Комплексоутворення в бiологiчних системах

прості сполуки
складні сполуки
комплекснi сполуки
типи хiмiчних сполук
За своїм складом хімічні сполуки поділяються на прості та складні. Наприк-лад, H2, O2, Cl2, N2 – прості сполуки; H2O, H2S04, HCl, KOH, NH3, NO2 – складні сполуки. В кінці ХІХ століття були одержані ще більш складні за своєю структурою і складом молекулярні сполуки, які назвали комплекс-ними, наприклад: K3[Fe(CN)6], [Zn(NH3)4](OH)2, Br2[Pt(NH3)4Cl2].
Молекули складаються з атомів одного елементу.
У хімічних реакціях не можуть розкладатися з утворенням інших речовин.
Молекули складаються з атомів різних хімічних елементів.
У хімічних реакціях розкладаються з утворенням декількох інших речовин.
Сполуки, кристалічні решітки яких складаються з комплексних груп, утворених внаслідок взаємодії йонів або молекул, здатних існувати самостійно.
Pt
Cl
Cl
N
N
N
N
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
O
O
H
H
O
O
K
H
O
O
N
N
H
H
H
H

Альфред Вернер
Головною ознакою комплексних сполук є координація, тому їх називають координаційними. У 1893 році швейцарський хімік Альфред Вернер створив теорію, яка дозволила пояснити особливості будови комплексних (коорди-наційних) сполук. Згідно з цією теорією в кожній комплексній сполуці є комплексоутворювач − центральний атом (йон), навколо якого розташова-ні (координовані) в певному порядку інші йони, атоми або молекули, які називають лігандами (адендами). Комплексоутворювач зв’язаний з ліган-дами полярним ковалентним зв’язком за донорно–акцепторним механіз-мом. Комплексоутворювач разом з лігандами складають внутрішню коор-динаційну сферу комплексу.
координаційнi сполуки
комплексоутворювач −
центральний атом (йон)
ліганд (аденд)
внутрішня
координаційна
сфера

координаційне
число 4+2=6
зовнішня
сфера
комплексо-
утворювач
ліганд
Внутрішня координаційна сфера в формулах комплексних сполук запису-ється в квадратних дужках: [Pt(NH3)2Cl2], [Pt(NH3)4Cl2]2+, [Fe(CN)6]4-. Вну-трішня сфера комплексу може бути нейтральною або нести позитивний чи негативний заряд. У більшості випадків навколо внутрішньої координацій-ної сфери утворюється ще і зовнішня – із йонів, що не зв`язані безпосеред-ньо з комплексоутворювачем. Між внутрішньою та зовнішньою сферами комплексу існує, як правило, йонний зв’язок. Число лігандів, що координу-ються навколо комплексоутворювача, визначає його координаційне число, яке відповідає числу хімічних зв’язків між лігандами та комплексоутворю-вачем. Наприклад: [Pt(NH3)4Cl2]Br2: Pt – центральний йон, комплек-соутворювач; координаційне число Pt – 6; NH3 та Cl – ліганди; [Pt(NH3)4Cl2] – внутрішня координаційна сфера; Br2 – зовнішня сфера.
внутрішня
координаційна сфера
[Pt(NH3)4Cl2]Br2
Pt
Cl
Cl
N
N
N
N
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
координаційнi сполуки
+2
-
-

Найважливішим висновком координаційної теорії А. Вернера є положення про просторовий характер координації лігандів комплексоутворювачем. Ко-ординаційне число комплексоутворювача – найважливіша характеристика координаційних сполук. Воно визначається природою комплексоутворюва-ча та лігандів, зовнішньою сферою сполуки, природою розчинника та зов-нішніми умовами, в яких утворюються сполуки. Найбільш поширені коор-динаційні сполуки з координаційними числами 2, 4 та 6.
координаційнi сполуки

Комплексоутворювачами можуть бути атоми практично всіх елементів пе-ріодичної системи Д.І. Менделєєва. Найбільш активними комплексоутворю-вачами є представники родини платинових металів (Pt, Pd), елементи ро-дини Феруму (Fe, Co, Ni), підгруп Купруму (Cu, Ag, Au), Цинку (Zn, Cd, Hg), тобто елементи з незавершеним або 18-ти електронним зовнішнім енерге-тичним рівнем. Найменшу здатність до комплексоутворювання виявляють лужні та лужноземельні метали. Центральними атомами в комплексних сполуках можуть бути також і неметали, наприклад Бор (K[BF4]), Силіцій (К2[SiF6]), Фосфор (K[PF6]) тощо.
B
F
F
F
F
координаційнi сполуки

комплексоутворювач
ліганд
гібридизація комплексних сполук
комплексо-
утворювач
ліганд
При утворенні комплексної сполуки під впливом електростатичного поля лігандів відбувається гібридизація електронних орбіталей комплексоутво-рювача - процес змішення його електронних орбіталей, що призводить до виникнення гібридних орбіталей, еквівалентних за своїми характеристика-ми (формі і енергії).

гібридизація комплексних сполук
Таким чином тип гібридизації визна-чається електронними конфігурація-ми як комплексоутворювача так i лi-гандiв, координаційним числом і все це, в кiнцевому рахунку, обумовлює геометрію комплексного з'єднання. У таблиці наведені деякі типи гібриди-зації і геометричні форми комплекс-них з'єднань, що їм відповідають.

Для сполук з координаційним числом 2 можливі дві геометричні конфігурації: лінійна і кутова.
У сполуках з координаційним числом 4 може бути реалізована: тетраедрична (здебільшого), квадратно – площинна, та тетрагонально – пірамідальна будова.
Сполукам з координаційним числом 6 відповідає біпірамідальна або октаедрична просторова будова.
залежність геометричної будови комплексів від координаційного числа центрального атома

приклади залежності будови комплексів від координаційного числа та типу гібридизації

Заряд внутрішньої координаційної сфери визначається двома шляхами. Він дорівнює: а) алгебраїчній сумі зарядів частинок, що його утворюють; б) за-ряду зовнішньої сфери з протилежним знаком.
Наприклад: K4[Fe(CN)6]: Fe2+ – центральний йон, комплексоутворювач; координаційне число Fe2+ – 6; CN– – ліганди; [Fe(CN)6]4– – внутрішня ко-ординаційна сфера, її заряд: 4-; К+ – зовнішня сфера.
K4[Fe(CN)6]
K
K
K
K
+2 + 6(-1) = -4
4-
+
+
+
+
Fe
C
N
заряд внутрішньої
координаційної сфери
4-

д1
Важливою характеристикою лігандів є їх координаційна ємність, або дентатність.
Дентатність визначається числом місць, які ліганди займають у внутрішній коор-динаційній сфері комплексу. Ліганди мо-жуть займати одне, два, три і більше місць, тобто сполучатися з центральним атомом за допомогою одного або декіль-кох атомів. Розрізняють моно– (OH–, Cl–, NCS–, CO–, CN–, K+, NH3, H2O), бі– (CO32–, SO42–, H2N–CH2–CH2–NH2), три-та полідентатні ліганди. На малюнках представленi найбiльш типовi представ-ники лігандів дентатностi 1, 2 та 6.
C10H14N2Na2O8
координаційна
ємність
(дентатність) лігандів
H2O
NH3
H2N–CH2–CH2–NH2
SO42–
CO32–
О
C
О
О
ЕДТА
етилендіамін
CО–
CN–
NCS–
OH–
д2
д6
K+

(C55H72N4O5Mg)
(Co[C62H88N13O14P])CN
(C34H32N4O4Fe)
Біоорганічні молекули (білки, гормони, пептиди, нуклеїнові кислоти тощо) є полідентатними лігандами, які разом з комплексоутворювачем створюють макроцикли. Найбільш поширені у живій природі тетрадентатні макроцик-ли – порфірини та близькі їм за структурою корриноїди. Вони утворюють стійкі координаційні сполуки з катіонами рiзноманiтних металів, наприклад з Mg2+ (хлорофіл), з Fe2+ (гемоглобін), з Co3+ (вітамін B12).
хлорофіл
гемоглобін
вітамін B12
біоорганічні макроцикли

Похідні порфіринів, що містять йон Fe2+, називають гемами. У гемі йон Fe2+ має координаційне число 6, знаходиться в центрі плаского порфіринового квадрату і зв'язаний з чотирма атомами Нітрогену пірольних кілець. П’ятий ліганд – гістидиновий залишок поліпептидного ланцюга глобіну. Шосте ко-ординаційне місце займає молекула O2, а в її відсутності – молекула H2O. В легенях гемоглобін взаємодіє з киснем, заміщуючи молекулу H2O на O2, що призводить до утворення оксигемоглобіну. Крім O2 молекулу H2O в гемо-глобіні можуть заміщувати інші ліганди. Наприклад, дію СО, як дихальної отрути, пояснюють тим, що він набагато міцніше зв'язується з Fe2+, ніж O2, блокуючи дію гемоглобіну.
H-O-H
O-O
C-O
оксигемоглобін
карбоксигемоглобін
метоксигемоглобін
Fe
Fe
Fe
похідні гемоглобіну

Підвищену стійкість комплексних сполук з по-лідентатними лігандами вважають виявом хе-латного ефекту, який зумовив велике поши-рення полідентатних лігандів, або комплексо-нів в аналітичній хімії, токсикології, гігієні, то-що. Хелатний ефект - це утворення комп-лексів між іоном металу і молекулою, в якій є декілька центрів зв'язування з цим іоном. Во-лодіючи високою спорідненістю, речовини, що утворюють хелати «притягають» до се-бе іони металів. Хелати нетоксичні, в основ-ному виводяться нирками, утримуючи іони металів в концентрованiй і кислій сечі. У ме-дичній практиці як антидоти широко викорис-товують солі етилендиамінотетраоцтової кис-лоти (ЕДТА), серед яких найбільш пошире-ною i доступною є динатрієва сіль, відома як трилон Б.
основи хелатотерапії
іон металу

Термін хелат (англ. Chelate від грецького cilh - клешня) прийнятий для по-значення повторюваних структур, які утворюються в результаті приєднан-ня катіона до двох або більше атомiв, що належить одній молекулі комп-лексона. Відповідно до терміну хелат комплексон можна представити у ви-гляді раку або краба, який своїми полідентатними клешнями міцно захоп-лює іон, і чим більше клешнів, тим міцніше захоплення.
основи хелатотерапії

Етилендіамінтетраоцтова кислота (ЕДТА) - хелатоутворюючий агент (ком-плексон), що складається з чотирьох карбоксильних (кислотних) груп, з'єднаних між собою двома атомами Нiтрогену. У певних умовах вона утво-рює складні сполуки за допомогою негативно заряджених чотирьох атомів Оксигену. Така структура дозволяє ЕДТА захоплювати вільні іони металів і мінерали, наприклад iони Са2+, утворюючи комплекс NaСа-ЕДТА.
основи хелатотерапії
Ca
Ca

Pb
Ca
Комплекс NaCa-ЕДТА отримав назву тетацин i в свою чергу використову-ється як унiверсальний антидот при отруєннi важкими металами, зокрема Pb2+. Схематично дію тетацину при отруєнні Pb2+ можна представити нас-тупним чином: iони Pb2+ витісняють iони Са2+, в результатi чого утворю-ється комплекс СаРb-ЕДТА, який добре розчинний у воді і легко видаля-ється з організму через нирки.
основи хелатотерапії
Ca
Pb

Ca
атеросклеротична
бляшка
ЕДТА
артерiя
Здатнiсть ЕДТА захоплювати iони Са2+ останнiм часом запропоновано ви-користовувати як альтернативний метод лiкування серцево-судинних за-хворювань, особливо атеросклероза. Як вiдомо, в процесi розвитку атеро-склеротичної бляшки в нiй вiдбувається вiдкладення солей кальцiю, що призводить до збiльшення та ущiльнення бляшки. Саме цьому захоплення iонiв Са2+ iз бляшки може привести до її зменшення, або навiть руйнуван-ня. Певним застереженням тут є те, що ЕДТА може видалити Кальцій не тільки з хворих артерій, але й зі здорових кісток, м'язів і інших тканин.
основи хелатотерапії

ізомерія
комплексних сполук
стерео-
ізомерія
структурна
ізомерія
Кожна координаційна сполука має сталий кількісний склад і характеризу-ється певним розміщенням лігандів навколо центрального атома. Зміна розміщення лігандів призводить до зміни властивостей сполуки, тобто ком-плексним сполукам властива ізомерія. Відомі такі види ізомерії:
ізомерія комплексних сполук
йонi-зацiна
ізомерія
геомет-рична
ізомерія
коорди-нацiна
ізомерія
оптична
ізомерія
ізомерія зв`язку
соль-ватна
ізомерія

Геометрична ізомерія в комплексних сполуках спостерігається у різнолі-гандних комплексах, коли ліганди розміщуються по-різному відносно комп-лексоутворювача. Наприклад, у сполуці [Pt(NH3)2Cl2], яка має площинно – квадратну будову, два однакових ліганди можуть розміщуватися поряд (цис-ізомер) або по діагоналі (транс-ізомер):
транс-ізомер
цис-ізомер
геометрична ізомерія
N
Cl
H
H
H
H
H
H
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _
_ _ _ _ _
Pt
Cl
_ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _
_ _ _ _ _
N
[Pt(NH3)2Cl2]
[Pt(NH3)2Cl2]

mer-ізомер
fac-ізомер
Схожа ізомерія характерна і для комплексів складу [Pt(NH3)3Cl3], але тут вживається інше маркування: конфігурація з трьома однаковими ліганда-ми, які знаходяться по одному меридіану, отримала назву mer-ізомер, а ін-ша, з лігандами, розташованими на лицьовій стороні, - fac-ізомер (від анг-лiйського meridional - меридіональний, facial - лицьовий).
геометрична ізомерія
Pt
[Pt(NH3)3Cl3]
[Pt(NH3)3Cl3]

Оптичні ізомери відносяться один до одного як предмет і його дзеркальне відображення. Два оптичні ізомери обертають площину поляризації світла на однаковий кут, але один – вправо, а другий – вліво. За фізичними і хі-мічними властивостями оптичні ізомери практично не відрізняються один від одного. Наприклад, сполука [Co(NH3)6] може бути у вигляді двох оп-тичних ізомерів:
оптична ізомерія

Zn
Cu
Cu
Zn
Якщо координаційна сполука складається з двох або більше комплексів, то різні комплексоутворювачі можуть обмінюватися своїми лігандами без змі-ни загального складу. Наприклад:
координаційна ізомерія
[Cu(Cl)4][Zn(NH3)4]
[Cu(NH3)4][Zn(Cl)4]
NH3
Cl
Cl
NH3
2-
2-
2+
2+

Причиною сольватної ізомерії є неоднаковий розподіл молекул розчинника між внутрішньою та зовнішньою сферами координаційної сполуки. Для кристалогідратів таку ізомерію називають гідратною. Так, кристалам гекса-гідрату хром хлориду, CrCl3∙6H2O відповідають 4 ізомери: [Cr(Н2О)6]Cl3, [Cr(H2O)5Cl]Cl2∙H2O, [Cr(H2O)4Cl2]Cl∙2H2O, [Cr(H2O)3Cl3]∙3H2O. На ма-люнку представленi першi два iзомери.
сольватна (гiдратна) ізомерія
2+
3+
Cr
H2O
-
-
-
-
-
H2O

Йонізаційна ізомерія зумовлена різним розподілом кислотних залишків між внутрішньою та зовнішньою сферами. Наприклад:
[Co(NH3)5Br]SO4 [Co(NH3)5SO4]Br
йонiзацiйна ізомерія
2-
+
2+
OSO3
-
SO4

Ізомерія зв’язку може виявлятися тоді, коли ліганди містять два донорні атоми, що здатні координуватися різними способами. Наприклад, у солях [Co(NH3)5ONO]X2 і [Co(NH3)5NO2]X2 група ONO- зв`язана з Со3+ через Оксиген, а група NO2- – через Нітроген.
O
N
O
O
N
O
NO2-
ONO-
ізомерія зв’язку
NH3

У живому організмі d-елементи в біохімічних процесах беруть участь у виг-ляді біокомплексів металів. Лігандами в цих біокомплексах можуть бути за-лишки амінокислот, пептиди, білки, гормони, нуклеїнові кислоти тощо. Біо-комплекси d-металів з білковими молекулами називаються біокластерами. В середині біокластера знаходиться порожнина, до якої входить атом мета-лу, що взаємодіє з донорними атомами гідроксидних – ОН–, сульфгідридних – SH–, карбоксильних – СОО–, аміногруп – NН3+ білків, амінокислот . В за-лежності від розмірів порожнини, а також від природи електронодонорних атомів, що її утворюють, та від їх розташування у просторі до порожнини можуть потрапити тільки “вибрані” атоми металів. Для цього необхідно, щоб діаметр йонів металів відповідав діаметру порожнини. Найбільш відомі металоферменти є біокластерами, в яких ферменти утворюють порожнини, що містять йони Zn, Mo, Fe, Cu
біокомплекси
тощо. В залежності від функ-цій, що виконують біокомп-лекси металів, їх поділяють на біокаталізатори, акумуля-тори (накопичувачі), актива-тори інертних процесів, тран-спортні біокомплекси.

металоферменти - біокаталізатори
инвертаза
сахароза
глюкоза фруктоза
iнвертаза
Типовим представником ферментiв-бiокаталi-заторiв є фруктофуранозидаза (інверта-за), що каталізує гідроліз сахарози на глюкозу і фруктозу, за схемою:
Сахароза + Н2О → глюкоза + фруктоза
iнвертаза

Карбоангідраза - каталізує зворотну
гідратацію карбон (IV) оксиду:
CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO
Карбоксипепсидаза - каталізує
розщеплення білків шляхом гідролізу кінцевих пептидних зв’язків.
Каталаза - каталізує реакцію розкладу гідроген пероксиду: H2O2 = H2O + O
металоферменти - біокаталізатори
Ще декiлька прикладiв металоферментiв-
бiокаталiзаторiв: