Представления о сроении металлоферментов и других биокомплексных соединений (гемоглобин, цитохромы, кобаламины). Физико-химические принципы транспорта кислорода гемоглобином

Роль комплексных соединений в жизнедеятельности живых организмов без преувеличения огромна. Организм представляет собой систему, которая состоит из множества лигандов и комплексообразователей, в определенном соотношении между друг другом. Нарушение баланса компонентов металло-лигандного гомеостаза приводит к развитию различных патологических состояний, поэтому изучение процессов взаимодействия «металл–лиганд» является важнейшем звеном в процессе поиска новых лекарственных средств. В процессах обмена веществ фундаментальную роль играет биокатализ, в котором принимают участие металлоферменты - биокомплексы Fe, Co, Mn, Zn.

Ферменты - это биологические катализаторы белковой природы, обладающие способностью активизировать различные химические процессы, происходящие в живом организме, причём действие ферментов строго специфично. Биокомплексы различаются по устойчивости. Одни настолько прочны, что постоянно находятся в организме и выполняют определенную функцию. Примерами таких соединений являетс витамин В12, гемоглобин и некоторые металлоферменты (специфические ферменты). Роль металлов таких комплексов высокоспецифична: замена его даже на близкий по свойствам элемент приводит к значительной или полной утрате физиологической активности. Ферменты, синтезируемые на период выполнения определенной функции, в которой ион металла выполняет роль активатора и может быть заменен ионом другого металла без потери физиологической активности, относят к неспецифичным ферментам. В настоящее время известно и изучено около 700 различных ферментов, 25% которых составляют металлоферменты. Важнейшим классом бионеорганических комплексов металлов являются транспортные комплексы, в которых один или несколько атомов металла связаны с атомами азота, кислорода или серы, выступающие в роли лигандов. Одним из основных переносчиков ионов металлов в человеческом организме является низкомолекулярный белок металлотионеин, содержащий большое число цистеиновых фрагментов. Один моль металлотионеина способен перенести до 12 моль таких жизненно необходимых элементов, как Zn, Cu и Se. При отравлениях тяжелыми металлами (Сd, Hg, Pb, Ag, As) этот белок выполняет защитную функцию, связывая их в прочные и малотоксичные комплексы. Железосодержащий белок трансферрин выполняет преимущественно транспортные функции. Несмотря на сравнительно низкое содержание железа (2 моль ионов Fe3+ на одну молекулу белка), трансферриновые комплексы обеспечивают высокую скорость тканевого обмена данного элемента и являются важными переносчиками железа.

Таким образом, изучение бионеорганических комплексов дает нам важную информацию об особенностях их метаболизма и позволяет разрабатывать эффективные способы коррекции заболеваний, связанных с недостатком (или  избытком) тех или иных элементов в человеческом организме. Применение комплексных соединений в медицине и фармации связано также с их использованием в методах качественного и количественного анализа – в комплексонометрии. Широкое распространение получила комплексонометрия в медико-биологических исследованиях. Этот метод необходим для определения содержания кальция, магния и многих других микроэлементов в организме. Комплексонометрия применяется в анализе лекарственного сырья, питьевых, минеральных и сточных вод. В биологии и медицине комплексоны используются не только в аналитических целях, но и в качестве стабилизаторов при хранении крови, так как комплексоны связывают ионы металлов, катализирующих реакции окисления. Комплексоны применяются также для выведения из организма ионов токсичных металлов (Рb2+, Cd2+ , Hg2+ и др.), радиоактивных изотопов и продуктов их распада.

1. Комплексные соединения. Координационная теория А. Вернера

В 1893г швейцарский химик А. Вернер впервые описал свойства и строение комплексных соединений в рамках координационной теории, исходя из которой следует, что центральный атом (чаще в форме катиона) координирует вокруг себя определенное число анионов (молекул-лиганд). Центральный атом вместе с координированным лигандом, которую при записи формулы заключают в квадратные скобки.

Пример: K3[Fe(CN)6]

Комплексные соединения – это устойчивые химические соединения сложные по составу, обязательным условием которых является наличие хотя бы одной связи, возникшей по донорно-акцепторному механизму.[1]

Комплексные соединения состоят из комплексообразователя и лиганд, формирующих внутреннюю сферу и наружной сферы, которая состоит из ионов, компенсирующих заряд внутренней.

Комплексообразователь – атом или ион, занимающий центральное положение в комплексном соединении являющийся акцептором электронных пар, предоставляя свободные атомные орбитали. Роль комплексообразователя в основном выполняют атомы либо ионы d-, f- металлов, т.к они имеют много свободных атомных орбиталей на валентном уровне и большой заряд ядра, позволяющий им притягивать электронные пары доноров. Число свободных орбиталей, которые предоставляет комплексообразователь, определяет координационное число, значение которого зависит от различных факторов. Наиболее характерными координационными числами являются 2,4,6.

Лиганды – молекулы либо ионы, являющиеся донором электронных пар в комплексном соединении.

Во внутренней сфере связь комплексообразователя с лигандами имеет донорно-акцепторное происхождение и является ковалентной.

В соответствии с зарядом внутренней сферы комплексные соединения подразделяют на катионные, анионные, нейтральные комплексы.

7 источников