XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Медь является жизненно важным микроэлементом, который входит в состав многих витаминов, гормонов и ферментов, концентрируется в печени, головном мозге и в крови. Медь обладает противовоспалительным свойством, способствует смягчению проявления аутоиммунных заболеваний, а также обеспечивает усвоение железа. Воздействие меди на углеводный обмен заключается в ускорении процессов окисления глюкозы и торможении распада гликогена в печени. Помимо этого, медь является составным компонентом миелиновых оболочек нервов.

Изменение активности медьсодержащих ферментов приводит к нарушению некоторых биохимических процессов, например, синтеза фосфолипидов, сильному снижению концентрации миоглобина, РНК в мозге, уменьшению количества эластина и повышению растворимости коллагена в аорте, венечных сосудов сердца и т.д. При дефиците меди наиболее токсичное действие вызывают сульфиды. Их образование в печени при распаде цистеина ведет к поражению этого органа, выведению из строя его барьерной функции, которая предотвращает нарушение работы других органов.

Биологически доступной медь может быть в двух состояниях окисления: Cu(I) и Cu(II) с выраженными изменениями в координационной сфере. Тем не менее Cu(I) избирательно связывается с остатками цистеина и метионина, а Cu(II) предпочтительно координируется с гистидином, серином, треонином, тирозином или с водой. Для Cu(I) характерна тетраэдрическая координация, в то время как для Cu(II) – плоско-квадратная.

В настоящее время известно около 25 медьсодержащих ферментов и белков (рис. 1).

Рисунок 1. Медьсодержащие ферменты, участвующие в окислительном катализе

Эти ферменты обеспечивают процессы переноса электронов, связывания, хранения и транспорта кислорода, окислительного катализа и восстановления оксида азота на последней стадии круговорота азота. Все они обусловлены определенными особенностями меди, например, реакции ионов меди с аминокислотами и белками проходят активнее, чем с другими металлами, в результате чего образуются более устойчивые соединения. Также медь обладает способностью переходить из одной степени окисления в другую, проявляя окислительно-восстановительные свойства в соединениях.

Одной из самых главных функций медьсодержащих ферментов является взаимодействие с кислородом. Рассмотрим структуру одного из медьсодержащих ферментов – супероксиддисмутазы (СОД).

В защите клеток эукариотов от разрушения, которое может быть вызвано кислородом, важнейшую роль играют ферменты, содержащие цинк и медь. Эти ферменты представляют собой димеры и содержат по одному иону Cu(II) и Zn(II) на мономерную единицу. СОД катализируют превращение супероксид-анион-радикала в пероксид водорода и кислород, которое происходит в результате последовательных реакций восстановления и окисления меди:

O₂^– + СОД-Cu(II) → O2 + СОД-Cu(I) (1)

СОД-Cu(I) + O₂^– + 2H⁺ → СОД-Cu(II) + H₂O₂ (2)

. Во всех Cu(II)Zn-зависимых ферментах СОД ионы металлов связаны мостиками из боковых фрагментов гистидина. Ион меди дополнительно координирован с тремя такими фрагментами и молекулой воды, что создает искаженную геометрию координационного полиэдра типа квадратной пирамиды (рис.2). Координационная сфера иона Zn дополняется двумя другими фрагментами гистидина и боковой цепью аспартата, что образует координационный полиэдр типа искаженного тетраэдра. Было показано, что

в восстановленных формах дрожжевых или бычьих Cu(I)Zn-SOD ион меди координирован только тремя фрагментами гистидина. Следовательно, ключевым моментом перехода от Cu(II) к Cu(I) является изменение координационного числа меди от 5 до 3. Это можно объяснить следующим

образом. Когда Cu(II) восстанавливается супероксид-ионом (уравнение (1)), происходит диссоциация связи меди с мостиковым фрагментом гистидина,

протонирование его и замещение молекулы воды, что приводит к трехкоординированной меди.

Рис 2. Активный центр CuZn-супероксиддисмутазы. Молекулы воды обозначены как W

Затем Cu(I) вновь окисляется до Cu(II) второй молекулой супероксида (уравнение (2)). Продукт восстановления супероксида связывает два протона, приходящих соответственно от гистидина, прежде выполнявшего роль мостика, и от растворителя и, наконец, элиминирует из активного центра фермента в виде пероксида водорода.

Таким образом, медьсодержащие ферменты играют важную роль в ускорении процессов обмена, усилении тканевого дыхания, ускорении процессов окисления глюкозы и многом другом, являются важной частью живого организма.