етрия гема и комплексов ем — СО и гем — 02? 3) Каким образом сродство к кислороду и корость окисления контролируются в гемопротеине?

I Показано, что органический комплекс железа поглощает (абсорбирует) кислород из воздуха, включая в свою молекулярную структуру только один атом кислорода [234]. Включение кислорода происходит в процессе реакции трифенилфосфина с (Bu4N)2{Fe2[S2C2(CF3)2]4}-PeHTreH0CTpyKTypHbifl анализ показал, то молекулярный кислород «проскальзывает» между атомами железа и фосфора, давая окисленный аддукт (Bu4N) {(C6H5)3POFe[S2C2(CF3)2]2}- При получении этого комплекса Эпштейн и Бернал, а также Бэлч обнаружили, что он более устойчив, чем полученные ранее аналогичные комплексы ко-альта.

I Естественно, что исследования были направлены в основном а синтез комплексов, которые более точно моделировали гемоглобин и миоглобин, а также на создание кислородактивирующих гентов вообще. В 1973 и 1974 гг. было создано несколько модель-¦X систем. Таким образом, ниже обсуждаются взаимодействия

362

Глаза 6

молекулярного кислорода (двухатомного) и монооксида углерода с металлопорфириновыми комплексами, моделирующими биологически важные гемопротеины.

Болдуин с сотр. [235] первыми синтезировали порфиринопо-добную структуру, окружающую Fe(II), которая в растворе обратимо связывает кислород. Однако связывание происходит только при —85°С. Позже ими же предложен простой метод получения порфирина, молекула которого «перекрыта» и напоминает клетку. Они надеялись, что при связывании 02 не будет протекать необратимый процесс Fe(II)—>-Fe(III) и 02 будет обратимо связываться с модельной молекулой при комнатной температуре [236].

С целью получения «перекрытых» порфиринов была изучена прямая конденсация подходящих тетраальдегидов с пирролом-

Необходимый тетраальдегид получали из салицилового альдегида и вводили в реакцию конденсации с пирролом (рис. 6.1).

Соответствующий «перекрытый» комплекс порфирин—Fe (III) затем восстанавливался бисацетилацетонатом двухвалентного хрома в бензоле до кристаллического ферропорфирина, который обратимо связывается с кислородом в растворе при комнатной

Ионы металлов

363

^температуре. Кинетическая устойчивость растворов, содержащих этот кислородный комплекс, зависит от многих факторов, таких, как температура, природа и координационная способность пор-фирина и аксиального основания (1-метилимидазол значительно тревосходит в этом отношении пиридин), парциальное давление 'кислорода и полярность растворителя.

[ Трейлор и сотр. [237—239] использовали другой подход. Они [ввели Fe(II) в модифицированное порфириновое кольцо, имеющее на конце определенным образом построенной боковой цепи •имидазольную группу, моделирующую проксимальные гистидино-.вые остатки в гемопротеинах. Такой искусственный активный [центр миоглобина имеет теперь проксимальный гистидиновый 'остаток, ковалентно присоединенный к порфириновому ряду. Это соединение было получено из природного хлорофилла а путем ряда химических превращений (рис. 6.2). Имидазольная группа, [помещенная в стратегически важное место, способствует обратимому связыванию кислорода (но только при —45°С) с синтетической молекулой (протогемом) примерно так же, как это девает природная молекула. В СН2С12 при —45°С модель обнаруживает почти такую же константу связывания с кислородом, что [и миоглобин кашалота при комнатной температуре. Этот результат показывает, что белок не так уж важен для формирования активного центра, как это считали ранее, хотя современные тео-

рии объясняют эффективное связывание кислорода с гемоглобином наличием каких-то благоприятных взаимодействий между че-" >тырьмя субъединицами. Отметим, что эта ионная селективность 1 порфиринового кольца аналогична донорно-акцепторному узнава-1нию (гл. 5).

I При замещении имидазольной группы на молекулу пиридина соединение перестает связывать кислород, а железо в нем не I окисляется до трехвалентного состояния. Основность имидазоль-[ного кольца и его расположение относительно Fe(II) в составе 'гема приводят к уникальной способности связывать кислород. (Это модельное соединение связывает СО гораздо сильнее, чем 02.

В Способность данной модели эффективно связывать кислород проявляется также в твердом замороженном состоянии и при растворении ее в полистироль-j ной пленке. Практически уже сейчас возможно получение синтетических активных центров, которые можно встроить в полимерную пленку, чтобы обеспечить перенос кислорода в искусственных легких. Естественно, что создание искусственных легких может стать реальностью только с разработкой новых моделей, которые будут более эффективно связывать кислород при комнатной температуре без окисления. До 1975 г. обратимое оксигенирование модельных комплексов, содержащих гем, наблюдалось только при низких температурах или в нефизиологических средах.

I Близость порфириновой системы к определенным остаткам пептидной цепи гемоглобина может стерически препятствовать связыванию СО или 02 с Fe(II). Чтобы оценить влияние такого 'стерического эффекта, Трейлор и сотр. разработали два варианта

Рис. 6.1. Синтез «перекрытого» порфирина, осуществленный Болдуином [236]. Воспроизведено с разрешения.

American Chemical Society.

Рис. 6.1. Синтез «перекрытого» порфирина, осуществленный Болдуином [236]. Воспроизведено с разрешения.

American Chemical Society.

366

Глава 6

изо%-мыикон/сн,он

СООН

тшропорфирин XV

1) 50С1„2ГС ^

2) HjNCH,CH2CH,—N N

моноциклическии пирогемо/ром х=со,о2 и Эр.

Рис. 6.2. Синтез активного центра миоглобина по Трейдеру [237].

только что рассмотренной модельной системы [240]. На рис. 6.3 приведена схема синтеза этих молекул, называемых циклофан-порфиринами.

В этих двух новых, более сложных моделях гема боковая цепь создает значительную стерическую затрудненность, так как расстояние между антраценовым и порфириновым кольцами равно <0,5 нм. В результате превращения антраценовой системы в систему типа «пагода» по реакции Дильса — Альдера происходит дальнейшее ограничение пространства и сужение «кармана». При добавлении 1-метилимидазола (в метиленхлори-де) образуются модельные соединения с характерными для пен-такоординационных комплексов спектрами в видимой области, подобными спектрам «перекрытого» гема. Был получен также соответствующий комплекс с СО; реакцию проводили в сухом бензоле. Структура этого комплекса отвечала монокарбонилу гема. Следовательно, антраценовое кольцо, расположенное над

лВиООС

порфирин типа „пагойа" антраценгемциклофан

Рис. 6.3. Синтез антраценгем[6,6]циклофана и порфирина типа «пагода» 1240].

368

Глава 6

-о—с-

/ 1°

СН,

,сн,

сн,

~сн, Gly

^сн -

His

"NH

йистальный CHj

СН;

сн, о, I

СНз СН,

порфириновым, сильно снижает сродство второй молекулы СО. Связывание СО этим соединением уменьшается в 103 раз по сравнению со связыванием хелатными темами, не содержащими пространственно-затрудненных групп. Наличие добавочного стери-ческого фактора в молекуле типа «пагода» приводит к дальнейшему уменьшению скорости ассоциации СО в 10 раз. Таким образом, эти динамические модели показывают, что сильное

уменьшение скорости связыва-о ния СО может быть приписано

пространственным препятствиям в «кармане» синтетического гема [240.]

Бейер и сотр. [241] впервые получили включенный в полимерную сетку гем (рис. 6.4). Исходными веществами служили полиэтиленгликольбисглици-новый эфир и полиуретаны на основе полиэтиленгликолей и ди-изоцианатов. Гемополимер был получен методом жидкофазного пептидного синтеза *. К концу синтеза железо оказывается в состоянии Fe (III) и поэтому перед оксигенированием должно быть восстановлено дитионитом натрия.

Полученное высокомолекулярное соединение обладало следующими общими с гемоглобином и миоглобином свойствами: а) хорошей растворимостью в воде, необходимой для достижения высокой концентрации 02; б) способностью благодаря наличию функциональных групп мешать необратимому окислению кислородного комплекса; в) служить моделью дистального имида-зола.

Далее, путем модификации остатка пропионовой кислоты в боковой цепи порфиринового кольца был введен второй имид-азольный лиганд, соответствующий проксимальному гистидину природных переносчиков кислорода. Интересно, что все структурные элементы активного центра миоглобина или гемоглобина, которые существенны для связывания кислорода, присутствуют

Рис. 6.4. Гемополнмер Бейера [241]. Воспроизведено с разрешения.© 1977 by Verlag Chemie GMBH.

* Жидкофазный пептидный синтез похож на твердофазный метод (гл. 2) тем, что синтез происходит на полимерном носителе (т. е. полиэтиленгликоле). Однако полимер растворим в используемой системе растворителей, так что протекает гомогенная реакция. Этот метод не нашел столь широкого применения, как аналогичный твердофазный синтез,

Ионы металлов

369

в этом соединении, хотя и в другом порядке [241]. В частности, 1центр координации кислорода защищен как гистидином, так и [синтетическим полимером. Кривая абсорбции кислорода для [комплекса при 25°С хорошо согласуется с коэффициентами абсорбции для миоглобина (0,2—1,2 мм рт. ст.). КР0Ме того, сиг-1моидный вид кривой говорит о кооперативности при связывании кислорода, как это имеет место в случае гемоглобина.

I Следовательно, синтетический гемополимер проявляет свойства, близкие к свойствам природных переносчиков кислорода, несмотря на то что имеет совершенно иной полимерный остов. ,Это говорит о том, что специфичность и каталитическая активность отнюдь не «привилегии» природных полимеров. Такой вывод оказался возможным только в результате модельных исследований.

В биоорганическое моделирование кислородсвязывающих центров в гемопротеинах значительный вклад сделали работы Кольмана и сотр. [242, 243]. Согласно используемому в этих работах подходу, предполагалась такая модификация пространственной структуры порфирина, чтобы процесс окисления железа был стерически затруднен и сведен к минимуму. Усилия были направлены на создание порфиринового кольца с четырьмя объемистыми о-пиваламидофенил