Сидерохромы - транспортные формы железа. Комплексы с порфирином и его аналогами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

мИнИстерство ОБРАЗОВАНИЯ И науки, МОЛОДЕЖИ ТА СПОРТА украИнЫ

харЬкОвский нацИональнЫй унИверситет

имени в. н. каразина

Кафедра неорганической химии

СИДЕРОХРОМЫ - ТРАНСПОРТНЫЕ ФОРМЫ ЖЕЛЕЗА. КОМПЛЕКСЫ С ПОРФИРИНОМ И ЕГО АНАЛОГАМИ

Курсовая работа

ХАРЬКОВ 2011г.

ВВЕДЕНИЕ

Железо играет важнейшую роль в огромном количестве клеточных окислительно-восстановительных процессов в растениях, бактериях и высших организмах. В частности, без участия железа не обходятся процессы дыхания и переноса кислорода.

Для простейших организмов О₂ ? крайне реакционноспособный и высокотоксичный газ. Первоначально кислород удалялся из атмосферы восстановленными ионами таких металлов, как Fе(II) и Мn(II), но 2 млрд лет назад, судя по отложениям большого количества осадков оксидов металлов, содержание О₂ в атмосфере начало расти с менее 1% (как на необитаемых планетах и Луне сейчас) до 21% (по объему). В результате большинство простейших организмов должно было бы погибнуть. Выжить смогли только вновь развившиеся аэробные организмы, появившиеся благодаря избытку этого высокоэнергетического соединения.

Аэробы могут использовать для своего существования кислород благодаря системе окислительно-восстановительных ферментов, содержащих железо - цитохромов. Поэтому доставка железа внутрь клетки для осуществления биосинтеза цитохромов очень важна для многих микроорганизмов.

C точки зрения биодоступности железо имеет большие ограничения, поскольку в своем наиболее часто встречающемся в природе состоянии окисления, Fе(Ш) (ржавчина), оно нерастворимо в водных растворах. В связи с этим железо часто захватывается в хелатной форме и переносится от одного лиганда (чаще всего белка) к другому, почти не проходя через состояние свободного Fe³⁺.

При физиологическом значении рН 7,4 растворимость составляет ~10^-18 моль•дм^-3, а для оптимального роста микроорганизмов необходима внутриклеточная концентрация железа ~10^-7 моль•дм^-3. Поэтому растениям и бактериям для связывания железа требуются высокоэффективные лиганды, позволяющие забрать Fe³⁺ и доставить его в клетки. Такие лиганды природного происхождения называют сидерохромами. Они, в частности, продуцируются кишечными палочками, сальмонеллами мышиного тифа (энтеробактины), псевдомонадами, микобактериями (микобактины), актиномицетами, грибами, дрожжами. Интересен тот факт, что вирулентность микроорганизмов, нуждающихся в железе, главным образом, для синтеза железосеропротеидов и цитохромов, в значительной степени зависит от способности их сидерохромов успешно конкурировать с транспортирующими железо белками (сидерофилинами) организма хозяина за присутствующее в тканях железо.

Хелатные комплексы порфирина с Fe²⁺, где связь с железом образует азот, выполняют биологическую функцию переносчиков кислорода (гемоглобин) или электронов (цитохромы). К таким комплексам относится, прежде всего, гем, представляющий небелковую часть в таких гемопротеинах, как гемоглобин и его производные, миоглобин, ферменты (вся цитохромная система, каталаза, пероксидаза).

Таким образом, железо присутствует во всех аэробных организмах, поскольку необходимо для обеспечения, прежде всего, дыхательных процессов на клеточном уровне. Поэтому способность к биосинтезу железосодержащих хелатных соединений имеет большое значение для микро- и макромиров.

сидерохромы цитохромы гемоглобин порфирин

1. Сидерохромы - железотранспортирующие агенты бактерий

1.1 Классификация сидерохромов

Сидерохромы представляют собой специальные пептиды, продуцируемые микроорганизмами, которые предназначены для связывания из окружающей среды ионов железа.

В настоящее время различают два главных типа сидерохромов ? феноляты и гидроксаматы. Оба лиганда представляют собой слабые кислоты, и координационная сфера связанного иона металла состоит только из атомов кислорода (рис. 1).

Рис. 1. Фенолятные (внизу) и гидроксаматные (вверху) комплексы железа (III), найденные в микробных железотранспортирующих соединениях

Классификация на феноляты и гидроксаматы является одной из наиболее четких, но, к сожалению, она несовместима с разнообразием структур, представленных факторами микробного транспорта железа. Так, микобактерия синтезирует множество соединений, называемых микобактинами, которые содержат две гидроксаматные связи (т.е. четыре атома кислорода), одну фенолятную группу и остаток замещенного оксазолина, причем шестым металлсвязывающим атомом является атом азота оксазолина (рис. 2). Следовательно, микобактины можно рассматривать как гибрид чистых тригидроксаматной и трифенолятной систем.

Рис. 2. Микобактин

В общем можно сказать, что гидроксаматы встречаются в грибах, дрожжах и бактериях. Трифенолят до сих пор обнаруживали только в истинных бактериях.

1.2 Энтеробактин

Среди фенолятных сидерохромов наиболее изучен энтеробактин.

Энтеробактин (рис. 3), по существу, представляет собой ациклический лиганд с тремя боковыми цепями, связывающие ион железа (III) с помощью депротонированных гидроксильных групп.

Рис. 3. Энтеробактин

Первоначально энтеробактин был выделен из бактериальных культур Salmonella typhimurium или Escherichia coli путем длительной экстракции и хроматографической очистки с выходом 15 мг на 1л питательного раствора.

Этот лиганд имеет общий заряд 6-, что делает его комплементарным для катионов с высоким зарядом; жесткий характер фенолятных и пирокатехиновых фрагментов обеспечивает связь с жестким Fe³⁺. Действительно, константа устойчивости комплекса энтеробактина с Fe³⁺ равна 10⁵², поэтому он является наиболее эффективным из известных природных хелатирующих агентов железа. Энтеробактин настолько эффективен при связывании железа, что при рН 7 не наблюдается никакой конкуренции со стороны хорошо известного комплексообразователя -- этилендиаминтетрауксусной кислоты (EDTA). В последние годы с помощью ряда сидерохромов, выделенных из бактерий и корней растений, в особенности растущих на щелочных почвах, было показано, что фрагмент о-дигидроксибензола (пирокатехин) - это неотъемлемая часть эффективных хелаторов железа. Энтеробактин со своими тремя пирокатехиновыми боковыми цепями способен образовать с Fe³⁺ тригональную призматическую шестикоординационную структуру (рис. 4).

Рис. 4. Тригональная призматическая координация Fe³⁺ в [Fe(энтеробактин)]^3-

1.3 Феррихромы

К классу гидроксаматов относят семейство феррихромов, характерной структурной особенностью которых является то, что все его члены ? циклические гексапептиды, содержащие трипептид из ?-N-ацил-L-?-N-оксиорнитина и трипептид, состоящий из маленьких нейтральных аминокислот. Последний может быть построен либо из одного глицина, серина или аланина, либо из некоторой определенной комбинации этих аминокислот (рис. 5).

Рис. 5. Феррихром

Соединения ряда феррихрома образуют устойчивые нейтральные комплексы с ионами металлов с координационным числом 6, преимущественно с октаэдрической конфигурацией. Из всех биоэлементов ион Fе(III) образует наиболее прочные комплексы. Однако, несмотря на прочное связывание, неорганическое железо наполовину обменивается в феррихроме при нейтральных значениях рН всего за несколько минут. Свойства железо(III)гидроксаматов несовместимы с окислительно-восстановительным механизмом для железа, но, с другой стороны, идеально подходят для выполнения биологической роли ? транспорта металла.

Предполагают, что феррихромы образуются при окислении орнитина по 6-атому азота с последующим ацилированием углеродного фрагмента, связанного с 3,5-диокси-3-метилвалериановой кислотой, что приводит к производному кофермента А. Феррихромы обычно продуцируются аскомицетами, базидиомицетами и несовершенными грибами; они были выделены из культур Aspergillius, Penicillium, Neurospora, Ustilago и других головневых грибов.

1.4 Практическое значение сидерохромов

Способность отдельных микроорганизмов к биосинтезу сидерохромов нашла свое применение в сельском хозяйстве. Так, на сегодняшний день создан биопрепарат на основе живых клеток штаммов бактерий рода Pseudomonas, используемых в качестве средств биологической защиты растений. Бактерии, стимулирующие рост растений, подавляют пролиферацию фитопатогенных грибов, синтезируя сидерохромы, которые связывают большую часть Fе(III), находящегося в слое почвы, непосредственно прилегающем к корню растения. Фитопатогенные грибы тоже синтезируют сидерохромы, но они обычно обладают более низким сродством к железу, чем сидерохромы, синтезируемые стимулирующими рост растений бактериями. Это позволяет последним одерживать верх в конкурентной борьбе с фитопатогенными грибами за имеющееся железо. В отличие от фитопатогенных микроорганизмов, растения, как правило, не страдают от локального истощения железа в почве в результате поглощения его бактериями, стимулирующими рост растений. Большинство растений могут расти при значительно меньших концентрациях железа, чем микроорганизмы. Кроме того, есть данные, что железо, связанное бактериальными сидерохромами, может ассимилироваться растениями и использоваться ими для своих нужд.

Сведения о той биохимической системе, которую микобактерии туберкулеза образуют для транспорта в свою цитоплазму нужных ионов железа с помощью сидерохромов, не так давно предложено для борьбы с этим заболеванием. Новая стратегия пополнения арсенала бактерицидных препаратов заключается в том, что переносчики железа предлагается сделать “векторными молекулами”, направленно транспортирующими в клетку бактерии не железо, либо не только железо, но и ингибиторы метаболизма, лишенные бактерицидной активности лишь потому, что они не проникают через оболочку микобактерии. эффект. Обнадеживает и то событие, что микобактерия может применять сидерохромы не только собственного вида, но и ряда грибов и дрожжей, т.е. для конструирования пролекарств можно применять сидерохромы разной структуры.

2. Железосодержащие комплексы порфирина и его аналогов и их биологическая роль

2.1 Гемоглобин - переносчик кислорода

Для того чтобы аэробные организмы могли использовать реакционноспособный О₂ необходимо поглотить и доставить О₂ к клеточной митохондрии, где энергетический процесс окисления сахаров происходит без необратимых реакций и ущерба, наносимого радикалами или окислителями. Для выполнения этой задачи Природа создала гемоглобин ? замечательный белок, связывающий и транспортирующий кислород. Гемоглобин ? тетрамерный белок, содержащий четыре субъединицы миоглобина. Каждая субъединица миоглобина содержит железопорфириновый координационный комплекс, называемый гемом, или Fе-протопорфирином IX (рис. 6), который аксиально связан с белком посредством координационного взаимодействия октаэдрического Fе(Н)-центра с атомом азота из ближайшего гистидинового остатка белка. Именно способность центра железа обратимо связывать О₂ и является ключом к этой жизненно необходимой биологической системе.

Рис. 6. Структура гема

Роль гем-центра в гемоглобине состоит не только в обеспечении обратимости связывания О₂, но и в том, что его комплексообразование и выделение происходят быстро и при определенных концентрациях. Эти концентрации, или парциальные давления, должны соответственно быть равны концентрациям, найденным в легких и во внутриклеточной среде. Более того, связывание О₂ должно происходить селективно по отношению к остальным компонентам атмосферы, таким, например, как вода, N₂, СО₂, и такому великолепному для Fе(П) лиганду, как СО. Таким образом, гемоглобин превосходный пример функционального и селективного супрамолекулярного рецептора.

Гемоглобин связывает четыре молекулы кислорода на тетрамер, то есть по одной на гем в каждой субъединице. Способность гемоглобина связывать кислород зависит от того, содержатся ли в данном тетрамере другие молекулы кислорода. Если содержатся, то следующие молекулы кислорода присоединяются легче. Например, последняя (четвертая) молекула кислорода связывается с гемом в 500 раз быстрее, чем первая.

Хорошо известно, что такие газы, как СО, или легко адсорбирующиеся соли, например CN^-, крайне токсичны. Это происходит из-за их необратимого связывания с Fe в гемоглобине, что препятствует переносу кислорода и вызывает удушье.

2.2 Цитохромы - переносчики электронов

Цитохромы (ферменты) также принадлежат к гемпротеинам, поскольку в качестве простетичной группы содержат гем.

Цитохромы найдены у всех животных, растений и микроорганизмов. Они служат переносчиками электронов в процессах внутриклеточного дыхания, окислительного фосфорилирования, фотосинтеза, ферментативного гидроксилирования и в других биологических окислительно восстановительных реакциях.

В зависимости от природы гема цитохромы делят на 4 группы, обозначаемые буквами а, b, с и d. У цитохрома а гем имеет строение протопорфирина и содержит формильный заместитель; цитохром b содержит протогем (ферропротопорфирин), нековалентно связанный с полипептидной цепью; у цитохрома с боковые заместители протопорфирина ковалентно связаны с полипептидной цепью; у цитохрома d гем представлен дигидропорфирином (хлорином). Атом Fe, входящий в состав гемов цитохромов и подвергающийся окислению и восстановлению, координирован 4 связями с атомами азота порфириновых колец и 2 - с лигандами, принадлежащими полипептидным цепям (остатки гистидина, цистеина). Некоторые цитохромы содержат несколько одинаковых или разных гемов.

Цитохромы в дыхательной цепи расположены в последовательности b>с₁>с>аа₃. Цитохром b, присутствующий в двух формах, принимает электроны от убихинона и передает их цитохрому с₁, который в свою очередь передает их цитохрому с. Каждый из этих цитохромов, находясь в окисной [Fе(Ш)] форме, присоединяет один электрон и переходит в закисную [Fe(II)] форму. Последним в ряду переносчиков электронов стоит цитохром аа₃, называемый также цитохромоксидазой, поскольку он переносит электроны прямо на кислород и тем самым завершает процесс переноса.

Лучше всего изучен среди цитохромов цитохром с. Это небольшой белок (молекулярная масса 12500) с железопорфириновой группой, ковалентно присоединенной к единственной полипептидной цепи. Цитохром с ? один из белков, возникших на заре эволюции. На это указывает сходство многих участков его аминокислотной последовательности у всех эукариот: микроорганизмов, растений и животных.

Цитохром аа₃ отличается от других цитохромов. В его состав входят две молекулы прочно связанного гема А, отличающегося от протогема гемоглобина наличием у его порфиринового кольца длинной углеводородной боковой цепи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Значение железа для организма человека, как и в целом для живой природы, трудно переоценить. Подтверждением этому может быть не только большая распространенность его в природе, но и важная роль в сложных метаболических процессах, происходящих в живом организме, незаменимость другими металлами в сложных биохимических процессах, активное участие в клеточном дыхании.

Важным свойством, обеспечивающим такую многогранность функций железа, являются его координационные свойства и способность образовывать хелатные комплексы с различными биологическими лигандами.

У микроорганизмов в процессе эволюции от анаэробного способа существования к аэробному выработался механизм продуцирования лигандов для захвата железа из внешней среды при его дефиците - сидерохромов, что также во многом определяет вирулентность патогенных для человека видов.

Важный класс металлсодержащих соединений, являющихся компонентами биологических систем, составляют комплексы металлов с порфиринами в качестве лигандов. К ним относятся гемоглобин, являющийся переносчиком кислорода, и цитохромы, осуществляющие перенос электронов в дыхательной цепи в митохондриях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Неорганическая биохимия: В 2-х т. Т.1. Под ред. Г. Эйхгорна. Пер. с англ. М.: Мир, 1978. - 711 с.

2. Мецлер, Д. Биохимия: В 3-х т. Т.3. Пер с англ. - М: Мир, 1980. - 408 с.

3. Ленинджер, А. Основы биохимии: В 3-х т. Т.2. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 367 с.

4. А.П. Авцын, А.А. Живоронков, М.А. Реми, Л.С. Строчкова «Микроэлементозы человека», М.: Медицина, 1991г. - 496с.

5. Вороніна Л.М., Десенко В.Ф., Мадієвська Н.М., Кравченко В.М., Сахарова Т.С., Савченко Л.Г., Шоно Н.А. Біологічна хімія: Підручник: За ред. проф. Л.М. Вороніної. - Х.: Основа: Видавництво НФАУ, 2000. - 608 с.

6. Стид Дж.В., Этвуд Дж.Л. Супрамолекулярная химия. Пер. с англ.: в 2 т. / Джонатан В. Стид, Джерри Л. Этвуд. М.: ИКЦ«Академкнига», Т. 1. - 2007. - 480 с.

7. Стид Дж.В., Этвуд Дж.Л. Супрамолекулярная химия. Пер. с англ.: в 2 т. / Джонатан В. Стид, Джерри Л. Этвуд. М.: ИКЦ«Академкнига», Т. 2. - 2007. - 416 с.

8. Бартон Д., Оллис У.Д. Общая органическая химия - Москва: Химия, 1986. Т. 10. - С. 32 - 215. - 704 с.

9. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. М.: Мир, 2002.

Размещено на Allbest.ru