Биологическая неорганическая химия: структура и реакционная способность : в 2 т. Т. 1

БИОЛОГИЧЕСКАЯ
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ

Biological Inorganic
Chemistry

Structure and Reactivity

Ivano Bertini
University of Florence

Harry B. Gray
California Institute of Technology

Edward I. Stiefel
Princeton University

Joan Selverstone Valentine
UCLA

UNIVERSITY SCIENCE BOOKS
Sausalito, California

ЛУЧШИЙ ЗА
ЛУЧШИЙ ЗАРУБЕЖНЫЙ УЧЕБНИ
УБЕЖНЫЙ УЧЕБНИК

И.  Бертини, Г.  Грей,
Э.  Стифель, Дж.  Валентине

СТРУКТУРА И РЕАКЦИОННАЯ
СПОСОБНОСТЬ
 

В двух томах
1

Перевод с английского

канд. хим. наук В. В. Авдеевой
и канд. хим. наук Д. В. Севастьянова

под редакцией

академика РАН Н. Т. Кузнецова,
профессора, доктора хим. наук  Е. Р. Милаевой
и профессора, доктора хим. наук К. Ю. Жижина 

 
4Е ИЗДАНИЕ, ЭЛЕКТРОННОЕ

Москва
Лаборатория знаний
2021

БИОЛОГИЧЕСКАЯ
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ

УДК 577+546
ББК 28.072
Б52
С е р и я о с н о в а н а в 2006 г.
Бертини И.
Б52
Биологическая неорганическая химия: структура и реакционная 
способность : в 2 т. Т. 1 / И. Бертини, Г. Грей,
Э. Стифель,
Дж. Валентине
;
пер.
с
англ. — 4-е
изд.,
электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2021. — 506 с. — (Лучший 
зарубежный учебник). — Систем. требования: Adobe
Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-93208-504-2 (Т. 1)
ISBN 978-5-93208-503-5
В
учебном
издании,
написанном
ведущими
зарубежными 
учеными, изложены фундаментальные теоретические представления,

лежащие
в
основе
функционирования
природных
биологических
систем,
содержащих
ионы
металлов,
а
также
прикладные проблемы в этой области. Бионеорганическая химия
занимает междисциплинарную нишу на стыке координационной,
неорганической,
металлоорганической
и
медицинской
химии,
фармакологии и химии окружающей среды. В научном сообществе 
эта книга признана наиболее полным и фундаментальным
на сегодняшний день трудом в этой области.
В русском переводе выходит в двух томах. Т. 1 содержит
главы I–X.
Для студентов старших курсов и аспирантов, а также научных
работников.
УДК 577+546
ББК 28.072

Деривативное издание на основе печатного аналога: Биологическая 
неорганическая химия: структура и реакционная способность : 
в 2 т. Т. 1 / И. Бертини, Г. Грей, Э. Стифель, Дж. Валентине ; 
пер. с англ. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. —
456 с. : ил., [16] с. цв. вкл. — (Лучший зарубежный учебник). —
ISBN 978-5-9963-1145-3 (Т. 1); ISBN 978-5-9963-0534-6.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации

ISBN 978-5-93208-504-2 (Т. 1)
ISBN 978-5-93208-503-5

© Copyright © 2007 by University
Science Books
© Перевод на русский язык,
оформление, Лаборатория знаний,
2015

Предисловие редакторов перевода

В середине прошлого века в мировой науке сформировался самостоятельный 
междисциплинарный раздел – биологическая неорганическая химия 
(бионеорганическая химия) на стыке неорганической, координационной, 
металло органической, биологической химии, молекулярной биологии, фармакологии, 
медицинской химии и химии окружающей среды. В настоящее 
время бионеорганическую химию определяют как область химической 
науки, связанную с изучением роли металлов и их соединений в биологических 
процессах в живых организмах и в окружающей среде на 
молекулярном уровне. Исследования по бионеорганической химии имеют 
большое значение при использовании соединений металлов в медицине, 
биокатализе, биотехнологии и биоэлектронике.
Задачами бионеорганической химии являются установление структу-
ры и понимание функций металлопротеинов, изучение взаимодействия 
металлов с биомолекулами, направленный синтез биологически актив-
ных координационных и металлоорганических соединений, изучение 
механизмов токсичности экзогенных соединений металлов. Эта область 
науки образует краеугольный камень в общем фундаменте наук о жиз-
ни – главного направления развития науки в XXI в. Достижения в этой 
области регулярно обсуждаются на Международных конференциях по 
биологической неорганической химии (International Conference of Biological 
Inorganic Chemistry, Applied Bioinorganic Chemistry, European Conference 
on Bioinorganic Chemistry и др.) и освещаются в профильных международ-
ных журналах (Journal of Biological Inorganic Chemistry, Journal of Inorganic 
Biochemistry, Bioinorganic Chemistry and Applications).
В связи с этим подготовка высококвалифицированных научно-педагоги-
чес ких кадров по этой специальности в нашей стране приобретает перво-
степенное значение. В 2009 г. ВАК России открыл специальность 02.00.12 
«Бионеорганическая химия» для защиты докторских и кандидатских дис-
сертаций. Вместе с тем в России существует дефицит обобщающей на-
учной и учебно-педагогической литературы по этому направлению.
Предлагаемая читателю монография «Биологическая неорганическая хи-
мия: структура и реакционная способность» под ред. И. Бертини, Г. Б. Грея, 
Э. И. Стифеля и Дж. С. Валентине является наиболее полным фунда-
ментальным трудом, изданным в последние годы по бионеорганической 
химии. Характерные особенности этой книги – широта и всесторонность 
охвата фундаментальных и прикладных проблем бионеорганической хи-

Предисловие редакторов перевода

мии, глубина проработки огромного фактического материала, подкреплен-
ная хорошо  оформленными  иллюстрациями, высокий профессионализм 
авторов – мате риал монографии подготовлен 62 ведущими учеными в этой 
области из 10 стран мира. К достоинствам книги следует отнести главы 
учебно-методического и справочного характера, которые существенно 
уменьшают необходимость при чтении монографии обращаться к специ-
альной биологической или химической литературе.
К нашему большому сожалению, русское издание книги не увидит про-
фессор Ивано Бертини, ушедший от нас в прошлом году. Его поддержка 
и искренняя заинтересованность в конечном результате очень помогали 
нам на всех этапах работы над переводом книги.
Перевод монографии осуществлен канд. хим. наук В. В. Авде евой 
(Введение, главы I–XI.4.4.) и канд. хим. наук Д. В. Севастьяновым 
(главы  XI.4.5–XIV, Дополнительный материал, Приложения). Монография 
в равной степени может быть полезна широкому кругу научных 
работников, аспирантов, преподавателей и студентов, а также всем интересующимся 
бионеорганической химией. Редакторы перевода выражают 
глубокую благодарность чл.-корр. РАН В. Г. Севастьянову и научн. сотр. 
А. С. Сизаревой за помощь в переводе. 

Н. Т. Кузнецов
Е. Р. Милаева 
К. Ю. Жижин

Предисловие к русскому изданию

Присутствие ионов металлов в живой природе было доказано, когда в начале 
XVIII в. из бычьей крови был выделен гексацианоферрат. Поскольку 
ионы многих металлов придают соединениям характерную яркую окраску, 
для разделения белковых молекул, содержащих в своем составе связанные 
металлы, удобно использовать хроматографические методы. Именно так 
много лет назад открытые (1886 г.) Чарльзом А. Макманном цитохромы 
были открыты повторно Дэвидом Кейлингом в 1925 г. Тогда же цинк, соединения 
которого не окрашены, был обнаружен в карбоангидразе, а магний – в 
хлорофилле. Знаковым событием, в том числе в бионеорганической химии, 
стало установление в 50-х гг. XX в. структуры миоглобина Джоном Кендрю 
и гемоглобина Максом Перутцем. Это были первые белковые молекулы, для 
которых были расшифрованы структуры, и в любом учебнике биохимии эти 
белки обязательно описаны. Особо следует подчеркнуть, что структурный 
анализ белковых молекул удалось упростить благодаря присутствию в них 
ионов металлов (железа).
Когда же неорганики-синтетики получили несколько производных 
гема, было предложено использовать некоторые из них как модели мио-
глобина и гемоглобина – вот с этого момента и начинается настоящий 
расцвет биологической неорганической химии!
От тех, кто окунулся в проблемы, связанные с бионеорганической 
химией, требовались углубленные знания неорганической химии, хорошее 
владение методами исследования роли ионов металлов в биосистемах 
и понимание взаимосвязей между структурой и функцией белка на основе 
биохимических и молекулярно-биохимических подходов. Развитие новой 
науки происходило в разных направлениях – при этом применялись ме-
тоды экспрессии и направленного мутагенеза, устанавливались геномные 
последовательности различных организмов. И вот сегодня в своей книге 
мы можем объединить результаты проведенных исследований, рассмотрев 
структурно-функциональные взаимосвязи в белках. Мы полагаем, что на-
стал момент рассматривать бионеорганическую химию и соответствующие 
исследования в рамках эпохи «омик»-науки (omic sciences) по аналогии 
с системной биологией.
В настоящее время создано Международное общество бионеорганиче-
ской химии, которое проводит два раза год Международные конференции 
по биологической неорганической химии (ICBIC), а также съезды Asiabic 
и Eurobic.
Мы надеемся, что наша книга будет способствовать продолжению 
исследований в области бионеорганической химии в российской науке.

Предисловие к русскому изданию

Мы чрезвычайно благодарны академику Н. Т. Кузнецову, профессору 
К. Г. Барашкову и профессору Е. Р. Милаевой за их усилия в продвиже-
нии этой книги в России. 
В заключение мы хотим вспомнить с большим уважением и при-
знательностью пионерский вклад в биологическую неорганическую хи-
мию, сделанный нашим дорогим другом и соавтором Эдвардом Стифелем 
(Edward I. Stiefel), который, будь он по-прежнему с нами, был бы очень 
взволнован успехом нашей книги.

Ивано Бертини 
Гарри Б. Грей
Джоан С. Валентине 

Предисловие

Жизнь зависит от правильного функционирования белков и нуклеиновых 
кислот, которые очень часто связаны с ионами металлов. Установле-
ние структуры и реакционной способности металлопротеинов и других 
металло биомолекул является основной задачей биологической неоргани-
ческой химии.
 Одна из главных задач XXI века – выявление способа кодирова-
ния в геноме  информации о металлопротеине. Знание геномных карт 
поможет пониманию молекулярных механизмов жизни. Определенная 
последовательность аминокислотных остатков часто предполагает участие 
металлов в процессе функционирования белка, однако до сих пор невоз-
можно прочитать эту информацию исключительно из последовательности. 
Биологическая неорганическая химия является чрезвычайно важным на-
учным направлением именно с этой точки зрения.
 Нашей первостепенной задачей вначале было объединение в одной 
книге всех имеющихся в этой области сведений. Книга состоит из двух 
частей: часть А, «Основы биологической неорганической химии», содер-
жит обобщающие принципы в этой области знаний; часть Б, «Биологи-
ческие системы, содержащие ионы металлов», детально рассматривает 
конкретные системы. Для желающих в книге представлен Дополнитель-
ный материал по основам  биологии и неорганической химии; в При-
ложениях содержится полезная информация, которой мы рекомендуем 
воспользоваться.
Бионеорганическая химия – очень актуальная область науки. Нам 
посчастливилось работать с исключительно талантливыми сотрудниками 
при подготовке этого труда, который, как мы полагаем, станет ценным 
источником как для юных исследователей, так и для их старших коллег, 
специализирующихся в этой области.

Редакторы

Благодарности

Работа с таким большим коллективом талантливых авторов принесла нам 
настоящее наслаждение. Однако во время работы над этим проектом возникало 
и множество проблем. Наша книга никогда не увидела бы свет без профессиональ-
ной помощи наших коллег. В первую очередь мы хотим поблагодарить Жаннет 
Стифель – ее блестящая редакторская работа превратила рукопись, состоящую из 
набора отдельных статей, в настоящую книгу. Мы понимаем, что никакие благо-
дарности не могут быть адекватными. Прекрасный организатор Паола Турано из 
Флоренции четко отследила работу всех, с тем чтобы каждый занимался своими 
обязанностями; при этом она была просто восхитительна! Джон Мэгйар из Ка-
лифорнийского технологического института оказал большую помощь при чтении 
корректуры и дал много полезных советов по улучшению книги. Как Джон, так 
и Паола сыграли ведущую роль на многих очень важных этапах этого проекта.
Мы бесконечно обязаны Ларри Кью за его вклад в наш проект, включая 
многие полезные советы. Ларри очень тесно сотрудничал со всеми нами при 
написании и редактировании главы 11. Это только наша вина, если конечный 
результат не полностью отвечает его высоким стандартам.
Эдит Гралла, Арам Нерсисян и Брайан Шоу из Калифорнийского универси-
тета в Лос-Анджелесе и Джим Роу из университета Лойола Мэримаунт подгото-
вили учебный раздел (Дополнительный материал, см. т. 2), который значительно 
усилил педагогическую ценность этой книги. Книга была протестирована на 
занятиях в Принстонском университете и Калифорнийском университете в Лос-
Анджелесе. Мы благодарны всем студентам, кто сделал полезные замечания.
 Мы потеряли трех соавторов во время этого проекта. Джерри Бэбкок, 
Жан ЛеГалл и Антонио Шавьер были великими учеными и дорогими друзьями. 
Нам очень их не хватает.
Наш издатель Брюс Армбрустер и его команда из издательства University 
Science Books помогли нам пройти путь, который казался вечностью.
Мы особенно благодарны Кати Армбрустер за ее терпение и надежную поддержку, 
Джейн Эллис за ее упорство и чувство юмора и Марку Онгу за компоновку 
материала в главах, что позволило в конце концов довести проект до 
успешного завершения. Мы также выражаем искреннюю признательность еще 
шести своим коллегам: Кэтрин Мей и Рику Джексону из Калифорнийского технологического 
института; Маргарет Уилсон и Рее Ривер из Калифорнийского 
университета в Лос-Анджелесе; Ингрид Хьюз из Принстонского университета и 
Симоне Феди из Центра ЯМР университета Флоренции за преданность нашему 
общему делу.

Ивано Бертини
Гарри Б. Грей
Эдвард И. Стифель
Джоан С. Валентине