Основы биохимии - Филиппович Ю. Б. 1999

Водный и минеральный обмен
Минеральный обмен

Огромную роль в развитии представлений об обмене минеральных соеди­нений сыграли работы К. А. Тимирязева, а его исследование о значении цинка в питании растений (1872) было одной из первых работ, положивших начало учению о микроэлементах. Наверное, это не было случайностью, так как согласно современным данным Zn является рекордсменом по числу Zn-зависимых ферментов — их насчитывается уже 120. В блестящих работах В. И. Вернадского (1922) показана теснейшая связь состава организмов с со­ставом земной коры, а в трудах его ученика — А. П. Виноградова (1939) развита идея о биогеохимических провинциях, суть которой сводится к установ­лению тончайшей взаимосвязи элементов в системе почва — растения — жи­вотные. Следствием избытка или недостатка того или иного элемента в биогео­химической провинции являются эндемии — заболевания растений и живот­ных. На современном этапе развития учения о минеральном обмене все более прослеживается связь между биологической активностью и строением атома и, следовательно, местоположением его в периодической системе элементов Менделеева.

Изучение роли минеральных элементов в обмене веществ недавно привело к возникновению новой науки — бионеорганической химии (или неорганической биохимии), предмет которой охарактеризован выше (см. Введение).

Участие минеральных веществ в формировании третичной и четвертичной структуры биополимеров. Наиболее фундаментальный механизм участия мине­ральных соединений в процессах жизнедеятельности связан прежде всего с их способностью соединяться с высокомолекулярными веществами — белками и нуклеиновыми кислотами. В результате указанного взаимодействия ионы металлов наряду с другими факторами обеспечивают поддержание определен­ной пространственной конфигурации биополимеров, которая далеко не безразли­чна для проявления биологической активности макромолекул. Таким образом, нормальное осуществление белками ферментативной, гормональной и других функций, беспрепятственная реализация информации, заключенной в нукле­иновых кислотах, образование надмолекулярных комплексов, формирование субклеточных частиц и т. п. немыслимы без участия катионов и анионов.

Приведем несколько примеров для иллюстрации высказанных выше общих положений. В формировании активной формы гормона инсулина (см. с. 451) выдающаяся роль принадлежит Zn²⁺. Возможно, что отсутствие должного уровня гормональной активности у синтетического инсулина связано с ка­кими-то тонкими особенностями структуры, которые препятствуют возник­новению биологически активного комплекса протомеров с Zn²⁺. Та или иная конформация молекул высокополимерной РНК в огромной степени определя­ется ионной силой раствора, а многие двухвалентные катионы (Cr, Ni, Fe, Zn, Mn и др.) принимают непосредственное участие в формировании спиральной структуры нуклеиновых кислот.

Очень яркой иллюстрацией участия катионов в образовании надмо­лекулярных структур является зависимость процесса ассоциации — диссо­циации рибосом от концентрации Mg²⁺(см. с. 285); он же стабилизирует третичную структуру тРНК. Деятельность подавляющего большинства ферментов, принимающих участие в свободном и сопряженном с фосфорили­рованием окислении органических соединений, немыслима без участия ионов Fe и Сu.

Число подобных примеров можно было бы умножить. Все они свидетельст­вуют о том, что становление структуры биополимеров и биокомплексов в значительной мере определяется наличием или отсутствием достаточного количества тех или иных катионов и анионов в клеточном содержимом. Поэтому естественно, что минеральные вещества оказывают огромное влияние на ход ферментативных процессов, обмен различных соединений, формообразователь­ные процессы и т. п. Роль их в жизнедеятельности организмов очень велика.

Участие минеральных веществ в ферментативном катализе. Действие более четвертой части известных в настоящее время ферментов тем или иным образом связано с металлами. В большинстве случаев ионы металлов вступа­ют в непрочную связь с апоферментом, образуя с ним легко распадающийся комплекс. В виде комплекса с металлом фермент проявляет максимальную активность, приобретая соответствующую пространственную конфигурацию. Таким образом, здесь ионы металлов выступают как организаторы третичной структуры фермента, в частности как организаторы активных центров фермен­тов. Именно так обстоит дело при взаимодействии ионов одновалентных металлов более чем с 60-ю и ионов цинка более чем с 30-ю ферментами животного, растительного и бактериального происхождения. Велика роль отдельных катионов в формировании ферментов—мультимеров, где связь между отдельными протомерами осуществляется при участии ионов метал­лов. К числу таких катионов относятся Mg²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, Са²⁺ и др. Особенно подробно в указанном смысле изучена ос-амилаза. В присутствии Са²⁺ стабилизируются третичная и четвертичная структуры этого фермента, устойчивые по отношению к пептидгидролазам желудочно-кишечного тракта.

Гораздо реже ионы металлов образуют с белком-ферментом прочное со­единение. В этом случае металл не отделяется от фермента при диализе или пропускании через ионообменник, т. е. фермент представляет собой истинный металлопротеин. Так, например, осуществляется соединение ионов Сu и Fe в железосерных белках и синих оксидазах (см. с. 414). В какой-то мере упомя­нутым металлопротеинам подобны селенопротеины, привлекающие внимание в последнее время (в их числе такие ферменты, как формиат- и ксантиндегид­рогеназа, тиолаза, глутатионпероксидаза и др.).

Достаточно широко распространено участие ионов металлов в действии ферментов путем вступления ионов металлов в состав простетической группы ферментов. Классическим примером ферментов подобного типа могут слу­жить цитохромы.

Наконец, многие катионы (Mg²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺и др.) активно участвуют в ферментативном катализе, связывая на короткое время очень непрочными связями либо субстрат и фермент (при возникновении фермент-субстратного комплекса), либо кофермент с апоферментом (в двухкомпонентных ферментах). Примеры первого рода весьма многочисленны; они характеризуют одно из самых старых представлений о возможной роли катионов в ферментативном катализе. Образование тройного фермент-металл-субстратного комплекса от­мечено при действии аргиназы, пептидгидролаз, карбоксилаз и многих других ферментов. Примером второго рода может служить присоединение флавинового кофермента к апоферменту при посредстве ионов Fe, Mo, Cu и Zn.

В табл. 26 приведены некоторые данные об активировании катионами металлов некоторых ферментативных процессов.

Благодаря тому что минеральные соединения тесно связаны с фермента­тивными реакциями, они практически влияют на все стороны обмена веществ. Рассмотрим конкретно, в чем выражается зависимость обмена нуклеиновых кислот, белков, углеводов и липидов от содержания тех или иных катионов и анионов.

Минеральные соединения н обмен нуклеиновых кислот. Ряд катионов прини­мает непосредственное участие в поддержании вторичной и третичной структур ДНК и РНК. В частности, эта функция приписывается ионам Fe, Cu, Mn, Zn, Со и Ni, обнаруженным в чистейших препаратах ДНК и РНК. В присутствии некоторых из перечисленных катионов повышается температура плавления нуклеиновых кислот, что свидетельствует о более высокой стабильности их молекул. Предполагают, что указанная стабилизация достигается благодаря возникновению межмолекулярных сшивок через ионы металлов по типу «слоеного пирога». Аналогично этому ионы металлов принимают участие в строении нуклеопротеинов, связывая молекулы белков и нуклеиновых кис­лот. Вместе с тем обнаружено, что тяжелые металлы (медь, ртуть, кадмий и цинк) изменяют основные этапы реализации генетической информации (синтез ДНК, РНК и белка) у бактерий, водорослей и простейших.

Таблица 26 Ферменты, активируемые катионами металлов

Почти все ферменты, ускоряющие реакции распада и синтеза нуклеиновых кислот, нуклеотидов, нуклеозидов, пуриновых и пиримидиновых оснований, активируются ионами металлов. Особенно велика роль Mg²⁺: он активирует ДНК-полимеразу и РНК-полимеразу, полинуклеотидфосфорилазу, нуклеотидазу, РНКазу, ДНКазу и ряд других ферментов нуклеинового обмена. Ионы Са и Ва увеличивают, a Zn уменьшают активность РНКазы. Недавно установ­лено, что Zn²⁺ необходим для функционирования ДНК-полимераз и обратной транскриптазы. Распад ДНК под действием ДНКазы повышается в присут­ствии Mn²⁺, Са²⁺, Fe²⁺и Со²⁺. Ионы Мn активируют фосфодиэстеразы, ионы Мо — ксантиноксидазу, а ионы меди тормозят действие последней. Se⁴⁺ избирательно ингибирует транскрипцию рибосомальных генов; аналогично этому соединения La, Pr, Nd и Sm тормозят биосинтез РНК в ядрах клеток печени.

Интересные данные получены о роли бора в обмене нуклеиновых кислот. В отличие от всех других элементов он не является кофактором или активатором ферментов. Однако при отсутствии бора сильно тормозится новообразование нуклеиновых кислот и усиливается их распад вследствие повышения активности РНКазы. Предполагают, что влияние бора на обмен нуклеиновых кислот связано с его участием в окислительном фосфорилирова­нии и синтезе нуклеозидтрифосфатов — исходных соединений для биосинтеза нуклеиновых кислот. Не меньшее значение для сопряжения окисления с фос­форилированием имеет Mg²⁺, так как комплекс Mg^{2+ ∙} АДФ непосредственно участвует в АТФ-синтазной реакции (см. гл. X).

В последнее время все большее значение придают роли ионов Си и Мо в обмене нуклеиновых кислот.

Роль минеральных элементов в обмене белков. Распад и синтез белковых тел в значительной степени зависят от ряда минеральных элементов. Ионы Мn, Fe, Zn, Со и Ni повышают активность пептидгидролаз и аргиназы, т. е. участвуют в деструкции белков. Биосинтез белков идет при непосредственном участии ионов К, Mg и Мn. Первый и второй необходимы для поддержания рибосом в функционально активном состоянии, причем от концентрации Mg²⁺ зависит уровень помех в кодон-антикодоновом взаимодействии. Третий обес­печивает осуществление пептидилтрансферазной реакции при сборке полипеп­тидной цепи. Ионы Ni влияют на высвобождение многих пептидных гормонов по завершении их биосинтеза, а ионам Са принадлежит центральная роль в функционировании сократительных белков. Сu²⁺-содержащий белок мито­хондрий — митохондрокупреин, представляет депо меди для синтеза цитохромоксидазы.

Вопрос о роли минеральных элементов в обмене аминокислот разработан еще недостаточно, однако следует отметить большое значение ионов Со в биосинтезе метионина, Mg и Мn — в реакциях обмена аминокислот, связан­ных с переносом одноуглеродных фрагментов (синтез серина из глицина, цитруллина — из орнитина и карбамилфосфата и др.), Fe — в превращении фенилаланина в тирозин, Zn — во включении глицина в глутатион печени, Se — в окислении HS-групп радикалов цистеина в белках.

Участие минеральных соединений в обмене углеводов и липидов. Различные катионы принимают активное участие в распаде и синтезе как непосредственно углеводов и липидов, так и продуктов их деструкции, претерпевающих окон­чательное разрушение в цикле трикарбоновых и дикарбоновых кислот.

Центральным элементом в гликолитическом процессе является Mg: он активирует большинство ферментов гликолиза. В ряде случаев (гексокиназная реакция, переход от 1,3-дифосфоглицериновой кислоты к 3-фосфоглицериновой кислоте и от 2-фосфоглицериновой кислоты к фосфоенолпировиноградной кислоте) он может быть заменен Мn. Значение Са²⁺ для поддержания струк­туры а-амилазы отмечено ранее; подчеркнем лишь, что лантаниды, например Lu³⁺, столь же успешно активируют а-амилазу, как и Са²⁺. Новообразование углеводов в процессе фотосинтеза невозможно без участия магния (составная часть хлорофилла), марганца (участвует в фотосинтетическом фосфорилирова­нии) и железа (необходимо для биосинтеза хлорофилла). Ряд других элементов (Cu, Zn, Mo, Со и В) не безразличен для хода фотосинтеза.

Распад липидов, как простых, так и сложных, активируется Са²⁺, так как этот катион положительно влияет на деятельность липазы, фосфолипаз А и С и липопротеинлипазы. ß-Окясление ацил-КоА идет более энергично в присутствии ионов Сu и Fe. При синтезе ацетил-КоА, фосфохолина и холин­фосфатидов необходим Mg²⁺.

Заключительный этап аэробного распада углеводов и липидов при посред­стве цикла трикарбоновых и дикарбоновых кислот (дыхание) осуществляется при активном участии Мn²⁺, который активирует почти все ферменты цикла Кребса. Аналогичное действие присуще Mg²⁺ и в некоторых случаях Со²⁺ и Zn²⁺.

Обмен минеральных веществ. Минеральные вещества, поступающие в рас­тительный или животный организм и необходимые для осуществления в нем тех или иных функций, задерживаются в организме, образуя в подавляющем большинстве случаев специфические соединения. Концентрирование элементов в живой природе видоспецифично и наследственно. Так, свыше 150 растительных видов (пасленовые, лютиковые и др.) накапливают Li, плауны — AI, морские водоросли — I (в виде производных тирозина) и поливалентные металлы (в количестве 10⁸ т ежегодно), обыкновенный мухомор — Se (в виде Se-цистеина, где Se заменяет S) и т. п.

Из макроэлементов Са и Р у высших животных образуется фосфат каль­ция — основа костной ткани. Сера в значительной мере вступает в состав органических соединений (HS-группы аминокислот, пептидов и белков, HО₃S-группы в гетерополисахаридах). Фосфор также весьма часто присутствует в виде органических производных (фосфорные эфиры, фосфопротеины и пр.). Для Mg, К и Na характерна ионная форма существования, уравновешенная в основном анионами хлора, фосфата и карбоната. Mg и Fe широко представ­лены в составе хлорофилла и гемоглобина.

Микроэлементы в большинстве своем вступают во взаимодействие с бел­ками и нуклеиновыми кислотами либо непосредственно, либо предварительно включаясь в состав простетических групп органической природы.

Хотя, по-видимому, и не всегда, но в большинстве случаев минеральные вещества, бесполезные для организма, не усваиваются. Примером может служить кремнекислота: при 5%-ном уровне ее содержания в скармливаемой животным зеленой массе растений (на сухое вещество) кремнекислота не усваивается животными, полностью выводится с экскрементами и использует­ся как инертный носитель для расчета усвояемости корма. Вместе с тем появились данные о возможном участии кремниевой кислоты в созревании коллагена и образовании протеогликанов, а также о положительном влиянии ряда кремнийорганических соединений на продуктивность животных.

Обмен ряда минеральных элементов протекает весьма энергично. Это особенно ярко выявляется в тех случаях, когда элемент экскретируется из организма в составе какого-либо нормального продукта жизнедеятельности. Так, у млекопитающих большие количества Са и Р выводятся из организма в процессе лактации. Но и в составе клеток отдельные элементы обменивают­ся достаточно интенсивно, что выражается в изменении их концентрации в субклеточных структурах и компартментах клетки, а также активном перено­се через мембраны. С участием разнообразных бактерий Hg, As, Те, Tl, Au, Pb, Sn и Cd метилируются с образованием крайне токсичных продуктов (Hg, Pb), гибельных для животных в нанограммовых количествах, хотя человек может переносить дозу метилртути в 0,03 мг ежедневно без каких-либо последствий.

Характерной особенностью обмена минеральных элементов является, с од­ной стороны, взаимозаменимость ряда из них и, с другой — антагонизм дей­ствия. Так, в ферментативных процессах, там, где К⁺, NH₄или Rb⁺ выступа­ют как активаторы (например, при действии альдегиддегидрогеназы из дрож­жей), Na⁺, Li⁺ или Cs⁺являются ингибиторами. В таких же отношениях находятся Mg²⁺ и Са²⁺, Мn²⁺ и Zn²⁺, Ni²⁺и Cu²⁺и т. п. Однако для ионов Ni, с одной стороны, и Zn и Fe — с другой, характерен синергизм действия.

Изменение валентности элемента в процессе его обмена сопровождается резкой сменой его физиологической активности. Так, Сr³⁺ стимулирует белко­вый, углеводный и липидный обмен у человека и животных, а Сr⁶⁺ блокирует окислительное фосфорилирование в их митохондриях.

Значение минеральных веществ в сельском хозяйстве. Широкое участие минеральных соединений в построении тканей животных и растений, в обес­печении структурных особенностей биополимеров и в разнообразных биохи­мических процессах в организме определяет их громадное значение для рас­тениеводства, животноводства и медицины.

Выдающаяся роль в разработке теоретических аспектов минерального питания и практического приложения их в сельском хозяйстве принадлежит К. А. Тимирязеву и его ученику Н. Д. Прянишникову. Намеченная ими широ­кая творческая программа проникновения химии в сельское хозяйство, полу­чившая название химизации, энергично проводилась в жизнь в нашей стране.

Занимая второе место в мире по производству минеральных удобрений, наша химическая промышленность освоила выпуск ряда новых их видов (нитрофоска, мочевина, обесфторенные фосфаты и др.). Принципиально важен переход на концентрированные удобрения, без балластных веществ. Ряд про­блем возник в связи с необходимостью упорядочения применения удобрении в сельскохозяйственном производстве (проблема нитратов и нитритов, засоле­ние почв, использование отстойных масс с полей орошения, цветение водо­емов и др.), а также техногенном загрязнении среды минеральными элемен­тами в концентрациях, губительных для окружающей природы. Их решение может быть достигнуто лишь при посредстве мероприятий в рамках глобаль­ных экологических программ.    

База для производства калийных и азотных удобрений безгранична. Одна­ко залежей фосфоритов хватит всего на несколько десятилетий, но есть надежда, что удастся найти и использовать фосфаты вулканического проис­хождения. Что касается микроэлементов, то современная химическая про­мышленность полностью удовлетворяет в них запросы сельскохозяйственного производства. Важнейшее значение имеет переход на использование плохо растворимых, медленно гидролизуемых и долго сохраняющихся в почве удоб­рений (такими свойствами, например, обладает соль MgNH₄PO₄). Планирует­ся освоить выпуск комплексных удобрений (особенно на основе мочевины, обладающей способностью к комплексообразованию) и сложных смесей удоб­рений.

В животноводстве широко применяют подкормку сельскохозяйственных животных соединениями Na, К, Ca, Р, Cu, I, Со, Mn, Zn и других элементов. При этом животные лучше усваивают корм, прибавляют в массе. Продук­тивность животноводства при использовании полностью сбалансированных по минеральным элементам и другим составным частям рационов возрастает в среднем на 10%. При откорме крупного рогатого скота включение в рацио­ны макроэлементов дает 11—14%, а микроэлементов — 12—15% прироста живой массы по сравнению с контрольными группами животных.