...
Головна » Связь между строением молекул веществ и их физиологическим действием

Физиологическое действие того или иного вещества, входящего в состав организма человека зависит от его химической природы, электронной конфигурации, характера химических связей. В организме химические элементы находятся либо в ионном состоянии, т.е. в виде минеральных солей, либо в белково-связанном виде. Состояние химических элементов в организме, а также характер химических связей зависят от особенностей органов и тканей, в которых находится данный химический элемент. Например, в спинномозговой жидкости, обеднённой белками, медь, марганец, цинк, как правило, находятся в виде минеральных солей. Работами Г.А. Бабенко установлено, что такие химические элементы, как кремний, алюминий, титан и медь в тканях головного мозга находятся в белково-свячанном виде, а марганец — в ионной форме.

Преобладающее большинство химических элементов содержится в органах и тканях в виде комплексных соединений, особое место среди которых занимают, так называемые, внутрикомплексные. Способность химического элемента к образованию комплексных соединений обусловлена главным образом его положением в периодической системе. С биологической точки зрения по образному выражению КБ. Яцимирского  комплексообразующие химические элементы являются «организаторами жизни».

По типу внутрикомплексных соединений построены молекулы многих ферментов. Ферменты принимают участие в процессах обмена веществ между организмом и внешней средой. Детальное изучение структуры, свойств и продуктов реакции полностью подтвердило белковый характер ферментов. Различие в структуре ферментов проявляется в том, что одни из них принадлежат к простым белкам и состоят из остатков аминокислот, а другие - к сложным, состоящим из белковой части, называемой апоферментом, и относительно низкомолекулярной небелковой части, называемой коферментом Последний, как правило, является органическим соединением. Это витамины, фосфорные эфиры витаминов, аминокислоты, углеводы, жирные кислоты, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты и другие соединения.

Апофермент с коферментом образуют единый биокаталитический комплекс. В качестве лигандов в комплекс входят органические соединения, которые называются биолигандами. Комплексообразующую способность последних   можно   объяснить   наличием   в   их   молекулах   разного   типа функциональных групп. Например, нуклеиновые кислоты имеют в своем составе карбоксильные ( - СООН) и амино- ( - NH2) группы. Связь между белковой и небелковой частями в сложных ферментах может быть разной прочности. В тех случаях, когда небелковая часть фермента прочно связана с ферментным белком, она представляет собой простетическую (небелковую) группу. Если небелковая часть фермента (кофермент) непрочно связана с ферментным белком, т.е. находится в свободном диссоциированном состоянии и соединяется с ним только в период каталитической реакции, то она является типичным коферментом.

Несмотря на то, что кофермент может соединяться с разными белками, как правило, контактирует с субстратом и служит в качестве переносчика электронов, атомов и групп атомов, например атомов водорода, аминогрупп, метильных групп и др., специфичность действия сложного фермента определяется апоферментом.

Кофакторами ферментов могут быть и ионы металлов, которые играют роль комплексообразователей в биологических комплексах. Металлосодержащие комплексы называются металлоферментами. Они составляют  1/4 от всех известных ферментов и принимают самое активное участие в обменных процессах, протекающих в организме человека. Уникальное значение металлоферментов для жизнедеятельности человеческого организма явствует уже из того, что сложные молекулы гемоглобина (Mr =67000) осуществляют перенос диатомного кислорода от легких и тканям. Гемоглобин содержит в своем составе так называемые простетические (небелковые) группы, комплексообразователем являются ионы железа (рис. I)

Известны и другие биологические комплексы металлов, построенные по типу внутри комплексных соединений, в которых роль комплексообразователей играют чаще всего ионы железа, кобальта, цинка, молибдена, меди, марганца и других. В качестве примера может служить кобальтопорфириновый (комплексообразователь — ионы кобальта (Со2+) комплекс. Он составляет главную часть молекулы витамина В12.

Металлоорганические комплексы принимают самое активное участие в обменных процессах человека. Следует отметить, что некоторые металлокомплексные соединения используют в медицинской практике в качестве лекарственных препаратов. Так, исследования показали, что при лечении гипохромных анемий комбинированное применение комплексных соединений меди и железа весьма эффективно, интенсивно увеличивается процент гемоглобина в крови, количество эритроцитов, нормализуется содержание микроэлементов.

Участие химических элементов (ионов металлов) в физиологических процессах может осуществляться следующими путями:

1)  ион   атома   металла   входит   в   структуру   фермента   в   качестве комплексообразователя (металл — активатор);

2)  элемент является связывающим звеном между системами фермент -субстрат.

В первом случае, когда ионы металлов выполняют роль активатора, ферменты могут катализировать и без металла. Металл способствует формированию каталитически активной конформации структуры апофермента. Стабилизация возможна путем образования солевых мостиков между ионом металла и белковой частью фермента. Например, ионы кальция стабилизируют а - амилазу. Во втором случае ферменты без ионов металлов неактивны. Это объясняется следующим. Ион металла является электрофильной группой активного центра, поэтому он способен взаимодействовать с отрицательно заряженными группами субстрата. Такой металло-субстратный комплекс лете атакуется ферментом. Например, ионы магния   (Mg2+)   образуют   комплекс   с   аденозинтрифосфатом   (АТФ).   В результате   этого  активность   фермента  проявляется   в   полной  мере,   а  в отсутствии металлов ферменты либо малоактивны, либо неактивны.

Влияние химических элементов на обменные процессы может быть специфическое или неспецифическое. Примеры специфического влияния; взаимосвязь между обменом цинка в тканях поджелудочной железы и продукцией инсулина; влияние марганца на железы внутренней секреции; влияние йода на функцию щитовидной железы и т.д. Неспецифическое влияние, например процессы размножения, характерно для таких микроэлементов: медь, молибден, бериллий, калий и др. Специфичность ферментативной активности зависит от того, какой из металлов (Fe, Zn, Co, Mo, Cu, Mn) выполняет роль комплексообразователя в сходных по структуре белковых молекулах. Большая специфичность ферментов проявляется ещё и в том, что они действуют только па определенные оптические изомеры Так, физиологическое действие, свойственное L - изомеру какого-либо оптически активного вещества, почти всегда является более выраженным, чем соответствующее действие D - изомера. Поэтому в метаболизме участвуют природные белки, состоящие только из L — аминокислот. Если в организм вводить белки, синтезированные из D — аминокислот, то нормальный обмен веществ будет нарушен. Специфичность ферментов проявляются также в том, что они, действуя на молекулу одного и того же вещества, расщепляют её на продукты различной сложности. Так, например, пепсин расщепляет белки до пептонов (крупные обломки белковой молекулы), а трипсин - до полипептидов (более мелких продуктов распада белка) и отдельных аминокислот.

Специфичность катализа определяет металл, соединяющийся непосредственно с белковой частью фермента (с молекулой или частью молекулы), химическая реакция при этом протекает активнее. Примером может служить разложение солями железа перекиси водорода. Более активно этот процесс протекает под действием железосодержащего фермента. Активность железу возрастает в 1010  раз, когда оно входит в геминовый комплекс. Декарбоксилирование оксалоацетата катализируется многими ионами металлов, в том числе и марганцем. При наличии комплексных соединений с марганцем этот процесс идет гораздо быстрее. Таких примеров существует великое множество. Объясняется это тем, что ионы металла, связанные с протеином, действуют эффективнее на перенос электронов. Активность микроэлементов возрастает при этом в сотни тысяч, а иногда даже в миллион раз по сравнению с их ионным состоянием. В биологических объектах возможно замещение иона одного металла (комплексообразователя) ионом другого металла. Это возможно в том случае, если последний имеет сходное электронное строение, энергию гидратации, координационные числа, близкие размеры радиусов и т.д. Например, ионы цинка (Zn3+)(R иона 0,083 нм, координационные числа 4,6) замещаются ионами кобальта (Со2+) (R иона 0,082 нм, координационные числа 4,6). Такая замена возможна во многих ферментах. При этом активность ферментов повышается. Это объясняется тем, что стабильность комплекса фермента с разными металлами  различна. Как указывалось выше, особое место среди комплексных соединений занимают внутрикомплексные (хелатные) соединения. По тину этих соединении достроены многочисленные металлопротеины, белковая часть которых прочно связана с ионами металлов Их значение для жизнедеятельности человека, животных и растений столь велико, что они стали     предметом,         особой     науки,     выделившейся     из     биохимии, бионеорганической химии. Последняя возникла на стыке неорганической химии, биологии и медицины. Основоположниками этой науки являются В.И. Вернадский, П. Пфейффер, Л.А. Чугаев. Одной из основных задач бионеорганической химии является изучение протекающих в организме физиологических процессов с участием комплексных соединений на молекулярном уровне. Исследования, проведенные указанными учеными. позволили установить природу химических связей между металлами и органическими соединениями в биологических системах, что явилось шагом вперед в исследованиях действия металлов в ферментных реакциях Фактором, влияющим на стабильность и активность металлокомплексов, являются свойства связывающего металла. Наряду с вышеизложенным бионеорганическая химия изучает роль химических элементов в возникновении и развитии различных физиологических и патологических процессов, как в здоровом, так, и в больном организме. Она связывает традиционные области неорганической, биологической, клинической химии, медицины и науки о питании.