Курсовая работа (т): Взаимодействие цианокобаламина с сульфитом

Взаимодействие цианокобаламина с сульфитом

Аннотация

Ивлев П.А. Взаимодействие цианокобаламина с сульфитом. Курсовая работа. Иваново: ИГХТУ, 2012. - 48c.

В работе проведено исследование механизма и кинетики взаимодействия цианокобаламина с сульфитом. Изучено влияние концентрации реагентов, температуры и pH на скорость реакции. Показано, что активной формой кобаламина является шестикоординированный цианокобаламин, причем протонирование диметилбензимидазола кобаламина приводит к ингибированию реакции. Установлено, что каталитическое действие на реакцию цианокобаламина с сульфитом оказывают слабые кислоты.

На основании полученных данных предложены схема реакции цианокобаламина с S(IV) и оптимальные условия для превращения цианокобаламина в аквакобаламин.

СОДЕРЖАНИЕ

Аннотация

Введение

. Аналитический обзор литературы

.1 Общая характеристика цианокобаламина

.1.1 Строение кобаламина

.1.2 Характеристика производных кобаламина с разными типами лигандов

.1.3 Химические свойства кобаламина

.1.4 Кислотно-основные свойства кобаламина

.1.5 Биологические функции и роль кобаламина в организме человека

.2 Свойства соединений серы (IV)

.2.1 Сернистая кислота и ее соли

.2.2 Строение сульфит-иона

.2.3 Химические свойства сульфитов

.2.4 Применение сульфитов

. Экспериментальная часть

.1 Характеристика объектов и методов исследования

. Результаты и их обсуждения

.1 Кислотно-основные свойства цианокобаламина

.2 Реакция CNCbl с сульфитом

.2.1 Спектрофотометрические исследования

.2.2 Кинетические исследования

.3 Синтез аквакобаламина

Выводы

Список использованной литературы

Введение

В настоящее время одним из актуальных направлений биохимии и пищевой химии является изучение реакций витамина В₁₂, поскольку этот витамин принимает непосредственное участие в биологически важных процессах. Известно, что в организме человека кобаламин существует в двух формах: аденозил - (AdoCbl) и метилкобаламин (CH₃Cbl) [1]. Внутриклеточная конверсия лекарственной формы витамина B₁₂ - цианокобаламина (CNCbl) в его коэнзимные формы у млекопитающих изучена недостаточна. Данный процесс является необходимым условием для его превращения в активные формы (AdoCbl и CH₃Cbl). Предполагается, что первым этапом является удаление цианида из внутренней сферы кобаламина. Поэтому изучение процессов «децианирования» кобаламина является важной задачей.

Удаление цианида осуществляют следующими методами:

·        замещением цианида в Cbl(III) восстановленным глютатионом (GSH), с образованием глютатионкобаламина (GSCbl(III)), который рассматривается как предшественник коэнзимных форм кобаламина [2];

·        восстановлением CNCbl(III) c образованием Cbl(II) [3];

·        фотолизом CNCbl с образованием HOCbl [4];

·        с применением SO₂ [5].

Следует отметить, однако, что механизм реакции цианокобаламина с SO₂ не изучен.

В связи с вышеизложенным, в настоящей работе было проведено исследование взаимодействия цианокобаламина с S(IV).

1. Аналитический обзор литературы

.1 Общая характеристика цианокобаламина

химический кобаламин кислота сульфит

1.1.1 Строение кобаламина

Витамин В₁₂ - группа кобальтсодержащих <#"821043.files/image001.jpg">

Рис. 1.1.1. Структуры порфина и коррина

В общем случае, витамины группы В₁₂ включают в свою молекулу 3-фосфорный эфир 1-α-D-рибофуранозил-5,6-диметилбензимидазола или α-рибазола (B-группа), связанный с D_g-1-аминопропанолом-2, образующим пептидную связь с пропионовой кислотой положения 17 корриновой системы, все β-положения гидрированных пиррольных циклов которой замещины метильными, а также семью карбоксиметильными и карбоскиэтильными заместителями, представленными в виде амидов кислот (a, b, c, g, e, g - положения). Атом кобальта ковалентно и координационно связан в виде «хелатного» комплекса с атомами азота гидрированных пиррольных колец и бензимидазола (через B3 атом, см. рис. 1.1.1), последняя, шестая координационная связь кобальта остаётся свободной: именно по этой связи и присоединяется X-группа (цианогруппа <#"821043.files/image002.jpg">

Рис. 1.1.2. Структура кобаламина

1.1.2 Характеристика производных кобаламина с разными типами лигандов

В зависимости от типа лиганда в β-положении (заместителя X) различают несколько форм витамина В₁₂ (Рис. 1.1.3).

Цианокобаламин - α-(5,6-диметилбензимидазол)кобамид (X = CN) - лекарственная форма витамина В₁₂, не встречающаяся в природе. Представляет собой кристаллическое вещество рубиново-красного цвета, выше 200 °С постепенно разлагается, не плавясь до 320 °С; растворим в воде (1,25% при 25 °С), низших спиртах и алифатических кислотах, феноле, ДМСО, не растворим в других органических растворителях [11]. Группа CN и остаток 5,6-диметилбензимидазолилриботида занимает в молекуле аксиальное положение по отношению к корриновому циклу. Цианокобаламин разрушается под действием окислителей, восстановителей и света. Его водные растворы устойчивы при рН 4,0 - 7,0 [12]. Данная форма витамина В₁₂ образуется при выделении его из природных источников с применением - ионов [13].

Гидроксокобаламин (X = ОН) - фиолетово-красные кристаллы. Одна из основных форм витамина В₁₂, в виде которой он транспортируется белками крови (транскобаламином II и кобалофилинами) и депонируется в организме. Содержится в крови и некоторых органах человека и животных. Он был выделен наряду с цианкобаламином из культуральной среды Str. Griseus [14] и экстрактов печени [15]. Гидроксокобаламин получается при выделении витамина В₁₂ из природных источников в щелочной среде. Легко превращается в другие формы витамина В₁₂ [16].

Аквакобаламин (X = H₂O) подобен гидроксокобаламину (a), который в водном растворе в зависимости от pH (а именно pH < 7) может переходить в аквакобаламин (b):

Аквакобаламин менее устойчив, чем цианокобаламин, особенно в щелочном растворе [17]. 5'-Дезоксиаденозилкобаламин, кофермент В₁₂ (X = 5 - дезоксиаденозил) - красные кристаллы. Представляет собой коферментную форму витамина В₁₂. В виде этого кофермента витамин проявляет свое биокаталитическое действие и осуществляет метаболические функции [12].

Метилкобаламин (X = СН₃), является природной формой витамина B₁₂. Он обнаружен у микроорганизмов, а также в крови и печени животных и человека [18]. Выполняет функции кофермента 5-метилтетрагидроптероил-L-глутамат: L - гомоцистеин - S - метилтрансферазы, катализирующей ресинтез метионина из гомоцистеина путем переноса на него метильной группы от N⁵-метилтетрагидрофолиевой кислоты [19].

Сульфитокобаламин, (X = SO₃), α-(5,6-диметилбензимидазол) сульфитокобамид, получаемый при воздействии сернистой кислоты на цианокобаламин [6], а также при воздействии бисульфита на аквакобаламин [5]; серосодержащая группа в сульфитокобаламине не является по своим свойствам сульфатной, сульфитной или сульфидной [6]. На рис. 1.1.3 так же приведены другие формы витамина В₁₂ в зависимости от лиганда в α-положение (заместителя B).

.1.3 Химические свойства кобаламина

Известно, что при физиологических условиях кобаламины существуют в трех различных степенях окисления: Со(III), Co(II) или Со(I) [16]. Таким образом, процессы окисления-восстановления играют ключевую роль в химии и биологии B₁₂.

Реакции Cbl в различных степенях окисления с биологически важными молекулами:

.        Взаимодействие с супероксидом:

Супероксид (O₂^-) - побочный продукт клеточного метаболизма, производится митохондриями и ретикулярными мембранными системами электронного транспорта или ферментами [20].

Рис. 1.1.3. Примеры некоторых форм витамина В₁₂ в зависимости от типа лиганда

Cbl(II) способен выступать в качестве супероксиддисмутазы и защищать таким образом от хронического воспаления, от окислительного стресса. При добавлении O₂^- к Cbl(II) последний окисляется до аква-гидроксо-кобаламина (H₂OCbl⁺/HOCbl), а O₂^- восстанавливается до Н₂О₂, который также может окислять Cbl(II) до H₂OCbl⁺/HOCbl:

Cbl(II) + O₂^- + 2H₃O⁺ → H₂OCbl⁺ + H₂O₂ + H₂O

Взаимодействие с оксидом азота (II), нитритом (NO2-) и нитратом (NO3-):

Анализ большого количества литературы показывает, что данные взаимодействия могут играть важную роль в биологических процессах.

Реакция Cbl(III) c NO протекает в кислых средах с участием нитрита, примеси которого присутствуют в оксиде азота (II) [21]. Однако с восстановленной формой кобаламина Cbl(II) оксид азота (II) реагирует с очень высокими скоростями, значительно большими, чем в случае нитрита [22]. Продуктом реакции Cbl(II) с NO является нитрозильный комплекс Cbl(III)-NO^-, которая протекает по механизму диссоциативного замещения (I_d) у Co(II)-центра [23].

Отметим также взаимодействия другой восстановленной формы кобаламина Cbl(I) с нитритом (1.3 - 1.4) и нитратом (1.5), которые протекают в кислых средах (pH =1,5-2,5) [24].

6H⁺ + 6Cbl(I)^- + 2HNO₂ → 6Cbl(II) + N₂ + 4H₂O

H⁺ + 4Cbl(I)^- + HNO₂ → 4Cbl(II) + NH₂OH + H₂O

Взаимодействие с каптоприлом:

Каптоприл (1-[(2S)-3-меркапто-2-метилпропионил]-L-пролина; рис. 1.1.4) является ингибитором АПФ [25].

Рис. 1.1.4. Каптоприл (CapS)

АПФ - ангиотензинпревращающий фермент - цинксодержащей дипептидил карбоксипептидаза [25], находящаяся на поверхности сосудистого эндотелия и клеток эпителия ряда органов, включая сердце, легкие и почки.

При расщеплении карбоксильного конца неактивных декапептидов ангиотензина I АПФ образует ангиотензин II - мощное сосудосуживающее вещество. АПФ также расщепляет и инактивирует брадикинин - сосудорасширяющий нонапептид [26], что приводит к повышенному кровяному давлению в организме человека [25]. Ингибиторы АПФ, в частности каптоприл, широко используются для лечения высокого кровяного давления, застойной сердечной недостаточности и сердечнососудистых заболеваний. Они могут также смягчить эндотелиальную дисфункцию и уменьшить повреждение органов, включая диабет, связанный с болезнью почки [27].

Механизм реакции представлен на рис. 1.1.5, из которого видно, как H₂OCbl может вступать во взаимодействие с двумя формами CapS: депротонированной и протонированной с образованием устойчивого комплекса CapSCbl [28].

Рис. 1.1.5 Механизм образования CapSCbl

CapSCbl существует и в растворе, и в твердом состоянии в виде смеси геометрических изомеров. CapSCbl в твердом виде используется в дальнейшем как лекарство [28].

.1.4 Кислотно-основные свойства кобаламина

Интерес к реакциям лиганд - замещения в последнее время усилился, благодаря наблюдениям, в которых некоторые ферменты связываются с AdoCbl и CH₃Cbl в так называемый base-off/His-on режим, в котором осевой ДМБИ нуклеотид диссоциирован и заключен в «гидрофобный карман», а фрагмент ДМБИ в активном центре His становится нижним аксиальным лигандом [1].

Основной реакцией лиганд - замещения кобаламинов является реакция внутримолекулярной диссоциации ДМБИ при формировании “base-off” формы (1.6).

Таким образом, в достаточно кислой среде диссоциированный ДМБИ может протонироваться в стабильную форму [1]. Данный процесс можно рассматривать как сумму двух последовательных реакций: депротонирование ДМБИ “base-off” формы (1.7) и отщепление от полученной “base-off” формы воды (1.8) [29].

Методом ЯМР установлено, что при увеличении кислотности происходит последовательное протонирование фосфодиэфирной части нуклеотидной цепи кобаламина формы “base-off” (уравнения 1.9 и 1.10).

Отметим, что полная схема ионизации как для бензимидазола, так и для фосфодиэфира, включает в себя 12 равновесий, характеризующихся макро- и микроскопическими константами ионизации [30].

.1.5 Биологические функции и роль кобаламина в организме человека

Кобаламин, в виде CH₃Cbl и AdoCbl является важнейшей молекулой <#"821043.files/image011.jpg">

Рис. 1.1.6. Формальные стадии реакции полных корриноидов, характеризующие их химическую активность в качестве кофактора в ферментах

. Гетеролитический способ образования металлоорганической аксиальной связи Со-С. Спровоцированное нуклеофилом расщепление связи Со-С в кобальтовом центре молекулы (формально двухэлектронное окисление/восстановление иона металла) включает в себя образование/ деструкцию двух аксиальных связей (рис. 1.1.6). Этот тип реакций имеет большое значение в реакциях переноса метила, катализируемых ферментами, и представлен реакциями Со(I)-корринов с алкилирующими агентами [32].

На сегодняшний момент известно около 15 ферментативных реакций с участием кобаламина, две из которых протекают в организме человека [33]. К последним двум относятся реакции переноса метильной группы от метилтетрагидрофолата к гомоцистину в присутствии CH₃Cbl и превращение метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА в присутствии AdoCbl.

В организме человека существует только два фермента с коэнзимами витамина B₁₂:

·        Метилмалонил-КоА-мутаза <#"821043.files/image012.jpg">

Рис. 1.1.7. Процесс перестановки атомов в углеродном скелете

·       
5-метилтетрагидрофолат-гомоцистеин-метилтрансфераза <#"821043.files/image013.gif">

Рис. 1.1.8. Реакция превращения гомоцистеина в метионин

В указанных реакциях производные кобаламина играют роль катализатора и кобальт меняет степень окисления от III (MeCbl или AdoCbl) до I.

Витамин B₁₂ участвует в клеточном делении, присущем каждой живущей клетке. В наибольшей степени от адекватного уровня витамина В₁₂ зависят те ткани, которые делятся наиболее интенсивно: клетки крови, иммунные клетки, клетки кожи и клетки, выстилающие кишечник.

Участие кобаламина в биосинтезе нуклеиновых кислот определяет его влияние на процессы кроветворения и пролиферации клеток. N⁵-дезоксиаденозилкобаламин необходим для окисления жирных кислот с нечетным числом атомов углерода, а также для окислительного распада метионина, валина, изолейцина и треонина. При недостаточности этой реакции в организме накапливается избыток метилмалоновой кислоты, которая, наряду с пропионовой кислотой, превращается в жирные кислоты с нефизиологическим нечетным числом углеродных атомов. Эти метаболиты вызывают жировую дистрофию нервных клеток и демиелинизацию нервных волокон [8].

Дефицит кобаламина распространен у пожилых людей (10-40%) [35] и может привести к мегалобластной анемии ("злокачественной анемии "), которая, как правило, связана с нарушением всасывания витамина В₁₂ и его производных и/или неврологическими расстройствами. Добавки кобаламина оказывают положительное действие при лечении ряда воспалительных заболеваний, включая сепсис, артрит, болезнь Альцгеймера, рассеянный склероз и синдром хронической усталости. Существует доказательство того, что Cbl защищает организм от окислительного стресса, за счет нормализации уровня TNF-α (который ингибирует супероксиддисмутазу) [36].