Лекція Хімічні властивості та біологічна роль d-металів



Скачати 146.91 Kb.
Дата конвертації05.03.2017
Розмір146.91 Kb.
Факультет: хімічний

Кафедра: харчових технологій

Спеціальність: хімія

Курас Магістри

Назва дисципліни: Основи біонеорганічної хімії
Ф І П викладача: Чернушенко О.О.


Лекція

Хімічні властивості та біологічна роль d-металів.

Метаболізм Феруму, Молібдену та Цинку хімічні реакції в організмі людини

Цинк


В даний час установлено, що цинк відноситься до числа металів, що є обов'язковим компонентом багатьох ферментів і нуклеопротеїдних комплексів.

В організмі дорослої людини більше всього Цинку в м’язах (65 %), кістах 20 %. Інша кількість приходиться на плазму крові, печінку, еритроцити.

Цинк не виявляє перемінної валентності, тому його біокомплекси беруть участь у багатьох біохімічних реакціях гідролізу, що йдуть без переносу електронів. Іон цинку входить до складу більш 40 металоферментів, що каталізують гідроліз ефірів і білків. Біологічна роль Цинку зв'язана з його участю у ферментативних реакціях, що протікають у клітках. Він входить до складу найважливіших ферментів – карбоксілази, дегідрогеназ і фосфатаз, зв'язаних з дихальним і іншими фізіологічними процесами – прогеназ і пептидаз, що беруть участь у білковому обміні; ферментів нуклеїнового обміну РНК, ДНК-полімераз і ін. Цинк відіграє істотну роль у механізмі спадковості, у стабілізації внутрішньоклітинних часток рибосом і біополімерів.

Одним з найбільш вивчених є біонеорганічний комплекс Цинку — фермент карбоангидраза (молекулярна масою 30000 у ньому приблизно 260 амінокислотних залишків, 1 атом Цинку на молекулу). Цей фермент міститься в червоних кров'яних тельцях тварин і людини. Він каталізує дегідратацію гідрогенкарбонат іона, гідратацію СО2, альдегідів, ефірів. Фермент зустрічається в трьох формах А, У, С. Розмір ферменту приблизно 40  45  55. Цинк в карбоангідразі зв'язаний із трьома імидазольними групами гістидинових залишків, четверте положення займає вода. Загальне оточення Цинку являє собою тетраедр. У деяких реакціях гідролізу Цинк стає п'ятикоординаційним

Білковий ліганд, зв'язаний з Zn2+, представляє активний центр ферменту. Цинку у ферменті 0,22%. Проте наявність Цинку — необхідна умова каталітичної активності карбоангідрази, що забезпечує гідратацію СО2:

CO2+ H2O HCO3- + H+

Протікання цієї реакції обумовлює нормальний подих. Під час відсутності карбоангідрази нормальний газообмін був би важким, тому що гідратація СО2 сповільнилася б у 107 раз.

Єдиної думки про дію карбоангідрази немає. Одні дослідники вважають, що цинк координує молекулу води, що гідратує СО2. Інші думають, механізм, що цинк координує гідроксильну групу при гідратації СО2.

1) Нуклеофільна атака Zn-OH по СО2:



  1. Загальна схема атаки Н2О по СО2 при дії основи:

3) Загальна схема атаки Н2О по СО2 при дії основи:



4) Загальна схема атаки Zn-OH по СО2 при дії основи:



Колись думали, що карбоангідраза каталізує тільки зворотню гідратацію СО2. Однак є дані про каталітичну дію карбоангідрази на перетворення карбонільної групи (С=О) субстрат у карбоксильну СООН. У цьому випадку механізм дії карбоангідрази подібний дії іншого цинквмісного ферменту — карбоксіпептидази (КІП).

Одна з найбільш вивчених форм КІП має 307 амікислотних залишків (зміст Цинку 0,19%). Схему реакції перетворення карбонільної групи субстрату в карбокрсильну, що каталізується КІП, можна представити як:
.

Механізм дії КІП остаточно не з'ясований, і можливі два варіанти.

Карбоангідраза відіграє важливу роль у роботі нирок, підшлункової залозі, шлунку, де вона побічно бере участь у транспорті іонів. Її роль зводиться до каталізу реакцій зі звільненням протонів або гідроксид іонів.

Карбоксипептидаза (молекулярна маса 34300, 1 атом Цинку)- це фермент підшлункової залози ссавців, каталізує гідроліз пептидного зв'язку на карбоксильному кінці пептидного ланцюга, тобто служить для розщеплення білків. Існує в декількох формах з близькими властивостями.

Таблиця 1.8 Характеристики карбоксіпептидаз

Фермент

Число амінокислотних залишків

Кінцевий залишок

КПА

КПА


КПА

КПА


307

305


300

300


Аланін

Серин


Аспарагін

Аспарагін


-RCH-CONH-CHR-CONH-CHRCOO-+H2O=-RCH-CONH-CHR-CO2-+NH3+CHRCOO-

Карбоксіпептидаза-А секретується у виді проферменту підшлунковою залозою хребетних тварин. Утворення активного ферменту відбувається в тонкому кишечнику при участі хімотрипсину. Карбоксіпептидаза утворена одиночним поліпептидним ланцюгом, містить 307 амінокислотних залишків. Молекулярна маса 34470. Молекула ферменту має формулу еліпсоїда, активний центр знаходиться в поглибленні, що переходить у глибоку неполярну кишеню. У зоні активного центра локалізований іон цинку (його лігандами є бічні ланцюги залишків глитаміну-72, гістидину-196, і ністидину-69 і молекула води), а також функціональні групи, що беруть участь у зв'язуванні субстрату і каталізі – залишки глитаміну-270, Туr-248, Arg-145

Фермент має особлива спорідненість із субстратом, у якому бічний ланцюг містить ароматичний радикал.

Іон цинку в зв'язаному стані має перекручене тетраедричне оточення, що складається з двох гістединових атомів Нітрогену, одного атому Оксигену карбоксильної групи залишку глутамінової кислоти і атому Оксигену молекули води.

Рис.1.3 Конформаційні зміни, що виникають в карбопептидазі-А при зв’язуванні субстрату


Ключова стадія можливого, але ще строго не доведеного механізму:

Рис.1.4. Механізм “Цинк-Карбоніл”



Рис.1.5.. Механізм “Цінк-Гідроксил”


Схема каталітичного процесу, що здійснюється карбоксіпептидазою запропонована на підставі рентгеноструктурного аналізу. Відповідно до цієї схеми, карбоксилатна група глутаміну-270 активує молекулу води, що знаходиться в сфері реакції, відтягує від неї протон; ОН-група, що утвориться здійснює нуклеофільну атаку на карбонільний Карбон зв'язку, що розщеплюється. Одночасно гідроксильна група Tyr 248, що знаходиться біля атома Нітрогену пептидного зв'язку, віддає йому протон. У результаті пептидний зв'язок, що атакується розщеплюється і продукти, що утворюються, ідуть із зони активного центру.

Після того, як пептидний зв'язок розірвався з утворенням ангідриду кислоти, повинний відбутися швидкий гідроліз ангідриду. Потім продукти звільняють активний центр, залишаючи його готовим для зв'язування наступної молекули субстрату, і весь цикл повторюється.


Ферум


Ферум - найважливіший біотик. Добова потреба людини в ньому – 15020 мг. Загальний вміст в організмі 10-5% (мас). В основному Ферум входить у гемоглобін крові (70%) і ферменти дихального ланцюга - цитохроми – переносники електронів у реакціях окиснення водню.

Відомо, що існує ряд металопротеїнів. роль яких зводиться до транспортування кисню.


Таблиця 1.9. Металопротеїни, що транспортують кисень

Металлопротеїн

Молекулярна маса

Кількість білкових субодиниць

Координаційне число металу

Me/O2

Міоглобін

Гемоглобін

гемеритрин


17500

64450


10700

1

4

8



5+О2

5+О2

5+О2


1:1

1:1


2:1

До складу гема входить чотири іони Fe2+. З молекулярним киснем він утворює оксигемоглобін. Як усі переносники може бути в двох формах диоксі- і оксіформа. Вважається, що в першій формі Ферум не входить у порфиринове кільце, а піднімається над ним. В другій формі, після приєднання кисню за перпендикулярною схемою Ферум знаходиться в площині, утвореної чотирма атомами піррольного Нітрогену. У гемоглобіні як і в меоглобіні до приєднання кисню координаційне число заліза дорівнює 5, чотири місця зайняті атомами Нітрогену порфиринового кільця й одним атомом Нітрогену імідазолу. При цьому п'ятий атом Нітрогену знаходиться у вершині квадратної піраміди. При приєднанні кисню координаційної число Феруму стає рівним 6, істотно міняється структура всієї молекули протеїну. Поглинання кисню процес, що залежить від рН.

На основі законів хімічної рівноваги неважко зрозуміти функціонування гемоглобіну як переносника кисню від легень до тканин.

Гемоглобін без кисню (дезоксігемоглобін) являє собою слабку кислоту і його хімічну формулу можна представити у вигляді ННb+. Приєднання кисню супроводжується відщіпленням протона й утворенням оксігемоглобіну HbО2. При цьому має місце рівновага:

ННb+ + О2= НbО2 + Н+.

При надходженні бідної киснем венозної крові в легені, де парціальне тиск кисню великий (до 20 кПа), його розчинність зростає відповідно до закону Генрі. Це приводить відповідно до принципу Ле Шателье до зміщення рівноваги вправо й утворенню оксигемоглобіну. Додаткове зміщення рівноваги вправо обумовлене тим, що в легенях значення pН підвищене (до 7,5). У результаті в легенях дезоксігемоглобін практично цілком (до 97%) насичується киснем і переходить в оксигемоглобін. У капілярах, що пронизують периферичні тканини, парціальний тиск кисню знижується до 5 кПа, а значення рН знижується до 7,2. У результаті рівновага зміщається вліво. У крові, що відтікає з периферії, гемоглобін насичений киснем лише на 65%. Таким чином, при циркуляції крові в організмі рівновага періодично сильно зміщується (на 35%) то вправо, то вліво.

Металокомплексні властивості гемвмісних білків виявляються при дії таких токсичних речовин як СО (чадний газ) і CN-. Висока міцність зв’язку з СО є причиною отруєння чадним газом.

Міоглобін найпростіший з металопротеїнів. У його сполуку входить 153 амінокислоти. Вторинна структура являє собою спіраль, причому амінокислота в спіралі розташовуються так, що гідрофільні групи звернені назовні, а гідрофобні – усередину. Це забезпечує стійкість молекулі в неводних середовищах. Активним центром меоглобіну є комплекс ферум(ІІ)- гем. Він зв'язаний з білком через імідазольну групу гістидіну.

Гемерітрин – самий громіздкий ферумвміснийі протеїн, здатний зворотньо приєднувати кисень. Його макромолекула складається з восьми ідентичних субодиниць, кожна з який складається з 113 амінокислотних залишків і двох іонів феруму. Кожен іон феруму оточений чотирма гістидиновими залишками, розташованими по вершинах квадрата, чим зайняте п'яте місце залишається до кінця невирішеним питанням. Атоми Феруму згруповані попарно і знаходяться на близькій відстані друг від друга. Між атомами Феруму міститься молекула кисню при цьому утвориться угруповання Fe-O2-Fe, здатне відщеплювати молекулу кисню та зворотно приєднувати її. У деоксігемеритрині містяться парамагнітні іони феруму(ІІ), щож стосується ступеня окиснення, то до кінця це питання не вирішене.

Макромолекула цитохрому-с має форму стероїду (303434 А) і складається з 104 амінокислотних залишків. Порфіринове кільце, із Ферумом оточено гідрофобними кільцями амінокислотних залишків. Мається два канали, що ведуть з поверхні до гідрофобної області і до гемового Феруму. Передача електронів може здійснюватися також за допомогою -сполучених систем протеїну.

У тканинах мається також трохи негемових ферумвмісних білкових комплексів. Це, наприклад, ферменти — оксидази, а також білки — нагромаджувачі (депо) і переносники Феруму. Надлишок Феруму переноситься з кров'ю білком — трансферрином і накопичується у вигляді білка — ферритину в різних тканинах і органах, особливо в печінці, селезінці, кістковому мозку. Ферритин (Мг = 460 000) складається з 24 білкових молекул (субодиниць), що утворять сферу діаметром 12—14 нм. Кожна субодиниця містить порожнину діаметром 7 нм, що вміщає до 4500 атомів Феруму. Таким чином, кожен агрегат ферритину може зберігати запас приблизно 100000 атомів Феруму, забезпечуючи численні реакції метаболізму за участю цього елемента.

Кисневий подих приводить до утворення дігідроген діоксиду. Ця речовина володіє високою окисною здатністю. При її взаємодії з біоорганічними сполуками кліток утворяться радикали — дуже активні молекулярні частки з ненасиченою валентністю й ініціюється пероксидне окиснення. Під дією радикалів руйнуються найважливіші складові частини клітки — мембрани і ДНК. У ході біологічної еволюції природа виробила особливий білок - фермент каталазу, що руйнує дігідроген діоксид. Тим самим обмежується надлишкове нагромадження цієї речовини і запобігається руйнування клітки.

Дія каталази (CatFe2+) може бути представлене у вигляді каталітичного циклу з двох послідовних реакцій:

CatFe2+ + Н2О2  CatFe2+ Н2О2;

CatFe2+H2O2 + Н2О2 CatFe2+ +2H2O + О2.

У результаті руйнуються дві молекули дігідроген діоксиду, а молекула біокаталізатору CatFe2+ звільняється і може вступати в наступний каталітичний цикл. Цей процес дуже швидкий. Протягом секунди 1 молекула каталази може здійснювати до 20000 циклів.



Молібден

Молібден – елемент п'ятого періоду. утворює сполуки в ступені окиснення +6, +5, +4. Найчастіше координаційними числами п’ятивалентного Молібдена є п'ять і шість, у шестивалентного – чотири і шість.

Молібден — відноситься до металів життя, є одним з найважливіших біоелементів. Його особливе положення було відзначено 20—25 років тому Ф.Крином і Л.Орилом: учені висунули ідею, що виникнення життя на землі відбувалося не еволюційним шляхом, а вона занесена невідомою цивілізацією з космосу з молібденових зірок, де життя існувало задовго до нас.

У біохімічних процесах Молібден бере участь у ступені окиснення +5 і +6. У цьому стані він створює стійкі оксоформи.

Молібден утворює стійкі оксокомплекси [МоО(оксалатХН2О)2О2] або [МоО3(ОН)2] і тому входить до складу ферментів, що забезпечують перенос оксогруп. У крові переважає Mo(VI), якщо лігандом буде кисень, утворяться стійкі ізополімолибдат-іони:

MоO42- Mо2O72- Mо7O246- ; Mо12O4110-

Надлишковий зміст Молібдену в їжі порушує метаболізм Са2+ і РО43-, викликаючи зниження міцності кісток — геопорози. Можливо, відбувається зв'язування МоО42- і РО43- у фосфорномолібденові комплекси сполуки [PМo12О40]3-, [PMo11O39]7- Такі комплекси можна розглядати як кислотні залишки гетерополімолібденових кислот. З кальцієм ці залишки дають нерозчинні кристалики. Невиключно, що ці кристалики ініціюють відкладення солей сечової кислоти і викликають захворювання подагру. Крім кисневих комплексів, Молібден утворює галоїдні (Наl), тіоцианатні (NCS) і цианідні (CN) комплекси.

Молібден входить до складу різних ферментів. Зараз відомо біля семи молібденвмісних ферментів, які приведені в табл 1.9.

В організмі людини до них відносяться альдегідогидроксідази, ксантиндегідрогенази, ксантіноксідази.

У біологічних системах молібден в основному утворює зв'язки з карбоксильними або гідроксильними групами залишків тирозину і серину. Разом з тим, судячи з досліджень, цілком ймовірна участь Сульфуру цистеїну в зв'язуванні Молібдену.

1.9 Ферменти, що містять Молібден



Фермент

Джерело

Молекулярна маса

Сполука

Ксантінокідаза

Ксантіндегидрогеназа

Альдегідроксідаза

Сульфітоксидаза

Нітрогеназа

Нітротредуктаза



Коров'яче молоко

Micrococcus

Печінка свині

Печінка тріски

А. Vinelandii


275000

250000


270000

110000


226000

228000


2 Mo 8 Fe 8S

2 Mo 2 Fe 8S

2 Mo 8 Fe 8S

2Mo 2 гем

2 Mo 24 Fe 22S

2 Mo

Молекулярна маса ксантіноксідази (КОКС) 250000. Це молібденвмісний фермент ссавців. Він може каталізувати окиснення ксантину й інших пуринів, а також альдегідів. У ході ферментативної реакції молібден(VI) переходить у молібден(V), а потім у молібден(IV). У загальному виді це буде так:




Передбачається, що в ході каталітичного процесу Молібден утворить зв'язок з Нітрогеном і Оксигеном ксантину.

У стані спокою фермент містить шестивалентний Молібден, що у ході ферментативної реакції відновлюється до 4 і 5-валентного. Молекула ксантину зв'язана з Молібденом через атом Нітрогену. Протон переноситься на деяку групу ферменту





Альдегідоксідаза - каталізує реакції окиснення піримідинів, а сульфітоксидаза - окиснення сульфіту до сульфату (у цьому випадку джерелом кисню є вода). Передача електрона відбувається за схемою :

SO32-MoгемО2

Молібден є найважливішим мікроелементом рослин, тому що біологічно активні речовини з його участю забезпечують м'яку фіксацію азоту: перетворюють у аміак або нітрогенвмісні продукти. Фіксуючи Нітроген і відновлення нітрату мікроорганізмами, що вимагають присутності Молібдену.

У порівнянні з іншими промислово важливими металами Молібден малотоксичний. Споживання Молібдену з продуктами харчування 0,1—0,3мг/сут, але необхідне денне надходження не встановлене. Дефіцит Молібдену викликає зменшення активності ксантіноксідази в тканинах. Надлишковий зміст Молібдену викликає остеопороз.



Лабораторна робота

Дослідження комплексоутворення у водному розчині кобальту (ІІІ) з амінокислотами спектрофотометричним методом


Реєстрацію електронних спектрів поглинання проводять на спектрофотометрі СФ-46 або SPECORD M40 (45000-13500 см-1) у водних розчинах з концентрацією 10-2 – 10-3 моль/л у кварцових кюветах з товщиною поглинаючого шару 1см.

Таблиця . Електронні переходи для комплексів кобальту(ІІІ)



Сполука складу

Перехід

λ,нм

ν,см-1

[Со(NH3)6]Cl3


Жовтий

1А1g1T1g

476

21000

1А1g1T2g

350

28600

1А1g3T2g

770

13000

[Со(Gly)3]

Фіолетовий


1А1g1T1g

500

20000

1А1g1T2g

340

29400

1А1g3T2g

720

13800

[Со(Ala)3] Фіолетовий

1А1g1T1g

550

18200

1А1g1T2g

360

27800

1А1g3T2g

740

13500

[Со(Val)3] Фіолетовий

1А1g1T1g

540

18500

1А1g1T2g

370

27000

1А1g3T2g

740

13500



Завдання:

Розрахувати параметрів кристалічного поля комплексів кобальту(ІІІ)


Розрахунок параметрів кристалічного поля можливий лише для комплексних сполук з лігандами сильного поля. Основний стан для комплексів Со+3 с лігандами сильного поля є синглетний терм 1А1g. В електронних спектрах переходів можна спостерігати два переходи дозволених по спіну 1А1g1T1g, 1А1g1T2g

Енергію цих переходів можна описати за допомогою параметрів Кордона – Шортлі

∆Е(1А1g1T1g) = -35F4+10Dq

∆Е(1А1g1T2g) = 16F2-115F4+10Dq

Для розрахунків параметрів кристалічного поля треба враховувати перехід заборонений по мультиплетності.

∆Е(1А1g3T1g) = -105F4+10Dq

Енергія переходів дозволених по мультиплетності дуже чутлива до природи ліганду, чим правіше ліганд знаходиться в стехіометричному ряді, тим вища частота цих смуг, тому в електронних спектрах переходи комплексних сполук Кобальту(ІІІ) можна ідентифікувати.

Для розрахунку параметрів кристалічного поля складемо рівняння з трьома невідомими

-35F4+10Dq=19200

16F2-115F4+10Dq=27800

-105F4+10Dq=13500

Розв‘язуючи систему рівнянь знаходять F2, F4, Dq.

Параметри Рака розраховуються за рівнянням:

В= F2-5F4,

С= 35F4,

γ=С/В.


Величина параметра Рака для іона Сo(III) складає В‘=1050см-1

Тоді нефелоуксетичні параметри :

β =В/В‘

β0=(В-В‘)100%/В‘



Параметр Рака С необхідний для виразу різниці енергій між термами з різною мультиплетністю.


База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка