ного и фунгицидного действия.

Глава 13. МЕТАЛЛО-КОЭНЗИМЫ

Выделение металло-энзимов (ме-талло-коэнзимов) в отдельную (в какой-то мере, особую) группу природных соединений связано с их химическим строением: они являются комплексными соединениями металлов и их солей с органическими лигандами различной природы, образуя класс природных соединений симбиозом органических и неорганических субстанций Т.е. это действительно тот класс соединений, который не может быть единолично отнесен ни к органической, ни к неорганической химии — он однозначно дитя химии природных соединений.

Возможно, включение металло-ко-энзимов в общий раздел о витаминах и ко-ферментах связано с их ключевой ролью в катализе широкого набора химических процессов in vivo и витамин-но-подобной зависимостью живых организмов от металлов, их образующих: как и витамины, энзим-образующие элементы должны быть внесены экзо-генно — не случайно поливитаминные препараты часто "идут" в комплексе с определенным набором микроэлементов. Но это уже медико-биологический подход. Таким образом, оставляя первенство за химией, мы выносим металло-энзимы в самостоятельный класс природных субстанций.

Общие положения. Металло-энзимы составляют приблизительно одну треть всех известных энзимов, они катализируют все типы биохимических реакций, включая митохондриальное восстановление кислорода, гидрокси-лирование углеводородов, фиксация азота, фотосинтетическая эволюция кислорода, деструкция токсических продуктов восстановления 02, скелетную изомеризацию, реакции метаногенеза, гидролиза, декарбоксилирования и др.

В первую очередь, в этом классе соединений, конечно же, необходимо определится по металлам, т.е. уяснить, какие металлы образуют коэнзимы, с какой частотой и как их классифицировать. Для наглядности проанализируем таблицу содержания металлов в организме человека (табл. 13.1).

Таблица 13.1.

Содержание металлов в организме человека (в весовых %).

Элемент Содержание (весовые %)

Са 1,4

Na 0,63 Энзим-необразующие

К 0,26

Мд 4*Ю-2

Fe 5xl0-3

Zn 3*10"3 Главные энзим-образующие

Си 1*10-4

Мп 2х10-5

Мо 2Х10"5

Ni 4* Ю-6

О 4* Ю-6 Более редкие энзим-образоV Зх10-6 ватели

Со 2* 10s

W ?

Сразу отметим, что сравнительно небольшое количество металлов используется биосистемами: при переходе от человека к другим организмам варьируется только доля их участия, но не список. А этот список можно достаточно однозначно разделить на три группы: энзим-необразующих элементов, которые определяют осмотический гомеостаз, нейро-мускулаторную трансмиссию и биоминерализацию; группу трех основных элементов (железо, цинк, медь) — наиболее значимую в биохимии энзимов; и группу редких металлов (в некоторых организмах часть из них может переходить в разряд ключевых энзимо-образователей).

Следующий важный момент в химии металло-энзимов — это способ формирования фермента, т.е. какие лиганды металл координирует и какими типами связей. В качестве лигандов обычно выступают порфириновые циклы, образующие наиболее прочные комплексы под общим названием темы и аминокислотные фрагменты белковых молекул. Иногда в комплексообразова-ние включаются молекулы воды и некоторых других индивидуальных (мономерных) соединений. Аминокислотные остатки белковых молекул взаимодействуют с металлами своими боковыми радикалами, а поскольку металлы участвуют в энзимо-образовании своими ка-тионными формами (Мп+), то здесь предпочтительными оказываются наиболее электронодонорные функции (анионы и п-доноры). Лучше всего катионы металлов связываются с имидазольным фрагментом (His), с карбоксилат-анионом (Asp, Glu), с тиольной и сульфидными функциями (Cis, Met), с гидроксильными группами (Ser, Thr, Туг). Типы химических связей, которые при этом реализуются — ионные (солеобразование) и донорно-ак-цепторные (комплексообразование).

Схема 13.1

61/2 R-C<: м+

\2

R-S-M+

н

\

\

н

О:с

\

И, наконец, охарактеризуем валентное состояние металла. Из всех метал-лов-энзимообразователей только цинк ведет себя однозначно — Zn2+, тогда как со всеми остальными металлами этот момент не всегда ясен в силу их переменной валентности.

Из общих положений о металло-эн-зимах следует отметить еще следующее: поскольку металлы функционируют в последних в катионной форме — они являются кислотами Льюиса; а как переходные элементы они легко меняют свою валентность, т.е. проявляют окислительно-восстановительные свойства (кроме цинка). Кроме того, они могут менять (что часто и делают) свою валентность (т.е. степень окисления) и координационное число (т.е. присоединять и отщеплять лиганды) по ходу реакции.

В последнее время выделено и установлено строение целой серии су-перме- алло-энзимов, молекулы которых образованы с участием нескольких металло-атомов — одноименных

или различных, которые тесно связаны между собой либо непосредственно, либо сульфидными (иногда оксидными) мостиками, образуя иногда целые кластеры в качестве кофакторов ферментов. В деле установления структуры этих последних энзимов необходим