Тиоловые группы белков. Роль белков в обмене тяжелых металлов
Практически любая биологическая система реагирует на следовые количества катионов тяжелых металлов, поступающих из внешней в ее внутреннюю среду. В качестве лигандов в организме млекопитающих могут выступать аминокислоты, пептиды, нуклеотиды, порфирины, гормоны и белки. Однако в тканях и биологических жидкостях организма металлы прежде всего связываются с пептидами и аминокислотными остатками белков. Для выяснения механизмов связывания металлов с пептидами используют пептидоподобный комплекс — биурет (Biu). Он ведет себя как монодентатный лиганд в комплексах с Со, Сu, Hg, образуя по одной связи металл — амидный кислород. Атомы металла, например Cd, при этом соединены в бесконечные цепи металл-С12-металл мостиками из двух атомов хлора, которые дополняют октаэдрическую координацию Cd(BiuH2)2Cl2. Другим примером может быть образование формамидного комплекса, который имеет такую же конфигурацию — Cd(HCONH2)2Cl2.
Характеристика основных групп атомов в аминокислотах и пептидах, потенциально способных к связыванию металла, оказывает существенную помощь в изучении взаимосвязи металлов с белками. Однако последняя может существенно отличаться за счет ограничений, накладываемых третичной структурой белка, где активность функциональных групп подчиняется геометрическим требованиям, налагаемым цепью белка и контактом с другими группами, координированными с тем же атомом металла.
Белок как полифункциональный лиганд действует полидентатно, он замещает ряд молекул воды или другого монодентатного лиганда из окружения иона металла, придавая образующемуся хелатному комплексу дополнительную термодинамическую устойчивость. Физико-химические закономерности существенно отличаются от таковых в водных растворах электролитов, в которых обычно изучается взаимодействие металлов с пептидами. Тем не менее Г.К.Фримэн считает эти опасения преувеличенными и модельные исследования in vitro весьма, информативными.
Среди функциональных групп белковых молекул высокой реакционной способностью и разнообразием химических реакций выделяются серосодержащие, особенно сульфгидрильные группы, необходимые для проявления биологической активности и поддержания макромолекулярной структуры многих белков.
SH-группы не образуют в белках каких-либо внутримолекулярных ковалентных связей, помимо дисульфидных и связей, опосредованных через ион металла. Нарушение комплекса в результате модификации SH-группы (вытеснения из связи с ионом металла) может приводить к изменению структуры белка, а также оказывать непосредственное деформирующее влияние присоединившейся молекулы ингибитора (ее гидрофильного либо гидрофобного радикала или заряженной группы) на соседние участки белковой глобулы и ее влияние на взаимодействие между субъединицами. Меркуринитрофенолы и меркурибензоат вызывают диссоциацию гемоглобина на альфа и бета цепи. Хлорная ртуть не только не вызывает, но и обращает диссоциацию.
Активность большинства ферментов подавляется множеством соединений. Процесс часто отличается высокой специфичностью. В этом случае структура ингибитора позволяет изучать строение активных центров и комплементарность биомолекул. Ингибирование ферментов лежит в основе действия большинства токсикантов и лекарственных средств, в том числе и тиоловых ядов. Они могут выступать как конкурентные ингибиторы, структурно аналогичные субстрату, при этом обратимо связываются с субстратсвязывающим центром. В ряде случаев может иметь место неконкурентное ингибирование — ингибитор связывается не только со свободным ферментом, но и ферментсубстратным комплексом. Ингибитор соединяется одновременно с субстратом, отличается от него по своей структуре и связывается с аллостерическим центром.
Подавление активности фермента может быть связано с искажением его трехмерной структуры (конформации). При действии тиоловых ядов это может быть обусловлено как нарушением трехмерной структуры молекулы белка, так и происходить вследствие нарушений внутримолекулярных связей либо из-за деформирующего влияния ингибитора на молекулу белка.
Связанный ингибитор может также экранировать активный центр. Блокирование SH-фупп затрудняет возвращение белка в исходную, более энергетически выгодную и более стабильную конформационную форму.
Иногда связывание с аллостерическим центром ведет к активации фермента (например, активация кадмием уреазы). Уреаза (ключевой фермент) катализирует гидролитическое расщепление мочевины на аммиак и углекислый газ. Каждая молекула уреазы связана с двумя атомами никеля.
При недостатке в пищевом рационе никеля у цыплят развиваются дерматиты, в клетках происходит набухание митохондрий, расширение перинуклеарного пространства, нарушение функции мембран.
Токсичность никеля относительно низкая, а его содержание в тканях составляет 1—5 мкг/л. В сыворотке никель связан в низкомолекулярные комплексы с альбумином. Есть и специфический никельсодержащий белок — никелоплазмин. Не исключено, что никель в уреазе играет ту же роль, что и цинк в карбоксипептидазе. Тогда при интоксикации кадмием имеет место его синергизм с никелем. Не исключено, что последний образует координационное соединение с аммиаком, тогда ионы никеля и других переходных металлов могут участвовать и в работе других ферментов, катализирующих гидролиз глутамина с образованием аммиака, а последний, как известно, может играть существенную роль в инициации их нейротоксического действия.
