Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

глава 31

Main page / Генетика XXII века / БИОХИМИЯ. АМИНОКИСЛОТЫ. БЕЛКИ / Аденин. Гем. Гемопротеины. Гемопексин. Порфин. Порф ирины. Макроцикл. Дентатность. Хелатный комплекс. Протопорфирины. Протопорфирин-IX. Гем-В. Оксигемоглобин. Метгемоглобин (HbM). Метгемоглобинредуктаза. Метгемоглобинемия. Бензокаин. Новокаин. Угарный газ. Карбоксигемоглобин. α- и β-глобины. R- и Т-конформации гемоглобина. Кооперативность. Аллостерический белок. Бикарбонат. Карбоангидразы. Карбаминогемоглобин. Метод Бейдера. Метод полиэдров Вороного-Дирихле.

Содержание

    Аденин – собрат гуанина:), так как он тоже является азотистым основанием, входящим в состав нуклеиновых кислот. Раздел про ДНК и гены уже близок, и значит нам надо со структурой азотистых оснований познакомиться поближе. Если ты хорошо помнишь структуру гуанина, то аденин – он даже попроще, и запомнить его будет легко: аминогруппа переезжает наверх, вытесняя кислород и по пути сшибая со своего места водород.

    Оба кольца аденина тоже неароматические. Мнемоническое правило, чтобы запомнить – где гуанин, а где аденин: порядок следования первых букв аденина и гуанина соответствует приросту сложности молекулы. Зато в порядке компенсации аденин имеет три двойных связи в 6-членном кольце.

    Аденин напоминает акулу с плавником-аминогруппой и высунутым водородным языком (язык ведь лижет воду), и еще начинаются оба слова на букву «а»:

    Теперь вернемся к гемоглобину и подробнее рассмотрим его структуру.

    Простетическая группа (т.е. небелковый компонент) гемоглобина называется «гем». Выглядит структура гема устрашающе, но не в первый раз мы встречаемся с молекулами, которые выглядят очень сложными, а при правильном подходе запоминаются без труда. Для начала запомним в самых общих чертах, что гем – это такая избушка на курьих ножках:

    Избушка имеет 4 мелких метильных ушка, и 2 ушка покрупнее — винильных. В качестве куриных ножек выступают пропионовые группы — остатки знакомого нам представителя карбоновых кислот — пропионовой (пропановой) кислоты:

    Пока что просто посмотрим на гем и насладимся его красотой, никуда не спеша, а потом разберемся в его структуре и даже попробуем ее запомнить, ведь гемоглобин – не просто важная для жизни молекула (по сути про все биомолекулы можно это сказать), но он еще и является модельной молекулой, изучая которую мы узнаём о работе многих типовых молекулярных механизмов, т.е. он что-то типа молекулярной дрозофилы или, прости господи, арабидопсиса:). Кроме того, гемы выступают в роли простетических групп не только у гемоглобинов, но и у других важнейших белковых комплексов: цитохромов, миоглобинов, пероксидаз и т.д. Все такие содержащие гем белковые комплексы так и называются – гемопротеины.

    При некоторых заболеваниях крови эритроциты разрушаются в количествах, больше обычного, и сразу много молекул гемоглобина выходят в плазму крови, что влечет за собой дополнительные угрозы, ведь многие бактериальные патогены (то есть болезнетворные бактерии), попав в наш организм, рыщут в нем в активном поиске железа, которое необходимо для их нормальной жизнедеятельности. И если из эритроцита в плазму крови выходят молекулы гемоглобина, то в их составе выходят и гемы. Для того, чтобы уберегать нас от избыточных концентраций гемов в плазме крови, имеется белок гемопексин. Его производят клетки печени – гепатоциты.

    Из всех известных нам белков, гемопексин обладает самой сильной способностью связывать гем. Гемопексин хватает гем и тащит его к особым рецепторам клеток печени. Затем он выпускает гем, и клетки поглощают его (такое поглощение называется эндоцитозом). Таким образом гем оказывается внутри этих клеток, после чего используется заново для построения здоровых эритроцитов.

    Гемопексин состоит из двух больших субъединиц, иначе говоря — из двух доменов, довольно-таки похожих друг на друга. Каждый домен состоит из 200 аминокислотных остатков, и соединяются они соединительной цепочкой из 20 аминокислотных остатков. Эту соединительную цепочку мы называем «линкером», от слова link — связь. Каждый из двух доменов гемопексина состоит из четырех β-структурных модулей, так что оба они похожи на четырехлопастный пропеллер:

    Внешне гемопексин соответственно представляет собою два таких 4-хлопастных пропеллера, соединенных между собой линкером. Оба «пропеллера» представляют собою довольно жесткую структуру, как и положено пропеллерам, а вот соединяющая их цепочка – гибкая, и когда гемопексин захватывает гем, то он как раз и помещается между двумя «пропеллерами», причем линкер играет в этом процессе важнейшую роль — он немного наматывается на гем и прочно его удерживает. Таким образом эти парные пропеллеры носятся по крови и истребляют свободные гемы, захватывая их и утаскивая на базу – в печень.

    Теперь вернемся к гему. Сначала разберемся – что такое порфин:

    Мы уже хорошо знакомы с пирролидином, и вот перед нами сразу четыре пирролидина, поэтому порфин можно назвать тетрапирролидином. Везде, во всех учебниках пишут, что порфин состоит из четырех пирролов. Честно говоря, я не знаю, почему они так делают – возможно, просто из-за терминологического пофигизма, столь распространенного, увы, в генетических и биохимических текстах. Кольца, из которых состоит порфин, неароматические и являются именно пирролидинами.

    Пирролидины соединены между собой мостиками, и у такого мостика есть свое название — метиновая группа:

    Понятно, что для того, чтобы получить метиновую группу, нужно либо от метильной группы забрать два водорода, или от метиленовой — один. Чтобы не запутаться в метиленовой и метиновой группах и их названиях, хорошо бы подыскать какое-нибудь мнемоническое правило.

    Итак, метиновыми мостиками четыре пирролидина порфина связаны в единый макроцикл. Термин «макроцикл» обозначает не просто «много кольцевых молекул», но такую их совокупность, которая может образовывать несколько связей с центральным атомом металла (в гемоглобине, частью которого является порфин, таким металлом является атом двухвалентного железа).

    Интересно, что порфин представляет собою темно-красное кристаллическое вещество, причем довольно прочное – он разлагается только при температуре выше 360 градусов. Выделенные на схеме порфина цветными точками атомы углерода могут присоединять к себе разные органические молекулярные группы, которые в таком случае называются боковыми цепями. Если боковые группы присоединены ко всем указанным атомам углерода, или хотя бы к некоторым из них, то получающиеся при этом молекулы называются порфиринами.

    Выходит, что порфин – это самый простой из порфиринов, ну или можно сказать иначе, что порфирины — это производные порфина, образуемые с помощью добавления боковых цепей.

    На базе порфирина строятся и разные виды хлорофилла. Разбираться в молекуле хлорофилла мы не будем, но просто взглянуть на нее может быть интересно:

    Введем еще несколько терминов. Термином «дентатность» называется способность лиганда организовывать определенное число связей с центральным атомом металла. Если такая связь может быть образована только одна, то такой лиганд является монодентатным, если две – бидентатным, если еще больше – полидентатным. Комплекс, образуемый полидентатным лигандом с ионом металла, называется хелатным комплексом, или просто хелатом. Этот центральный ион металла называют комплексообразователем. Внутренние части элементов макроцикла образуют полость (в которую и помещается ион металла) и называются макроциклическим кольцом.

    Мы видим, что в порфине и в порфиринах в состав макроциклического кольца входят четыре атома азота, у каждого из которых есть неподеленная электронная пара (на 2s-подуровне).

    Мы сейчас рассматривали порфин и порфирины в целом, безотносительно к нашей теме гемоглобина, и теперь надо сказать, что предшественником гема являются не любые порфирины, а лишь особенные, и они называются протопорфиринами. В чем отличие протопорфиринов от всевозможных других порфиринов? Протопорфирины имеют боковые цепи лишь трех видов: винильную, метильную, пропионовую группы (не обязательно сразу все).

    Разумеется, есть множество разновидностей протопорфиринов, но самый важный для нас сейчас – это протопорфирин-IX, потому что именно он является переносчиком двухвалентных катионов. Связывая ион двухвалентного железа, протопорфирин-IX и образует самый распространенный вид гема – гем-В (еще его называют «гем-IX»). На этом рисунке гема-IX мы видим тот же самый гем, что был приведен в начале главы, просто здесь немного подробнее обозначены составляющие его атомы:

    Еще может быть интересно взглянуть на протопорфирин-IX в изометрической проекции:

     

    В центре гема-В мы видим ион двухвалентного железа Fe2+, который образует 2 ковалентные и 4 координатные связи (т.е. связи, образованные взаимодействиями частичных электростатических зарядов – мы видели пример таких связей между ионом кальция и молекулой апокальмодулина). Координатные связи еще называют координационными. К сожалению, во многих учебниках пишут, что все эти 6 связей – координатные, что совершенно неправильно.

    Четыре связи Fe2+ образует с атомами азота в плоскости порфиринового кольца (две ковалентные и две координатные), а еще две координатные связи направлены вверх и вниз, перпендикулярно этой плоскости. Очень важен тот факт, что именно двухвалентное железо является комплексообразователем, а не трехвалентное Fe3+. Дело в том, что Fe2+ может связывать молекулу кислорода обратимо, т.е. при одних условиях окружающей среды оно может легко ее взять, а при изменившихся окружающих условиях оно может сравнительно легко ее отдать. Трехвалентное железо ведет себя иначе: уж если оно свяжет кислород, то обратно не отдаст, поэтому оно совершенно не подходит для выполнения функций снабжения клеток кислородом.

    Очень важный момент состоит в том, что Fe2+ надежно упрятано глубоко внутрь гема, поэтому кислород не может к нему подобраться так близко, чтобы образовать с ним прочную ковалентную связь, т.е. окислить его и при этом необратимо превратить в Fe3+.

    Соединение молекулярного кислорода с гемоглобином называется оксигемоглобином (HbО2). Очень важно понимать, что при связывании железа в составе гемоглобина с молекулой кислорода, степень окисления железа НЕ меняется. Именно поэтому такую реакцию называют не окислением, а оксигенацией, а обратный процесс отсоединения кислорода называют, соответственно, дезоксигенацией. Поэтому в том случае, когда хотят специально указать на то, что гемоглобин в данный момент не связан с кислородом, его называют дезоксигемоглобином.

    В том случае, если железо в гемоглобине все-таки окислится до трехвалентного, то такая форма гемоглобина называется метгемоглобином (metHb или HbOH или, чаще всего, HbM), и молекулярный кислород он присоединять к себе уже не сможет, поэтому HbM нашему организму не нужен, а потому выводится из крови и подвергается утилизации. Нельзя ли воспользоваться этим механизмом для того, чтобы освобождать наш организм от чего-то ненужного или вредного? Ну если наши системы распознают metHb как мусор и выводят его из организма, то достаточно положить в этот «мусорный мешок» какой-нибудь другой мусор, который сам по себе трудноустраняем, и вместе с этим мешком он и будет удален? Может показаться удивительным, но именно это в нашем организме и происходит: метгемоглобин может присоединять к себе цианиды (при этом получается цианметгемоглобинHbCN), и таким образом эта отрава быстро удаляется вместе с ним. Поэтому при отравлении цианидами прибегают к препаратам-метгемоглобинообразователям.

    Если же слишком много гемоглобина превращается в HbM, то в дело вступает специальный фермент метгемоглобинредуктаза, восстанавливающая HbM в обычный гемоглобин.

    Если, несмотря на работу метгемоглобинредуктазы, в крови образуется свыше 10% метгемоглобина, то это уже считается патологическим состоянием – метгемоглобинемией. Врождённая метгемоглобинемия – это доминантно наследуемое, к сожалению, заболевание, при котором 20-50% всего гемоглобина находится в форме метгемоглобина. Интересно, что метгемоглобинемию могут вызывать лекарства, которые довольно широко используются в быту. Например, поступление в организм марганцовки (перманганата калия) может привести к такому временному эффекту, так что распространенный в прошлом способ имитировать заболевание, к которому прибегали школьники – проглотить кусочек сахара, смоченный марганцовкой, небезопасен. Передозировка парацетамола также приводит к этому эффекту (помимо вредного влияния на печень). Вдыхание паров многих анилиновых красителей дает тот же вредный, а то и опасный эффект. Самое, наверное, неприятное заключается в том, что мы не всегда можем точно описать круг веществ, которые могут неожиданно вызвать метгемоглобинемию – это довольно индивидуально, и мы до сих пор не знаем, почему возникает такой эффект, к примеру, от местных анестетиков: бензокаина (иначе – «анестезина») и новокаина (иначе – «прокаина»), причем иногда метгемоглобинемия может возникать даже от малых их доз, так что если ты воспользовалась бензокаином против зубной боли и от этого резко плохо себя почувствовала, то в больнице тебе введут нужный препарат и проблема решится, но попутно, во время забора крови на анализ, ты сможешь получить яркие впечатления от того, что твоя кровь приобрела выраженный синий цвет.

    Молекула бензокаина выглядит довольно симпатично:

    Ее ядром является остаток карбоновой кислоты с радикалом в виде фенильной группы, нагруженной аминогруппой, и еще этановый довесок справа. Эти элементы, входящие в состав бензокаина, мы изучим позже, уже в генетическом разделе.

    Новокаин, входящий в список жизненно важных лекарств, выглядит посложнее, но и его несложно будет запомнить, имея в качестве базы формулу бензокаина:

    Интересно, что новокаин, будучи впервые синтезирован немецким химиком Альфредом Эйнхорном в 1898 году, сыграл особенно важную роль в медицине, поскольку в качестве эффективного средства для местной анестезии он заменил кокаин.

    Механизм действия бензокаина и новокаина примерно одинаков: они блокируют Na-каналы, препятствуя генерации импульсов в окончаниях чувствительных нервов и, как следствие, проведению импульсов по нервным волокнам.

    Теперь рассмотрим две оставшиеся свободные координатные связи железа. Они выглядят на нашем рисунке открытыми, но в реальности это не так. Мы же не должны забывать о том, что пока что мы рассматривали не молекулу гемоглобина в целом, а только ее простетическую группу. В составе гемоглобина гем помещен куда-то в центр большого белка. И теперь представим себе, что множество аминокислотных остатков, входящих в состав гемоглобина, окружают этот гем, причем один из них – находящийся рядом с железом гистидин, надежно прикрывает одну из этих двух свободных связей, словно кистью руки (в этой фразе – и мнемонический прием). Один из азотов, входящих в гетероцикл этого гистидина, образует с железом координатную связь, что видно на рисунке. Также видно, что именно оставшаяся неприкрытой последняя, шестая связь, которую железо может образовать с каким-то атомом, и образует координатную связь с молекулой кислорода:

    Теперь посмотрим на молекулу гемоглобина в целом. Она является тетрамером, т.е. состоит из четырех субъединиц, соединенных друг с другом нековалентными связями. Каждая из субъединиц имеет по одному гему (на рисунке каждая субъединица окрашена в свой цвет):

    Значит одна молекула гемоглобина может переносить 4 молекулы кислорода от легких к тканям.

    В процессе переноса гемоглобином кислорода есть, однако, одна проблема. Есть такое вещество, как монооксид углерода — CO (угарный газ):

    Молекула СО может научить нас одной интересной вещи. Сравнение электроотрицательностей углерода (2,6) и кислорода (3,4) однозначно показывает, что кислород перетянет к себе общие пары электронов, и именно на кислороде будет небольшой частичный отрицательный заряд. А вот эксперименты однозначно доказывают, что частичный отрицательный заряд находится… на атоме углерода! Почему? Да потому, что вся эта наша модель хорошо работает в простых случаях, а тут случай непростой – тут тройная ковалентная связь между близкими по размеру атомами (радиус углерода 77 пм., кислорода – 73 пм.), и наша модель дает сбой, и требуется гораздо более глубокое рассмотрение ситуации с привлечением сложных моделей и сложной физики и математики.

    Теперь посмотрим – как угарный газ относится к теме гемоглобина. Дело в том, что его сродство к свободному гему в 20 тысяч раз выше, чем у кислорода! Подчеркиваю – именно к свободному гему, а не в составе гемоглобина. Конечно, молекул СО в воздухе очень мало, а точнее – их там почти что вовсе нет:), если исходить из подсчета общего содержания газов во всей атмосфере, но мы-то живем не во всей атмосфере, а в конкретном месте, где угарный газ может появляться в заметном количестве. Он образуется при неполном анаэробном разложении органических соединений, при сгорании биомассы, в лесных и степных пожарах. И поскольку его сродство к гему в 20 тысяч раз выше, то железо в гемоглобине было бы быстро целиком забито молекулами СО, и мы бы умерли. Даже посидеть рядом с костром было бы невозможно без летального исхода. А уж сколько СО находится в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания… И почвенные бактерии его производят… Угарного газа полно даже в космосе! Это вторая по распространённости молекула в межзвёздной среде (после молекулы водорода Н₂), но, к счастью, в межзвездных путешествиях мы пользуемся скафандрами.

    Хуже того, есть ведь еще и эндогенный СО, то есть такой, который вырабатывается прямо в нашем организме! Кислород для нас ядовит, но наши тела умеют с ним обращаться и получать от него пользу. Железо для нас ядовито, но и его мы умело используем. Да куда ни посмотри, внутри наших тел полно всего ядовитого и опасного, без чего мы, тем не менее, не смогли бы жить, и что мы умело используем для собственной пользы. То же касается и угарного газа: в наших телах он играет важную роль нейротрансмиттера, так что в нашей крови всегда есть немного гемоглобина, соединенного с СО. Такой гемоглобин называется карбоксигемоглобином (HbCO). Степень окисления железа в результате присоединения угарного газа также остается равной двум.

    Нейротрансмиттерная роль эндогенного СО в нашем теле обширна и очень интересна. В частности, без него мы бы скорее всего не могли бы обладать долговременной памятью. Мы не сможем сейчас углубиться в эту тему, поэтому просто заметим, что все же мы не умираем от удушья, и наш гемоглобин успешно работает и переносит кислород, а значит, что-то мешает угарному газу присоединяться к гему, когда он находится в крови в составе гемоглобина.

    Железо в наших эритроцитах, располагаясь внутри макроциклического кольца гема, находится еще и внутри защитного белкового комплекса, и именно эта защита не позволяет угарному газу свободно соединяться с железом, и в этих условиях сродство СО к железу лишь в 200 раз выше, чем у кислорода. Как устроен этот защитный механизм? Дело в том, что молекула кислорода О2, присоединяясь к свободному гему, в силу определенного взаимодействия электронных облаков располагается не вертикально к плоскости гема, а под углом к ней — примерно 35 градусов от вертикали:

    Молекула же СО присоединиться к железу может только строго вертикально:

    При этом должен происходить заметный перенос электронной плотности от железа к кислороду, ведь кислород имеет очень высокую электроотрицательность (3,4), а железо – очень низкую (1,8), и тут уж никакие особенности тройной связи не помешают кислороду перетащить к себе электроны.

    Но вот как раз вертикально-то СО лишь с большим трудом может присоединиться к железу в составе гема, потому что когда гем находится в составе гемоглобина, один из аминокислотных остатков просто физически сильно мешает молекуле СО встать строго перпендикулярно атому железа. В результате происходит стократное снижение степени сродства угарного газа к гему, что и приводит к тому, что в норме у человека имеется в крови лишь 1,2% карбоксигемоглобина. У курильщиков доля HbCO достигает 20 (!) процентов, т.е. они находятся в состоянии отравления угарным газом, и их ткани снабжаются кислородом намного хуже.

    Еще гемоглобин умеет связывать ионы водорода, а также небольшое количество диоксида углерода (CO2) – он забирает его в тканях нашего тела и несет в легкие, где и высвобождает (но это не основной путь освобождения наших клеток от углекислого газа – см. ниже).

    Вернемся снова к структуре цельной молекулы гемоглобина. Мы уже знаем, что она состоит из четырех крепко соединенных друг с другом субъединиц-мономеров (глобинов) двух типов: две α-субъединицы и две β-субъединицы, каждая из которых состоит из одной цепочки аминокислотных остатков:

    β-цепь немного длиннее, она состоит из 146 аминокислотных остатков, а в α-цепи имеется 141 остаток. Интересно, что внешне оба типа глобинов очень похожи при том, что их аминокислотные последовательности отличаются более, чем на 50 процентов! Самая сильная связь имеется между мономерами разного типа, т.е. в молекуле гемоглобина есть 4 точки особенно сильной связи.

    Наблюдения за конформациями гемоглобина позволили выделить две основные: R-состояние (от слова «relaxed» — расслабленный) и T-состояние (от слова «tense» — напряженный). Когда кислорода в гемоглобине нет, состояние Т более устойчиво, то есть пока кислород не присоединился к гемоглобину, он преимущественно находится в напряженном Т-состоянии (МП: «гемоглобин напряженно ожидает кислород»).

    Теперь представим, что появляется молекула кислорода. В принципе, кислород может соединяться с обеими формами, но все же гораздо легче он это делает с гемоглобином в R-состоянии. А большинство гемоглобина, по нашему условию, сейчас находится в Т-состоянии, так что кислороду ничего не остается, как присоединяться к гемоглобину в Т-состоянии. И тут происходит нечто очень важное: как только хотя бы одна молекула кислорода связывается с T-гемоглобином, он сразу же переходит в состояние R (при этом размер пустого пространства внутри молекулы гемоглобина уменьшается за счет того, что β-субъединицы сближаются друг с другом). Ну а как только Т-гемоглобин перешел в R-гемоглобин, дальше он уже захватывает кислород жадно, быстро и легко.

    Таким образом изменение конформации гемоглобина при присоединении одной молекулы кислорода приводит к тому, что он начинает усиленно захватывать другие молекулы кислорода. Такое свойство называется свойством кооперативности, а такой белок, в котором связывание лиганда в одном его месте оказывает влияние на способность связывать лиганд в другом его месте, называется аллостерическим (МП: «алло, я тут кое-что связал, пусть и остальные домены реагируют»).

    Еще очень важный для понимания работы гема момент: когда кислород не присоединен к атому железа, железо находится не в плоскости гема, а немного приподнято над ним. Сразу после того, как кислород присоединился, атом железа смещается, «утапливается» и входит в плоскость порфиринового кольца (МП: нагруженное железо утапливается).

    Когда мы вдыхаем воздух, он попадает в легкие и находится там при атмосферном давлении – это примерно 13 кПа. При таком достаточно высоком давлении кислород успешно связывается с гемоглобином, преодолевая первичную инерцию Т-состояния, и дальше все это переносится в эритроцитах внутрь тела, к нашим клеткам. А вот в клетках наших тканей давление в три раза ниже – около 4 кПа, и при таком низком давлении гемоглобин не может удерживать молекулы кислорода и выпускает их – доставка произведена. После того, как кислород доставлен по адресу, гемоглобин забирает из клеток ионы водорода H+ и СО2 и несет их в легкие, где мы их выдыхаем, но этот процесс переноса углекислого газа тоже совсем не прост. Дело в том, что углекислый газ плохо растворяется в крови, а значит, когда органические молекулы окисляются в наших клетках, возникающий при этом СО2 мог бы выделяться в виде пузырьков, и что потом с ними делать? Как хранить их перед тем, как присоединить к гемоглобину и вывести? К каждой клетке соломинку не подведешь:) Выход нашелся: в клетках происходит обратимая реакция превращения углекислого газа в вещество, которое называется «бикарбонат»:

    При этом образуются ионы водорода, которые в воде растворяются хорошо, но при этом, конечно, повышается кислотность (т.е. понижается рН): СО2 + Н2О <=> Н+ + НСО3.

    Эта реакция сама по себе протекать будет слишком медленно, зато, как и подавляющее большинство реакций в живых организмах, она протекает очень быстро с помощью специальных ферментов — карбоангидраз, которые в большом количестве содержатся в эритроцитах и увеличивают скорость реакции в 6 миллионов раз:

    Вообще карбоангидразы участвуют в очень многих реакциях в организме.

    Карбоангидраза – это еще один металлсвязывающий белок, и связанным с ним металлом является ион цинка. Принцип ее работы в общих чертах понять несложно: она состоит из 260 аминокислотных остатков, причем активная часть белка состоит из тех, что обладают щелочными свойствами. Этой своей частью карбоангидраза отрывает от молекулы воды протон, а гидроксил присоединяется к молекуле углекислого газа, образуя бикарбонат. Но тут есть одно «но»: молекула воды – это прочная молекула, и при имеющимся внутри клетки рН она совершенно неохотно отдает один из своих протонов, поэтому карбоангидразе для того, чтобы справиться с работой, нужен помощник – кофактор, и именно эту роль кофактора играет ион цинка Zn2+.

    Высшие растения и одноклеточные зеленые водоросли именно с помощью карбоангидразы получают возможность фиксировать фотосинтетический углекислый газ, т.е. забирать его из атмосферы и включать в органические соединения. Всего пока найдено три независимых класса карбоангидраз: α, β, γ, при этом у млекопитающих используется 7 разновидностей карбоангидраз класса α, которые обозначаются римскими цифрами – от I до VII.

    Гемоглобин переносит к легким и к почкам не весь образующийся в клетках углекислый газ, а лишь около 20%. И водорода он уносит лишь 40%. Остальное переносится непосредственно плазмой крови в виде ионов водорода и бикарбоната. При этом если кислород связывается в гемоглобине с железом, то ион водорода – с некоторым аминокислотными остатками белка. А куда прицепляется углекислый газ? Каждая молекула гемоглобина состоит из 4-х субъединиц, а значит – из 4-х аминокислотных цепей, и значит у каждой цепочки имеется конечная аминогруппа NH2. Именно к NH₂-концевым аминогруппам углекислый газ и цепляется:

    Аминоконцевой остаток превращается в карбаминоконцевой. Название получающейся формы гемоглобина – карбаминогемоглобин или карбгемоглобин (не путать с «карбокси-» — там прицеплен СО, а не СО2).

    Интересно, что у высших позвоночных гемоглобин всегда находится в описанной выше тетрамерной α2β2-форме (т.е. по две цепи каждого вида), а беспозвоночные поступают не так – по какой-то причине они используют очень большое разнообразие четвертичных структур гемоглобина, причем различия между разными вариантами поражают воображение: если кто-то использует скромные димеры (т.е. состоящие лишь из двух субъединиц), то у других гемоглобин насчитывает до 180 субъединиц! Это, видимо, удобно тем, что одна молекула переносит сразу очень много молекул кислорода, водорода и углекислого газа.

    Вопрос о координатных связях, с которыми мы сейчас познакомились, на самом деле относится к числу очень сложных. В самом деле, если два атома образуют между собою ковалентную связь, то тут все выглядит достаточно определенным: имеется общая электронная пара, ковалентная связь образована именно этими двумя атомами и, таким образом, распространяется именно на них, мы даже знаем – какие именно электроны участвуют в этой связи. Все достаточно четко и определенно. Совсем иначе дела обстоят, когда мы начинаем рассматривать координатные связи. Их природа – чисто электростатическая, а электрическое поле не ограничено конкретным маленьким объемом пространства, оно не направлено в каком-то конкретном направлении. Когда мы говорим, что атом железа в геме образует координатные связи с двумя азотами порфиринового кольца, и еще с одним азотом в гистидине, и еще, скажем, с молекулой кислорода, то мы же должны понимать, что электрические поля не выглядят так, как мы рисуем координатные связи на картинках – это не палочки, протянувшиеся от железа к азотам:) Это именно электрическое поле во всей своей прекрасной полноте, а значит тот же атом железа на самом деле взаимодействует и с другими атомами, находящимися чуть дальше, чем упомянутые азоты и кислород. Сила электростатического взаимодействия уменьшается пропорционально квадрату расстояния, а силы Ван-дер-Ваальса пропорционально шестой степени расстояния, так что если расстояние между этим железом и каким-то еще атомом, находящимся позади азотов, в два раза больше, чем расстояние между железом и азотами, то про силы Ван-дер-Ваальса можно просто забыть, а электростатическими силами можно пренебречь. Однако ситуации бывают и иными, когда на самом деле мы просто не можем точно сказать – сколько же координатных связей образует тот или иной ион.

    В таких сложных случаях обычно идут по пути наименьшего сопротивления, говоря, что мы учитываем только близлежащие к иону атомы, но этот подход иногда просто лишен смысла, ведь многое зависит от природы самих атомов, от характера расположения атомов в молекуле. В качестве опоры часто используют сравнение длины связи с радиусом атома: если два атома находятся на расстоянии, существенно большем, чем сумма их радиусов, то можно считать, что этой связи нет, что она не влияет существенно на свойства молекулы. Этот подход работает неплохо в неорганической химии, а в органической он работать практически перестает, ведь само понятие «радиус атома» — это нечто очень расплывчатое! Когда атом находится в составе кристалла, ну скажем, углерод в составе графита, то да, мы можем говорить об углероде, что его радиус равен такой-то величине, а в составе органических молекул радиус атома углерода может колебаться от 0,06Å до 1,7Å! Радиусы отличаются в 30 раз! Более того, когда мы представляем себе атом как некий шарик, это, конечно, удобно во многих случаях, но в реальном-то кристалле форма атома совершенно никакая не сферическая:) Она гораздо больше похожа на многогранник.

    Вообще говоря, мы должны помнить, что признаком того, что между двумя атомами имеется взаимодействие, является изменение электронной плотности между их ядрами, и именно анализ электронного распределения и должен поставить точку в вопросе о том – учитывать нам то или иное взаимодействие, или не учитывать в данном конкретном случае. Фактически, мы должны посмотреть – форму какого именно многогранника принимает атом в конкретном соединении, и число граней и покажет нам истинное координатное число (КЧ) этого атома (т.е. число всех его связей). Такой метод называется методом Бейдера. Чисто технически составить карту электронной плотности очень непросто, поэтому более удобным выглядит метод полиэдров Вороного-Дирихле: таким полиэдром (многогранником) некоего данного атома называется выпуклый многогранник, все внутренние точки которого расположены ближе к этому атому, чем к любому другому. Число его граней и считают равной величине КЧ данного атома в данном соединении. В таком многограннике большие грани соответствуют ковалентным связям, а мелкие – слабым Ван-дер-Ваальсовым взаимодействиям:

    На приведенном рисунке видно, что в графите атом углерода образует 3 ковалентные связи и 8 координатных. Размер грани позволяет оценить силу соответствующего взаимодействия, или, иначе говоря, «долю валентных электронов» этого атома, участвующих в образовании конкретной связи.