Слесарев. Основы Химии живого

разования происходит очень прочное связывание ионов в водных растворах, особенно ионов комплексообразователей. Следователь­ но, для связывания ионов из раствора можно чрезвычайно эффек­ тивно использовать реакцию комплексообразования.

Особенно эффективное связывание ионов комплексообразователя происходит при реакции с полидентатными ("многозубы­ ми") лигандами. Эти лиганды благодаря наличию в них двух и более электронодонорных центров способны образовывать не­ сколько связей с ионами металлов, формируя устойчивую цик­ лическую структуру. Образно говоря, ион металла захватывается полидентатным лигандом подобно жертве, попавшей в клешни рака. В связи с этим такие комплексные соединения получили названия хелатов.

«Хелаты - устойчивые комплексы металлов с полиден­

татными лигандами, в которых центральный атом яв­ ляется компонентом циклической структуры.

Простейшими хелатообразующими лигандами являются бидентатные лиганды, образующие две связи с центральным атомом, например аминоуксусная кислота (глицин):

	О
2H3N— СН2— COO" + Си2+	+ 2Н+
	О
*н е ст -	6 ,6 • 1 0 ~ 1в

Одними из наиболее эффективных хелатообразующих лигандов являются этилендиаминтетрауксусная кислота (EDTA) или ее динатриевая соль, называемая трилон Б:

НООССН2ч /СНгСООН N— СН2СН2—N

НООССН/^

СН2СООН

EDTA

NaOOCCH2N ^СН2СООН

N— СН2СН2—N

НООССН2

CH2COONa

трилон Б (Na£H2T)

EDTA образует устойчивые комплексы практически с ка­ тионами всех металлов, за исключением щелочных, поэтому EDTA широко используется в аналитической практике для оп­ ределения содержания ионов различных металлов, а в медици­ не - в качестве детоксиканта для выведения из организма ио­ нов тяжелых металлов в виде растворимых комплексов.

251

Среди природных лигандов следует выделить макроциклические полидентатные лиганды, внутри которых размещается ком­ плексообразователь. Макроциклическими лигандами являются порфирины, близкие им по структуре коррцны, а также белки. В этом случае лиганд называется "хозяин", а комплексообразо­ ватель - "гость". В таких комплексах комплексообразователь изолирован от окружающей среды и может удерживаться проч­ но, например в гемоглобине, цитохромах, витамине В12, хлоро­

филле, или слабо, например в ионофорах, используемых для транспорта катионов металлов через мембраны (разд. 10.4).

В природе встречаются полиядерные комплексные соедине­ ния. Для них характерно наличие во внутренней сфере не­ скольких комплексообразователей как одного вида (например, железо в железосеропротеинах [Fe*S*Prot]), так и разных (на­ пример, в цитохромоксидазе содержатся одновременно катионы железа и меди). Таким образом, состав, структура и прочность внутренней сферы природных комплексных соединений чрез­ вычайно разнообразны, и поэтому они могут выполнять раз­ личные функции в живых системах (разд. 10.4).

Образование комплексных соединений

Как известно, реакции в растворах всегда протекают в на­ правлении наиболее полного связывания ионов, в том числе за счет образования комплексных соединений, в которых в ре­ зультате донорно-акцепторного взаимодействия возникает ус­ тойчивая внутренняя сфера.

FeCl3 + 6KCNS —► K3[Fe(CNS)6] + ЗКС1 (Fe3+ + 6CNS- [Fe(CNS)6]3-)

C11SO4 + 4NH3 •H20 —► [Cu(NH3)4]S04 + 4H20 (Cu2+ + 4NH3 —► [Cu(NH3)4]2+)

Вследствие образования устойчивых комплексов возможно да­ же растворение тех осадков, которые посылают в раствор за счет диссоциации растворившейся части вещества крайне небольшое количество ионов, способных с добавленным реагентом образо­ вывать устойчивую внутреннюю сферу комплекса:

Zn(OH)2l + 2NaOH		— ► Na2[Zn(OH)4]
(Zn(OH)2^ + 20H-		— ► [Zn(OH)4]2 )
AgCli + 2NH3	H 20	— ► [Ag(NH3)2]Cl + 2H20
(AgCll + 2NH3		— ► [Ag(NH3)2]+ + C l)
Hgl2i	+ 2KI	— ► K 2[HgI4]
(Ugl2i	+ 21-	[Hgl4]2-)

Благодаря образованию комплекса происходит связывание молекулы аммиака (газообразного лиганда):

NH3 + НС1 —► [NH4]C1	(NH3 + Н+ —► [NH4]+)
NH3 + Н20	NH3 •Н20

252

В кислой среде происходит прочное связывание NH3 вследствие

образования комплексного иона [NH4]+, а в нейтральной и ще­ лочной среде имеет место конкуренция за прочное связывание катиона водорода между анионом ОН” (Ка — Кц 0 — 1,8 •10"16) и молекулой аммиака (Ка — Кнест(NH 4) — 5,4 •10~10). Из срав­

нения констант соответствующих равновесий видно, что моле­ кула воды удерживает катион Н+ значительно сильнее, чем комплексный ион [NH4]+. Поэтому использовать формулу гид­ роксида аммония NH4OH некорректно, а следует изображать

результат взаимодействия между молекулами воды и аммиака в виде NH3 •Н2О - комплекса-ассоциата (гидрата аммиака). Вод­

ный раствор аммиака, называемый в быту нашатырным спир­ том”, используется в медицинской практике как источник ам­ миака и средство скорой помощи для возбуждения дыхания и выведения из обморочного состояния. Таким образом, комплекс­ ное соединение возникает в тех случаях, когда донорно-акцеп- торное взаимодействие комплексообразователя с лигандами при­ водит к их прочному связыванию с формированием устойчивой внутренней сферы.

Трансформация или разрушение комплексных соединений

Трансформация или разрушение комплексного соединения происходит в тех случаях, когда компоненты его внутренней сфе­ ры, вступая во взаимодействие с добавленным реагентом, связы­ ваются или трансформируются вследствие образования: а) более устойчивого комплекса; б) малодиссоциирующего соединения; в) ма­ лорастворимого соединения; г) окислительно-восстановительных превращений. Проиллюстрируем эти положения на примерах.

А. Трансформация комплекса с образованием более устой­ чивого комплекса в результате:

- более прочного связывания лигандов с новым комплексообразователем, т. е. реакции обмена комплексообразователя:

[Cu(NH3)4]S04 + 2H2S04 —► CuS04 + 2[NH4]2S04

([CU(NH3)4]2+ + 4H+ — Cu2+ + [NH4]+) K4[Co(CNS)6] + FeCl3 —► K3[Fe(CNS)e] + KC1 + CoCl2

([Co(CNS)6]4" + Fe3+ —► [Fe(CNS)6]3" + Co2+)

- более прочного связывания комплексообразователя с новым лигандом, т. е. реакции обмена лигандами во внутренней сфере:

[Pt(NH3)4]Cl2 + 4KCN —► K2[Pt(CN)4] + 4NH3 + 2КС1

([Pt(NH3)4]2+ + 4CN- — [Pt(CN)4]2- + 4NH3)

Замена лигандов во внутренней сфере комплексного соединения протекает ступенчато, причем при наличии различных лиган­ дов вначале замещается тот лиганд, связь которого с комплексообразователем лабильна:

[Pt(NH3)2Cl2] + KI —► [Pt(NH3)2ClI] + КС1 ([Pt(NH3)2Cl2] + I+ — [Pt(NH3)2ClI] + Cl")

253

Рассмотренные реакции трансформации комплексных соеди­ нений всегда протекают в сторону образования более устойчивых комплексных соединений, у которых константа нестойкости внут­ ренней сферы меньше, чем у исходных соединений.

Б. Разрушение гидроксокомплексов в кислой среде из-за об­ разования малодиссоциированного соединения Н2О:

Na2[Zn(OH)4] + 4НС1 —► 2NaCl + ZnCl2 + 4Н20

([Zn(OH)4]2- + 4Н+ —► Zn2+ + 4Н20)

В. Разрушение комплексного соединения с образованием ма­ лорастворимого соединения, в котором комплексообразователь или лиганд связан прочнее, чем в комплексе:

[Ag(NH3)2]Cl + KI —► Agl + 2КС1 + 2NH3

([Ag(NH3)2]+ + Г —► Agl + 2NH3)

Г.Разрушение или трансформация комплексного соединения

врезультате окислительно-восстановительных превращений:

- лиганда:

KJCdlJ + 2С12 —► 2КС1 + CdQ2 + 2Lj

flCdy2- + 2С12 —► Cd2+ + 2I2 + 4Cf)

- комплексообразователя:

2K4[Fe(CN)6] + Cl2 —► 2K3[Fe(CN)6] + 2KC1

(2[Fe (CN)e]4“ + Cl2 —► 2[Fe(CN)e]8- + 2С1')

Процесс комплексообразования сильно влияет на величины восстановительных потенциалсйв катионов d-металлов. Если вос­ становленная форма катиона металла образует с данным лиган­ дом более устойчивый комплекс, чем его окисленная форма, то потенциал возрастает. Снижение потенциала происходит, когда более устойчивый комплекс образует окисленная форма. Иллю­ страцией сказанному являются следующие данные.

Fe3+ + e‘ ^	Fe2+			фЬ * 0,35 В
	^ОКИСЛ	V.	jrrBOOCT
[1,10-фенантролин (Fe3+)] + е	л нест		л нест	[1 ДО-фенантролин (Fez+)]
	j		Р
				ФЬ = 0,64 В
	J^-ОКИСЛ	^	J^-BOCCT
[метгемоглобин (Fe3+)] + е~	g-------------■».			[гемоглобин (Fe2+)]
				ФЬ * 0,17 В

Эти особенности окислительно-восстановительных свойств ионов "металлов жизни" в биокомплексах очень важны для понима­ ния биохимических процессов, протекающих при их участии (разд. 9.3.3).

254

Кислотно-основные свойства комплексных соединений

Комплексные соединения могут проявлять кислотно­ основные свойства за счет ионов Н+ и ОН“ внешней сферы:

кислоты:	H2[SiF6] —► 2Н+ + [SiF6]2" H[AuC14] —► Н+ + [AuClJ"
основания:	[Ag(NH3)2]OH —► [Ag(NH3)2]+ + ОН"

и, кроме того, за счет диссоциации их лигандов. Последнее особенно характерно для природных комплексов, содержащих белки, которые, как известно, являются амфолитами. Напри­ мер, гемоглобин (ННЬ) или оксигемоглобин (ННЬОз) проявляют кислотные свойства за счет кислотных групп белка глобина, являющегося лигандом (разд. 10.4):

ННЬ ^ Н+ + №Г

ННЬ02 ^ Н+ + НЪ02

В то же время анион гемоглобина за счет аминогрупп белка глобина проявляет основные свойства и поэтому связывает ки­ слотный оксид С02 с образованием аниона карбаминогемогло-

бина (НЪСОг)" :

С02 + ШГ ^ (НЬС02Г

С помощью этого соединения СО2 транспортируется из тканей в

легкие, где, вступая в реакцию с более сильной кислотой оксигемоглобином, превращается в слабую нестойкую кислоту ННЬСОз, распадающуюся на гемоглобин с выделением С0 2:

(НЬС02Г + ННЬ02 ^ НЬ02 + ННЬ + С02Т

Кислотно-основные свойства лигандов, связанных с комплексообразователем, часто выражены более ярко, чем кислотно­ основные свойства свободных лигандов.

1 0 .4 . М ЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ КОМПЛЕКСНЫ Х СОЕДИНЕНИЙ

Многие вещества, присутствующие в организме: аминокисло­ ты, белки, нуклеиновые кислоты и их основания, витамины, гормоны, порфирины, - являются активными лигандами и, взаи­ модействуя с катионами биометаллов, образуют многообразные комплексные соединения, выполняющие определенные биологи­ ческие функции. Ряд ферментов в составе своих активных цен­ тров содержат катионы металлов, что обеспечивает строгое про­ странственное расположение функциональных групп фермента.

Некоторые природные прочные комплексные соединения содержат в качестве хелатообразующего лиганда порфириновые производные (разд. 1 0 .1), в которых за счет электронодонорных

свойств четырех атомов азота образуются четыре связи с комплексообразователем. В зависимости от природы комплексообразователя изменяются биологические функции этих комплек­ сов. Так, комплексы порфирина с катионом железа являются основой гемоглобина и цитохромов, с катионом магния - хло-

255

рофилла, а с катионами двух металлов: железа и меди - цитохромоксидазы. Рассмотрим особенности строения гемоглобина,

миоглобина и метгемоглобина.

Комплексообразователем в гемоглобине и миоглобине явля­ ется ион Fe2+, который, предоставляя шесть свободных атомных орбиталей, образует шесть связей по донорно-акцепторному ме- I ханизму. Из них четырьмя связями ион железа связан с атома­ ми азота порфиринового лиганда, образуя гем, пятая связь за­ нята лигандом глобином (белок), а шестая - молекулой воды -

лигандом, который связан с комплексообразователем лабильно:

гем

миоглобин

оксимиоглобин

(комплексообразователь Fe2+ и 4-дентатный лиганд порфирин)

Миоглобин связывает часть кислорода, поступающего в ткани, путем замещения молекулы воды во внутренней сфере на моле­ кулу кислорода, образуя оксимиоглобин> который достаточно

прочно удерживает кислород. Это позволяет тканям запасать ки­ слород для его использования в случаях острой кислородной не­ достаточности. Необходимо обратить внимание на то, что кисло­ род не окисляет комплексообразователь Fe2+ в геме миоглобина.

Гемоглобин содержится в эритроцитах крови. Его молекула состоит из четырех гемов, аналогичных по строению гему мио­ глобина, которые объединены четырьмя глобиновыми цепями.

Вмолекуле гемоглобина (ННЬ) различают четыре фрагмента oti,

а2>Pi» Р>2> каждый из которых способен к замещению молекулы

воды (лабильного лиганда) на молекулу О2. Находясь в легких,

гемоглобин присоединяет в результате лигандообменной реак­ ции вместо молекул воды молекулы кислорода, образуя оксигемоглобин (ННЬС>2), в котором катион железа сохраняет свой за­ ряд + 2 :

в легких

HHb(Fe2+) + 0 2 * в тканях* HHb02(Fe2+)

Таким образом, связывание гемоглобином кислорода явля­ ется реакцией комплексообразования, при которой нет окисли- тельно-восстановительных превращений. Поэтому нет никаких оснований называть оксигемоглобин окисленной формой, а ге­ моглобин - восстановленной формой, что, к сожалению, имеет место даже в современной литературе и учебниках. Кроме этих неудачных терминов используется еще ненужный термин "дезоксигемоглобин", который означает оксигемоглобин, отдавший кислород, а в действительности это просто гемоглобин.

256

Оксигемоглобин выполняет функцию транспорта кислорода у высших животных. Благодаря оксигемоглобину литр крови пере­ носит 250 мл кислорода в капилляры различных органов. Здесь оксигемоглобин отдает кислород (разд. 8.5), который диффундиру­ ет через плазму и стенки капилляров в ткани. Часть поступивше­ го кислорода соединяется с миоглобином для поддержания не­ обходимого парциального давления кислорода в тканях. Основная часть кислорода вступает в процессы метаболизма, превращаясь

вконце концов в оксид углерода(1У) и воду, которые с помощью

венозной крови выводятся из организма (разд. 8.5).

Венозная кровь поглощает С02 из тканей и транспортирует его

влегкие на 80 % в виде HCOjj, 15 % в виде аниона карбамино-

гемоглобина (НЬС02)" и 5 % в растворенном виде (СО2 * т Н 20).

В легких, вследствие избытка кислорода, кровь освобождается от С02 (который далее удаляется при выдохе), а гемоглобин

опять насыщается кислородом (разд. 8.5). Гемоглобин и окси­ гемоглобин являются слабыми кислотами и в крови (pH * 7,40) находятся частично в ионизированном состоянии: НЬ~ - 12 % и НЬ02 - 6 6 % . В приведенной ниже схеме химических превра­

щений гемоглобина с целью упрощения вместо сложной молеку­ лы, состоящей из 4 подобных фрагментов, дается только один:

карбоксигемоглобин		гемоглобин	оксигемоглобин
(ННЪСО)		(ННЬ)	(ННЬОа)
		НаО
СО	О	Ю	+ Н20
		8,20	рКа - 6,95
		н2о	? 2
” 1		I L
N-~ i— N в т“ нях		N—	N_p (~ .N
			О у О +Нг°
анион		анион	анион
карбаминогемоглобина		гемоглобина	оксигемоглобина
(НЪС02Г		ЮГ	НЬО!

При вдыхании воздуха, содержащего оксид углерода(П) ("угар­ ный газ"), последний взаимодействует с гемоглобином и оксигемоглобином с образованием более устойчивого комплекса кар-

боксигемоглобина ННЬСО:

ННЬ + СО

ННЬСО

нньо2 + со

ННЬСО + 0 2

17—4723

257

Эти равновесия смещены в сторону образования карбоксигемоглобина, устойчивость которого в 2 1 0 раз больше, чем оксигемогло-

бина, что приводит к накоплению карбоксигемоглобина в крови. В результате кислородная емкость крови уменьшается пропорцио­ нально количеству поступившего в организм СО. Серьезной при­ чиной отравления оксидом углерода(П) является курение. Со­ держание карбоксигемоглобина в крови курильщиков, выкури­ вающих пачку сигарет в день, составляет в среднем 4,7 % , а у некурящих - всего 0,3-0,5 % (от содержания гемоглобина). При­ чиной более сильного отравления оксидом углерода(И) может быть преждевременное закрытие вытяжной заслонки протоплен­ ной печи или вдыхание выхлопных газов автомобиля. При легких отравлениях (содержание ННЬСО в крови 10-16 %) наблюдается головная боль, слабость, тошнота. При отравлениях средней сте­ пени (ННЬСО в крови 25-30 %) нарушается координация дви­ жений, появляется синюшность кожи лица и помутнение созна­ ния. При тяжелых отравлениях (ННЬСО в крови 60 % и более) происходит потеря сознания, судороги. Смерть наступает от оста­ новки дыхания. Смертельные концентрации СО составляют 2 мг/л при 60-минутной и 5 мг/л при 5-минутной экспозиции. Постра­ давшим необходимо тепло, сердечные средства и вдыхание чистого кислорода, так как содержание кислорода в воздухе недостаточно для быстрого вытеснения СО из карбоксигемоглобина.

Под действием окислителей: нитритов, нитратов, N0 2 , Н2О2, О3 - гемоглобин в результате окисления Fe2+ в Fe3+ и отрыва ка­ тионов от воды-лиганда превращается в метгемоглобин (метННЬ):

				он
П,^	окислительл и н ге _	о^,	^.	f * "t~Y N .
HHb(Fe )	— — ------■=► MeTHHb(Fe		) + Н+ + е
7	восстановитель
				метгемоглобин

Метгемоглобин не способен переносить кислород, поэтому по­ явление его в крови уменьшает кислородную емкость крови. Для его превращения в гемоглобин необходимо воздействие вос­ становителей.

Токсическое действие нитратов связано с рядом их химиче­ ских превращений. Попадая в организм, нитраты легко восста­ навливаются до нитритов:

NOi + 2Н+ + 2е“

N02 + Н20

<р£ = 0,42 В

Нитриты чрезвычайно эффективно окисляют гемоглобин в мет­ гемоглобин по радикальному механизму, образуя оксид азота(П) и способствуя образованию различных активных форм кисло­ рода (разд. 9.3.9).

HHb(Fe2+) + NOg + 2Н+ ^

MeTHHb(Fe3+) + NO + Н20

258

Оксид азота(И), подобно СО, образует прочный комплекс с гемоглобином - нитрозогемоглобин:

HHb + NO ^ HHbNO

В результате воздействия нитратов возникает острое кислород­ ное голодание тканей из-за уменьшения содержания гемогло­ бина в крови. Кроме того, нитраты и нитриты интенсифициру­ ют свободнорадикальное окисление в организме, что дополни­ тельно повышает их токсичность.

Таким образом, химия гемоглобина включает все три типа свойств: комплексообразующие, кислотно-основные и окисли- тельно-восстановительные.

Цитохромы - ферменты класса оксидоредуктаз, содержащие в качестве комплексообразователя катион железа или меди, а в качестве лигандов - 4 -дентатный порфирин, а также белок, ко­

торый занимает пятое и шестое положения во внутренней сфе­ ре. Эти изменения в составе приводят к новой биологической функции комплекса, которая заключается в переносе электрона за счет обратимого изменения степени окисления комплексооб­

разователя: Fe8+	+ е~ 5pS£	Fe2+, а в цитохромоксидазе еще и
атома меди: Си2*	+ е"	Си*. Цитохромы обеспечивают рабо­

ту электронотранспортных цепей при окислительном фосфорилировании, фотофосфорилировании, работе ансамбля ферментов цитохрома Р-450 (разд. 9.3.4-9.3.8).

Цианиды при попадании в организм быстро проникают в кровь. Ион CN” с гемоглобином взаимодействует слабо, но чрезвычай­ но эффективно связывается окисленной формой цитохромоксидазы, блокируя в ней оба комплексообразователя (Fe3+ и Си2+), тем самым ингибируя ее действие в дыхательной цепи. Цианидион включается во внутреннюю сферу полиядерного комплекса цитохромоксидазы по месту разрыва связи белок - комплексообразователи:

Клеточное дыхание прекращается на самом главном этапе - этапе усвоения кислорода клетками во всех тканях организма, особенно в нервных клетках мозга, где этот процесс идет ин­ тенсивно. При этом не нарушаются ни поступление кислорода в кровь, ни перенос его гемоглобином к тканям. Артериальная кровь переходит в вены, оставаясь насыщенной кислородом, что внеш­ не проявляется в ярко-розовой окраске кожных покровов при поражении цианидами. Пероральная токсическая доза цианидиона для человека LD50 — 1мг/кг.

1 7 *

259

От действия цианидов может защитить метгемоглобин кро­ ви, который благодаря наличию Fe3+ эффективно свяжет этот токсикант еще на пути к цитохромоксидазе с образованием очень прочного цианметгемоглобина:

MeTHHb(Fe3 +—ОН) + CN“ —► MeTHHb(Fe3 +—CN) + ОН”

метгемоглобин цианметгемоглобин

При достаточно высокой концентрации метгемоглобина в крови в реакцию с ним вступит не только CN- , содержащийся в кро­ ви, но и CN", уже связанный с цитохромоксидазой, в итоге ее активность будет восстановлена. Поэтому при отравлении циани­ дами рекомендуется вводить подкожно или внутривенно метгемоглобинообразователи, например NaN0 2 , но осторожно, не до­

пуская превращения гемоглобина в метгемоглобин более чем на 30 % . В противном случае могут наблюдаться явления, сходные с картиной отравления оксидом углерода(П). Другой способ за­ щиты от цианидов заключается в использовании соединенийантидотов, легко реагирующих с CN~ с образованием неядови­ тых продуктов, например роданидов (разд. 1 2 .2 .6 ).

Среди природных комплексных соединений особое место зани­ мают макрокомплексы на основе циклических полипептидов, со­ держащих внутренние полости определенных размеров, в которых находятся несколько кислородсодержащих групп, способных за счет донорно-акцепторного взаимодействия связывать катионы тех металлов (включая катионы Na+ и К+), размеры которых соответ­ ствуют размерам полости. Такие комплексы, находясь в биологи­ ческих мембранах, обеспечивают транспорт ионов через мембраны и поэтому называются ионофорами. В ионофоре катион комплек­

сообразователя изолирован от окружающей среды гидрофобной оболочкой лиганда, за счет которой ион может свободно плавать в гидрофобном слое клеточной мембраны. Такими свойствами обла­ дает циклический пептид валиномицин (антибиотик), полость ко­

торого соответствует размеру катиона К+. Поэтому с помощью валиномицина катионы К+ транспортируются через мембрану из зоны с высокой концентрацией К+ (внутренняя поверхность мембраны), где образуется комплекс, в зону низкой концентрации К+ (наруж­ ная поверхность мембраны), где этот комплекс распадается.

С помощью другого полипептида - грамицидина А - осуществ­

ляется транспорт катионов Na+ по эстафетному механизму. Грами­ цидин А - спиралевидный полипептид, образующий "трубочку”, внутренняя поверхность которой выстлана кислородсодержащими группами. В результате получается достаточно большой длины гидрофильный канал с определенным сечением, соответствую­ щим размеру иона натрия. Внешняя гидрофобная поверхность " трубочки” позволяет ей располагаться поперек фосфолипидного бислоя мембраны, полностью сливаясь с ним. Ион натрия, входя в гидрофильный канал с одной стороны, передается ки­ слородными группировками от одной к другой подобно эстафе­ те. В этом случае получается ионпроводящий канал. Таким об­

260