Металлоферменты

6. Металлоферменты

 

Октаэдрическое строение иона комплексообразователя определяется способностью его орбиталей к d²sp³-гибридизаци. Например, для хрома (III), d²sp³-гибридизация будет выглядеть следующим образом:

 

Бионеорганические комплексы d-элементов с белковыми молекулами называют биокластерами. Внутри биокластера находится полость, в которой находится ион металла определенного размера, размер иона должен точно совпадать с диаметром полости биокластера. Металл взаимодействует с донорными атомами связующих групп: гидроксильные –ОН¯, сульфгидрильные –SH¯, карбоксильные –СОО¯, аминогруппы белков или аминокислот – NH₂.

Биокластеры, полости которых образуют центры ферментов, называют металлоферментами.

В зависимости от выполняемой функции биокластеры условно подразделяют на:

- транспортные, доставляют организму кислород и биометаллы. Хорошими транспортными формами м/б комплексы металлов с АМК. В качестве координирующего металла могут выступать: Со, Ni, Zn, Fe. Например – трансферрин.

- аккумуляторные, накопительные. Например – миоглобин и ферритин.

- биокатализаторы и активаторы инертных процессов.

Реакции, катализируемые этими ферментами подразделяются на:

Кислотно-основные реакции. Карбоангидраза катализирует процесс обратимой гидратации CO₂ в живых организмах.

Окислительно-восстановительные.

Катализируются металлоферментами, в которых металл обратимо изменяет степень окисления.

А. Карбоангидраза, карбоксипептидаза, алкогольдегидрогеназа.

Карбоангидраза – Zn содержащий фермент. Фермент крови, содержится в эритроцитах. Карбоангидраза катализирует процесс обратимой гидратации CO₂, также катализирует реакции гидролиза, в которых участвует карбоксильная группа субстрата.

Н₂О + СО₂ ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃¯ (механизм "цинк-вода")

ОН¯ + СО₂ ↔ НСО₃¯ (механизм "цинк-гидроксид")

Координационное число цинка 4. Три координационные места заняты аминокислотами, четвертая орбиталь связывает воду или гидроксильную группу.

Механизм действия:

Обратимая гидратация CO₂ в активном центре карбоангидразы

Карбоксипептидаза Zn содержащий фермент. Объектами концентрации являются печень, кишечник, поджелудочная железа.

Участвует в реакциях гидролиза пептидных связей.

Схема взаимодействия цинка карбоксипептидазы с субстратом ("цинк-карбонил"):

Схема реакции гидролиза пептидных связей карбоксипетидазы:

 

Алкогольдегидрогеназа это -содержащий фермент.

Б. Цитохромы, каталаза, пероксидаза.

Цитохром С. (см лекцию КС). Гемсодержащий фермент, имеет октаэдрическое строение.

Перенос электронов в окислительно-восстановительной цепи с участием этого фермента осуществляется за счет изменения состояния железа:

ЦХ*Fe³⁺ + ẽ ↔ ЦХ*Fe²⁺

Группы ферментов, катализирующие реакции окисления водородпероксидом, называются каталазами и пероксидазами. Они имеют в своей структуре гем, центральный атомом является Fe³⁺. Лигандное окружение в случае каталазы представлено АМК (гистидин, тирозин), в случае пероксидазы – лигандами являются белки. Концентрируются ферменты в крови и в тканях. Каталаза ускоряет разложение пероксида водорода, образующегося в результате реакций метаболизма:

Н₂О₂ + Н₂О₂ ↔каталаза↔ 2 Н₂О + О₂

Фермент пероксидаза ускоряет реакции окисления органических веществ (RH) пероксидом водорода:

Н₂О₂ + Н₂О*RH ↔пероксидаза↔ 2 Н₂О + RCOOH

 

В. СОД, ОКГ, ЦХО, ЦП.

СОД – супероксиддисмутаза – медьсодержащий белок. Ускоряет реакцию разложения супероксид-иона , свободный радикал. Этот радикал вступая во взаимодействие с компонентами клети разрушает ее. СОД переводит супероксид-ион  в пероксид водорода. Который, в свою очередь, разлагается в организме под действием фермента каталазы.

Схематически процесс можно представить:

ОКГ – оксигеназы – ферменты, активирующие молекулу кислорода, которая участвует в процессе окисления органических соединений. Оксигеназы присоединяют оба атома кислорода с образованием пероксидной цепочки.

Механизм действия оксигеназ можно представить следующим образом:

 

Цитохромоксидаза – ЦХО – важнейший дыхательный фермент.

Катализирует завершающий этап тканевого дыхания. В ходе каталитического процесса степень окисления меди ЦХО обратимо изменяется: Cu²⁺↔Cu¹⁺.

Окисленная форма ЦХО (Cu²⁺) принимает электроны, переходя в восстановленную форму (Cu¹⁺), окисляющуюся молекулярным кислородом, который сам при этом восстанавливается.

Затем кислород принимает протоны из окружающей среды и превращается в воду. Схема действия ЦХО:

Церулоплазмин – ЦП – медьсодержащий белок содержится в плазме млекопитающих. ЦП содержит 8 атомов меди на 1 молекулу белка. ЦП участвует в окислении железа:

Параллельно идет процесс окисления протонированных субстратов (RH) с образованием свободнорадикальных промежуточных продуктов:

HR → R + H⁺ + ẽ

В то же время ЦП катализирует восстановление кислорода до воды:

О₂ + 4ẽ + 4Н⁺ →ЦП→ 2Н₂О

Выполняя транспортную функцию, ЦП регулирует баланс меди и обеспечивает выведение избытка меди из организма.

 

7. Железо, кобальт, хром, марганец, цинк, медь, молибден в организме: содержание, биологическая роль

 

Элемент	Содержание в организме (взрослого человека)	Биологическая роль
Fe	5 г (около 70% в гемоглобине)	Входит в состав гемоглобина, т.е. принимает участие в транспорте кислорода, обеспечивает процесс дыхания живых организмов. Входит в состав ферментов цитохромов, каталазы, пероксидазы. В связанной форме находится в некоторых белках, выполняющих роль переносчиков железа.
Co		Входит в состав витамина В12. Влияет на углеводный, минеральный, белковый и жировой обмен, принимает участие в кроветворении.
Cr	6 мг	Биогенный элемент.
Mn	0,36 моль	Входит в состав ферментов аргиназа, холинестераза, фосфоглюкомутаза, пируваткарбоксилаза и д.р. Участвует в синтезе витаминов С и В, доказано его участие в синтезе хлорофилла. Участвует в процессе аккумуляции и переноса эрги.
Zn		Входит в состав ферментов катализирующих гидролиз пептидов, белков, некоторых эфиров и альдегтдов.
Cu	1,1 ммоль	Входит в состав ферментов окигеназ и гидролаз. Участвует в кроветворении.
Mo		Входит в состав ферментов, катализирующих ОВР: ксанингидрогеназа, ксантиноксидаза, альдегидоксидаза и д.р. Важный микроэлемент для растений: принимает участие в мягкой фиксации азота.