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

Подождите немного. Документ загружается.

Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами

183-

HN-Qri

HcL >

HCK

Л\О

о \

V f

I HjN-CH

M^ C=O

V CH

HC^

XXVIII

M(L-HiS)

M =

Co(II), Ni(II)

„/ \ ^CH

С HN V

/ /^CH

I CH^

^ / \ HC / \

/ QT П X X

^NH

/ Л

NHl

HN !• |] I

I NH

I=C H

N О О' ,.„ N

Hic _/ /у

' я J

-HC-^

О HC-

Q XXIX 6

Zn(L-His)

в (а) Zn(L-Hi.s)

• 2H

O и (d) Zn(D-Hi.s)(L-His)-5H

лентным колебаниям имидазольного кольца (1490—1501 см

-1

Другая полоса, отнесенная к антисимметричным валентным коле-

баниям связи NC

—С (карбоксильный) (1110 см

-1

), при значениях

рD от 4 до 7 замещается новой полосой (1100 см

-1

), соответствую-

щей координации по азоту аминогруппы. [Для Cu(II), Zn(II) и

Cd(II) выпадение осадка мешает наблюдению при значениях pD,

достаточно высоких для связывания металла по азоту амино-

группы.]

Литература изобилует константами образования [101—104]

и величинами энтальпии и энтропии ,[17, 105, 106] для комплексов

металлов с гистидином, но большинство этих данных и в этом

случае относятся только к образованию частиц [M(His)]

M(His)

[стадия (3)]. Система Co(II) — гистидин является одной

из немногих, которые были изучены в широкой области рН и при

помощи большого числа экспериментальных методов.

184

i лава 2

Интерес к этой системе отчасти возникает из-за способности

(His)

образовывать оксигенированные производные, из кото-

рых можно снова получить молекулярный кислород [76, 107—

109], но эта проблема здесь обсуждаться не будет. Измерения

контактных сдвигов в ПМР-спектрах растворов Co(II) — гистидин

[31] показали, что монодентатная координация по карбоксильно-

му кислороду имеет место при рН<4, а октаэдрические комплек-

сы состава 1:1 и 1:2, в которых гистидин тридентатен, сущест-

вуют при 4<рН<11 и что тетраэдрический комплекс образуется

даже при более высоких значениях рН. Существование октаэдрп-

ческого комплекса подтверждается анализом кристаллической

структуры обоих комплексов: Со( L-His)

-H

0 (XXVIII) [98] и

Co(L-His) ( D-His)-2Н

0 [99], что находится в согласии с выво-

дами, сделанными на основании сдвигов в спектрах ПМР [31]

и данных потенциометрического титрования [ПО] о том, что в

растворе эти частицы более устойчивы, чем оптически чистые.

Предложенная тетраэдрическая структура голубого комплекса,

существующего при высоких значениях рН, [Со( i.-H_iHis)

]

подтверждается как потенциометрическим титрованием, так и от-

несением полос поглощения в УФ- и видимой частях спектра

[111]. Эти частицы образуются после диссоциации второго («пир-

рольного») протона имидазольной группы. Гистидиновые лиганды

бидентатны; донорами являются азот аминогруппы и имидазоль-

ный азот, а тетраэдрическая конфигурация объясняется отталки-

ванием зарядов.

Методом ПМР-спектроскопии было исследовано образование

комплекса 1:2 Pt(II) с L-ГИСТИДИНОМ. Химические сдвиги пока-

зали, что, как и ожидали для Pt(II), координация квадратно-

плоскостная и донорными атомами являются азот аминогруппы

и имидазольный азот во всей области рН: 1^рН^12. Большие

COOH

^COO-J

N^CH

\ /

// V

XXX

'юординация в IPt(HHts)

]

XXXl

координация в [Pt(H-, Hui

сдвиги в сильное поле для протонов C

: H и C

: H при повыше

нии рН отчетливо указывают на диссоциацию протонов как и:

Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами 185-

карбоксильной, так и из имидазольной групп. Таким образом,

гистидин образует хелаты с Pt(II), которым соответствуют фор-

мулы XXX и XXXI при низких и высоких значениях рН соответ-

ственно. Комплексы существуют в виде двух групп изомеров, и

для обоих групп был сделан полный анализ спектров. Химические

сдвиги протонов C

: H дают возможность идентифицировать один

ряд изомеров как цис, а другой как транс. И, наконец, на осно-

вании спин-спиновых взаимодействий

H—

H и

195

Pt—

H можно

дать отнесение конформаций хелатного кольца во всех частицах.

Для аналогичного комплекса Pd(II), Pd(L-His)

, длина волны

максимума УФ-поглощения и характер спектра кругового дихро-

изма (КД) (и то и другое по сравнению с аналогичными данными

цля комплексов с другими аминокислотами) показывают, что

структура комплекса квадратно-плоскостная со связями

Pd—Ы(аминный) и Pd—N(имидазольный) [74].

Таким образом, Pd(II) и Pt(II) служат примерами, когда по-

рядок связывания металла не всегда такой, как порядок, в кото-

ром депротонируются потенциальные донорные атомы в отсутствие

шнов металла. Нет сомнения, что причину этого следует искать

i значительном увеличении ЭСКП при связывании Pd(II) и Pt(II)

: аминным и имидазольным атомами азота вместо карбоксильного

(ислорода и имидазольного азота. Этот эффект может оказывать

шияние только на те ионы металлов, которые «чувствуют» стаби-

шзацию кристаллического поля, но есть и вторая причина того,

очему порядок значений рК

не всегда соблюдается при связы-

ании металлов. Стадия (2) в предложенной выше последова-

ельности приводит к образованию семичленного хелатного коль-

;а (XXXII), хотя известно, что энтропийный фактор не благопри-

XXXII

семичленное хелатное кольцо

в предложенной структуре [M(HHis)]

•ствует его образованию. Семичленные хелатные кольца редко

!ходят в других координационных соединениях, и (несмотря на

!иные ИК-спектров [32]) еще предстоит объяснить, почему они

186

i лава 2

стабилизируются, когда гистидин и гистидилпептиды образуют

хелаты с металлами по атомам карбоксильного кислорода и имид-

азольного азота.

В случае взаимодействия Cu(II) с гистидином существует

прямое и неразрешенное противоречие между данными ИК-спект-

ров для комплекса состава 1 : 1 в D

O [32] и анализом кристалли-

ческой структуры комплекса 1 :2. ИК-спектры показывают, чтс

за связыванием Cu(II) с карбоксильным кислородом при очень

низких значениях рН следует при немного более высоких рН об-

разование семичленного хелатного кольца, в котором вторым до-

норным атомом является имидазольный азот. Исследования мето-

дами температурного скачка и остановленной струи реакции меж

ду Cu

+ и HHis

в интервале рН от 2,5 до 4,0 согласуются с

образованием комплексов [Cu(HHis)]

и [Cu(HHis)

]

; в эти;

реакциях стадией, определяющей скорость, является замыкашп

семичленных хелатных колец [О(карбоксильный), Щимидазоль

ный)]. Авторы этих работ не могут воспроизвести наблюдаемук

кинетику, если их расчеты основываются на образовании пяти

членных хелатных колец (по карбоксильному кислороду и амин

ному азоту) [112]. По-видимому, кинетические расчеты не учи

тывают существования других частиц, кроме {Cu(HHis)]

[Cu(HHis)

]

+. Новейшее и наиболее обширное исследование си

стемы Cu(II) — гистидин методом потенциометрического титровг

ния показало, что в условиях, при которых измерялась скор ост

некоторых реакций, частицы [Cu(HHis)]

и [Cu(HHis)(His)]

должны составлять до 7 и 24% соответственно от общего колич(

ства Cu. В противоположность данным ИК-спектроскопии и кин<

тическим данным анализ кристаллической структуры комплекс;

кристаллизующегося при рН 3,7, [Cu(L-HHis)

] (NO

)

показал, что молекулы гистидина координируются через атом

азота аминогруппы и карбоксильного кислорода и что оба атом

в каждой имидазольной группе протонированы и не участвуют

хелатообразовании (XXXIII) [113].

I .^

XXXIII

Какой бы ни была структура комплексов Cu(II) с гистидинс

при низких значениях рН—[Cu(HHis)]

+ или [Cu(HHis)

]

Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами

187-

имеются веские доказательства в пользу того, что при более вы-

соких значениях рН координация в частицах [Cu(His)]

Cu(His)

главным образом осуществляется по атомам азота ами-

ногруппы и имидазольного кольца. Участие атома азота амино-

группы в области рН от 5 до 11 подтверждается данными ИК-

спектров упомянутого выше типа [32], а прямым доказательством

связывания меди имидазольной группой является парамагнитное

уширение сигнала ЯМР протонов C

: H и C

: H имидазольного

сольца. Константы образования [115], энтальпии образования [105,

116] и разложение с помощью H

комплексов Cu(II) с гистиди-

аом очень похожи на те же величины для комплексов Cu(II) с

-истамином, образующихся в таких же условиях. (Гистамин не име-

;т карбоксильной группы, так что металл должен связываться с

!томами азота аминогруппы и имидазольного кольца.) Аналогичные

Юказательства получены из спектров дисперсии оптического враще-

1ия (ДОВ) комплекса Cu(His)

при рН 8. Резких изменений в этих

пектрах не наблюдается при замене гистидина его метиловым

фиром (это показывает, что вклад карбоксильной группы гисти-

,ина в координацию незначителен), но они сильно отличаются от

пектров ДОВ комплекса с 1-метилгистидином, в котором невоз-

южна координация через азот имидазольного кольца [117]. Эти

аключения подтверждаются рентгеноструктурными данными.

1 комплексе [Cu ( ь-His) ( L-Thr) (H

O)] -H

O, который преоблада-

г в растворе, содержащем смесь лигандов при рН 6—8, гисти-

инатный лиганд образует сильные связи Cu—>Ы(аминный) и

u—N (имидазольный) и более слабую связь Cu—О (карбоксиль-

ый) в противоположном направлении (XXXIV) [118].

1,нако недавно на основании исследования спектров ДОВ и КД

которых смешанно-лигандных комплексов [119] было сделано

едположение, что при рН 8,3 комплекс Cu(His)

сам является

ешанным комплексом, в котором один гистидинатный остаток

ляется тридентатным, как в XXXIV, а другой образует хелат

атому азота аминогруппы и карбоксильному кислороду, как

XXXIV

188

i лава 2

в XXXIII. Ко времени написания этого обзора эти результата

были подвергнуты сомнению [114, 117]. Ясно, что последнее слов<

по поводу этой интересной проблемы еще не сказано.

За исключением комплекса Cu(II) с карнозином [63, 120-

122], по поводу хелатов металлов с гистидилпептидами возникае

гораздо меньше противоречий и страстей по сравнению с гистиди

ном. Мы отсылаем читателя к оригинальным работам >[93, 97]

Гидроксильные группы боковых цепей серина, треонина и Ti

розина, по-видимому, не являются местами связывания металл;

ПМР-исследование серина в присутствии ионов Cd

+ не показал

изменения химического сдвига сигнала протонов, обусловленног

связыванием Cd-OH [56]. Энтальпия образования Cu(Ser)

пр

рН от 9,1 до 10,1 (от —12,6 до —13,4 ккал/моль) хорошо со глас;

ется со значениями АН для Cu(Gly)

и Cu(Ala)

(от —12 до —I

и от —11 до —12 ккал/моль соответственно), в случае которь

можно не сомневаться в том, что нет взаимодействия с функцп

нальными группами боковых цепей [106]. (При рН 12 АН дj

Cu(Ser)

резко возрастает до —23 ккал/моль, возможно, всле

ствие образования полиядерных частиц с мостиковыми гидрокс

группами [106].) Для других металлов первого переходного ря,

константы устойчивости комплексов с серином и треонином, с о

ной стороны, и комплексов с а-аланином и а-аминомаслян

кислотой — с другой, настолько похожи, что предполагается, ч

им всем свойствен один и тот же тип хелатообразования [If

Анализ кристаллической структуры Ni(L-Ser)

(OH

)

[12!

Cu(L-Ser)

[124] и Zn(L-Ser)

[125] подтверждает, что коор;

нация осуществляется только через атом азота аминогруппы

карбоксильный кислород. В Zn(L-Ser)

HMeeT место взаимодейста

НО HO""^ --СН—— NH,

1.7. Гидроксильные атомы кислорода боковых цепей

он

XXXV

координация в Zn(L-Ser)

без образования хелата между боковой цепью серина в од]

комплексе и атомом Zn соседнего комплекса (XXXV), но npi

Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами

189-

денные термодинамические данные заставляют предположить, что

это взаимодействие не играет важной роли в растворе.

Уместно упомянуть здесь о неожиданном типе контакта между

атомами Cu(II) и боковой цепью тирозина, обнаруженного струк-

турным анализом Cu (Gly-L-Leu-L-H_iTyr)-4Н

0-'/г (C

)

[126]. Координация Cu пятью атомами лиганда в этом комплексе

- Ln

XXXVI

димер Cu(Gty-L-Leu-L-H-,Tyr)-4H

O-Tj(C

)

квардатно-пирамидальная (XXXVI). Фенольное кольцо располо-

жено примерно параллельно основанию пирамиды, а несколько

ароматических атомов углерода осуществляют связи с атомом Cu,

которые значительно короче (3,2—3,3 А), чем рассчитанные по

сумме вандерваальсовых радиусов. Вторая структурная особен-

ность этого комплекса представляет особый интерес в связи с ре-

акцией депротонирования пептидных групп (разд. 4.5). Это комп-

лекс такого же типа, как (CuH_iL)

, но депротонированная пеп-

тидная группа лиганда находится по соседству с концом, содер-

жащим карбоксильную группу, а не аминогруппу. Трипептиды

образуют пятичленные хелатные кольца с двумя атомами Cu, в

которых каждый атом Cu связан с двумя молекулами лиганда;

этим объясняется их димерный состав.

1.8. Сульфгидрильные атомы серы*

Металлы, которые явно предпочитают серусодержащие доноры

(по сравнению с кислородсодержащими), занимают треугольник

* Обсуждение серусодержащих лигандов содержит полезные замечания

фофессора Ливингстона.

i лава 2

в центре периодической таблицы и относятся к «классу (б)»

[127]. Они характеризуются способностью образовывать не только

сильные 0-связи с легко поляризуемыми лигандами, но также и

я-связи посредством обратного переноса электронов с ^я-орбита-

лей металла на d

- или р

-орбитали лиганда. Даны три объясне-

ния этой способности серусодержащих лигандов [128].

1. Электроотрицательность серы низкая (гораздо ниже, чем

брома, и примерно равна электроотрицательности углерода), а ее

поляризуемость высокая. Атом серы сильно поляризуется в поле

маленького иона металла с высокой плотностью заряда, даже

если ион металла имеет конфигурацию d

i[Cu(I), Ag(I), Hg(II)].

2. Расчеты показали, что для ионов с конфигурацией d

ни

поляризуемость, ни теплота образования простой ковалентной

связи не могут объяснить даже порядков устойчивости сравни-

ваемых связей металл—О и металл—S [128]. Поэтому пришли

к заключению о существовании d

—d

-связи металл—кпиганд,

хотя следует признать, что в настоящее время еще нет прямых

доказательств этого.

3. Возможно, в случае связей с низкоспиновыми ионами с кон-

фигурацией d

[Pd(II), Pt(II), Au(III)] такая дополнительная

стабилизация вызвана увеличением ЭСКП. Этот вопрос оконча-

тельно еще не решен, так как серусодержащие лиганды, по-види-

мому, должны находиться в различных местах спектрохимической

серии. Некоторые занимают место ближе к более низким значе-

ниям спектрохимического параметра вблизи иона Br, другие, на-

пример тиоэфиры, занимают положения с промежуточными и вы-

сокими значениями спектрохимического параметра [129].

Хорошо известно особое сродство цистеинильных боковых це

пей к Ag(I) и Hg(II); это свойство широко использовалось дл?

приготовления производных белков с тяжелыми атомами. Устой

чивость [Ag(H-ICys)

]

примерно такая же, как устойчивосп

[Ag(CN)

]

. В растворах с низкими значениями рН доминирую-

частицы [Ag(HCys)

]

и комплексообразование в этой систем!

заметно даже при рН 1,3 [130]. Однако связывание металло:

ионизированными тиоловыми группами боковых цепей цистеин

не ограничивается ионами металлов «класса (б)». Константы об

разования цистеинатных комплексов Mn(II), Fe(II), Co(II)

Ni(II), Zn(II) и Pb(II) [131] значительно выше, чем констант]

образования глицинатных [131—134] и гистидинатных [102, 104

комплексов тех же металлов (табл. 4.5). Многие другие свойств

подтверждают, что повышенные устойчивости во всех случая

сопровождаются связыванием металла с серой.

Например, в ИК-спектрах твердых образцов ряда цистеиновк

комплексов Zn(II), Cd(II), Hg(II) и Pb(II) отсутствует погл<

щение, обусловленное группой S—H [108]. Два из этих компле]

сов — Na

[Zn(Н—iCys)

] -4Н

0 и [Zn

(Cys)

] [ZnCl

], — очевидн

Комплексы металлов с аминокислотами и пептидами 191-

Таблица 4.5

Логарифмы констант устойчивости некоторых комплексов ML

и ML

с глицином [132—134], гистидином [102, 104] и цистеином [131]

IgPlOl

lgPl02

Gly-

Hib-

Cys- Gly-

His-

Cys-

Mn(II)

3,2 3,2

5,8

5,5

6,1

10,3

Fe(II)

4,1

—

7,7

7,6

—

14,2

Co(II)

4,8

6,7 9,4 8,6 12,1 17,4

Ni(II) 5,7

8,4

10,8

10,6

15,1 23,5

Cu(II)

8,2 10,1

—

15,2

18,1

—

Zn(II)

5,0

6,3

10,3

9,2

11,7

20,0

Pb(II)

5,3

6,0

13,8

8,6 9,0 18,1

получены при высоких и низких значениях рН соответственно.

В спектре первого появление полосы NH

-rpynnbi указывает на

связывание металла с азотом аминогруппы, в то время как час-

тоты карбоксилатных групп (1588 и 1404 см

-1

) такие же, как для

свободной СОО--группы. Анализ кристаллической структуры под-

тверждает, что геометрия координации является тетраэдрической

и что донорными атомами действительно являются азот амино-

группы и сера сульфгидрильной группы [136]. Существование и

структура полиядерного иона [Zn(Zn(Cys)

)

]

во втором комп-

тексе еще находятся под сомнением, но дублетная полоса (1510,

1600 см

-1

) и сильно асимметричная полоса валентных колебаний

сарбоксилатной группы (1642 см

-1

) интерпретируются как доказа-

тельство того, что ЫНз-группы цистеина свободны, а СОО~-груп-

[ы координированы. В соответствии с этим цистеин координирует-

я к Zn(II) атомами азота и серы при высоких значениях рН и

'томами кислорода и серы при низких значениях рН [135]. При

тсутствии эффектов кристаллического поля такая координация

оответствует ожидаемой.

Качественное доказательство связывания металла с серой полу-

ают также из сравнения спектров в ультрафиолетовой и видимой

бластях цистеинатных и других аминоацидатных комплексов.

1олярный коэффициент поглощения Pd(Cys)

(е 1300 M

-1

-см

-1

ри Ямакс 337 нм) в 3 раза больше, чем молярные коэффициенты

оглощения соответствующих полос в УФ-спектрах комплексов

d (11), для которых известно, что аминокислоты координируются

;рез атомы азота аминогруппы и атомы кислорода карбоксиль-

эй группы [74]. Сравнение спектров комплексов Co(III) с цистеи-

192

Глава 4

ном NH

—CH

—SH и HOOC—CH

—CH

—SH показало, что

в K

[Co

III

(H_

Cys)

]-3H

0 (зеленый, высокие рН) координация

осуществляется через атом азота аминогруппы и атом серы сульф-

гидрильной группы, а в Co(III) (Cys)

-3H

0 (красный, низкие

рН) — через карбоксильный кислород и сульфгидрильную серу.

ИК-спектр зеленого комплекса подтверждает, что карбоксильные

группы в нем не координированы [138].

Комплексы Fe(III) с цистеином особенно важны, так как они

имеют отношение к изучению ферредоксина (гл. 22). Fe

+ (подоб-

но Cu

+) катализирует окисление цистеина. Чрезвычайно лабиль-

ные комплексы с соотношениями металл—лиганд 1 : 1 (голубой),

1 : 2 (красный) и 1 :3 (фиолетовая и зеленая формы, термически

равноценные) были выделены при —78 °С. Координация осущест-

вляется через кислород и серу в голубой, красной и фиолетовой

формах и через азот и серу в зеленой форме. Это доказывается

спектрами поглощения, ДОВ и КД, а также сравнением этих

спектров со спектрами аналогичных тиогликолятных комплексов

[139]. В родственном комплексе [Fe

(L-Cys)

(CO)

] координация

осуществляется через атомы азота и серы. Тиоловая группа обла-

дает большим сродством к иону Ag+, чем к иону Fe

+, и ионы

Ag+ превращают комплекс в [Fe(L-CysAg)

(CO)

], в котором

Fe(II) связывается с цистеинатным лигандом теперь уже посред-

ством атомов азота аминогруппы и карбоксильного кислорода

[140].

Взаимодействие Cu(II) с цистеином также осложняется вос-

становлением иона металла. Аминокислота окисляется до цисти-

на. Взаимодействие Cu(I) с меркаптидами широко исследовалось

титрованием в водно-ацетонитрильных растворах [141].

Упоминавшиеся до сих пор комплексы служили примерам*

монодентатной координации только по атому серы и бидентатно

го хелатообразования по N и S, N и О, О и S. Выводы о триден

татном хслатообразовании со всеми функциональными группам!

цистеина основаны на детальной интерпретации спектров ДОЕ

растворов, содержащих ионы Co(II) и цистеинатные ионы [142]

Такая координация обнаружена также в кристаллической струк-

туре Na

[Mo^ (L-H^Cys)

]-5Н

0 (XXXVII) [143]. Другим:

XXXVII