Учебное пособие Издание третье, стереотипное

Важнейшие биолиганды

Аминокислоты и их производные
В биологических системах присутствуют двадцать наиболее распространенных аминокислот. Кроме того, некоторые аминокислоты находятся лишь в отдельных белках, например оксилизин и оксипролин. Все эти аминокислоты представляют собой а-аминокислоты (аминогруппа находится в молекуле в ближайшем, т. е. в a-положении относительно карбоксильной) L-конфигурации, или левовращающие. У большинства из них аминогруппа — первичная. Исключение составляют пролин и оксипролин. В физиологическом диапазоне pH аминогруппа протонирована, т. е. заряжена положительно, а карбоксильная группа — ионизована, т. е. заряжена отрицательно. Поэтому аминокислоты называют цвиттерионами (здесь связанные противоионы). К взаимодействию с ионами металлов способны и аминогруппа (донор электронной пары азота), и карбоксильная группа (отрицательный заряд), а также многие группы, встречающиеся в боковых цепях, например -ОН в серине и тирозине, вторая группа СОО” в аспарагиновой и глутаминовой кислотах, -SH в цистеине, —S—S— в цистине, вторая азотсодержащая группа в аргинине или гистидине.
При взаимодействии с металлами для аминокислот характерно образование хелатов, при котором обе функциональные группы (бидентатный лиганд) образуют связи с одним атомом металла. Некоторые аминокислоты, имеющие в боковой цепи электронодонорную группу, например гистидин, способны играть роль тридентатных лигандов. Размер и форма боковой цепи определяют пространственные эффекты и влияют на форму полипептидных цепей.
В качестве лигандов могут выступать производные аминокислот, которые можно разделить на две группы: олиго- и полипептиды, являющиеся продуктами конденсации аминокислот, и другие производные, к которым относятся, например, гормоны и лекарства (адреналин — производное тирозина, пеницилламин — производное цистеина).
Олигопептиды (пептиды)
Это продукты конденсации аминокислот — олигомеры с молекулярной массой до 5000. Аминокислотные остатки связаны друг с другом пептидной связью. Полипептидная цепь расположена нелинейно из-за пространственных эффектов боковых цепей и наличия целого ряда взаимодействий: электростатических, гидрофобных, а также образования водородных, донорно-акцепторных, дисульфидных и сложноэфирных связей. Олигопептиды являются полидентатными лигандами.
Белки
Это высокомолекулярные природные соединения (полипептиды) — полимеры, состоящие из а-аминокислот. Благодаря наличию значительного числа функциональных групп и высокой организации пространственной структуры (первичной, вторичной, третичной и в ряде случаев четвертичной) белки являются уникальными лигандами по отношению к металлам. Как правило они образуют внутренние комплексы.
Ферменты
Это белки, обладающие каталитической активностью благодаря наличию в их структуре активных центров, высокоспецифичных к субстрату — веществу, подвергающемуся каталитическому воздействию. По химическому строению ферменты делятся на протеины (простые белки) и протеиды, активность которых зависит от групп небелковой природы — кофакторов (белковая часть протеида называется апоферментом). Кофакторами могут служить как металлы, так и органические молекулы, которые подразделяются на простетические группы (прочная связь с апоферментом, например гем) и коферменты (непрочная связь, в результате чего они легко отделяются от белковой части и могут существовать самостоятельно, например витамины).
Белки крови
К ним относятся альбумины, благодаря которым поддерживаются постоянными осмотическое давление и pH, и глобулины, которые участвуют в процессах переноса веществ и свертывании крови, в том числе у-глобулины,
которые играют важную роль в формировании иммунитета, связывая антигены и обезвреживая их.
Гормоны
Это вещества, вырабатываемые эндокринными железами и участвующие в регулировании процессов в организме за счет взаимодействия с ферментами или изменения проницаемости мембран. Гормоны делят на три группы:

1. 
   низкомолекулярные производные аминокислот и непредельные кислоты;
   
2. 
   олигопептиды и белки;
   
3. 
   стероиды.
   

Нуклеиновые кислоты и нуклеопротеиды
Нуклеиновые кислоты — это полинуклеотиды, обеспечивающие хранение и передачу генетической информации. В состав их молекул входят: углевод (рибоза в РНК или дезоксирибоза в ДНК), азотистые гетероциклические основания (пуриновые и пиримидиновые) и остатки фосфорной кислоты. Связь углевода с фосфорной кислотой — сложноэфирная, а с азотистым основанием — гликозид- ная. При физиологических значениях pH фосфаты ионизованы, в результате чего полимер заряжен отрицательно. Это способствует образованию соединений нуклеиновых кислот с катионами металлов. Азотистые основания содержат несколько электронодонорных атомов азота и кислорода, которые участвуют в этом процессе. Как полагают некоторые ученые, атомы азота азотистых оснований не принимают участие в непосредственном образовании донорно-акцепторных связей с ионами металлов. Их связывание может осуществляться только через молекулы воды.
Нуклеопротеиды — это комплексы нуклеиновых кислот с белками, образующиеся за счет электростатического взаимодействия. Они необходимы для осуществления различных, например репродуктивных функций организма.
Углеводы, липиды, карбоновые кислоты
В углеводах, являющихся лигандами в комплексах с металлами, донором электронной пары может быть кислород спиртовых или кетонных групп. В организме человека углеводы играют роль источника энергии и ее хранителя. В карбоновых кислотах в образовании соединений с катионами металлов участвует карбоксильная группа, которая при нейтральном pH крови находится в ионизованной форме. Липидами называют дифильные органические соединения, формирующие бислой клеточных мембран. Существуют различные типы дифильных мембранообразующих соединений: триглицериды (жиры) и жирные кислоты; фосфатиды, фосфолипиды — диглицеридо- вые или алкиловые эфиры фосфорной кислоты; терпены (например, витамин А), стероиды (например, холестерин). Заметим, что дифильными являются пептиды и белки.
Вода и неорганические анионы
Вода, как отмечалось, составляет 70% массы тела взрослого человека, из них 49% находится внутри клеток, 17% — в межклеточных жидкостях и 4% — в плазме крови. Катионы металлов в биологических жидкостях могут связывать молекулы воды с образованием комплексов или включать их в качестве лигандов в свои комплексы. Макромолекулы организма, например белки, не только включают воду в свой состав, в том числе ферменты в район активного центра, но и принимают благодаря ей определенную конформацию с гидрофильными группами на внешней и гидрофобными на внутренней поверхности.
Анионными лигандами являются карбонат-, фосфат-, сульфат-, галогенид-анионы, а также гидрокарбонат- и гидрофосфат- анионы.

2.