Транспорт и накопление металлов в биологических системах. Трансферрин. Ферритин. Церулоплазмин и сывороточный альбумин. Металлотионеины

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени В. Н. Каразина

кафедра неорганической химии

Зачетная работа по бионеорганической химии

Транспорт и накопление металлов в биологических системах. Трансферрин. Ферритин. Церулоплазмин и сывороточный альбумин. Металлотионеины.

                                                            Выполнила:

                                                                                          студентка IV курса

                                                                                   группы Х- 142

                                                                                                          Житникова Дарья Игоревна

Проверила:

Д.х.н., доцент                                                                                    Панченко В. Г.

Харьков

2012 г.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

   Проблема антропогенного загрязнения биосферы отходами промышленных предприятий является очень актуальной. В результате различных геохимических циклов и жизнедеятельности биологических объектов, а также в виду непостоянства внешних условий металлы активно включаются в природные круговороты веществ. При поступлении в водоемы металлы образуют различные комплексные соединения, которые существенно влияют на процессы накопления в компонентах экосистемы. В зависимости от состава водной среды образуются более или менее доступные для биологических объектов соединения металлов, которые накапливаются в живых организмах.

Биологическая роль важнейших биометаллов

   Ионы металлов находятся в организмах в виде комплексных (координационных) соединений. Биолиганды различных типов имеют набор разнообразных донорных атомов: O, S, N, P, - с которыми большинство металлов образуют координационные связи.

  К биогенным металлам относят следующие 10: s-элементы Na, K, Mg, Ca; 3d-элементы Mn, Fe, Co, Cu, Zn и лишь один 4d-элемент - Mo. Многие другие металлы, кроме 10 упомянутых, также проявляют биогенные свойства, но их роль пока до конца не выяснена. Так как биогенные металлы обладают различными свойствами, в большинстве случаев отвечающими их положению в Периодической системе, то и биологические функции их различны. Так, ионы щелочных металлов, менее всего способные к образованию координационных связей, участвуют в создании электролитной среды организма, определяют процессы всасывания веществ из-за различий в осмотическом давлении в органах и тканях. Ионы Са2+, образующие плохорастворимые соединения, служат основой «несущих» систем организма: скелета, хрящей. Биометаллы являются центрами около 30% всех ферментативных систем .Так, легко гидролизующиеся металлы (Mg, Zn) участвуют в реакциях ферментативного гидролиза; металлы, проявляющие переменную валентность и переменное координационное число (Cu, Fe, Mo) регулируют многие окислительно-восстановительные процессы. Биосфера представляет собой среду с подвижным равновесием как на макро-, так и на микро-уровне. Для элементов в биосфере характерно распределение во внутри- или внеклеточном пространстве. Так, например, внеклеточными элементами являются Na, Ca, Cu, Mo, Cl, Si, Al, а внутриклеточными - K, Mg, Fe, Co, Zn, Ni, Mn, S, P, Se .

Натрий, калий

  Если в геосфере ионы Na+ и К+ встречаются всегда вместе, и их разделение представляет непростую задачу, то в биосфере эти ионы распределяются по разные стороны клеточных мембран. Эти ионы непрерывно движутся по ионным каналам в обоих направлениях, причем против градиента концентраций, т.е. от области меньших концентраций в сторону больших. Самопроизвольно такой процесс протекать не может, и энергию ему сообщает реакция гидролиза АТФ.

  Баланс Na+ и К+ воррганизме называется калий-натриевым насосом. Этот баланс обеспечивает, во-первых, поддержание необходимого осмотического давления биожидкостей, которое является движущей силой всех процессов всасывания и выведения; во-вторых, сохранение присущего каждому органу и ткани значения рН; в-третьих, натрий и калий играют важнейшую роль в передаче нервных импульсов.

Магний, кальций

  Ион Mg2+ - более сильный комплексообразователь, чем ион Са2+, и поэтому служит центром некоторых металлоферментов, например, катализирует столь важный гидролиз АТФ. В растительном мире Mg2+ входит в координационный центр хлорофилла[2], управляющего таким глобальным процессом, как фотосинтез, состоящий в превращении Н2О и СО2 в углеводы и О2 под действием световой энергии. В этой окислительно-восстановительной реакции СО2 восстанавливается до углеводов, а Н2О окисляется до О2. На 1-й стадии фотосинтеза хлорофилл, в координационном центре которого находится ион Mg(2+), фотохимически возбуждается и с участием железосерных белков восстанавливает СО2. 2-я стадия фотосинтеза включает целую серию реакций с участием молекул АДФ, АТФ, производных хинона, комплексов Mn(2+) и Mn(4+), в результате чего Н2О окисляется до О2. Надо отметить, что координация Mg2+ с хлорофиллом нетипична с точки зрения классических представлений о Mg как комплексообразователе, так как он координирован с донорными атомами N и проявляет нехарактерное для него координационное число 5.

   Содержание Са2+ в организме составляет ~1%, он содержится в каждой клетке живого организма. Кальций – 5-й по распространённости in vivo элемент после C, H, O, N. В организмах млекопитающих 95% кальция приходится на твердые ткани: кости и зубы, где он находится в виде фторапатита и гидроксиапатита; в организмах птиц и моллюсков преобладает СаСО3. Кальций тесно связан с процессами биоминерализации. В стенках сосудов и артерий кальций присутствует в виде СаСО3, комплекса с холестерином, а в почках – в виде оксалатов или уратов (солей мочевой кислоты). Ионы Са2+ принимают активное участие в сокращении мышечных волокон, активации многих ферментов, регуляции процесса свертывания крови. Концентрация Са2+ в организме регулируется гормонами паращитовидных желез кальцитонином, а усвоение определяется содержанием в организме витамина D. Недостаток этого витамина приводит к снижению всасывания Са и проявляется в виде заболевания рахита. Са – внеклеточный элемент; его концентрация в клетке мала: ~ 10 –7 моль/л, а вне клетки - ~ 10-3 моль/л.Некоторые соли Са2+ применяются в качестве лекарственных средств: хлорид и глюконат, гипс CaSO4.

d- элементы – биометаллы

   Переходные биометаллы обладают особыми свойствами, главное из которых – высокая способность к комплексообразованию. Образуя разнообразные комплексы с многочисленными биолигандами живого организма, переходные биометаллы по существу ведут себя, как «организаторы жизни».

   Так, например, Mn2+, радиус которого близок к таковому для Mg2+, образует комплексы с О- и N-донорными биолигандам. Марганец входит в состав активного центра многих ферментов, а также участвует в синтезе витаминов группы В и влияет на синтез гемоглобина.

    Физиологическая роль железа связана с его способностью образовывать комплекс с молекулярным О2, а также с различными биолигандами . Проявляя степени окисления 2, 3 и 4 и координационные числа 4 и 6, железо очень мобильно в своих соединениях, легко переходя от одного типа координации биолиганда к другому. В организме железо встречается как в виде «гемовых» соединений (гемоглобин, миоглобин), так и в «негемовой» форме (ферритин, сидерофилин). Ключевой момент участия гемоглобина в дыхательным цикле состоит в координации молекулы О2, втягивании фрагмента гемоглобина Fe --- O2 в так называемый «имидазольный карман», а затем распределении О2 током крови по сосудам. Негемовые протеины - железосерные белки ферритин, трансферрин - играют роль «накопителей» железа, необходимого для работы различных железозависящих ферментов (пероксидаза, каталаза). Некоторые из этих соединений имеют небольшую молярную массу и построены в виде клеток – кластеров.  Низкое содержание железа в крови приводит к заболеванию железистой анемии.

   Кобальт входит в состав кобаламина – витамина В12. Это эндогенный витамин, который синтезируется микрофлорой кишечника. Кобаламин содержит макроцикл – корриновое кольцо, связанное с нуклеотидом и диметилбензимидазолом. Кофермент В12 является редким примером природного металлорганического соединения. Главная ферментативная роль кобаламина связана с переносом атомов Н или групп СН3 между биолигандами. При недостатке витамина В12 возникает заболевание- злокачественная анемия. Соли Со2+ способствуют накоплению некоторых других витаминов: пиридоксина, никотинамида, - которые положительно влияют на все виды обмена веществ: белковый, минеральный и углеводный. Избыток Со подавляет функции щитовидной железы, так как влияет на содержание иода в её гормоне. Это проявляется в виде заболевания – эндемического зоба, распространенного в регионах с повышенным содержанием кобальта в почве и питьевой воде. Интересно отметить, что ближайший аналог Со - никель – считается нежелательным и даже опасным в биосфере. Однако, Ni (в не установленной до сих пор степени окисления) входит в активный центр фермента уреазы, ответственной за гидролиз мочевины.

    Человек в сутки поглощает с пищей 2 – 3 мг меди, из которых усваивается всего 30%. В растительных и животных организмах медь находится в виде координационных соединений, причем в основном это медьсодержащие белки. Ферментов, содержащих медь в активном центре, насчитывается более 20, большинство из которых оксидазы, биологическая роль которых связаны с процессами гидроксилирования, окислительного катализа, переноса кислорода. Наиболее подробно изучена роль меди в ферменте цитохромоксидазе. Отклонения от нормы в содержании меди приводит к тяжелым и часто необратимым заболеваниям. Так, например. выведение меди из соединительной ткани физиологическим путем или под действием некоторых лекарств ведет к красной волчанке, а накопление меди в печени или мозге – к ревматоидному артриту – болезни Вильсона.

   Ионы Zn2+ образуют комплексы с лигандами с донорными атомами О и N. Цинк входит в состав активного центра в состав многих важных ферментов, в основном, катализирующих реакции гидролиза пептидов, коллагена, фосфолипидов и др. Цинк активирует фермент карбангидразу, ответственный за гидратацию СО2 в биожидкостях и перенос ионов Н+ к СО32- . Цинк нормализует сахарный обмен и необходим для нормальной секреции инсулина. Цинк-содержащие белки образуют примечательные по своей форме «цинковые пальцы», играющие большую роль в связывании и распознавании ДНК (факторы транскрипции с доменами типа «цинковые пальцы», нуклеазы с «цинковыми пальцами») и, следовательно, в передаче генной информации.

   Молибден способен проявлять как различные степени окисления (+4, +5, +6), так и переменные координационные числа (4, 5, 6, 8). Поэтому биологическое действие Мо разнообразно. Именно наличие Мо позволяет бобовым растениям усваивать атмосферный азот. В организме животных Мо входит в состав окислительно-восстановительных ферментов, в том числе ксантиноксидазы, участвующей в обмене пуринов и переносе О2. При избытке Мо в почве он накапливается в организме, что способствует активизации ксантиноксидазы и синтезу избыточного количества мочевой кислоты. В результате этого образуются кальциевые соли этой кислоты – ураты, которые отлагаются в суставах, вызывая подагру.

Токсическое действие металлов

Рассматривая токсическое окружающей среды, часто употребляют термин «токсичные элементы» или «токсичные соединения». Однако, токсичное действие того или другого элемента существенным образом зависит от его распространенности в окружающей среде, в том числе и от того, является ли токсичное соединение природным или образовалось в результате промышленной деятельности человека. Кроме того, ни одно соединение нельзя назвать абсолютно токсичным или абсолютно нетоксичным; как писал Парацельс «Всё яд, дело в дозе». Каждый орган или ткань живого организма нормально функционирует лишь для некоторого интервала (допустимых значений) концентраций какого-либо соединения. Отклонения содержания этого соединения от нормы вызывает патологическую реакцию и является, собственно, причиной токсичности. На токсичность соединений существенно влияют: доза; общие свойства соединения; способность биологической системы абсорбировать и транспортировать соединение к необходимому органу; способность соединения трансформироваться в более или менее токсичные формы; способность соединения взаимодействовать с макромолекулами. Так, например, многие тяжелые металлы токсичны, так как блокируют многие ферменты, но так как многие из них относятся к редким и рассеянным элементам, то токсичность их не так значима. Снижена токсичность и тех соединений, которые плохо растворимы в воде (например, PbS) и не усваиваются организмом. Однако, токсичность соединений некоторых элементов, например ртути, повышается из-за действия микроорганизмов, легко усваивающих плохорастворимые соединения ртути и затем «передающие» их высшим животным.

Из объектов бионеорганической химии именно тяжелые металлы в форме комплексов наиболее опасны для жизнедеятельности организмов. Атака тяжелых металлов направлена на гемсодержащие белки и ферменты; на системы пероксидного и свободнорадикального окисления липидов и белков; на системы антиоксидантной защиты; на ферменты транспорта электронов и синтеза АТФ; на белки клеточных мембран и ионные каналы мембран. Так, например, ионы Pb(2+), Hg(2+), Co(2+), Cd(2+) образуют прочные комплексы с аминокислотами и многими другими биолигандами, в особенности содержащими группы RS- и HS-. Токсическое действие тяжелых металлов проявляется в том, что, обладая подходящим размером и характером электронной оболочки, они могут вместо биометаллов «встраиваться» в соответствующие рецепторы, блокируя действие субстратов.

Металлы I и II побочных групп Периодической системы

    Простые некомплексные соединения металлов I и П групп издавна нашли применение в качестве антисептических средств, например CuSO4, AgNO2, HgNH2Cl, HgCl2, ZnS, ZnO и др., а также и сами чистые металлы Cu, Ag, Au в тонкоизмельченном виде.