Сульфгидрильные группы аминокислот. Связывание тяжелых металлов с гемоглобином
Для понимания механизмов действия тиоловых ядов необходимо вначале рассмотреть химические свойства сульфгидрильной (-SH) группы цистеина, дисульфидной (-S-S-) группы цистина и тиоэфирной (-S-CH3) группы метионина, а также данные о роли серосодержащих групп в ферментах и других биологически активных белках.
Участие этих групп в ферментативном катализе и связывании субстратов и кофакторов (ионов металлов и коферментов) нередко определяет спектр изменений в организме при поступлении тиоловых реагентов, в том числе арсенита и тяжелых металлов.
При реакции SH-групп с ионами металлов образуются меркаптиды (Me):
R-SH + Ме+ -» R-SMe + H+
В отличие от реакций алкилирования реакции меркаптидирования носят обратимый характер, но равновесие смещено в сторону образования слабодиссоциирующих меркаптидов. Ионы металлов легко реагируют как с RS-ионами, так и с недиссоциированными SH-группами. Одновалентные катионы серебра, меди, золота и двухвалентные катионы ртути, свинца, кадмия и цинка, а также соединения трехвалентного мышьяка и сурьмы обладают особенно высоким сродством к SH-группам. Старое название тиолов "меркаптаны" происходит от латинского "mercurio aptum" — соединенный с ртутью. Сродство ионов двухвалентных металлов к SH-группам уменьшается в такой последовательности: Hg2+>Pb2+>Cd2+>Zn2+. Однако если ионы ртути блокируют сульфгидрильные группы белков, цистеина, унитио-ла, гемоглобина и небелковых гемолизатов эритроцитов, то не отмечалось, например, блокирования тиоловых групп унитиола ионами кадмия, олова и свинца. В то же время ионы кадмия и свинца блокировали SH-группы цистеина на 27 и 50 % соответственно.
Существенные различия выявлены в степени связывания ионов тяжелых металлов с SH-группами гемоглобина. Подобные результаты получены также на гемолизатах эритроцитов. Так, ионы ртути блокировали их на 100%, ионы свинца — на 18%, ионы кадмия — на 11%, а ионы олова вообще не вступали в реакцию с сульфгидрильными группами данного белка. В связи с тем что SH-группы в белках обязаны своему наличию остаткам цистеина, это обстоятельство служит подтверждением того факта, что реакционная способность SH-групп во многом зависит от структуры соединения, в которое они входят, о чем свидетельствуют многочисленные экспериментальные исследования.
Так, на основании сравнения данных амперометрического титрования и реакции с нитратом серебра было показано, что между серебром и кадмием в организме существуют конкурентные взаимоотношения, что связано с различной прочностью соединений типа металл— сера при взаимодействии тяжелых металлов с тиоловыми соединениями. С аминотиолами и дитиолами ионы этих металлов образуют также более прочные комплексы, чем с монотиолами. Логарифмы констант стабильности комплексов Zn2+ с тиолами и ЭДТА составляют для меркаптоэтанола 5,9, меркаптоэтиламина и цистеина — 9,9, дитиотреитола — 10,3, димеркаптопропанола — 13,5, для ЭДТА — 16,4. Данный показатель учитывают при разработке системы лечебно-профилактических мероприятий, в том числе реагентов, прочно соединяющихся с тяжелыми металлами. Уже в 1953 г. Е.С.Баррон упоминает 17 реагентов на SH-группы и 42 тиоловых фермента. Представители всех классов ферментов, почти все известные дегидрогеназы, ферменты обмена аминокислот, углеводов и жиров, биосинтеза белков ингибируются реагентами на SH-группы.
Показана роль этих групп в мышечном сокращении, окислительном фосфорилировании, нервной деятельности, делении клеток, действии отравляющих веществ и радиации.
Влияние тиоловых реагентов на упомянутые физиологические функции обусловлено блокированием SH-групп ферментов и других белков, а также низкомолекулярных, функционально важных тиолов, выполняющих роль кофакторов или простатических групп в различных ферментных системах.
В ферментативных реакциях участвуют и другие функциональные группы белков: имидазольная группа гистидина, гидроксильная — серина, е-аминогруппы лизина, со -карбоксильные группы аспарагиновой и глутаминовой кислот, фенольная группа тирозина и др. Однако SH-группы отличаются исключительно высокой реакционной способностью и многообразием химических реакций. Они вступают в реакции алкилирования, ацилирования, окисления, тиолдисульфидного обмена, реакции с сульфенилгалоидами, образования меркаптидов, полумеркапталий, меркаптолов, комплексов с переносом заряда и др.
Большинство реагентов на различные функциональные группы белка наиболее быстро реагируют со свободными SH-группами. Во многих из этих реакций SH-группы принимают участие в форме меркаптидного иона. Он реагирует с а- и р-ненасыщенными соединениями (например, акрилонитрилом) в 280 раз быстрее, чем непротонированная аминогруппа. Скорость реакции с 2,4-динитрофторбензолом у SH-группы цистеина в 90 раз выше, чем у фенольного гидроксила; в 160 раз выше, чем у аминогрупп, и в 1600 раз выше, чем у имидазола. Меркаптидные группы, таким образом, — более сильные нуклеофилы, чем другие группы белка. Сильная нуклеофильность меркаптидных ионов обусловлена главным образом высокой поляризуемостью относительно большого атома серы. Атом серы метионина образует координационную связь с ионом ртути. Тиоэфирная группа метионина алкилируется бромбензилом в 50 раз быстрее, чем неионизированная SH-группа, и в 33 раза быстрее, чем нейтральная имидазольная группа гистидина или индольное кольцо триптофана. Лишь меркаптидный ион превосходит ее по нуклеофильной реакционноспособности.
Тиоэфирные и дисульфидные группы вступают не в столь разнообразные реакции, как SH-группа. Устойчивость -S-S-связей при физиологических значениях рН хорошо соответствует их основной функции — участию стабилизации макромолекулярной структуры белков. Дисульфидные группы в активных центрах окислительных ферментов подвергаются обратимому превращению в SH-группы при взаимодействии с субстратами и участвуют в кататической реакции.
