Эйхгорн Г. (ред.) Неорганическая биохимия. Том 1

Подождите немного. Документ загружается.

INORGANIC BIOCHEMISTRY

VOLUME 1

Edited by

GUNTHER

l. eichhorn

National Institutes of Health, Gerontology

Research Center, Baltimore City Hospitals,

Baltimore, USA

ELSEVIER SCIENTIFIC PUBLISHING COMPANY

AMSTERDAM - OXFORD - NEW YORK

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ

БИОХИМИЯ

ЕДАКТОР

ЭЙХГОРН

ПЕРЕВОД С АНГЛИЙСКОГО

"ГОД РЕДАКЦИЕЙ

аоктора хим. наук

М. Е. ВОЛЬПИНА

и акад. АН УССР

К. Б. яциМИРСКОГО

ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» • МОСКВА 1978

УДК 546 + 577.1

Первый и пока единственный в мире фундаментальный труд в

области неорганической биохимии — одной из самых молодых отрас-

лей науки. Она охватывает такие вопросы, как исследование роли

металлов в биологических системах на молекулярном уровне, моде-

лирование биологических процессов, химическая бионика.

В т. 1 кратко обсуждены основные положения химии коорди-

национных соединений, устойчивость комплексов и методы опреде-

ления их структуры. Рассмотрены комплексы металлов с белками,

их роль в жизненно важных процессах и отдельные представители

класса металлопротеинов. Дан обзор металлоферментов, их струк-

тур и механизмов, посредством которых ионы металлов участвуют

в ферментативной активности.

Книга предназначена как для исследователей, непосредственно

работающих в области бионеорганической химии, так и для пред-

ставителей смежных областей — химиков-органиков, физико-хими-

ков, биохимиков, медиков.

Редакция литературы по химии

Publishing Company, Amsterdam

20504-090

041(01) 78—© Перевод на русский язык, «Мир», 1978

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА

Предлагаемая вниманию читателей книга представляет собой

самую полную и исчерпывающую из всех существующих в настоя-

щее время монографий, посвященных проблемам неорганической

биохимии.

Вопросы, находящиеся на стыке двух областей науки — неор-

ганической химии и биологии, в последние годы привлекают все

больше внимания исследователей, работающих и в том, и в дру-

гом направлениях научных поисков. Не случайно в последнее вре-

мя появилось много книг, брошюр и статей, посвященных бионеор-

ганической химии, т. е. по сути тем же проблемам, но названным

несколько иначе. Повышенный интерес к этим вопросам вызван

не только развитием биологии, биохимии, неорганической химии,

но и необходимостью решения многих прикладных задач из об-

ласти медицины, сельского хозяйства, охраны окружающей среды

и т. д. Многие из поднятых в книге вопросов не могли быть реше-

ны раньше из-за отсутствия необходимых точных методов иссле-

дования и современной аппаратуры.

Отдельные главы книги, написанные разными авторами, неод-

нородны по содержанию. Первые главы в обоих томах посвяще-

ны по сути дела проблемам «чистой» координационной химии,

в других разделах изложены вопросы, относящиеся главным об-

разом к чисто биохимическим проблемам.

Для решения задач неорганической биохимии необходимо зна-

ние электронного строения природных комплексов, включающих

биометаллы (от одного до нескольких атомов) и соответствующее

окружение (ближайшие и более удаленные атомы). В книге рас-

смотрена электронная структура природных комплексов, содержа-

щих в своем составе железо (гл. 3). К сожалению, этого не сде-

лано по отношению к биокомплексам других жизненно важных

металлов.

Большое внимание в книге уделено вопросам окислительно-

восстановительных реакций, причем в двух главах (гл. 19 и 20)

рассматриваются общие вопросы протекания этих реакций в хи-

мии координационных соединений и при катализе ионами метал-

Предисловие редакторов перевода

лов. Специальная глава (гл. 23) посвящена сопоставлению хими

ЧС.екой и биологической фиксации азота. Интересен материал

(гл. 14), касающийся функции металлов в металлоферментах

Здесь дан обстоягельиый критический анализ современных мето-

дов выяснения роли ионов металлов в ферментативных реакциях

Отдельные очень важные классы бионеорганических соедине-

ний рассмотрены в книге достаточно подробно. К таким соедине-

ниям можно отнести сидерохромы, различные ионофоры, ферри-

тин, трансферрины, церулоплазмин, гемэритрин, гемоцианин, кар-

боксипептидазы и карбоангидразу, киназы, оксидазы, ферредокси-

ны, гемоглобин и миоглобин, цитохромы b и с, цитохромоксидазы,

пероксидазы и каталазы, хлорофилл, корриноиды, комплексы ме-

таллов с витамином B

, флавином, нуклеозидами, нуклеотидами,

полинуклеотидами и нуклеиновыми кислотами. Насколько нам

известно, такое детальное рассмотрение строения и функций пе-

речисленных соединений до сих пор нигде не проводилось.

Книга написана весьма квалифицированными авторами. Груп-

пировка материала производилась главным образом на основании

принципов, широко используемых собственно в биохимии.

Книга, которая представляется нам весьма полной и интерес-

ной, несомненно должна заинтересовать широкие круги специали-

стов в области молекулярной биологии, биохимиков и химиков-

неоргаников и особенно тех, кто занимается проблемами бионеор-

ганической химии и координационной химии применительно к

биологической химии.

М. Вольпин

К. Яцимирский

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА

АМЕРИКАНСКОГО ИЗДАНИЯ

Название «неорганическая биохимия» до недавнего времени

казалось большинству, да многим кажется и теперь, парадоксаль-

ным, так как биохимия звучит как «органическая химия». Синтез

мочевины Вёлером в 1828 г. показал, что органическая химия не

обязательно должна быть биохимией, но еще целое столетие после

этого биохимические явления продолжали ассоциироваться пре-

имущественно с органической химией. В последние годы четкое

разграничение между классическими химическими дисциплинами,

так же как и между научными дисциплинами вообще, было нару-

шено. В ходе этого процесса стала очевидной полезность погра-

ничных областей между классическими разделами химии.

Общность интересов неорганической химии и биохимии была,

конечно, уже давно очевидна отдельным исследователям. Ученым,

занимающимся науками о жизни, приходилось сталкиваться в

своих исследованиях с проблемами неорганической химии и ре-

шать их. Химики-неорганики также иногда понимали, что их ра-

бота имеет отношение к биологическим процессам, и руководство-

вались этим в развитии своих исследований. Однако только

в 1950 г. были установлены контакты между химиками-неоргани-

ками и биохимиками благодаря созыву конференции по вопросам,

представляющим взаимный интерес, а в последние несколько лет

такие конференции стали обычными.

Широкое распространение недавно возникшего интереса к не-

органической биохимии делает эту монографию сейчас даже более

своевременной, чем это было тогда, когда издатели впервые пред-

ложили написать такую книгу. То, что предполагалось вначале

как монография одного или двух авторов, разрослось в двухтом-

ное издание, включающее 34 главы, написанные 45 авторами.

Большое число работ в этой области, опубликованных в печати,

позволяет дать исчерпывающее изложение вопроса.

Хотя материалы некоторых симпозиумов, посвященных этим

вопросам, были опубликованы, а также появилось несколько об-

зоров, необходимость исчерпывающей монографии по неорганиче-

ской биохимии стала очевидной; в связи с этим следовало опре-

Предисловие редактора американского издания

делить и ограничить круг вопросов, которые должна охватыват

такая монография. Очевидно, что наличие в биологических вещ(

ствах таких элементов, как сера, азот или фосфор, не оправдывг

ет их обсуждения здесь даже в том случае, когда химия эти

веществ, определяемая этими элементами, имеет «неорганиче

скую» сущность, так как это привело бы к совпадению неорга

нической биохимии с биохимией вообще. Термин «неорганически:

биохимия», по-видимому, должен ассоциироваться с идеей участи:

ионов металлов в биологических процессах. Поэтому мы принял!

произвольное, но, надеюсь, оправданное и полезное определение

неорганической биохимии как приложения принципов координа

ционной химии металлов к биологическим проблемам. Для тоге

чтобы еще больше ограничить круг рассматриваемых вопросов

мы здесь не будем касаться применения координационных соеди-

нений в качестве лекарственных препаратов и пищевых продуктов,

за исключением краткого упоминания об этом во введении.

После определения круга рассматриваемых проблем встает

вопрос о том, как их скомпоновать. По-видимому, возможны раз-

личные схемы изложения. Одна из них — взять за основу атом

металла, имеющийся в соединении, т. е. все соединения меди

должны быть рассмотрены вместе, так же как соединения желе-

за, цинка и т. д. Такое рассмотрение представляло бы несомнен-

ную ценность. Однако мы предпочли в этой монографии взять за

основу структуру лигандов, полагая, что таким образом можно

добиться большей связности изложения. Материал по главам рас-

положен таким образом, чтобы обеспечить логическое развитие,

основанное на структурном сходстве.

Многие биологические координационные соединения пред-

ставляют собой макромолекулы. Мы предполагали уделить вни-

мание главным образом химии металла, но для ее понимания ча-

сто существенно рассмотреть, как влияет металлическая компо-

нента на конформацию макромолекулы, и поэтому значительное

внимание было уделено также «органической» части молекулы.

В то же время, поскольку основу этой книги составляет коорди-

национная химия, были включены некоторые существенно «неор-

ганические» главы. Таким путем могли быть установлены отноше-

ния между биологическими координационными соединениями и

«модельными» неорганическими комплексами. Во многих главах

биологические вещества и модельные соединения рассматривают-

ся вместе, но основное внимание уделяется биологическим веще-

ствам.

Часть I имеет своей целью дать биохимику достаточное пред-

ставление об основах неорганической химии и избавить его от

необходимости обращаться к учебникам или литературе по неор-

ганической химии для того, чтобы понять многие (но, конечно, не

все) неорганические явления, встречающиеся в последующих раз-

9 Предисловие редактора американского издания

елах этой монографии или в его собственных исследованиях,

,аны многие «ключи» для объяснения неорганических биохими-

еских явлений. Гл. 1 представляет собой введение в химию коор-

инационных соединений и не ограничивается только ионами ме-

аллов, которые в настоящее время известны как «биологиче-

кие», так как структура и стереохимия могут быть лучше поняты

утем ссылок на наилучшие примеры независимо от того, какие

юны металлов использованы для этой цели. Так, даже комплек-

ы платины могут иметь -биологическое значение (см. «Введе-

те»), В гл. 2 развиваются концепции, касающиеся структуры и

остойчивости, наиболее ярко представленные на примере сравне-

гая устойчивости различных биологических комплексов. Гл. 3

!ллюстрирует полезность исследований, основанных на рассмот-

рении электронной конфигурации для выяснения строения неко-

торых веществ, описанных в последующих главах этой книги.

Многие биологические координационные соединения являют-

ся белками; они обсуждены в частях II—VI. Часть II начинается

с систематического рассмотрения (гл. 4) данных о комплексах

металлов с мономерами белков — аминокислотами и простыми

олигопептидами. Затем следует обзор некоторых встречающихся

в природе ол'игопептидов, которые в организмах обычно связыва-

ются с железом (гл. 5) и со щелочными металлами (гл. 6). Неко-

торые из этих веществ — олигопептиды, а другие — нет, но коор-

динационные свойства этих пептидных и непептидных соединений

во многом сходны. В гл. 7 рассматривается взаимодействие ионов

металлов с белками, для того чтобы продемонстрировать типы

координационных центров макромолекул, с которыми могут свя-

зываться ионы металлов.

В части III обсуждены некоторые биологические металлопро-

теины, принимающие участие в хранении и транспорте железа

(гл. 8 и 9) и меди (гл. 10), а также некоторые связывающие

кислород металлопротеины, обнаруженные в низших организмах

(гл. 11 и 12).

В части IV рассмотрены структуры металлоферментов и ме-

ханизмы, посредством которых ионы металлов принимают участие

в ферментативной активности, в частности, в разрыве связей.

В гл. 13 обсуждаются способы, которыми ионы металлов вызыва-

ют химические изменения в лигандах без помощи белков. В гл. 14

дан обзор металлоферментов, не рассматривающихся отдельно

в последующих главах. В гл. 15 и 16 некоторые металлоферменты

рассмотрены более подробно, частично из-за более обширной ин-

формации об этих металлоферментах, доступной в настоящее вре-

мя; другие ферменты рассмотрены отдельно в гл. 17 и 18 вследст-

вие относительной легкости классификации этих групп ферментов.

Те ферменты, которые принимают участие главным образом в ре-

акциях окисления — восстановления, а также ферменты, содержа-

Предисловие редактора американского издания

щие порфирнкы или другие простетические группы, рассмотрен

в т. 2 (гл. 19—34).

Ферментативные реакции окисления — восстановления спсщ

ально рассматриваются в части V, которая начинается с обсуждс

ния (гл. 19) реакций окисления — восстановления координации

ных соединений, включающего изложение теории и ее примененп

к биологическим системам. Гл. 20 содержит классификацию реаь

ций оксигеннрования с помощью металлов в присутствии и в от

сутствие ферментов. В гл. 21 обсуждены различные типы медьсо

держащих оксидаз. Белки типа ферредоксина участвуют в перс

носе электрона, они охарактеризованы в гл. 22, за которой следу

ет гл. 23, посвященная фиксации азота и ферментам нитрогепа:ш

В рассмотренных до сих пор белках ионы металлов были при

соединены к боковым цепям аминокислот белков. В части VI мь

начинаем рассмотрение белков, в которых ионы металлов присо

единены не непосредственно к белкам, а к «простетическим труп

пам» или «коферментам». Наиболее распространенной простети

ческой группой является порфирин; за обсуждением порфириног

в гл. 24 следуют гл. 25—28, посвященные железопорфириновым

соединениям, гемопротеинам, и гл. 29, в которой обсуждается маг-

ниевое производное порфирина, хлорофилл. На основании струк-

турного сходства с порфиринами коррины, а также коферменты

и витамин Bi

рассматриваются в гл. 30.

Часть VII посвящена комплексам металлов с другими просте-

тическими группами. Нельзя сказать с определенностью, что ком-

плексы металлов с витамином B

(гл. 31) имеют биологическое

значение, но они представляют собой прекрасные модели фермен-

тативных процессов, катализируемых витамином B

. Комплексы

металлов с флавинами и флавопротеинами рассмотрены в гл. 32.

Часть VIII о взаимодействии ионов металлов с нуклеиновыми

кислотами начинается с гл. 33, в которой рассмотрены комплексы

металлов с нуклеозидами и нуклеотидами; они обладают некото-

рым сходством с металлофлавиновыми комплексами. Наконец,

в гл. 34 обсуждаются комплексы металлов с полинуклеотидами

и нуклеиновыми кислотами, а также их биологическое значение.

Хотя такой порядок изложения имеет ряд преимуществ, мож-

но было бы предложить и другую последовательность, также об-

ладающую достоинствами. Так, можно оспаривать целесообраз-

ность включения цитохрешов при рассмотрении реакций окисле-

ния — восстановления до обсуждения порфиринов. Однако кажет-

ся предпочтительным обсудить порфирины перед цитохромами;

действительно, часть VI в основном касается реакций окисле-

ния — восстановления, и поэтому логически она следует за ча-

стью V. Могло бы быть оправданно помещение части VIII перед

частью IV, так как комплексы нуклеотидов, обсужденные лишь

в гл. 33, важны для изложения материала в гл. 18. Однако тогда

10 Предисловие редактора американского издания

л. 34 была бы не на месте. Очевидно, не существует полностью

довлетворительной последовательности, и поэтому некоторые

опросы пришлось повторять в различных местах. Мы избегали

овторения во всех случаях, когда при этом не страдала ясность

[зложения. Для того чтобы достигнуть этого, а также и для дру-

их целей, поддерживались постоянные 'контакты между автора-

ми, а также между авторами и редактором.

Сотрудничество авторов (некоторые из них сделали ценные

оказания и к тем частям, которые были написаны не ими) оказа-

юсь очень полезным. Я получил ценные советы от очень многих

13 них. Я обязан моим коллегам Натану А. Бергеру, Джеймсу

Ц,ж. Бутсову, Патриции Кларк, Джейн Гейм, Джозефу Пита, Кар-

мен Ричардсон, Джозефу Рифкинду, Иомгу А. Шину и Эдварду

Гариену за их помощь во время подготовки и редактирования

этой книги.

Я благодарю Национальный институт здоровья, субсидировав-

ший написание этой книги.

Я очень обязан моему секретарю Жаклин Блейк за ее дели-

катную помощь на всех этапах издания этой книги. И наконец,

я должен поблагодарить мою жену и детей за их терпение во

время осуществления этого проекта, которое заняло значительно

больше времени, чем мы предполагали.

Г. Эйхгорн