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

Подождите немного. Документ загружается.

7V°

C NH

--Cu NH

-CH

\ N''

^C— \

с :

//\:

O C-

XIX

/ /

'NH

-N-

-CH

-—^

M = Ni(II)

Co(III)

/ ч

HN N

\ / /

P=CH

О—С

-Cu N-

,CH

C=O

C-O

O=C

"N-

-CH

2 сн

CH=C

/ \

ClT

-CH

XXI

Ъимерный комплекс в Cu (уЗ-Д La-L-H-, His)'2H

ОН

-NH

нс^сн

I /Н

-N=,

О'

-N X)

с£ ^CH

NH С<

XXII

174

i лава 2

Участие пептидного атома азота в полидентатном хелатообра

зовании определяется двумя геометрическими условиями. 1. До

пускаются только небольшие искажения нормальной тригонально!

конфигурации связей у атома азота. Этим условием объясняете

тот факт, что пептидный атом азота может быть окружен двум:

пятичленными хелатными кольцами или пяти- и шестичленньп

кольцами, но не двумя шестичленными кольцами [63]. 2. Метал,

и атомы пептидной группы должны быть почти копланарны. Велел

ствие этого, если пептидный атом азота и два соседних с ним дс

норных атома тридентатного или тетрадентатного пептида связа

ны с одним и тем же атомом металла, они должны занимать кс

пленарное координационное положение (как в XVIII, XX и XXII)

Размеры пептидной группы слегка (но это существенно) изм(

няются при координации по атому азота пептидной группы [9

При координации Cu(II) длина связи C = O изменяется от 1,2

до 1,26 А, а длина связи С—N от 1,325 до 1,30 А. Это свидетел!

ствует о том, что образование связи металл — пептидный азе

I I

уменьшает вклад резонансной структуры —,N—C = O и увелич!

I !

вает вклад структуры —N

С 0~, т. е. сдвиг электронов

металлу меньше, чем к протону, который в комплексе замеще

медью. Такое же заключение получено на основании понижен!:

частоты валентных колебаний группы C = OB ИК-спектре систем

Cu(II)—пептид в D

O. По мере того как pD повышается, частот

свободной и координированной группы C = O (1645, 1625 см~

заменяются полосой 1600—1610 см

-1

[58—60].

Изучение взаимодействия между пептидами и Ni(II) помога<

получить представление о связывании металла пептидными ат

мами азота в комплексах Cu(II)—пептид. Существование ком

лекса Ni(II), в котором пептидные группы депротонированы, по,

тверждено препаративным [68], потенциометрическим [60, 69

71], ИК-епектроскопическим [60] и кристаллографическим [71

исследованиями; все они дают результаты, очень похожие на i

что получены для системы Cu(II)—пептиды. Анализ кристалл

ческой структуры был выполнен для комплексных част]

[NiH_

- (XVIII) и [NiH_

]

- (XX) {72]. Термодинамическ;

устойчивость комплексов Ni(II)-HenTHAbi несколько ниже, ч<

устойчивость соответствующих Cu(II)-пептидных комплексов. H

пример, константы образования некоторых комплексов Ni(II)

HGly-Gly-Gly [в скобках даны значения констант устойчивое

комплексов Cu(II), взятые из табл. 4.2] равны Igpioi = 3,7 (5,^

IgPi-H = -5,1 (—0,1) и Ig Pi_

= —12,8 (—6,9). Так как различ

между ступенчатыми константами устойчивости отражают зна

ния рА'„ пептидных групп, из приведенных данных можно сдела

Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами 175-

1Ывод, что пептидные протоны лабилизируются Ni(II) (р/(

~8)

1енее эффективно, чем Cu(II) (piC

~6).

Однако комплексы пептидов с Ni(II) кинетически более устой-

ивы, чем аналогичные комплексы с Cu(II). В ходе потенциомет-

'ического титрования необходимо выдерживать раствор по мень-

шей мере 5 мин для того, чтобы в нем после добавления каждой

орции основания наступало равновесие [69]. Методом останов-

енной струи была исследована кинетика обратной реакции, а

менно протонирование [MH_

L]~. Скорость этой реакции в 25—

О раз меньше для [Ni (H_

Gly-Gly-Gly) чем для

Cu(H_

Bly-Gly-Gly)]- [71, 73]. С обоими комплексами реак-

ия протекает гораздо медленнее, чем процесс, контролируемый

иффузией, и стадией, определяющей скорость, является пере-

руппировка из состояния с координацией M—N (пептидный) в

эстояние с координацией M-O(пептидный).

При низких значениях рН растворы комплексов Ni(II) с пеп-

идами имеют голубовато-зеленую окраску, что свидетельствует

том, что комплексные частицы октаэдрические и парамагнитные,

[равильная октаэдричеекая геометрия позволяет Ni(II) образо-

ывать с бидентатными пептидами комплексы с отношениями ме-

алл —пептид 1:1, 1:2 и 1 :3. С тридентатными или с еще более

пинными лигандами диссоциация двух или трех протонов по ме-

2 повышения рН приводит к образованию желтых квадратно-

юскостных диамагнитных комплексов, в которых отношение

еталл — лиганд 1:1. Неожиданным следствием приведенных кон-

чит устойчивости комплексов Ni(II) с глицилглицином является

>т факт, что второй пептидный протон диссоциирует легче, чем

;рвый протон (p/C

= Pi_n—01-21=7,7; pK

=Pioi-

¢1-11

= 8,8).

ругими словами, частицы NiH_iL (октаэдрические) термодина-

ически неустойчивы по сравнению как с [NiL]

(октаэдрически-

л), так и [NiH_

L]~ (квадратно-плоскостными). Депротонирова-

ie является так называемой кооперативной реакцией, и хотя

шплекс NiH_iL должен быть интермедиатом, его содержание

[когда не превышает 5% содержания Ni(II) в растворе [71].

Кооперативная природа перехода от [NiL]

к [NiH_

L]~ обус-

>влена изменением координации от октаэдрической к квадратно-

юскостной, при этом изменение координационной геометрии

!условлено усилением поля лигандов по мере того, как пептид-

.ie атомы азота связываются с металлом. Комплексы Ni(II)

бо октаэдрические и парамагнитные, либо квадратно-плоскост-

ie и диамагнитные. Для них в отличие от Cu(II) не наблюда-

ся постепенного изменения геометрии. ЭСКП квадратно-плос-

стного комплекса Ni(II), выраженная в единицах А(10Dq),

лыне, чем эта величина для октаэдрического комплекса Ni(II).

>лее сильному полю лигандов в квадратно-плоскостной конфи-

рации способствует повышение ЭСКП. Координации с одним

176

i лава 2

пептидным донором недостаточно, чтобы вызвать изменение гес

метрии, однако возможность образования квадратно-плоскостпо

конфигурации с ее более высокой ЭСКП способствует диссоци;

ции еще одного пептидного протона, с тем чтобы получились Д(

поры с более сильным полем. Кроме того, в квадратно-плоскос

ных комплексах Ni (II) с пептидами донорные атомы находятся г.

0,2 А ближе к иону металла, чем в октаэдрических {72], так чт

влияние поля лигандов еще больше усиливается. Энтропийны

эффект (освобождение аксиальных лигандов) действует в это

же направлении.

Реакция между Ni(II) и глицилглицином, по-видимому, air

мальна. При рН~10 Ni (Gly-Gly)

( = NiL

) теряет два протон

образуя голубовато-зеленый ион ,[Ni(H-JGly-Gly)

]

( = [NiH_

]

~) [69]. Натриевая соль этого иона кристаллизует!

в двух гидратированных модификациях, кристаллическая структ

ра которых показывает, что комплекс является бис-тридентатнь

и октаэдрическим (XX). Но, когда HL — глицинамид, частик

[NiH_

]

- желтые и квадратно-плоскостные.

Pt и Pd в периодической системе расположены под Ni и таю

имеют электронную конфигурацию d

. Подобно Ni(II), двухв

лентные ионы этих металлов вызывают ионизацию пептидных ат

MOB водорода. Они образуют квадратно-плоскостные комплекс

в которых местами связывания металла являются депротонирова

ные пептидные атомы азота. По мере продвижения сверху вн

в группе периодической системы стабилизация кристаллическс

поля донорами более сильного поля увеличивается и, следог

тельно, повышается эффективность ионов металлов в лабилизац

пептидных протонов. В присутствии Pd(II) пептидные прото]

титруются при рН 3,5 [74] по сравнению с рН 8—9 для Ni(I

Когда в растворе происходит смешивание [PtCl

]

с пептидаи

депротонирование пептидных групп осуществляется даже при е:

более низких значениях рН. Это демонстрируется структур

комплекса Pt(Gly-L-Met)Cl-H

O, который кристаллизуется п

рН 2,5 (см. формулу XXXIX [75]). Положение атомов водорс

в этом комплексе установлено методом дифракции нейтронов, т

что нет сомнения в том, что пептидные группы депротонирова!

в то время как карбоксильная группа еще нейтральна. (Отек

не следует, что в связывании [PtCl

]

с белками всегда уча

вуют депротонированные пептидные группы, так как пептиди

атомы азота в белках обычно менее доступны, чем в растворенн

молекулах пептидов.)

Недавно было опубликовано сообщение [76], что Co(II) т

же промотирует диссоциацию пептидных протонов. Для реаю

требуется рН ~10 и отношение металл — лиганд 1:2. Образу]

ся октаэдрические комплексные частицы, в которых связуюи

атомы включают два аминных и два пептидных атома азотг

Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами

177-

четыре донора сильного поля. В поле сильного донора становится

предпочтительной более высокая степень окисления кобальта.

В соответствии с этим растворы, содержащие частицы

'[Co

(H^

Gly-Gly)

]

, легко окисляются (через оксигенированное

промежуточное состояние, которое является обратимым носителем

молекулярного кислорода) в [Co

(H_iGly-Gly)

]

. Комплексные

частицы Co

нельзя прямо приготовить по реакции

[Co

(Gly-Gly)

]+ с основанием, так как для комплексов Co(III)

особенно характерно затруднение разрыва связей металл —

лиганд.

Кинетическую устойчивость связей Co(III)—лиганд можно ис-

пользовать в экспериментах, которые невозможны с более ла-

бильными комплексами Ni(II) и Cu(II) с пептидами. Структура

иона [Co

(H_iGly-Gly)

]

в четырех различных солях такая же,

как структура [Ni(H^Gly-Gly)

]

(XX) [77, 78]. Единственным

элементом симметрии для обоих комплексных ионов является ось

симметрии второго порядка, и они должны существовать в виде

энантиомеров. Это можно доказать для комплексов Co(III) {но

не для комплексов Ni(II)] разделением энантиомеров хромато-

графически на колонке с крахмалом [79]. При добавлении силь-

ной кислоты к раствору [Co(H_iGly-Gly)

]~ анион быстро и

обратимо протонируется, образуя ([Co(Gly-Gly)

]+ [76, 77, 79].

Структурный анализ Co(Gly-Gly)

(ClO

) был использован для

доказательства того, что протонирование не затрагивает связи

металл—лиганд, а добавленные протоны присоединяются к пеп-

тидным атомам кислорода [78]. Протонированные катионы, в ко-

торых Co(III) еще связан с пептидными атомами азота, термо-

динамически не устойчивы и, по-видимому, медленно восстанав-

ливаются до Co(II) [77].

1.6. Имидазольные атомы азота

Боковые цепи, содержащие остатки гистидина, являются важ-

ными группами, связывающими металл как в природных металло-

протеинах, например карбоксипептидазах (гл. 15), миоглобине и

гемоглобине (гл. 25), так и в комплексах металла с белком, по-

лученных в лаборатории (гл. 7). При таких взаимодействиях ме-

таллов с белками функциональные группы, присоединенные к ме-

таллу, в большинстве случаев принадлежат аминокислотным

остаткам, которые не находятся по соседству друг с другом в бел-

ковой цепи. Следовательно, остатки гистидина являются типич-

ными группами, не образующими хелатов.

1.6.1. Взаимодействия металл—имидазол

без образования хелатов

Моделирование такого взаимодействия металлов с белками

более простыми системами затруднено из-за того, что гистидин и

гистидилпептиды очень склонны действовать как хелатирующие

2—2451

178

i лава 2

агенты. Единственным комплексом, в котором, как было показано,

имидазольная боковая цепь ведет себя не как хелат, является

Cu(p-Ala-L-H_iHis)-2Н

0 («медный карнозин», XXI) [63]. Осо-

бенно интересно в этом комплексе то, что Cu(II) связывается

с атомом азота имидазольного кольца в положении 3 (как в ме-

тилмиоглобине кашалота [80]), в то время как в хелатах, образуе-

мых гистидином и гистидилпептидами, всегда участвует атом азо-

та в положении 1 имидазола. Еще не доказано, что структура,

обнаруженная в кристаллическом состоянии, сохраняется в раство-

ре, но такое предположение удовлетворительно объясняет данные

ранее выполненного потенциометрического титрования [63]. Су-

ществование димерных частиц было доказано по уширению линий

в спектрах ЭПР замороженных растворов комплекса независимо

от какой-либо структурной модели [81].

Одним из средств, которое было использовано для того, чтобы

нарушить склонность гистидина к хелатообразованию, было при-

готовление смешанно-лигандных комплексов, в которых содержа-

щие гистидин боковые цепи смоделированы молекулами имидазо-

ла. Существование смешанного комплекса такого типа в растворе

при рН от 5,8 до 7 впервые было доказано тем, что скорость

катализируемого имидазолом гидролиза я-нитрофенилацетата по-

нижается в присутствии Cu(II) и глицилглицина [82]. Смешанные

комплексы имидазола и глицина, глицилглицина или диглицил-

глицина с Cu(II), Ni(II) и Cd(II) были последовательно выде-

лены и охарактеризованы [64, 83, 84] и кристаллическая струк-

тура некоторых из них была определена [64]. Примером может

служить [Cu(H-JGly-Gly-Gly) (ImH) (H

O)]-H

O (XXII). Наконец,

имеется много спектроскопических и магнитных данных [85—87],

относящихся к комплексам, которые содержат только имидазол

и не содержат аминокислотных или пептидных лигандов. Четыре

комплекса такого типа, структура которых была определена, при-

ведены ниже: это [Cu(ImH)

(катионный) [88], [Zn(ImH)

]Cl

•4Н

0 (катионный) [89], [Zn (ImH)

] Cl

(молекулярный комп-

лекс, образованный водородными связями) [90] и [Zn(Im)

]oo

(полимерный) [91] (XXIII—XXVI).

Наиболее полезной информацией, полученной из структурного

исследования модельных соединений — смешанно-лигандных и

чисто имидазольных комплексов, а также хелатов с гистидином,—

было обнаружение гибкости имидазольной группы как лиганда.

Связь металл — имидазольный азот отклонена на 30° от плоско-

сти имидазола, как и в [Cd(L-His)

]-5Н

0 [92], и угол

M—N (имидазольный)—С при донорном атоме лежит в интервале

121

— 131°. Анализом структуры [Cu(H_iGly-Gly) (ImH) (OH

)] •

-IV

O и [Cu(FL

Gly-Gly-Gly) (ImH) (OH

)]-H

O (XXII) [64]

получены доказательства, что стерически незатрудненные имид-

азольные кольца стремятся быть копланарными со связью

Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами

179

XXIII

HN-

_СН

Zn .

^NH

"N \

V™

XXV

Zn(ImH)

HC-NH

XXIV

[Zn(ImH)

'NrxN^

1 Zn

XXVI

[Zn(Im)

]

M—N (имидазольный) и тремя другими связями металл—лиганд

(и, следовательно, в случае Cu перпендикулярными к единствен-

ной занятой d

2 -орбитали). Два имидазольных кольца, занимаю-

щих смежные координационные положения в октаэдрическом или

квадратно-плоскостном комплексе, соприкасались бы одно с дру-

гим, если бы они были копланарны, поэтому кольца так повернуты

относительно связи M—N (имидазольный), чтобы между ними не

было контакта [64]. В целом вращение вокруг связи M—N (имид-

азольный), по-видимому, определяется не электронными фактора-

ми, а стерическими требованиями остатка гистидина, находяще-

гося в состоянии покоя, которые возникают за счет контактов

между имидазольными группами и соседними лигандами, а также

за счет связывания водородными связями свободного (пиррольно-

го) атома азота имидазола.

12*

180

i лава 2

Гибкость связей имидазол—металл может быть одной из при-

чин эффективности гистидиновых боковых цепей как центров свя-

зывания металла в белках. Другой причиной может быть тот

простой факт, что имидазольные группы являются достаточно хо-

рошими донорами электронов для того, чтобы образовать сильные

ковалентные связи. Калориметрические измерения показали, что

связи металл—N (имидазольный) дают только немного меньшие

вклады в изменение энтальпии в реакциях комплексообразования

[116, 157], чем связи металл—М(аминный). Изменения энтальпии,

связанные с комплексообразованием ионов M

+ в растворе с

образованием [M(ImH)

]

+, составляют —23,0, —18,4 и

—16,2 ккал/моль, когда M = Cu, Ni и Zn соответственно. Измене-

ния энтальпии на первой стадии комплексообразования тех же

ионов металлов с одной молекулой имидазола равны —7,6, —5,8

и —3,8 ккал/моль [158]. Наиболее важные вклады в энергию

связей металл — имидазольный азот дает а-связывание. Возможно

также л-связывание и влияние ЭСКП. Данные о d —р -связыва-

нии изменяются от комплекса к комплексу (см. ниже), а когда

ЭСКП вообще есть, она играет меньшую роль в стабилизации

связей с имидазольным азотом, чем с атомами азота амино- и

пептидных групп. Положение имидазольного азота в спектрохи-

мической серии, по-видимому, ближе к воде (т. е. ниже аминного

и пептидного атомов азота [9, 93]).

Удивительно, что не найдено никакой корреляции между дли-

нами связей металл — имидазол и вращением имидазольных колец

относительно связей металл — азот [64], но химические, магнит-

ные и спектроскопические свойства свидетельствуют о делокали-

зации л-электронов. Во-первых, в [Cu(ImH)

(XXIII) металл

стабилизирован в степени окисления II, так что он не претерпе-

вает обычного восстановления в присутствии ионов I~ (Cu

+1-—^Cu++ Vsb)- Несомненно, что исключительная стабильность

Cu(II) в этом комплексе обусловлена взаимодействием с четырь-

мя имидазольными лигандами. Они лежат в плоскости, которая

перпендикулярна плоскости четырех связей Cu—N, и эта ориен-

тация способствует перекрыванию d

—р

-орбиталей. Заметная

делокализация неспаренного электрона от атома Cu на имидазоль-

ные кольца проявляется как сверхтонкое расщепление сигнала

меди, а также как сверхтонкое расщепление, обусловленное ато-

мами азота, в спектре ЭПР комплекса при 80 К [88]. Во-вторых, ши-

рокая полоса в ультрафиолетовом спектре Co(CO

)(ImH)

(OH

)

подобным же образом была приписана делокализации я-электро-

нов. Структура комплекса — искаженный октаэдр, и каждый

имидазольный лиганд расположен примерно в перпендикулярной

плоскости, образуемой им самим и тремя другими связями ме-

талл—донор [94]. В-третьих, в полимерном комплексе [Co(Im)

]oo

атомы Co(II) имеют тетраэдрическую координацию. Магнитный

Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами

179-

момент аномально низкий, и это объясняется сверхобменным взаи-

модействием атомов Co(II), т. е. взаимодействием через подвиж-

ные л-электронные системы имидазольных лигандов, которые соеди-

няют атомы металла [86]. В-четвертых, комплекс [Cu (Im) ^

кристаллизуется в голубой, зеленой и коричневой полимерных мо-

дификациях [95]. (Известно, что голубая форма содержит четы-

рехкоординированные атомы Cu(II), связанные в трехмерный по-

лимер бидентатными имидазольными лигандами [96].) В голубой

и зеленой модификациях имеются сильные взаимодействия между

атомами Cu через имидазольные кольца, обнаруживаемые в каж-

дом случае по большой отрицательной константе Вейса (абсолют-

ная температура, при которой обратная магнитная восприимчи-

вость равна нулю) [95].

Третьим свойством имидазольных групп, объясняющим их по-

пулярность как центров связывания металла, является их способ-

ность к координации при физиологическом значении рН. В ряду

гистидилпептидов pAi

£ лежит между 5,5 и 7,2, т. е. на три еди-

ницы рК ниже, чем рАмнз [97]. ЭСКП для иона переходного ме-

талла, связанного с имидазольным атомом азота, меньше, чем

ЭСКП для иона, связанного с атомом азота аминогруппы, но при

этом в случае имидазола ион металла не так жестко конкурирует

с протоном за электронную пару азота. В случае самого гистидина

равновесие между имидазолом и аминогруппами как донорами

создает интересную проблему в координационной химии.

1.6.2. Хелатообразование с гистидином

Частично протонированная форма лиганда H

His

+ представле-

на формулой XXVII. Константы кислотной диссоциации для ряда

His

+ -<—H

His+ <—*- HHis

ч—His

<—>• H-iHis

равны рAcooh= 1,8, р/С

мидазолий=6,0, рД'инз

9,1 и рАимидазол =

=14. Очень соблазнительно допустить, что последовательность, в

которой удаляются протоны при титровании, соответствует поряд-

ку, в котором потенциально донорные атомы используются для

связывания металла по мере повышения рН. Согласно этой после-

довательности, при комплексообразовании металлов с гистидином

должны быть такие стадии: (1) монодентатная координация по

карбоксильному кислороду при низких значениях рН; (2) связы-

вание металла имидазольным атомом азота, приводящее к обра-

зованию семичленного хелатного кольца; (3) связывание по атому

азота аминогруппы, делающее гистидин трехдентатным лигандом,

и, возможно, (4) диссоциация второго протона из имидазольной

группы.

182

Г шва 4

HC-C

НШ

^NH

XXVII

His

2 +

Опубликованные данные о кристаллической структуре комп-

лексов металлов с гистидином не проливают свет на порядок дис-

социации протонов и порядок реакций связывания металлов. За

одним исключением (см. ниже), все они относятся к области рН,

в которой гистидин ведет себя как трехдентатный хелатирующпй

агент [стадия (3)]. Комплексы Co(II) [98, 99] и Ni(II) i[100] с

гистидином, как и ожидали, являются октаэдричеокими (XXVIII).

Комплекс Zn(II) имеет тетраэдрическую структуру с сильными

связями Zn—Щаминный) и Zn—N (имидазольный); имеются еще

более слабые связи Zn—О (карбоксильный) в направлении от дву.ч

граней тетраэдра (XXIX).

Кристаллические производные Zn(II) с о,ь-гистидином имеют

структуру, состоящую из равного числа комплексов Zn(L-His)

Zn( D-His)

. Однако частицы Zn( L-His)

в комплексах Zn(L-IIis)

•2Н

0 И Zn(D-His) ( L-His)-5Н

0 имеют различные конфигурацш

[101а]. Это явление уже обсуждалось ранее и было названо «сте

реоселективность» [9]. Комплекс Cd(II) с гистидином ведет себ>

подобно комплексу Zn(II), но имеет более правильную геометрик

[92].

Доказательства того, что последовательность реакций согласу

ется с порядком значений рK

, во многих случаях были выведень

из ИК-спектров (хотя, к сожалению, наблюдения не были рас

пространены на область, в которой можно измерять частоты свя

зей металл — лиганд) [32]. При очень низких значениях р!

(pD = 2,2—3 в растворе D

O) комплексообразование с Mn(II)

Fe(II), Co(II), Ni(II), Zn(II) и Cd(II) при отношениях 1 : 1 вызы

вает в ИК-спектре одинаковые сдвиги полосы антисимметричноп

колебания карбоксильной группы как а-аланина (1615 см

-1

), та

и гистидина (1625 см

-1

). Это доказывает монодентатную коорди

нацию по СОО~-группе. При значениях pD выше 3 в спектра:

комплексов с гистидином появляется полоса, приписываемая ва