Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

рофилла, а с катионами двух металлов: железа и меди - цитохромоксидазы. Рассмотрим особенности строения гемоглобина,

миоглобина и метгемоглобина.

Комплексообразователем в гемоглобине и миоглобине явля­ ется ион Fe2+, который, предоставляя шесть свободных атомных орбиталей, образует шесть связей по донорно-акцепторному ме­ ханизму. Из них четырьмя связями ион железа связан с атомами азота порфиринового лиганда, образуя гем, пятая связь занята лигандом глобином (белок), а шестая - молекулой воды - лиган­ дом, который связан с комплексообразователем лабильно:

(комплексообразователь Fe2+ и 4-дентатный лиганд порфирин)

Миоглобин связывает часть кислорода, поступающего в ткани, путем замещения молекулы воды во внутренней сфере на молеку­ лу кислорода, образуя оксимиоглобин, который достаточно проч­ но удерживает кислород. Это позволяет тканям запасать кислород для его использования в случаях острой кислородной недостаточ­ ности. Необходимо обратить внимание на то, что кислород не окисляет комплексообразователь Fe2+ в геме миоглобина.

Гемоглобин содержится в эритроцитах крови. Его молекула состоит из четырех гемов, аналогичных по строению гему мио­ глобина, которые объединены четырьмя глобиновыми цепями. В молекуле гемоглобина (ННЬ) различают четыре фрагмента а19 а2, Pi> каждый из которых способен к замещению молекулы воды (лабильного лиганда) на молекулу 0 2. Находясь в легких, гемоглобин присоединяет в результате лигандообменной реак­ ции вместо молекул воды молекулы кислорода, образуя оксигемоглобин (ННЬ02), в котором катион железа сохраняет свой за­ ряд + 2 :

в легких w

HHb(Fe2+) + 02 ....... > HHb02(Fe2+)

в тканях

Таким образом, связывание гемоглобином кислорода являет­ ся реакцией обмена лиганда, при которой нет окислительно­ восстановительных превращений. Поэтому нет никаких основа­ ний называть оксигемоглобин окисленной формой, а гемогло­ бин - восстановленной формой, что, к сожалению, имеет место даже в современной литературе и учебниках. Кроме этих неудач­ ных терминов используется еще ненужный термин "дезоксигемоглобин", который означает оксигемоглобин, отдавший ки­ слород, а в действительности это просто гемоглобин.

256

Оксигемоглобин выполняет функцию транспорта кислорода у высших животных. Благодаря оксигемоглобину литр крови пере­ носит 250 мл кислорода в капилляры различных органов. Здесь оксигемоглобин отдает кислород (разд. 8.5), который диффундиру­ ет через плазму и стенки капилляров в ткани. Часть поступивше­ го кислорода соединяется с миоглобином для поддержания не­ обходимого парциального давления кислорода в тканях. Основная часть кислорода вступает в процессы метаболизма, превращаясь

вконце концов в оксид углерода(1У) и воду, которые с помощью венозной крови выводятся из организма (разд. 8.5).

Венозная кровь поглощает СО2 из тканей и транспортирует его

влегкие на 80 % в виде НСО3 , 15 % в виде аниона карбамино-

гемоглобина (НЬС02)“ и 5 % в растворенном виде (С02 * т Н 20). В легких, вследствие избытка кислорода, кровь освобождается от С02 (который далее удаляется при выдохе), а гемоглобин опять насыщается кислородом (разд. 8.5). Гемоглобин и окси­ гемоглобин являются слабыми кислотами и в крови (pH « 7,40) находятся частично в ионизированном состоянии: НЬ“ - 12 % и НЬ02 - 6 6 % . В приведенной ниже схеме химических превра­ щений гемоглобина с целью упрощения вместо сложной молеку­ лы, состоящей из 4 подобных фрагментов, дается только один:

При вдыхании воздуха, содержащего оксид углерода(П) ("угар­ ный газ"), последний взаимодействует с гемоглобином и оксигемоглобином с образованием более устойчивого комплекса карбоксигемоглобина ННЬСО:

257

«) 3453

Эти равновесия смещены в сторону образования карбоксигемоглобина, устойчивость которого в 2 1 0 раз больше, чем оксигемоглобина, что приводит к накоплению карбоксигемоглобина в крови. В результате кислородная емкость крови уменьшается пропорцио­ нально количеству поступившего в организм СО. Серьезной при­ чиной отравления оксидом углерода(И) является курение. Со­ держание карбоксигемоглобина в крови курильщиков, выкури­ вающих пачку сигарет в день, составляет в среднем 4,7 % , а у некурящих - всего 0,3-0,5 % (от содержания гемоглобина). При­ чиной более сильного отравления оксидом углерода(И) может быть преждевременное закрытие вытяжной заслонки протоплен­ ной печи или вдыхание выхлопных газов автомобиля. При легких отравлениях (содержание ННЬСО в крови 10-15 % ) наблюдается головная боль, слабость, тошнота. При отравлениях средней сте­ пени (ННЬСО в крови 25-30 % ) нарушается координация дви­ жений, появляется синюшность кожи лица и помутнение созна­ ния. При тяжелых отравлениях (ННЬСО в крови 60 % и более) происходит потеря сознания, судороги. Смерть наступает от оста­ новки дыхания. Смертельные концентрации СО составляют 2 мг/л при 60-минутной и 5 мг/л при 5-минутной экспозиции. Постра­ давшим необходимо тепло, сердечные средства и вдыхание чистого кислорода, так как содержание кислорода в воздухе недостаточно для быстрого вытеснения СО из карбоксигемоглобина.

Под действием окислителей: нитритов, нитратов, NO2, Н2О2, 0 3 - гемоглобин в результате окисления Fe2+ в Fe3+ и отрыва ка­ тионов от воды-лиганда превращается в метгемоглобин (метННЬ):

ОН

Олобшр

метгемоглобин

Метгемоглобин не способен переносить кислород, поэтому по­ явление его в крови уменьшает кислородную емкость крови. Для его превращения в гемоглобин необходимо воздействие вос­ становителей.

Токсическое действие нитратов связано с рядом их химиче­ ских превращений. Попадая в организм, нитраты легко восста­ навливаются до нитритов:

Нитриты чрезвычайно эффективно окисляют гемоглобин в мет­ гемоглобин по радикальному механизму, образуя оксид азота(П) и способствуя образованию различных активных форм кисло­ рода (разд. 9.3.9).

258

Оксид азота(Н), подобно СО, образует прбчный комплекс с гемоглобином - нитрозогемоглобин:

H H b + NO ^ H H bN O

В результате воздействия нитратов возникает острое кислород­ ное голодание тканей из-за уменьшения содержания гемоглоби­ на в крови. Кроме того, нитраты и нитриты интенсифицируют свободнорадикальное окисление в организме, что дополнительно повышает их токсичность.

Таким образом, химия гемоглобина включает все три типа свойств: комплексообразующие, кислотно-основные и окисли­ тельно-восстановительные.

Цитохромы - ферменты класса оксидоредуктаз, содержащие в качестве комплексообразователя катион железа или меди, а в качестве лигандов - 4 -дентатный порфирин, а также белок, ко­ торый занимает пятое и шестое положения во внутренней сфере. Эти изменения в составе приводят к новой биологической функ­ ции комплекса, которая заключается в переносе электрона за счет обратимого изменения степени окисления комплексообра­ зователя: Fe3+ + е" ^5^ Fe2+, а в цитохромоксидазе еще и атома меди: Cu2+ + е~ Си+. Цитохромы обеспечивают работу элек­ тронотранспортных цепей при окислительном фосфорилирова­ нии, фотофосфорилировании, работе ансамбля ферментов цито­ хрома Р-450 (разд. 9.3.4-9.3 .8).

Цианиды при попадании в организм быстро проникают в кровь. Ион CN" с гемоглобином взаимодействует слабо, но чрезвычайно эффективно связывается окисленной формой цитохромоксидазы, блокируя в ней оба комплексообразователя (Fe3+ и Си2+), тем самым ингибируя ее действие в дыхательной цепи. Цианид-ион включается во внутреннюю сферу полиядерного комплекса цитохромоксидазы по месту разрыва связи белок - комплексообразователи:

Клеточное дыхание прекращается на самом главном этапе - эта­ пе усвоения кислорода клетками во всех тканях организма, осо­ бенно в нервных клетках мозга, где этот процесс идет интенсив­ но. При этом не нарушаются ни поступление кислорода в кровь, ни перенос его гемоглобином к тканям. Артериальная кровь пере­ ходит в вены, оставаясь насыщенной кислородом, что внешне проявляется в ярко-розовой окраске кожных покровов при по­ ражении цианидами. Пероральная токсическая доза цианидиона для человека LD50 = 1мг/кг.

259

9 *

От действия цианидов может защитить метгемоглобин кро­ ви, который благодаря наличию Fe3+ эффективно свяжет этот токсикант еще на пути к цитохромоксидазе с образованием очень прочного цианметгемоглобина:

MeTH H b (F e3+— ОН ) + C N “ — ► MeTH H b(F e3+— CN ) + О Н "

метгемоглобин цианметгемоглобин

При достаточно высокой концентрации метгемоглобина в крови в реакцию с ним вступит не только CN“ , содержащийся в кро­ ви, но и CN~, уже связанный с цитохромоксидазой, в итоге ее активность будет восстановлена. Поэтому при отравлении циани­ дами рекомендуется вводить подкожно или внутривенно метгемоглобинообразователи, например NaNC>2, но осторожно, не до­ пуская превращения гемоглобина в метгемоглобин более чем на 30 % . В противном случае могут наблюдаться явления, сходные с картиной отравления оксидом углерода(П). Другой способ за­ щиты от цианидов заключается в использовании соединенийантидотов, легко реагирующих с CN- с образованием неядови­ тых продуктов, например роданидов (разд. 1 2 .2 .6 ).

Среди природных комплексных соединений особое место зани­ мают макрокомплексы на основе циклических полипептидов, со­ держащих внутренние полости определенных размеров, в которых находятся несколько кислородсодержащих групп, способных за счет донорно-акцепторного взаимодействия связывать катионы тех металлов (включая катионы Na+ и К+), размеры которых соответ­ ствуют размерам полости. Такие комплексы, находясь в биологи­ ческих мембранах, обеспечивают транспорт ионов через мембраны и поэтому называются ионофорами. В ионофоре катион комплексообразователя изолирован от окружающей среды гидрофобной оболочкой лиганда, за счет которой ион может свободно плавать в гидрофобном слое клеточной мембраны. Такими свойствами обла­ дает циклический пептид валиномицин (антибиотик), полость ко­ торого соответствует размеру катиона К+. Поэтому с помощью валиномицина катионы К+ транспортируются через мембрану из зоны с высокой концентрацией К+ (внутренняя поверхность мембраны), где образуется комплекс, в зону низкой концентрации К+ (наруж­ ная поверхность мембраны), где этот комплекс распадается.

С помощью другого полипептида - грамицидина А - осуществ­ ляется транспорт катионов Na+ по эстафетному механизму. Грами­ цидин А - спиралевидный полипептид, образующий "трубочку", внутренняя поверхность которой выстлана кислородсодержащими группами. В результате получается достаточно большой длины гидрофильный канал с определенным сечением, соответствую­ щим размеру иона натрия. Внешняя гидрофобная поверхность "трубочки" позволяет ей располагаться поперек фосфолипидно­ го бислоя мембраны, полностью сливаясь с ним. Ион натрия, входя в гидрофильный канал с одной стороны, передается ки­ слородными группировками от одной к другой подобно эстафе­ те. В этом случае получается ионпроводящий канал. Таким об­

260

разом, за счет лабильного комплексообразования в ионофорах осуществляется транспорт ионов сквозь клеточные мембраны.

10.5.МЕТАЛЛОЛИ ГАНДНЫЙ БАЛАНС И ЕГО НАРУШЕНИЯ

Ворганизме постоянно происходит образование и разрушение жизненно необходимых биокомплексов [МбЬб], построенных из ка­ тионов "металлов жизни", или биометаллов (МБ) и биолигандов (Ьб):

При этом за счет обмена с окружающей средой поддерживается на определенном уровне концентрация участвующих в этом равнове­ сии веществ, обеспечивая состояние металлолигандного баланса. Нарушение этого состояния смещает указанное равновесие в ту или иную сторону, что приводит к изменениям в метаболизме организма вплоть до патологических. Нарушение металлоли­ гандного баланса происходит по разным причинам:

-долговременное непоступление в организм катионов биоме­ таллов (МБ) или поступление их в значительно меньших количе­ ствах, чем необходимо для жизнедеятельности;

-поступление катионов биометаллов в количествах заметно больших, чем необходимо для жизнедеятельности.

Эти нарушения могут быть вызваны несбалансированным пи­ танием или биогеохимическими особенностями территорий, где проживает человек. Например, в Тюменской области отмечается недостаток меди, в Узбекистане и Дагестане - избыток молибде­ на. Но чаще всего это связано с неразумной деятельностью чело­ века, загрязняющего окружающую среду соединениями, чуж ­ дыми живой природе.

Более серьезные нарушения в метаболизме организма вызыва­ ются поступлением катионов металлов-токсикантов (Мт) или ли­ гандов-токсикантов (LT), а иногда образованием не свойственных ему лигандов (лигандная патология). Например, при красной вол­ чанке гидролиз пептидов приводит к образованию чужеродных соединений, которые, являясь лигандами-токсикантами, эффек­ тивно связывают катионы меди. В результате в организме не обра­ зуются жизненно необходимые медьсодержащие ферменты, и тем самым нарушается металлолигандный баланс. Таким образом, в этих случаях наряду с естественным металлолигандным равнове­ сием (1 ) возникает новое равновесие (2 ) с образованием новых комплексов, содержащих металлы-токсиканты ([МТЬБ]) или ли­ ганды-токсиканты ([МБЬТ]), которые более прочны и не выпол­ няют при этом необходимые биологические функции:

261

Поскольку в соответствии с законами химии всегда побеждает то равновесие, которое приводит к образованию более устойчивых соединений, то наличие металлов-токсикантов и лигандов-токси­ кантов в организме сопровождается серьезным нарушением со­ стояния металлолигандного баланса.

В результате деятельности человека в окружающую среду по­ ступают различные вещества. Существенную роль в загрязнении окружающей среды металлами-токсикантами играют электрохи­ мические производства, поставляющие практически любые ме­ таллы-токсиканты, особенно ртуть, кадмий и хром, выхлопные газы автотранспорта - свинец, а также отходы металлургической

иатомной промышленности, поставляющие широкий спектр раз­ личных металлов-токсикантов.

Отравление комплексообразователями-токсикантами: ионами ртути, мышьяка, свинца, кадмия и таллия - имеет поливариантный характер и происходит из-за блокирования ими сульфгидрильных групп белков или в результате взаимодействия их с ДНК

иРНК или с фосфолипидами мембран, а также вследствие вытес­ нения из активных центров ферментов ионов меди и цинка. Все эти процессы протекают с образованием прочных комплексов с металлами-токсикантами [МТЬБ].

Воздействие металлов-токсикантов на организм усиливается вследствие появления в водоемах хелатообразующих лигандов. Наличие их в водоемах приводит к растворению осадков из соеди­ нений, содержащих катионы металлов-токсикантов, из-за образо­ вания водорастворимых комплексов, проникающих сквозь био­ мембраны и попадающих таким образом в организм рыб и других морских животных, а затем в организм человека. Кроме того, присутствие таких комплексных соединений металлов-токсикан­

тов далеко не всегда можно обнаружить традиционными доступ­ ными методами, что искажает сведения о степени загрязненности используемых вод. Попадание в организм как свободных, так и связанных в комплексы катионов металлов-токсикантов может вызвать тяжелые последствия, например появление опухолей, мутагенез, нарушение обмена веществ.

Детоксикацию организма от металлов-токсикантов можно про­ водить при помощи лиганд-препаратов на основе полидентатных лигандов, которые образуют с токсикантами прочные водораство­ римые комплексы (хелатотерапия). При хелатотерапии необхо­ димо, чтобы металлы-токсиканты связывались с вводимым пре­ паратом (П) в комплекс [МТП], более устойчивый, чем комплекс [МТЬБ], т. е. должно соблюдаться условие 7£нест(МтП) < i£HecT(MTLB).

В то же время вводимый лиганд-препарат не должен образо­ вывать с катионами биометаллов (МБ) прочные комплексы [МБП], чтобы не разрушать их комплексы с биолигандами [МБЬБ], т. е. должно соблюдаться еще одно условие i^THeCT(MBLB) < ЛГНест(МВП):

262

Таким образом, при хелатотерапии лиганд-препарат должен эф­ фективно связывать металлы-токсиканты в прочныгГкомплекс [МТП] и не должен разрушать жизненно необходимые комплек­ сы [МбЬб].

Для детоксикации организма при отравлении металламитоксикантами можно использовать EDTA, однако при больших дозах этот препарат начнет связывать еще и ионы кальция, что вызывает расстройство многих функций. Поэтому для выведе­ ния свинца, ртути, кадмия, урана используют препарат тетпацинкалъций (кальцийдинатриевая соль EDTA), имеющий низкое сродство к ионам кальция. При долгом приеме тетацинкальция рекомендуется принимать препараты железа и витамина В12, чтобы уменьшить побочное действие препарата, связанное с об­ разованием им комплексов с катионами железа или кобальта, входящих в состав важных биокомплексов.

Эффективными препаратами для хелатотерапии являются унитиол (2,3-димеркаптопропансульфонат натрия), сукцимер (2,3-димеркаптоянтарная кислота) и пеницилламин (2-амино-З- меркапто-3-метилмасляная кислота):

Эти хелатирующие реагенты эффективно связывают почти все ме­ таллы-токсиканты, но не выводят из организма ионы биометаллов. Универсальным антидотом при различных отравлениях является тиосульфат натрия Na2320 3, содержащий тиосульфат-ион - ак­ тивный лиганд в отношении металлов-токсикантов (разд. 1 2 .2 .6 ).

10.6.КОМПЛЕКСОНОМЕТРИЯ

Всанитарно-клиническом анализе для количественного опре­ деления ионов металлов широко используется комплексонометрия.

Комплексонометрия — метод количественного анали­ за, основанный на реакции комплексообразования с по­ лучением прочных хелатных соединений металлов с комплексонами.

Комплексонами называются полидентатные лиганды, способ­ ные образовывать устойчивые хелатные комплексные соедине­ ния. В аналитической практике в качестве комплексона чаще всего используют трилон Б (разд. 10.1), обозначаемый для крат­

263

кости Na2H2T. Этот 6 -дентатный лиганд образует очень устойчи­ вые комплексы с большинством катионов металлов. Метод комплексонометрии на основе трилона Б называется трилонометрией.

Наиболее ценным свойством трилона Б является его способ­ ность образовывать очень устойчивые бесцветные комплексы с катионами большинства металлов, при этом реакция всегда протекает в соотношении 1 : 1 и с вытеснением двух протонов, независимо от заряда катиона металла:

Учитывая обратимость этого взаимодействия, необходимо под­ держивать определенное значение pH для обеспечения полного протекания аналитической реакции. Оптимальное значение pH определяется устойчивостью комплекса и растворимостью гид­ роксида определяемого металла.

Для установления точки эквивалентности в комплексонометрии применяют металлоиндикаторы. Особенностями этих ин­ дикаторов, точнее их анионов, является способность образовы­ вать с катионом определяемого металла комплекс, окраска ко­ торого отличается от окраски свободного аниона индикатора:

Катион определяемого металла в присутствии и аниона индика­ тора Ind2-, и аниона трилона Б (Н2Т)2- взаимодействует с обои­ ми веществами, но больше с тем, которое образует более устой­ чивый комплекс:

Поэтому, чтобы равновесие было смещено в сторону комплекса с трилоном Б [МТ]2-, его устойчивость должна быть больше, т. е. ^нест (МТ2-) < Кнест(Mind).

При добавлении к анализируемому раствору индикатор обра­ зует вначале комплекс [Mind] и раствор принимает окраску II, характерную для этого комплекса. При добавлении к окрашен­ ному раствору раствора трилона Б он сначала реагирует со сво­ бодными ионами анализщэуемого металла с образованием бес­ цветного комплекса [МТ]2” и только вблизи состояния эквива­ лентности происходит разрушение комплекса с индикатором [Mind] в соответствии с реакцией:

В точке эквивалентности окраска раствора резко изменяется (ок­ раска II —► окраска I), так как комплекс с индикатором оконча­

264