Г Л А В А 5

Г Л А В А 5
ПОРФИРИНЫ И РОДСТВЕННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
«Суха, мой друг, теория везде,
а древо жизни пышно зеленеет»
В. ГЕТЕ
ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ И ИЗУЧЕНИЯ ПОРФИРИНОВ
Существование близкого генетического единства между красящими веществами
крови и зеленых растений предполагалось еще в 70-х годах XIX в. (К.А.
Тимирязев). Подтверждением этого предположения послужили последующие исследования
по изучению строения, физико-химических свойств и биологических
функций природных порфиринов. Так, оказалось, что и гем крови, и хлорофилл
являются металлокомплексами циклических тетрапиррольных пигментов.
Химия хлорофилла интересовала еще Я. Берцелиуса в начале XIX в., но историю
порфиринов обычно отсчитывают с 1880 г., когда впервые под действием
кислот из гемоглобина крови были получены железо и раствор, из которого затем
был выделен гематопорфирин. При действии щелочей и кислот на хлорофилл был
получен краситель с аналогичными свойствами – филлопорфирин.
Первые подробные исследования химического строения порфиринов были
проведены в 1896–1901 гг. профессором М.В. Ненцким и его учениками. При
этом было установлено, что молекулы порфиринов построены из пиррольных колец
(90-е г. XIX в.). В это же время впервые осуществляют синтез металлопорфиринов,
тем самым был заложен фундамент изучения порфиринов как активных
полидентатных лигандов.
В 20–30-х гг. XX в. бурно развивается Мюнхенская школа порфиринов, которую
возглавлял Г. Фишер. Важнейшими достижениями этой школы явились:
полный синтез гемина (1929 г.) и установление структурной формулы хлорофилла
(1940 г.).
Химическое строение порфиринов и родственных соединений долгое время
оставалось загадкой для ученых. В 1913 г. была предложена структурная формула
для порфиринов, в которой четыре пиррольных кольца связаны между собой метиновыми
мостиками в цикл, названный порфин. Сейчас достоверность этой
формулы не вызывает сомнений, однако в то время она показалась настолько необычной,
что Фишер выступил с резкой критикой такой структуры, после чего в
1921 г. Кюстеру пришлось отказаться от своей формулы. И лишь впоследствии
сам Фишер доказал правильность формулы Кюстера на основании многочисленных
экспериментальных данных.
Применение рентгеноструктурного анализа в cередине XX в. позволило выявить
трехмерную структуру миоглобина (Д. Кендрью) и гемоглобина (М. Перутц)
– важнейших порфиринсодержащих белков, служащих переносчиками кислорода
в организмах животных. Определение пространственной структуры этих
163

белков послужило огромным стимулом для развития молекулярной биологии и
смежных наук (например, белковая кристаллография).
Крупнейшим успехом органической химии XX столетия был полный синтез
хлорофилла, осуществленный в 1960 г. Р. Вудвордом с сотрудниками. Этот 30-
стадийный синтез позволил окончательно подтвердить структуру хлорофилла.
Начиная с середины XX в. и по настоящее время активно ведутся систематические
исследования порфиринов и родственных им структур с целью выяснения
молекулярных основ механизмов их функционирования в живых организмах,
а также с целью поиска практических аспектов использования полезных свойств
(каталитической активности, применения в полупроводниковых материалах и в
терапии рака, термостабилизации и др.). Учеными многих стран были синтезированы
разнообразные структуры как самих порфиринов, так и их производных –
фталоцианинов, моноаза-, диаза- и тетраазапорфиринов, тетрабензопорфинов и
ряда других, не менее интересных производных.
В 60-х гг. XX столетия на стыке химии, физики и биологии создается мощный
фундамент для развития новой науки – супрамолекулярной химии. Супрамолекулярную
химию можно определить как химию молекулярных ансамблей и
межмолекулярных связей. Одними из наиболее широко изучаемых объектов супрамолекулярной
химии являются порфирины, их металлокомплексы и всевозможные
производные. Так, модельные синтетические порфирины позволяют ученым
справиться с глобальной задачей биохимии – выяснением физикохимической
природы процессов, благодаря которым осуществляется самосборка
молекулярных ансамблей в биологических системах (ферментные комплексы, органеллы
клеток и др.).
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ И ОБЩИЕ АСПЕКТЫ ХИМИИ ПОРФИРИНОВ
В соответствии с современными представлениями о развитии живой материи
можно утверждать, что порфирины и родственные им структуры являются
одними из ключевых соединений в химической эволюции биологически активных
веществ. Так, экспериментальные исследования, проведенные американским ученым
К. Фолсом, показали, что при воздействии лучистой энергии или электрического
разряда на смесь первичных газов, составлявших древнюю атмосферу Земли,
на первом этапе образуются небольшие органические молекулы. Среди них
выделяются пиррольные гетероциклы, а затем обнаруживается полимерный материал,
способный к прямому использованию энергии. Очевидно, что развитие химической
эволюции осуществлялось по пути дальнейшего усовершенствования
химической структуры светочувствительных соединений – пигментов или биохромов
(см. также «Заключение» настоящего пособия). Косвенным подтверждением
этому являются результаты достижений в области химии и биохимии порфиринов
и родственных им соединений, представляющих собой неотъемлемую
часть всей совокупности биологически активных веществ. В общем случае, порфирины
и родственные им структуры – это достаточно большая и разветвленная
группа природных субстратов, участвующих в общих путях метаболизма человека
и животных.
164

Интенсивное развитие исследований в области химии и биохимии порфиринов
и родственных соединений объясняется уникальностью выполняемых ими
биологических функций, которые, в свою очередь, не могут быть объяснены без
знания особенностей химического строения и физико-химических свойств данной
группы соединений.
Порфирины – это важный класс макроциклических тетрапиррольных лигандов,
созданных Природой в долгом эволюционном процессе для осуществления
важнейших биологических функций живой материи, таких как:
– фотосинтетическая;
– дыхательная;
– ферментативная и ряд других.
К настоящему времени обнаружено достаточно большое число природных порфиринов.
Широкое распространение порфиринов в живой природе, несомненно,
связано с многообразием их химического строения, которое обусловлено возможностью
усложнения молекулы порфина – простейшего порфирина – по двум направлениям
(рис. 17):
1) за счет замещения атомов водорода в 1–8 положениях пиррольных колец
(α-пиррольное замещение) или в α-, β-, γ-, δ-положениях метиновых мостиков (мезо
– замещение) макрокольца (в соответствии с номенклатурой порфиринов по
Фишеру);
2) путем изменения самого макроцикла за счет введения гетероатомов, гидрирования
и конденсации дополнительных циклов.
Такие преобразования приводят к возникновению новых соединений, сохраняющих
главные свойства молекул порфиринов: ароматический характер, стабильность,
хромофорную активность, хелатирующую способность по отношению
к ионам различных металлов, которые, в конечном итоге, и определяют биологическую
активность порфиринов и их производных.
1
8
А
NH
δ
2 3
N
D
7
а
α
γ
В
N
β
HN
С
6
4
5
165
2
20
18
1
19
3
4
А
NH
N
D
17
16
5
15
6
21 22
24
б
7
В
N
23
HN
С
Рис. 17
Структурная формула порфина и схема нумерации
атомов и колец: а) по Фишеру;
б) по номенклатуре IUPAC
Порфирины отличаются специфичностью молекулярного строения от других
классов органических соединений, а именно:
– большой протяженностью молекул в плоскости;
– наличием сплошного замкнутого в цикл (или в циклы) контура сопряжения
π-электронов;
14
13
9
8
10
11
12

– участием в контуре сопряжения π-электронов гетероатомов;
– наличием на периферии макроциклических молекул функциональных
заместителей различной природы.
Вследствие этих причин молекулы порфиринов имеют ряд следующих особенностей:
планарность макроцикла; NH-таутомерия, проявляющаяся в миграции относительно
подвижных протонов в координационном центре (H 2 N 4 ) от одного атома
азота к другому; наличие макроциклического эффекта, обеспечивающего устойчивое
электронное и ядерное экранирование координационного центра.
Сопряженная макроциклическая π-система молекул порфиринов включает в
себя 24 центра π-электронов: 20 атомов углерода и 4 атома азота. Два иминных
атома азота поставляют в π-систему макрокольца по два р z -, а два третичных атома
азота – по одному р z -электрону. Такая сопряженная система, состоящая из 26
π-электронов, удовлетворяет правилу ароматичности Хюккеля (4n + 2, где n – целое
число). Сильное поляризующее (ауксохромное) воздействие на π-систему
макрокольца могут оказывать протонодонорные частицы или ионы металлов, координирующие
порфирин.
Важнейшей особенностью порфиринов является их хромофорная активность,
обусловливающая наличие характерных электронных спектров поглощения
в видимой области (ЭСП). Порфирины – производные порфина получили свое название
от греч. porphyreos – пурпурный из-за характерной окраски. Поскольку
тетрапиррольный макроцикл представляет собой плоскую высокосопряженную
систему, возбуждение электрона происходит очень быстро. Перераспределение
заряда, сопровождающее возбуждение электрона, неизотропно, что приводит к
появлению нескольких дипольных моментов, обусловливающих возникновение
ряда интенсивных полос поглощения в большинстве случаев в диапазоне 470–700
нм, т.е. полос интенсивного красного, пурпурного или зеленого цвета. Очень интенсивная
полоса Соре, находящаяся приблизительно при 400 нм, обусловлена
симметричным расположением четырех пиррольных N-атомов; она чрезвычайно
характерна для тетрапиррольного макроцикла.
Одним из основных свойств порфиринов является их способность образовывать
координационные соединения с различными ионами металлов; при этом
порфирины выступают в роли высокоселективных лигандов. Реакции комплексообразования
представляют собой замещение атомов водорода в иминогруппах координационного
центра порфирина на ион металла с одновременным его связыванием
двумя координационными связями с третичными атомами азота двух других
пиррольных колец. Реакции комплексообразования порфиринов возможны
благодаря наличию в их молекулах координационной полости N 4 , имеющей радиус
около 2 Ǻ, что позволяет координировать ионы металлов М 2+ , М 3+ , М 4+ и даже
ионы с большей степенью окисления. Продуктами реакций комплексообразования
порфиринов являются металлокомплексы – металлопорфирины, обладающие
многообразными структурными и химическими особенностями, высокой каталитической
и биологической активностью. Ион металла в металлопорфиринах занимает
либо центр полости N 4 , образуя плоский координационный узел из атомов
MN 4 , либо оказывается приподнятым над плоскостью макроцикла и образует координационные
узлы различной геометрии – от тетрагональной пирамиды (L)MN 4
166

(рис. 18а) и октаэдра (L 1 )(L 2 )MN 4 (рис. 18б) до более сложных геометрических
структур.
L
L 1
N
N
M
N
N
N
N
M
N
N
а б
Рис. 18
Геометрическое строение металлопорфиринов: а – тетрагональная пирамида
(L)MN 4 ; б – октаэдр (L 1 )(L 2 )MN 4
L 2
Выход центрального иона металла из плоскости координационного узла MN 4
происходит, как правило, при донорно-акцепторном взаимодействии с дополнительным
лигандом, что играет глобальную биохимическую роль в функционировании
природных хромопротеинов: гемоглобина и миоглобина (см. ниже). Именно
в составе металлокомплексов порфирины выполняют ряд своих важнейших
биологических функций. Свободные порфирины – лиганды в живых организмах
присутствуют в относительно небольших количествах.
Из природных металлопорфиринов, особенности химического строения и
биологических функций которых будут рассмотрены ниже, жизненно необходимыми
являются металлопорфирины, содержащиеся в гемоглобине крови, хлорофилле,
цитохромах, каталазе, пероксидазе и других хромопротеинах. Особо следует
отметить витамин B 12 (кобаламин), структуру которого составляет координированный
ионом Co 2+ порфириноподобный макроцикл – коррин, состоящий из четырех
частично гидрированных пиррольных колец (см. главу 3 Раздела I). Некоторые
металлопорфирины в виде красящего начала встречаются в яичной скорлупе,
маховых перьях животных и других тканях.
ГЕМОПРОТЕИНЫ
Н 3 С
Н 3 С
СН СН 2 СН 3
СН СН 2
N
N
СН 2
СН 2
СООН
Fe 2+
N
N
СН 2
СН 2
СООН
Fe(II)протопорфирин
или гем
СН 3
МИОГЛОБИН И ГЕМОГЛОБИН
Строение миоглобина и гемоглобина.
Простетическая группа наиболее известных
природных дыхательных пигментов – белка
крови гемоглобина (Hb) и мышечного белка
миоглобина (Мb) – по химической структуре
является хелатным комплексом железа(II) с
протопорфирином IX. Такой комплекс традиционно
называется гемом. Периферийные заместители
лиганда протопорфирина IX представлены
четырьмя метильными, двумя ви-
167

нильными и двумя пропионатными группами. В принципе, возможно 15 вариантов
пространственного расположения этих заместителей, но Живая Природа остановилась
только на одном из таких изомеров – протопорфирине IX. В геме ион
Fe 2+ с помощью четырех равноценных связей присоединен к атомам азота пиррольных
колец. Гем имеет брутто-формулу С 34 Н 32 О 4 N 4 Fe и молекулярную массу
616.
Ион Fe 2+ в составе протопорфирина IX координационно ненасыщен (имеет
вакантные d-орбитали) и способен присоединять один или два дополнительных
электронодонорных или электроноакцепторных лиганда по оси, перпендикулярной
плоскости макрокольца. В таких случаях координационное число иона Fe 2+
равно 5 или 6. Такой тип координации у металлопорфиринов называется аксиальным
(от греч. axon – ось), а соответствующие координируемые дополнительные
лиганды – аксиальными. Именно это свойство гема и определяет способность молекул
гемоглобина и миоглобина к присоединению молекулярного кислорода и
других лигандов, что обусловливает жизненную необходимость данной группы
сложных белков. Формирование и стабилизация пространственной структуры гемоглобина
и миоглобина также происходит благодаря образованию аксиальных
связей между ионом Fe 2+ и аминокислотными остатками полипептидных цепей
этих сложных белков. При этом аминокислотный остаток гистидина занимает пятое
координационное положение иона Fe 2+ в составе металлопорфирина (рис. 19).
Такой остаток гистидина получил название проксимальный (от лат. proximus –
ближайший). Второй остаток гистидина глобиновой полипептидной цепи – дистальный
гистидин (от лат. disto – отстою) находится близко к кислородсвязывающему
участку гема, но не имеет непосредственной связи с ним.
Рис. 19
Пространственная структура гема и расположение
проксимального остатка гистидина в пятом координационном
положении иона Fe 2+
Рассмотрим особенности химического
строения и структурнопространственной
организации гемоглобина
и миоглобина.
Гемоглобин (от греч. haimatos
– кровь и лат. globus – шар) составляет
примерно 95% сухой массы
эритроцитов – красных кровяных
клеток, и выполняет функцию переносчика
молекулярного кислорода
и диоксида углерода кровью. По
причине важнейшей биологической
значимости гемоглобин именуют
как V.I.P. – Very Important Protein.
Гемоглобин можно считать именно
тем белком, структура, свойства и
функции которого на протяжении
последних 50 лет наиболее активно
изучались по сравнению с другими
168

СН2
СН2
2+
СН2
СН2
СН3
СН2
СН2
2+
СН3
СН3
СН2
СН2
СН3
СН2
СН2
2+
СН2
СН2
СН3
СН2
СН2
2+
СН3
СН3
СН2
СН2
СН3
белками. Не зря гемоглобин называют «атомом водорода» современной биохимии,
имея в виду, что изучение гемоглобина сыграло в биохимии ту же роль, что
и изучение атома водорода в физике.
В норме концентрация гемоглобина в крови мужчин колеблется от 13,3 до
18 масс. %, у женщин – от 11,7 до 15,8 масс. % (в среднем 13,7).
Гемоглобин – это тетрамерный белок, состоящий из четырех субъединиц.
Каждая из субъединиц гемоглобина состоит из гема и одной молекулы белкового
компонента – глобина. Пространственная четвертичная структура гемоглобина
показана на рис. 20. Молекулярная масса гемоглобина составляет 64 500.
В нормальном гемоглобине А (HbA) здорового взрослого человека имеется
две пары идентичных по аминокислотному составу белковых цепей: две α-цепи
содержат по 141 остатку аминокислот, а две β-цепи – по 146 аминокислотных остатков.
Поэтому формулу гемоглобина схематично обозначают как 2α2β. Таким
образом, белковая часть гемоглобина содержит 574 аминокислотных остатка.
Причем, α-полипептидная цепь гемоглобина заканчивается комбинацией аминокислотных
остатков Вал–Лей; а β-полипептидная цепь – комбинацией Вал–Гис–
Лей.
Благодаря четвертичной структуре гемоглобин имеет почти правильную
форму шара с диаметром 55 Ǻ. Четыре полипептидные цепи татрамерного глобина
расположены в виде тетраэдра. Четыре гема, по одному у каждой субъединицы,
находятся в углублениях на внешней стороне глобул. Каждый гем связан силами
Ван-дер-Ваальса примерно с 60 атомами белка, а также донорноакцепторной
связью с имидазольным кольцом проксимального гистидина. Причем
карбоксильные группы порфирина взаимодействуют с основными группами
глобина, а винильные группы гема повернуты к внутренней гидрофобной части
полипептидной цепи. Каждая α-цепь вступает в контакт с обеими β-цепями за
счет универсальных и специфических взаимодействий между радикалами аминокислотных
остатков; в то время как взаимодействия между двумя α- или двумя β-
цепями незначительны.
β -цепь
α-цепь
Н3С
Н3С
СН СН2
N N
Fe
N N
СН СН2
СООН
СООН
Н3С
Н3С
СН СН2
N N
Fe
N N
СН СН2
СООН
СООН
СН СН2
Н3С
N N
Fe
N N
Н3С
СН СН2
Центральная
полость
СООН
СООН
СН СН2
Н3С
Н3С
N N
Fe
N N
СН СН2
СООН
СООН
α-цепь
β -цепь
Рис. 20
Схематичное изображение четвертичной структуры гемоглобина
В отличие от гемоглобина, миоглобин (от греч. myos – мышца и …глобин) –
небольшой глобулярный белок с молекулярной массой 17 000. Молекула миогло-
169

бина состоит из одного гема и одной полипептидной цепи, содержащей 153 аминокислотных
остатков. Таким образом, миоглобин, в общем случае, можно рассматривать
как ¼ часть молекулы гемоглобина. Особенно богаты миоглобином
мышцы морских животных, способных длительное время находиться под водой.
Взаимодействие миоглобина и гемоглобина с кислородом. Важнейшей
функцией крови является ее способность к переносу молекулярного кислорода из
легких в ткани и диоксида углерода из тканей в легкие. Необходимо отметить, что
кровь является хотя и жидкой, но тканью, так как состоит из клеточного и межклеточного
вещества (состав крови приведен в табл. 14). Дыхательная функция
крови сформировалась в долгом процессе эволюции в период перехода от анаэробного
существования организмов к аэробному. В ходе эволюции у позвоночных
животных выработались два основных механизма, обеспечивающих постоянное
снабжение клеток достаточным количеством кислорода. Первый – это система
кровообращения, в результате деятельности которой к клеткам активно поставляется
кислород. Если бы система кровообращения отсутствовала у аэробных
организмов, то их размеры не превышали бы миллиметра, поскольку из-за низкой
скорости самопроизвольной диффузии кислорода его поступление в организм не
удовлетворяло бы потребностям клеток. Появление в процессе эволюции гемопротеинов
– это второе важнейшее приспособление, позволившее преодолеть ограничения,
накладываемые низкой растворимостью кислорода в воде, и благодаря
этому повысить эффективность снабжения клеток кислородом.
Т а б л и ц а 15 Состав крови организма человека
Компоненты крови Состав крови Функции
Эритроциты (красные кровяные
тельца)
Перенос О 2 и СО 2
Клетки крови
(форменные элементы)
Лейкоциты (белые кровяные
тельца)
45% Тромбоциты (кровяные пластинки
не клеточного строения)
Межклеточное вещество
(плазма крови)
55%
Вода (90%)
Белки (8%)
Углеводы, жиры, витамины,
гормоны, минеральные соли и
др. вещества (2%)
170
Защитная функция (клеточный
иммунитет)
Защитная функция (участие в
свертывании крови)
Поддержание иммунитета,
питание клеток организма,
регуляция функций организма
Детали механизма связывания кислорода миоглобином и гемоглобином довольно
сложны, но хорошо изучены. Рассмотрим молекулярные основы этого механизма.
В одном эритроците находится около 400 млн. молекул гемоглобина, каждая
из которых способна присоединять четыре молекулы О 2 : по одной на каждую
субъединицу тетрамера. Миоглобин, находящийся в красных мышцах, способен к
присоединению одной молекулы О 2 . Гемоглобин или миоглобин, к которым присоединен
кислород, называются соответственно оксигемоглобином и оксимиоглобином,
соответственно. Схематично реакции присоединения кислорода к миоглобину
и гемоглобину можно записать следующим образом:

N
N
σ
N
NH
Fe 2+
N
O 2
N
Рис. 21
Взаимодействие электронных
орбиталей О 2 и иона Fe 2+
π
Мb + O 2 ↔ Мb(O 2 )
Hb + nO 2 ↔ Hb(O 2 ) n
Связывание кислорода миоглобином и гемоглобином
есть не что иное, как процесс аксиальной
координации молекулярного лиганда (в данном случае
О 2 ) на координационно ненасыщенном ионе Fe 2+
в составе гема. Остановимся на механизме присоединения
О 2 к иону Fe 2+ в составе гема c электронных
позиций. Кристаллическое поле N-донорных атомов
порфирина и аксиальных лигандов (имидазол гистидина
и О 2 ) переводит t 2g 4 e g 2 -конфигурацию иона Fe 2+
в t 2g 6 e g 0 . На вакантные e g -орбитали переходят σ-
электронные пары имидазола и кислорода (рис. 21).
Молекула О 2 , являясь π-акцептором, связывается с
ионом Fe 2+ также за счет обратной дативной π-связи.
Координированный ион железа поставляет t 2g -
электронную пару на вакантную π z -разрыхляющую
орбиталь молекулы кислорода. Образованию π-связи
Fe 2+ →О 2 благоприятствует высокая электронодонорная
способность π-системы макрокольца порфирина
и проксимального имидазола. Таким образом, все
выше сказанное свидетельствует о создании природой
оптимальных условий для связывания гемом такого
слабого σ-донора (но π-акцептора), как О 2 , в то время как многие более сильные
σ-доноры в данных условиях не способны к такому взаимодействию (поэтому
вода с гемом связана слабо). С электронных позиций можно также объяснить присутствие
в геме именно иона железа, а не какого-либо другого иона металла. Для
эффективного связывания иона металла с О 2 в составе гема необходимыми
являются следующие условия: 1) участие незамкнутых d-орбиталей иона металла;
2) координационная ненасыщенность иона металла в составе металлопорфирина.
За исключением иона Со 3+ , другие металлы в составе металлопорфиринов не обладают
сразу обоими указанными свойствами.
Важно отметить, что из-за низкой диэлектрической проницаемости среды
внутри «гемового кармана» глобул гемоглобина, при взаимодействии молекулярного
кислорода с гемом степень окисления иона железа (+2) не изменяется (в отличие
от свободного гема). Таким образом, глобин предохраняет железо(II) в геме
от окисления – эффект белковой защиты. Методологически более правильно
процесс присоединения кислорода к гему называть оксигенацией, тем самым показывая
отсутствие окислительно-восстановительного процесса в данном взаимодейсвтии.
Взаимодействие миоглобина с кислородом имеет более простую природу,
чем в случае тетрамерного гемоглобина. В этом и проявляются функциональные
отличия между миоглобином и гемоглобином в процессах их функционирования
в живых организмах, особенности которых рассмотрены ниже.
171

Кооперативный эффект связывания кислорода гемоглобином – обеспечивает
быстрое насыщение гемоглобина кислородом в легких. Гемоглобин, связывающий
четыре молекулы кислорода (по одной гемом каждой из четырех субъединиц),
отличен от миоглобина по форме кривой насыщения кислородом – кривые
оксигенации. В случае миоглобина кривая оксигенации имеет гиперболическую
форму, а в случае гемоглобина – сигмоидную (рис. 22). Сигмоидность формы
кривой означает, что связывание кислорода гемоглобином происходит кооперативно,
т.е. присоединение кислорода к одному гему облегчает его присоединение
к остальным гемам в составе тетрамера. Сродство гемопротеинов к кислороду характеризуют
величиной Р 50 , численно равной парциальному давлению кислорода,
при котором 50% участков связывания кислорода находятся в полном насыщении.
Для миоглобина Р 50 составляет обычно 1 мм рт. ст., а для гемоглобина – 26 мм рт.
ст.
Насыщение,
(Y)
Миоглобин
Рассмотрим кривые оксигенации
с количественной стороны.
Константа равновесия процесса
диссоциации оксимиоглобина на
миоглобин и кислород определя-
[ Mb][O2
]
ется как: К = , а степень
[ Mb( O2
)]
Гемоглобин
насыщения миоглобина кислородом
(Y) может быть представлена
[ Mb( O2 )]
P 50 = 26
как Y =
. Производя
простые арифметические
[ Mb( O2
)] + [ Mb]
pO 2 , мм рт.ст.
Рис. 22
действия над этими уравнениями,
Кривые оксигенации для гемоглобина и миоглобина получаем зависимость степени
насыщения миоглобина кислородом
от парциального давления последнего: Y = = . Графически
[O2
] pO2
[O2
] + K pO2
+ P50
полученное уравнение выражается гиперболой и кривая диссоциации оксигемоглобина,
рассчитанная по этому уравнению при Р 50 = 1 мм рт. ст., хорошо соответствует
экспериментальной кривой, полученной для миоглобина.
Как отмечалось выше, для гемоглобина кривая оксигенации имеет сигмоидную
форму и не может быть описана приведенными выше уравнениями, что свидетельствует
о кооперативном связывании кислорода молекулой гемоглобина.
Рассмотрим крайний случай – присоединение четырех молекул О 2 к одной молекуле
гемоглобина с образованием оксигемоглобина. Константа равновесия такого
4
[ Hb][O2
]
процесса будет равна К = [ Hb( O2
)
4
]
, а насыщение составит 4
( pO2
)
Y = .
4
( pO
4
2
) + ( P50
)
Графически последнее уравнение описывается сигмоидной кривой. Однако расчетная
кривая идет круче, чем кривая, полученная экспериментально. Другими
словами, процесс одновременного присоединения 4-х молекул кислорода к гемоглобину
является крайней ситуацией. В действительности, кривые, построенные
по данным, определенным для процесса связывания кислорода гемоглобином,
описываются уравнением, соответствующим гипотетическому процессу:
172

Насыщение в этом случае составит
n
( pO2
)
Y = . После преобразований по-
n
n
( pO ) + ( P )
лучим:
Y ⎛ pO ⎞
2
=
1 Y
⎜
P
⎟
− ⎝ 50 ⎠
. Данное уравнение показывает, что отношение оксигемоглобина
(Y) к гемоглобину (1 – Y) равно
n
Hb + nO 2 ↔ Hb(O 2 ) n
173
2
50
⎛ pO
⎜
⎝ P50
2
n
⎞
⎟ . Прологарифмируем это уравнение:
⎠
⎛ Y ⎞
lg⎜
⎟ = nlg pO2
− nlg P50
. Зависимость lg[Y/(1 – Y)] от lg(pO 2 ) выразиться прямой с
⎝1−
Y ⎠
углом наклона n (рис. 23). Такой график называется графиком Хилла, а величина
наклона n в точке полунасыщения кислородом (Y = 0,5) составит коэффициент
Хилла.
lg[Y/(1-Y)]
Миоглобин,
n = 1,0
Гемоглобин,
n = 2,8
lg(pO 2 )
Рис. 23
График Хилла для связывания кислорода миоглобином
и гемоглобином
Миоглобин дает линейный
график Хилла с n =1,0, тогда как
в случае гемоглобина n = 2,8. Такие
результаты свидетельствуют
в пользу того, что в отличие от
миоглобина, к которому молекулы
кислорода присоединяются
независимо друг от друга, в гемоглобине
четыре гема работают
согласованно: присоединение кислорода
к одной субъединице гемоглобина
увеличивает сродство
к кислороду у остальных субъединиц.
Кооперативный эффект при
взаимодействии кислорода с гемоглобином
имеет четкую структурную природу и объясняется на основе данных
конформационного анализа. В геме гемоглобина вследствие стерического отталкивания,
возникающего между проксимальным остатком гистидина и атомами
азота пиррольных колец порфиринового цикла, аксиальный лиганд вытягивает
ион Fe 2+ из плоскости порфиринового макроцикла на 0,75 Ǻ. При взаимодействии
с кислородом ион Fe 2+ возвращается в плоскость порфирина (рис. 24). При этом
высокоспиновое пирамидальное состояние координационного узла гема переходит
в октаэдрическое искаженное состояние. Дистальный остаток гистидина не
взаимодействует с молекулой О 2 , но обеспечивает оптимальные условия для ее
эффективного связывания. Одновременно с ионом железа происходит перемещение
остатка проксимального гистидина, что, в свою очередь, вызывает конформационные
изменения белка данной субъединицы и полипептидных цепей остальных
субъединиц гемоглобина. В результате этого после присоединения первой
молекулы О 2 к субъединице гемоглобина активные центры – гемы выходят наружу
глобул, благодаря чему увеличивается сродство остальных субъединиц к О 2 .

N
NH
N
NH
O
O
Дистальный
гистидин
0,75 А
Fe 2+
O 2
Fe 2+
N
NH
N
NH
Проксимальный
гистидин
Гемоглобин
Рис. 24
Связывание кислорода гемом в составе гемоглобина
Оксигемоглобин
Конформационные изменения в полипептидной цепи глобина при взаимодействии
с кислородом вызывают различия в пространственной организации гемоглобина
и его окси-формы. Четвертичная структура гемоглобина обозначается
как Т-форма (от англ. tense – напряженная), тогда как четвертичная структура оксигемоглобина
– как R-форма (от англ. relaxed – релаксированная). Обозначения
Т и R обычно используются при описании четвертичных структур аллостерических
белков, причем Т-форма всегда имеет меньшее сродство к субстрату. В результате
этого последующее присоединение кислорода к гемоглобину происходит
намного легче: четвертая молекула О 2 связывается с гемоглобином примерно в
300 раз прочнее, чем первая. Такое явление есть ни что иное, как аллостерический
механизм связывания кислорода гемоглобином. Схематично отличия пространственных
структур Т- и R-форм гемоглобина представлены на рис. 25.
Рис. 25
Пространственные структуры R- и Т-форм гемоглобина
174

Поскольку миоглобин находится в глубине мышечной ткани, где имеется
низкое парциальное давление кислорода, за гиперболическим видом кривой насыщения
кислородом миоглобина кроется большой биологический смысл. Сродство
к кислороду у миоглобина в 5 раз больше, чем у гемоглобина. Поэтому миоглобин
способен создавать кислородный резерв, который расходуется по мере необходимости,
восполняя временную нехватку кислорода в тканях организма.
Транспорт диоксида углерода гемоглобином. Гемоглобин не только переносит
кислород от легких к периферическим органам и тканям, но и осуществляет
транспорт диоксида углерода от тканей к легким. Гемоглобин связывает СО 2 сразу
после высвобождения кислорода; примерно 15% СО 2 , присутствующего в крови,
переносится молекулами гемоглобина. Причем, молекула СО 2 присоединяется
не к самому гему, а к NH 2 -группам полипептидной цепи глобина: так образуется
карбгемоглобин:
Нужно отметить, что свободный гемоглобин обладает значительно большим
сродством к СО 2 , чем оксигемоглобин.
Эффект Бора. Сродство гемоглобина к кислороду зависит от рН окружающей
среды, тогда как для миоглобина такой зависимости не наблюдается.
Снижение рН в физиологических пределах сдвигает кривую насыщения гемоглобина
кислородом вправо, т.е. сродство к кислороду уменьшается при повышении
кислотности среды. Увеличение концентрации СО 2 (при постоянном значении
рН) также уменьшает сродство гемоглобина к кислороду. В тканях, где активно
протекают метаболические процессы (например, интенсивно работающие мышцы),
в результате чего образуется много СО 2 и органических кислот, что вызывает
понижение рН крови. Повышение содержания СО 2 и Н + в капиллярах активно метаболизирующих
тканей способствует высвобождению О 2 из оксигемоглобина.
После освобождения от О 2 гемоглобин присоединяет Н + и СО 2 (при этом протоны
связываются ионизированными карбоксильными группами глобина). Этот важный
механизм был открыт в 1904 г. К. Бором.
Противоположный эффект, обнаруженный 10 лет спустя Д. Холдейном,
имеет место в капиллярах легких. Здесь высокая концентрация О 2 способствует
отщеплению Н + и СО 2 от гемоглобина совершенно аналогично тому, как высокая
концентрация Н + и СО 2 в активно метаболизирующих тканях способствует высвобождению
О 2 . Такая взаимосвязь между процессами обратимого присоединения
О 2 , Н + и СО 2 известна под названием эффекта Бора. Явление эффекта Бора
также рассматривается в главе 15 Раздела II.
Влияние бифосфоглицерата на сродство гемоглобина к кислороду. В
центре тетрамера гемоглобина имеется полость, образуемая аминокислотными
остатками полипептидных цепей всех четырех субъединиц. В гемоглобине, в отличие
от оксигемоглобина, между отдельными глобулами имеются дополнительные
ионные связи, стабилизирующие протомеры в составе тетрамера. Вследствие
175

этого размеры центральной полости меняются: увеличиваются в гемоглобине и
уменьшаются в оксигемоглобине. В центральную полость гемоглобина (в отличие
О
О
Р
О
О
О
О
С СН СН 2 О Р О
О
О
2,3-Бифосфоглицерат
(БФГ)
от оксигемоглобина) может входить 2,3-
бифосфоглицерат (БФГ) – соединение, синтезируемое
в эритроцитах из промежуточного продукта
окисления глюкозы – 1,3-бифосфоглицерата.
При физиологических значениях рН крови БФГ
существует в виде многозарядного аниона. Поэтому
он присоединяется к гемоглобину за счет образования
пяти дополнительных ионных связей с 5-ю положительно
заряженными группами β-полипептидных цепей
и тем самым оказывает сильное влияние на сродство гемоглобина к кислороду.
Молярная концентрация БФГ в эритроцитах примерно такая же, что и концентрация
гемоглобина. В отсутствие БФГ значение Р 50 для гемоглобина составляет 1
мм рт. ст. (как и для миоглобина), в присутствии БФГ величина Р 50 становится
равной 26 мм рт. ст. Таким образом, БФГ снижает сродство гемоглобина к кислороду
в 26 раз. В определенном приближении процесс присоединения кислорода к
гемоглобину в присутствии БФГ можно выразить следующим уравнением:
Нb–БФГ + 4О 2 ↔ Hb(O 2 ) 4 + БФГ
Изменение уровня содержания БФГ в эритроцитах имеет существенное значение.
Например, через два дня пребывания человека на высоте 4 500 м над уровнем
моря, концентрация БФГ в его эритроцитах возрастает с 4,5 до 7,0 ммоль·л -1 и
соответственно снижается сродство к кислороду. В результате, с одной стороны,
из-за снижения Р 50 уменьшается насыщение артериальной крови кислородом, с
другой стороны, количество транспортируемого кислорода возрастает, так как
больше кислорода высвобождается в капиллярные сети. При спуске с гор на уровень
моря концентрации БФГ и значение Р 50 возвращаются к исходным величинам.
Производные гемоглобина. Молекулы гемоглобина и миоглобина взаимодействуют
не только с кислородом, но и с другими молекулярными и ионными
лигандами, такими как монооксид углерода, молекулы воды, цианид-ионы и др. На
рис. 26 показано образование некоторых производных гемоглобина. Из-за высокого
сродства к полярным электронодонорным молекулам или ароматическим
молекулам токсичных веществ, гемоглобин и миоглобин образуют с ними достаточно
прочные межмолекулярные комплексы и теряют способность связывать и
переносить кислород.
Сродство гемоглобина к монооксиду углерода СО примерно в 300 раз выше,
чем к кислороду, что объясняется способностью СО, наряду с образованием обратных
дативных π-связей (за счет 2π x и 2π y -разрыхляющих орбиталей), выступать
в роли σ-донора.
176

Рис. 26
Схема образования производных гемоглобина
Этим и объясняется высокая токсичность угарного газа, который блокирует гемоглобин,
не давая ему участвовать в переносе кислорода. Попадая в легкие с воздухом,
монооксид углерода быстро диффундирует через альвеолярно-капиллярные
мембраны, растворяется в плазме крови и проникает в эритроциты, где взаимодействует
как с гемоглобином, так и с его окси-формой. Причем в тетрамерном
гемоглобине одни протомеры оказываются занятыми СО, а другие – О 2 ; в таких
«смешанных» молекулах молекулы О 2 удерживаются прочнее, чем в молекулах,
не содержащих СО, и освобождение О 2 в тканях затрудняется. Поэтому, наряду с
блокированием части гемов в гемоглобине, при отравлении СО происходит также
нарушение функции свободных от СО гемов. Из-за высокого содержания СО в
табачном дыме в крови курильщиков всегда присутствует небольшое количество
карбоксигемоглобина. В карбоксигемоглобине ион железа имеет степень окисления
+2. Признаки отравления при различном содержании карбоксигемоглобина в
крови человека приведены в таблице 15.
Т а б л и ц а 15 Признаки отравления при различном содержании карбоксигемоглобина в
крови человека
Концентрация
СО в воздухе,
млн 1- (объемные
части)
Содержание карбоксигемоглобина
в
крови, %
Клинические симптомы
60 10 Ослабление зрения, легкая головная боль
130 20
Боли в голове и теле, утомляемость, временная потеря
сознания
200 30
Потеря сознания, паралич, нарушение дыхания и
других жизненных функций организма
660 50
Полная потеря сознания, паралич, остановка дыхания
750 60 В течение часа наступает летальный исход
Под действием окислителей (например, нитритов), из гемоглобина образуется
метгемоглобин, в котором ион железа приобретает степень окисления +3 и
теряет способность присоединять молекулярные лиганды, в том числе кислород.
Простетическая группа метгемоглобина носит название гематина или гемина, если
аксиальными лигандами являются анионы ОН - или Cl - , соответственно. В результате
нормальных метаболических процессов в эритроцитах всегда образуются
небольшое количество метгемоглобина, который затем восстанавливается в гемоглобин
под действием метгемоглобинредуктазы, так что в цельной крови здорового
человека содержание метгемоглобина не превышает 2% от общего содержания
гемоглобина. Высокие концентрации метгемоглобина вызывают кислородное
177

голодание тканей. Однако метгемоглобин обнаруживает и другие свойства. Он
легко связывает цианид-ионы с образованием цианметгемоглобина и спасает организм
от смертельного действия цианидов. Токсичность цианидов обусловлена
тем, что анионы CN - в качестве аксиальных лигандов легко присоединяются к иону
Fe 3+ гема цитохромов дыхательных цепей (см. ниже), встроенных в митохондриальные
мембраны клеток. Цианид-ионы являются частицами, изоэлектронными
молекуле СО, но из-за наличия отрицательного заряда связь Fe 3+ –СN - приобретает
дополнительный электростатический характер, что способствует очень прочному
связыванию аниона. В результате связывания с цианид-ионами цитохромы теряют
способность участвовать в переносе электронов за счет обратимого окисления иона
железа, и работа дыхательных цепей клеток останавливается. Поэтому для лечения
отравлений цианидами применяют метгемоглобинообразователи (например,
тот же нитрит натрия). В результате этого за счет потери части гемоглобина
крови восстанавливается функционирование цитохромов и самих дыхательных
цепей.
Формы гемоглобинов. Еще недавно считалось, что гемоглобин взрослого
человека представляет собой одно единственное соединение. Известно было
только то, что в эмбриональный период жизни в организме присутствует особенный
тип гемоглобина – гемоглобин F (HbF), более устойчивый к действию щелочей,
чем нормальный гемоглобин. Работы Л. Полинга и его сотрудников, а также
других исследователей, показали, что гемоглобин взрослого человека и при нормальных,
и при патологических состояниях может быть представлен группой соединений
схожего строения. Было открыто много нормальных и патологических
типов гемоглобина, что позволило в новом свете представить метаболизм гемоглобина
и указать пути для исследования патогенеза некоторых заболеваний –
анемий. Было установлено, что некоторые патологии вызваны особыми типами
гемоглобина, характерными для данной формы анемии. Идентификация типов
гемоглобина имеет большое значение не только для диагностики, но и для решения
вопросов о патогенезе анемии на биохимическом уровне. Анемии, вызванные
появлением патологического типа гемоглобина, называются гемоглобинопатиями
или гемоглобинозами. Выяснилось, что у человека имеются три основных типа
нормального гемоглобина (физиологические типы гемоглобинов): эмбриональный
U (HbU), фетальный – F (HbF) и гемоглобин взрослого человека – А (HbA).
HbU (назван по начальной букве англ. слова uterus - утроба) встречается в эмбрионе
между 7 и 12 неделями жизни, затем он исчезает и появляется фетальный
(от лат. fetus – плод) гемоглобин НbF, который после третьего месяца становится
основным гемоглобином плода. Гемоглобин F обладает более высоким сродством
к кислороду, чем гемоглобин А взрослых людей. Именно благодаря этому возможен
оптимальный перенос кислорода от HbA матери к HbF плода. Более высокое
сродство HbF к кислороду подтверждается также тем, что он связывает ДФГ менее
прочно, чем гемоглобин А. Вслед за HbF постепенно появляется нормальный
гемоглобин взрослого человека HbA (по начальной букве слова adultus – взрослый).
Количество НbF постепенно уменьшается, так что в момент рождения 80%
гемоглобина эритроцитов представляет собой HbA и только 20% – HbF. После
рождения фетальный гемоглобин продолжает убывать и на 2–3-м году жизни составляет
всего 1–2% от общего содержания гемоглобина. Такое же количество
178

HbF сохраняется и у взрослого человека. Количество HbF, превышающее 2%,
считается патологическим для детей старше 3 лет и для взрослого человека.
Кроме нормальных типов гемоглобина в настоящее время открыто свыше
ста его патологических (аномальных, мутантных) вариантов. Сначала они были
названы латинскими буквами. Вскоре выяснилось, что букв алфавита не хватит
для обозначения всех патологических типов гемоглобина. Поэтому для обозначения
новых патологических форм гемоглобина стали использовать имена пациентов,
больниц, лабораторий, названия мест и округов, с которыми связаны их открытия.
Как нормальные, так и патологические типы гемоглобина различаются не
по структуре молекулы хромофора, а по аминокислотной последовательности
(первичной структуре) глобина. Разница может заключаться как в изменении целых
пар полипептидных цепей в молекуле гемоглобина, так и в замене в первичной
структуре белка одного аминокислотного остатка на другой.
Рассмотрим некоторые из форм гемоглобинов: гемоглобины H, F, Бартс,
А 2 и U. Вместо нормальной структуры HbА – 2α2β, гемоглобин Н имеет структуру
4β, что означает, что обе α-полипептидные цепи замещены двумя новыми β-
полипептидными цепями. У гемоглобинов F, Бартс и А 2 появляются две новые
цепи, обозначаемые γ и δ, а у гемоглобина U – новая цепь, обозначаемая ξ. Структура
HbF – 2α2γ, гемоглобина Бартс – 4γ, HbА 2 – 2α2δ, гемоглобина U – 2α2ξ. Патологические
гемоглобины, состоящие из четырех одинаковых полипептидных
цепей со структурами 4α и 4δ до сих пор не наблюдались in vivo. Замена аминокислотных
остатков в полипептидных цепях глобина на другие встречается у
большинства типов аномальных гемоглобинов. Так, например единственная разница
между HbS и HbA состоит в том, что у последнего на 6-ом месте в β-
полипептидной цепи вместо глутаминовой кислоты находится валин, а различия
между HbI и HbA в том, что на 16-ом месте в α-полипептидной цепи HbA лизин
замещен аспарагиновой кислотой.
Когда аномалия связана с замещением аминокислоты в α-полипептидной
цепи, то говорят об α- цепной аномалии, в β-полипептидной цепи – о β-цепной
аномалии, в γ-полипептидной цепи – о γ-цепной аномалии (патологические варианты
HbF) и когда в δ-цепи – о δ-цепной аномалии (патологические варианты
HbA 2 ).
Гемоглобин при серповидно-клеточной анемии. В отличие от HbA в гемоглобине
HbS остаток глутаминовой кислоты β-полипептидной цепи глобина
замещен на валин. Остаток валина располагается на поверхности белковой глобулы
гемоглобина. Замещение полярного остатка глутаминовой кислоты на неполярный
валин приводит к появлению на поверхности β-субъеденицы гидрофобного
«липкого участка», который не гидратируется окружающим водным раствором.
Этот липкий участок присутствует как в окси-, так и в дезоксиформе HbS (в
то время как в HbA он отсутствует). Кроме того, на поверхности HbS существует
участок комплементарный липкому участку β-субъединицы и способный с ним
прочно связываться, тогда как в окси-HbS этот участок маскируется другими
аминокислотными группами. Когда окси-HbS теряет кислород, его липкий участок
связывается с комплементарным участком на другой молекуле HbS. Таким
образом, происходит полимеризация HbS, при этом каждая молекула гемоглобина
контактирует с 4-мя соседними молекулами с образованием трубчатых волокон.
179

Волокна HbS механически деформируют эритроцит, придавая ему серповидную
форму, что приводит к лизису клеток и множеству вторичных клинических проявлений.
В HbА также имеется рецепторный участок, способный взаимодействовать
с липким участком окси- или дезокси-HbS. Присоединение «липкого» HbS к
HbA сопровождается образованием соответствующего димера и не приводит к
образованию полимера, поскольку сам HbА не имеет липкого участка и потому не
может связывать следующую молекулу гемоглобина.
ХЛОРОКРУОРИН, ГЕМОЦИАНИН, ГЕМОЭРИТРИН И ГЕМОВАНАДИН
Родственным гемоглобину является хлорокруорин, переносящий кислород
по зеленой крови очень ограниченной группы многощетинковых червей. Простетическая
группа хлорокруорина – хлорокруорогем – отличается от гема тем, что в
Н 3 С
Н 3 С
С СН 3
О Н
СН СН 2
N
N
СН 2
СН 2
СООН
Fe 2+
N
N
СН 2
СН 2
СООН
Хлорокруорогем
СН 3
его молекуле вместо винильной группы при 3-
ем атоме углерода находится формильная
группа. Других существенных различий между
строением хлорокруорина и гемоглобина не
наблюдается. Окси- и дезоксиформы хлорокруорина
почти не отличаются по окраске, но
для этого пигмента характерен сильный дихроизм,
и его окраска меняется от красной до зеленой
при разбавлении раствора. Лишь у очень
небольшого числа видов животных хлорокруорин
придает телу зеленую окраску.
Гемоцианин, гемоэритрин и гемованадин
являются пигментами крови или дыхательными
пигментами у небольшого числа
беспозвоночных. Они представляют собой металлопротеины, не содержащие гема
или других металлопорфиринов (поэтому их названия выбраны довольно неудачно).
Например, гемоцианины брюхоногих моллюсков представляют собой крупные
белки с молекулярной массой 9·10 6 . Их функциональной единицей, которая
связывает одну молекулу О 2 , служит пара ионов меди(II), окруженная компактно
свернутым полипептидом. Молекула гемоцианина включает в себя 100–150 таких
функциональных единиц.
ЦИТОХРОМЫ
Цитохромы представляют собой группу гемопротеинов, у которых в отличие
от гемоглобина и миоглобина гемовый ион Fe 2+ способен подвергаться обратимому
окислению. Легкая обратимость перехода Fe 3+ + ē ↔ Fe 2+ и Fe 2+ – ē = Fe 3+
создает возможность перебрасывать электроны от одного цитохрома к другому.
Это свойство придает цитохромам важное биологическое значение в процессах
переноса электронов по дыхательной цепи (см. главу 10 Раздела II). Цитохромы
присутствуют в клетках всех живых организмов. Название «цитохромы» происходит
от греч. kytos – клетка и chroma – цвет и дословно переводится как «клеточная
окраска». К настоящему времени выявлено и довольно хорошо изучено боль-
180

шое количество цитохромов. По химической природе простетической группы и
способу ее присоединения к белкам, цитохромы можно разделить на четыре главные
группы – цитохромы a, b, c и d.
Простетическая группа цитохрома b представляет собой гем – протопорфирин
железа(II). Цитохром a содержит так называемый гем а, отличающийся от гема
гемоглобина и миоглобина наличием формильной группы при С-18 вместо метильной
группы и модификацией винильной группы при С-3 путем присоединения
к ней С 15 -(фарнезил)изопреноидной цепи. Название «цитохром d» применяется
к цитохромам с дигидропорфириновой (хлориновой) простетической группой,
содержащей ион Fe 2+ ; боковые заместители у молекулы хлорина могут варьироваться.
В группу цитохрома с входят все цитохромы, у которых боковые цепи гема
присоединены к полипептидной цепи белка за счет ковалентных связей.
Индивидуальные цитохромы отдельных групп обозначают нижними индексами,
например, цитохром b 6 , или в их название входит максимальная длина волны
в электронном спектре поглощения,
Цис
например, цитохром b-550.
S
Цитохромы жизненно необходимы
для нормального функционирования
Н 3 С СН СН 3
Цис
S дыхательных цепей клеток, но они не
Н 3 С
СН
выполняют функцию пигментов, отвечающих
за окраску N N
организмов.
Н 3 С
N
N
ДРУГИЕ ГЕМСОДЕРЖАЩИЕ ФЕРМЕНТЫ
Кроме цитохромов, гем в качестве
СН
простетической группы необходим для
2 СН 2
проявления каталитической активности
СН 2 СН 2
некоторых других ферментов. К числу
СООН СООН
таких гемсодержащих ферментов относятся
пероксидаза и каталаза, выде-
Связь гема с белковой частью в цитохроме с
ленные из различных растительных и
животных организмов. Например, пероксидаза хрена с молекулярной массой 44
000 содержит один гем и катализирует окисление фенолов пероксидом водорода.
Каталаза, выделенная из печени быка, имеет молекулярную массу 248 000 и содержит
четыре гема. Этот фермент катализирует разложение пероксида водорода
до воды с чрезвычайно высокой скоростью.
ХЛОРОФИЛЛЫ
Fe 2+ CH 3
СН 3
181

В отличие от гемсодержащих белков животных, в растениях содержатся
магний(II)порфириновые комплексы, придающие листьям зеленую окраску и участвующие
в процессах фотосинтеза. Название «хлорофилл» происходит от греч.
chloros – зеленый и phyllon – лист.
Все зеленые ткани высших растений содержат в своих фотосинтетических
органеллах – хлоропластах два вида хлорофилла – а и b. Простейшим предшественником
этих соединений служит форбин – хлориновая структура, в молекуле
которой в отличие от порфина имеется добавочное кольцо Е:
Молекулы хлорофиллов а и b различаются лишь заместителем R при С-7. В хлорофилле
а – это метильная
СН СН 2 R
группа, а в хлорофилле b –
Н 3 С СН 2 CH 3
формильная группа. Другими
важными особенностями
N N
химической структуры хлорофилла
являются наличие в
Mg 2+
H N N
качестве иона металла - комплексообразователя
иона
СН 3
H 3 C
CH Mg 2+
2 H
и этерификация С-17-
HC C O
CH 2
пропионатного заместителя
COOCH 3
изопреноидным спиртом фитолом.
О С
О
Хлорофилл а присутствует
во всех водорослях.
Водоросли некоторых классов,
кроме хлорофилла а, со-
Хлорофилл а: R = CH 3
Хлорофилл b: R = CHO
держат также другие хлорофиллы,
незначительно отличающиеся по природе периферийных заместителей,
например, хлорофиллы с и d:
Фотосинтезирующие бактерии содержат бактериохлорофиллы; например, тетрагидропорфины
– бактериохлорофилл а и бактериохлорофилл b:
182

Наряду с фитолом в качестве спиртов в состав молекул этих бактериохлорофиллов
входят полиизопреноиды фарнезол и геранилгераниол.
Хлорофиллы растворимы в большинстве органических растворителей. Из
тканей растений, в которых они содержатся в большом количестве (шпинат, крапива),
их эстрагируют полярными органическими растворителями, в частности,
ацетоном и спиртами. Хлорофиллы нестабильны и легко разрушаются под действием
света, кислорода воздуха, тепла, кислот и щелочей.
Самая важная биологическая функция хлорофиллов – фотосинтетическая
рассматривается в главе 13 Раздела II.
ЛИНЕЙНЫЕ ТЕТРАПИРРОЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Линейные тетрапирролы, или билины (от лат. bilis – желчь), в природе распространены
широко, хотя и не регулярно. Большое значение в животном и растительном
мире имеют тетрапиррольные желчные пигменты, которые являются
основными компонентами желчи и обусловливают ее окраску. У млекопитающих
они бывают двух видов: биливердины и билирубины, среди изомеров которых
преобладают биливердин IХα и билирубин IХα.
Желчные пигменты являются продуктами окислительного расщепления гема
крови, причем первичным продуктом катаболизма гема (см. главу 12 Раздела
II) является биливердин, который специальным ферментом быстро восстанавливается
до билирубина. Оба соединения нерастворимы в воде и в комплексе с белками
попадают в печень, где в процессе конъюгации переводятся в водорастворимую
форму путем реакции с глюкуроновой кислотой (см. главу 6 Раздела I). Водорастворимые
глюкорониды выводятся из организма. Если этот процесс нарушается,
происходит увеличение концентрации билирубина в крови, кожные покровы
тела окрашиваются в желтый цвет и развивается заболевание, именуемое желтухой.
Чаще всего причинами возникновения желтухи является нарушение функций
печени и потеря способности конъюгировать желчный пигмент (подробнее см.
главу 12 Раздела II).
Как кислоты, желчные пигменты образуют с большинством ионов нещелочных
металлов нерастворимые в воде соли; причем, кальциевая соль билирубина,
наряду с холестерином, является компонентом желчных камней.
183

Более активную роль линейные тетрапироллы играют в растениях, где образуют
комплексы с белками, называемые фитохромами. В составе фитохрома
тетрапиррол может находиться в двух взаимопревращающихся формах, которым
соответствуют фитохромы Р r и Р fr . В первой тетрапиррол имеет стереохимию
ZZZ-формы, в которой все межпиррольные связи представлены Z-изомерами. При
освещении видимым светом одна из связей переходит в транс-форму (EZZформа).
Данный переход сопровождается изменением конформации связанного с
тетрапирролом белка, что, в свою очередь, инициирует в растении ряд светозависимых
процессов: синтез хлорофилла, образование и развитие листьев и т.д. Совокупность
этих явлений называется фотоморфогенезом.
У представителей низших форм жизни, не способных к фотосинтезу (некоторые
бактерии, беспозвоночные), линейные тетрапирролы встречаются редко и
обычно выполняют роль пигментов (голубые, красные и другие красители).
ПОЛУЧЕНИЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОРФИРИНОВ
Расширяющееся применение порфиринов и их производных в различных
областях науки и техники, в том числе для фотодинамической терапии рака и методов
иммуно-флуоресцентного анализа вызвало необходимость в разработке эффективных
методов их получения.
В настоящее время существует ряд технологий, позволяющих получать тетрапиррольные
пигменты как экстракцией последних из животных и растительных
тканей, так и направленным микробиологическим синтезом с применением мутантных
и генноинженерных штаммов бактерий и одноклеточных водорослей.
Такие способы получения выгодно отличаются от препаративного органического
синтеза порфиринов, поскольку гарантируют чистоту образующихся продуктов от
вредных примесей.
Растительное сырье (обычно листья шпината и крапивы) применяют для
получения хлорофиллов а и b. Биомасса некоторых одноклеточных зеленых водорослей
и фотосинтезирующих бактерий служат источником для выделения хлорофилла
а и бактериохлорофилла а. Бактерии, низшие грибы и дрожжи используются
для выделения гемсодержащих ферментов – каталазы, цитохромов с и b.
Гем, как правило, получают из крови крупного рогатого скота.
Все большее применение находят методы получения порфиринов путем направленного
микробиологического синтеза с использованием видов и штаммов
организмов, секретирующих в культуральную среду различные промежуточные
соединения биосинтеза функциональных тетрапирролов (протопорфирина, коррина,
билинов и др.).
Успехи молекулярной биологии и генетики открывают совершенно новые
возможности для получения тетрапиррольных соединений. Использование опера-
184

ции клонирования соответствующих генов позволяет резко увеличить количество
ферментов, участвующих в метаболизме порфиринов и уже сегодня дает возможность
осуществлять искусственный синтез различных промежуточных соединений
биосинтеза витамина В 12 , гема и других природных тетрапирролов. Синтез
проводится в контролируемых условиях путем смешивания различных ферментов,
необходимых для получения целевого продукта. Такого рода технологии активно
разрабатываются и осваиваются учеными многих стран мира и позволяют
получать, кроме порфиринов, многие другие биологически активные вещества.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Рассмотрите хронологию основных этапов исследования порфиринов.
2. Какие основные функции выполняют порфирины в живой природе?
3. В чем заключаются особенности химического строения и физико-химических свойств
порфиринов и их металлокомплексов?
4. Рассмотрите особенности строения природных металлопорфиринов.
5. Проанализируйте особенности структурно-пространственной организации кислородпереносящих
белков – миоглобина и гемоглобина.
6. Что такое аксиальная координация на металлопорфиринах; в чем состоит ее биологический
смысл?
7. В чем заключаются эффекты белковой защиты и кооперативного связывания кислорода
гемоглобином?
8. Объясните особенности связывания СО, СО 2 , CN - и других молекул и ионов гемсодержащими
белками.
9. Рассмотрите причины возникновения аномальных форм гемоглобинов и анемии.
10. Рассмотрите различия в строении и функциях хлорокруорина, гемоцианина, гемоэритрина,
гемованадина и цитохромов.
11. В чем заключается роль природных линейных тетрапиррольных пигментов в растительном
и животном мире?
12. Перечислите основные современные способы получения и направления практического использования
порфиринов.
ЗАДАЧИ
185

186