.

Биосинтез хлорофиллов.

Включення в Прото IX магнію розпочинає нове ланцюг биосинтетических перетворень, що веде до хлорофиллу а, бактериохлорофиллу та інших зеленим пигментам, загальна кількість яких зараз становить понад 50 типов.

Нижче приведено схема, основних перетворень магнієвого комплексу Прото ІХ ст хлорофіл, а (Хл а).

(!!!здесь 35Энтеров!!! для 5Й схеми з БИОСИНТЕЗА!!!).

Істотною відмінністю їх грона біосинтезу від раніше розглянутим і те, що з біосинтезі Прото IX більшість проміжних сполук перебуває у розчинах, переміщуючись від однієї ферменту до іншого, причому самі ферменти також із більшу частину растворены в цитоплазмі клітини. Біосинтез хлорофілів, навпаки, протікає лише у хлоропластах, все ферменти закріплені в мембранах і найчастіше утворюють складні ассоциаты. Це значно утрудняє вивчення окремих стадій, механізмів перетворень проміжних сполук, й у з цим, загальну картину біосинтезу Хл, а залишається менш ясной. В цілому про біосинтезі відомо таке. Після запровадження іона магнію відбувається этерификация залишку пропионовой кислоти в становищі 13. Далі цей залишок окислюється за кілька проміжних стадій, даючи після замикання кільце Е (12). Потім відбувається відновлення винильной групи до этильной вагітною 8 із заснуванням 3- винилпротохлорофилла (13).

Наступна важлива стадія включає у собі відновлення подвійний зв’язку в кільці D. Винятково є у своїй висвітлення рослин. Показано, що у відсутності світла біля вищих рослин накопичується протохлорофиллид. Навіть коротка світлова експозиція призводить до перетворенню протохлорофиллида в хлорофиллид (14). У той самий час, нижчі рослин та водорості можуть синтезувати хлорофиллид за відсутності світла. На на заключному етапі відбувається этерификация хлорофиллида природним спиртом фитолом з участю особливого ферменту хлорофиллсинтетазы. Через війну утворюється хлорофіл, а (15). (!!!тут 18Энтеров!!! для Хл b і БХл та якщо з БИОСИНТЕЗА!!!).

Шляхи біосинтезу інших хлорофілів, і навіть бактериохлорофиллов вивчені поки що недостатньо. Відомо, проте, всі ці пігменти утворюються через Хл а. Що стосується хлорофілу b відбувається окислювання метильной групи вагітною 7 до формильной (16). Освіта самого поширеного серед бактериохлорофиллов, а -ізомеру (17) включає перетворення винильной групи в ацетильную, гідрування другого пиррольного залишку У і этерификацию залишку пропионовой кислоти фитолом.

Заключение

.

Металлопорфирины є макроциклическими комплексами, і це накладає відбиток з їхньої будову та властивості. Проте, вони відрізняються безлічі інших груп макроциклических комплексів тим, що є ароматичними макроциклами з її унікальною пов’язаною ?-системою. Ароматичность порфіринів визначає їх электроннодонорные властивості, тобто спроможність до зниження локальних позитивних і негативних зарядів шляхом їх розподілу по ароматичним орбиталям. У результаті стабілізуються катіоні анион-радикальные форми, і навіть різні ступеня окислення металів, що у процесі функціонування біологічно активних сполук з урахуванням металлопорфиринов.

Викладені тут шляху біосинтезу протогема і хлорофілу, а показують, наскільки близько переплітаються фундаментальні процеси життєдіяльності в бактерії, вищих рослинах і тваринний світ. При значних розбіжностях об'єктів дослідження, у розглянутих схемах використовуються близькі чи загальні методи побудови проміжних соединений.

Успішне розкриття шляхів біосинтезу «пігментів життя» можна розглядати, як важливий етап у розвитку сучасної молекулярної біології і біохімії. Отримані знання можна використовувати й у медичній практиці боротьби з певними спадковими захворюваннями, при хімічних отруєння та інших процесах, що з порушеннями біосинтезу гемопротеидов. Прикладом успішного використання біосинтезу гема з’явився запропонований недавно модифікований метод фотодина-мічної терапії раку, заснований на запровадження у організм пацієнта ?-АЛК, яка перетворюється на Прото IX, а останній накопичується в злоякісних опухолях[1].

Список використаної літератури 1. Блюменфельд Л. А. «Гемоглобин"/СОЖ, № 4, 1998 2. Миронов А. Ф. «Біосинтез тетрапиррольных пигментов"/СОЖ, № 7, 1998 3. Улахович Н. А. «Комплекси металів живими организмов"/СОЖ, № 8, 1998 4. Tradeth A. et al. «Clinical chemistry», L: Oxford University press, 1976.

———————————- [1] Стаття А. Ф. Миронова в СОЖ № 8 за 1996, С. 32.