Биогенные s-, р-, d-элементы. Биологическая роль и значение их в медицине
СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ S-ЭЛЕМЕНТОВ
Общая характеристика s-элементов и их соединений
Биогенные элементы подразделяют на элементы: s-, p- и d-блоки. Химические элементы, в атомах которых заполняются электронами s-подуровень внешнего уровня, называют s-элементами. Строение их валентного уровня ns1-2. Небольшой заряд ядра, большой размер атома способствуют тому, что атомы s-элементов – типичные активные металлы; показателем этого является невысокий потенциал их ионизации. Катионы IIА группы имеют меньший радиус и больший заряд и обладают, следовательно, более высоким поляризующим действием,
образуют более ковалентные и менее растворимые соединения. Атомы стремятся принять конфигурацию предшествующего инертного газа. При этом элементы IA и IIA групп образуют соответственно ионы М+ и М2+. Химия таких элементов является в основном ионной химией, за исключением лития и бериллия, которые обладают более сильным поляризующим действием.
Для s-элементов IA группы небольшой заряд ядер атомов, невысокий потенциал ионизации валентных электронов, большой размер атома и увеличение его в группе сверху вниз определяют состояние их ионов в водных растворах в виде гидратированных ионов. Наибольшее сходство лития с натрием обусловливает их взаимозаменяемость, синергизм их действия. Деструктурирующие свойства в водных растворах ионов калия, рубидия и цезия обеспечивают их лучшую мембранопроница-емость, взаимозаменяемость и синергизм их действия. Концентрация К+ внутри клеток в 35 раз выше, чем вне, а концентрация Na+ во внеклеточной жидкости в 15 раз больше, чем внутри клетки. Эти ионы в биологических системах являются антагонистами, s-элементы IIA группы в организме находятся в виде соединений, образованных фосфорной, угольной и карбоновой кислотами. Кальций, содержащийся в основном в костной ткани, по своим свойствам близок к стронцию и барию, которые могут замещать его в костях. При этом наблюдаются как случаи синергизма, так и антагонизма. Ионы кальция являются также антагонистами ионов натрия, калия и магния. Сходство физико-химических характеристик ионов Be2+ и Mg2+ обусловливает их взаимозаменяемость в соединениях, содержащих связи Mg-N и Mg-O. Этим можно объяснить ингибирование магнийсодержащих ферментов при попадании в организм бериллия. Бериллий – антагонист магния. Следовательно, физико-химические свойства и биологическое действие микроэлементов определяются строением атомов.
В водном растворе ионы способны в небольшой степени к реакциям комплексообразования, образованию донорно-акцепторных связей с монодентатными лигандами (аквакомплексы) и даже с полиден-татными лигандами (эндо- и экзогенными комплексонами). Такие комплексы обладают, как правило, невысокой устойчивостью. Более прочные комплексы образуются с циклическими полиэфирами – краун-эфирами,которые представляют собой плоский многоугольник. Ионы s-элементов имеют связи сразу с несколькими атомами кислорода соединения типа циклической молекулы, которые называют макроциклическими соединениями. Это мембраноактивные комплексо-ны (ионофоры) – соединения, переносящие ионы s-элементов через
липидные барьеры мембран. Молекулы ионофоров имеют внутримолекулярную полость, в которую может войти ион определенного размера, геометрии по принципу ключа и замка. Полость окаймлена активными центрами (эндорецепторами). В зависимости от природы металла может происходить нековалентное взаимодействие (электростатическое, образование водородных связей, проявление ван-дер-ваальсовых сил) со щелочными металлами (грамицидин с Na+, валиномицин с К+ [рис. 10.4]) и ковалентное – со щелочноземельными металлами. Образуются при этом супрамолекулы – сложные ассоциаты, состоящие из двух химических частиц или более, удерживаемых вместе межмолекулярными силами.
Двухзарядные ионы элементов IIА группы являются более сильными комплексообразователями. Для них наиболее характерно образование координационных связей с донорными атомами кислорода, а для магния – также с атомами азота (порфириновая система). Из макроци-клических соединений приведенный ниже представитель криптандов высоко селективен по отношению к катиону стронция.
Криптанд – это макроциклический лиганд, который связывает катионы еще более специфично, чем циклические эфиры. В молекулах криптан-дов атомами, общими для всех циклов (узловыми атомами), могут быть С и N, атомами в циклах – О, S и N. Если узловые атомы в молекуле соединены оксиэтиленовыми цепочками, то в тривиальных названиях крип-тандов цифрами в квадратных скобках перед словом «криптанд» указывается количество эфирных атомов О в каждой цепочке, причем первой указывается наиболее длинная цепь. Размер полости криптанда задается по трем направлениям, а не в плоскости, как это было в случае краун-эфира. Комплексы металлов с криптандами существенно более устойчивые, чем с краун-эфирами.
Соединения криптандов со щелочными металлами носят название криптатов. Механизм действия антибиотика тетрациклина заключается в разрушении рибосом микроорганизмов за счет связывания ионов магния, что определяет лечебный эффект.
Рис.1 Валиномицин фиксируется в центре за счет ион-дипольного взаимодействия с участием карбонильных групп пептида (кружки)
Медико-биологическое значение s-элементов и их соединений
Биологические функции s-элементов очень разнообразны: активация ферментов, участие в процессах свертывания крови, в различных реакциях организма, связанных с изменением проницаемости мембран по отношению к ионам калия, натрия и кальция, участие в образовании мембранного потенциала, в запуске внутриклеточных процессов, таких, как обмен веществ, рост, развитие, сокращение, деление и секреция, перенос информации. Чувствительность клеток к данным ионам обеспечивается разностью их содержания вне и внутри клетки, градиентом концентрации (ионной асимметрией). Старение – понижение градиента концентрации, смерть – выравнивание концентрации вне и внутри клетки. Градиент концентрации регулируется связыванием свободных ионов клетки специфическими белками. Одним из немногих универсальных регуляторов жизнедеятельности клеток являются ионы кальция. Градиент концентраций Са2+между цитоплазмой и средой на уровне 4 порядков и обеспечивается связыванием Са2+ в хелатное соединение специфическими белками. Кальмодулин – один из наиболее изученных кальцийсвя-зывающих белков, широко распространенных, и встречается в клетках животных, растений и грибов. Этот белок способен регулировать большое число (более 30 описанных в настоящее время) различных процессов, происходящих в клетке. Поэтому в цитоплазме свободные ионы кальция присутствуют в субмикромолярных концентрациях.
Вещества, регулирующие поток ионов, называются эффекторами, которые делятся на блокаторы иактиваторы. Биологическое действие эффекторов может быть весьма разнообразным как по направлению, так и по интенсивности воздействия. Вещества, обеспечивающие повышение градиента концентрации, активизируют внутриклеточные процессы, рост и развитие организма и являются активаторами метаболических процессов. Вещества, обеспечивающие снижение градиента концентрации, наоборот, ингибируют внутриклеточные процессы, снижают интенсивность обменных процессов в организме. Внутриклеточная регуляция процессов с помощью эффекторов нам представляется перспективным механизмом управления ростом и развитием живого организма. Поэтому весьма актуальным и важным направлением научных исследований являются поиск и синтез высокоизбирательных и эффективных эффекторов, биорегуляторов
внутриклеточных процессов, способных изменять свойства K+-, Na+-, Са2+-каналов за счет взаимодействия со специфическими участками его структуры – рецепторами, которые могут быть либо на поверхности, либо скрыты в глубине этих каналов.
В нормальных условиях ионы кальция играют роль важнейших вторичных посредников, участвующих в запуске внутриклеточных процессов (биосинтез, сокращение, деление, секреция). Они отвечают на сигналы первичных посредников биохимических процессов, в роли которых выступают различные биологически активные вещества (эффекторы): медиаторы, гормоны, витамины, ферменты, факторы роста. Связывание эффектора с рецепторами подчиняется закону действующих масс.
В клинической практике применяются блокаторы в сердечнососудистой терапии (стенокардия, аритмия, инфаркт миокарда), иммунологии, химиотерапии онкологических заболеваний. Верапамил, дигидропиридилингибируют на 80-90% образование метастазов меланомы, значительно снижают адгезию (прилипание) опухолевых клеток к эндотелию и образованию колоний. Система регуляции градиента концентрации вне и внутри клеток является перспективным направлением в биотехнологии (химической ионике) для получения важных веществ из клеток-продуцентов (р-клетки – источник инсулина, гипофизарные клетки – продуценты гормонов, фибробласты – источники факторов роста). Кроме активации ферментов, ионы щелочных металлов играют важную роль в осмотическом давлении, действуют как переносчики зарядов при передаче нервного импульса, стабилизируют структуру нуклеиновых кислот. Ионы кальция, магния инициируют некоторые физиологические процессы, такие, как сокращение мышц, секрецию гормонов, свертывание крови и др. Содержание ионов натрия, кальция и хлора во внеклеточной среде выше, а ионов калия и магния – наоборот. Стационарное состояние достигается при равенстве потоков ионов калия внутрь клетки (активный транспорт) и из клетки за счет диффузии. Обратное явление наблюдается при транспорте ионов натрия. Существование калиево-натриевого градиента концентраций приводит к возникновению мембранного и диффузионногопотенциалов. Увеличение концентраций калия вне клетки в 2 раза приводит к нарушению сердечного ритма и смерти, биологическая роль других ионов s-элементов пока неясна. Известно, что введением в организм ионов лития удается лечить одну из форм маниакально-депрессивного психоза.
В последние годы заметно возрос интерес к проблемам клеточной регуляции, а также к поиску путей использования этих процессов в медицине, биотехнологии и сельском хозяйстве. В процессе жизнедеятельности границы клетки пересекают разнообразные вещества, потоки которых эффективно регулируются. С этой задачей справляется клеточная мембрана с встроенными в нее транспортными системами, включающими ионные насосы, систему молекул-переносчиков и высокоселективные ионные каналы. В настоящее время ключевые участки процессов, ощущаемых клеткой в виде внешних стимулов, изучены и обнаружены универсальные передатчики этих сигналов – Na+-, K+-, Ca2+-каналы. Высокая чувствительность клеток к ионам натрия, калия, кальция обеспечивается разностью их содержания вне и внутри клетки (ионной асимметрией, мембранным потенциалом).
СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ D-ЭЛЕМЕНТОВ
Общая характеристика d-элементов и их соединений
Элементы d-блока – это элементы, у которых происходит достройка d-подуровня предвнешнего уровня. Они образуют В-группы (1). Электронное строение валентного уровня d-элементов: (n – 1)d1-10, ns1-2. Они расположены между s- и p-элементами, поэтому получили название «переходные элементы». d-Элементы образуют 3 семейства в больших периодах и включают по 10 элементов (4-й период семейство Sc21-Zn30, 5-й период – Y39-Cd48, 6-й период – La57-Hg80, 7-й период – Ac89-Mt109).
Таблица 1 Положение d-элементов в периодической системе и их биоген-ность
Примечание: () – металлы жизни; [] – условно биогенные элементы.
Вслед за лантаном 5 d16s2 предполагается появление еще 8 элементов с все возрастающим количеством 5d-электронов. В связи с тем, что 4f оболочка лантана несколько более устойчива, чем 5d, у последующих 14 элементов электроны заполняют 4f оболочку, пока она целиком не застроится. Эти элементы называются f-элементами. Они занимают в периодической системе одну клетку с лантаном, так как имеют общие с ними свойства и называются лантаноидами.
Особенности свойств d-элементов определяются электронным строением их атомов; во внешнем электронном слое содержится, как правило, не более 2 s-электронов, р-подуровень свободный, происходит заполнение d-подуровня предвнешнего уровня. Свойства простых веществ d-элементов определяется в первую очередь структурой внешнего слоя и лишь в меньшей степени зависят от строения предшествующих электронных слоев. Невысокие значения энергии ионизации этих атомов указывают на сравнительно слабую связь внешних электронов с ядром. Это определяет их общие физические и химические свойства, исходя из которых следует отнести простые вещества d-элементов к типичным металлам. Для V, Сr, Mn, Fe, Co энергия ионизации составляет соответственно от 6,74 до 7,87 эв. Именно поэтому переходные элементы в образуемых ими соединениях проявляют только положительную степень окисления и проявляют свойства металлов. Большая часть d-элементов – это тугоплавкие металлы. По химической активности d-элементы весьма разнообразны. Такие, как Sc, Mn, Zn, наиболее химически активны (как щелочноземельные).
Наиболее химически устойчивы Au, Pt, Ag, Сu. В 1 ряду инертны Ti, Сr, В семействе Sc и Zn наблюдается плавный переход в изменении химических свойств слева направо, так как возрастание порядкового номера не сопровождается существенным изменением структуры внешнего электронного слоя, происходит только достройка d-подуровня предпоследнего уровня. Поэтому химические свойства в периоде хотя и закономерно, но гораздо менее резко изменяются, чем у элементов А групп, в которых ряд начинается активным металлом и заканчивается неметаллом. По мере увеличения заряда ядра d-элементов слева направо возрастает энергия ионизации, необходимая для отрыва электрона. В пределах одного семейства (декады) устойчивая максимальная степень окисления элементов сначала возрастает, благодаря увеличению числа d-электронов, способных участвовать в образовании химических связей, а затем убывает (вследствие усиления взаимодействия d-электронов с ядром по мере увеличения его заряда). Так, максимальная степень окисления Sc, Ti, V, Сr, Mn совпадает с номером
группы, в которой они находятся, у последнего не совпадает, для Fe равна 6, для Со, Ni, Сu – 3, а для Zn – 2 и соответственно меняется устойчивость соединений, отвечающих определенной степени окисления. В степени окисления +2 оксиды TiO и VO – сильные восстановители, неустойчивы, а СuО и ZnO не проявляют восстановительных свойств и устойчивы. Водородных соединений не образуют.
Как изменяются свойства элементов в различных семействах сверху вниз? Размеры атомов сверху вниз от d-элементов 4 периода к d-элементам 5 периода возрастают, энергия ионизации уменьшается, и металлические свойства увеличиваются. Когда переходим от 5 к 6 периоду, то размер атомов остается практически без изменений, свойства атомов также близки, например, Zn и Hf по свойствам очень близки и их трудно разделить. То же можно сказать о Мо и W, Те и Re. Элементы 6 периода идут после семейства лантаноидов, за счет этого происходит дополнительное возрастание заряда ядра атома, а это приводит к оттягиванию электронов, более плотной их упаковке – происходит лантаноидное сжатие.
В физических и химических свойствах простых веществ d-элементов много общего для типичных металлов. Общность и различие их проявляются особенно в химических свойствах соединений d-элементов. d-Элементы имеют довольно много валентных электронов (Mn от 2 до 7ē), энергия которых различна, и они не всегда и не все принимают участие в образовании связей. Поэтому d-элементы проявляют переменную степень окисления, следовательно, для них характерны реакции окисления-восстановления.Степени окисления элементов Sc-Zn представлены в табл. 10.7. d-Элементы способны проявлять степень окисления +2 за счет потери 2s-электронов, характерна также степень окисления +3 (исключение Zn). Высшая степень окисления большинства d-элементов
Таблица 2 Характеристика степени окисления d-элементов 4 периода
соответствует номеру группы, в которой они находятся. С увеличением порядкового номера d-элемента значение устойчивой степени окисления возрастает. Отрицательную степень окисления не проявляют, следовательно, водородных соединений не образуют.
Как следует из таблицы, наибольшее число переменных степеней окисления у элементов в VB-VIIВ группах. Поэтому для элементов этих групп наиболее характерны реакции окисления-восстановления.
В связи с тем что d-элементы способны проявлять различные степени окисления, они способны образовывать соединения, резко отличающиеся по кислотно-основным свойствам. Свойства оксидов и гидрооксидов зависят от степени окисления образующего их d-элемента. По мере повышения степени окисления d-элемента ослабевает основной характер их и усиливается кислотный характер. В степени окисления +2 проявляют только основной характер, промежуточной степени окисления – амфотерный характер и в высшей степени – кислотный характер:
В ряду d-элементов в высшей степени окисления в периоде слева направо кислотный характер соединений возрастает от Sc к Zn:
В низшей степени окисления -1, -2 соединения проявляют основные свойства. В группах сверху вниз усиливается основный характер:
В организме d-элементы представлены как существующие в виде гидратированных, гидролизованных ионов, но чаще в виде биоорганических комплексов. Они выступают в качестве сильных комплексообразователей, что обусловлено наличием на d-подуровне предвнешнего уровня валентных электронов. Способность образовывать комплексные соединения обусловлена наличием в их атомах свободных орбиталей (одной s-, трех р- и пяти
d-орбиталей), проявляя к.ч. = 6, реже 2, 3, 5 и 8 для образования связи с полидентатными лигандами с образованием хелатов (биокастеров, гете-ровалентных и гетероядерных соединений).
В кислых средах ионы d-элемента находятся в виде гидратирован-ных ионов [М(Н2О)m]n+. При повышении pH гидратированные ионы многих d-элементов вследствие большого заряда и небольшого размера иона обладают высоким поляризующим влиянием на молекулы воды, акцепторной способностью к гидроксид-ионам, подвергаются гидролизу катионного типа, образуют прочные ковалентные связи с ОН–. Процесс заканчивается либо образованием основных солей [M(OH)m](m-n)+, либо малорастворимых гидроксидов М(ОН)n, либо гидроксокомплексов[M(OH)m](m-n)-. Процесс гидролитического взаимодействия может протекать с образованием многоядерных комплексов в результате реакции полимеризации:
Медико-биологическое значение d-элементов и их соединений
Большинство биогенных элементов – это члены второго, третьего и четвертого периодов периодической системы Д.И. Менделеева. Это относительно легкие атомы, со сравнительно небольшим зарядом ядер.
Содержание d-элементов не превышает 10-3%. Они входят в состав ферментов, гормонов, витаминов и других жизненно важных соединений. Для белкового, углеводного и жирового обмена веществ необходимы: Fе, Со, Mn, Zn, Мо, V, В, W; в синтезе белков участвуют: Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Cr, в кроветворении – Со, Ti, Cu, Mn, Ni, Zn; в дыхании – Mg, Fe, Cu, Zn, Mn и Со. Поэтому микроэлементы нашли широкое применение в медицине, в качестве микроудобрений для полевых культур, подкормки в животноводстве, птицеводстве и рыбоводстве. Микроэлементы входят в состав большого числа биорегуляторов живых систем, в основе которых лежат биокомплексы. Ферменты – это особые белки, которые действуют как катализаторы в биологических системах. Ферменты – уникальные катализаторы, обладающие непревзойденной эффективностью действия и высокой селективностью. Пример эффективности протекания реакции разложения перекиси водорода 2Н2О2 ↔ 2Н2О + О2 приведен в табл. 3
Таблица 3 Энергия активации (Еа) и относительная скорость реакции разложения H2O2
В настоящее время известно более 2000 ферментов, многие из которых катализируют одну реакцию. Активность большой группы ферментов проявляется только в присутствии определенных соединений небелковой природы, называемых кофакторами. В качестве кофакторов выступают ионы металлов или органические соединения. Примерно третья часть ферментов активируется переходными металлами.
Ионы металлов в ферментах выполняют ряд функций: являются электрофильной группой активного центра фермента и облегчают взаимодействие с отрицательно заряженными участками молекул субстрата, формируют каталитически активную конформацию структуры фермента (в формировании спиральной структуры РНК участвуют ионы цинка и марганца), участвуют в транспорте электронов (комплексы переноса электрона). Способность иона металла выполнять свою роль в активном центре соответствующего фермента зависит от способности иона металла к комплексообразованию, геометрии и устойчивости образуемого комплекса. Это обеспечивает повышение селективности фермента по отношению к субстратам, активации связей в ферменте или субстрате посредством координации и изменения формы субстрата в соответствии со стерическими требованиями активного центра. Биокомплексы различаются по устойчивости. Одни из них настолько прочны, что постоянно находятся в организме и выполняют определенную функцию. В тех случаях когда связь кофактора и белка фермента прочна и разделить их трудно, его называют «простетической группой». Такие связи обнаружены в ферментах, содержащих гемком-плексное соединение железа с производным порфина. Роль металлов таких комплексов высокоспецифична: замена его даже на близкий по свойствам элемент приводит к значительной или полной утрате физиологической активности. Данные ферменты относят к специфическим ферментам.
Примерами таких соединений являются хлорофилл, полифени-локсидаза, витамин B12, гемоглобин и некоторые металлоферменты
(гемоглобин, цитохромы). Немногие ферменты участвуют только в одной определенной или единственной реакции. Каталитические свойства большинства ферментов определяются активным центром, образуемым разными микроэлементами. Ферменты синтезируются на период выполнения функции. Ион металла выполняет роль активатора, и его можно заменить ионом другого металла без потери физиологической активности фермента. Такие ферменты отнесены к неспецифическим.
В организме присутствуют и менее прочные комплексы, которые образуются только для выполнения определенных функций, после чего распадаются: например, образование между ионом металла и ферментом комплексного соединения на период осуществления катализа. Большинство таких ферментов обладает каталитической активностью, но без иона металла она будет ниже. Ионы металлов выполняют функцию активаторов. Специфичность металлов в этих комплексах не выражена. Он может быть заменен на другой металл без потери физиологической активности. К биологическим соединениям с невысокими значениями констант устойчивости можно отнести соединения, которые стабилизируют сложные структуры. Например, образование металлополинуклеотидных комплексов стабилизирует двойную спираль ДНК. Комплексы с ДНК (в основном с донорным атомом кислорода фосфатных групп, частично с донорными атомами азота оснований) образуют двухзарядные ионы Mn2+, Co2+, Fe2+, Ni2+. Они взаимозаменяемы. Промежуточное положение между этими двумя группами биокомплексов занимают диссоциирующие металлофермен-ты. Ионы металлов в этих комплексах выполняют функции кофактора. Например, карбоксипептидаза при отсутствии иона металла неактивна. Максимальная активность в присутствии иона цинка.
Один микроэлемент может активировать работу различных ферментов, а один фермент может быть активирован различными микроэлементами. Наибольшую близость в биологическом действии оказывают ферменты с микроэлементами с одинаковой степенью окисления +2.
Как видно, для микроэлементов переходных элементов в их биологическом действии характерно больше горизонтальное сходство, чем вертикальное в периодической системе Д.И. Менделеева (в ряду Ti-Zn).Значения атомных и ионных радиусов, энергий ионизации, координационных чисел, склонность к образованию связей с одними и теми же элементами в молекулах биолигандов обусловливают эффекты, наблюдаемые при взаимном замещении ионов: может происходить как с усилением (синергизм), так и с угнетением их биологической активности (антагонизм) замещаемого элемента. Ионы d-элементов в степени окисления +2 (Mn2+, Fe2+, Co2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+) имеют сходные физико-химические характеристики, что обусловливает их частичную взаимозамещаемость и параллелизм в биологическом действии. В виде комплексов с органическими соединениями, в том числе в металло-ферментах, они стимулируют процессы кроветворения, усиливают процессы обмена веществ. Синергизм элементов в процессах кроветворения связан, возможно, с участием ионов этих элементов в различных этапах процесса синтеза форменных элементов крови человека.
Повышение прочности биокомплекса фермента повышает специфичность его биологического действия. На эффективность ферментативного действия иона металла фермента оказывает влияние его степень окисления. Комплексонаты, образованные ионом металла с более высокой степенью окисления, малым размером иона, более высоким сродством к электрону, обладают наиболее высоким стимулирующим эффектом. По интенсивности влияния микроэлементы расположены в следующий ряд: Ti4+ → Fe3+ → Cu2+ → Fe2+ → Mg2+ → Mn2+. Ион Mn3+, в отличие от иона Mn2+, очень прочно связан с белками, причем преимущественно с кислородсодержащими группами совместно Fe3+ входит в состав металлопротеинов.Микроэлементы в комплексонат-ной форме выступают в организме в качестве фактора, определяющего, по-видимому, высокую чувствительность клеток к микроэлементам путем их участия в создании высокого градиента концентрации.
Итак, с повышением прочности комплекса повышается специфичность его биологического действия.
В живых организмах действует большое число ферментов, в состав которых входят ионы металлов, выполняющие следующие функции:
1) они являются электрофильной группой активного центра фермента и облегчают взаимодействие с отрицательно заряженными участками молекул субстрата;
2) ион металла формирует каталитически активную конформацию структуры фермента;
3) в ряде случаев ионы металла, которые могут находиться в переменных степенях окисления, участвуют в транспорте электронов (многоядерные комплексы).
Концентрации ионов d-элементов в организме поддерживаются постоянными за счет существования механизма металлолигандного гомеостаза, основными звеньями которого являются всасывание, распределение, транспорт, депонирование и элиминация. Параметры всасывания и элиминации в норме сбалансированы, т.е. при уменьшении поступления в организм того или иного микроэлемента уменьшается его выведение, и наоборот. Для поддержания постоянной концентрации ионов металлов в организме существуют депонированные и транспортные формы. Например, железо в организме млекопитающих депонируется в составе ферритина – водорастворимого белка, в котором находится мицеллярное ядро неорганического соединения железа (III). В депонированной форме находится около 25% железа. Регуляция металлолигандного гомеостаза осуществляется с помощью нервной, эндокринной и иммунной систем. Комплексонаты переходных металлов обеспечивают сбалансированность минерального питания, активизируют метаболические процессы, интенсифицируют рост и развитие организма.
В живом организме многие процессы имеют циклический, волнообразный характер. Химические процессы, лежащие в их основе, должны быть обратимы. Обратимость процессов определяется взаимодействием термодинамических и кинетических факторов. К обратимым относятся реакции, имеющие константы от 10-3 до 103 и с небольшим значением ΔGo – и E°-процессов. При этих условиях концентрации исходных веществ и продуктов реакции могут находиться в соизмеримых концентрациях, и при изменении их в некотором диапазоне можно добиваться обратимости процесса. С кинетических позиций должны быть низкие значения энергии активации. Поэтому удобным переносчиком электронов в живых системах являются ионы металлов (железо, медь, марганец, кобальт, молибден, титан и др.). Присоединение и отдача электрона вызывают изменения лишь электронной конфигурации иона металла, не изменяя существенно структуру органической составляющей комплекса. Уникальная роль в живых системах отведена двум окислительно-восстановительным системам: Fe3+/Fe2+ и Cu2+/Cu+. Биолиганды стабилизируют в большей степени в первой паре окисленную форму, а во второй паре – преимущественно восстановленную. Поэтому у систем, содержащих железо, формальный потенциал всегда ниже, а у систем, содержащих
медь, часто выше; окислительно-восстановительные системы, имеющие в своем составе медь и железо, перекрывают широкий диапазон потенциалов, что позволяет им со многими субстратами вступать во взаимодействие, сопровождающиеся умеренными изменениями ΔG° и Е°, что отвечает условиям обратимости. Важным этапом обмена веществ является отщепление водорода от питательных веществ. Атомы водорода переходят при этом в ионное состояние, а отделенные от них электроны поступают в дыхательную цепь; в этой цепи, переходя из одного соединения к другому, они отдают свою энергию на образование одного из основных источников энергии – адено-зинтрифосфорную кислоту (АТФ), а сами в конечном счете попадают к молекуле кислорода и присоединяются к ней, образуя молекулы воды. Мостиком, по которому осциллируют электроны, служат комплексные соединения железа с порфириновым ядром, аналогичные по составу гемоглобину.
Большая группа железосодержащих ферментов, которые катализируют процесс переноса электронов в митохондриях, называется цитохромами (ц.х.). Всего известно около 50 цитохромов. Цитохромы представляют собой железопорфирины, в которых все шесть орбита-лей иона железа заняты донорными атомами биолиганда. Различие цитохромов только в составе боковых цепей порфиринового кольца. Вариации в структуре биолиганда вызывает различие в величине потенциалов. Все клетки содержат, по крайней мере, три близких по строению белка, названных цитохромами а, b, с.
Одним из механизмов функционирования цитохромов, составляющих одно из звеньев электронно-транспортной цепи, является перенос электрона от одного субстрата к другому.
С химической точки зрения цитохромы являются соединениями, проявляющими в обратимых условиях окислительно-восстановительную двойственность.
Перенос электрона цитохромом сопровождается изменением степени окисления железа: ц.х. Fe3+ + ē → ц.х. Fe2+.
Ионы кислорода реагируют с ионами водорода окружающей среды и образуют воду или перекись водорода. Пероксид быстро разлагается специальным ферментом каталазой на воду и кислород по схеме:
Фермент пероксидаза ускоряет реакции окисления органических веществ перекисью водорода по схеме:
Эти ферменты в своей структуре имеют гем, в центре которого находится железо со степенью окисления +3.
В цепи переноса электронов цитохром передает электроны цитохромам, называемым цитохромоксидазами. Они имеют в своем составе ионы меди. Цитохром – одноэлектронный переносчик. Наличие наряду с железом в составе одного из цитохромов меди превращает его в двухэлектронный переносчик, что позволяет регулировать скорость процесса.
Медь входит в состав важного фермента – супероксиддисмутазы (СОД), которая утилизирует в организме токсичный супероксид анион-радикал •O2– путем реакции:
Водородпероксид разлагается в организме под действием каталазы.
В настоящее время известно около 25 медьсодержащих ферментов. Они составляют группу оксигеназ и гидроксилаз.
Комплексы переходных элементов являются источником микроэлементов в биологически активной форме, обладающих высокой мембра-нопроницаемостью и ферментативной активностью. Они участвуют в защите организма от «окислительного стресса». Это связано с их участием в утилизации продуктов метаболизма, определяющих неконтролируемый процесс окисления (перекисями, свободными радикалами и другими кислородактивными частицами), а также в окислении субстратов. Механизм свободнорадикальной реакции окисления субстрата (RH) перекисью водорода с участием в качестве катализатора комплекса железа (FeL) можно представить схемами реакций:
Дальнейшее протекание радикальной реакции приводит к образованию продуктов с более высокой степенью гидроксилирования.
СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ Р-ЭЛЕМЕНТОВ
Общая характеристика р-элементов и их соединений
Элементы, у которых происходит достройка р-подуровня внешнего валентного уровня, называют р-элементами, они образуют главные подгруппы. Электронное строение валентного уровня ns2р1-6. Валентными являются электроны s- и р-подуровней. Положение р-элементов в ПСЭ представлено в табл. 4
Таблица 4 Положение р-элементов в периодической системе элементов
Примечание: () – металлы жизни; [] – условно биогенные элементы.
Элементы-органогены имеют небольшие радиусы атомов и промежуточные значения электроотрицательностей, что благоприятствует образованию прочных ковалентных связей.
В периодах слева направо возрастает заряд ядер, влияние которого превалирует над увеличением сил взаимного отталкивания между электронами. Поэтому потенциал ионизации, сродство к электрону, а следовательно, акцепторная способность и неметаллические свойства в периодах увеличиваются. Все элементы, лежащие на диагонали B-At и выше, являются неметаллами и образуют только ковалент-ные соединения и анионы. Все остальные р-элементы (за исключением In, Tl, Po, Bi, которые проявляют металлические свойства), являются амфотерными элементами и образуют как катионы, так и анионы, причем и те, и другие сильно гидролизуются. Большинство р-элементов-неметаллов – биогенные (исключение – теллур, астат и благородные газы). Из р-элементов-металлов к биогенным относят только алюминий.
Различия в свойствах соседних элементов как внутри, так и по периоду выражены значительно сильнее, чем у s-элементов. р-Элементы
второго периода – азот, кислород, фтор – обладают ярко выраженной способностью участвовать в образовании водородных связей. Элементы третьего и последующего периодов эту способность теряют. Их сходство заключается только в строении внешних электронных оболочек и тех валентных состояний, которые возникают за счет неспаренных электронов в невозбужденных атомах. Бор, углерод и особенно азот сильно отличаются от остальных элементов своих групп (наличие d- и f-подуровней).
Отмеченные тенденции к образованию различных типов связей представлены на рис. 2 для элементов II и III периодов.
Рис. 2 Закономерности образования соединений элементов II и III периодов
Все р-элементы, и в особенности р-элементы второго и третьего периодов (С, N, P, О, S, Si, Cl), образуют многочисленные соединения между собой и с s-, d- и f-элементами. Большинство известных на Земле соединений – это соединения р-элементов. Пять главных (макробиогенных) р-элементов – О, P, С, N и S – это основной строительный материал, из которого сложены молекулы белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Из низкомолекулярных соединений р-элементов наибольшее значение имеют оксоанионы: СО32-, НСО3–, С2О42-, СН3СОО–, РО43-, НРО42-, H2PO4–, SО42- и галогенидионы. р-Элементы имеют много валентных электронов, обладающих различной энергией. Поэтому в соединениях проявляют различную степень окисления. Например, углерод проявляет различные степени окисления от -4 до +4. Азот – от -3 до +5, хлор – от -1 до +7.
В процессе реакции р-элемент может отдавать и принимать электроны, выступая соответственно восстановителем или окислителем в зависимости от свойств элемента, с которым вступает во взаимодействие. Это порождает широкий ассортимент образуемых ими соединений. Взаимопереход атомовр-элементов различных степеней окисления, в том числе и за счет метаболических процессов (окисление спиртовой
группы в их альдегидную и далее в карбоксильную), вызывает богатство их химических превращений.
Соединения углерода проявляют окислительные свойства, если в результате реакции атомы углерода увеличивают число его связей с атомами менее электроотрицательных элементов (металл, водород), потому что, притягивая к себе общие электроны связей, атом углерода понижает свою степень окисления:
Соединения углерода проявляют восстановительные свойства, если в результате реакции атомы углерода увеличивают число его связей с атомами более электроотрицательных элементов (О, N, S), потому что, отталкивая от себя общие электроны этих связей, атом углерода повышает свою степень окисления:
Перераспределение электронов между окислителем и восстановителем в органических соединениях может сопровождаться лишь смещением общей электронной плотности химической связи к атому, выполняющему роль окислителя. В случае сильной поляризации эта связь может и разорваться.
Медико-биологическое значение p-элементов и их соединений
Азот является биогенным элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16-8% по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. В составе живых клеток по числу атомов азота около 2%, по массовой доле – около 2,5% (4-е место после водорода, углерода и кислорода). Кларк азота в земной коре равен
0,025%.
Азот – основной компонент воздуха: его объемная доля равна 78,2%. Во вдыхаемом воздухе азот служит полезным разбавителем кислорода. Однако вследствие растворения азота в крови при резком снижении окружающего давления возможно возникновение кессонной болезни.
Аммиак NH3 в организме человека является одним из продуктов дезаминирования аминокислот, белков, биогенных аминов, пуриновых и пиримидиновых оснований, поступающих с пищей.
В организме человека обязательно синтезируется NO с помощью фермента NO-синтазы из аминокислоты аргинина. Время жизни NO в клетках организма порядка секунды, но их нормальное функционирование невозможно без NО. Это соединение обеспечивает расслабление гладкой мускулатуры мышц сосудов, регуляцию работы сердца, эффективную работу иммунной системы, передачу нервных импульсов. Предполагают, что NO обеспечивает важную роль в обучении и запоминании.
Окислительно-восстановительные реакции, в которых участвуют р-элементы, лежат в основе их токсического действия на организм. Токсическое действие оксидов азота связано с их высокой окислительно-восстановительной способностью. Нитраты, попадающие в продукты питания, в организме восстанавливаются до нитритов.
Нитриты обладают высокими токсическими свойствами. Они превращают гемоглобин в метгемоглобин, который является продуктом гидролиза и окисления гемоглобина.
В результате гемоглобин теряет способность транспорта кислорода к клеткам организма. В организме развивается гипоксия. Кроме того, нитриты, как соли слабой кислоты, реагируют с соляной кислотой в желудочном содержимом, образуя при этом азотистую кислоту, которая с вторичными аминами образует канцерогенные нитрозамины:
Фосфор и его соединения играют выдающуюся роль в биологии человека, животных, растений, микроорганизмов и других носителей жизни. «Фосфор – элемент жизни и мысли» – писал А.Е. Ферсман. В организме человека содержится около 1% фосфора по массе, что позволяет смело отнести его к макроэлементам. Суточная потребность в фосфоре составляет 1,3 г. В природе и организме фосфор встречается только в формах, содержащих фосфат-анион. Это обусловлено тем, что фосфор образует с кислородом более прочные связи, чем с другими органогенами. Все они имеют тетраэдрическую структуру, в которой атом фосфора расположен в центре тетраэдра, а атомы кислорода – в его вершинах. Тетраэдрические структуры могут объединяться между собой одной, двумя или тремя вершинами. При объединении двумя вершинами образуются полифосфаты, например трифосфатион.
Фосфаты в живых организмах служат структурными компонентами скелета, клеточных мембран и нуклеиновых кислот. Костная ткань построена главным образом из гидроксиапатита Са5(РО4)3ОН. Из 1,5 кг фосфора условного человека 1,4 кг содержатся в костной ткани. Основу клеточных мембран составляют фосфолипиды. В фосфо-липидах фосфорная кислота образует две сложноэфирные связи: одну с глицерином, другую – с аминоспиртом (холинолом, этаноламином или серином). Нуклеиновые кислоты состоят из рибозоили дезокси-рибозофосфатных цепей. В цепях полинуклеотидов – ДНК и РНК – каждый остаток фосфорной кислоты, кроме двух концевых, образует по две сложноэфирные связи: одну с группой -ОН в положении С-5′ остатка пентозы одного полинуклеотида, а другую – с группой -ОН в положении С-3′ остатка пентозы соседнего полинуклеотида.
В.А. Энгельгардом и М.Н. Любимовым открыта энергетическая роль фосфора в живых организмах. В.А. Энгельгард еще в 1948 году писал, что биохимическую динамику клетки можно характеризовать как химию соединений фосфорной кислоты. За последние 40-50 лет накопилось огромное множество данных о многообразном значении органических и неорганических соединений фосфора в биологических системах. Выяснена их ключевая роль практически во всех процессах анаболизма и катаболизма, в частности гликолиза и фотосинтеза, сборке макромолекул и аккумуляции энергии. Фосфор входит
в состав нуклеопротеинов, фосфолипидов, сахарофосфатов, ряда витаминов и ферментов. Органические соединения фосфора участвуют во многих окислительно-восстановительных реакциях: карбоксили-рования, декарбоксилирования, ацетилирования, переаминирования, а также в качестве коферментов переноса фосфатных групп АТФ, АДФ и АМФ.
Высокомолекулярные неорганические полифосфаты представляют собой линейные полимеры ортофосфорной кислоты, в которых фосфорные остатки связаны между собой фосфоангидридными связями. Они имеются практически у всех групп организмов. В наибольшем количестве они накапливаются в клетках микроорганизмов, в частности в некоторых бактериях, составляя при определенных условиях выращивания до 36% сухого вещества клетки. С момента открытия у бактерий гранул волютина, состоящих в основном из осмотически инертных высокомолекулярных полифосфатов кальция, магния и калия, эти биополимеры стали рассматривать в первую очередь как резервы фосфата. Высокомолекулярные полифосфаты бактерий аналогичны по функциям так называемым «фосфогенам» животных – креатинфосфату и аргининфосфату. Фосфогены – это соединения, в виде которых в клетках как бы «складируются» богатые энергией фосфатные остатки АТФ и которые в то же время в любой нужный момент могут использоваться для синтеза этого важнейшего макроэр-гического соединения.
Многие коферменты являются эфирами либо фосфорной, либо дифосфорной кислот. Важнейшие окислители в метаболических
окислительно-восстановительных реакциях – никотинамиддинуклео-тид (НАД+) и флавинадениндинуклеотид (ФАД) – сложные эфиры дифосфорной кислоты. Восстановленная форма никотинамиддинукле-отидфосфата (НАДФH) выполняет функцию восстановителя во многих метаболических реакциях.
Соединения фосфора находят широкое применение в народном хозяйстве и медицине. Многие фосфорорганические вещества применяются в качестве лекарственных препаратов, например димефосфон оказывает мембраностабилизирующее, иммуномодулирующее и радиопротекторное действия, клодроновая кислота ингибирует костную резорбцию и нормализует содержание кальция в костной ткани.
В качестве фосфорных и комплексных удобрений используются чаще всего суперфосфат Са(Н2РO4)2,преципитат СаНРO4 и аммофос – смесь кислых солей аммония и ортофосфорной кислоты (NH4)2HPO4 и NH4H2PO4. Ортосфорная кислота применяется в ряде стран в качестве подкислителя различных напитков. Гидрофосфаты калия KH2PO4 и К2НРО4 входят в состав пекарских дрожжей, гидрофосфат калия K2HPO4является одним из компонентов питательной среды для выращивания грибов, продуцирующих пенициллины. Гексагидрат трифосфата натрия №5Р5О10 • 6Н2O добавляется в некоторые продукты для повышения их однородности (сыры, сгущенное молоко и др.). Трифосфат натрия является также компонентом многих моющих средств. Дигидрофосфат натрия ограниченно применяется как слабительное в клизмах.
Биологическое действие высокомолекулярных органических соединений (аминокислот, полипептидов, белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот) определяется атомами (N, P, S, О) или образуемыми группами атомов (функциональными группами), в которых они выступают в качестве химически активных центров, доноров электронных пар, способных к образованию координационных связей с ионами металлов и органическими молекулами. Следовательно, р-элементы образуют полидентат-ные хелатирующие соединения (аминокислоты, полипептиды, белки, углеводы и нуклеиновые кислоты). Для них характерны реакции ком-плексообразования, амфотерные свойства, реакции гидролиза анионного типа. Данные свойства определяют их участие в основных биохимических процессах, в обеспечении состояния изогидрии. Они образуют белковые, фосфатные, гидрокарбонатные буферные системы. Участвуют в транспорте питательных веществ, продуктов метаболизма и других процессах
