Железо и кобальт

В организме человека содержится около 5 г железа и 1,2 мг кобальта. Большая часть железа (70 %) сосредоточена в гемо­глобине крови; 14 % кобальта находится в костях, 43 % - в мышцах и остальная часть - в мягких тканях. Ежедневное по­требление железа - 10-20 мг, а кобальта - 0,3 мг.

Железо и кобальт - элементы 4 периода VIIIБ группы периодической системы с электронными конфигурациями 26Fe^: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²; ₂₇Со: 1 s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d4s².

Орбитальные радиусы, энергия ионизации и электроотрица­тельность для атомов Fe и Со составляют соответственно: r_орб -123 и 118 пм, E_и - 761 и 757 кДж/моль, ОЭО - 1,83 и 1,88. Наиболее характерные степени окисления для железа и кобаль­та +2 и +3.

В водных растворах катионы Fe²⁺, Fe³⁺, Со²⁺ и Со³⁺ гидратируются с образованием шестикоординационных аквакомплексов. Аквакомплексы [Ре(Н20)б]³⁺ и [Со(Н20)б]²⁺ устойчивы, [Fe(H2O)₆]²⁺ малоустойчив из-за восстановительных свойств Fe²⁺, а [Со(Н20)б]³⁺ неустойчив из-за сильных окислительных свойств Со.

Таким образом, Fe²⁺ - достаточно сильный восстановитель, способный окисляться даже кислородом воздуха, а Со³⁺ - на­столько сильный окислитель, что окисляет даже воду:

Оксиды и гидроксиды железа и кобальта независимо от сте­пени окисления проявляют слабые амфотерные свойства с пре­обладанием основных свойств, особенно в случае двухвалент­ного состояния, когда взаимодействие протекает только с концентрированными растворами щелочей и при нагревании. Однако взаимодействие СоООН (устойчивая форма) с соляной или серной кислотой осложняется протеканием окислительно-восстановительной реакции из-за сильных окислительных свойств Со³⁺.

Вследствие амфотерности оксидов железа и кобальта они обра­зуют двойные оксиды Fe₃0₄(FeO • Fe₂0₃), Со₃0₄(СоО*Со₂0₃), ко­торые можно рассматривать как соли Fe(Fe0₂)₂ и Со(Со0₂)₂. Ок­сид Fe30₄, растворяясь в соляной кислоте, образует соли двух- и трехвалентного железа, а взаимодействие Со₃0₄ сопровождается образованием СоСb и хлора:

Водные растворы железа и кобальта вследствие образования аквакомплексов окрашены по-разному: |Fе(Н₂0)б]²⁺ - бледно-зеленый, [Fе(Н₂0)б]³⁺ - желтый, [Со(Н20)₆]²⁺ - розово-красный, что используется в аналитической практике.

Катионы железа и кобальта очень склонны к комплексообразованию. Для них наиболее вероятно координационное число шесть:

Комплексообразование катионов железа и кобальта сильно, но по-разному влияет на их окислительно-восстановительные свой­ства в зависимости от соотношения устойчивости комплексов окисленной (М³⁺) и восстановленной (М²⁺) форм с одними и теми же лигандами (разд. 10.3). Эта особенность окислительно-восста­новительных свойств ионов железа в их биокомплексах важна для понимания работы цитохромов и различий в их окислитель­но-восстановительных свойствах (разд. 9.3). Комплексообразова­ние Со³⁺ с лигандами более активными, чем молекулы воды, делает его устойчивым в водных растворах.

Биологическая роль железа. К наиболее важным железосо­держащим биосубстратам относятся гемоглобин и различные его производные, строение, функции и свойства которых были уже рассмотрены (разд. 10.4). Существует большая группа, около 50 видов, железосодержащих ферментов - цитохромов, которые ка­тализируют процесс переноса электронов в дыхательной цепи за счет изменения степени окисления железа

(разд. 9.3 и 10.4). Железосодержащими ферментами также яв­ляются каталаза и пероксидаза, активные центры которых со держат железо в степени окисления +3. Каталаза чрезвычайно эффективно ускоряет разложение пероксида водорода: одна молекула каталазы за 1 с может разложить до 44 000 молекул Н2О2. Пероксидаза ускоряет реакции окислительного дегидрирования субстратов RH2 пероксидом водорода:

Таким образом, эти ферменты защищают клетку от Н₂02 - про­дукта свободнорадикального окисления.

В процессе эволюции природа создала замкнутый цикл ис­пользования железа. Все субстраты, содержащие гемовое желе­зо (прежде всего, эритроциты), после использования разлагают­ся до катионов Fe³⁺, которые депонируются в виде молекул FeOOH и FeO • Н2РО4 с помощью белка ферритина. Молекула ферритина имеет форму полой сферы диаметром 12-14 нм, в ко­торой может находиться до 4500 таких молекул, упакованных очень плотно, почти как в кристаллической решетке. От ферри­тина железо переносится железосодержащим белком - трансферрином, который достаточно легко проходит через клеточную мембрану и доставляет железо в костный мозг, где образуется гемоглобин в новых эритроцитах.

Важную роль в организме играют многоядерные комплексы ферредоксин, рубредоксин и другие железосеропротеины общей фор­мулы . Активный центр этих комплексов имеет структу­ру "клетки", где кроме атомов железа (х = 1- 8) содержатся атомы серы двух типов: из остатков цистеина, входящих в состав протеи­на, и так называемая "лабильная сера", природа которой не выяс­нена. Железосеропротеины являются компонентами различных электроно-транспортных цепей и осуществляют перенос электронов за счет обратимых окислительно-восстановительных превращений.

При недостатке железа в организме (или большой потере его) развивается железодефицитная анемия. Для пополнения запасов железа ежедневная необходимая доза составляет 1 мг, но по­скольку из пищи поступает в организм только 10-20 % железа, то в продуктах питания содержание железа должно составлять 5-10 мг/сут. При слабости и истощении организма, а также для лечения железодефицитной анемии применяют аскорбинат железа(2), лактат железа(2), FeS0₄*7H₂0, "ферроплекс" (FeS0₄ с ас­корбиновой кислотой), глицерофосфат железа(3).

Биологическая роль кобальта. Кобальт в организме в ос­новном содержится в витамине B12, который является сложным азотсодержащим органическим комплексом Со³⁺ с координаци­онным числом, равным шести. Витамин В₁₂ необходим для нормального кроветворения и созревания эритроцитов, синтеза аминокислот, белков, РНК, ДНК и других соединений, без ко­торых нормальное развитие организма невозможно. Накаплива­ется витамин В₁₂ в печени. Его недостаток в организме вызыва­ет злокачественную анемию.

Механизм действия витамина B12 заключается в том, что не­которые его формы образуют в качестве кофермента соединения с витамином B6 или с некоторыми ферментами. В этих случаях он выполняет две основные функции: является метилирующим агентом или осуществляет взаимный перенос атомов водорода и различных групп между соседними атомами углерода биосуб­страта. При этом кобальт восстанавливается:

МЕДЬ

В организме взрослого человека содержится около 100 мг меди. В основном медь концентрируется в печени, в головном мозге, в крови. Средняя дневная доза потребления меди для человека 4-5 мг.

Медь - элемент 4 периода периодической системы, 1Б группы. На внешнем уровне находится только один 4s-электрон, зато Зd-подуровень приобретает сразу два электрона, что обеспечивает его полное заполнение (3d¹⁰) и энергетический выигрыш. Поэтому электронная конфигурация атома меди ls²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹. В соединениях медь проявляет степень окисления +1 и +2. В ря­ду напряжений металлов она стоит после водорода и является малоактивным металлом, который кислоты могут окислять лишь за счет аниона:

или в присутствии дополнительного окислителя в среде:

Известны два оксида меди Сu2О и СuО. Гидроксид меди(1) неус­тойчив, и при попытке его получения реакцией обмена выделя­ется оксид меди(1), который проявляет основные свойства:

Оксид меди(2) и гидроксид меди(2) проявляют слабые амфотерные свойства с преобладанием основных свойств:

В нейтральных и кислых растворах катион Си²⁺ гидратирован с образованием окрашенного в голубой цвет аквакомплекса [Cu(H2O)6]²⁺, который довольно прочно удерживает молекулы воды (т = 3*10^-8 с).

Катион Сu⁺ при повышенных температурах склонен к окис­лительно-восстановительной дисмутации: Это равновесие может быть смещено в любом направлении в зависимости от природы лиганда.

Катион Сu²⁺ - достаточно сильный окислитель, который может окислить альдегиды до карбоновых кислот, а некоторые тиолы до дисульфидов:

Катионы меди - сильные комплексообразователи по отноше­нию к лигандам, содержащим карбоксильную (—СОО-), амино-(—NH2), циано- (—CN^-) и особенно тиольную (—SH) группы, причем образуются комплексы нейтрального, катионного и анионного типа:

За счет реакции с тиольными группами белков катионы меди инактивируют ферменты и разрушают нативную конформацию белка. На этом основано их антимикробное действие:

Биологическое действие. Медь является необходимым мик­роэлементом растительных и животных организмов. Это связа­но со следующими ее особенностями. Во-первых, ионы меди по сравнению с ионами других металлов жизни активнее реагиру­ют и образуют более устойчивые комплексы с аминокислотами и белками. Во-вторых, ионы меди служат исключительно эф­фективными катализаторами, особенно в сочетании с белками. В-третьих, медь легко переходит из одного валентного состоя­ния в другое, что особенно благоприятствует ее метаболическим функциям. Например, при активации молекулы кислорода в реакциях окисления органических соединений.

Медьсодержащие ферменты окисления оксигеназы [ОКГСu⁺] присоединяют молекулу кислорода с образованием пероксидной цепочки и окислением меди из Сu⁺ в Сu²⁺. Образовавшийся ком­плекс фермента с молекулой кислорода окисляет биосубстрат:

Важную физиологическую функцию выполняет фермент супероксиддисмутаза [СОДСu²⁺], ускоряя реакцию разложения су­пероксид-иона *О2(-), возникающего при свободнорадикальном окислении веществ в клетке (разд. 9.3.9). Этот радикал очень активно взаимодействует с разными компонентами клетки, раз­рушая их. Супероксиддисмутаза, взаимодействуя с супероксид-ионом *О2(-), превращает его в молекулярный кислород и в пероксид водорода, при этом атом меди фермента выступает и окислителем, и восстановителем:

Важную роль в дыхательной цепи играет фермент цитохром-оксидаза [Fе²⁺ЦХ0Сu⁺], которая кроме меди содержит еще и железо (разд. 10.4). Цитохромоксидаза катализирует перенос электронов от окисляемого вещества на молекулярный кисло­род. В ходе каталитического процесса степени окисления меди и железа обратимо изменяются, а восстанавливающийся кисло­род, присоединяя протоны, превращается в воду:

Многопрофильную функцию в организме выполняет медь­содержащий белок плазмы крови - церулоплазмин [ЦПСu²⁺]. В церулоплазмине присутствует 98 % меди, имеющейся в плазме крови, и он выполняет не только роль резервуара для меди, но и транспортную функцию, регулируя баланс меди и обеспечи­вая выведение избытка меди из организма. Кроме того, церуло­плазмин катализирует окисление Fe²⁺ в Fe³⁺, участвуя в крове­творении:

Восстановленная форма церулоплазмина подобно цитохромок-сидазе катализирует четырехэлектронное восстановление моле­кулярного кислорода в воду:

Медь вместе с железом участвует в кроветворении. Дефицит меди может привести к разрушению эритроцитов, а также на­рушению остеогенеза с изменениями в скелете, аналогичными наблюдаемым при рахите.

У моллюсков и членистоногих кислород переносится медь­содержащим белком гемоцианином [ГЦСu⁺]. В отличие от гемо­глобина гемоцианин находится только в плазме, а не в клетках, и, кроме того, в процессе связывания и освобождения кислоро­да происходит окисление и восстановление меди в гемоцианине, что объясняет голубой цвет крови у этих организмов:

Возникшие в процессе эволюции высшие организмы для пере­носа кислорода используют гемоглобин, обеспечивающий более высокие концентрации кислорода в крови.

ЦИНК

В организме взрослого человека содержится 1,4-2,3 г цин­ка, из них 20 % - в костях, 65 % - в мышцах, 9 % - в крови, остальное - в печени и предстательной железе. Рекомендуемая ежедневная доза потребления составляет около 20 мг.

Цинк является d-металлом ПБ группы 4 периода периодиче­ской системы, его электронная формула ls²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s². Так как цинк имеет заполненный Зd-подуровень, то в образова­нии химических связей участвуют только два внешних 4s-электрона, и поэтому во всех соединениях цинк всегда проявляет степень окисления +2. Следовательно, в условиях организма для цинксодержащих биосубстратов окислительно-восстановительные превращения не имеют места, но для них характерны амфотерные и комплексообразующие свойства.

В кислых водных растворах катион Zn²⁺ образует акваком-плексы [Zn(H20)₄]²⁺, в которых молекулы воды удерживаются довольно прочно (т = 5*10^-7 с). Оксид и гидроксид цинка амфотерны и поэтому легко растворяются и в кислотах, и в щелочах:

С учетом большой склонности катионов цинка к комплек-сообразованию его амфотерность лучше выразить следующим равновесием:

Кислотные и основные свойства у гидроксида цинка выражены примерно одинаково с легким преобладанием основных свойств (рК1a = 7,8). Следовательно, в водных средах, близких к ней­тральным (5,8 < рН < 9,8), в растворе будет иметь место указанное равновесие между комплексными ионами цинка, что следует учитывать при описании механизма действия цинксо­держащих ферментов:

Цинк входит в состав более 40 металлоферментов. Так, ус­тановлено, что он входит в состав активного центра карбоан-гидразы, карбоксипептидазы, РНК- и ДНК-полимераз, супероксиддисмутазы и других.

Присутствие цинка в эритроцитах объясняется тем, что он содержится в карбоангидразе. Карбоангидраза катализирует про­цессы гидратации СO2 и дегидратации угольной кислоты, тем самым влияет на процесс дыхания, на его скорость и на газооб­мен в организме:

В карбоангидразе цинк с белком, содержащим 260 аминокислот­ных остатков, образует три донорно-акцепторные связи, а чет­вертая связь удерживает или молекулу воды, или гидроксильную группу. Соотношение этих форм зависит от рН среды. Механизм гидратации СО2 в активном центре карбоангидразы для этих случаев можно представить следующими схемами:

Подобный механизм действия, включающий две формы фер­мента, имеет место и в случае фермента карбоксипептидазы, катализирующего гидролиз пептидных связей.

Известное влияние оказывает цинк на углеводный обмен. Полагают, что благоприятное для организма больного диабетом влияние (удлинение гипогликемического эффекта), вызванное взаимодействием цинка с инсулином, заключается не только в стабилизирующем воздействии цинка на молекулу инсулина, но и в угнетении цинком процесса разрушения инсулина в тканях под действием фермента инсулиназы.

Цинк активирует биосинтез витаминов С и В. Установлено сти­мулирующее его действие на фагоцитарную активность лейкоцитов.