Биологическая роль d-элементов семейства железа. Применение их соединений в медицине

Из трех металлов этой группы железо и кобальт являются важнейшими биогенными элементами и относятся к металлам жизни.

Железо. В организме человека содержится 5 г железа. Большая часть его сосредоточена в гемоглобине крови (около 70%). Железо входит также в состав ферментов, например цитохромов, каталазы, пероксидазы и др. В связанной форме железо находится в некоторых белках, которые выполняют в организме роль переносчиков железа.

Одним из наиболее важных внутрикомплексных соединений, которые создала природа, является гемоглобин. Это сложный по составу белок, содержащий и 'небелковую (простетическую) группу — гем, на долю которой приходится около 4 % массы гемоглобина.

Простетическая группа представляет собой бионеорганический комплекс железа (II) с полициклическим органическим ве­ществом — порфирином. Эта группа и носит название гем (от греч. гема—кровь). Гем имеет плоскостное строение.

В геме атом железа образует четыре связи с азотом донорных групп в плоскости порфиринового кольца. Пятую связь железо гемоглобина образует с азотом имидазольной группы гистидина — аминокислотного остатка глобина.

Имидазольная группа, согласно протолитической теории, является основа­нием. При рН, близких к нейтральным значениям — 7, имидазольное кольцо способно присоединить протон из раствора и образовать так называемый ион имидазолия. Считают, что положительный заряд этого иона создает электростатическое поле, которое и препятствует Fе²⁺ отдавать электроны. Это один из примеров, когда лиганд благодаря своим специфическим свойствам ста­билизирует степень окисления металла комплексообразователя. Доказано, что если произойдет замена гистидина на лиганд, не обладающий электростатическим эффектом, то железо в гем-группе может окислиться до Fe³⁺. В таком состоянии гемоглобин не способен присоединять кислород, т. е. нарушается его функция и организм заболевает.

Железо в геме имеет и шестую орбиталь, которая в гемоглобине используется в процессе связывания кислорода. Эта же орбиталь участвует в образовании связи с углеродом монооксидом. Доказано, что пятая и шестая связи перпендикулярны к плоскости порфиринового кольца, что показано на схеме.

Физиологическая функция гемоглобина заключается в способности обратимо связывать кислород и переносить его от легких к тканям. Если гемоглобин условно обозначить НЬ-Fе²⁺, то реакцию обратимого присоединения кислорода можно записать так:

[НЬ.Fе²⁺] + O₂ = [НFе²⁺ O₂]

дезоксигемоглобин оксигемоглобин

Гемоглобин, присоединивший кислород, называется оксигемоглобином, а без кислорода — дезоксигемоглобином.

Дезоксигемоглобин имеет такую структуру, которая характеризуется наименьшим сродством к кислороду. В ней атомы железа гема выступают над плоскостью порфиринового кольца. В процессе присоединения уже первой молекулы 02 изменяются размеры так называемого гемового кармана (в НЬ они меньше, чем в НЬ-О₂). В оксигемоглобине атом железа находится в плоскости порфиринового кольца. Эти изменения индуцируют такие же изменения и в других гемах молекулы. В результате возникает структура, которая увеличивает сродство к кислороду, и гемоглобин постепенно насыщается кисло­родом.

Гемоглобин взаимодействует также с углеродом монооксидом, который в быту известен как угарный газ. При этом образуется макроциклический комплекс с железом — карбонилгемоглобин..

Константа устойчивости этого комплекса приблизительно в 200 раз больше, чем комплекса железа с кислородом в геме. Поэтому при вдыхании углерода монооксида большая часть ге­моглобина переходит в карбонилгемоглобин, что и нарушает перенос кислорода от легких к тканям и вызывает отравление организма. При значительном увеличении парциального давле­ния кислорода равновесие реакции может сместиться в сторону разрушения НbFе-СО и большего образования оксигемоглобина НbFе-O₂.

Структуру, подобную гемоглобину, имеет и миоглобин (МЬ). Он обратимо связывает кислород в мышцах, по механизму действия сходен с гемоглобином и относится к гемосодержащим белкам.

Существует большая группа железосодержащих ферментов, которые катализируют процесс переноса электронов в митохондриях, это так называемые цитохромы (ЦХ). Всего известно около 50 цитохромов. Наиболее изученным считается цитохром С. Доказано, что перенос электронов в окислительно-восстановительной цепи с участием этого фермента осуществляется за счет изменения состояния железа

ЦХ • Fе²⁺ + е- ^ = ЦХ • Fе³⁺

Группы ферментов, катализирующих реакции окисления водородпероксидом, называются каталазами и пероксидазами. Они также имеют в своей структуре гем, в центре которого находится железо со степенью окисления +3. Механизм действия каталазы до конца не ясен, но доказано, что Fе³⁺ не восстанавливается. Каталаза ускоряет разложение водородпероксида, который образуется в реакциях метаболизма:

Н₂O₂ + Н₂O₂ ⁼ 2Н₂O + O₂

В этой реакции одна молекула Н₂O₂ является окислителем, другая — восстановителем. Реакция идет с большой скоростью, одна молекула каталазы может разложить 44 000 молекул H₂O₂ в сек.

Фермент пероксидаза ускоряет реакции окисления органических веществ водородпероксидом.

В органах и тканях имеется так называемое депонированное (запасенное) железо, которое используется, если возникает дефицит железа. Депонируется оно с помощью белка — ферритина, который представляет собой биокластер с молекулярной массой 460000.

В организме железо может транспортироваться в виде аминокислотных комплексов, которые образуются за счет координационной связи железа с азотом пептидных групп. Образование таких бионеорганических комплексов делает возможным прохождение ионов через клеточные мембраны. Как известно, липидный слой оболочки клетки затрудняет прохождение ионов металлов в виде акваионов. А если ион металла находится в окружении органических лигандов, то он достаточно легко проходит через клеточную мембрану.

Железо также транспортируется в виде железосодержащих белков, например трансферринов. В механизме действия трансферрина многое остается дискуссионным, но доказано, что трансферрин отдает железо в виде Fе^з+. Функция трансферрина заключается в транспорте ионов железа в ретикулоциты, в которых осуществляется синтез гемоглобина.

Кобальт в роли микроэлемента выполняет разнообразные функции. В организме он представлен в виде витамина B₁₂. По составу витамин —бионеорганическое комплексное соединение порфиринового ряда, в котором комплексообразователем является Со³⁺. В молекуле В₁₂ кобальт имеет координационное число, равное 6, что соответствует 5р³d² — гибридизации атома. В структуре В₁₂ кобальт занимает такое же положение, какое занимает железо в гемоглобине.

Существуют ферментативные системы, в составе которых действует не свободный витамин B₁₂, а так называемые В₁₂-коферменты (кофакторы). Кофактор — активная и легко отделяемая часть фермента. Оставшаяся неактивная белковая часть назы­вается апоферментом. В роли кофермента B₁₂ выполняет две основные функции: 1) роль переносчика метильных СНз-групп (реакции метилирования); 2) участвует в реакциях переноса ионов водорода и сам при этом восстанавливается.

Выполняя эти функции, кобальт влияет на углеводный, минеральный, белковый и жировой обмен, а также принимает участие в процессе кроветворения.

Никель по сравнению с железом и кобальтом играет более скромную роль в организме. Известно, что по мере спаривания электронов на n-подуровне растет устойчивость (п—1) d-слоя и уменьшается химическая активность. Можно предположить, что именно эта большая химическая инертность обусловила меньшее содержание никеля в организме человека (в 10 раз меньше, чем Со) и меньшее его участие в биохимических процессах. Однако имеются данные, что никель, так же как и кобальт, участвует в кроветворении, влияет на углеводный обмен.

Недостаток железа и кобальта в организме приводит к нарушению синтеза гемоглобина. Это, в свою очередь, вызывает заболевание крови, связанное с дефицитом железа, которое называется анемией.

Для лечения анемии используют соли двухвалентного железа хлорид и сульфат. В лечебных целях применяют препараты железа, в состав которых вводят еще медь и кобальт. Эффективным средством для лечения анемии являются феррамид и коамид, которые являются соответственно бионеорганическими комплексами железа и кобальта с никотиновой кислотой.

В силу окислительных свойств, которые проявляет раствор FеСlз, его используют в медицинской практике как дезинфицирующее и кровоостанавливающее средство.

Витамин В₁₂ применяют при лечении анемии, нервных заболеваний. В эксперименте доказано, что кобальт в виде простых растворимых солей значительно хуже всасывается и оказывает меньший лечебный эффект, чем кобальт в окружении органических лигандов в витамине В₁₂.

Нашел применение изотоп радиоактивного кобальта для лечения злокачественных опухолей.

Таким образом, железо и кобальт — жизненно необходимые элементы, входят в состав различных бионеорганических соединений. Никель — примесный токсичный элемент.

Поиск по сайту: