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

Подождите немного. Документ загружается.

Гемэритрин

383

метионина, все потенциальные лиганды, входящие в состав белка,

относятся к числу неполяризующихся «жестких» лигандов [15].

Долгое время наиболее вероятными лигандами, связывающими

железо в белке, считались сульфгидрильные группы остатков ци-

Рис. 11.2. Первичная структура гемэритрина.

стеина. Однако блокировка последних при обработке ртутьсодер-

жащими соединениями не приводит к каким-либо изменениям

в спектре поглощения железа [4], что дает основание отбросить

такое предположение. Аналогичным образом можно исключить из

рассмотрения е-аминогруппы лизина, а также концевую а-амино-

группу, которые можно блокировать, например, тринитросульфо-

бензолом, что также не приводит к изменениям в спектре погло-

щения [16].

С другой стороны, четыре остатка гистидина в белке прояв-

ляют пониженную реакционную способность по отношению к ди-

384

Г лава

Таблица 11.2

Возможные места связывания железа с белком

Группа

Остаток

аминокислоты

Порядковый

номер в белке

Вывод о связи с Fe

на основании опытов

по химической

модификации

Cys 1

Не участвует

Г Lys

То же

( NH

(концевая)

1 J

То же

-YoVo-

Tyr

5 Возможно, участ-

вуют 2 группы

Ii о

His

Возможно, участ-

Ii о

вуют 4 группы

/О

Г Glu

—

о-

I Asp

—

-S-CH

Met

—

азоний-1Н-тетразолу, что может быть обусловлено их связыванием

с атомами железа [16]. Кроме того, обнаружено, что взаимодейст-

вие двух остатков тирозина с тетранитрометаном сопровождается

высвобождением одного атома железа из субъединицы, что указы-

вает на возможность связывания атомов железа и с остатками ти-

розина [17]. Местами связывания железа могут быть также кар-

боксильные группы остатков глутаминовой или аспарагиновой кис-

лот и тиоэфирная группа остатка метионина (табл. 11.2). Однако

в отношении этих потенциальных лигандов нет никаких экспери-

ментальных данных, подтверждающих или опровергающих такое

предположение.

8. МАГНИТНЫЕ И СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА

АКТИВНОГО ЦЕНТРА

Поскольку исследование электромагнитных свойств железа,

входящего в состав гемэритрина, направлено на выяснение строе-

ния активного центра, полученные данные необходимо сопостав-

Гемэритрин

385

лять с результатами исследований модельных соединений, строение

которых известно. Учитывая еще и тот факт, что в субъединице

гемэритрина содержатся два атома железа, в рассмотрение полез-

но включить как биядерные, так и моноядерные его комплексы.

8.1. Модельные соединения

Железо(III) в нейтральных или щелочных растворах проявля-

ет сильную склонность к полимеризации. Число охарактеризован-

ных биядерных и полимерных комплексов железа(III) с неоргани-

ческими и биологическими лигандами непрерывно растет [8, 19].

Железо(III) в биядерных комплексах обладает аномальными маг-

нитными свойствами, которые обусловлены антиферромагнитным

обменным взаимодействием (—2JS\S

) между двумя атомами же-

леза (/ — отрицательная величина). При таком взаимодействии

двух высокоспиновых ионов железа (III) основное состояние систе-

мы— диамагнитное синглетное (S = O), а возбужденные состояния,

которых имеется целый набор (5=1, 2, 3, 4, 5), расположены не

слишком высоко и могут частично заселяться при повышении тем-

пературы. При понижении температуры заселенность их умень-

шается, и магнитные свойства образца приближаются к свойствам

диамагнитных комплексов. Это проявляется в уменьшении экспе-

риментально измеряемого магнитного момента [18, 20] и интенсив-

ности сигнала ЭПР [21, 22]. При низких температурах спектр

Мессбауэра такого комплекса становится похожим на спектры

диамагнитных комплексов и в нем отсутствует уширение, обуслов-

ленное сверхтонким взаимодействием, которое не проявляется

даже при наложении магнитных полей высокой напряженности

[22—25].

В спектрах поглощения биядерных комплексов железа(III)

с антиферромагнитным взаимодействием центральных атомов на-

блюдается увеличение интенсивности d—d-полос, расположенных

в длинноволновой области (800—900 нм). Это явление, по крайней

мере отчасти, объясняется тем, что для указанных переходов сни-

мается «запрет по спину» [26].

В биядерных мостиковых комплексах железа (III) антиферро-

магнитное взаимодействие происходит по механизму сверхобмена

и зависит от характера перекрывания орбиталей атомов железа

с орбиталями мостиковых атомов. В табл. 11.3 приведены магнит-

ные характеристики некоторых мостиковых биядерных группиро-

вок.

Биядерные комплексы железа (III) с линейным оксомостиком

(тип I в табл. 11.3) встречаются очень часто и характеризуются

сильным обменным взаимодействием, которое обусловлено коротким

26—2451

386

Г лава 10

расстоянием Fe—О*, свидетельствующим о существенном вкладе

я-связывающих орбиталей в образование связей в этой мостико-

вой группе. Второй тип биядерных комплексов (тип II в табл. 11.3)

характеризуется наличием двух гидрокси- или алкокси-мостиков.

В комплексах этого типа обменное взаимодействие намного сла-

Таблица 11.3

Строение и магнитные свойства некоторых биядерных

комплексов железа(Н1)

Строение Тип

—J, CM-I

фф при комнатной

температуре, отнесенный

к одному атому Fe,

магнетоны Бора

Fe-O-Fe I

80—100 1,28—2,0

Цб

5,3

Ре

/ \р

120°

IIl

30 3,6»

Низкоспиновое желе-

зо(Ш)

2,0—2,5

Высокоспиновое желе-

зо(Ш)

0 5,7—6,0

См. работу [10] и литературу к ней.

R=H, salen.

В расчете на g=2; не зависящий от температуры парамагнетизм отсутствует.

бее, что частично обусловлено меньшей прочностью одинарных

связей Fe—О, а частично тем, что обменное взаимодействие под

углом 90° менее эффективно**. Третий тип мостиковых комплек-

сов, представителем которых является тримерный ацетат желе-

за (III), по эффективности обменного взаимодействия занимает

промежуточное положение между комплексами типа I и II.

* В оксомостиковой группе расстояние Fe — О равно 1,8 А, тогда как обыч

ная связь F — О имеет длину 2 A f26a].

** Меньшая эффективность обмена при угле мостика Fe—О—Fe, равном 90°

объясняется тем, что спиновый момент может передаваться только через одинар

ную 0-связь Fe — О, тогда как передача спинового момента через я-перекрываю

щиеся орбитали в данном случае малоэффективна.

Гемэритрин

387

8.2. Гемэритрин

8.2.1. Спектры поглощения и кругового дихроизма (КД)

Спектральные характеристики гемэритрина были недавно рас-

смотрены в обзоре [10]. Они сопоставимы с аналогичными харак-

теристиками модельных биядерных оксомостиковых комплексов,

что видно из данных, приведенных в табл. 11.4.

Спектры поглощения и КД всех форм гемэритрина, за исклю-

чением его акво-, гидрокси- и фторидного комплексов, не чувст-

вительны по отношению к изменению рН среды. Особый интерес

представляют полосы в спектре поглощения гемэритрина, располо-

женные в области 600—700 нм, которые были отнесены к d—ef-ne-

реходам. Молярные коэффициенты поглощения этих полос в ра-

счете на атом железа (ел;20—50) намного больше тех значений,

которые следовало бы ожидать в случае «спин-запрещенных»

d—d-переходов мономерных высокоспиновых комплексов желе-

за (III). Увеличение интенсивности этих полос объясняется обмен-

ным взаимодействием между двумя атомами железа.

Полосы переноса заряда с лиганда на атом железа, а также

другие полосы переноса заряда примерно при 480, 380 и 330 нм,

наблюдаемые в спектре поглощения гемэритрина, похожи на ана-

логичные полосы простых комплексов [Fe(H

O)SL]

Спектры КД комплексов метгемэритрина с анионами Cl

, Br

^CO- CN

, SCN

и N3, за исключением полосы переноса заряда

; лиганда на металл, весьма сходны между собой. Два комплекса

нетгемэритрина — с H

O и с ОН~ — резко отличаются своими

:пектрами КД от группы перечисленных выше комплексов. Спек-

тры КД фторидных комплексов в зависимости от условий экспери-

мента могут быть похожи как на спектры первой группы комплексов,

~ак и на спектры акво- и гидрокси-комплекса. Такое явление мож-

ю объяснить различным составом образующихся фторидных

сомплексов: в первом случае спектр КД соответствует, по-види-

юму, комплексу с соотношением лиганд : металл, равным 1 : 2,

1 во втором — комплексу с соотношением, равным 1 : 1 [10].

Примечательно, что как спектры поглощения, так и спектры КД

жсигемэритрина очень близки с соответствующими спектрами

1етгемэритрина, на что впервые обратили внимание Надь и Клотц

3]. На основании этого сходства спектров можно предполагать,

;то железо в гемэритрине находится в степени окисления 4-3.

8.2.2. Магнитная восприимчивость

Магнитная восприимчивость различных форм гемэритрина при

омнатной температуре измерялась во многих лабораториях и

использованием различных методов [25, 28, 29]. Результаты всех

Спектры поглощения комплексов гемэритрина и модельных оксо-мостиковых

Комплекс

Лиганд®

Стехио-

метрия®

Поло

X, нм

Оксигем—

эритрин

[Fe

O(Ac)

]

[(Fe(H

O)B)

[(FeSflTA)

[(Fe(—)-ПДТА)

[(FeOSflTA)

[(Fe(Phen)

)

[(Fe(Wpy)

)

[(Feterpy)

[(Fesalen)

I(Fe(Salen)Cl)

]

SH-

NCS-

NCO-

Br-

Cl-

CN-

F-

OH-

O/!-

(?)

или 2

750 пл.

(не набл.]

680

674

650

677

656

695

595 пл.

597

580 пл.

550 пл.

973

876

878

880

875

-970

960

~950

~ 1200

-1250

200

190

200

166

165

180

140

200

160

200

800

15,7

7,2

8.4

6.5

515 пл.

495

540 пл.

580 пл.

575 пл.

590 пл.

124

160

ИЗ

115

104

Данные взяты из работы [10]. См. также библиографию.

^ Лиганды, образующие комплексы с гемэритрином. Иодид не координируется непосре.

Указанная стехиометрия точно установлена только в случае кислорода, амида

константы образования.

Молярные коэффициенты поглощения даны в расчете на одну субъеднницу, содерж

мостиковым лигандом, пл. означает «плечо».

Таблица 11.4

комплексов железа(П1)

сы

Я, нм

А., нм

X, нм

?.,

2200 360 пл.

5450

330

6800

~4000

пл. ~5000

~330

~7000

— —

3700

380 пл.

4300

326

6750

5100

370 пл.

4900

327

7200

700 377

6500

334

6550

— — — — —

950 387

5400 331

6500

— — — —

750

380

6000

329

6600

— — — — — —

770

374

5300

330

6400

400

362 5000

317

5600

550

362

5900

320

6800

— — — — — —

600

—

355

6400

1200

—

340

6300

199

406 пл.

630

335

5010

172

—

364

9360

— —

274

15756 — —

199

405 пл.

810

335 10700 303

14100

267 14100

240

1720L

197

400 пл.

920

335

10600

305

13200

267

14700

240

16501

196

405 пл. 830

335 пл. 11400

305

15400

270 16400 237

17601

—

— 352 пл.

—

310 пл.

—

273

—

225

—

345 пл.

—

310 пл.

—

281

—

234

—

410

—

— 377

—

290 пл.

— 256 пл.

—

226

—

— 435

— — —

322

—

265

—

225

—

ственно атомом железа, но находится поблизости к нему.

тиоцината. В случае цианида, хлорида и гидроксида стехиометрию выводили исходя аэ

щую два атома железа. Курсивом обозначены полосы переноса заряда, не связанные с оксо-

390

Г лава 10

этих измерений качественно согласуются между собой. Деокси-

генированный гемэритрин содержит железо(II) в высокоспиновом

состоянии. Оксигенированный гемэритрин, а также все изученные

комплексы гемэритрина (с N~, SGN

, F-, CN

, НзО и CNO") обла-

дают более низкой магнитной восприимчивостью. Разность квад-

ратов эффективных магнитных моментов деоксигемэритрина и

окси- или метгемэритрина равна примерно Ац|фф= 18±2 (магнетон

Бора)

на атом Fe, хотя точной поправки на диамагнитную со-

ставляющую при этих расчетах не вводилось.

Низкую магнитную восприимчивость оксигемэритрина и метгем-

эритрина при комнатной температуре можно в общем объяснить

спариванием спина, обусловленным сильным расщеплением

d-уровпсй иона железа(III) в кристаллическом поле или сильным

антиферромагнитным взаимодействием соседних атомов железа

(см. комплексы типа I в табл. 11.3).

Измерение магнитной восприимчивости при низких темпера-

турах и данные гамма-резонансной спектроскопии подтверждают

последнее предположение. При низких температурах магнитная

восприимчивость оксигемэритрина и метгемэритрина уменьшается

[30, 31]. В области температур 1,4—4,2 К железо в этих формах

белка диамагнитно [31]. Если бы ионы железа(III) были изолиро-

ваны друг от друга, то диамагнитное состояние никоим образом не

могло быть достигнуто ввиду отсутствия дополнительных неспарен-

ных электронов. Таким образом, по крайней мере в случае мет-

гемэритрина, антиферромагнитное взаимодействие двух атомов

железа можно считать твердо установленным фактом* [7].

8.2.3. Спектры Мессбауэра

Спектры Мессбауэра производных гемэритрина [25, 32] дают

информацию об электронной плотности на ядре железа и о гра-

диенте электрического поля, что отражает электронное состояние

атома железа. Полученные параметры спектров Мессбауэра гем-

эритрина сопоставлены в табл. 11.5 с соответствующими данными

о некоторых модельных биядерных мостиковых комплексах желе-

за (III).

а) Деоксигемэритрин. Спектр Мессбауэра деоксигемэритрина

состоит из одного дублета, обусловленного квадрупольным рас-

щеплением (рис. 11.3). Сильное квадрупольное расщепление

и большой изомерный сдвиг (табл. 11.5), наблюдаемые в этом

спектре, характерны для высокоспинового железа (II), что согла-

суется с данными по измерению магнитной восприимчивости деок-

* Можно допустить, что в случае оксигемэритрина диамагнетизм основного

состояния обусловлен присутствием двух атомов Fe(II) в низкоспиновом состоя-

нии. Однако кажется более правдоподобным, что диамагнетизм здесь обусловлен

той же причиной, что и в случае метгемэритрина.

Гемэритрин

391

Таблица 11.5

Параметры спектров Мессбауэра комплексов гемэритрина

и модельных систем

Параметры спектра Мессбауэра

Комплекс

Лиганд

изомерный сдвиг

с, мм/с

ШШ-кк*. ля Я

квадрупольное

расщепление

Д£

кв

, мм/с

Оксигемэритрин

0,46

0,47

1,87

0,94

NCS-

0,55

—1,92

Cl-

0,50

2,04

Метгемэритрин

F- 0,55

1,93

0,50

1,91

0,46 1,57

[Fe

O(Ac)

]

—

0,43

[(Fe(H

O)B)

—

0,54

0,85

(FeSflTA)

—

0,46

— 1,44

[(F

(—)-ПДТА)

— 0,44 1,74

[(FeOaaTA)

—

0,46

—1,68

(Fe(phen)

)

—

0,49

1,68

(Fe(Wpy)

)

O]"+

—

0,48

1,51

(Feterpy)

—

0,59

2,35

(Fesalen)

—

0,46 +0,78

[(FesalenCl)

]

—

0,51

—1,40

Цеоксигемэритрин

O 1,15

2,86

Спектры снимались при 77 К по отношению к железной фольге. Знак при ДЯ

КВ

приве-

ден для случаев, где он определялся. Данные взяты из работы [13].

сигемэритрина. Одинаковые параметры спектра Мессбауэра от

двух ядер железа, входящих в субъединицу, свидетельствуют об

одинаковой координации обоих атомов.

б) Метгемэритрин. В спектрах акво-, тиоцианатного, фторидно-

го, хлоридного и азидного комплексов метгемэритрина при сниже-

нии температуры до 4,2 К (рис. 11.4) наблюдается один дублет.

Изомерные сдвиги для всех указанных комплексов (табл. 11.5)

находятся в пределах от 0,45 до 0,55 мм/с (по отношению к метал-

лическому железу), что характерно для высокоспинового состоя-

ния железа(III). Величины квадрупольного расщепления для этих

392

Г лава

комплексов очень близки между собой; они больше, чем обычная

величина квадрупольного расщепления для простых солей желе-

за (III) в высокоспиновом состоянии. Однако такие большие ве-

личины квадрупольного расщепления наблюдаются в случае бия-

дерных мостиковых высокоспиновых комплексов железа(III) или

****** 1

Л^УбЭ&Ц 195 К

^V^^ ^ V £

77 к

:: V:

\ •

I 1 I I 1 1 1 I I ' ' с 1 J t 1 1 1

-4,0 -2P OO 2,0 A

O ~<р -го QO 2О 4,0,

Скорость, мм/с Скорость, ммIс

Рис. 11.3. Спектры Мессбауэра де- Рис. 11.4. Спектры Мессбауэра тио-

оксигемэритрина при разных темпе- цианатогемэритрина (1) и аквогемэ-

ратурах. ритрина (2) при 77 К.

мономерного высокоспинового комплекса железа(III) с N,N'-6«c

салицилиденэтилендиамином (salen) (табл. 11.5). Эти параметрь

спектров Мессбауэра соответствуют высокоспиновым атомам же

леза(Ш), связанным между собой антиферромагнитным взаимо

действием.

в) Оксигемэритрин. Спектр Мессбауэра оксигемэритрина со

стоит из двух полос, квадрупольно расщепленных на дублеть

(рис. 11.5). Оба дублета определенно отличаются от дублетг

в спектре железа (II) деоксигемэритрина. Полученный спектр

свидетельствует о том, что в оксигемэритрине оба атома железг

принимают участие в связывании кислорода и что электронно!

окружение у этих двух ядер железа различное. Наблюдение дву)

дублетов можно было бы объяснить существованием равновесш

между двумя электронными состояниями одного и того же атом;

железа или присутствием двух геометрических изомеров. Однакс

эти предположения отпадают ввиду того, что относительная ин

тенсивность указанных двух дублетов остается неизменной и npi

4,2 К- Изомерный сдвиг обоих дублетов очень близок к сдвиг;

дублетной полосы у производных метгемэритрина. В спектре окси