Вход

Бионеорганическая химия

Реферат по химии
Дата добавления: 19 апреля 2009
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 9.3 Мб (архив zip, 2 Мб)
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу

БИОНЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ


Бионеорганическая химия — одно из самых новых направлений неорга­нической химии. Задачей бионеорганической химии являются выявле­ние неорганических соединений, участвующих в различного рода био­логических процессах, их изучение, математическое и химическое мо­делирование биологических систем с участием этих соединений и, на­конец, управление этими системами и их оптимизация. В курсе неорганической химии при систематическом рассмотрении свойств эле­ментов периодической системы необходимо наряду с другими аспекта­ми останавливаться и на проблемах бионеорганической химии, в том числе отмечать биологическую роль тех или иных неорганических соединений.


1. Бионеметаллы и биометаллы


В биологических процессах участвует большое число химических соединений, образованных различными элементами периодической си­стемы. Организмы животных и растений состоят из сложных веществ, включающих в свой состав как элементы-неметаллы, так и элементы с металлическими свойствами. Из неметаллов особенно важную роль играют углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, галогены. Из металлов в состав животных и растительных организмов входят нат­рий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кобальт, медь, марганец, молибден и некоторые другие.

Для того чтобы оценить соотношение количеств химических эле­ментов, входящих в состав живых организмов, полезно рассмотреть содержание биоэлементов в организме «среднего» здорового человека (вес 70 кг). Установлено, что на 70 кг массы человека приходится 45,5 кг кислорода (т. е. больше половины массы), углерода—12,6, водорода — 7,0, азота — 2,1 кг, примерно столько же фосфора. Каль­ция в человеке 1,7 кг, калия — 0,25, натрия — 0,07 кг, магния — 42 г, железа — только 5 г (химики шутят, что железа в человеке хватит лишь на один гвоздь), цинка — 3 г. Остальных металлов в сумме мень­ше, чем 1 г. В частности, меди — 0,2 г, марганца — 0,02 г.

Интересно, что вхождение химических элементов в состав живых организмов не зависит каким-либо простым образом от их распростра­ненности. Действительно, хотя наиболее распространенный на земле элемент — кислород — является важнейшей составной частью соедине­ний, слагающих растительные и животные организмы, такие распрост­раненные элементы, как кремний и алюминий, в их состав не входят, а относительно мало распространенные кобальт, медь и молибден вы­полняют важную биологическую роль. Следует отметить также, что среди биоэлементов, т. е. элементов, играющих важную роль в по­строении живого организма и в процессах поддержания его жизни (обмен веществ, метаболизм), находятся очень сильно различающиеся по своим химическим свойствам, размерам частиц и электронному строению металлы и неметаллы. Например, среди биометаллов (их часто называют «металлами жизни») есть элементы, образующие ионы с благородногазовой электронной «подкладкой», несклонные к прояв­лению переменной валентности (Na+, K+, Mg2+, Са2+). Наряду с этим есть среди биометаллов и элементы с 18-электронной (Zn2+) или не­достроенной 18-электронной «подкладкой» (Cu2+, Co2+, Fe2+, Fe3+, Mo(V), Mo(VI)). Последние склонны изменять степень окисления в ходе обмена веществ.

Среди перечисленных биометаллов есть элементы, образующие преимущественно ионные (Na, К) и ковалентные связи (Mo, Zn); силь­ные комплексообразователи, такие, как Fe3+, Co2+, Cu2+, Zn2+. Однако и менее прочные комплексы, образованные, например, ионами Са2+, Mg2+, Mn2+, играют важную биологическую роль, и даже ионы щелоч­ных металлов (Na+, К+) в метаболических процессах вовлекаются в образование комплексов (с участием макроциклических лигандов). Установлено, что большое значение имеют размеры ионов металлов, участвующих в процессах метаболизма.

Так, например, не очень большая разница в величинах ионных радиусов Na+ (0,98 А) и К+ (1,33 А) обусловливает очень большую разницу в радиусах гидратированных ионов. Это приводит к неодина­ковой роли ионов Na+ и К+ в процессе метаболизма: Na+ — внекле­точный, а К+—внутриклеточный ионы. Именно размеры ионов, а так­же характерный для данного иона тип химической связи определяют, на какие ионы может замещаться тот или иной ион в процессе мета­болизма. Установлено, что ионы К+ могут замещаться в живых тканях на крупные однозарядные катионы щелочных металлов (Rb+, Cs+), а также на сходные по размерам ионы NH4+ и Т1+. Напротив, относи­тельно маленький ион Na+ может замещаться только на Li+. Интерес­но, что обмен на ионы Cu+ не происходит, видимо, из-за склонности Cu+ к образованию ковалентных связей, хотя размеры Cu+ и Na+ сходны.

Очень важно, что ионы Mg2+ и Са2+ в биосистемах не замещают друг друга. Это связано, как полагают, с большей ковалентностью связи Mg2+ с лигандами по сравнению с Са2+. Еще более ковалентные связи с лигандами образует Zn2+, он не замещается на Mg2+, хотя близок к нему по величине ионного радиуса.

Согласно. К. Б. Яцимирскому, оценку ионности и ковалентности связей ионов биометаллов с лигандами целесообразно проводить сле­дующим образом. Ионность связи пропорциональна отношению квад­рата заряда иона к величине ионного радиуса. Это отношение для большинства ионов находится в пределах от 1 до 5. Только для бе­риллия это отношение аномально велико и составляет 11,7. Именно с этим связывают высокую токсичность иона Ве2+.

Ковалентность связи металл—лиганд, по Яцимирскому, можно оценить как отношение

где Iм и Il — потенциалы ионизации (валентных состояний) металла и лиганда соответственно; Sml — интеграл перекрывания орбиталей, взаимодействующих при образовании ковалентной связи. Ковалентность биометаллов, охарактеризованная таким способом, обычно из­меняется в интервале 20—135. При малой ковалентности связи наи­более устойчивыми оказываются соединения ионов металлов с кисло­родом. По мере роста ковалентности все более устойчивыми оказывают­ся соединения со связью металл—азот и, особенно, со связью металл—сера. Такую же корреляцию дает классификация Пирсона, согласно которой «жесткая» кислота соединяется с «жестким» основанием,, а «мягкая» кислота — с «мягким» основанием.

Бионеорганическая химия рассматривает не только те элементы и их соединения, которые присутствуют в нормально функционирующем живом организме, но и те элементы (и их соединения), которые, не являясь составной частью здорового организма, могут оказывать на него то или иное воздействие, попадая в организм извне. Речь идет о взаимодействии живого организма с ядовитыми веществами, попав­шими в организм случайно или накопившимися в нем, например, в результате неправильной работы тех или иных органов (производ­ные свинца, кадмия, ртути и др.).

Надо учитывать, что очень важной является дозировка различных элементов и их соединений в живом организме. Доказано, что один и тот же элемент может положительно влиять на организм в целом и одновременно быть сильным ядом в случае его передозировки. Уже упоминалось, что цинк принадлежит к числу важнейших биометаллов: ионы Zn2+ входят в состав нескольких десятков ферментов, катализи­рующих протекание жизненно важных процессов. В то же время уста­новлено, что при слишком высоком содержании Zn2+ в тканях он ока­зывает канцерогенное действие.

Примером того же типа может быть селен, который, вообще го­воря, не причисляют к биометаллам. Однако в последнее время уста­новлено, что уменьшение содержания селена в пище, потребляемой человеком за день, с 0,3—0,5 мг (Япония) до 0,1—0,2 мг (США, ФРГ) приводит к резкому возрастанию числа раковых заболеваний грудной железы у женщин (более чем в 5 раз). Полагают, что низкое содер­жание селена в пищевых продуктах, вырабатываемых в странах с вы­сокоразвитой химической промышленностью, связано с большим со­держанием в атмосфере соединений серы, вытесняющих селен из при­родных объектов. В Японии нехватка селена в пище меньше, так как многие пищевые продукты, извлекаемые из моря, содержат большое количество селена.

В задачи бионеорганической химии входит изучение строения и биологической роли неорганических соединений. Эти исследования про­водят различными физико-химическими методами, а также методами биологии и биохимии, включающими и математическое моделирование. Бионеорганические исследования имеют первостепенную важность для решения задач медицины, охраны окружающей среды, неорганической технологии. Далее мы кратко рассмотрим свойства и строение некото­рых лигандов, играющих важнейшую роль в биологии, в частности соединения, закомплексовывающие биометаллы, а затем перейдем к характеристике свойств важнейших бионеорганических соединений и их роли в процессах жизнедеятельности животных и растений.


2. Важнейшие биолиганды


Биолиганды — это молекулы или ионы, взаимодействующие в организме с биометаллами. Многие из них называются «молекулами жизни». К числу биолигандов относятся главным образом органические соеди­нения. Однако и неорганические лиганды, хотя их существенно мень­ше, играют в процессах метаболизма важную и незаменимую роль. Это неорганические анионы, такие, как галогенид-ионы (F-, С1-, I-), сульфат - и нитрат-ионы, а также гидроксил-, фосфат- и карбонат-ионы, образование и гидролиз которых вносят немалый вклад в энергетиче­скую «копилку» живого организма. Это, наконец, нейтральные моле­кулы Н2О, О2, СО2, NH3. Без этих лигандов метаболизм, питание и сама жизнь организма невозможны.

Поэтому исследование взаимодействия с упомянутыми неорганиче­скими веществами ионов биометаллов, а также других катионов, попадающих в организм извне, — важнейшая задача биохимии. Взаимо­действия, реализующиеся в биосистемах, не являются специфическими и рассматриваются в рамках обычных курсов неорганической химии. Поэтому ниже будут представлены сведения лишь о лигандах, харак­терных именно для биосистем или моделирующих эти системы.

Комплексы с полидентатными и макроциклическими лигандами

Основной особенностью биолигандов является их принадлежность к числу полидентатных и (очень часто) макроциклических лигандов.

Как известно, особая устойчивость комплексных соединений, об­разованных ионами металла с полидентатными лигандами, объясняет­ся образованием одной молекулой (или ионом) лиганда с данным центральным ионом (катионом металла) одного или нескольких хелатных циклов. Согласно правилу Чугаева, наиболее устойчивыми яв­ляются пятичленные хелатные циклы (для систем без кратных связей) и шестичленные циклы (для систем с сопряженными двойными связя­ми). Напомним, что энергетическая выгодность замыкания хелатных циклов (хелатный эффект) определяется как энтропийным, так и эн-тальпийным факторами. Рассмотрим в качестве примера комплексообразование Ni2+ с аммиаком и этилендиамином еп:


В обоих комплексах ион Ni2+ координирует два атома азота. Боль­шая величина Kуст в случае этилендиаминового комплекса, несомнен­но, связана с хелатным эффектом: в комплексе [Niеn]2+ имеется пятичленный хелатный цикл, тогда как у комплекса [Ni (NH3)2]2+ — «откры­тое» строение:


Координационно насыщенные аммиакаты Ni2+ имеют состав [Ni(NH3)4]2+ или [Ni(NH3)6]2+.

Установлено, что разница в величинах констант устойчивости этих двух комплексов (A lgKуст = 2,5) определяется энтальпийным (?H= -1,9 ккал/моль) и энтропийным вкладом (?S = 6,2 кал/град*моль). Разницу в величинах энтальпии образования этих соединений объяс­няют тем, что в случае [Nien]2+ двум атомам азота, входящим в коор­динационную сферу Ni2+, не нужно преодолевать взаимного отталки­ваия (в отличие от комплекса [Ni (NH3)2]2+). Атомы азота этилендиамина уже включены в состав одной молекулы («сближены» друг с другом). Кроме того, при образовании [Niеn]2+ меньше энергии тре­буется для дегидратации лиганда, чем в случае [Ni (NH3)2]2+: молеку­лы аммиака меньше по размеру, чем еп, они сильнее гидратируются.

Разница в величинах энтропийных факторов при образовании хелатного и «открытого» комплексов обусловлена увеличением числа частиц при протекании реакции тогда как при синтезе в водном

растворе диаммиаката никеля (II) в результате комплексообразования число частиц не меняется:


что связано с бидентатностью еп и монодентатностью NH3.

Как указывает Яцимирский, кроме хелатного эффекта в природ­ных металлокомплексах, образованных биолигандами, часто осущест­вляется макроциклический эффект. В качестве примера рассматри­ваются термодинамические характеристики комплексов меди с лигандами L` и L" одинаковой дентатности и сходной природы, но только в L" цепь замкнута в макроцикл:

Как видно из приведенных данных, тетрадентатный лиганд L", представляющий собой макроцикл, при прочих равных условиях обра­зует с Cu2+ комплекс, в 104 раз более устойчивый, чем такой же тетра­дентатный лиганд L`,имеющий незамкнутое цепочечное строение. При­рода макроциклического эффекта в полной мере еще не раскрыта, однако можно полагать, что вхождение центрального иона металла в готовую «полость» макроциклического лиганда приносит существен­ную энергетическую выгоду по сравнению с ситуацией, когда такой готовой полости нет и ее нужно создавать в процессе комплексообра-зования.

Одним из простейших среди природных макроциклических лигандов является энниатин — 18-членный гексадентатный лиганд, включаю­щий кислотные остатки N-метил-валина и о-гидроксивалериата:

Энниатин и подобные ему макроциклические лиганды выполняют в живых организмах роль «ионофоров»: они включают в свою полость те или иные ионы металлов и в таком закомплексованном виде пере­носят их через биомембраны, регулируя, таким образом, содержание ионов металлов во внеклеточном пространстве и внутри клеток.

В последнее время выполнены важные работы по моделированию природных систем с металлокомплексами, образованными макроциклическими лигандами. В качестве «модельных» лигандов использовались так называемые «короны» (или краун-эфиры) и «криптаты».

Примером простейших корон, являющихся двухмерными (плос­костными) лигандами, могут служить следующие:

Дициклогексил-14-корона-4 Бензо-18-корона-6

Номенклатура краун-эфиров, как видно из приведенных названий и формул, указывает на общее число атомов в макроцикле и число гетероатомов, формирующих полость короны и выполняющих функции до­норов.

Экспериментально установлено, что устойчивость комплексных соединений ионов металлов с коронами определяется соотношением размеров иона металла и полости короны. Наибольшая прочность макроциклических комплексов достигается, когда полость плотно «об­хватывает» ион металла. Если полость слишком велика или мала, устойчивость комплексов уменьшается.

Те же закономерности были установлены для систем, в которых комплексообразование ионов металлов осуществляется с помощью макроциклических лигандов — криптатов, представляющих собой трех­мерные лиганды с полостью, обрамленной тремя углеродными цепями, включающими гетероатомы. Общая формула криптатов имеет вид:

Таким образом, криптаты можно рассматривать как бициклические кислород-донорные лиганды с концевыми атомами, роль которых выполняют третичные атомы азота.

Полагают, что криптаты могут обладать большой избиратель­ностью (селективностью) по отношению к биометаллам, например, природный макроциклический лиганд валиномицин селективен к ионам К+. Ниже приведены значения lgКуст комплексов криптатов и ионов щелочных металлов, образованных лигандами различной дентатности. Число донорных атомов в криптате влияет на размеры по­лости этого трехмерного макроциклического лиганда и, следовательно, на соотношение размеров комплексообразующего иона металла и по­лости, а значит и на устойчивость образующегося комплекса:


Интересно, что оптимальный лиганд для Li+ содержит в полости макроцикла пять донорных атомов. Увеличение числа донорных ато­мов и соответственно размеров полости приводит к уменьшению ста­бильности криптата лития. Для иона Na+ оптимальные размеры по­лости криптата отвечают 6-дентатному лиганду, для иона К+ — 7-дентатному. Для иона Rb+ устойчивость комплекса в оптимальных усло­виях ниже, чем для К+, и еще более она падает в случае иона цезия — самого большого по размерам среди ионов щелочных металлов. По-видимому, независимо от размеров полости для большого иона Cs+ прочность связи с лигандом мала из-за уменьшения энергии электро­статического взаимодействия Cs+—лиганд. Итак, исследование криптатов щелочных металлов показывает, что, регулируя состав и гео­метрию макроциклических лигандов, можно добиться их высокой селективности по отношению к ионам металлов, входящих в состав комплексов. Состав и строение природных ионофоров, упрощенными моделями которых являются краун-эфиры и криптаты, сложны и мно­гообразны. Понятно поэтому, что в биосистемах может быть достиг­нута высокая селективность действия макроциклических лигандов, это и определяет их «узкую специализацию» в процессах метаболизма.

Биополимеры, на основе которых строится комплексообразование в биологических системах

Наиболее важными биополимерами, обеспечивающими процессы об­мена веществ в животных и растительных организмах, в том числе процессы, протекающие с участием комплексных соединений металлов, являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты.



Среди полисахаридов наибольшее значение имеют крахмал, гли­коген и целлюлоза. Основным звеном в построении полимерных цепей полисахаридов являются остатки D-глюкозы. Нециклическая D-глюкоза легко циклизуется, образуя две равновесные формы:


При полимеризации ?- и ?-формы D-глюкопиранозы соединяются в полимерную цепь через кислородные мостики:


Если полимеризуется ?-форма, то цепь полимера оказывается развет­вленной — получается крахмал и гликоген. При полимеризации ?-формы образуется цепочечный неразветвленный полимер — целлюлоза, которая, как известно, обладает волокнистым строением.

Полисахариды, как видно из приведенных формул, имеют в своем составе кислородные атомы, способные проявлять донорные функции. Таким образом, полисахариды, в виде которых организм запасает угле­воды (крахмал, гликоген) и которые используются для построения оболочек растительных клеток (целлюлоза), являются полимерными лигандами.



Другой тип биополимерных лигандов — белки (протеины). Белки
представляют собой полимерные образования, в которых в том или
ином порядке чередуются 23 ?-аминокислоты. Строение всех аминокислот может быть описано формулой

Различаются они только природой радикала R. ?-Аминокислоты, вступая в реакцию полимеризации, образуют пептидную цепь:

Подобно тому как из 32 букв алфавита путем их различного соче­тания можно составить огромное количество слов, так из 23 ?-аминокислот посредством их сочленения в том или ином порядке получается все многообразие белковых тел, существующих в природе, образуется так называемая первичная белковая структура. Кроме того, рассмат­ривают вторичную, третичную и четвертичную структуру.

Вторичная структура (?- и ?-конформации) возникает в резуль­тате взаимодействия полипептидных цепей друг с другом. ?-Конформация имеет спиралеобразное строение, каждый виток спирали содер­жит от трех до семи аминокислотных фрагментов. Взаимодействие между соседними полипептидными цепями в такой спирали осущест­вляется посредством водородных связей, образованных карбонильным кислородом одной цепи с иминогруппой другой цепи:

Редко встречающаяся ?-конформация содержит вытянутые друг возле друга неспиральные полипептидные цепи.

Третичная структура белка — это глобулы, образованные ?-вторичной структурой в результате свертывания полипептидных цепей в клубки. Свертывание ?-спиралей в глобулы происходит в результате взаимодействия друг с другом гидрофобных участков спирали, электро­статического взаимодействия заряженных участков цепи, образования сульфидных мостиков и водородных связей.

Четвертичная структура возникает в результате объединения гло­бул в еще более сложную структуру.

Свойства белков как биолигандов определяются содержанием в полипептидных цепях донорных атомов азота и кислорода, которые могут участвовать в образовании хелатных циклов и макроциклических комплексов. Кроме того, к полипептидным цепям через различные функциональные группы могут быть привязаны порфириновые кольца. Порфирин содержит четыре пиррольных ядра (с различными замести­телями):

Как видно из схемы, порфирин представляет собой пример макро-циклического лиганда с четырьмя донорными атомами азота, которые координируются ионами металла, если создаются условия для вытес­нения двух протонов порфирина и замещения их на ионы металла. Размер полости порфирина составляет около 2? (диаметр). Порфи­рин принадлежит к числу «жестких» лигандов, структура которых (и размер полости) мало зависит от природы координируемого иона металла. Порфириновые металлоциклы содержатся в хлорофилле и гемоглобине. Строение порфиринсодержащих комплексов биометаллов будет рассмотрено дальше.

Нуклеиновые кислоты — третий вид наиболее важных биополимерных лигандов. Роль нуклеиновых кислот в биосистемах состоит в хра­нении и передаче информации о строении синтезируемых организмом белков. Нуклеиновые кислоты состоят из мономеров — нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит фрагменты углевода, гетероциклическо­го основания и остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединяются в нуклеиновые кислоты по следующей схеме:

Примером гетероциклических оснований могут служить аденин и урацил:

В качестве углеводного компонента нуклеиновых кислот высту­пают рибоза и продукт ее восстановления — дезоксирибоза:


В зависимости от природы углеводного фрагмента нуклеиновые кислоты делятся на две группы: рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК) кислоты. ДНК в растворах имеют строение двойных спиралей. Внутрь спирали обращены гетероциклические осно­вания, скрепленные друг с другом водородными связями, наружу об­ращены фосфатные группировки. Совершенно ясно, что ДНК и РНК обладают свойствами лигандов: донорные атомы имеются во всех фрагментах нуклеиновых кислот.

Кроме белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот в биосисте­мах обычно присутствует большое число других химических соедине­ний, проявляющих свойства лигандов и обладающих биологической активностью. Среди них особенно важную роль играют различные органические кислоты, как насыщенные, так и ненасыщенные, напри­мер аскорбиновая кислота:


производные фосфорной кислоты (такие, как аденозинфосфаты, липиды) и др.


3. Биологическая роль неорганических соединений


Биологическая роль неорганических веществ (О2, СО2, N2 и т. д.), а также ионов металлов и соединений, включающих эти ионы и атомы металлов, связанные ковалентно, чрезвычайно важна и многообразна. Один из основных процессов, связанных с участием неорганических соединений, — процесс фотосинтеза. Именно взаимодействие Н2О и СО2 — двух неорганических соединений — приводит (при катализирую­щем действии хлорофилла — магниевого комплекса порфирина) к син­тезу крахмала С6Н12О6 с выделением кислорода:

Эта реакция проходит через большое число стадий, но суть фото­синтеза состоит все же в соединении неорганических веществ в угле­вод. Углеводы, синтезируемые в растениях, потребляются травоядными животными. В результате пищеварения и дальнейших сложных пре­вращений в организме травоядных образуются белки и жиры, служа­щие пищей для хищников и всеядных животных. К числу последних может быть отнесен и человек. Источником энергии, необходимой для жизнедеятельности человека и животных, являются белки, жиры и углеводы, содержащиеся в продуктах питания растительного и живот­ного происхождения. Окисляясь (неорганическим) молекулярным кис­лородом, эти вещества, вернее продукты их деструкции, дают орга­низму энергию, затрачиваемую на другие жизненно важные химиче­ские процессы и превращаемую в механическую энергию (движение), электрическую энергию и др.

Уже упоминалось, что важнейшую роль в процессах метаболизма играют ионофоры, регулирующие содержание акваионов щелочных и щелочноземельных металлов во внеклеточном и внутриклеточном про­странстве, а также ферменты. Ферменты — всегда белковые вещества. Они ускоряют или ингибируют важнейшие процессы в организме, способствуют переносу в тканях кислорода и углекислого газа, пере­носу электронов, ускорению гидролитических процессов.

Роль акваионов металлов и металлсодержащих комплексов в жи­вых организмах состоит в регуляции процессов, связанных с получением, преобразованием и распределением в организме энергии, выде­лением вредных для организма продуктов реакции.

Рассмотрим на ряде примеров биологическую роль акваионов металлов и их комплексов с биолигандами.

Транспорт ионов металлов и других неорганических компонентов в растительных и животных организмах

Для нормального функционирования живых организмов необходимо строго определенное распределение химических веществ по различным частям организма. В тканях млекопитающих действует система транс­порта ионов натрия или калия, получившая название «натриевый (или калиевый) насос». Важнейшую роль играет также транспорт железа и других биометаллов.

Натриевый насос обеспечивает необходимое соотношение концент­раций ионов Na+ и К+ во внеклеточном и внутриклеточном простран­стве. Установлено, что в большинстве клеток животного организма [К+] составляет 0,12—0,16 моль/л, тогда как [Na+] в тех же клетках не пре­вышает 0,01 моль/л. Во внеклеточной жидкости соотношение обратное: [Na+]?0,15 моль/л, а [К+] меньше, чем 0,004 моль/л. Таким образом, существует значительный градиент концентраций ионов К+ и Na+ меж­ду внеклеточным и внутриклеточным пространством. Такое распреде­ление не может быть самопроизвольным, очевидно, требуется затрата энергии, чтобы ионы К+ накапливались внутри клеток, а ионы Na+ оттуда выводились. Установлено, что «насос», накачивающий ионы К+ в клетки к выкачивающий оттуда ионы Na+, т. е. действующий против концентрационного градиента, работает с помощью фосфатопротеина, который образует с ионами К+ более прочные соединения (в силу соответствия размеров иона К+ и полости ионофора), чем с ионами Na+. В составе комплекса с фосфатопротеином ион К+ проходит через клеточную мембрану. Во внутриклеточном пространстве фосфато-протеин взаимодействует с аденозинтрифосфатом. Новый лиганд об­разует более прочное соединение с ионами Na+, нежели с ионами К+ и выводит ионы Na+ из клетки во внеклеточное пространство.

Железо в виде ионов Fe2+, Fe3+ и биокомплексов необходимо ор­ганизму животных и человека для выполнения важнейших жизненных функций, таких, например, как перенос кислорода и катализ окисли­тельно-восстановительных процессов, служащих одним из главных ис­точников энергии. В организме животных и человека железо накап­ливается и сохраняется в печени, селезенке и костном мозге в виде белковых образований — ферритина и гемосидерина. Белковая часть ферритина представляет собой сферическое образование (внешний диаметр около 120 ?) с внутренней полостью диаметром около 75 ?. В полости ферритина находится мицелла, состоящая из гидратированного и гидролизованного фосфата Fe(III). Масса сухого остатка, со­держащего железо, составляет 23% от массы ферритина (в гемосидерине железа еще больше).

Транспорт железа от ферритина к красным кровяным тельцам происходит с помощью белка трансферрина, очень прочно связываю­щего Fe (III) в хелат. Установлено, что хелаты Fe(III), образованные белками типа трансферрина, переносят железо через биомембраны, тогда как сам по себе фосфат железа, содержащийся в ферритине и гемосидерине, преодолеть этих преград не может.

Транспорт О2 в организме животных и человека осуществляется железосодержащими комплексами — гемоглобином и миоглобином. Оба этих белка содержат «гем-группы», представляющие собой порфириновый комплекс железа:

Гемовая группа присоединяется к белковой части молекулы гемо­глобина и миоглобина путем координации гистидинового атома азота белка ионом железа гемовой группы. Таким образом, в координационную сферу иона железа входит пять атомов азота (четыре атома азота порфирина, один атом азота белкового гистидина). Шестое координа­ционное место занимает Н2О или О2.

Гемоглобин имеет молекулярную массу 64 500 и включает четыре гем-группы. Миоглобин сходен с гемоглобином по строению, но содер­жит только одну гем-группу. Гемоглобин почти так же хорошо, как миоглобин, связывает кислород при высоком давлении кислорода, но, когда давление кислорода падает, преимущество в связывании О2 имеет миоглобин. Падение давления О2 наблюдается в тканях мышц, потребляющих кислород. Результатом использования кислорода являет­ся накопление в мышцах СО2 и, как следствие, понижение рН. Это еще более способствует высвобождению О2 из гемоглобина и передаче кислорода миоглобину. Таким образом, и гемоглобин, и миоглобин участвуют в переносе кислорода.

Теряя кислород, железо в гемоглобине (форма дезоксигемоглобина, КЧ железа = 5) переходит в высокоспиновое состояние. Ослабле­ние связи с атомами азота порфирина приводит к выходу атома желе­за из плоскости кольца порфирина (на 0,7—0,8?). Напротив, вслед­ствие присоединения кислорода к гемоглобину образуется низкоспино­вый октаэдрический комплекс, железо в котором находится в плоскости порфиринового кольца (КЧ железа = 6). Хотя связывание молекуляр­ного кислорода гемоглобином и миоглобином сопровождается ослаб­лением связи O = O в молекулярном кислороде из-за размещения ?-дативных электронов железа на разрыхляющих орбиталях О2, этот процесс сам по себе не сопряжен с необратимым переносом электрона, поэтому его обычно не причисляют к ферментативным окислительно-восстановительным реакциям. Отметим, однако, что разрыхление свя­зи O = O в не может не активировать окислительные реакции.


Например, можно рассматривать взаимодействие активированной формы О2 с восстановленной формой субстрата StH2, сопровождаю­щееся переходом его в окисленную (дегидрированную) форму St:

При этом кислород превращается в Н2О и Н2О2 с выделением энергии.

Металлсодержащие ферменты

Далеко не все ферменты, катализирующие биологически важные про­цессы в организме животных и растений, содержат ионы металлов. Однако металлсодержащих ферментов только в организме человека несколько сотен, и их биологическая роль чрезвычайно важна. Нару­шение структуры или удаление из организма даже одного из них при­водит к тяжелым расстройствам функций организма, а затем и к его гибели.

Металлсодержащие ферменты представляют собой координацион­ные соединения, и поэтому их исследованием занимается неорганиче­ская химия или, точнее, координационная химия.

Рассмотрим строение и биологическую роль нескольких металлоферментов.

Каждый фермент состоит из двух частей: кофермента и апофермента. Кофермент — это легко отделяемая часть фермента. В металлоферментах ион металла составляет основную часть кофермента. Апофермент—остальная часть фермента, которая в отсутствие кофермен­та не проявляет ферментативной активности.

Обычно рассматривают две группы металлоферментов, различаю­щихся по типу катализируемых ими реакций: ферменты, катализирую­щие реакции гидролиза, и ферменты, катализирующие протекание окислительно-восстановительных реакций.

Ферментативный катализ реакций гидролиза

Реакции, протекающие в организмах животных и растений с участием воды, играют важнейшую роль в процессе обмена веществ и служат одним из основных источников "энергии, запасаемой организмом.

Реакции гидролиза катализируются обычно теми металлоферментами, которые содержат ионы Са2+, Mg2+, Zn2+ и Мn2+. Хотя ион Мn2+ легко вступает в окислительно-восстановительные реакции, в ходе гидролитических реакций он, как и все упомянутые ионы, не меняет степени окисления.

Наиболее хорошо изучены строение и биологическая роль двух из металлоферментов, катализирующих гидролитические процессы,— цинксодержащих ферментов карбоангидразы и карбоксилазы. Отме­тим, однако, что только в организме человека содержится несколько десятков цинксодержащих ферментов, различающихся по своему строе­нию и функциям.

Карбоангидраза состоит из больших белковых молекул с молеку­лярной массой 430 000. Каждая из таких макромолекул содержит 260 аминокислотных остатков. Форма молекулы карбоангидразы — эллип­тическая, размеры ее (40x45x55) А3. Эллиптическая молекула карбо­ангидразы имеет полость, причем аминокислоты, составляющие белок апофермента, расположены так, что гидрофобные их части как бы выстилают внутреннюю полость макромолекулы. В одной молекуле фермента содержится только один ион Zn2+, который находится вбли­зи центра полости карбоангидразы. Координационный полиэдр комп­лекса, центральным ионом которого является Zn2+, представляет собой искаженный тетраэдр. Три положения в координационной сфере Zn2+ занимают донорные атомы азота из имидазольных групп аминокисло­ты гистидина:


Четвертое координационное место занято молекулой Н2О или ионом ОН-. Фермент карбоангидраза содержится в красных кровяных тель­цах. Установлено, что карбоангидраза примерно в 106 раз ускоряет реакцию образования бикарбонат-иона и обратную ей реакцию рас­пада НСО-:

Рассмотрим предполагаемый «концертный» механизм действия карбоангидразы. Ион Zn2+, входя в состав несимметрично построен­ного координационного соединения (имеющего по этой причине напря­женную структуру), обладает высокой реакционной способностью. Столкновение на активном центре карбоангидразы иона Zn2+, СО2 и иона ОН- в полости карбоангидразы приводит к активации всех участ­вующих в реакции веществ, в результате чего быстро образуется бикарбонат цинка:

Следующий этап процесса состоит в обмене образовавшегося бикарбонат-иона на Н2О или ОН-, т. е. в высвобождении активного центра фермента для последующих актов катализа.

Установлено, что ингибирование реакции синтеза и распада бикарбонат-ионов достигается введением в координационную сферу иона Zn2+ лигандов, образующих более прочную связь с Zn2+, чем с НСО3-2О или ОН-. Такими являются ионы CN-, N3-, S2O42- и др. Так как в некатализируемых условиях (в присутствии CN-, N3- и т. д.) синтез НСО3- и его распад протекают слишком медленно, физиологи­ческие требования не выполняются, нормальное состояние организма нарушается.

Каталитическая активность карбоангидразы не понижается при замене Zn2+ на ион Со2+, в других случаях активность фермента либо падает, либо исчезает.

Карбоксипептидаза представляет собой фермент, вырабатываемый поджелудочной железой млекопитающих. Так же как карбоангидраза, этот фермент содержит один ион Zn2+ на одну белковую макромоле­кулу, молекулярная масса которой 34300. Биологическая роль карбо-ксипептидазы заключается в катализе процесса гидролиза пептидов — разрыве пептидной связи на карбоксильном конце пептидной цепи:

Ион Zn2+ в карбоксипептидазе, так же как в карбоангидразе, находится в полости активного центра фермента, но только два места в его координационной сфере заняты азотом имидазольных остатков гистидина. Третье место занято кислородом другой аминокислоты — глутамина. Четвертое координационное место в координационной сфе­ре Zn2+ принадлежит молекуле воды. Таким образом, и в этом фер­менте координационная сфера Zn2+ несимметрична, что, по-видимому, обусловливает напряженность структуры фермента и является обяза­тельным условием каталитической активности комплексных соединений. Предполагают, что одной из важных стадий каталитического про­цесса, протекающего с участием карбоксипептидазы, является коорди­нация ионом Zn2+ атома кислорода карбонила пептидной цепи


с вытеснением Н2О, занимающей одно место в координационной сфере. Координация цинком карбонильного кислорода ослабляет связь С—N в пептидной цепи, что облегчает ее разрыв, сопровождающийся гидро­лизом. Гидролиз разорванной цепи приводит к ослаблению координа­ции карбонильного кислорода пептидной цепи ионом Zn2+. Происходит вытеснение молекулой Н2О, затем вновь следует координация ионом Zn2+ карбонильного кислорода неразорванной цепи и т, д, Ферментативная активность карбоксипептидазы сохраняется, если Zn2+ заменить на ион Со2+, так же как в случае карбоангидразы. По-видимому, это связано с очень близкими величинами констант устой­чивости (т. е. сходными термодинамическими, характеристиками) ана­логичных комплексов Zn2+ и Со2+, а также одинаковыми размерами этих ионов. Замена Zn2+ в карбоксипептидазе на Gd2+, Hg2+, Cu2+, Pb2+ приводит к исчезновению каталитической активности фермента.

К группе ферментов, катализирующих процессы гидролиза, отно­сятся также киназы, ускоряющие перемещение различных фрагментов биолигандов (например, ионы РО3-)от одного биополимера к друго­му. Все киназы содержат ионы М2+. Аминопептидазы (ионы Mg2+, Zn2+, Mn2+, Ca2+—кофермент) катализируют гидролиз пептидов, при этом каждый из большого числа ферментов, входящих в эту группу, ускоряет разрыв пептидной связи именно для данного сочетания разно­именных аминокислот в пептидной цепи. Фосфатазы катализируют гидролиз сложных эфиров на основе ортофосфорной кислоты.

Ферментативный катализ окислительно-восстановительных реакций

Окислительные реакции, протекающие в живом организме с участием молекулярного кислорода, вносят основной вклад в накопление орга­низмом энергии. Окислительно-восстановительные реакции в отсутствие катализатора всегда протекают медленнее, чем реакции обмена ионов (тоже не катализируемые), например реакции гидролиза. Поэтому роль ферментативного катализа в ускорении окислительно-восстановитель­ных процессов, протекающих в живых организмах, является особенно важной. Окислительно-восстановительные реакции в организме ката­лизируются ферментами, содержащими ионы цинка, железа, меди, молибдена, кобальта. Роль металлсодержащих групп в ферментах, катализирующих окислительно-восстановительные процессы, изучена недостаточно. Однако ясно, что ион металла в ферменте не всегда входит в активный его центр. В ряде случаев ионы металла определяют лишь третичную и четвертичную структуру белка, образующего апофермент, а сам по себе кофермент ионов металла не содержит. Тем не менее роль металла остается крайне важной — замена ионов одного металла на другой меняет структуру фермента и его активность.

Из металлсодержащих ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные процессы, наиболее изучены цинксодержащие дегидрогеназы, а также железосодержащие ферменты.

К числу ферментов, катализирующих окислительно-восстанови­тельные реакции, относятся гемсодержащие ферменты — цитохромы. Атомы железа в цитохромах, так же как в гемоглобине и миоглобине, координируют пять атомов азота (порфирина и гистидина), шестое координационное место занимает атом серы аминокислоты — метионина. Известно 50 видов ферментов этого типа, несколько различающих­ся по составу органической его части. Железо в цитохромах играет роль переносчика электронов — оно принимает электроны от восста­новителя и передает их окислителю. Окислителем может быть и кис­лород, но он не участвует в координации железа, входящего в состав цитохромов, поскольку железо в цитохроме имеет полностью насыщен­ную координационную сферу.

Среди гемсодержащих ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции, также большое значение имеют гем-белки — каталаза и пероксидаза, ускоряющие распад перекиси водо­рода. Последняя образуется в результате катализируемого фермента­ми взаимодействия восстановленных форм субстратов с молекулярным кислородом.

Кроме гемсодержащих ферментов известно большое число металл­содержащих ферментов, имеющих «негемовое» строение. К их числу принадлежат ферредоксины, играющие в живых организмах, подобно цитохромам, роль переносчиков электронов. Ферредоксины имеют мо­лекулярную массу от 6000 до 12 000. Атомы железа в них окружены четырьмя атомами серы:

Концевые атомы серы принадлежат цистеиновому фрагменту белка. Считают, что важную роль источника (или «ловушки») электронов играет группировка Fe4S4, содержащаяся в каждом из ферредоксиновых белков.

Окислительно-восстановительные реакции катализируются также металлоферментами, включающими медь и другие металлы. Важное значение имеет оксидаза аскорбиновой кислоты, содержащаяся в рас­тениях и микроорганизмах. Молекулярная масса оксидазы 140 000, на одну такую белковую глобулу приходится восемь атомов меди. Как показывает название, оксидаза катализирует переход аскорбиновой кислоты в дегидроаскорбиновую кислоту. Медь также содержится в белке-гемоцианине, который способен связывать молекулярный кисло­род (О2 на два атома меди). Используется гемоцианин для транспорта кислорода в организмах низших животных.

К числу ферментов, катализирующих перенос электронов, т. е, окислительно-восстановительные процессы, относится нитрогеназа, со­держащаяся в азотистых бактериях. Нитрогеназа катализирует свя­зывание атмосферного азота. С использованием меченого азота (15N2) показано, что бактерии восстанавливают N2 в первую очередь до ам­миака. Этот процесс происходит только в присутствии Mo, Fe и Mg. Установлено, что нитрогеназа состоит из двух белков (молекулярная масса 250 000 и 70 000), каждый из которых по отдельности не активен.

Только в совместном присутствии эти белки проявляют каталитический эффект. В одном из белков содержится на одну глобулу один-два атома Мо, 15 атомов Fe, большое количество серы; во втором—мо­либдена нет. имеются два атома железа и два атома серы (неоргани­ческой, не входящей в состав белка).

Хлорофилл в зеленых растениях играет важнейшую роль, связан­ную с энергетическим обеспечением окислительно-восстановительных процессов при фотосинтезе. Установлено, что хлорофилл, т. е. порфириновый комплекс Mg2+, содержащийся в хлоропласте зеленых частей растения, поглощает световую энергию. Длина волны поглощаемого света (~ 700 нм) определяется системой сопряженных связей в порфириновом комплексе. Вхождение Mg2+ в порфириновый комплекс делает лиганд более жестким, что уменьшает рассеяние энергии в результате колебательных движений.

Световая энергия, запасенная хлорофиллом, расходуется на про­текание эндотермической реакции, которая называется реакцией фото­синтеза:

Механизм фотосинтеза в полной мере не изучен. Известно только, что в стадиях фотосинтеза принимают участие комплексы четырех металлов (включая магний хлорофилла). Так, установлено, что в ста­дии переноса электрона, завершающейся отщеплением молекулярного кислорода, участвует комплекс марганца; на последующих стадиях в реакции вступают комплексы железа (ферредоксин, цитохромы) и меди (пластоцианины).

Таким образом, роль хелатных комплексов металлов в регулиров­ке сложнейших процессов, протекающих в живых и растительных ор­ганизмах, чрезвычайно важна и многообразна. Отметим еще некоторые из биологически важных процессов, связанных с участием неорганиче­ских соединений или ионов.

Другие биологические функции неорганических соединений.

Роль ионов Са2+ в организмах животных и растений сложна. Больше всего кальция содержится в костной ткани. Кристаллы кости имеют приблизительный состав Са10(Р04)6(ОН)2 и, таким образом, относят­ся к числу гидроксилапатитов. Минеральная часть кости включает, кроме того, карбонаты, фториды, цитраты и гидроокиси металлов, сре­ди которых, кроме Са2+, есть Mg2+, Na+ и К+. Неорганическая часть кости составляет только 0.25 ее массы — остальное органические ком­поненты.

Среди наиболее важных функций Са2+ — его роль в ферментатив­ных системах, в том числе как регулятора сокращения мышц, пере­датчика нервного импульса, а также в системе свертывания крови.

В организм кальций вводится в виде среднего фосфата, содержа­щегося в пище. В пищеварительном тракте под влиянием кислой сре­ды средний фосфат преобразуется в хорошо растворимые кислые фос­фаты СаНРО4 и Са(Н2РО4)2. Именно кислые фосфаты всасываются в кишечнике и переходят в плазму крови.

Концентрация ионов Са2+ в крови человека составляет обычно 0,0022—0,0028 моль/л. Примерно половина кальция находится в виде акваионов, способных проходить через мембраны. Другая часть свя­зана с белком (альбумин) и через мембраны не проходит. Интересно, что концентрацию кальция можно определить, используя биологиче­ский тест — по частоте сокращения сердца лягушки (или черепахи). Этот способ определения концентрации незакомплексованного Са2+ был использован для определения Куст хелатных комплексов кальция в неорганических исследованиях.

Ионы Са2+ наряду с ионами К+ и Mg2+ влияют не только на час­тоту сокращения мышц, в том числе сердечной мышцы, но и на дейст­вие сердечных гликозидов (типа наперстянки шерстистой — Digitalis). Известно, что при передозировке гликозидов сердце останавливается. Введение при этом ионов К+ и Mg2+ в мышцу сердца ослабляет дейст­вие гликозидов, а введение Са2+ — усиливает. Однако ионы Са2+ мож­но связать в прочный комплекс, например с ЭДТА. Так, если вовремя ввести ЭДТА в мышцу остановившегося сердца, оно вновь начинает биться.

Переизбыток Са2+ оказывает нежелательные воздействия на орга­низм — происходит «образование камней», «отложение солей» и т. д. Так как ионы Са2+ и Mg2+ входят в состав ткани стенок бактериаль­ных клеток, изменение содержания ионов Са2+ в системе может при­вести к гибели микроорганизма. Такой эффект наблюдается, в част­ности, если в систему ввести ЭДТА или другой комплексон высокой дентатности. ЭДТА, связывая Mg2+ и Са2+ в прочный комплекс, раз­рушает стенки бактериальных клеток, что и приводит к гибели микро­организмов. Вымывание из организма ионов Са2+ и других полезных ионов происходит при использовании комплексонов и хелатообразователей для удаления из организма ионов токсичных металлов, таких, как Hg2+, Pb2+ и др. Чтобы уменьшить вымывание ионов Са2+ при лечении тех или иных заболеваний, в организм вводят ЭДТА в виде кальциевого комплекса СаЭДТА2-.

Ионы щелочных металлов, как уже упоминалось, выполняют в жи­вых и растительных организмах многообразные функции. Это относит­ся не только к ионам Na+ и К+. Установлено, что прием препаратов, содержащих ионы Li+ и Rb+, облегчает состояние больных, у которых обнаружен маниакально-депрессивный синдром.

Передозировка в организме ионов металлов, принадлежащих к числу «металлов жизни», а также случайное введение ионов других металлов (например, Hg2+, Be2+, Cd2+, Pb2+) вызывают тяжелые нару­шения жизнедеятельности организма. В эт,их случаях лечение прово­дят, используя медикаменты (детоксиканты), проявляющие свойства лигандов специфического действия.

Предложено использовать для выведения из организма ионов ме­таллов, проявляющих токсический эффект, следующие лиганды.

Этилендиаминтетраацетат (ЭДТА) — в виде соли кальция — вы­водит из организма Pb2+, V(IV), V(V). Если ЭДТА применяют дли регулировки свертывания крови, то вводят натриевую соль, чтобы понизить [Са2+].

Ауринтрикарбоксилат или салицилат (натрия) вводят в организм для закомплексовывания бериллия. Комплексы Ве2+ с этими лигандами проходят через биомембраны, и таким образом Ве2+ может быть уда­лен из организма.

D-пеннициламин (HSC(CH3)2—CHNH2—COOH) используют для специфического связывания Сu2+ и выведения меди из организма, в частности, если в результате передозировки или неправильного функционирования организма в печени, мозге и почках накапливается медь (болезнь Вильсона, лейкемия и др.).

Димеркаптал СН2ОН—CHSH—CH2SH закомплексовывает и вы­водит из организма Hg, As, Те, Tl, Au.

Ферриоксимин-В-полигидроксамовая кислота используется для специфического связывания и выведения из организма избытка железа при заболевании «сидерозис».

Многие лекарства, применяемые в медицинской практике, пред­ставляют собой лиганды, ингибирующие действие активных центров металлов-ферментов путем координационного насыщения ионов метал­лов. Например, введение в организм диакарба


приводит к подавлению ферментативной активности карбоангидразы, катализирующей реакцию связывания воды и СО2в бикарбонат-ион. Ингибирование карбоангидразы диакарбом достигается вследствие ко­ординации ионом Zn2+ атома серы диакарба. В результате координа­ция Н2О и СО2 цинком прекращается, вода не связывается в НСО3-я выводится из организма — достигается диуретический эффект. К той же группе лекарств относится дисульфурам


который блокирует ионы Сu2+ в ферменте, катализирующем окисле­ние ацетальдегида. Это лекарство используется при лечении алкого­лизма, поскольку накопление ацетальдегида в организме вызывает неприятные ощущения и отвращение к алкоголю.

Многие яды действуют по аналогичному механизму. Например, угарный газ и цианиды блокируют ионы железа в гемоглобине и дела­ют невозможным перенос О2 от легких к периферийным тканям. Орга­низм «обескислороживается» и гибнет.

Действие многих лекарств основано на способности комплексных соединений ионов металлов проходить через биомембраны, тогда как акваионы и лиганды, взятые в отдельности, такой способностью об­ладают в очень малой степени либо вообще не обладают. Примером могут быть антибиотики, активность которых существенно возрастает в присутствии ионов металлов. То же относится к противогрибковым препаратам типа 8-оксихинолината Fe (III). Установлено, что только совместное присутствие акваионов Fe3+*aq и 8-оксихинолина дает анти­грибковый эффект. Очевидно, что образующийся комплекс железа (III) проходит через стенки клеток грибков и вызывает их гибель.

Интересные данные получены в последнее время о катионных комплексах типа Co(NH3)63+, Co(NH3)5O22+ и комплексах железа, ру­тения и других переходных металлов с нейтральными лигандами типа фенантролина и дипиридила. Оказалось, что эти (вероятно, и другие) катионные комплексы переходных металлов сходны по геометрии и плотности положительного заряда с «головкой» ацетилхолина [(CH3)3N+](CH2)2COOCH3. Ацетилхолин является действующим нача­лом яда кураре, вызывающего паралич нервных окончаний. Указанные катионные комплексы вызывают подобное действие, об этом следует помнить, когда в практикумах по неорганической, аналитической я координационной химии проводится синтез такого рода комплексных соединений.

Изучение биологической активности неорганических соединений только начинается. Интерес к испытанию их биологической активности резко возрос после открытия в 1969 г. противораковой активности соли Пейроне — цис-дихлородиамминплатины(Н). Было замечено, что электролиз раствора NH4CI с использованием платиновых электродов приводит к потере способности воспроизводства у кишечной палочки Е. Соli. Это отнесли к положительному действию соли Пейроне, присутствующеи в растворе. Поскольку антираковое и антимикробное дей­ствие симбатны, соль Пейроне была испытана на антираковое действие и показала высокую эффективность. Сейчас проводятся поиски столь же эффективных, но менее токсичных медикаментов. Установлено, что антираковое действие зависит от строения комплексов платины (и дру­гих металлов). В частности, транс-изомер дихлородиамминплатины(П) не проявляет антиракового действия. Замена атомов С1 на Вr и I де­лает неактивными и цис-изомер.

Бионеорганическая химия и охрана окружающей среды

Бионеорганические аспекты экологии имеют большое значение. В част­ности, внедрение в химическую технологию и сельское хозяйство реагентов, способных закомплексовывать ионы металлов, вызывает не­желательные сдвиги природных равновесий. Можно упомянуть, напри­мер, действие комплексонов, сбрасываемых в больших количествах в природные водоемы предприятиями, применяющими эти реагенты для «умягчения» воды: фотопромышленностью, красильной (текстильной и полиграфической) промышленностью, энергетикой (введение в воду па­ровых потоков и отопительной сети комплексонов для предотвращения осадкообразования), нефтяной и цементной промышленностью (предот­вращение солеотложений в трубах, замедление схватывания бетона), сельским хозяйством (для борьбы с хлорозом и анемией вводят же­лезо в почву или в пищу животных в виде комплексонатов, не подвер­гающихся гидролитическому разрушению и легко усвояемому живот­ными, в отличие от акваионов Fe (II), Fe(III) в растворах простых солей). Комплексоны, попадая в природные водоемы, вызывают раст­ворение осадков токсичных металлов, десятилетиями накапливающихся на дне морей и океанов. Переходя в раствор в виде комплексонатов, ионы Hg2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+ и других токсичных металлов проникают через биомембраны и отравляют живые организмы. Присутствие комп­лексонатов в природных водах вызывает гипоксию (недостаток кисло­рода), а вследствие этого гибель планктона и в конце концов гибель высших животных, стоящих в конце экологической цепи. Кислород тратится на окисление ионов металлов, например на переведение Fe(II) в Ре(III). Комплексоны этому способствуют, так как стабилизируют высшие степени окисления металлов, которым отвечают наиболее, устойчивые комплексы. Поэтому нельзя не отметить важность работ, посвященных синтезу, исследованию и разработке методов использо­вания комплексообразующих агентов, которые легко бы обезврежива­лись, попадая в условия сброса. Интерес, на наш взгляд, представляют комплексоны типа этилендиаминдиянтарной кислоты. Эти соединения, обладая высокой комплексообразующей способностью, в природных средах быстро дезактивируются и не смещают установившегося равно­весия.

В плане охраны окружающей среды могут рассматриваться и ра­боты по моделированию процесса связывания атмосферного азота. Замена энергоемкого производства синтезом азотсодержащих соедине­ний в мягких условиях (подобно условиям связывания N2 азотистыми бактериями) приведет в конечном итоге к сбережению природных ре­сурсов и охране биосферы.

© Рефератбанк, 2002 - 2017