Комплексные соединения металлов играют ключевую роль в фундаментальных биохимических процессах — дыхании и фотосинтезе. Эти процессы обеспечивают превращение энергии в живых организмах и поддерживают круговорот веществ в биосфере. Центральное значение принадлежит металлоорганическим и координационным системам, участвующим в переносе электронов, активации кислорода, связывании и превращении углекислого газа, а также в преобразовании энергии света в химическую.
Клеточное дыхание основано на последовательной передаче электронов от восстановленных субстратов (например, НАДН или ФАДН₂) к кислороду через цепь переносчиков, локализованных в митохондриальных мембранах. Основными элементами этой цепи являются металлосодержащие белки — флавопротеины, железо-серные центры, цитохромы и медьсодержащие комплексы.
Железо-серные белки (Fe–S-белки) содержат кластеры типов [Fe₂S₂], [Fe₃S₄] и [Fe₄S₄], в которых атомы железа координированы серой неорганического происхождения и остатками цистеина. Эти кластеры функционируют как однократные переносчики электронов, изменяя степень окисления железа между Fe²⁺ и Fe³⁺. Высокая подвижность электрона в таких системах обусловлена делокализацией зарядов внутри кластера и их стабильностью в белковой матрице.
Цитохромы представляют собой гемопротеины, содержащие комплекс железа с порфириновым лигандом — протопорфирином IX. В зависимости от химической природы боковых цепей и белковой среды различают цитохромы a, b и c. Цитохромы функционируют как переносчики электронов, чередуя состояния Fe²⁺/Fe³⁺, при этом потенциалы окислительно-восстановительных пар варьируются в диапазоне от –0,3 до +0,4 В. Эта вариабельность позволяет им участвовать в многоступенчатом энергетическом градиенте дыхательной цепи.
Медь участвует в последней стадии дыхательной цепи, в составе цитохромоксидазы (комплекс IV). Фермент содержит два активных центра: Cu_A и Cu_B. В Cu_A электроны переходят с цитохрома c на медь, а затем передаются к би-нуклеарному центру Fe–Cu_B, где происходит четырёхэлектронное восстановление кислорода до воды. Участие меди в каталитическом цикле обеспечивает эффективную активацию O₂ и предотвращает образование токсичных промежуточных радикалов.
Фотосинтез — это процесс преобразования световой энергии в химическую, осуществляемый фотосинтетическими организмами. Его основой служат два фотосистемных комплекса (ФС I и ФС II), содержащие металлокомплексы, ответственные за светопоглощение и перенос электронов.
Главный пигмент фотосинтеза — хлорофилл, представляющий собой координационный комплекс магния с тетрапиррольным кольцом — хлорином. Магний в центре молекулы стабилизирует макроцикл и способствует эффективной делокализации π-электронов, что определяет спектр поглощения и фотохимическую активность. Возбуждённое состояние хлорофилла инициирует первичный перенос электрона, образуя хлорофилльный катион-радикал и акцепторный анион.
Ключевым элементом ФС II является оксигенэволюционирующий комплекс (ОЭК), содержащий тетраядерный кластер Mn₄CaO₅. Этот многоядерный комплекс катализирует окисление воды с выделением молекулярного кислорода. Процесс протекает по ступеням, известным как S-состояния (S₀–S₄), в ходе которых марганец проходит последовательные изменения степени окисления от +III до +IV и +V. Важную роль играет кальций, стабилизирующий структуру комплекса и участвующий в переносе протонов.
После фотохимического возбуждения электрон проходит через цепочку переносчиков: пластохинон, цитохром b₆f, пластоцианин и далее к ФС I.
ФС I содержит цепочку железо-серных центров типов [Fe₄S₄] (центры A и B), которые обеспечивают передачу электрона к ферредоксину, далее участвующему в восстановлении NADP⁺ до NADPH. Эти комплексы обладают очень низким редокс-потенциалом (до –0,6 В), что делает их мощными восстановителями и завершает цикл электронного транспорта.
Обе системы представляют собой редокс-цепи, состоящие из металлокомплексов, объединённых в мембранные белковые структуры.
Активность биометаллических комплексов определяется не только типом центрального атома, но и геометрией координации и природой лигандов. Например, изменение спинового состояния железа в цитохроме контролирует его редокс-потенциал; у меди в пластоцианине тетраэдрическая искаженность лиганда стабилизирует Cu⁺; а дисторсии октаэдрического окружения Mn в ОЭК обеспечивают накопление окислительных эквивалентов без разрушения структуры.
Комплексные соединения также обеспечивают регулирование реакций за счёт изменения окислительно-восстановительного состояния металла, передачи протонов и электронов по цепи, а также участия в кооперативных механизмах с органическими кофакторами.
Все металлокомплексы, участвующие в дыхании и фотосинтезе, функционируют как молекулярные преобразователи энергии. Они создают потенциал между окисленной и восстановленной формами, управляют направлением потока электронов и позволяют аккумулировать энергию в химически устойчивых формах — АТФ, НАДФН, углеводах. Именно благодаря координационным структурам металлов живые организмы способны эффективно использовать как химическую, так и световую энергию.