В организме человека непрерывно происходит образование и разрушение биокомплексов из катионов биометаллов (железо, медь, цинк, кобальт) и биолигандов (порфиринов, аминокислот, белков, полипептидов, нуклеиновых кислот). Изучение процессов, протекающих в организме с образованием комплексных соединений, может иметь большое значение для профилактики и лечения ряда заболеваний. Например, для выведения из организма ионов токсичных металлов все шире используются комплексоны – полиаминокарбоновые кислоты и их соли. В медицине сложилось специальное направление направление, связанное с использованием комплексонов – хелатотерапия. Наиболее широкое направление получила динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА или комплексон III, торговое название – трилон Б):
С помощью этой соли ускоряется выведение из организма токсичных металлов: свинца, ртути, кадмия, бария и т. п. Образующиеся комплексные соединения водорастворимы, практически не расщепляются в биологической среде и легко выводятся через почки.
Белки являются полидентантными лигандами и тоже хорошо связываются с тяжелыми металлами. При отравлении солями тяжелых металлов пострадавшему дают пить молоко и сырые яйца, которые содержат много белков. Образующиеся комплексные соединения не всасываются в кровь из кишечника и тяжелые металлы, таким образом, выводятся из организма.
Многие вещества в организме (АК, белки, НК, витамины, гормоны, порфирины) являются активными лигандами и с катионами биологически активных металлов образуют различные комплексные соединения, выполняющие определённые биологические функции.
Некоторые природные прочные комплексные соединения содержат в качестве хелатообразующего лиганда порфириновые производные. Важнейшим свойством порфиринов является наличие в молекуле координационной полости, ограниченной 4 атомами азота и способной координировать ионы металлов различной степени окисления.
В составе гемоглобина, миоглобина, цитохромов, каталазы и пероксидазы порфирины выступают в виде комплексов сFe2+ – гемов. Хлорофиллы и бактериохлорофиллы содержат Mg2+. Витамин В12 и родственные ему кобаламины имеют в качестве центрального иона Co2+.
В гемоглобине и миоглобине комплексообразователь Fe2+ образует 4 связи с пофирином (образуя гем), 1 связь с глобином (белок) и одну связь с молекулой воды. Молекулу воды гемоглобин и миоглобин замещают на О2 образуя оксигемоглобин и оксимиоглобин (реакция обмена лиганда).
Оксимиоглобин поддерживает необходимое парциальное давление в тканях.
Оксигемоглобин переносит О2 в ткани и связывает выделяющийся при метаболизме СО2 в карбаминогемоглобин, который в лёгких переходит в оксигемоглобин (реакция обмена лиганда)
Витамин В12 необходим для нормального кроветворения и созревания эритроцитов, синтеза аминокислот, белков, РНК, ДНК и т. п.
Накапливается витамин В12 в печени. Его недостаток в организме вызывает злокачественную анемию.
Изомерия координационных соединений
Под изомерией понимают способность к разному взаимному расположению атомов и атомных фрагментов в соединениях одинакового общего состава, диктующую отличия в химических и физических свойствах соответствующих соединений — изомеров. В случае координационных соединений указанные различия могут быть связаны как со спецификой расположения лигандов во внутренней координационной сфере, так и с распределением лигандов между внутренней и внешними сферами.
Изомерия прямо связана с наличием или отсутствием в соединении тех или иных элементов симметрии: поворотных осей, зеркально-поворотных осей, центра и плоскостей симметрии.
Существуют изомеры двух типов:
1) соединения, в которых состав внутренней сферы и строение координированных лигандов идентичны (геометрические, оптические, конформационные, координационного положения);
Соединения, для которых возможны различия в составе внутренней сферы и строении лигандов (ионизационные, гидратные, координационные, лигандные).
Пространственная (геометрическая) изомерия
Этот вид изомерии вызван неодинаковым размещением лигандов во внутренней сфере относительно друг друга. Необходимым условием геометрической изомерии является наличие во внутренней координационной сфере не менее двух различных лигандов. Геометрическая изомерия проявляется преимущественно у комплексных соединений, имеющих октаэдрическое строение, строение плоского квадрата или квадратной пирамиды. С увеличением числа различных лигандов во внутренней сфере растет число геометрических изомеров.
Оптическая изомерия
Оптическая изомерия связана со способностью некоторых комплексных соединений существовать в виде двух форм, не совмещаемых в трехмерном пространстве и являющихся зеркальным отображением друг друга, как левая рука и правая. Поэтому оптическую изомерию называют иногда ещё зеркальной изомерией.
Структурная изомерия
Гидратная (сольватная) изомерия заключается в различном распределении молекул растворителя между внутренней и внешней сферами комплексного соединения, в различном характере химической связи молекул воды с комплексообразователем. Например: [Cr(H2O)6]Cl3 (фиолетовый), [Cr(H2O)5Cl]Cl2 ∙ H2O (светло-зелёный), [Cr(H2O)4Cl2]Cl ∙ 2H2O (темно-зелёный).
Ионизационная изомерия
определяется различным распределением заряженных лигандов между внутренней и внешней сферами комплекса и характеризует способность координационных соединений с одним и тем же элементным составом давать в растворе разные ионы. Примеры соединений: [Co(NH3)5Br]SO4 (красно-фиолетовый), [Co(NH3)5SO4]Br (красный).
Координационная изомерия
связана с переходом лигандов от одного комплексообразователя к другому: [Co(NH3)6][Cr(CN)6] и [Cr(NH3)6][Co(CN)6].