Комплексные соединения, их биологическая роль (на примере хлорофилла и гемоглобина)

| Категория реферата: Рефераты по химии
| Теги реферата: где диплом, океан реферат
| Добавил(а) на сайт: Vikula.

Известно большое число биологических систем, в структуре которых металлопорфирины выполняют функции инициатора того или иного биологического процесса. Например, гем в составе гемопротеидов участвует в транспорте кислорода (гемоглобин), клеточном дыхании (цитохромы), утилизации пероксидов (каталаза). Наибольшее число исследований посвящено гемоглобину, гему крови, и процессам обратимой фиксации атмосферного кислорода на биологических и модельных системах.

Рассмотрим функциональные особенности и механизмы работы гемоглобина, как наиболее хорошо изученные.
Гемоглобин

Потребление атмосферного кислорода живыми организмами – важнейший биохимический процесс. Кислород транспортируется гемоглобином эритроцитов от легких к мышцам и удерживается в мышцах миоглобином. Гемоглобин и миоглобин представляют собой комплексы железа, в которых группа ферропротопорфирина (гема) содержит Fe (III) (рис.4):

Пятое координационное число занимает азот имидазола (Im) гистидинового остатка, через который осуществляется единственная связь группы гема с полипептидной цепью белка. В настоящее время известны аминокислотный состав и последовательность аминокислот в гемоглобинах, выделенных из разных животных, места присоединения частиц гема, пространственная структура гемоглобина (работы Перутца и др.). Гем локализован в расщелине между спиралями белка. Одна молекула гемоглобина, состоящая из четырех белковых субъединиц (глобулл), содержит четыре гема и, следовательно, четыре атома железа. Поскольку кислород в гемоглобине непосредственно фиксируется железом, то такая молекула может, постепенно насыщаясь, присоединить четыре молекулы кислорода. В молекуле миоглобина полипептидная цепь координирована железом гем-группы так же как в гемоглобине. Однако, в отличие от гемоглобина молекула миоглобина состоит из одной белковой субъединицы и содержит одну гемовую единицу. Структуры окси- и дезокси-форм различны, и это различие не исчерпывается тем, что одна из них содержит молекулы кислорода, а другая – нет.

При отсутствии кислорода атом Fe (II) в гемоглобине имеет координационное число 5, связан донорно-акцепторными связями с четырьмя координирующими атомами азота протопорфирина и одной менее прочной связью с третичным атомом азота проксимального имидазольного фрагмента гистидина
(рис. 5). Координационный узел Fe (N4) N Im представляет собой квадратную пирамиду с атомом железа, удаленным от основания пирамиды на 0.8 Е. Шестое координационное место не в состоянии занять ни один из имеющихся поблизости лигандов (в том числе и Н2О), кроме молекулярного кислорода. Молекула О2 вызывает оксигенирование гемоглобина, а точнее иона Fe (II). При этом комплекс Fe (N4) N Im из высокоспинового пирамидального состояния в низкосипновое октаэдрическое искаженное состояние с координационным узлом
Fe (N4) N Im (О2).
Под влиянием кристаллического поля N-донорных атомов порфирина, а также аксиальных лигандов (Im и О2 ) t42ge2g –конфигурация Fe (II) превращается в t62ge0g. На вакантные eg -орбитали переходят сигма-электроные пары имидазола и кислорода. Считают, что молекула О2 связывается в шестом координационном месте с Fe (II) также за счет дативной ?-связи.
Координированный ион железа поставляет пару электронов, находящуюся на его dyz (или dxz)-орбитали, на вакантную (разрыхляющую) pz-орбиталь молекулы
О2. Образованию ?-связи Fe (II) > О2 благоприятствует высокая электроннодонорная способность ?-системы и проксимального имидазола. Атом железа после оксигенации входит в координационную плоскость N4 и располагается ценртосимметрично. Структура белка в гемоглобине такова, что он экранирует подход к атому Fe (II) всех других молекул, имеющихся в крови, и своевременно регулирует его донорно-акцепторные свойства.
Исключение составляют токсиканты – яды крови, к которым относятся монооксид углерода, оксиды азота, метиленовый синий. Проникая с атмосферным воздухом в легкие, монооксид углерода быстро преодолевает капиллярно- альвеолярную мембрану, растворяется в плазме крови, диффундирует в эритроциты и вступает в обратимое химическое взаимодействие как с окси-, так и с дезоксигемоглобином:
HbО2 + CO = HbCO + О2
Hb + CO = HbCO, где Hb – гемоглобин.

Образующийся комплекс карбоксигемоглобин (HbCO) не способен присоединять к себе кислород. В молекуле гемоглобина СО координируется атомом железа , вытесняя О2. Одна молекула гемоглобина (точнее, четыре её гема) может присоединить до четырех молекул СО.

Важным производным гемоглобина является метгемоглобин, в молекуле которого атом железа находится в степени окисления +3. Метгемоглобин не связывает молекулярный кислород. Он образуется при воздействии на гемоглобин окислителей (оксидов азота, метиленового синего, хлоратов).
Образование метгемоглобина в крови уменьшает количество в ней функционально важного оксигемоглобина и нарушает доставку кислорода к тканям. Комплексы железа с порфиринами участвуют не только в транспорте кислорода, но и выполняют множество других функций. Среди них процесс переноса электронов.
Общий путь образования тетрапиррольных предшественников

Начало исследований принято относить к 1945 году, когда молодой американский ученый Шемин поставил эксперимент на собственном организме, приняв порцию простейшей аминокислоты глицина, которая отличалась от обычной аминокислоты заменой изотопа 14N на 15N. Через некоторое время он выделил из крови гемоглобин затем гемин, содержащий повышенное количество изотопа 15N. Позднее было показано, что глицин конденсируется с сукцинил- коэнзимом А, давая ?-аминолевулиновую кислоту (?-АЛК). Этот процесс катализируется ферментом АЛК-синтетазой, его обязательным участником является фосфорилированная форма витамина В6 – пиридоксальфосфат.
Последующими исследованиями было доказано, что ?-АЛК выступает в качестве общего предшественника в биосинтезе всех природных тетрапиррольных пигментов. Описанное образование ?-АЛК характерно для животных и ферросинтетических бактерий. В растениях и у некоторых прокариотов ?-АЛК синтезируется из глютаминовой кислоты.
(!!!здесь 24Энтера!!!для 1Й схемы из БИОСИНТЕЗА!!!)

Две молекулы ?-АЛК под действием фермента порфобилиноген-синтетазы конденсируются в молекулу пиррола, получившего название «порфобилиноген»
(ПБГ). Следующая стадия биосинтеза – превращение четырех молекул ПБГ в макроцикл уропорфириноген III (Уро’ген III). Конденсация ПБГ в Уро’ген III состоит из двух этапов. На первом происходит полимеризация ПБГ под действием фермента ПБГ-деаминазы в линейный тетрапиррол. На втором в присутствии фермента косинтетазы происходит не только замыкание билана в макроцикл, но и поворот одного из пиррольных колец (пиррола D) с образованием природного изомера III типа – Уро’гена III. При отсутствии косинтетазы билан замыкается в другой изомер – Уро’ген I, который в последующем биосинтезе не участвует (это очень редкая патология обмена веществ у человека). Только при наличии двух ферментов – дезаминазы и косинтетазы – ПБГ замыкается в изомер III типа. Отдельно взятая косинтетаза не полимеризует ПБГ и не в состоянии изомеризовать Уро’ген I в Уро’ген III.
Лишь в начале 90-х годов был окончательно раскрыт механизм образования
Уро’гена III.
(!!!здесь 27Энтеров!!!для 2Й схемы из БИОСИНТЕЗА!!!)

После получения дезаминазы высокой степени чистоты генноинженерными методами стало возможным показать, что фермент (Е) содержит активный центр
– кофактор, состоящий из двух соединенных между собой молекул ПБГ. Этот дипирролилметан ковалентно связан с белком через атом серы остатка цистеина. Молекулы ПБГ последовательно присоединяются к дипирролилметану (с потерей NH3), образуя цепочку из трех (ES1), четырех (ES2), пяти (ES3) и шести (ES4) пирролов, причем все присоединения происходят по типу «голова к хвосту», и, следовательно, полипиррольная цепь имеет регулярно чередующиеся заместители А-Р-А-Р-А-Р- и т.д. После присоединения четвертой молекулы ПБГ тетрапиррольная цепочка отделяется с образованием оксибилана.
Дипирролилметан дезаминазы снова готов к наращиванию полипиррольного ансамбля (схемаv).
(!!!здесь 14Энтеров!!!для 3Й схемы из БИОСИНТЕЗА!!!)

Наличие простетичсекой группы в дезаминазе, построенной из молекул, подобных субстрату, – явление необычное для ферментов. Известно только, что, действуя на дезаминазу сильными кислотами, удается отщепить депирролилметан. Полученный апофермент уже не обладает каталитической активностью. Лишь после присоединения двух первых молей ПБГ при определенном pH дезаминаза снова становится способной к обратимому присоединению четырех молекул ПБГ.

Синтезированный оксибилан под действием второго фермента косинтетазы превращается в Уро’ген III. Для этой циклизации, сопровождающейся обращением пиррольного кольца D, за долгие годы изучения этой реакции предложено свыше двух десятков механизмов. В настоящее время наиболее обоснованным представляется поворот кольца D за счет образования спиро- структуры (на схеме).

После образования Уро’гена III происходит первое разветвление путей биосинтеза тетрапиррольных пигментов. Декарбоксилирование Уро’гена III ведет к порфиринам и хлорофиллам, а С-метилирование – через прекоррин-1 – к витамину В12 и другим кобаламинам.

Синтез гемоглобина и хлорофилла

Биосинтез протогема

Рассмотрим путь, ведущий к главному порфирину в живом организме – протопорфирину IX и его железосодержащему комплексу – протогему.
Превращение Уро’гена III под влиянием соответствующего фермента включает последовательное декарбоксилирование остатков уксусной кислоты до метильной группы с образованием копропорфириногена III (Копро’ген III).
Декарбоксилирование начинается с кольца D и далее продолжается по часовой стрелке через кольца А,В и С. Имеются также данные, что в определенных условиях возможен и иной порядок декарбоксилирования.

(!!!здесь 29Энтеров!!!для 4Й схемы из БИОСИНТЕЗА!!!)

Копро’ген III под действием копропорфириногеноксидазы подвергается окислительному декарбоксилированию. В результате два остатка пропионовой кислоты в положениях 3 и 8 превращаются в винильные группы и образуется протопорфирин IX(Прото IX). На этом участке происходит дальнейшее разветвление путей биосинтеза. Введение ионов двухвалентного железа
(фермент феррохелатаза) приводит к образованию протогема, который является простетической группой в многочисленных природных белках – гемопротеидах.

Биосинтез хлорофиллов

Включение в Прото IX магния начинает новую цепь биосинтетических превращений, ведущую к хлорофиллу а, бактериохлорофиллу и другим зеленым пигментам, общее количество которых на сегодня превышает 50 типов.

Ниже приведена схема, основных превращений магниевого комплекса Прото
IX в хлорофилл а (Хл а).

(!!!здесь 35Энтеров!!!для 5Й схемы из БИОСИНТЕЗА!!!)

Существенным отличием этой ветви биосинтеза от ранее рассмотренной является то, что при биосинтезе Прото IX большая часть промежуточных соединений находится в растворах, перемещаясь от одного фермента к другому, причем сами ферменты также по большей части растворены в цитоплазме клетки.
Биосинтез хлорофиллов, напротив, протекает только в хлоропластах, все ферменты закреплены в мембранах и часто образуют сложные ассоциаты. Это значительно затрудняет изучение отдельных стадий, механизмов превращений промежуточных соединений, и, в связи с этим, общая картина биосинтеза Хл а остаётся менее ясной.В целом же о биосинтезе известно следующее. После введения иона магния происходит этерификация остатка пропионовой кислоты в положении 13. Далее этот остаток окисляется через несколько промежуточных стадий, давая после замыкания кольцо Е(12). Затем происходит восстановление винильной группы до этильной в положении 8 с образованием 3- винилпротохлорофилла(13).

Следующая важная стадия включает в себя восстановление двойной связи в кольце D. Исключительно важную роль играет при этом освещение растений.
Показано, что в отсутствии света у высших растений накапливается протохлорофиллид. Даже короткая световая экспозиция приводит к превращению протохлорофиллида в хлорофиллид(14). В то же время, низшие растения и водоросли могут синтезировать хлорофиллид и при отсутствии света. На заключительном этапе происходит этерификация хлорофиллида природным спиртом фитолом при участии особого фермента хлорофиллсинтетазы. В результате образуется хлорофилл а (15).
(!!!здесь 18Энтеров!!!для Хл b и БХл а из БИОСИНТЕЗА!!!)

Пути биосинтеза других хлорофиллов, а также бактериохлорофиллов изучены пока недостаточно. Известно, однако, что все эти пигменты образуются через Хл а. В случае хлорофилла b происходит окисление метильной группы в положении 7 до формильной (16). Образование самого распространенного среди бактериохлорофиллов а –изомера (17) включает превращение винильной группы в ацетильную, гидрирование второго пиррольного остатка В и этерификацию остатка пропионовой кислоты фитолом.
Заключение