Бионеорганическая химия

БИОНЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Бионеорганическая химия — одно из самых новых направлений неорга­нической химии. Задачей бионеорганической химии являются выявле­ние неорганических соединений, участвующих в различного рода био­логических процессах, их изучение, математическое и химическое мо­делирование биологических систем с участием этих соединений и, на­конец, управление этими системами и их оптимизация. В курсе неорганической химии при систематическом рассмотрении свойств эле­ментов периодической системы

необходимо наряду с другими аспекта­ми останавливаться и на проблемах бионеорганической химии, в том числе отмечать биологическую роль тех или иных неорганических соединений. 1. Бионеметаллы и биометаллы В биологических процессах участвует большое число химических соединений, образованных различными элементами периодической си­стемы. Организмы животных и растений состоят из сложных веществ, включающих в свой состав как элементы-неметаллы,

так и элементы с металлическими свойствами. Из неметаллов особенно важную роль играют углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, галогены. Из металлов в состав животных и растительных организмов входят нат­рий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кобальт, медь, марганец, молибден и некоторые другие. Для того чтобы оценить соотношение количеств химических эле­ментов, входящих в состав живых организмов, полезно рассмотреть содержание биоэлементов в организме «среднего» здорового человека (вес 70 кг).

Установлено, что на 70 кг массы человека приходится 45,5 кг кислорода (т. е. больше половины массы), углерода—12,6, водорода — 7,0, азота — 2,1 кг, примерно столько же фосфора. Каль­ция в человеке 1,7 кг, калия — 0,25, натрия — 0,07 кг, магния — 42 г, железа — только 5 г (химики шутят, что железа в человеке хватит лишь на один гвоздь), цинка — 3 г. Остальных металлов в сумме мень­ше, чем 1 г. В частности, меди — 0,2 г, марганца — 0,02 г.

Интересно, что вхождение химических элементов в состав живых организмов не зависит каким-либо простым образом от их распростра­ненности. Действительно, хотя наиболее распространенный на земле элемент — кислород — является важнейшей составной частью соедине­ний, слагающих растительные и животные организмы, такие распрост­раненные элементы, как кремний и алюминий, в их состав не входят, а относительно мало распространенные кобальт, медь и молибден вы­полняют важную биологическую роль.

Следует отметить также, что среди биоэлементов, т. е. элементов, играющих важную роль в по­строении живого организма и в процессах поддержания его жизни (обмен веществ, метаболизм), находятся очень сильно различающиеся по своим химическим свойствам, размерам частиц и электронному строению металлы и неметаллы. Например, среди биометаллов (их часто называют «металлами жизни») есть элементы, образующие ионы с благородногазовой электронной «подкладкой», несклонные к прояв­лению переменной валентности (Na+,

K+, Mg2+, Са2+). Наряду с этим есть среди биометаллов и элементы с 18-электронной (Zn2+) или не­достроенной 18-электронной «подкладкой» (Cu2+, Co2+, Fe2+, Fe3+, Mo(V), Mo(VI)). Последние склонны изменять степень окисления в ходе обмена веществ. Среди перечисленных биометаллов есть элементы, образующие преимущественно ионные (Na, К) и ковалентные связи (Mo, Zn); силь­ные комплексообразователи, такие, как

Fe3+, Co2+, Cu2+, Zn2+. Однако и менее прочные комплексы, образованные, например, ионами Са2+, Mg2+, Mn2+, играют важную биологическую роль, и даже ионы щелоч­ных металлов (Na+, К+) в метаболических процессах вовлекаются в образование комплексов (с участием макроциклических лигандов). Установлено, что большое значение имеют размеры ионов металлов, участвующих в процессах метаболизма. Так, например, не очень большая разница в величинах ионных радиусов

Na+ (0,98 А) и К+ (1,33 А) обусловливает очень большую разницу в радиусах гидратированных ионов. Это приводит к неодина­ковой роли ионов Na+ и К+ в процессе метаболизма: Na+ — внекле­точный, а К+—внутриклеточный ионы. Именно размеры ионов, а так­же характерный для данного иона тип химической связи определяют, на какие ионы может замещаться тот или иной ион в процессе мета­болизма. Установлено, что ионы К+ могут замещаться в живых тканях на крупные однозарядные катионы щелочных металлов

(Rb+, Cs+), а также на сходные по размерам ионы NH4+ и Т1+. Напротив, относи­тельно маленький ион Na+ может замещаться только на Li+. Интерес­но, что обмен на ионы Cu+ не происходит, видимо, из-за склонности Cu+ к образованию ковалентных связей, хотя размеры Cu+ и Na+ сходны. Очень важно, что ионы Mg2+ и Са2+ в биосистемах не замещают друг друга.

Это связано, как полагают, с большей ковалентностью связи Mg2+ с лигандами по сравнению с Са2+. Еще более ковалентные связи с лигандами образует Zn2+, он не замещается на Mg2+, хотя близок к нему по величине ионного радиуса. Согласно. К. Б. Яцимирскому, оценку ионности и ковалентности связей ионов биометаллов с лигандами целесообразно проводить сле­дующим образом. Ионность связи пропорциональна отношению квад­рата заряда иона к величине

ионного радиуса. Это отношение для большинства ионов находится в пределах от 1 до 5. Только для бе­риллия это отношение аномально велико и составляет 11,7. Именно с этим связывают высокую токсичность иона Ве2+. Ковалентность связи металл—лиганд, по Яцимирскому, можно оценить как отношение где Iм и Il — потенциалы ионизации (валентных состояний) металла и лиганда соответственно;

Sml — интеграл перекрывания орбиталей, взаимодействующих при образовании ковалентной связи. Ковалентность биометаллов, охарактеризованная таким способом, обычно из­меняется в интервале 20—135. При малой ковалентности связи наи­более устойчивыми оказываются соединения ионов металлов с кисло­родом. По мере роста ковалентности все более устойчивыми оказывают­ся соединения со связью металл—азот и, особенно, со связью металл—сера. Такую же корреляцию дает классификация

Пирсона, согласно которой «жесткая» кислота соединяется с «жестким» основанием а «мягкая» кислота — с «мягким» основанием. Бионеорганическая химия рассматривает не только те элементы и их соединения, которые присутствуют в нормально функционирующем живом организме, но и те элементы (и их соединения), которые, не являясь составной частью здорового организма, могут оказывать на него то или иное воздействие, попадая в организм извне. Речь идет о взаимодействии живого организма с ядовитыми веществами, попав­шими

в организм случайно или накопившимися в нем, например, в результате неправильной работы тех или иных органов (производ­ные свинца, кадмия, ртути и др.). Надо учитывать, что очень важной является дозировка различных элементов и их соединений в живом организме. Доказано, что один и тот же элемент может положительно влиять на организм в целом и одновременно быть сильным ядом в случае его передозировки. Уже упоминалось, что цинк принадлежит к числу важнейших биометаллов:

ионы Zn2+ входят в состав нескольких десятков ферментов, катализи­рующих протекание жизненно важных процессов. В то же время уста­новлено, что при слишком высоком содержании Zn2+ в тканях он ока­зывает канцерогенное действие. Примером того же типа может быть селен, который, вообще го­воря, не причисляют к биометаллам. Однако в последнее время уста­новлено, что уменьшение содержания селена в пище, потребляемой человеком

за день, с 0,3—0,5 мг (Япония) до 0,1—0,2 мг (США, ФРГ) приводит к резкому возрастанию числа раковых заболеваний грудной железы у женщин (более чем в 5 раз). Полагают, что низкое содер­жание селена в пищевых продуктах, вырабатываемых в странах с вы­сокоразвитой химической промышленностью, связано с большим со­держанием в атмосфере соединений серы, вытесняющих селен из при­родных объектов. В Японии нехватка селена в пище меньше, так как многие пищевые продукты,

извлекаемые из моря, содержат большое количество селена. В задачи бионеорганической химии входит изучение строения и биологической роли неорганических соединений. Эти исследования про­водят различными физико-химическими методами, а также методами биологии и биохимии, включающими и математическое моделирование. Бионеорганические исследования имеют первостепенную важность для решения задач медицины, охраны окружающей среды, неорганической технологии.

Далее мы кратко рассмотрим свойства и строение некото­рых лигандов, играющих важнейшую роль в биологии, в частности соединения, закомплексовывающие биометаллы, а затем перейдем к характеристике свойств важнейших бионеорганических соединений и их роли в процессах жизнедеятельности животных и растений. 2. Важнейшие биолиганды Биолиганды — это молекулы или ионы, взаимодействующие в организме с биометаллами. Многие из них называются «молекулами жизни». К числу биолигандов относятся главным образом органические

соеди­нения. Однако и неорганические лиганды, хотя их существенно мень­ше, играют в процессах метаболизма важную и незаменимую роль. Это неорганические анионы, такие, как галогенид-ионы (F С1 I-), сульфат - и нитрат-ионы, а также гидроксил фосфат- и карбонат-ионы, образование и гидролиз которых вносят немалый вклад в энергетиче­скую «копилку» живого организма. Это, наконец, нейтральные моле­кулы Н2О, О2, СО2,

NH3. Без этих лигандов метаболизм, питание и сама жизнь организма невозможны. Поэтому исследование взаимодействия с упомянутыми неорганиче­скими веществами ионов биометаллов, а также других катионов, попадающих в организм извне, — важнейшая задача биохимии. Взаимо­действия, реализующиеся в биосистемах, не являются специфическими и рассматриваются в рамках обычных курсов неорганической химии. Поэтому ниже будут представлены сведения лишь о лигандах, харак­терных

именно для биосистем или моделирующих эти системы. Комплексы с полидентатными и макроциклическими лигандами Основной особенностью биолигандов является их принадлежность к числу полидентатных и (очень часто) макроциклических лигандов. Как известно, особая устойчивость комплексных соединений, об­разованных ионами металла с полидентатными лигандами, объясняет­ся образованием одной молекулой (или ионом) лиганда с данным центральным ионом

(катионом металла) одного или нескольких хелатных циклов. Согласно правилу Чугаева, наиболее устойчивыми яв­ляются пятичленные хелатные циклы (для систем без кратных связей) и шестичленные циклы (для систем с сопряженными двойными связя­ми). Напомним, что энергетическая выгодность замыкания хелатных циклов (хелатный эффект) определяется как энтропийным, так и эн-тальпийным факторами. Рассмотрим в качестве примера комплексообразование

Ni2+ с аммиаком и этилендиамином еп: В обоих комплексах ион Ni2+ координирует два атома азота. Боль­шая величина Kуст в случае этилендиаминового комплекса, несомнен­но, связана с хелатным эффектом: в комплексе [Niеn]2+ имеется пятичленный хелатный цикл, тогда как у комплекса [Ni (NH3)2]2+ — «откры­тое» строение: Координационно насыщенные аммиакаты Ni2+ имеют состав [Ni(NH3)4]2+ или [Ni(NH3)6]2+.

Установлено, что разница в величинах констант устойчивости этих двух комплексов (A lgKуст = 2,5) определяется энтальпийным (∆H= -1,9 ккал/моль) и энтропийным вкладом (∆S = 6,2 кал/град*моль). Разницу в величинах энтальпии образования этих соединений объяс­няют тем, что в случае [Nien]2+ двум атомам азота, входящим в коор­динационную сферу Ni2+, не нужно преодолевать взаимного отталки­ваия (в отличие от комплекса [Ni (NH3)2]2+). Атомы азота этилендиамина уже включены в состав одной молекулы

(«сближены» друг с другом). Кроме того, при образовании [Niеn]2+ меньше энергии тре­буется для дегидратации лиганда, чем в случае [Ni (NH3)2]2+: молеку­лы аммиака меньше по размеру, чем еп, они сильнее гидратируются. Разница в величинах энтропийных факторов при образовании хелатного и «открытого» комплексов обусловлена увеличением числа частиц при протекании реакции тогда как при синтезе в водном растворе диаммиаката никеля (II) в результате комплексообразования число частиц не меняется: что связано с бидентатностью

еп и монодентатностью NH3. Как указывает Яцимирский, кроме хелатного эффекта в природ­ных металлокомплексах, образованных биолигандами, часто осущест­вляется макроциклический эффект. В качестве примера рассматри­ваются термодинамические характеристики комплексов меди с лигандами L` и L" одинаковой дентатности и сходной природы, но только в L" цепь замкнута в макроцикл: Как видно из приведенных данных, тетрадентатный лиганд

L", представляющий собой макроцикл, при прочих равных условиях обра­зует с Cu2+ комплекс, в 104 раз более устойчивый, чем такой же тетра­дентатный лиганд L`,имеющий незамкнутое цепочечное строение. При­рода макроциклического эффекта в полной мере еще не раскрыта, однако можно полагать, что вхождение центрального иона металла в готовую «полость» макроциклического лиганда приносит существен­ную энергетическую выгоду по сравнению с ситуацией, когда такой готовой полости

нет и ее нужно создавать в процессе комплексообра-зования. Одним из простейших среди природных макроциклических лигандов является энниатин — 18-членный гексадентатный лиганд, включаю­щий кислотные остатки N-метил-валина и о-гидроксивалериата: Энниатин и подобные ему макроциклические лиганды выполняют в живых организмах роль «ионофоров»: они включают в свою полость те или иные ионы металлов и в таком закомплексованном виде пере­носят их через

биомембраны, регулируя, таким образом, содержание ионов металлов во внеклеточном пространстве и внутри клеток. В последнее время выполнены важные работы по моделированию природных систем с металлокомплексами, образованными макроциклическими лигандами. В качестве «модельных» лигандов использовались так называемые «короны» (или краун-эфиры) и «криптаты». Примером простейших корон, являющихся двухмерными (плос­костными) лигандами, могут служить следующие: Дициклогексил-14-корона-4

Бензо-18-корона-6 Номенклатура краун-эфиров, как видно из приведенных названий и формул, указывает на общее число атомов в макроцикле и число гетероатомов, формирующих полость короны и выполняющих функции до­норов. Экспериментально установлено, что устойчивость комплексных соединений ионов металлов с коронами определяется соотношением размеров иона металла и полости короны. Наибольшая прочность макроциклических комплексов достигается, когда полость плотно «об­хватывает» ион

металла. Если полость слишком велика или мала, устойчивость комплексов уменьшается. Те же закономерности были установлены для систем, в которых комплексообразование ионов металлов осуществляется с помощью макроциклических лигандов — криптатов, представляющих собой трех­мерные лиганды с полостью, обрамленной тремя углеродными цепями, включающими гетероатомы. Общая формула криптатов имеет вид: Таким образом, криптаты можно рассматривать как бициклические кислород-

донорные лиганды с концевыми атомами, роль которых выполняют третичные атомы азота. Полагают, что криптаты могут обладать большой избиратель­ностью (селективностью) по отношению к биометаллам, например, природный макроциклический лиганд валиномицин селективен к ионам К+. Ниже приведены значения lgКуст комплексов криптатов и ионов щелочных металлов, образованных лигандами различной дентатности. Число донорных атомов в криптате влияет на размеры по­лости этого трехмерного

макроциклического лиганда и, следовательно, на соотношение размеров комплексообразующего иона металла и по­лости, а значит и на устойчивость образующегося комплекса: Интересно, что оптимальный лиганд для Li+ содержит в полости макроцикла пять донорных атомов. Увеличение числа донорных ато­мов и соответственно размеров полости приводит к уменьшению ста­бильности криптата лития. Для иона Na+ оптимальные размеры по­лости криптата отвечают 6-дентатному лиганду, для

иона К+ — 7-дентатному. Для иона Rb+ устойчивость комплекса в оптимальных усло­виях ниже, чем для К+, и еще более она падает в случае иона цезия — самого большого по размерам среди ионов щелочных металлов. По-видимому, независимо от размеров полости для большого иона Cs+ прочность связи с лигандом мала из-за уменьшения энергии электро­статического взаимодействия Cs+—лиганд. Итак, исследование криптатов щелочных металлов показывает, что, регулируя состав и гео­метрию

макроциклических лигандов, можно добиться их высокой селективности по отношению к ионам металлов, входящих в состав комплексов. Состав и строение природных ионофоров, упрощенными моделями которых являются краун-эфиры и криптаты, сложны и мно­гообразны. Понятно поэтому, что в биосистемах может быть достиг­нута высокая селективность действия макроциклических лигандов, это и определяет их «узкую специализацию» в процессах метаболизма. Биополимеры, на основе которых строится комплексообразование в биологических

системах Наиболее важными биополимерами, обеспечивающими процессы об­мена веществ в животных и растительных организмах, в том числе процессы, протекающие с участием комплексных соединений металлов, являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Среди полисахаридов наибольшее значение имеют крахмал, гли­коген и целлюлоза. Основным звеном в построении полимерных цепей полисахаридов являются остатки D-глюкозы. Нециклическая D-глюкоза легко циклизуется, образуя две равновесные формы:

Если полимеризуется α-форма, то цепь полимера оказывается развет­вленной — получается крахмал и гликоген. При полимеризации β-формы образуется цепочечный неразветвленный полимер — целлюлоза, которая, как известно, обладает волокнистым строением. Полисахариды, как видно из приведенных формул, имеют в своем составе кислородные атомы, способные проявлять донорные функции. Таким образом, полисахариды, в виде которых организм запасает угле­воды (крахмал,

гликоген) и которые используются для построения оболочек растительных клеток (целлюлоза), являются полимерными лигандами. Другой тип биополимерных лигандов — белки (протеины). Белки представляют собой полимерные образования, в которых в том или ином порядке чередуются 23 α-аминокислоты. Строение всех аминокислот может быть описано формулой Различаются они только природой радикала R. α-

Аминокислоты, вступая в реакцию полимеризации, образуют пептидную цепь: Подобно тому как из 32 букв алфавита путем их различного соче­тания можно составить огромное количество слов, так из 23 α-аминокислот посредством их сочленения в том или ином порядке получается все многообразие белковых тел, существующих в природе, образуется так называемая первичная белковая структура. Кроме того, рассмат­ривают вторичную, третичную и четвертичную структуру.

Вторичная структура (α- и β-конформации) возникает в резуль­тате взаимодействия полипептидных цепей друг с другом. α-Конформация имеет спиралеобразное строение, каждый виток спирали содер­жит от трех до семи аминокислотных фрагментов. Взаимодействие между соседними полипептидными цепями в такой спирали осущест­вляется посредством водородных связей, образованных карбонильным кислородом одной цепи с иминогруппой другой цепи: Редко встречающаяся β-конформация содержит вытянутые друг возле

друга неспиральные полипептидные цепи. Третичная структура белка — это глобулы, образованные α-вторичной структурой в результате свертывания полипептидных цепей в клубки. Свертывание α-спиралей в глобулы происходит в результате взаимодействия друг с другом гидрофобных участков спирали, электро­статического взаимодействия заряженных участков цепи, образования сульфидных мостиков и водородных связей. Четвертичная структура возникает в результате объединения гло­бул в еще

более сложную структуру. Свойства белков как биолигандов определяются содержанием в полипептидных цепях донорных атомов азота и кислорода, которые могут участвовать в образовании хелатных циклов и макроциклических комплексов. Кроме того, к полипептидным цепям через различные функциональные группы могут быть привязаны порфириновые кольца. Порфирин содержит четыре пиррольных ядра (с различными замести­телями): Как видно из схемы, порфирин представляет собой пример макро-циклического лиганда с четырьмя донорными

атомами азота, которые координируются ионами металла, если создаются условия для вытес­нения двух протонов порфирина и замещения их на ионы металла. Размер полости порфирина составляет около 2Ǻ (диаметр). Порфи­рин принадлежит к числу «жестких» лигандов, структура которых (и размер полости) мало зависит от природы координируемого иона металла. Порфириновые металлоциклы содержатся в хлорофилле и гемоглобине. Строение порфиринсодержащих комплексов биометаллов будет рассмотрено дальше.

Нуклеиновые кислоты — третий вид наиболее важных биополимерных лигандов. Роль нуклеиновых кислот в биосистемах состоит в хра­нении и передаче информации о строении синтезируемых организмом белков. Нуклеиновые кислоты состоят из мономеров — нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит фрагменты углевода, гетероциклическо­го основания и остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединяются в нуклеиновые кислоты по следующей схеме:

Примером гетероциклических оснований могут служить аденин и урацил: В качестве углеводного компонента нуклеиновых кислот высту­пают рибоза и продукт ее восстановления — дезоксирибоза: В зависимости от природы углеводного фрагмента нуклеиновые кислоты делятся на две группы: рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК) кислоты. ДНК в растворах имеют строение двойных спиралей. Внутрь спирали обращены гетероциклические осно­вания,

скрепленные друг с другом водородными связями, наружу об­ращены фосфатные группировки. Совершенно ясно, что ДНК и РНК обладают свойствами лигандов: донорные атомы имеются во всех фрагментах нуклеиновых кислот. Кроме белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот в биосисте­мах обычно присутствует большое число других химических соедине­ний, проявляющих свойства лигандов и обладающих биологической активностью. Среди них особенно важную роль играют различные органические кислоты, как насыщенные, так

и ненасыщенные, напри­мер аскорбиновая кислота: производные фосфорной кислоты (такие, как аденозинфосфаты, липиды) и др. 3. Биологическая роль неорганических соединений Биологическая роль неорганических веществ (О2, СО2, N2 и т. д.), а также ионов металлов и соединений, включающих эти ионы и атомы металлов, связанные ковалентно, чрезвычайно важна и многообразна. Один из основных процессов, связанных с участием неорганических соединений,

— процесс фотосинтеза. Именно взаимодействие Н2О и СО2 — двух неорганических соединений — приводит (при катализирую­щем действии хлорофилла — магниевого комплекса порфирина) к син­тезу крахмала С6Н12О6 с выделением кислорода: Эта реакция проходит через большое число стадий, но суть фото­синтеза состоит все же в соединении неорганических веществ в угле­вод. Углеводы, синтезируемые в растениях, потребляются травоядными животными.

В результате пищеварения и дальнейших сложных пре­вращений в организме травоядных образуются белки и жиры, служа­щие пищей для хищников и всеядных животных. К числу последних может быть отнесен и человек. Источником энергии, необходимой для жизнедеятельности человека и животных, являются белки, жиры и углеводы, содержащиеся в продуктах питания растительного и живот­ного происхождения. Окисляясь (неорганическим) молекулярным кис­лородом, эти вещества, вернее

продукты их деструкции, дают орга­низму энергию, затрачиваемую на другие жизненно важные химиче­ские процессы и превращаемую в механическую энергию (движение), электрическую энергию и др. Уже упоминалось, что важнейшую роль в процессах метаболизма играют ионофоры, регулирующие содержание акваионов щелочных и щелочноземельных металлов во внеклеточном и внутриклеточном про­странстве, а также ферменты. Ферменты — всегда белковые вещества. Они ускоряют или ингибируют важнейшие процессы в организме,

способствуют переносу в тканях кислорода и углекислого газа, пере­носу электронов, ускорению гидролитических процессов. Роль акваионов металлов и металлсодержащих комплексов в жи­вых организмах состоит в регуляции процессов, связанных с получением, преобразованием и распределением в организме энергии, выде­лением вредных для организма продуктов реакции. Рассмотрим на ряде примеров биологическую роль акваионов металлов и их комплексов с биолигандами. Транспорт ионов металлов и других неорганических компонентов в растительных

и животных организмах Для нормального функционирования живых организмов необходимо строго определенное распределение химических веществ по различным частям организма. В тканях млекопитающих действует система транс­порта ионов натрия или калия, получившая название «натриевый (или калиевый) насос». Важнейшую роль играет также транспорт железа и других биометаллов. Натриевый насос обеспечивает необходимое соотношение концент­раций ионов

Na+ и К+ во внеклеточном и внутриклеточном простран­стве. Установлено, что в большинстве клеток животного организма [К+] составляет 0,12—0,16 моль/л, тогда как [Na+] в тех же клетках не пре­вышает 0,01 моль/л. Во внеклеточной жидкости соотношение обратное: [Na+]≈0,15 моль/л, а [К+] меньше, чем 0,004 моль/л. Таким образом, существует значительный градиент концентраций ионов

К+ и Na+ меж­ду внеклеточным и внутриклеточным пространством. Такое распреде­ление не может быть самопроизвольным, очевидно, требуется затрата энергии, чтобы ионы К+ накапливались внутри клеток, а ионы Na+ оттуда выводились. Установлено, что «насос», накачивающий ионы К+ в клетки к выкачивающий оттуда ионы Na+, т. е. действующий против концентрационного градиента, работает с помощью фосфатопротеина, который

образует с ионами К+ более прочные соединения (в силу соответствия размеров иона К+ и полости ионофора), чем с ионами Na+. В составе комплекса с фосфатопротеином ион К+ проходит через клеточную мембрану. Во внутриклеточном пространстве фосфато-протеин взаимодействует с аденозинтрифосфатом. Новый лиганд об­разует более прочное соединение с ионами Na+, нежели с ионами К+ и выводит ионы Na+ из клетки во внеклеточное пространство.

Железо в виде ионов Fe2+, Fe3+ и биокомплексов необходимо ор­ганизму животных и человека для выполнения важнейших жизненных функций, таких, например, как перенос кислорода и катализ окисли­тельно-восстановительных процессов, служащих одним из главных ис­точников энергии. В организме животных и человека железо накап­ливается и сохраняется в печени, селезенке и костном мозге в виде белковых образований — ферритина и гемосидерина.

Белковая часть ферритина представляет собой сферическое образование (внешний диаметр около 120 Ǻ) с внутренней полостью диаметром около 75 Ǻ. В полости ферритина находится мицелла, состоящая из гидратированного и гидролизованного фосфата Fe(III). Масса сухого остатка, со­держащего железо, составляет 23% от массы ферритина (в гемосидерине железа еще больше). Транспорт железа от ферритина к красным кровяным тельцам происходит с помощью белка

трансферрина, очень прочно связываю­щего Fe (III) в хелат. Установлено, что хелаты Fe(III), образованные белками типа трансферрина, переносят железо через биомембраны, тогда как сам по себе фосфат железа, содержащийся в ферритине и гемосидерине, преодолеть этих преград не может. Транспорт О2 в организме животных и человека осуществляется железосодержащими комплексами — гемоглобином и миоглобином. Оба этих белка содержат «гем-группы», представляющие собой порфириновый

комплекс железа: Гемовая группа присоединяется к белковой части молекулы гемо­глобина и миоглобина путем координации гистидинового атома азота белка ионом железа гемовой группы. Таким образом, в координационную сферу иона железа входит пять атомов азота (четыре атома азота порфирина, один атом азота белкового гистидина). Шестое координа­ционное место занимает Н2О или О2. Гемоглобин имеет молекулярную массу 64 500 и включает четыре гем-группы.

Миоглобин сходен с гемоглобином по строению, но содер­жит только одну гем-группу. Гемоглобин почти так же хорошо, как миоглобин, связывает кислород при высоком давлении кислорода, но, когда давление кислорода падает, преимущество в связывании О2 имеет миоглобин. Падение давления О2 наблюдается в тканях мышц, потребляющих кислород. Результатом использования кислорода являет­ся накопление в мышцах

СО2 и, как следствие, понижение рН. Это еще более способствует высвобождению О2 из гемоглобина и передаче кислорода миоглобину. Таким образом, и гемоглобин, и миоглобин участвуют в переносе кислорода. Теряя кислород, железо в гемоглобине (форма дезоксигемоглобина, КЧ железа = 5) переходит в высокоспиновое состояние.

Ослабле­ние связи с атомами азота порфирина приводит к выходу атома желе­за из плоскости кольца порфирина (на 0,7—0,8Ǻ). Напротив, вслед­ствие присоединения кислорода к гемоглобину образуется низкоспино­вый октаэдрический комплекс, железо в котором находится в плоскости порфиринового кольца (КЧ железа = 6). Хотя связывание молекуляр­ного кислорода гемоглобином и миоглобином сопровождается ослаб­лением связи O = O в молекулярном кислороде из-за размещения π-дативных электронов железа на разрыхляющих

орбиталях О2, этот процесс сам по себе не сопряжен с необратимым переносом электрона, поэтому его обычно не причисляют к ферментативным окислительно-восстановительным реакциям. Отметим, однако, что разрыхление свя­зи O = O в не может не активировать окислительные реакции. Например, можно рассматривать взаимодействие активированной формы О2 с восстановленной формой субстрата StH2, сопровождаю­щееся переходом его в окисленную (дегидрированную)

форму St: При этом кислород превращается в Н2О и Н2О2 с выделением энергии. Металлсодержащие ферменты Далеко не все ферменты, катализирующие биологически важные про­цессы в организме животных и растений, содержат ионы металлов. Однако металлсодержащих ферментов только в организме человека несколько сотен, и их биологическая роль чрезвычайно важна. Нару­шение структуры или удаление из организма даже одного из них при­водит к тяжелым расстройствам

функций организма, а затем и к его гибели. Металлсодержащие ферменты представляют собой координацион­ные соединения, и поэтому их исследованием занимается неорганиче­ская химия или, точнее, координационная химия. Рассмотрим строение и биологическую роль нескольких металлоферментов. Каждый фермент состоит из двух частей: кофермента и апофермента. Кофермент — это легко отделяемая часть фермента. В металлоферментах ион металла составляет основную

часть кофермента. Апофермент—остальная часть фермента, которая в отсутствие кофермен­та не проявляет ферментативной активности. Обычно рассматривают две группы металлоферментов, различаю­щихся по типу катализируемых ими реакций: ферменты, катализирую­щие реакции гидролиза, и ферменты, катализирующие протекание окислительно-восстановительных реакций. Ферментативный катализ реакций гидролиза Реакции, протекающие в организмах животных и растений с участием

воды, играют важнейшую роль в процессе обмена веществ и служат одним из основных источников "энергии, запасаемой организмом. Реакции гидролиза катализируются обычно теми металлоферментами, которые содержат ионы Са2+, Mg2+, Zn2+ и Мn2+. Хотя ион Мn2+ легко вступает в окислительно-восстановительные реакции, в ходе гидролитических реакций он, как и все упомянутые ионы, не меняет степени окисления. Наиболее хорошо изучены строение и биологическая роль двух из металлоферментов, катализирующих гидролитические

процессы,— цинксодержащих ферментов карбоангидразы и карбоксилазы. Отме­тим, однако, что только в организме человека содержится несколько десятков цинксодержащих ферментов, различающихся по своему строе­нию и функциям. Карбоангидраза состоит из больших белковых молекул с молеку­лярной массой 430 000. Каждая из таких макромолекул содержит 260 аминокислотных остатков. Форма молекулы карбоангидразы — эллип­тическая, размеры ее (40x45x55)

А3. Эллиптическая молекула карбо­ангидразы имеет полость, причем аминокислоты, составляющие белок апофермента, расположены так, что гидрофобные их части как бы выстилают внутреннюю полость макромолекулы. В одной молекуле фермента содержится только один ион Zn2+, который находится вбли­зи центра полости карбоангидразы. Координационный полиэдр комп­лекса, центральным ионом которого является

Zn2+, представляет собой искаженный тетраэдр. Три положения в координационной сфере Zn2+ занимают донорные атомы азота из имидазольных групп аминокисло­ты гистидина: Четвертое координационное место занято молекулой Н2О или ионом ОН Фермент карбоангидраза содержится в красных кровяных тель­цах. Установлено, что карбоангидраза примерно в 106 раз ускоряет реакцию образования бикарбонат-иона и обратную

ей реакцию рас­пада НСО3­-: Рассмотрим предполагаемый «концертный» механизм действия карбоангидразы. Ион Zn2+, входя в состав несимметрично построен­ного координационного соединения (имеющего по этой причине напря­женную структуру), обладает высокой реакционной способностью. Столкновение на активном центре карбоангидразы иона Zn2+, СО2 и иона ОН- в полости карбоангидразы приводит к активации всех участ­вующих в реакции веществ,

в результате чего быстро образуется бикарбонат цинка: Следующий этап процесса состоит в обмене образовавшегося бикарбонат-иона на Н2О или ОН т. е. в высвобождении активного центра фермента для последующих актов катализа. Установлено, что ингибирование реакции синтеза и распада бикарбонат-ионов достигается введением в координационную сферу иона Zn2+ лигандов, образующих более прочную связь с

Zn2+, чем с НСО3 Н2О или ОН Такими являются ионы CN N3 S2O42- и др. Так как в некатализируемых условиях (в присутствии CN N3- и т. д.) синтез НСО3- и его распад протекают слишком медленно, физиологи­ческие требования не выполняются, нормальное состояние организма нарушается. Каталитическая активность карбоангидразы не понижается при замене

Zn2+ на ион Со2+, в других случаях активность фермента либо падает, либо исчезает. Карбоксипептидаза представляет собой фермент, вырабатываемый поджелудочной железой млекопитающих. Так же как карбоангидраза, этот фермент содержит один ион Zn2+ на одну белковую макромоле­кулу, молекулярная масса которой 34300. Биологическая роль карбо-ксипептидазы заключается в катализе процесса гидролиза пептидов — разрыве пептидной

связи на карбоксильном конце пептидной цепи: Ион Zn2+ в карбоксипептидазе, так же как в карбоангидразе, находится в полости активного центра фермента, но только два места в его координационной сфере заняты азотом имидазольных остатков гистидина. Третье место занято кислородом другой аминокислоты — глутамина. Четвертое координационное место в координационной сфе­ре Zn2+ принадлежит молекуле воды. Таким образом, и в этом фер­менте координационная сфера

Zn2+ несимметрична, что, по-видимому, обусловливает напряженность структуры фермента и является обяза­тельным условием каталитической активности комплексных соединений. Предполагают, что одной из важных стадий каталитического про­цесса, протекающего с участием карбоксипептидазы, является коорди­нация ионом Zn2+ атома кислорода карбонила пептидной цепи с вытеснением Н2О, занимающей одно место в координационной сфере.

Координация цинком карбонильного кислорода ослабляет связь С—N в пептидной цепи, что облегчает ее разрыв, сопровождающийся гидро­лизом. Гидролиз разорванной цепи приводит к ослаблению координа­ции карбонильного кислорода пептидной цепи ионом Zn2+. Происходит вытеснение молекулой Н2О, затем вновь следует координация ионом Zn2+ карбонильного кислорода неразорванной цепи и т, д,

Ферментативная активность карбоксипептидазы сохраняется, если Zn2+ заменить на ион Со2+, так же как в случае карбоангидразы. По-видимому, это связано с очень близкими величинами констант устой­чивости (т. е. сходными термодинамическими, характеристиками) ана­логичных комплексов Zn2+ и Со2+, а также одинаковыми размерами этих ионов. Замена Zn2+ в карбоксипептидазе на Gd2+, Hg2+, Cu2+,

Pb2+ приводит к исчезновению каталитической активности фермента. К группе ферментов, катализирующих процессы гидролиза, отно­сятся также киназы, ускоряющие перемещение различных фрагментов биолигандов (например, ионы РО3-)от одного биополимера к друго­му. Все киназы содержат ионы М2+. Аминопептидазы (ионы Mg2+, Zn2+, Mn2+, Ca2+—кофермент) катализируют гидролиз пептидов, при этом каждый из большого числа

ферментов, входящих в эту группу, ускоряет разрыв пептидной связи именно для данного сочетания разно­именных аминокислот в пептидной цепи. Фосфатазы катализируют гидролиз сложных эфиров на основе ортофосфорной кислоты. Ферментативный катализ окислительно-восстановительных реакций Окислительные реакции, протекающие в живом организме с участием молекулярного кислорода, вносят основной вклад в накопление орга­низмом энергии. Окислительно-восстановительные реакции в отсутствие катализатора

всегда протекают медленнее, чем реакции обмена ионов (тоже не катализируемые), например реакции гидролиза. Поэтому роль ферментативного катализа в ускорении окислительно-восстановитель­ных процессов, протекающих в живых организмах, является особенно важной. Окислительно-восстановительные реакции в организме ката­лизируются ферментами, содержащими ионы цинка, железа, меди, молибдена, кобальта. Роль металлсодержащих групп в ферментах, катализирующих окислительно-восстановительные процессы, изучена

недостаточно. Однако ясно, что ион металла в ферменте не всегда входит в активный его центр. В ряде случаев ионы металла определяют лишь третичную и четвертичную структуру белка, образующего апофермент, а сам по себе кофермент ионов металла не содержит. Тем не менее роль металла остается крайне важной — замена ионов одного металла на другой меняет структуру фермента и его активность. Из металлсодержащих ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные

процессы, наиболее изучены цинксодержащие дегидрогеназы, а также железосодержащие ферменты. К числу ферментов, катализирующих окислительно-восстанови­тельные реакции, относятся гемсодержащие ферменты — цитохромы. Атомы железа в цитохромах, так же как в гемоглобине и миоглобине, координируют пять атомов азота (порфирина и гистидина), шестое координационное место занимает атом серы аминокислоты — метионина. Известно 50 видов ферментов этого типа, несколько различающих­ся по составу органической

его части. Железо в цитохромах играет роль переносчика электронов — оно принимает электроны от восста­новителя и передает их окислителю. Окислителем может быть и кис­лород, но он не участвует в координации железа, входящего в состав цитохромов, поскольку железо в цитохроме имеет полностью насыщен­ную координационную сферу. Среди гемсодержащих ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции, также большое значение имеют гем-белки — каталаза и пероксидаза, ускоряющие распад перекиси водо­рода.

Последняя образуется в результате катализируемого фермента­ми взаимодействия восстановленных форм субстратов с молекулярным кислородом. Кроме гемсодержащих ферментов известно большое число металл­содержащих ферментов, имеющих «негемовое» строение. К их числу принадлежат ферредоксины, играющие в живых организмах, подобно цитохромам, роль переносчиков электронов. Ферредоксины имеют мо­лекулярную массу от 6000 до 12 000. Атомы железа в них окружены четырьмя атомами серы:

Концевые атомы серы принадлежат цистеиновому фрагменту белка. Считают, что важную роль источника (или «ловушки») электронов играет группировка Fe4S4, содержащаяся в каждом из ферредоксиновых белков. Окислительно-восстановительные реакции катализируются также металлоферментами, включающими медь и другие металлы. Важное значение имеет оксидаза аскорбиновой кислоты, содержащаяся в рас­тениях и микроорганизмах.

Молекулярная масса оксидазы 140 000, на одну такую белковую глобулу приходится восемь атомов меди. Как показывает название, оксидаза катализирует переход аскорбиновой кислоты в дегидроаскорбиновую кислоту. Медь также содержится в белке-гемоцианине, который способен связывать молекулярный кисло­род (О2 на два атома меди). Используется гемоцианин для транспорта кислорода в организмах низших животных. К числу ферментов, катализирующих перенос электронов, т. е, окислительно-восстановительные процессы,

относится нитрогеназа, со­держащаяся в азотистых бактериях. Нитрогеназа катализирует свя­зывание атмосферного азота. С использованием меченого азота (15N2) показано, что бактерии восстанавливают N2 в первую очередь до ам­миака. Этот процесс происходит только в присутствии Mo, Fe и Mg. Установлено, что нитрогеназа состоит из двух белков (молекулярная масса 250 000 и 70 000),

каждый из которых по отдельности не активен. Только в совместном присутствии эти белки проявляют каталитический эффект. В одном из белков содержится на одну глобулу один-два атома Мо, 15 атомов Fe, большое количество серы; во втором—мо­либдена нет. имеются два атома железа и два атома серы (неоргани­ческой, не входящей в состав белка). Хлорофилл в зеленых растениях играет важнейшую роль, связан­ную с энергетическим обеспечением окислительно-

восстановительных процессов при фотосинтезе. Установлено, что хлорофилл, т. е. порфириновый комплекс Mg2+, содержащийся в хлоропласте зеленых частей растения, поглощает световую энергию. Длина волны поглощаемого света (~ 700 нм) определяется системой сопряженных связей в порфириновом комплексе. Вхождение Mg2+ в порфириновый комплекс делает лиганд более жестким, что уменьшает рассеяние энергии в результате колебательных движений. Световая энергия, запасенная хлорофиллом, расходуется на про­текание

эндотермической реакции, которая называется реакцией фото­синтеза: Механизм фотосинтеза в полной мере не изучен. Известно только, что в стадиях фотосинтеза принимают участие комплексы четырех металлов (включая магний хлорофилла). Так, установлено, что в ста­дии переноса электрона, завершающейся отщеплением молекулярного кислорода, участвует комплекс марганца; на последующих стадиях в реакции вступают комплексы железа (ферредоксин,

цитохромы) и меди (пластоцианины). Таким образом, роль хелатных комплексов металлов в регулиров­ке сложнейших процессов, протекающих в живых и растительных ор­ганизмах, чрезвычайно важна и многообразна. Отметим еще некоторые из биологически важных процессов, связанных с участием неорганиче­ских соединений или ионов. Другие биологические функции неорганических соединений. Роль ионов Са2+ в организмах животных и растений сложна.

Больше всего кальция содержится в костной ткани. Кристаллы кости имеют приблизительный состав Са10(Р04)6(ОН)2 и, таким образом, относят­ся к числу гидроксилапатитов. Минеральная часть кости включает, кроме того, карбонаты, фториды, цитраты и гидроокиси металлов, сре­ди которых, кроме Са2+, есть Mg2+, Na+ и К+. Неорганическая часть кости составляет только 0.25 ее массы — остальное органические ком­поненты. Среди наиболее важных функций

Са2+ — его роль в ферментатив­ных системах, в том числе как регулятора сокращения мышц, пере­датчика нервного импульса, а также в системе свертывания крови. В организм кальций вводится в виде среднего фосфата, содержа­щегося в пище. В пищеварительном тракте под влиянием кислой сре­ды средний фосфат преобразуется в хорошо растворимые кислые фос­фаты СаНРО4 и Са(Н2РО4)2. Именно кислые фосфаты всасываются в кишечнике и переходят в плазму

крови. Концентрация ионов Са2+ в крови человека составляет обычно 0,0022—0,0028 моль/л. Примерно половина кальция находится в виде акваионов, способных проходить через мембраны. Другая часть свя­зана с белком (альбумин) и через мембраны не проходит. Интересно, что концентрацию кальция можно определить, используя биологиче­ский тест — по частоте сокращения сердца лягушки (или черепахи). Этот способ определения концентрации незакомплексованного

Са2+ был использован для определения Куст хелатных комплексов кальция в неорганических исследованиях. Ионы Са2+ наряду с ионами К+ и Mg2+ влияют не только на час­тоту сокращения мышц, в том числе сердечной мышцы, но и на дейст­вие сердечных гликозидов (типа наперстянки шерстистой — Digitalis). Известно, что при передозировке гликозидов сердце останавливается. Введение при этом ионов К+ и Mg2+ в мышцу сердца ослабляет дейст­вие гликозидов, а введение

Са2+ — усиливает. Однако ионы Са2+ мож­но связать в прочный комплекс, например с ЭДТА. Так, если вовремя ввести ЭДТА в мышцу остановившегося сердца, оно вновь начинает биться. Переизбыток Са2+ оказывает нежелательные воздействия на орга­низм — происходит «образование камней», «отложение солей» и т. д. Так как ионы Са2+ и Mg2+ входят в состав ткани стенок бактериаль­ных клеток, изменение содержания ионов Са2+ в системе может при­вести к гибели микроорганизма.

Такой эффект наблюдается, в част­ности, если в систему ввести ЭДТА или другой комплексон высокой дентатности. ЭДТА, связывая Mg2+ и Са2+ в прочный комплекс, раз­рушает стенки бактериальных клеток, что и приводит к гибели микро­организмов. Вымывание из организма ионов Са2+ и других полезных ионов происходит при использовании комплексонов и хелатообразователей для удаления из организма ионов токсичных металлов, таких, как

Hg2+, Pb2+ и др. Чтобы уменьшить вымывание ионов Са2+ при лечении тех или иных заболеваний, в организм вводят ЭДТА в виде кальциевого комплекса СаЭДТА2 Ионы щелочных металлов, как уже упоминалось, выполняют в жи­вых и растительных организмах многообразные функции. Это относит­ся не только к ионам Na+ и К+. Установлено, что прием препаратов, содержащих ионы Li+ и Rb+, облегчает состояние больных, у которых обнаружен маниакально-депрессивный синдром.

Передозировка в организме ионов металлов, принадлежащих к числу «металлов жизни», а также случайное введение ионов других металлов (например, Hg2+, Be2+, Cd2+, Pb2+) вызывают тяжелые нару­шения жизнедеятельности организма. В эт,их случаях лечение прово­дят, используя медикаменты (детоксиканты), проявляющие свойства лигандов специфического действия. Предложено использовать для выведения из организма ионов ме­таллов, проявляющих

токсический эффект, следующие лиганды. Этилендиаминтетраацетат (ЭДТА) — в виде соли кальция — вы­водит из организма Pb2+, V(IV), V(V). Если ЭДТА применяют дли регулировки свертывания крови, то вводят натриевую соль, чтобы понизить [Са2+]. Ауринтрикарбоксилат или салицилат (натрия) вводят в организм для закомплексовывания бериллия. Комплексы Ве2+ с этими лигандами проходят через биомембраны, и таким образом Ве2+ может быть уда­лен из организма. D-пеннициламин (HSC(CH3)2—CHNH2—COOH) используют для специфического

связывания Сu2+ и выведения меди из организма, в частности, если в результате передозировки или неправильного функционирования организма в печени, мозге и почках накапливается медь (болезнь Вильсона, лейкемия и др.). Димеркаптал СН2ОН—CHSH—CH2SH закомплексовывает и вы­водит из организма Hg, As, Те, Tl, Au. Ферриоксимин-В-полигидроксамовая кислота используется для специфического связывания и выведения из организма избытка железа при заболевании «сидерозис».

Многие лекарства, применяемые в медицинской практике, пред­ставляют собой лиганды, ингибирующие действие активных центров металлов-ферментов путем координационного насыщения ионов метал­лов. Например, введение в организм диакарба приводит к подавлению ферментативной активности карбоангидразы, катализирующей реакцию связывания воды и СО2в бикарбонат-ион. Ингибирование карбоангидразы диакарбом достигается вследствие ко­ординации ионом

Zn2+ атома серы диакарба. В результате координа­ция Н2О и СО2 цинком прекращается, вода не связывается в НСО3-я выводится из организма — достигается диуретический эффект. К той же группе лекарств относится дисульфурам который блокирует ионы Сu2+ в ферменте, катализирующем окисле­ние ацетальдегида.

Это лекарство используется при лечении алкого­лизма, поскольку накопление ацетальдегида в организме вызывает неприятные ощущения и отвращение к алкоголю. Многие яды действуют по аналогичному механизму. Например, угарный газ и цианиды блокируют ионы железа в гемоглобине и дела­ют невозможным перенос О2 от легких к периферийным тканям. Орга­низм «обескислороживается» и гибнет. Действие многих лекарств основано на способности комплексных

соединений ионов металлов проходить через биомембраны, тогда как акваионы и лиганды, взятые в отдельности, такой способностью об­ладают в очень малой степени либо вообще не обладают. Примером могут быть антибиотики, активность которых существенно возрастает в присутствии ионов металлов. То же относится к противогрибковым препаратам типа 8-оксихинолината Fe (III). Установлено, что только совместное присутствие акваионов

Fe3+*aq и 8-оксихинолина дает анти­грибковый эффект. Очевидно, что образующийся комплекс железа (III) проходит через стенки клеток грибков и вызывает их гибель. Интересные данные получены в последнее время о катионных комплексах типа Co(NH3)63+, Co(NH3)5O22+ и комплексах железа, ру­тения и других переходных металлов с нейтральными лигандами типа фенантролина и дипиридила. Оказалось, что эти (вероятно, и другие) катионные комплексы переходных

металлов сходны по геометрии и плотности положительного заряда с «головкой» ацетилхолина [(CH3)3N+](CH2)2COOCH3. Ацетилхолин является действующим нача­лом яда кураре, вызывающего паралич нервных окончаний. Указанные катионные комплексы вызывают подобное действие, об этом следует помнить, когда в практикумах по неорганической, аналитической я координационной химии проводится синтез такого рода комплексных соединений. Изучение биологической активности неорганических соединений только начинается.

Интерес к испытанию их биологической активности резко возрос после открытия в 1969 г. противораковой активности соли Пейроне — цис-дихлородиамминплатины(Н). Было замечено, что электролиз раствора NH4CI с использованием платиновых электродов приводит к потере способности воспроизводства у кишечной палочки Е. Соli. Это отнесли к положительному действию соли Пейроне, присутствующеи в растворе.

Поскольку антираковое и антимикробное дей­ствие симбатны, соль Пейроне была испытана на антираковое действие и показала высокую эффективность. Сейчас проводятся поиски столь же эффективных, но менее токсичных медикаментов. Установлено, что антираковое действие зависит от строения комплексов платины (и дру­гих металлов). В частности, транс-изомер дихлородиамминплатины(П) не проявляет антиракового действия.

Замена атомов С1 на Вr и I де­лает неактивными и цис-изомер. Бионеорганическая химия и охрана окружающей среды Бионеорганические аспекты экологии имеют большое значение. В част­ности, внедрение в химическую технологию и сельское хозяйство реагентов, способных закомплексовывать ионы металлов, вызывает не­желательные сдвиги природных равновесий.

Можно упомянуть, напри­мер, действие комплексонов, сбрасываемых в больших количествах в природные водоемы предприятиями, применяющими эти реагенты для «умягчения» воды: фотопромышленностью, красильной (текстильной и полиграфической) промышленностью, энергетикой (введение в воду па­ровых потоков и отопительной сети комплексонов для предотвращения осадкообразования), нефтяной и цементной промышленностью (предот­вращение солеотложений в трубах, замедление схватывания бетона), сельским хозяйством (для борьбы с хлорозом и

анемией вводят же­лезо в почву или в пищу животных в виде комплексонатов, не подвер­гающихся гидролитическому разрушению и легко усвояемому живот­ными, в отличие от акваионов Fe (II), Fe(III) в растворах простых солей). Комплексоны, попадая в природные водоемы, вызывают раст­ворение осадков токсичных металлов, десятилетиями накапливающихся на дне морей и океанов. Переходя в раствор в виде комплексонатов, ионы Hg2+,

Zn2+, Cd2+, Pb2+ и других токсичных металлов проникают через биомембраны и отравляют живые организмы. Присутствие комп­лексонатов в природных водах вызывает гипоксию (недостаток кисло­рода), а вследствие этого гибель планктона и в конце концов гибель высших животных, стоящих в конце экологической цепи. Кислород тратится на окисление ионов металлов, например на переведение Fe(II) в Ре(III). Комплексоны этому способствуют, так как стабилизируют высшие степени окисления металлов,

которым отвечают наиболее, устойчивые комплексы. Поэтому нельзя не отметить важность работ, посвященных синтезу, исследованию и разработке методов использо­вания комплексообразующих агентов, которые легко бы обезврежива­лись, попадая в условия сброса. Интерес, на наш взгляд, представляют комплексоны типа этилендиаминдиянтарной кислоты. Эти соединения, обладая высокой комплексообразующей способностью, в природных средах быстро дезактивируются и не смещают установившегося равно­весия.

В плане охраны окружающей среды могут рассматриваться и ра­боты по моделированию процесса связывания атмосферного азота. Замена энергоемкого производства синтезом азотсодержащих соедине­ний в мягких условиях (подобно условиям связывания N2 азотистыми бактериями) приведет в конечном итоге к сбережению природных ре­сурсов и охране биосферы.