ьными группами, расположенными по одну сторону плоскости кольца. Другую сторону оставляли неэкранированной в надежде, что она будет закрыта объемистой аксиальной имидазольной группой (рис. 6.5). Несмотря на то что соединение хуже моделирует гемоглобин, чем сам протогем, оно все же предотвращает гем-гемовое сближение и образование Fe—О—О—Fe [237]. Кольман назвал эту модель «огороженным» порфирином. Он действительно обратимо связывает кислород при комнатной температуре, и образующийся дикислородный комплекс является кристаллическим. Эта модельная система обнаруживает значительную кооперативность при связывании кислорода, но только в твердом состоянии. При низком давлении 02 существует форма, обладающая низким сродством к 02, а при высоком давлении 02 возникает форма с высоким сродством к 02. Такая способность проявлять высокое сродство при высоких значениях парциального давления 02 (как в легких) и низкое сродство при низком давлении 02 (как в мышцах и других тканях) — важнейшее условие эффективного транспорта 02. В этом отношении дан-Ьая модель количественно имитирует гемоглобин [243].

При определении физических параметров связи кислород —• железо в модельном соединении обнаружено, что молекула кислорода связана с атомом же-Реза одним «концом» (модель Полинга), а не «боком», как это предполагается в Некоторых теориях (модель Гриффита). Действительно, способ связывания молекулярного кислорода в некоторых железосодержащих биологических молекулах Рставался предметом серьезных теоретических дискуссий в течение последних

Ионы металлов

371

,gO лет. И только с помощью рентгеноструктурного анализа модели Кольмана было получено доказательство предполагаемого Полингом (еще в 1948 г.!) способа связывания кислорода в гемоглобине. .

мойель Гриффита моЭелъ Полинго,

I Дольфин и сотр. [244] разработали новый подход к созданию молекулярных моделей, имитирующих обратимое связывание молекулярного кислорода гемом. Им удалось ввести рутений(II) в жезо-тетрафенилпорфириновую и октаэтилпорфириновую системы. Они обнаружили, что эти порфириновые системы образуют комплексы с двумя молекулами растворителя, но только одна 'молекула кислорода связывается с рутением (при 25°С и 1 атм, ДМФА). В полярных апротонных растворителях наблюдалось обратимое связывание СО и N2. Следовательно, эти новые системы .ведут себя аналогично соответствующим системам, содержащим е(Н), но процессы в них проходят при более приемлемых темпе-атурах.

Получены гемоглобины, содержащие цинк, марганец, медь и никель, и их свойства сопоставлены со свойствами природных железопротеинов. Однако эти искусственные системы не способны к обратимому связыванию кислорода. В то Be время кобальтзамещенные гемоглобин и миоглобин могут связывать кислород, хотя их сродство к кислороду в 10—100 раз меньше, чем у природных пере-BJc4hkob. Вообще, еще в 30-х гг. было известно, что некоторые синтезированные комплексы Со(II) обратимо связывают кислород. Кобальт — сосед железа по периодической системе элементов, и предполагалось, что оценив поведение кобальтовых комплексов, можно будет расширить понимание поведения гемоглобина и других природных переносчиков кислорода, т. е. комплексы Со (И) рассматривались как возможные модели гемоглобина и других природных переносчиков Ог Еще одна причина внимания к комплексам кобальта заключается в том, что в литературе имеются достаточно подробные термодинамические данные Вия родственных кобальтсодержащих систем.

¦ Синтезированная недавно модель кобальтзамещенного гемоглобина приведена иа схеме 6.1 [245]. Длинная боковая цепь обеспечивает координацию пиридинового кольца с центральным атомом кобальта. Комплекс Со(II) и этого так называемого «петлеобразного порфирина» обратимо реагирует с молекулярным Кислородом при низких температурах (от —30 до —60 °С), но боковая цепь лишь * незначительной степени увеличивает сродство кислорода к таким модельным ¦оединениям по сравнению с железопорфириновыми системами.

¦ Кольман и сотр. исследовали связывание кислорода с «огороженными» ко-бальтпорфириновыми комплексами .мезо-тетра- («,«,«,«,-о-пиваламидофенил) пор-

СООН

Ионы металлов

373

1иринаткобальт(П)-1-метилимидазола с 1,2-диметилимидазолом [246].

Схема 6.1. В — основание, например N-мети-лимидазол или 1,2-диметилимида-зол; В' — положение, в котором может связываться Ог.

¦^¦таересно, что эти комплексы связывают кислород с тем же самым сродством, что и кобальтзамещенные миоглобин и гемоглобин в твердом состоянии и в виде раствора в толуоле. Более сложные модели можно получить синтезом ¦Огороженных» порфиринов с другими стерически затрудненными группами.

I Несмотря на то что это и не имеет прямого отношения к транспорту железа Ж кислорода, следует упомянуть также о получении синтетических биомиметиче-Ких моделей особого парного бактериохлорофилла а [247], поскольку в процессе фотосинтеза при первичном поглощении света фотореакционными центрами молекулярных ассоциатов хлорофилла зеленых растений и фотосинтезирующих бактерий, по-видимому, происходит окисление особых парных молекул хлорофилла. Димерные производные хлорофилла, изображенные на рис. 6.6, в которых пор-фириновые макроциклы связаны простой ковалентной связью, проявляют некоторые фотохимические свойства, моделирующие in vivo особый парный хлорофилл.

JjHflH

M=ZH, Mga+

Рис. 6.6. Биомиметическая модель парного бактериохлорофилла а [247]. Вос-Впроизведено с разрешения. © 1978 by the American Chemical Society.

¦ Помимо железопорфириновых соединений существует большое число не содержащих гем белков, участвующих во многих окислительно-восстановительных процессах. Они содержат относительно Много серы и железа, и поэтому получили еще название железо-Серопротеины [248]. Эти соединения широко распространены в природе, встречаясь во всех живых организмах, и их физиологическая функция заключается скорее в переносе электронов, чем в

374

Глава 6

катализе химических превращений. Это рубредоксины, адренодо. ксины и ферредоксины.

Эти соединения — наиболее распространенные переносчики электронов в биологических системах; они прямо нли косвенно участвуют во многих метаболиче-ских реакциях, особенно в фотохимических процессах и фиксации СОг и N2 в бактериях и растениях. Первый ферредоксин был выделен и очищен из CloslrU dium pasteurianum и шпината (1962 г.). Эта нефотосинтезирующая анаэробная бактерия — одна из древнейших бактерий, существующая на Земле более 3,1 млрд. лет.

Наличие хромофорной группы Fe—S и относительно низкая молекулярная масса (~ 6 000—12 000) делают эти белки удобным объектом исследований. В то же время о механизме их действия известно немногое. Они функционируют как сильные восстанав-ливающие агенты.

Для них также характерно выделение H2S в кислых растворах (кислотола-бильная сера). По-вндимому, примитивная восстановительная атмосфера, господствовавшая на стадии появления первых органических молекул на Земле, обязана в значительной степени таким превращениям. Следовательно, исследования фер-редоксина должны способствовать пониманию происхождения жизни на Земле.

Эти железосеропротеины, способные участвовать в окислительно-восстановительных реакциях, содержат напоминающую по расположению атомов «клетку» группу атомов железа и серы, связанных с цистеиновыми остатками полипептидной цепи.

Группировка, напоминающая клетку, — предполагаемый активный центр ферред-

оксина.

Именно мостики металл — сера ответственны за биологические свойства таких центров. Сера в качестве лиганда делает состояние Fe(II) очень неустойчивым, чем объясняются сильные восстанавливающие свойства этих белков в различных биологических процессах. Такие напоминающие клетку группировки ведут себя как катализаторы одноэлектронного окисления — восстановления Fe(II)^Fe(III) (окислительно-восстановительные реакции проходят как бы внутри клетки).

В настоящее время известно лишь несколько синтетических аналогов Fe—S-кластеров, и изучение их химических свойств на-

родится пока на стадии развития. Так, Холм [249] получил ряд синтетических аналогов с целью изучения активных центров некоторых железосеропротеинов и ферментов [355].

8.5. Ионы меди

¦ Медь в состоянии окисления I и II выполняет важные биологические функции. Она, по-видимому, стабилизирует стенки некоторых кровеносных сосудов, в том числе аорты, и оболочки спинного мозга. Ионы меди участвуют в процессе выработки организмом цветных пигментов кожи, волос и глаз, а также в синтезе in vivo гемоглобина [232, 250].

Ив определенных медьсодержащих белках как, например, в ци-тохромоксидазе, медь, по-видимому, служит в основном для переноса электронов; при этом не наблюдалось взаимодействия Си—02. Тем не менее очень важно, что многие медьсодержащие белки и ферменты участвуют в реакциях, в которые так или иначе вовлечена молекула кислорода.

щ Примером служит гемоцианин — переносчик кислорода в крови некоторых •морских животных, например моллюсков и ракообразных. Оксигеннрованный гемоцианин синего цвета, и поэтому цефалоподы (крабы и устрицы) — единственные представители животного царства, обладающие в буквальном смысле слова голубой кровью. Гемоцианины — это гигантские молекулы (М > 1(f), которые могут существовать в свободном состоянии в растворе.

¦ Действие как гемоцианина, так и тирозиназы — фермента, активирующего молекулярный кислород при окислении тирозина, основано на прямом кова-лентном взаимодействии Cu(I) и Ог, в результате которого образуется аддукт молекулярного кислорода. Гриб Gyroporus cyanescens, который при прикосновении тотчас синеет, также содержит медьсодержащий белок, или, как его еще называют, «голубой», белок.

ЩВ основном известны три типа медьсодержащих центров [251]. Первый — «голубая» медь — встречается в голубых переносящих электроны белках, таких, как стеллацианин, пластоцианин и азу-рин. Спектрофотометрическое обнаружение «голубой» меди очень удобно для характеристики окружающих ее лигандов и установления типа координации. Существует также второй тип медьсодержащих центров — «неголубая» медь, не дете