Неорганическая химия - А. Дроздов

Из элементов VIIB-группы только марганец является биогенным элементом и одним из десяти «металлов жизни», необходимых для нормального протекания про–цессов в живых организмах.

В теле взрослого человека содержится 12 мг. Мар–ганец концентрируется в костях (43%), остальное – в мягких тканях, в том числе и в мозге.

В организме марганец образует металлокомплексы с белками, нуклеиновыми кислотами, АТФ, АДФ, от–дельными аминокислотами. Содержат марганец ме-таллоферменты аргиназа, холинэстераза, фосфоглю-комутаза, пируваткарбоксилаза.

Связывание аммиака – токсичного продукта превра–щения аминокислот в организме млекопитающих – осуществляется через аминокислоту аргинин. Аргина–за – фермент, катализирующий в печени гидролиз аргинина. В результате аргинин расщепляется на мо–чевину и циклическую аминокислоту орнитин.

Мочевина – нетоксичное, растворимое в воде ве–щество. Оно потоком крови доставляется в почки и выво–дится с мочой.

Атомный радиус марганца 128 пм. Это объясняет то обстоятельство, что марганец может замещать маг–ний (атомный радиус 160 пм) в его соединении с АТФ, существенно влияя на перенос энергии в организме.

Ионы Mg и Mn осуществляют также активацию фер–ментов – нуклеаз. Эти ферменты катализируют в две–надцатиперстной кишке гидролиз нуклеиновых кислот ДНК и РНК. В результате эти биополимеры расщеп–ляются на мономерные единицы – нуклеотиды. В част–ности, такой нуклеазой является дезоксирибонуклеаза, которая катализирует гидролиз ДНК только в присутствии Mg2+ или Мп2+.

Марганец может входить и в состав неорганических соединений организма. Это, например, малораство–римый пирофосфат марганца-магния MnMgP2O7. Кристаллы этой соли локализуются на внутренней по–верхности мембраны везикул.

Почти одинаковое значение атомного радиуса мар–ганца и железа объясняет способность марганца за–мещать железо в порфириновом комплексе эритро–цита. По той же причине марганец может замещать и цинк в цинкзависимых ферментах, изменяя при этом их каталитические свойства.

Перманганат калия КМпО4 – наиболее известное соединение марганца, применяемое в медицине. Ис–пользуют водные растворы с содержанием КМпО4 0,01—5%. В качестве кровоостанавливающего средст–ва применяют 5%-ный раствор. Растворы перманганата калия обладают антисептическими свойствами, кото–рые определяются его высокой окислительной способ–ностью.

Из других соединений марганца следует отметить сульфата марганца (II) и хлорид марганца (II), которые используют при лечении малокровия.

О наличии технеция в живых организмах данных нет. Однако соединения технеция с бисфосфонатами ис–пользуют для радиоизотопного метода диагностики.

41. Биологическая роль соединений железа. Гемоглобин

Железо – биогенный элемент, содержится в тканях животных и растений. Общая масса железа в организ–ме взрослого человека примерно 5 г, что составляет 0,007%. Металлическое железо малотоксично, а сое–динения Fe (II), Fe (III) и Fe (VI) в больших количествах опасны для здоровья.

Миоглобин, цитохромы, каталаза обеспечивают клеточное дыхание.

Все эти белки состоят из собственно белковых частей и связанных с ними активных центров. Активный центр представляет собой макроциклическое комплексное соединение – гем. В качестве макроциклического ли-ганда выступает соединение – порфирин. Донорные атомы азота расположены по углам квадрата, в центре которого расположен ион Fe. В целом комплекс имеет октаэдрическую конфигурацию. Пятая орбиталь через азот аминокислоты (гистидина) используется для связи гема с белком.

Гемоглобин состоит из 4 белковых молекул (субъеди–ниц), которые образуют единый макромолекулярный агрегат. Каждая субъединица по строению аналогична молекуле миоглобина. Таким образом, гемоглобин может одновременно связывать четыре молекулы О2 , а миоглобин – 1.

В тканях имеется также несколько негемовых желе–зосодержащих белковых комплексов. Это, например, ферменты – оксидазы, а также белки – накопители (депо) и переносчики железа. Избыток железа перено–сится с кровью белком трансферрином и накапливает–ся в виде белка ферритина в различных тканях и орга–нах, особенно в печени, селезенке, костном мозге.

Ферритин состоит из 24 белковых молекул (субъ–единиц), которые образуют сферу диаметром 12—14 нм. Каждая субъединица содержит полость диа–метром 7 нм, вмещающую до 4500 атомов железа. Та–ким образом, каждый агрегат ферритина может хранить запас примерно 100 000 атомов железа, обеспечивая многочисленные реакции метаболизма с участием это–го элемента.

На основе законов химического равновесия нетруд–но понять функционирование гемоглобина как пере–носчика кислорода от легких к тканям.

Гемоглобин без кислорода (дезоксигемоглобин) представляет собой слабую кислоту и его химическую формулу можно представить в виде HHb+. Присоедине–ние кислорода сопровождается отщеплением протона и образуется оксигемоглобин HbO2- . При этом имеет место равновесие:

HHb+ + O2 → HbO2 + Н+.

При поступлении бедной кислородом венозной крови в легкие, где парциальное давление кислорода велико (до 20 кПа), его растворимость возрастает согласно за–кону Генри. Это приводит в соответствии с принципом Ле Шателье к смещению равновесия вправо и образо–ванию оксигемоглобина. Дополнительное смещение равновесия вправо обусловлено тем, что в легких зна–чение рН повышено (до 7,5). В результате в легких дезоксигемоглобин практически полностью (до 97%) на–сыщается кислородом и переходит в оксигемоглобин. В капиллярах, пронизывающих периферические ткани, парциальное давление кислорода снижается до 5 кПа, а значение рН снижается до 7,2. В результате равнове–сие смещается влево. В оттекающей с периферии кро–ви гемоглобин насыщен кислородом лишь на 65%.

42. Биологическая роль соединений железа. Моноксид углерода СО.

Металлокомплексные свойства гемсодержащих бел–ков проявляются при действии таких токсических ве–ществ, как СО (угарный газ) и MCN (цианиды – соли синильной кислоты).

Наиболее важными с физиологической точки зре–ния являются железосодержащие белки: гемоглобин, миоглобин, цитохромы, пероксидазы, каталаза. Гемо–глобин – главная составная часть эритроцитов, обес–печивает внешнее дыхание, являясь переносчиком кислорода от легких к тканям.

Железо Fe и кобальт Со – необходимые микроэле–менты живых организмов.

Моноксид углерода СО – один из продуктов непол–ного сгорания топлива. Значительные количества этого газа выделяются при работе котельных, двига–телей внутреннего сгорания, курении. При вдыхании СО с воздухом в легких параллельно с оксигемогло-бином HbO2 образуется металлокомплексное соеди–нение – карбонилгемоглобин HbCO. Константа устой–чивости HbCO примерно в 200 раз больше, чем у HbO2 –. Поэтому даже малые количества СО «перехватывают» значительную долю дезоксигемоглобина, в результате поступление кислорода к органам уменьшается. По–являются признаки гипоксии – кислородной недоста–точности. В первую очередь страдают нервные ткани. Для детоксикации (устранения отравляющего дей–ствия) моноксида углерода во многих случаях доста–точно прекратить его поступление и усилить кислород–ную вентиляцию – вывести пострадавшего на свежий воздух. При этом опять работает принцип Ле Шателье – равновесие смещается в сторону образования оксиге-моглобина.

При больших концентрациях моноксид угле–рода блокирует гемсодержащие белки клеточ–ного дыхания, и трудно избежать летального исхода.

Аналогичен механизм действия цианидов, но их ток–сичность выше, чем у СО. Поступление в кровь даже очень небольших количеств этих веществ приводит к остановке дыхания и летальному исходу. Высокая ток–сичность цианидов объясняется высокой прочностью связи Fe—CN—, что обусловливает большую устойчи–вость цианидгемоглобина.

Кислородное дыхание приводит к образованию пероксида водорода H2O2 . Это вещество обладает высо–кой окислительной способностью. При его взаимо–действии с биоорганическими соединениями клеток образуются радикалы – очень активные молекуляр–ные частицы с ненасыщенной валентностью, и иниции–руется пероксидное окисление. Под действием ради–калов разрушаются важнейшие составные части клетки – мембраны и ДНК. В ходе биологической эво–люции природа выработала особый белок – фермент каталазу, которая разрушает пероксид водорода. Тем самым ограничивается избыточное накопление этого вещества, и предотвращается разрушение клетки.

Действие каталазы (CatFe2+ ) может быть предста–влено в виде каталитического цикла из двух последо–вательных реакций:

CatFe2+ + Н2O2 – CatFe2+ × Н2O2 ,

CatFe2+ × Н2O2 + Н2O2 → CatFe2+ + 2Н2O2 + O2 .