Чикенубургер. Реферат. Агаларов, 118 гр. Попытка 1. Представления о строении металлоферментов и других биокомплексных соединений (гемоглобин, цитохромы, кобаламины). Физикохимические принципы транспорта кислорода гемоглобином
 Скачать 72.5 Kb.
|
|
Федеральное Государственное Бюджетное Общеобразовательное Учреждение Высшего Образования «Самарский Государственный Медицинский Университет» Министерства Здравоохранения Российской Федерации Кафедра общей, бионеорганической и биоорганической химии Реферат: «Представления о строении металлоферментов и других биокомплексных соединений (гемоглобин, цитохромы, кобаламины). Физико-химические принципы транспорта кислорода гемоглобином» Выполнил: Студент группы № 118 1 курса лечебного факультета Агаларов Султан Ясинович Проверила: Преподаватель кафедры: к.п.н, доцент Гаранина Резеда Мухараммовна Самара 2020 План реферата: Введение 2 Комплексные соединения. Координационная теория А. Вернера 4 Константа устойчивости. Константа нестойкости комплекса 5 Представления о строении гемоглобина 6 Представление о строении цитохромов 8 Представления о строении кобаламинов……………………….……………… 9 Физико-химические принципы транспорта кислорода гемоглобином………...……11 Заключение …………………………………………………….………………...12 Список приложений..........………………………………………………………13 Список литературы………………………………………………………………15 Введение Роль комплексных соединений в жизнедеятельности живых организмов без преувеличения огромна. Организм представляет собой систему, которая состоит из множества лигандов и комплексообразователей, в определенном соотношении между друг другом. Нарушение баланса компонентов металло-лигандного гомеостаза приводит к развитию различных патологических состояний, поэтому изучение процессов взаимодействия «металл–лиганд» является важнейшем звеном в процессе поиска новых лекарственных средств. В процессах обмена веществ фундаментальную роль играет биокатализ, в котором принимают участие металлоферменты - биокомплексы Fe, Co, Mn, Zn. Ферменты - это биологические катализаторы белковой природы, обладающие способностью активизировать различные химические процессы, происходящие в живом организме, причём действие ферментов строго специфично. Биокомплексы различаются по устойчивости. Одни настолько прочны, что постоянно находятся в организме и выполняют определенную функцию. Примерами таких соединений являетс витамин В12, гемоглобин и некоторые металлоферменты (специфические ферменты). Роль металлов таких комплексов высокоспецифична: замена его даже на близкий по свойствам элемент приводит к значительной или полной утрате физиологической активности. Ферменты, синтезируемые на период выполнения определенной функции, в которой ион металла выполняет роль активатора и может быть заменен ионом другого металла без потери физиологической активности, относят к неспецифичным ферментам. В настоящее время известно и изучено около 700 различных ферментов, 25% которых составляют металлоферменты. Важнейшим классом бионеорганических комплексов металлов являются транспортные комплексы, в которых один или несколько атомов металла связаны с атомами азота, кислорода или серы, выступающие в роли лигандов. Одним из основных переносчиков ионов металлов в человеческом организме является низкомолекулярный белок металлотионеин, содержащий большое число цистеиновых фрагментов. Один моль металлотионеина способен перенести до 12 моль таких жизненно необходимых элементов, как Zn, Cu и Se. При отравлениях тяжелыми металлами (Сd, Hg, Pb, Ag, As) этот белок выполняет защитную функцию, связывая их в прочные и малотоксичные комплексы. Железосодержащий белок трансферрин выполняет преимущественно транспортные функции. Несмотря на сравнительно низкое содержание железа (2 моль ионов Fe3+ на одну молекулу белка), трансферриновые комплексы обеспечивают высокую скорость тканевого обмена данного элемента и являются важными переносчиками железа. Таким образом, изучение бионеорганических комплексов дает нам важную информацию об особенностях их метаболизма и позволяет разрабатывать эффективные способы коррекции заболеваний, связанных с недостатком (или избытком) тех или иных элементов в человеческом организме. Применение комплексных соединений в медицине и фармации связано также с их использованием в методах качественного и количественного анализа – в комплексонометрии. Широкое распространение получила комплексонометрия в медико-биологических исследованиях. Этот метод необходим для определения содержания кальция, магния и многих других микроэлементов в организме. Комплексонометрия применяется в анализе лекарственного сырья, питьевых, минеральных и сточных вод. В биологии и медицине комплексоны используются не только в аналитических целях, но и в качестве стабилизаторов при хранении крови, так как комплексоны связывают ионы металлов, катализирующих реакции окисления. Комплексоны применяются также для выведения из организма ионов токсичных металлов (Рb2+, Cd2+ , Hg2+ и др.), радиоактивных изотопов и продуктов их распада. Комплексные соединения. Координационная теория А. Вернера В 1893г швейцарский химик А. Вернер впервые описал свойства и строение комплексных соединений в рамках координационной теории, исходя из которой следует, что центральный атом (чаще в форме катиона) координирует вокруг себя определенное число анионов (молекул-лиганд). Центральный атом вместе с координированным лигандом, которую при записи формулы заключают в квадратные скобки. Пример: K3[Fe(CN)6] Комплексные соединения – это устойчивые химические соединения сложные по составу, обязательным условием которых является наличие хотя бы одной связи, возникшей по донорно-акцепторному механизму. Комплексные соединения состоят из комплексообразователя и лиганд, формирующих внутреннюю сферу и наружной сферы, которая состоит из ионов, компенсирующих заряд внутренней. Комплексообразователь – атом или ион, занимающий центральное положение в комплексном соединении являющийся акцептором электронных пар, предоставляя свободные атомные орбитали. Роль комплексообразователя в основном выполняют атомы либо ионы d-, f- металлов, т.к они имеют много свободных атомных орбиталей на валентном уровне и большой заряд ядра, позволяющий им притягивать электронные пары доноров. Число свободных орбиталей, которые предоставляет комплексообразователь, определяет координационное число, значение которого зависит от различных факторов. Наиболее характерными координационными числами являются 2,4,6 [ Приложение 1 ] Лиганды – молекулы либо ионы, являющиеся донором электронных пар в комплексном соединении. Во внутренней сфере связь комплексообразователя с лигандами имеет донорно-акцепторное происхождение и является ковалентной. В соответствии с зарядом внутренней сферы комплексные соединения подразделяют на катионные, анионные, нейтральные комплексы. Константа устойчивости, константа нестойкости комплекса Для количественной характеристики устойчивости внутренней сферы комплексного соединения используется константа, описывающая полную её диссоциацию, которая называется константой нестойкости комплекса (Кнест). К примеру для комплексного иона [Ag(NH3)2]+ константа нестойкости будет выражаться:[Ag+][NH3]2/[Ag(NH3)2+] Чем меньше константа нестойкости, тем меньше она диссоциирует, т.е тем более стабильна внутренняя сфера комплекса. Таким образом, константа нестойкости - это отношение произведений концентрации распавшихся ионов на нераспавшееся количество. Комплексные соединения подвергаются первичной и вторичной диссоциации Первичная диссоциация – распад соединения на комплексный ион внутренней сферы и ионы внешней сферы. Первичная диссоциация связана с разрывом ионной связи, из чего следует её необратимость. Её уравнение записывается следующим образом: K4[Fe(CN)6]4K++[Fe(CN6]4- Возникающий комплексный ион в растворе ведет себя как самостоятельная частица с характерными для неё свойствами Вторичная диссоциация – связана с разрывом ковалентной связи, она сильно затруднена и имеет равновесный характер, отрыв лигандов от внутренней сферы происходит ступенчато: [Ag(NH3)2]+ [Ag(NH3)]+ + NH3 [Ag(NH3)]+ Ag+ + NH3 Константа устойчивости – обратная величина Кнеуст Куст.=1/Kнеуст. В приложении 2 прикреплены константы нестойкости некоторых комплексных ионов: [Приложение 2] Представления о строении гемоглобина. Гемоглобин (Hb) (от греч. haemo – кровь и лат. globus – шар), красный железосодержащий пигмент крови человека, позвоночных и некоторых беспозвоночных животных. Он относится к сложным белкам – хромопротеидам. В организме гемоглобин выполняет транспортно-дыхательную и буферную функции. Молекулярная масса основных типов гемоглобина колеблется в пределах 64 500–68 000 Д. Молярная масса гемоглобина, растворённого в плазме, – до 3 000 000 Д. Молекулярная масса различных протомеров колеблется от 16 000 до 17 000 Д. Размер Hb – 6,8 нм; размер миоглобина – 3,6 нм. Белковая часть Hb характеризуется очень высоким содержанием остатков гистидина. Это придает ему значительную буферную емкость при рН около 7, что очень важно для той роли, которую играют эритроциты в переносе кровью дыхательных газов. Изоэлектрическая точка – 6,8. Синтез белковой части гемоглобина происходит на самой ранней стадии эритропоэза – кроветворения. Синтез гема и соединение его с глобином, т. е. образование гемоглобина, осуществляется на более поздних этапах кроветворения. По мере созревания эритроцита количество гемоглобина в нем увеличивается и достигает максимума. Будучи в лёгких в составе эритроцитов, в результате лигандообменной реакции гемоглобин присоединяет О2 вместо молекул H2O, в результате чего образуется оксигемоглобин: HHb(Fe2+)+ O2 ⇄ HHbO2(Fe2+) Пространственная структура молекулы гемоглобина в деталях изучена методом рентгеноструктурного анализа еще в конце 40-х гг. XX вв. Гемоглобин является сложным белком, представленным двумя частями: небелковая планарная часть – гем (составляет 4 % от молекулы гемоглобина) и белковая олигомерная глобула (96 % от молекулы) Гем –является тетрапиррольной ароматическая структура протопорфирина IX, в состав которого обязательно входит ион Fe2+.. Гем является простетической группой гемсодержащих белков, обеспечивающей их главные функции: связывание и транспорт кислорода, участие в цепи переноса электронов, восстановление кислорода до воды, микросомальное окисление, разложение перекисей и др. Присутствие иона Fe2+ и ароматическая природа тетрапиррольного ядра обеспечивают интенсивную окраску гема, что позволяет относить гемсодержащие белки к классу хромопротеидов. В состав порфиринового ядра гема входит ион Fe2+ . Именно ион Fe2+ ,а не Fe3+ , может связываться с кислородом. Свободные ионы Fe2+ спонтанно окисляются до Fe3+ , поэтому неорганическое железо не может быть хорошим переносчиком кислорода. Fe2+ в составе гема (без глобина) может связывать кислород, но и оно быстро окисляется, образуя гематин. Поэтому (а также в силу плохой растворимости в воде) свободный гем тоже не способен к транспорту кислорода. Глобин – белковый компонент гемоглобина – принадлежит к группе гистонов. Число аминокисло в полипептидной цепи разных типов колеблется в диапазоне от 140 до 150, причем чаще встречаются числа 141, 146, 153. В состав протомеров гемоглобина человека входит либо 141 (ά-цепь), либо 146 (β-, γ-, δ-цепи) аминокислотных остатков. Вторичная структура гемоглобинов представлена ά-спиралью. Полипептидные цепи в гемоглобиновой молекуле более чем на 70 % представлены скрученными в спирали, фрагменты которых разделены участками, образующими изгибы вторичной цепи. В результате такой укладки образуются третичные глобулы овоидной формы Число спирализованных участков различно у разных цепей Hb. ά-Цепь имеет 7 таких доменов, а β-цепь – 8. Спирализованные фрагменты гемоглобина обозначают латинскими буквами, начиная с N-конца полипептидной цепи (например, в ά-субъединице: A, B, C, D, E, F, H). Пространственная компоновка третичной структуры субъединиц гемоглобина соответствует принципам третичной укладки большинства глобулярных белков: максимальная компактность, гидрофобные аминокислотные радикалы расположены внутри глобулы, большинство гидрофильных аминокислотных остатков располагаются на поверхности протомера. Физиологической формой четвертичной структуры гемоглобинов человека является тетрамерная. Представления о строении цитохромов Цитохромы – ферменты класса оксидоредуктаз, содержащие в качестве комплексообразователя катион железа, либо меди, а в качестве лиганда – 4-х дентатный порфирин и белок. Такой состав обеспечивает уникальную биологическую функцию комплекса – перенос электрона за счёт обратимого изменения степени окисления комплексообразователя: Fe3+ + e- ⇄ Fe2+ Цитохромы обеспечивают работу электронотранспортных цепей при окислительном фосфорилировании, работе важнейшего фермента цитохрома Р-450 Определены первичные структуры и пространственная организация многих цитохромов наиб. хорошо изучены свойства цитохрома с. В зависимости от природы гема цитохромы делят на 4 группы, обозначаемые буквами а, b, с и Все цитохромы ярко окрашены и имеют характерные спектры поглощения света в видимой области, меняющиеся при их окислении или восстановлении. Донорами электронов для цитохромов обычно служат флавины, гидрохиноны, железо-серные белки или другие цитохромы; акцепторами - другие цитохромы или кислород (цитохромоксидазы). Нек-рые цитохромы (цитохромоксидаза, цитохром Р-450) прочно связаны с мембранами митохондрий, микросом (липопротеидные комплексы) и не растворимы в воде, другие (цитохром с) растворяются в ней. Представления о строении кобаламинов Кобаламины . (Витамины B12) называют группу кобальтсодержащих биологически активных веществ, называемых кобаламинами. К ним относят собственно цианокобаламин, гидроксикобаламин и две коферментные формы витамина B12: метилкобаламин и 5-дезоксиаденозилкобаламин. Иногда в более узком смысле витамином B12 называют цианокобаламин, так как именно в этой форме в организм человека поступает основное количество витамина B12, не упуская из вида то, что он не синоним с B12, и несколько других соединений также обладают B12-витаминной активностью Витамин B12 также называется внешним фактором Касла. Цианокобаламин имеет самую сложную по сравнению с другими витаминами химическую структуру, основой которой является корриновое кольцо. Коррин во многом похож на порфирин (сложная химическая структура, входящая в состав гема, хлорофилла ицитохромов), но отличается от порфирина тем, что два пиррольных цикла в составе коррина соединены между собой непосредственно, а не метиленовым мостиком. В центре корриновой структуры располагается ион кобальта. Четыре координационных связи кобальт образует с атомами азота. Ещё одна координационная связь соединяет кобальт сдиметилбензимидазольным нуклеотидом. Последняя, шестая координационная связь кобальта остаётся свободной: именно по этой связи и присоединяется цианогруппа, гидроксильная группа, метильный или 5'-дезоксиаденозильный остаток с образованием четырёх вариантов витамина B12, соответственно. Ковалентная связь углерод-кобальт в структуре цианокобаламина — единственный известный в живой природе пример ковалентной связи переходный металл-углерод. Ковалентная связь C—Co кофермента B12 участвует в двух типах ферментативных реакций: Реакции переноса атомов, при которых атом водорода переносится непосредственно с одной группы на другую, при этом замещение происходит по алкильной группе, спиртовому атому кислорода или аминогруппе. Реакции переноса метильной группы (—CH3) между двумя молекулами. В организме человека есть только два фермента с коферментом B12: Метилмалонил-КоА-мутаза, фермент, использующий в качестве кофактора аденозилкобаламин и при помощи реакции, упомянутой выше в п. 1, катализирует перестановку атомов в углеродном скелете. В результате реакции из L-метилмалонил-КоА получается сукцинил-КоА. Эта реакция является важным звеном в цепи реакций биологического окисления белков и жиров. 5-метилтетрагидрофолат-гомоцистеин-метилтрансфераза, фермент из группы метилтрансфераз, использующий в качестве кофактора метилкобаламин и при помощи реакции, упомянутой выше в п. 2, катализирует превращение аминокислоты гомоцистеина в аминокислоту метионин. Химическое строение цианокобаламина: [Приложение 3] Физико-химические принципы транспорта кислорода гемоглобином Гемоглобин – главный и самый распространенный белок эритроцитов: на его долю приходится 90 % всего белка. Гемоглобин составляет 35 % от общей массы эритроцита. Подсчитано, что в одном эритроците содержится около 340 000 000 молекул гемоглобина, каждая из которых состоит примерно из 103 атомов. Ежедневная средняя потребность человека в газообразном кислороде составляет около 600 л. Средние суточные потребности взрослого мужчины в кислороде в состоянии полного покоя составляют примерно 375 л чистого кислорода (такое количество О2 (н. у.) содержится в 1 900 л воздуха). У тренированного спортсмена во время соревнований скорость потребления кислорода превышает уровень покоя иногда в 10 раз (Приложение 4). Объем циркулирующей крови составляет в среднем 70 мл/кг массы тела, а число циркулирующих эритроцитов – 350 ⋅ 109 /кг . В артериальной крови практически весь гемоглобин (95–98 %) связан с кислородом, т. е. находится в оксигенированной форме, а в венозной крови содержание оксигемоглобина составляет 67–75 %, остальная часть приходится на долю свободного гемоглобина. Каждая единица гемоглобина содержит один гем и, следовательно, один активный связывающий лигандный центр Присоединение O2 обеспечивается содержанием в геме атома Fe2+ . Эта реакция обратима и зависит от парциального давления O2. В капиллярах лёгких, где напряжение O2 около 100 мм рт. ст., гемоглобин соединяется с O2, превращаясь в оксигенированный гемоглобин – оксигемоглобин. В капиллярах тканей, где напряжение O2 значительно ниже (около 40 мм рт. ст.), происходит диссоциация оксигемоглобина на гемоглобин и O2; последний поступает в клетки органов и тканей, где парциальное давление O2 ещё ниже (5–20 мм рт. cт.); в глубине клеток оно падает практически до нуля. Кроме транспорта О2 к тканям, Hb осуществляет обратный транспорт главного конечного газового метаболита тканей – углекислого газа. Гемоглобин переносит значительную долю (около 20 %) общего углекислого газа и катионов водорода. Примерно 15–20 % углекислого газа и ионов Н + , присутствующих в крови, переносится молекулами Hb. Гемоглобин связывает два протона на каждые четыре освободившиеся молекулы кислорода Заключение Таким образом, мы выяснили, что металлоферменты – это ферменты, содержащие в своем составе ионы металла или которые ими активируются. Это достаточно распространенная группа биологических катализаторов, в которых ионы металлов могут выполнять роль как активатора, так и кофактора, т.е молекулы-помощника. Активация ферментов металлами осуществляется разными способами, поскольку ионы металлов могут: входить в состав активного центра, облегчать связывание субстрата с активным центром, образовывая промежуточный мостик, сообщаться с субстратом, образовывая металло-субстратный комплекс, на который действует фермент. Биокаталитические реакции, что происходят в организме при участии металлоферментов, делят на окислительно-восстановительные и гидролитические.. Биокатализ играет важную роль во всех проявлениях жизни. Поэтому для повышения сопротивляемости организма, улучшения обмена веществ используют ферментные препараты. Раздел медицины, что занимается применением ферментов как лечебных препаратов, называют энзимотерапией. Ферментативные реакции имеют большое значение в производстве антибиотиков, биохимическом анализе, для определение некоторых микроэлементов и биоорганических соединений. Образована специальная отрасль биохимии, которая занимается исследованием ферментных реакций. Список приложений Приложение 1 Примеры наиболее характерных координационных чисел Приложение 2 константы нестойкости некоторых комплексных ионов Приложение 3 Химическая структура циаонокобаламина Приложение 4 Список литературы 1. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. Учебник для медицинских вузов. / Ю.А. Ершов, В.А. Поп- ков, А.С. Берлянд и др.; под ред.Ю.А.Ершова),8 изд. – М.: Высшая школа, 2010. – 560 с 2. Биометаллоорганическая химия / Под ред. Ж. Жауэна. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 494 с. 3. Блюменфельд Л. А. Гемоглобин // Соросовский образовательный журнал. – 1998. – № 4. – С. 38с 4. Стародуб Н. Ф., Назаренко В. И. Гетерогенная система гемоглобина: структура, свойства, синтез, биологическая роль. – Киев: Наук. думка, 1987. – 198 с. |