Лев Николаев - Металлы в живых организмах

Железо | Порфин (его производные) | Переносят кислород. Энергично разлагают пероксид водорода, ускоряют окисление различных веществ | Не способен переносить кислород. Окислительные свойства выражены относительно слабо

Цинк | Белки То же | Ускоряют разложение гидрокарбонатов. Способствуют усвоению белков | Не влияет на разложение гидрокарбонатов и усвоение белков

Молибден | Белки | Способствуют усвоению бактериями атмосферного азота | Не влияет на усвоение атмосферного азота

Магний | Производное порфина | Хлорофилл обусловливает превращение диоксида углерода и воды в углеводы (фотосинтез) | Не ускоряет фотосинтез

Ионы металлов, не связанные с лигандами, встречаются редко. В сущности, химик может наблюдать свойства такого "простого" иона металла разве что при очень высоких температурах в газообразной среде, нагревая ту или иную соль до температур порядка тысяч градусов. В растворах солей ионы металлов связаны с молекулами воды (гидратированы) и, следовательно, находятся там в виде комплексов. Но заменим молекулы воды на молекулы аммиака, например в растворе соли меди CuCl 2. Как мы уже знаем, при этом получится темно-синий комплекс, имеющий свойства, которых нет у гидратированного иона.

Гидратированные ионы слабо окрашены, они легко взаимодействуют с ионами карбоната, образуя осадок карбоната меди, практически не реагируют с целлюлозой. А вот комплексные ионы Cu(NH 3) 4 2+с ионами карбонатов СО 3 2-осадка не образуют, а целлюлозу (например, вату) в щелочной среде растворяют (на этом основан один из способов получения искусственного шелка). Ионы цинка в виде гидратного комплекса не влияют на разложение кислых солей угольной кислоты, а комплексное соединение цинка, содержащееся в крови, ускоряет распад гидрокарбонатов и выделение из крови в легкие диоксида углерода. Не будь этого комплекса в организме, мы не могли бы дышать, так как освобождение крови от углекислоты происходило бы слишком медленно. Наконец, если бы исчезло комплексное соединение магния — хлорофилл, то растения не могли бы развиваться и жизнь на Земле, лишившись притока поддерживающей ее солнечной энергии, прекратилась бы! Отсюда следует, что, изменяя состав комплексов, природа может в очень широких пределах варьировать свойства соединений данного металла и для решения множества биохимических задач обходиться относительно небольшим числом металлов.

Суммируем вкратце, что мы узнали о том, каким образом действуют ионы металлов в клетках организма.

Металлы находятся в клетках в виде комплексных соединений с различными органическими, веществами: белками, различными производными порфина и др. Комплексные ионы присоединяют к себе частицы-лиганды так, что получается правильная геометрическая форма: треугольник, тетраэдр, октаэдр и т. п. Одно или два места около иона могут остаться свободными, и туда попадают другие молекулы, например молекула кислорода в частицу гемоглобина. Все лиганды занимают определенные положения и относительно иона, и относительно друг друга; они, как говорят, правильно ориентированы в пространстве.

Ион металла имеет положительный заряд и притягивает к себе отрицательные заряды — электроны, находящиеся в молекулах (или ионах) лигандов. Таким образом, молекулы лигандов поляризуются. Но свойства комплексного иона так своеобразны и так сильно зависят от природы лигандов, что приходится предположить, что между лигандами и центральным ионом металла образуются химические связи. Это значит, что ион и лиганды имеют общие электроны.

Вопрос об электронном строении координационных соединений вызывал споры среди ученых на протяжении не одного десятка лет. Казалось очень странным, что к соединению, в котором явно насыщены все валентности, можно присоединить нейтральные молекулы. Придумывали очень сложные структурные формулы, приписывали атомам несвойственные им валентности, но все это не привело к успеху. Только развитие теории строения атома и химической связи, а также достижения квантовой химии помогли понять, почему образуются координационные соединения и какова их роль в процессах обмена веществ в организмах.

Почему вообще возникает химическая связь? Рассмотрим простой пример: соединяются атомы лития и фтора. В атоме лития, как известно, содержится три электрона. Два из них связаны очень прочно, а третий находится во втором слое и связан слабее. В атоме фтора во втором слое уже семь электронов (а всего их в атоме фтора девять). При взаимодействии атома лития с атомом фтора слабо связанный электрон лития переходит к атому фтора и занимает место во втором слое. Этот процесс сопровождается уменьшением запаса потенциальной энергии атомов и происходит легко. Избыток энергии выделяется в виде теплоты и частично в виде света. После перехода электрона атом фтора приобретает отрицательный заряд, так как у него теперь один "лишний" электрон, а атом лития заряжается положительно (у него не хватает одного электрона). Оба заряженных атома (их надо называть уже не атомами, а ионами) притягиваются друг к другу и образуют молекулу фторида лития: