Бионеметаллы и биометаллы

В биологических процессах участвует большое число химических соединений, образованных различными элементами периодической си­стемы. Организмы животных и растений состоят из сложных веществ, включающих в свой состав как элементы-неметаллы, так и элементы с металлическими свойствами. Из неметаллов особенно важную роль играют углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, галогены. Из металлов в состав животных и растительных организмов входят нат­рий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кобальт, медь, марганец, молибден и некоторые другие.

Для того чтобы оценить соотношение количеств химических эле­ментов, входящих в состав живых организмов, полезно рассмотреть содержание биоэлементов в организме «среднего» здорового человека (вес 70 кг). Установлено, что на 70 кг массы человека приходится 45,5 кг кислорода (т. е. больше половины массы), углерода—12,6, водорода — 7,0, азота — 2,1 кг, примерно столько же фосфора. Каль­ция в человеке 1,7 кг, калия — 0,25, натрия — 0,07 кг, магния — 42 г, железа — только 5 г (химики шутят, что железа в человеке хватит лишь на один гвоздь), цинка — 3 г. Остальных металлов в сумме мень­ше, чем 1 г. В частности, меди — 0,2 г, марганца — 0,02 г.

Интересно, что вхождение химических элементов в состав живых организмов не зависит каким-либо простым образом от их распростра­ненности. Действительно, хотя наиболее распространенный на земле элемент — кислород — является важнейшей составной частью соедине­ний, слагающих растительные и животные организмы, такие распрост­раненные элементы, как кремний и алюминий, в их состав не входят, а относительно мало распространенные кобальт, медь и молибден вы­полняют важную биологическую роль. Следует отметить также, что среди биоэлементов, т. е. элементов, играющих важную роль в по­строении живого организма и в процессах поддержания его жизни (обмен веществ, метаболизм), находятся очень сильно различающиеся по своим химическим свойствам, размерам частиц и электронному строению металлы и неметаллы. Например, среди биометаллов (их часто называют «металлами жизни») есть элементы, образующие ионы с благородногазовой электронной «подкладкой», несклонные к прояв­лению переменной валентности (Na+, K+, Mg2+, Са2+). Наряду с этим есть среди биометаллов и элементы с 18-электронной (Zn2+) или не­достроенной 18-электронной «подкладкой» (Cu2+, Co2+, Fe2+, Fe3+, Mo(V), Mo(VI)). Последние склонны изменять степень окисления в ходе обмена веществ.

Среди перечисленных биометаллов есть элементы, образующие преимущественно ионные (Na, К) и ковалентные связи (Mo, Zn); силь­ные комплексообразователи, такие, как Fe3+, Co2+, Cu2+, Zn2+. Однако и менее прочные комплексы, образованные, например, ионами Са2+, Mg2+, Mn2+, играют важную биологическую роль, и даже ионы щелоч­ных металлов (Na+, К+) в метаболических процессах вовлекаются в образование комплексов (с участием макроциклических лигандов). Установлено, что большое значение имеют размеры ионов металлов, участвующих в процессах метаболизма.

Так, например, не очень большая разница в величинах ионных радиусов Na+ (0,98 А) и К+ (1,33 А) обусловливает очень большую разницу в радиусах гидратированных ионов. Это приводит к неодина­ковой роли ионов Na+ и К+ в процессе метаболизма: Na+ — внекле­точный, а К+—внутриклеточный ионы. Именно размеры ионов, а так­же характерный для данного иона тип химической связи определяют, на какие ионы может замещаться тот или иной ион в процессе мета­болизма. Установлено, что ионы К+ могут замещаться в живых тканях на крупные однозарядные катионы щелочных металлов (Rb+, Cs+), а также на сходные по размерам ионы NH4+ и Т1+. Напротив, относи­тельно маленький ион Na+ может замещаться только на Li+. Интерес­но, что обмен на ионы Cu+ не происходит, видимо, из-за склонности Cu+ к образованию ковалентных связей, хотя размеры Cu+ и Na+ сходны.

Очень важно, что ионы Mg2+ и Са2+ в биосистемах не замещают друг друга. Это связано, как полагают, с большей ковалентностью связи Mg2+ с лигандами по сравнению с Са2+. Еще более ковалентные связи с лигандами образует Zn2+, он не замещается на Mg2+, хотя близок к нему по величине ионного радиуса.

Согласно. К. Б. Яцимирскому, оценку ионности и ковалентности связей ионов биометаллов с лигандами целесообразно проводить сле­дующим образом. Ионность связи пропорциональна отношению квад­рата заряда иона к величине ионного радиуса. Это отношение для большинства ионов находится в пределах от 1 до 5. Только для бе­риллия это отношение аномально велико и составляет 11,7. Именно с этим связывают высокую токсичность иона Ве2+.

Ковалентность связи металл—лиганд, по Яцимирскому, можно оценить как отношение

Copyright © 2024 - All Rights Reserved - www.chemicalnow.ru