Металло-лигандный гомеостаз и его нарушения

В организме непрерывно происходит образование и разрушение биокомплексов из ка­тионов биометаллов и биолигандов (порфиринов, аминокислот, полипептидов и др.). Об­мен веществ с окружающей средой поддерживает концентрации веществ, участвующих в этом равновесии, на определенном уровне, обеспечивая состояние металло-лигандного го-меостаза.

В принципе для каждого из катионов биометаллов характер­на своя совокупность реакций металл-лигандного равновесия. Распределение катиона металла между биолигандами определя­ется как величинами констант нестойкости для комплексов этих лигандов, так и концентрациями этих лигандов. Такое совокуп­ное равновесие для каждого из катионов можно выразить общей схемой, где М — катион металла, L,, L₂, L₃... — биолиганды.

В качестве примера суммарного равновесия можно привес­ти металло-лигандное равновесие для катиона железа. Этот ка­тион находится в связанном виде в составе таких биокомплексов как переносчик кисло­рода гемоглобин, запасающий кислород в тканях миоглобин, переносчики электронов — цитохромы (известно свыше пятидесяти), ферменты — каталаза и пероксидаза. В организ­ме имеются и железосодержащие белки — ферритины, в составе которых содержатся резер­вные количества железа, высвобождающиеся оттуда по мере разрушения выше упомянутых биокомплексов.

Кроме того, существуют и железосодержащие белки — трансферрины, выполняющие функцию транспорта железа из резервных белков к месту биосинтеза указанных комплек­сов. В частности, транспорт катиона железа направлен в клетки ретикулоцитов, которые вы­полняют биосинтез гемоглобина. Кроме трансферринов транспортную функцию выполняют и железные комплексы с аминокислотами, которые, будучи низкомолекулярными соедине­ниями, легче проникают через клеточные мембраны, чем трансферрины.

Нарушение этого суммарного равновесия приводит к ряду патологических явлений — железоизбыточных и железодефицитных состояний. Такие же равновесия характерны и для каждого биокатиона в биосредах. Их нарушение приводит к различным отклонениям в ме­таболизме.

Поступление, метаболизм, накопление и выделение катионов металлов (а в целом — любых микроэлементов) регулируется специальной системой микроэлементозного гомеостаза. Глубо­кое изучение этого вопроса, которое еще предстоит провести, позволит говорить о новом этапе молекулярной биологии — изучении жизненных процессов на атомном уровне. Более или ме­нее удовлетворительно изучен лишь вопрос металло-лигандного гомеостаза железа. Между тем в совокупности существуют тысячи патологических явлений — микроэлементозов, связанных с теми или иными металлоизбыточными или металлодефицитными состояниями.

В качестве примера можно привести неполный перечень заболеваний, вызванных нару­шением металло-лигандного баланса для катиона меди. Дефицит этого элемента в организме вызывает синдром Менкеса, синдром Морфана, болезнь Вильсона-Коновалова, цирроз пе­чени, эмфизему легких, аорто- и артериопатии, анемии. Избыточное поступление катиона меди в организм может вызвать серию заболеваний самых различных органов (ревматизм, бронхиальную астму, воспаление почек или печени, инфаркт миокарда и др.), называемые гиперкупремиями. Существует и профессиональный гиперкупреоз — медная лихорадка. Наконец, возможно и отравление различными медьсодержащими препаратами.

Другим примером (далеко не единственным) может служить баланс катиона кобальта. Был установлен тот факт, что практиковавшееся для улучшения пенообразования добавле­ние хлорида кобальта к пиву в количестве 1,2-1,5 мг/л, приводило к тяжелой сердечной не­достаточностью со смертельным исходом, а также к гормональным нарушениям. Влияние недостатка кобальта коррелируется с частотой заболеваний эндокринной системы.

Таким образом, выбранные случаи демонстрируют необходимость поддержания метал­ло-лигандного баланса элементов как с высоким содержанием в биологических объектах (железо), так и в умеренных количествах (медь) и в микроконцентрациях (кобальт).

Нарушение металло-лигандного гомеостаза возможно по разным причинам: из-за дефи­цита или избытка катионов биометаллов, из-за поступления катионов токсичных металлов, из-за поступления или образования посторонних лигандов.

В этих случаях в дополнение к естественным металло-лигандным равновесиям прибав­ляется новое равновесие с образованием чужеродных комплексов, содержащих металлы-токсиканты или лиганды-токсиканты, которые не выполняют необходимые биологические функции. Пример этого: поступление в плазму токсичного лиганда — оксида углерода(П), прочно связывающегося с гемоглобином, который перестает переносить кислород.

В результате антропогенной деятельности в окружающую среду поступают различные вещества — как катионы токсичных металлов, так и токсичные лиганды. Особенно много ядовитых катионов металлов поступает в окружающую среду в качестве отходов электрохи­мических производств (кадмий, медь) и с выхлопными газами автотранспорта (свинец). Отходы металлургической и атомной промышленности поставляют широкий спектр разно­образных металлов-токсикантов. Поступление токсичных лигандов связано с повсеместным употреблением различных органических химикатов, например, пестицидов, многие из ко­торых могут быть лигандами.

Токсичность катионов d-металлов во многих случаях связана с устойчивостью образуемых ими биокомплексов. Если устойчивость комплексного соединения с таким катионом выше, чем прочность биокомплекса с каким-либо биокатионом в составе организма, при его поступ­лении идет вытеснение последнего из биокомплекса. Этот эффект выражен уравнением:

M₁L + M₂ÛM₂L + M₁

В этом уравнении M₁L — биокомплекс, а М₂ — ион d-металла. Если комплекс M₂L более прочен, чем биокомплекс, происходит вытеснение биокатиона чужеродным ионом и накоп­ление чуждого организму комплекса M₂L. В этом и состоит суть токсикоза в данном случае К примеру, из данных табл. 11.1 следует, что катионы меди связываются со многими лиган-дами прочнее, чем катион кобальта. То же справедливо и в отношении катиона никеля. Сле­довательно, эти катионы, вытесняя катион кобальта (и не только его, но и катионы марган­ца, железа и др.) из относительно нестабильных биокомплексов с их участием и тем самым подменяя биокомплексы своими хелатными комплексами, оказывают токсическое действие

Антидотная терапия при токсикозах, вызванных действием катионов тяжелых металлов основана также на образовании ими прочных комплексов со специальными лигандами. Этот метод — хелатотерапия.

Гемоглобин — это белок с молекулярной массой 64 450. Он состоит из двух идентичных пар субъединиц, расположенных приблизительно в форме тетраэдра. Миоглобин является более простой молекулой с молекулярной массой 17 500, напоминающей мономерную еди­ницу гемоглобина.

Гемоглобин выполняет две биологические функции:

1. Он связывает молекулы кислорода своими атомами железа и переносит из легких к мышцам, где кислород передается молекулам миоглобина.

2. Далее с помощью концевых аминогрупп связывает несколько метаболических моле­кул углекислого газа и переносит их в легкие.

Интересно сравнить сродство к кислороду гемоглобина (ННЬ) и миоглобина (Mb). Для миоглобина имеется простое равновесие:

Mb + О₂ Û МЬО₂. Константа равновесия имеет вид:

Введем величину f — степень насыщения (доля молекул Mb, связанных с О₂):

Из константы равновесия следует, что

и, поэтому,

Так как активная концентрация газообразного кислорода равна его равновесному пар­циальному давлению (р), то

Это — уравнение гиперболы, которое превосходно описывает связывание кислорода миоглобином

Гемоглобин с его четырьмя субъединицами ведет себя значительно сложнее, что прибли­зительно можно описать уравнением Хилла:

где п называется константой Хилла, и в нормальных физиологических условиях (зависит отрЯ) составляет примерно 2.8.

Кривая насыщения кислородом гемоглобина имеет S-образную форму, а тот факт, что константа Хилла больше единицы, с химической точки зрения означает следующее: присо­единение первой молекулы кислорода к одному из четырех гемов увеличивает константу связывания для следующей молекулы кислорода, что, в свою очередь, приводит к повыше­нию константы для следующей и т.д. Это явление называется кооперативным эффектом и обусловлено, очевидно, конформационными изменениями гемоглобина при последова­тельном присоединении молекул кислорода.

Если при высоких давлениях кислорода гемоглобин связывает его так же хорошо, как и миоглобин, то при низких давлениях сродство гемоглобина к кислороду существенно меньше. Поэтому гемоглобин пе­редает кислород миоглобину в мышцах. Более того, метаболическая СО₂ в мышечной ткани уменьшает величину рН, что еще больше увели­чивает способность гемоглобина отдавать кис­лород (эффект Бора, зависимость от рН, пра­вая кривая).

Механизм кооперативного связывания кислорода и эффекта Бора сложен и до конца не установлен.

Следует указать на важную роль белковой части молекулы. Достаточно сказать, что гем, содержащий Fe(II) и не связанный с полипептидной цепью, не способен обратимо связы­ваться с кислородом и вместо этого окисляется до Ре(Ш)-содержащего комплекса, который уже не взаимодействует с кислородом. Некоторые вещества, например, нитриты, нитросоединения, способствуют переходу Fe(II) —» Fe(III) в гемоглобине, который при этом теря­ет способность к переносу кислорода (метгемоглобин).

Помимо воды и кислорода, шестое координационное место в гемоглобине и миоглобине могут занимать и другие лиганды, например, молекула СО (карбоксиформы), цианид-ион. Высокая токсичность оксида углерода(II) обусловлена тем, что он связан с атомом железа гемоглобина прочнее, чем молекула кислорода. Это объясняется повышением сте­пени двоесвязанности между железом и лигандом за счет дативной связи (порфириновый цикл показан схематично в виде четырех атомов азота):