Биологическая роль железа, кобальта, никеля

Железо. По содержанию в организме человека железо относится к жизненно необходимым микроэлементам. Большая часть железа (”70%) сосредоточена в гемоглобине крови. Железо входит в состав ферментов, например, цитохромов, каталазы и др. В связанной форме железо находится в белках, которые выполняют роль переносчиков железа.

Комплексы железа:

а) Гемоглобин

Наиболее важным внутрикомплексным соединением железа является гемоглобин, который представляет собой белок, содержащий небелковую группу – гем. Гем – это бионеорганический комплекс железа (II) с органическим веществом – порфирином.

Физиологическая функция гемоглобина заключается в способности обратимо связывать кислород и переносить его от легких к тканям. Если гемоглобин условно обозначить HbFe²⁺, то реакцию обратимого присоединения кислорода можно выразить схемой:

^{дезоксигемоглобин оксигемоглобин}

Гемоглобин, присоединивший кислород, называется оксигемоглобином, а без кислорода – дезоксигемоглобином. Гемоглобин взаимодействует также с оксидом углерода(II) (угарным газом). При этом образуется макроциклический комплекс с железом – карбоксигемоглобин:

^{карбоксигемоглобин}

Константа устойчивости этого комплекса приблизительно в 200 раз больше, чем оксигемоглобина. Поэтому при вдыхании оксида углерода(II) большая часть гемоглобина переходит в карбоксигемоглобин, что нарушает перенос кислорода от легких к тканям и вызывает отравление организма. При значительном увеличении парциального давления кислорода равновесие реакции может сместиться в сторону разрушения [Hb ∙ Fe²⁺ ∙ CO] и частичного образования оксигемоглобина.

Серьезной причиной отравления оксидом углерода(II) является курение. Содержание карбоксигемоглобина в крови курильщика, выкуривающего пачку сигарет в день, составляет в среднем 4,7%, а у некурящих всего – 0,3-0,5%.

б) Миоглобин (Mb)

Комплексообразователем в миоглобине является ион Fe²⁺, который, предоставляя 6 свободных атомных орбиталей, образует 6 связей по донорно-акцепторному механизму. Из них 4 связи железо образует с порфириновым лигандом, пятая занята белком глобином, а шестая связь – молекулой воды, которая связана лабильно с комплексообразователем. Миоглобин связывает часть кислорода, поступающего в ткань, за счет замещения молекулы воды на молекулу кислорода, образуя оксигемоглобин [Mb ∙ Fe²⁺ ∙ O₂]:

Миоглобин достаточно прочно удерживает кислород. Это позволяет тка­ням запасать кислород для его использования только при острой кислородной недостаточности.

в) Цитохромы – группа окислительно-восстановительных ферментов, представ­ляющих собой гемсодержащий комплекс с белком. Функция комплекса заключается в переносе электрона за счет обратимого изменения степени окисления комплексообразователя:

г) Каталазы и пероксидазы– группа железосодержащих ферментов, активные центры которых содержат Fe³⁺. Каталаза ускоряет разложение H₂O₂:

Пероксидаза ускоряет реакции окисления субстратов RH₂ пероксидом водорода:

RH₂ + H₂O₂ R∙ + 2H₂O

Таким образом, эти ферменты защищают клетку от Н₂О₂ - продукта свободного окисления.

д) Ферритин

В органах и тканях имеется депонированное (запасенное) железо, которое используется, если возникает дефицит железа. Депонируется оно с помощью белка – ферритина, который представляет собой биокластер с высокой молекулярной массой.

Кобальтотносится кжизненно необходимым (эссенциальным) элементам. В организме содержится 1,2 мг кобальта в основном в составе витамина В₁₂, центральным атомом которого является Со³⁺. Витамин В₁₂ необходим для нор­мального кроветворения и созревания эритроцитов, синтеза аминокис­лот, белков, РНК, ДНК.

Никель.В организме человека никель содержится в количестве 5-13,5 мг, около 49% микроэлемента в мышечной ткани, кроме того в лёгких, коже, печени. В организме человека он входит в состав ряда ферментов. Установлено, что никель пролонгирует действие инсулина, что увеличивает его гипогликемическую активность. Никель оказывает влияние на ферментативные процессы, окисление аскорбиновой кислоты, ускоряет процесс перехода сульфгидрильных групп в дисульфидные. Он угнетает действие адреналина и снижает артериальное давление.

2. Лечебное действие соединений железа и витамина В₁₂

Соединения железа(II) используются при различных заболеваниях, сопровождающихся анемией. Механизм терапевтического действия соединений железа(II) связан с образованием гемоглобиновой буферной системы. Гемоглобиновая буферная система является буферной системой эритроцитов, которая включает в качестве донора протона две слабые кислоты: гемоглобин HHb (рК_a=8,20) и оксигемоглобин HHbO₂ (рК_a=6,95). Роль акцепторов протона играют сопряженные этим кислотам основания, т.е. их анионы Hb^– и HbO₂^–. Механизм буферного действия гемоглобиновой буферной системы основан на следующих реакциях. При добавлении кислоты:

Поглощать ионы Н⁺ в первую очередь будут анионы гемоглобина, который имеет большое сродство к протону. При действии основания наибольшую активность будет проявлять оксигемоглобин по сравнению с гемоглоби­ном:

Таким образом, гемоглобиновая система крови играет очень значительную роль сразу в двух важнейших физиологических процессах – дыхании и поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в конечном итоге – крови. Гемоглобиновая буферная система в организме эффективно функционирует только в сочетании с гидрокарбонатной системой.

Лечебное действие витамина В₁₂ заключается в том, что некоторые его формы образуют в качестве кофермента соединения с витамином В₆ или с некоторыми ферментами. В этих случаях он выполняет две основные функции: 1) роль метилирующего агента; 2) взаимный перенос атомов водорода и различных групп между соседними атомами углерода биосубстрата, при этом кобальт восстанавливается:

3. Применение соединений железа и кобальта в медицине и фармации

Ферковен Fercovenum (содержит железа сахарат, кобальта глюконат и раствор углеводов) – применяется при анемии.

Железа лактат (Ferri lactas) – применяется при гипохромных анемиях.

Железа закисного сульфат (Ferrosi sulfas) – применяется при анемии.

Ферроплекс (FeSO₄ с аскорбиновой кислотой) (Ferroplex) – применяется при анемии.

Железа глицерофосфат (Ferri glycerophosphas) – применяется при анемии, астении.

Железа (III) хлорид (Ferri chloridum) – дезинфицирующее и кровоостанавливающее средство.

Железо восстановленное (Ferrum reductum) – при анемии.

Феррум Лек (Ferrum Lek) – применяется внутримышечно и внутривенно при лечении гипохромной анемии.

Радиоактивные изотопы железа (⁵⁹Fe) – применяют при исследованиях обмена железа в организме.

Коамид Coamidum – содержит кобальт – применяется для лечения анемии.

Витамин В₁₂ или цианокобаламин Cyanocobalaminum – применяется при лечении анемии, нервных заболеваний.

Изотоп радиоактивного кобальта ⁶⁰Со – применяют для диагностики и лечения злокачественных опухолей.