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

Подождите немного. Документ загружается.

Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами

153-

кий раз, когда полифункциональный лиганд действует полидентат-

но, одна молекула его замещает две или большее число молекул

воды или другого монодентатного лиганда из окружения иона

металла. Образующийся хелатный комплекс имеет дополнитель-

ную термодинамическую устойчивость вследствие того, что энтро-

пия (мера неупорядоченности) системы увеличилась*. «Хелатный

эффект» объясняет, почему существует лишь небольшое число

комплексов, в которых аминокислоты или пептиды действуют как

монодентатные или нехелатирующие лиганды. Следовательно,

рискованно переносить безоговорочно закономерности взаимодей-

ствия металлов с пептидами на взаимодействие металлов с бел-

ками, так как связь металла с донорным атомом, которая неустой-

чива, может стабилизироваться, если ее образование приводит к

замыканию пяти- или шестичленного кольца.

Во-вторых, все больше появляется доказательств того, что ак-

тивные центры ферментов, в том числе и металлоферменгов, на-

ходятся в полостях или карманах белковой структуры, которые

выстланы главным образом неполярными боковыми цепями амино-

кислот и моделируют, таким образом, неводные растворы. Сле-

довательно, связывание металла таким активным центром или

вблизи него по сути осуществляется в неводных растворах, ди-

электрические проницаемости которых должны отличаться от ди-

электрических проницаемостей водных растворов электролитов, в

которых было исследовано большинство комплексов металлов с

пептидами. В то время как взаимодействие металлов с пептидами

в водных растворах может адекватно представлять условия на

поверхности раздела между белком и окружающей средой, оно

не может быть хорошей моделью того, что происходит внутри бел-

ковой молекулы.

Значительная доля сведений о местах связывания аминокислот

получена анализом кристаллической структуры. Но это не значит,

что каждое взаимодействие, которое обнаружено в данной кон-

кретной структуре, сохраняется при растворении комплекса**.

По-видимому, некоторые межмолекулярные взаимодействия не со-

храняются, в противном случае не происходило бы растворения.

Нельзя также утверждать, что взаимодействие, которое не под-

тверждено анализом кристаллической структуры, не может иметь

место в растворе. Однако неточности, связанные с тем, что дан-

ным о кристаллической структуре придается слишком большое

значение, не больше, чем опасность, возникающая от попыток де-

лать выводы о структуре на основании данных, полученных с по-

* При образовании хелата происходит также дополнительное уменьшение

энтальпии (экзо-эффект), что существенно влияет на стабильность хелата (гл. 2,

разд. 2.2.2). — Прим. ред.

** Последние исследования американских ученых подтвердили это важное

предположение. — Прим. ред.

Глава 4

мощью приборов, которые не прямо измеряют структурные свой-

ства. По крайней мере можно быть уверенным, что любая комп-

лексная частица, существование которой подтверждено анализом

кристаллической структуры, была в растворе, из которого выпали

кристаллы. Эти частицы могли быть не единственными в растворе

и даже не преобладающими, но невероятно, чтобы новые комплек-

сы возникали как артефакт процесса кристаллизации. Наиболее

целесообразно использовать все увеличивающееся число структур-

ных данных для построения и проверки модели процессов или

свойств, обнаруженных другими методами.

1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГРУППЫ АМИНОКИСЛОТ

И ПЕПТИДОВ КАК МЕТАЛЛСВЯЗЫВАЮЩИЕ ЦЕНТРЫ

Участие данной функциональной группы в связывании металла

зависит от двух факторов, а именно: насколько успешно эта функ-

циональная группа конкурирует с другими соседними и насколькс

успешно ионы металла конкурируют с протонами за потенциаль

но донорные атомы. Часть ответа на первый вопрос можно полу-

чить из анализа констант диссоциации функциональных групп

Чем ниже значение р/С

, тем больше способность донорного атоме

к образованию связи металл—лиганд. В соответствии с этиь

тенденция к связыванию металла будет изменяться в следую

щем порядке: карбоксил>имидазол>аминогруппа (рДсоон —1.8

P^CimH

-6,5, рДкнз —9,0). Однако было бы рискованно исполь

зовать один только этот критерий, так как порядок значений p/i

может быть иным, чем порядок изменения энтальпии при коми

лексообразовании, которая является мерой относительной термо

динамической устойчивости связей металл—лиганд и протон—ли

ганд. И наконец (как уже отмечалось), связи с низкой энталь

пией образования могут тем не менее стабилизироваться благо

приятными энтропийными факторами.

1.1. Концевые аминогруппы

Несмотря на высокие значения р/С

, концевые аминогруппы

—

наиболее обычные места связывания металла. Координации спо

собствуют, во-первых, сильный электронодонорный (основный) ха

рактер атомов азота аминогрупп, во-вторых, относительно силь

ное влияние поля лигандов аминного атома азота в комплекса:

переходных металлов и, в-третьих, тот факт, что атомы кислород;

карбоксильной или пептидной группы, способные образовывав

хелатное кольцо, никогда не бывают разделены более чем трем:

или четырьмя атомами. Единственное геометрическое требование

состоит в том, чтобы угол M—М(амино)—C

был почти тетра

Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами 155-

>дрическим (109+1° в а-аминокислотах, 110±0,4° в пептидах и

[13+2° в р-аминокислотах).

Хелатообразование по концевым аминогруппам найдено в кри-

•.таллических структурах всех комплексов, в которых аминокисло-

'ы или пептиды действуют как бидентатные или еще более высо-

содентатные лиганды. Типичными примерами являются Zn(Gly)

O (I) HZn(Gly-Gly)

-H

O (II) [12, 13].

O=C'

-O-

-NH

-CH

-Zn-

0¾

-о

C=O

C-

-Zn-

N»

^CH

\ O O

б CH

==с

HN-CH

-о

о о\/

/ NH

н,с

C-NH

-О

Ч,

-Zn NH

--CH

Для ряда комплексов переходных металлов с аминокислотами и

ептидами термодинамические функции реакций комплексообра-

эвания M

+L-=^fcML

и ML++L-=FtML

определены из темпера-

/рных градиентов констант равновесия [14—16] и из калори-

етрических измерений [15, 17—19]. Наиболее значительные от-

лцательные вклады в энтальпию хелатообразования дает обра-

звание связей металл — атом азота аминогруппы [14, 15]. Изме-

эние энтальпии при связывании металла с карбоксильным

гомом кислорода фактически не благоприятствует реакции [15],

хелатообразование всецело обусловлено увеличением энтропии в

гзультате освобождения акво-лигандов и взаимной нейтрализа-

m зарядов металла и карбоксильной группы.

Координация через концевые аминогруппы без образования хе-

атных колец обнаруживается гораздо реже. Ag(I)-OFLHH из ме-

156

i лава 2

таллов, с которым комплексообразование происходит по таком;

типу. Его электронная конфигурация d

и геометрия координаци

онного полиэдра является линейной или тетраэдрической. Замы

кание пяти- или шестичленных хелатных колец с образование!

линейного комплекса невозможно, а тетраэдрического комплекс;

затруднено, поэтому координация Ag(I) с полидентатными ли

гандами приводит к образованию либо полиядерных комплексоь

либо таких комплексов, у которых не все функциональные групп!

участвуют в связывании металла. Образование комплексов пер

вого типа подтверждается кристаллической структурой комплекс

Ag(Gly), который состоит из бесконечной цепи звенье

-Ag-NH

COO-Ag-NH

COO- (III) [20]. Этот комг

леке кристаллизуется также в форме [Ag(Gly)J-

O, в которо]

чередующиеся атомы серебра связаны с двумя атомами азот

аминогрупп и двумя атомами кислорода карбоксильных груп

соответственно (IV) [20]. В обеих структурах лиганды должш

быть бидентатными, так как на один атом серебра приходите

только одна молекула лиганда.

о—

/С

-4

О Ag O^

O-Ag-NH

СН2

\ /~

-C. -Ag-NH

О О NH

-Ag-NH

/ О

-Ag-NH

H H

III IV

Известно, что связи Ag—OH

очень слабые, так что молекул

O не могут вытеснить амино- или карбоксильные группы, чтоб

таким образом выполнялось требование связывания атома Ag, г

крайней мере с двумя донорными атомами. В водных растворг

и твердых комплексах с соотношением металл — лиганд 1 :2 им

ется больше донорных атомов, чем необходимо, поэтому образу!

щиеся связи должны иметь наибольшую энтальпию образовани

Величины энтальпии образования неизвестны, но для аминокислс

с боковой цепью, не содержащей функциональных групп, конста

ты устойчивости, соответствующие образованию комплексов Ag

и [AgL

]- (lgP

101

= 3,5—4,0; Ig P

102

= 6,5-7,5 [21-23]), аналоги

ны константам устойчивости комплексов Ag — аммин и увелич

ваются в таком же порядке, как константы кислотной диссоциащ

/CNHS аминокислотных лигандов. Отсюда заключили, что сереб]

связывается только атомом азота аминогрупп [23, 24]. К анал

гичным выводам пришли в результате исследования ИК-спектр|

твердых комплексов LifAg(Nle)

]. В комплексе асимметричн;

полоса поглощения карбоксильной группы остается неизменной i

Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами 157-

сравнению с полосой поглощения свободного норлейцина (HNle),

что дает основание предположить, что карбоксильная группа сво-

бодна [25] (хотя аргументы такого типа можно подвергнуть кри-

тике, если отсутствуют наблюдения за частотами валентных коле-

баний связей металл — лиганд [26]).

Pt(II) —другой металл, к которому аминокислоты часто коор-

динируются только через атомы азота аминогруппы. Комплексы

[Pt(Gly)

]

- (V), [Pt(Gly)

]- (VI), [Pt(GlyH)

] (VII) и

[Pt(GlyH)

(NH

)

]

+ (VIII) охарактеризованы либо только пре-

паративно [27—29], либо по величинам контактных сдвигов сиг-

налов протонов в спектрах ПМР [30]. Монодентатная координа-

ция в этих комплексах объясняется тем, что донорами являются

атомы азота, которые, находясь близко к концу спектрохимиче-

OOCCH

NHa NH

COO- H

C-NH

^ /NH

COO-

-OOCCH

NH.

COO- O=C о/

CHoCOO-

V VI

[Pt(Gly)

]

[Pt(Gly)

^ /NH

COOH H

^ /NH

COOH

Cl^

COOH H

4 4

COOH

VII VIII

[Pt(GlyH)

] [Pt(GlyH)

(NH

)

]

ского ряда (источники сильного поля), вызывают значительную

стабилизацию кристаллическим полем квадратно-плоскостных

комплексов Pt(II) [т. е. энтальпия связывания возрастает за счет

энергии стабилизации кристаллическим полем (ЭСКП) конфигу-

рации d

]. Этот эффект настолько выражен, что атомы азота ами-

ногрупп могут связывать Pt(II) даже тогда, когда карбоксильные

группы молекул лиганда протонированы, как в VII и VIII, в ре-

зультате чего порядок, выведенный на основании значений рK

становится обратным.

1.2. Концевые и находящиеся в боковых цепях

карбоксильные группы

Уже отмечена способность карбоксильных групп участвовать

в образовании хелатных колец. С металлами, имеющими подхо-

дящую «координационную геометрию», способность карбоксиль-

ных групп участвовать в хелатообразовании зависит от присут-

ствия второго донорного атома в подходящем месте для замыка-

ния пяти- или шестичленного кольца. Это условие выполняется в

а- и р-аминокислотах, так как они имеют концевую аминогруппу,

и этим объясняется хелатная структура большинства аминокис-

лотных комплексов. В пептидах, за исключением особых случаев

158

i лава 2

(разд. 4.7), концевая карбоксильная группа неблагоприятно рас-

положена по отношению ко второй координирующейся группе,

если только это не концевая СОО-группа гистидина. Следова-

тельно, взаимодействие металлов с атомами кислорода карбок-

сильных групп в пептидах должно протекать без хелатообразова-

ния или вовсе отсутствовать. Кроме того, при тех значениях pIT,

при которых аминокислоты и пептиды находятся в форме цвиттер-

ионов +NH

CHR(CONHCHR)

COO- (и при которых такая основ-

ная группа боковой цепи, как имидазол, протонирована), отри-

цательно заряженная карбоксильная группа является почти един-

ственной группой, которая может непосредственно связываться с

металлом. В этих условиях наиболее вероятно образование связи

металл — карбоксил для тех ионов металлов, на которые не влия-

ет ЭСКП. Ионы металлов, которые образуют прочные ковалент-

ные связи с сильными донорами электронов, а также те, которые

имеют большие значения ЭСКП в присутствии лигандов сильного

поля, могут успешно конкурировать с протонами за неподелен-

ную пару электронов атома азота концевой аминогруппы, как мы

видели это на примере комплексов Pt(II) (формулы VII и VIII).

Экспериментальным доказательством монодентатной координа-

ции через атомы кислорода карбоксильных групп служат кон-

тактные сдвиги в спектрах ПМР растворов гистидинового комп-

лекса Co(II) (растворы в D

O при низких значениях pD) [31]

а также частоты валентных колебаний карбоксильных групп Е

ИК-спектрах комплексов 1 : 1 D.L-аланина и L-гистидина с эле-

ментами первого переходного ряда [32]. Кроме того, взаимодейст-

вие металлов с атомами кислорода карбоксильных групп без хе-

латообразования было обнаружено для ряда комплексов, имеющих

кристаллическую структуру и выделенных при низких значения?

рН. Можно было бы подумать, что между положительно заряжен

ными ионами металла и отрицательно заряженными карбоксиль

ными атомами кислорода образуется простая связь, в которой

доли ковалентного и ионного вкладов зависят от электроотрица

тельности металла. Однако такое предположение было бы слиш

ком оптимистичным. На рис. 4.1 показаны пять типов взаимодей

ствий металлов с атомами кислорода карбоксильной группы, ко

торые можно обнаружить в кристаллической структуре комплек

сов аминокислот и пептидов. При взаимодействии по типу а одш

атом металла связывается с одним карбоксильным атомом кис

лорода. При взаимодействии по типу б «свободный» карбоксиль

ный атом кислорода связывается, но не так сильно со вторым ато

мом металла. В форме в карбоксильная группа более или мене»

одинаково связывает два атома металла, при этом она сама ста

новится симметричным мостиком между ними. (Различия в ИК

спектрах дают возможность дальше подразделить типы бив!

соответствии с расположением относительно связей металл — кис

Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами

159-

лород на анти.анти, син.анти или син.син [33].) В формах гид

карбоксильная группа ведет себя как бидентатный лиганд, обра-

зуя несимметричное четырехчленное хелатное кольцо типа г или

симметричное кольцо типа д.

Тип а. Самый простой тип монодентатной координации через

карбоксильную группу был обнаружен только в одной структуре

M M

0 O

О .0 ,0

с- tc- / >- <>-

/ 0

м-о' ^o

1 I

M M M

q бег с)

Рис. 4.1. Типы взаимодействий металл—карбоксильный кислород.

[Fe(HGly)SO

]-5Н

0 [34]. Более точная формула этого комплек-

:а [Fe(H

] [Fe(HGly)

] (SO

)

- В октаэдрических ионах

[Fe(HGly)

]

молекулы глицина расположены в транс-

юложении одна к другой и каждая связана с металлом только

эдним карбоксильным атомом кислорода (IX).

,(X

<L »

u 2

Тип в*. Взаимодействие ионов Ag

с аминокислотами и пепти-

дами при низких значениях рН приводит к образованию таких

сомплексов, как Ag(HGly)NO

(X) и Ag(HGly-Gly)NO

(XI)

'20, 35]. Атомы серебра координируются приблизительно линейно

: аш,сгш-конфигурацией относительно карбоксильной группы.

Гакой же тип взаимодействия металла с карбоксильным

:ислородом, но с анти, сшти-конфигурацией обнаружен в

Nd(HGly)

]Cl

-H

O (XII) [36]. Большие атомы Nd(III)

шеют координационное число 8. Шесть координационных мест

аняты карбоксильными атомами кислорода, принадлежащими

иести различным молекулам глицина. Соседние атомы Nd(III)

! кристалле связаны тремя мостиковыми карбоксильными труп-

ами из трех молекул глицина, каждая из которых координиру-

йся по типу в.

* Координация по типу б автором не рассматривается. — Прим. ред.

160 i лава 2

О—Ag—О NH

/' % /

сн

—с! ;с-сн

/ V ''

O-A

-O

O-Ag-O NH-C

-CH

CHj-C^ Vc

C-NH О—Ag—О

O- -Nd ОН

v J

Sj X

O- -Nd OH

\ /CH

^ \ сО С \

NHj+

° I О

XII

Тип г. Несимметричные четырехчленные хелатные кольца (

связями металл — карбоксил встречаются в комплексах, в которь

либо невозможно, либо энергетически невыгодно образование х

лата с участием карбоксила и второй функциональной групш

Именно такое взаимодействие обнаружено в кристаллическс

структуре комплексов, в которых атомы Cu(II) и Zn(II) связан

с концевыми карбоксильными группами пептидов или находящ

мися в боковых цепях карбоксильными группами остатков глу

аминовой кислоты. Например, в [Zn(Gly-Gly-Gly) ] (SO

)i/

-4H

(XIII) [37] молекула пептида связывает один атом Zn концо

Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами

161

•держащим аминогруппу, а другой — концом с карбоксильной

уппой. Комплексы образуют бесконечные цепи. Каждый атом

1 координирует одну молекулу пептида через концевую амино-

уппу и первый пептидный атом кислорода, а другую — через

ia кислородных атома его карбоксильной группы. В комплексе

i(H_iGly)-2Н

0 (XIV) [38] обнаружены три различных типа

;аимодействия Zn—О (карбоксильный): одна связь Zn—0(карб-

ссильный) находится в нормальном аминокислотном хелатном

)льце, вторая связь образуется со «свободным» кислородом карб-

—-С;

-N

Zn'

-OH

(J)H

О Zn-

H N

JSH,

, о

\ \

сн,

О NH

N-

XIII

XIV

!сильной группы в соседнем хелатном кольце (тип в), а третья

четвертая связи являются частью несимметричного хелатного

>льца с карбоксильной группой в боковой цепи третьего амино-

[слотного лиганда (тип г). В октаэдрических комплексах коор-

[нация по такому типу приводит к искажению правильной гео-

;трии, так как менее прочно связанный карбоксильный кислород

•избежно занимает «неправильное» координационное положение

> отношению к металлу. Замена двух монодентатных лигандов

,ной карбоксильной группой, по-видимому, компенсирует пони-

енную энтальпию образования, обусловленную менее благопри-

•ной геометрией связывания.

Тип д. Четырехчленное хелатное кольцо с примерно равными

[сстояниями металл — карбоксильный кислород встречается в

шсталле [Ca(HGly-Gly-Gly) (H

]Cl

-H

O (XV) [39]. Один из

рбоксильных атомов кислорода находится в контакте со вторым

ном кальция. Ион Ca(II) имеет координационное число 7.

эоме трех связей Ca—О (карбоксильный), образуются две связи

-2451

162

i лава 2

Ca—О (пептидный) и две связи Ca—OH

. В этих взаимодействия

участвуют четыре различные молекулы пептида и, наоборот, ка»

дая молекула пептида связывает четыре различных иона Ca(II

Хелатные кольца (типы а, б и в). Взаимодействия металл-

карбоксильный кислород, обнаруженные в хелатных кольца

представлены типами а, б и в на рис. 4.1. В хелатное колы

включен только один атом кислорода карбоксильной группы, BTI

рой карбоксильный кислород остается свободным и может обр,

зовывать водородные связи или связываться со вторым атомо

металла в соседнем комплексе (см., например, I). Взаимодейств!

по типу б ив часто встречаются в кристаллических структура

что дает основания предположить, что они также могут быть npi

чиной образования димерных и полимерных комплексов в ра

творах.

Относительные порядки двух связей С—О в карбоксильнс

группе можно получить из длин связей при условии, что ог

определены с достаточной точностью. Значения длин связей обы

но лежат в интервале 1,25—1,30 и 1,22—1,27 А соответственн

В пятичленном хелатном кольце угол M—О (карбоксильный) —

всегда близок к 114°, а в шестичленном хелатном кольце обыч!

составляет 123—126°. Нет никакого правила, в соответствии с к

торым атом металла должен находиться в плоскости карбоксил

ной группы; тем не менее отклонения редко бывают больше 0,5

в пятичленном кольце и 0,8 А в шестичленном кольце. В т<

случаях, когда есть вторая связь карбоксильный кислород — м

талл, ее направление относительно карбоксильной группы опред

ляется относительным положением соседнего комплекса. /I

угла M—О (карбоксильный)—С при втором атоме кислорода кар

оксильной группы получены величины угла от 113 до 125° [9].

1.3. Пешидные группы

Хорошо известно, что пептидные группы в первом приближен!

должны оставаться плоскими для того, чтобы сохранялся резона:

между каноническими формами:

HHH

I ! I

NNN

/ \ \ / \ V /

CCC

I «II «I

о о

Пептидный кислород обладает слабыми основными свойствам

Связывание металла с ним слабое, и если оно происходит, •

стабилизируется близостью хелатного кольца к соседней концев<

аминогруппе. Пептидный азот связывает металл только тогл