Получение и свойства водорастворимых форм железотиолатсульфидных комплексов как аналогов активных центров железосерных белков тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.15 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЩИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В.ЛОМОНОСОВА

Химический факультет

На правах рукописи

ДИКИЙ АЛЕКСАНДР ИГОРЕВИЧ • • УДК: 546.723, 547.569.1

ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ВОДОРАСТВОРИМЫХ ФОРМ ЯЕЛЕЗОТИСШАТСУЛЬФЩЩЫХ КОМПЛЕКСОВ КАК АНАЛОГОВ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ ЖЕЛЕЗОСЕРНЫХ БЕЛКОВ

02.00.15 - химическая кинетика и катализ

" Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 1992

Работа выполнена на кафедре химической энзимологии Химического

факультета МГУ

Научный руководитель: д.х.н., профессор А.К.Яцимирский

Официальные оппоненты: доктор химических наук

Р.М.Давыдов доктор химических наук В.О.Попов

Ведущая организация: Институт химической физики РАН в

Черноголовке. "

Защита состоится ^^^>1992 года в час. на

заседании специализированного совета Д.053.05.76 по химическим наукам при химическом факультете МГУ им. М.В.Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке химического факультета МГУ.

Автореферат разослан

года.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат химических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Биоимитационный подход к изучению свойств белков и ферментов позволяет получить дополнительную информацию о механизме функционирования биологических молекул, исследуя структуру и свойства модельных веществ, и открывает возможность создания новых каталитических и транспортных химических систем. Одним из важных биологических объектов является груша ферментов и злек-тронтранспортных белков, активные центры которых содержат железо-серные кластеры типа ге4з4. к настоящему времени хорошо изучены условия синтеза келезотиолатсульфидных комплексов, их структура, спектральные и электрохимические свойства, главным образом в неводных средах. Исследования каталитических свойств железосерных кластеров, а также их реакционой способности в водных растворах находятся на начальном этапе.

В связи с этим представляется важным поиск новых реакций, катализируемых железосерными кластерами, моделирующих процессы протекающие в активных центрах Ре-Б-содержащих оксидоредуктаз и гидролиаз, исследование их механизмов, а также разработка способов получения устойчивее водорастворимых комплексов, в частности, включением кластеров в макромолекулярные матрицы, такие как цикло-декстрины и их производные, которые моделируют функции белкового окружения.

Научная новизна. Определена область максимальной гидролитической стабильности железосерных кластеров I и и в водно-

[ре^ (брп) 4 ] iне^ ] 2 [ре^ (бсн^он) 4 ) 1»ви4 ] 2

i ii

мицеллярной и водной средах в широком интервале значений рН раствора .

Изучены стехиометрия и кинетика взаимодействия синтетических железосерных кластеров со сложными эфирами и уксусным ангидридом. Найдено, что хин являются катализаторами гидролиза замещенных фзниловых зфиров. Предложен механизм гидролиза, согласно которому каталитически активными частицами являются гидроксокомплексы железосерных кластеров, образующиеся на первой некаталитической стадии

реакции в результате отщепления тиолатных лигандов.

Исследована кинетика восстановления гемина кластерами I и и в водно-мицеллярной среде. Полученные данные согласуются с механизмом реакции, включающим образование промежуточного комплекса, в котором происходит внутримолекулярный электронный перенос.

Показано, что взаимодействие кластера I с /з-циклодекстрином и его аминированным катионным производным в водной среде приводит к образованию устойчивых комплексов включения, электронные спектры поглощения и значения окислительно-восстановительных потенциалов которых близки к наблюдаемым для природных ге-Б-белков.

Практическая значимость. Работа выполнена в рамках темы "Разработка научных основ получения и применения металлокомплекс-ных и биоорганических катализаторов для создания новых технологических процессов", номер Госрегистрации 01870041733. - '

Апробация работы. Основные результаты работы били'представлены на Конференции молодых ученых химического • факультета" МГУ-(Москва, 1989 г.), и Симпозиуме "Кинетика процессов переноса заряда в гомогенных и гетерогенных системах" (Батуми, 1989 г.), научно-теоретической конференции "Экология окружающей среды" (Ташкент, 1990г.), 7-й Международной конференции молодых ученых по органической и биологической химии (Варна, 1990г.).

Публикации. .По материалам диссертации имеется 5 публикаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, результатов исследований и их обсуждения, заключения, выводов, списка цитируемой литературы. Работа изложена на страницах, содер-

жит 39 рисунков и 17 таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 152 литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Кластеры I и и были синтезированы по описанным в литературе методикам. Более подробно исследовались реакции с участием комплекса I, гораздо более стабильного к гидролизу и окислению, чем ix. Для солюбилизации нерастворимого в воде комплекса i использовалась добавка неиногенного поверхностноактивного вещества Тритон Х-юс. Все исследования проводились в строго анаэробных ус-

ловиях с помощью аппаратуры Шлейка.

Устойчивость железосерных кластеров I я хх в водно-мицеллярной и водной средах.

Устойчивость нелезосерных кластеров I и и к гидролизу исследовали спектрофотометрически по характерным голосам поглощения в видимой области спектра в присутствии неионогенного поверхностно-активного вещества Тритон Х-100 и в чистом буферном растворах, соответственно, в диапазоне значений рН 4-10.

Было найдено, что кластер .1 устойчив в течение дня при рН 710, а при увеличении кислотности среды скорость его гидролиза,-быстро возрастает и при рН<5 происходит быстрая необратимая деструкция кластера. При значениях рН 5-7 наблюдалось постепенное установление спектра поглощения, отличающегося от спектра исходного кластера более сильным поглощением в длинноволновой области, что можно объяснить протеканием реакции гидролиза:

!Ре434(ЗР11)4]2~ + п Н20 [Ге434(5РЬ)4_п(Н20)п1П~2 + пРЬЭ- (I)

Обратимость реакции (I) подтверждается тем, что при предварительном Добавлении к реакционной смеси содержащей I избытка тиофе-нола Гидролиз" подавляется (спектр остается неизменным), а при добавлении избытка тиофенола после завершения гидролиза кластера (установившийся спектр в области рН 5-7), происходит смещение равновесия влево (восстанавливается исходный спектр-кластера I).

Влияние рН на стабильность кластера, очевидно, связано с увеличением скорости отщепления тиофенола при протонировании кластера и смещением равновесия (1) .при протонировашш тиофенолят-аниона (рКа тиофенола 6.5). Приблизительное значение рКа кластера I, найденное из рН-зависимости скорости его кислотного гидролиза, равно 5.5.

Зависимость устойчивости кластера и от № была такой же, как и в случае кластера I, однако его стабильность по сравнению с кластером I была всегда заметно ниже. Добавка шверхностноактивного вещества не увеличивала стабильность, и.

з

Тиофенолиз и гидролиз сложных эфиров в присутствии I

Хотя наиболее очевидная функция яелезосерных кластеров - электронный перенос, существует ряд неокислительных ферментов, наиболее известным представителем которых является аконитаза, также содержащих кластеры и катализирующих обратимую гидратацию двойных связей. Это указывает на способность кластеров выступать в роли кислотно-основных или. электрофильно-нуклеофильных, а не только окислительно-восстановительных центров. Исходя из этих соображений, можно было надеяться обнаружить у кластеров типа i и п нук-леофильную реакционную способность.

Для исследования нуклеофильных свойств келезосерных кластеров мы остановились на реакциях расщепления сложных эфиров m-v, за ходом которых легко следить по накоплению окрашенных нитрофенолятных анионов.

СНз-COO-^^-NOj С1СН2-С00-^^-т2 CHa-COO-^^-NOj

0гЫ

III IV V

Так как в растворах кластеров из-за их диссоциации могут находиться меркапто-анионы, которые с довольно высокой скоростью расщепляют нитрофениловые эфиры, особое внимание уделяли исключению этого тривиального объяснения активности кластеров. Для этого, наряду с изучением реакций расщепления in-v кластерами, также изучали тиолиз выбранных субстратов тиофенолом и 2-меркаптоэтанолом в аналогичных условиях.

В случае реакции ш с кластером i было найдено, что степень превращения субстрата по отношению к кластеру достигает 400., при полном сохранении активности i. Это свидетельствует о каталитическом режиме протекания реакции, которая представляет собой гидролиз сложного эфира (см. ниже данные по анализу продуктов). Реакция имеет второй кинетический порядок (первый порядок по каждому из реагентов). На рис.1 приведены зависимости логарифмов констант скоростей от pH для реакций гидролиза ш кластером i и тиолиза тиофенолом, кривые i и г, соответственно. Видно, что в то время как константа скорости гидролиза остается рН-независимой величи-

2.0

1.5

Г- 1.0

1

О * 0.5

0.0

я X -0.5

-1.0

-1.5

8

рН

10

12

Рис.1. Зависимости от рН логарифмов констант скорости гидролиза щ (кривая 1) и первой стадии гидролиза V (кривая з) под действием I, а также тиолиза ш (кривая 2) и V (кривая 4) тиофзнолом в присутствии 0.024 м тритон х-100 при 25°с. -

ной, константа скорости тиолиза имеет рН-зависимость характерную для реакции с участием депротонированного тиофенолят-аниона. Кроме того, кластер является более реакционоснособным, чем тиофенолят-анион. Учитывая это,, а также каталитический режим протекания гидролиза эфиров (реакция тиолиза не является каталитической), можно сделать вывод, что кластер, а не диссоциированный тиол, является реакционной частицей.

Константы скорости каталитического гидролиза ш в Н20 и в б20 оказались равны. Следовательно, реакция протекает по нуклео-фильному механизму.

В случае гидролиза наиболее реакционоспособного субстрата IV рН-зависимость наблюдаемой константы скорости исследовать не удалось из-за высокой скорости фонового гидролиза. Реакция исследовалась только при рН 7.0 и в этом случае конверсия субстрата по отношению к кластеру I достигала почти юоо%.

При изучении гидролиза субстрата V под действием I мы наблю-

дали двухстадийную кинетику взаимодействия реагентов. Несколько кинетических кривых данной реакции представлено на рис.2. Обе стадии подчиняются кинетическому уравнению второго порядка. Зависи-

3.0

0.6 0.5

< 0.4

<

0.3 0.2 0.1 0.0

0 5 10 15 20 25 время, мин

Бис.2. Кинетические кривые накопления 2,4-динитрофеноляг-анионов при гидролизе V под действием I в присутствии 0.024 м Тритон Х-100 при 25°с. Концентрации реагентов: 11]=2.6-10~5 М, IV]= 8-10"5 (о),

2.4-10-4 и 4.8-ю-4 м (о).

2.5

''о 2.0

Ь 1.5

0.5 0.0

5 6 7 8 9 10 рН

Рис.з. Зависимость от рН константы скорости второй стадии гидролиза V под действием I. Условия опыта см. Рис.2.

мости логарифмов констант скорости первой стадии гидролиза V кластером и тиолиза тиофенолом представлены на рис.1. Зависимости имеют вид аналогичный полученным для ш. Однако, в этом случае активности тиофенола и кластера сравнимы.

Благодаря более высокой скорости гидролиза v, нам удалось измерить начальные скорости каталитической реакции при более низких значениях рН, чем в случае ш. Как видно из рис.1, протонирование кластера снижает его реакционную способность. Значение рК„ железо-

а

серного кластера I, вычисленное из представленной рН-зависимости равно 5.8, что хорошо согласуется с приведенной выше оценкой этой величины' из данных по скорости кислотного гидролиза кластера.

Вторая, более медленная стадия также является рН-завискмой в изученном интервале, рис.3. Величина рК0 реакционной частицы равна в атом случае 6.9.

Так как реакции гидролиза выбранных субстратов в присутствии I протекаю? по нуклеофильному механизму, то двустадийность гидролиза можно было бы объяснить как последовательность стадий ацили-рования-деэцилирования кластера, однако, второй кинетический порядок второй стадии гидролиза V вместо ожидаемого первого, различные значения рКд реакционоспособных частиц на первой и второй стадиях опровергают данное объяснение двухстадийности. Механизм каталитического гидролиза сложных эфиров удалось уточнить исследуя ход реакций хроматографически.

Данные по газохроматографическому изучению гидролиза ш в присутствии г представлены в Табл.1. В предварительных опытах было установлено, что ГХ анализ раствора г позволяет количественно определить весь тиофзнол, входящий в состав кластера. Видно, что в ходе реакции концентрация координированного тиофэнола уменьшается на четверть от исходного количества, с одновременным образованием эквивалентного количества тиофенилацетата. В дальнейшем, с течением времени количество данных веществ не изменяется, в то время как выход 4-нитрофенолят-аниона (определялся спсхтрофотометрически) продолжает возрастать, достигая юо£ от теоретически возможного. Приведенные данные можно объяснить следующим образом. Сначала происходит ацилирование одного из четырех тиофенольных лигандов кластера с образованием аква/гидроксо-комплекса общей формулы [ре4з4(зрь)3(Н20)п(0н)1_п]п"2 (п=0;1) и тиофенилацетата. Далее идет гидролиз субстрата, катализируемый образовавшимся комплексом.

Аналогичным образом исследовались реакции со всеми субстратами. Оказалось, что по мере возрастания реакционной способности сложного эфира число тиофенольных лигандов, теряемых комплексом на первой стадии, возрастает от 1 до з, и во всех случаях далее накапливаются только продукты.гидролиза зфиров. Выход асбрь был эквивалентен уменьшению концентрации ткофзнола в случае ш, но в случае V образовывалось значительно меньшее количество продукта аци-лирования. При этом среди продуктов был обнаружен фенил(2,4-динитрофенил)сульфид. Это означает, что в данном случае часть тио-фенола не ацилируется, а арилируется молекулой v. Возможность такого направления реакции объясняется активиругаим эффектом второй юттрогруппы в ароматическом кольце.

По-видимому, во всех случаях каталитически активными частица-

ми являются комплексы типа [Ре^ (брь) п (н20)га (он) 4_п_гаЗт-2 (VI),

где п=1-4; т=1-з; п+т*4. Для подтверждения факта сохранения келе-зосерного ядра кластера спектрофотометрически и хроматографически исследовалось взаимодейстие I с уксусным ангидридом. В этом случае

Таблица I. Продукты гидролиза 3-IO моль/л m в присутствии 7.5-ю_4моль/л i при pH 7.0.

Время реакции, мин Концентрации, моль/л

phsh3 ^ acsph3) 4-02ncgh40~

0 2.6- Ю-3 0 0

30 1.9-Ю"3 1.7-ю"4 2.2-10"3

105 1.9-ю-3 - 4.5-10~4 2.9-Ю"3

190 1.7-10~3 5.4-10~4 3.0-10~3

240 1.7-10~3 5.8-ю"4 3.0- ю-3

3^Найдена газохроматографически 6^Найдена спектрофотометрически

также происходит ацилирование координированного тиофенола, что было подтверждено ГХ анализом продуктов, но в отличие от реакций с ш-у не образуется цветных продуктов, что позволяет охарактеризовать железосодержащие комплексы спектрофотометрически. Оказалось, что при добавлении к раствору I возрастающих количеств уксусного ангидрида спектр поглощения изменяется качественно так же, как в случае кислотного гидролиза, и при добавлении к реакционной смеси, содержащей продукты реакции, избытка тиофенола восстанавливается исходный спектр поглощения I.

Кинетика реакции V с кластером, предварительно обработанным уксусным ангидридом, т.е. находящимся в форме vi, становится одностадийной, а константа скорости совпадает с константой скорости для второй стадии гидролиза V под действием I. Следовательно, значение рК„ 6.9, полученное из рН-зависимости константы скорости

а

второй стадии гидролиза V, можно отнести к соответствующему гид-роксокомплексу VI, а значение 5.8 - к исходному кластеру I.

Гидролиз ш-у в присутствии и

Ввиду довольно низкой стабильности и в водном растворе, гидролиз эфиров изучали лишь спектрофотометрически, главным образом, по начальным скоростям.

Зависимости констант скоростей второго порядка гидролиза иг и V в присутствии кластера 11, а также тиолиза этих эфиров 2-меркаптоэтанолом представлены на рис.4 и 5. Видно, что как меркаптоэтанол, так и кластер вступают в реакцию с эфирами в де-протонированной форме. Обработка данных рис.4 и 5 приводит к значению рКа кластера и равному 7.8. Полученное значение рКд близко к значениям рка природных ферредоксинов.

2.0 _ 1.5

и 1.0

5 °-5 \ о.о

. ьо ~ -1.0 -1.5

8 РН

Рис.4. Зависимости от рН логарифмов констант скорости гидролиза ш "" под действием и (кривая 1) и тиолиза ш мер-каптоэтанолом (кривая 2) при

4

12

Рис.5.. Зависимости от рН логарифмов констант скорости гидролиза V под действием и (кривая. 1) и тиолиза V меркаптозта-нолом (кривая 2) при-2 5°с.

При изучении гидролиза субстрата IV, также как и в случае I, было найдено, что реакция протекает в каталитическом режиме с сохранением активности кластера и при иоо% конверсии субстрата.

Механизм каталитического гидролиза сложных эфиров.

Гидролиз сложных эфиров протекает двухстадийно. На первой стадии происходит отщепление от одного до трех меркаптановых ли-гандов с образованием аква/гидроксо-комплексов типа VI, а затем, на второй стадии, идет катализируемый гидроксо-комплексами гидролиз субстрата. Двухстадийность реакции наиболее четко выражена в случае гидролиза сложного эфира V.

Рассмотрим общую схему реакции, соответствующую предложенному механизму:

-

пИСООАг+[Ге^Б^(ЗЯ')л)2~ --> [Ге4Б4(БЕГ )4_п(ОН)2'+пАгОН+пЕСОБН'

+пН20

2- ^2 2-ИСООАг + [Бе^Б^(БИ') (ОН) п I ! Ре^ (БЕ') (ОН) п ] + .

+Н„0

+ АгОН + ИСООН

где п=1-з, кх и к2 - константы скорости второго порядка ацилирова-. ния координированного меркаптана и каталитического гидролиза сложного эфира.

Решая соответствующие кинетические дифференциальные уравнения в предположении, что расходованием субстрата при превращении исходного кластера в гидроксо-комплекс можно пренебречь, получим следующую зависимость для концентрации субстрата (5) от времени:

1п(Б/Б0) = -к2СЬоЬ + ((к2-к1)СЬ0/к1Б0)*(1-ехр (-к^^) ) (2)

где б - начальная концентрация субстрата, сь - начальная концен-

О ^ О

трация кластера, t - время. Предполагается, .что. первая стадия лимитируется бимолекулярным взаимодействием сложного эфира, с'кластером.

Из полученного уравнения видно, что в том случае, когда константы скорости первой и второй стадий сопоставимы (гидролиз ш), второе слагаемое в уравнении (2) мало и его можно не учитывать. В случае же гидролиза субстрата V с активированной уходящей группой кх>к2 и поэтому в уравнении (2) остается два слагаемых. Следовательно, в первом случае мы наблюдаем одностадийную кинетику псев-

ю

допервого порядка, а во втором случае двухстадийную кинетику гидролиза выбранных субстратов. Такое соотношение констант ^ и к2 представляется вполне вероятным, так как чувствительность тиолиза к уходящей группе значительно выше, чем чувствительность щелочного гидролиза. Так, отношение констант скоростей расщепления их и V тиофенолом по нашим данным равно примерно 60, а отношение констант скорости щелочного гидролиза этих же субстратов равно лишь 4.

Взаимодействие I с <з-циклодекстрином и 6А, 6и-дезокси-6 ,6°ди- (метиламино)-д-циклодекстрином (ун ).

За ходом взаимодействий между I и циклодекстринами следили спектрофотометрически по изменению электронного спектра поглощения исходного кластера. Конечные спектры, соответствующие циклодекс-трин-кластерным комплексам устанавливались быстро, что говорит о высокой скорости взаимодействия кластера с циклодекстринами. Характер конечных спектров при фиксированных значениях рН одинаков при взаимодествии I как с /з-циклодекстрином, так и с VII. растворы х в присутствии циклодекстринов довольно устойчивы в интерзале значений рН 5.0-10.0. Для получения стабильных растворов х (около ю~4 м) требуется высокая концентрация /з-циклодекстрина (порядка 0.01 М), но значительно меньшая концентрация VII (порядка 0.001 м). Этот факт указывает на важность электростатического взаимодействия анионного кластера с аммонийными группами vii.

■ Методом циклической вольтакаерсметрии исследовали электрохимическое поведение исследуемых систем (1+/з-циклодекстрин и тп) при различных значениях рН . Как в случае (З-циклодекстрина, так и в случае VII на вольтамограммах наблюдали два окислительно-восстановительных процесса, соответствующих -2/-3 и -3/-4 переходам. Кроме того, -2/-3 переход характеризовался раздвоением анодных пиков. Исследование зависимостей токов от скорости изменения потенциала и концентраций компонентов показало, что более положительный' анодный пик является адсорбционным.

Редокс потенциал перехода -3/-4 наблюдается около -0.Э В и практически,не зависит от рН. Напротив, потенциал перехода -2/-3 оказался сильно зависящим от рН, рис.6. Из рисунка видно, что дан-

ные зависимости однотипны, как для /з-циклодекстрина, так и для VII. в случае /з-циклодекстрина рН-зависимость редокс потенциала имеет наклон -ПО мВ/рН и в случае VII наклон равен -105 мВ/рН. Эти величины в пределах ошибки опыта совпадают с теоретически ожидаемым наклоном -120 мВ/рН для случая, когда перенос одного электрона сопровождается переносом двух протонов на восстановленную форму кластера.

Наличие аминогрупп в VII приводит к смещению значений Ет/?

рН

Бис.6. Зависимости от рН редокс потенциалов (относительно хлорсе-ребрянного электрода) одноэлектронного восстановления кластера i (i.5-io~4 м) в присутствии o.oi м 0-циклодекстрина (О) и о.ooi м VII (В) В 0.1 М NaCl.

при фиксированном значении рН на 45 мВ в .положительную область по сравнению с незамещенным /з-циклодекстрином. Подобное смещение можно объяснить стабилизирующим влиянием положительно заряженных аминогрупп на восстановленную форму железосерного кластера.

Взаимодействие гемина с железосерными кластерами i и и

Для целей моделирования ряда Ре-з-оксидоредуктаз, содержащих в активном центре железосерный кластер и сирогем, представляет ин-

терес исследование взаимодействия гемина с синтетическими железо-серными кластерами. В связи с этим были изучены реакции кластеров I и и с гемином (рер+) в водно-мицеллярной среде, использование которой позволяет решить проблему солюбилизации как кластеров, так и гемина.

В отличие, от описанных в литературе реакций железосернных кластеров с гемином в органических средах, приводящих к простому переносу координированных меркаптановых лигандов кластера к гемину и деструкции кластера, в данных условиях наблюдали восстановление гемина под действием железотирлатсульфидных комплексов. Так , как гемин может восстанавливаться под действием меркаптанов, данные по кинетике реакций с кластерами сопоставлялись с аналогичными данными для реакций с тиофенолом и меркаптоэтанолом.

Характер зависимостей. констант скоростей реакций от концентраций восстановителей, представленных на рис.7 и 8, указывает на

Рис.7. Зависимость наблюдаемой Рис.8. Зависимость наблюдаемой константы скорости псевдоперво- константы.скорости псевдопервого порядка восстановления теми- го порядка восстановления гемина кластером I (V) и тиофенолом на кластером и (О) и мзркапто-(0) при рН 8.о в присутствии этанолом (V) при рН 8.о в при-0.024 м Тритон х-юо. сутствии о.об к бромида цетил-

1 / •

о V* I_I_11111

0 2 4 6 8 10 12 14 16

[Ие<}]*10п,М

О 2 4 46 8 [Вес1]* 10 .М

триметиламмония.

образование промежуточных комплексов, в которых происходит внутримолекулярный электронный перенос между субстратами. Реакцию восстановления гемина можно представить следующим образом:.

ks k

FeP+ + Red ( ' [FeP+* Red] —2-> FeP + Ox (3)

4

где Red - кластер или меркаптан, ox - соответствующая окисленная форма. В реакции с меркаптоэтанолом при высокой концентрации восстановителя, по-видимому, образуется бистиолатный комплекс с пониженной реакционной способностью.

Сравнивая данные по восстановлению гемина кластерами хине аналогичными данными для реакций под действием меркаптанов видим, что в обоих случаях ход зависимостей разный. Учитывая также, более высокие скорости реакций с кластерами, приходим к выводу, что в случае реакций i и и с гемином именно кластеры, а не меркаптаны, которые могли бы образоваться при их гидролизе в водном растворе, восстанавливают гемин. Кинетические параметры систем, определенные из представленных данных суммированы в Табл.2.

Таблица 2. Кинетические параметры взаимодействия гемина с кластерами г, и и меркаптанами при рН 8.0.

Реагент к 0,с 1 Kg, И

i -4 5.5*10 -

Тиофенол 6.0*10~4 1.0*ю-4

XI 1.0*10~2 З.О'Ю"4 '

2-меркаптоэтэнол 1.3*10~3 1.2*10-4

Таким образом, кинетические данные косвенно указывают на существование комплекса между гемином и железосерными кластерами. Возможно, предполагаемый комплекс-имеет структуру схожую со структурой комплекса, описанного для сульфитредуктазы. При сопоставлении константы скорости внутримолекулярной реакции гемина с более

реакционоспосоОным кластером и и каталитической константы суль-фитредуктазы (ккат=15с-1), видно, что последняя оказывается в 1500 раз больше величины к0. Это можно объяснить несовершенством мицел-лярной структуры по сравнению с белковым окружением кластера в ферменте и различной природой тиолатных лигандов кластера (цистеин в белковой глобуле).

ВЫВОДЫ

1. Исследована устойчивость железосерных кластеров I и и в водно-мицеллярной и водной средах в диапазоне значений рН от 4.0 до 10.0. Показано, что кластеры устойчивы в нейтральных и щелочных средах. При значениях 7>рН>5 происходит обратимый и при рН<5 необратимый гидролиз кластеров.

2. Спектрофотометрически и хроматографически изучен гидролиз сложных зфиров ш-у в присутствии железосерных кластеров I и и. Найдено, что исследуемые кластеры являются нуклеофильными катализаторами гидролиза сложноэфирных субстратов. Предложен механизм каталитической реакции, включающий предварительное отщепление 1-з меркапто-лигандов кластера в результате их ацилирования и, в случае v, арилирования субстратом с образованием железосульфидных ак-ва/гидроксо-комплексов, каталитически расщепляющих сложные эфиры.

3. Изучено комплексообразование кластера I с р-циклодекстри-ном и 6А,6°-дезокси-6А,6°-ди(метиламшо)-/з-циклодекстрином в водной среде при различных значениях рН растворов. Исследована зависимость значений окислительно-восстановительных потенциалов полученных комплексов от значений рН. Найдено, что при одноэлектронном восстановлении включенного в циклодекстрин кластера происходит перенос двух протонов на восстановленную форму. Зафиксировано электрохимическое получение сверхвосстановленной формы комплексов.

Спектрофотометрически исследовано восстановление гемина кластерами I и и, а также тиофенолом и 2-меркаптоэтанолом. Кинетические данные указывают на образование промежуточного комплекса гемин-восстановитель. Определены кинетические и термодинамические параметры реакций.

Основше результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Yatsimirsky А.К., Diky A.I., Catalytic hydrolysis of aryl esters by an iron-sulfur cluster.// Inorg.Chim.Acta 1991,v.186, p.161-163.

2. Механизм восстановления гемина под действием железосерных кластеров./ Конференция молодых ученых химического факультета МГУ, Тезисы докладов, М.,1989,с.125-128.

3. Изучение взаимодействия железосерного кластера с гемином./ Тезисы докладов и Симпозиума "Кинетика переноса заряда в гомогенных и гетерогенных системах", Батуми, 1989, с.37-38.

4. Cleavage of" activated esters in the presence of iron-sulfur cluster./ 7th International conference of young scientists on organic and biological chemistry. The book of abstracts. Sofia, Bulgaria, 1990, p.195-197.

5. Расщепление активированных сложных эфиров железосерным класте' ром/ Тезисы докладов научно-теоретической конференции "Экология окружающей среды". Ташкент, 1990, с.63-64.