Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

кажем, что определенные полиеновые соединения, имеющие транс-олефиновые связи в 1,5-положениях и обладающие эффективными инициаторными и терминаторными функции, можно заставить участвовать в реакциях стереоспецифи-Ьской, неферментативной катионной циклизации. Они образуют рлициклические физиологически активные продукты, имеющие Тько гранс-конфигурацию [208, 209].

[Механизм биомиметических реакций циклизации и их фермен-Ёшных аналогов пока еще неясен, но подавляющее большинство данных говорит в пользу синхронного процесса, а не ступенчатого Изучение таких неферментативных систем, моделирую-¦шх биосинтез стеринов, имеет фундаментальное значение, так как оно помогло бы яснее представить процессы, которые, воз-эжно, действуют со времен возникновения жизни на Земле.

Глава 6 ИОНЫ МЕТАЛЛОВ

Самое ценное то, что еще сокрыто.

Паскс1Ль

В этой главе будут изложены основные представления о функционировании биологических систем с участием ионов металлов. Хотя N, S, О, Р, С и Н — это основные элементы, участвующие в формировании строительных блоков биологических соединений, живым организмам необходимы также некоторые ноны металлов. Далее мы увидим, что взаимодействия ионов металлов с молекулами природных соединений имеют, как правило, координационную природу, и в первую очередь роль ионов состоит в поддержании нейтральности зарядов. Кроме того, эти ионы нередко участвуют в каталитических процессах. Таким образом, предмет обсуждения данной главы находится на грани органической н неорганической химии.

6.1. Ионы металлов в белках и других природных соединениях

Многие ионы металлов необходимы клеткам живых организмов. Это Na, К, Mg, Са, Мп, Fe, Со, Си, Mo, Zn. Они составляют ~3% массы человеческого тела. Na(I), К(1) и Са(П) особенно важны как участники так называемого «ионного насоса», который сопровождается активным транспортом метаболитов и энергетическими процессами. Другие металлы, такие, как Zn(II) и Со(II), обнаружены в различных металлоферментах, где они координируются с аминокислотами и ускоряют реакции, происходящие в активном центре [214]. Они выступают как сверхкислотные катализаторы, оказывающие прямое или матричное действие. В то же время ионы Fe(II) и Си (II) предпочтительно связываются с простетическими группами порфиринового типа и участвуют во многих системах электронного переноса.

Такие элементы, как Hg, Cd и As,— сильные хелатирующие агенты тиольных групп и, следовательно, эффективные ингибиторы ферментов. Токсичные металлы отличаются от органических ядов тем, что они не-могут быть превращены в безвредные метаболиты. Например, чрезвычайно ядовитый газ люизит, представляющий собой органическое соединение мышьяка, может воздействовать на легкие, кожу или другие органы [214]. За последние 30 лет создание специфических конкурентных хелатирую-

Ионы металлов

343

люизит

сн2—сн—сн2 sh sh он

BAL

г.З-иимдркапто-- гфоп.а.нол-1

Агентов обеспечило значительные успехи лечения большин-типов отравления тяжелыми металлами. Одно из таких про-^ядий в случае отравления мышьяком — 2,3-димеркаптопропа-Т, предложенный вс мя второй мировой вой- ,Ci Р. Петерсом. ЭДТА и Cl—СН=СН—As^ §торые его аналоги так- d Тцмеют большое значе-е: они используются для ¦введения, например, плутония из организмов жертв •адиоактивного облучения.

¦ Есть надежда, что разработка новых хелатирующих агентов ща основе более четкого понимания роли и механизма действия Внов металлов в биосистемах приведет к созданию в ближайшем вудущем гораздо более селективных и эффективных агентов для Осуществления терапевтического контроля присутствия ионов ме-Жллов, как токсичных, так и необходимых организму [215, 216].

За последние годы наблюдается быстрое развитие представлений о механизме функционирования металлоферментов, а именно: удалось установить место и последовательность протекания реакций в активном центре, а также найти «ключи» к пониманию некоторых механизмов. Важное место занимает гидролиз (или гидратация) субстратов карбонильного и фосфорильного яша, таких, как СОг, эфиры карбоновых кислот, эфиры и ангидриды фосфорной кислоты и пептиды. По-видимому, не вызывает удивления тот факт, что для функционирования большинства та-¦их систем требуется ион двухвалентного металла. Гораздо удивительнее то, что такими ионами обычно оказываются Zn(II) или Mg(II) (в ферментах действующих на ДНК, РНК, сАМР или cGMP). Так, например, цинк по своему содержанию в организмах млекопитающих (в организме человека 2,4 г на 70 кг) уступает лишь железу (5,4 г на 70 кг), и большая часть его необходима для функционирования ферментов [215].

К Ионы цннка играют важную роль в различных биологических процессах, Например служат в качестве стабилизаторов инсулина — гормона, который обеспечивает перенос глюкозы в клетку. Они являются также жизненно важными Компонентами сперматозоидов; их присутствие способствует заживлению ран и Переработке белковой пищи в кишечнике. Ионы цинка участвуют также в одной Из ключевых реакций зрительных органов.

6.2. Карбоксипептидаза А и роль цинка

I Ферменты, гидролизующие амидные и эфирные связи, можно Разделить на три класса: 1) требующие для каталитической активности наличия тиольной группы, такие, как папаин, фицин и Другие растительные ферменты, 2) ингибируемые диизопропил-Фторфосфатом (ДФФ), такие, как a-химотрипсин, трипсин,

344

Глава 6

субтилизин, холинэстераза и тромбин, 3) такие, для каталитической активности которых необходим ион металла. Этот последний класс включает дипептидазы и экзопептидазы, такие, как карбоксипептидаза и лейцинаминопептидаза. Ион металла участвует в стабилизации тетраэдрического промежуточного соединения (разд. 4.4.1).

Другой важный фермент — карбоангидраза, катализирующая превращение диоксида углерода в бикарбонат-ион. Это цинкзави-симый фермент, необходимый для проникновения С02 в кровь

С02 + Н2О ^zt НСО^ + Н®

и последующего освобождения его в легких. По-видимому, координированный гидроксильный ион действует как нуклеофил при гл гидратации С02, и предполагается, что подоб-

О=С=0 ная структуре льда упорядоченная структура

^- воды в активном центре способствует иониза-

ОН ции [217].

^п Рентгеноструктурные исследования карбо-

/ % ангидразы свидетельствуют о том, что активный

/ I % центр состоит из трех имидазольных лигандов,

His-93 His-95 которые искажают тетраэдрическую координа-His-117 цию иона Zn(II). Среди предложенных молеку-

Zn связан с тремя лярных моделей следует отметить аналогичную гистидиновыми ос- геометрию для производного трис-(имидазолил)-татками метана. Бреслоу и сотр. [218] синтезировали

трис[4(5-имидазолил] карбинол (4-ТИК) и трис [2-имидазолил] карбинол (2-ТИК) в качестве моделей цинк-связывающего центра в карбоангидразе и щелочной фосфатазе.

у\ \ /=N N=\

Отсон ""n^xV™

J3 НО СООН

4-ТИК 4-БИГ

Аналогично бис[4 (5)-имидазолил] гликолевая кислота (4-БИГ) была синтезирована для имитации цинксвязывающего центра карбоксипептидаз и термолизина.

Сравнение различных моделей ясно показало, что 4-ТИК ведет М2+ себя как тридентатный лиганд, способный ис-пользовать все три имидазольных кольца для NH координации Zn(II), Со(II) или Ni(II).

Однако комплекс Со с 4-ТИК или 4-БИГ в N р$"Хщ водном растворе, не содержащем основания, от-личается по окраске от комплекса тетракоорди-

ОН Комплекс металла с 4-ТИК (М — ионы Zn, Со или Ni),

Ионы металлов

345

1нированного Со(П) [например, карбоангидразный или карбокси-|пептидазный комплекс Со(II)], для которого характерна голубая экраска. Размер модельных молекул, по-видимому, настолько мал, по более предпочтительно образование октаэдрических комплексов. Следовательно, спектроскопические исследования и данные |по связыванию позволяют предполагать, что геометрия 4-ТИК не (совсем удачна для моделирования карбоангидразы. Можно надеяться, что какой-нибудь больший по размеру лиганд, похожий на U-ТИК, будет лучше моделировать спектроскопическое поведение рарбоангидразы и ее необыкновенное сродство к Zn(II).

к В этой главе остальное обсуждение посвящено карбоксипеп-гидазе А. Это цинкзависимый фермент, который катализирует гидролиз С-концевых аминокислотных остатков пептидов и белков, также гидролиз соответствующих эфиров; М = 34 600. Кар-зоксипсптидаза А обладает специфичностью к ароматическим аминокислотам в ь-конфигурации. Карбоксипептидаза А относится тем ферментам, для которых большая часть подробных сведений 1структуре получена с помощью рентгеноструктурного анализа [[219]. Единственный атом цинка расположен почти в центре модемы и координируется с His-69, Glu-72, His-196 и молекулой воды. |Рентгеноструктурный анализ также проведен в присутствии связанного с активным центром субстрата Gly-Tyr. Основные особенности способа связывания заключаются в том, что С-концевая [карбоксильная группа субстрата взаимодействует электростатически с гуанидиновой группой Arg-145. Карбонильный кислород 1амидной связи субстрата вытесняет молекулу воды, координированную Zn(II). Кроме того, существует электростатическое взаи-[модействие между NH3- концевой группой субстрата и Glu-245. Шри добавлении субстрата наиболее важно перемещение Туг-248 'на ~1,2 нм со своего первоначального положения, в результате 'чего расстояние между ОН фенола и NH расщепляемой пептидной |связи станет на ~0,3 нм меньше. Это указывает на эффект инду-щированного соответствия при образовании ферментсубстратного комплекса (концепция предложена Кошландом).

Р H2NV

N—Cr-СН,—NH

®?С—NH—Arg-145

4N=fk/~ His-69 ^Г248 Glu-72

His-196

% ?

-eOOC—GIu-245

ooc # /=

XGlu-270

M

346

Глава 6

Наконец, карбоксильная группа Glu-270, по-видимому, участвует в катализе, действуя как нуклеофил, образующий ангидридное промежуточное соединение:

к2

Cnh-ch^ \,

—Zn2ti»niO=C COO9 / i

У 11 - 'COO9

coo9 —» Y +h2n-ch^

c=o

"^Glu-270 __/

ангийрибное промежуточное соебинение

2h20 или пептиЭ (ресинтез)

^Zn2*»iiOH2 + R,—СООе + СООе mTJjGIu-270

Приведенный выше механизм вк

страница 58
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (8.62Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(30.05.2017)