Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 1 - Д. Мецлер 1980
Молекулы, из которых мы состоим
Некоторые малые молекулы и ионы
Неорганические компоненты
В клетках содержится большое количество малых органических молекул и ионов металлов. К ним относятся коферменты (гл. 8) — специфические соединения, катализирующие в комплексе с ферментами химические реакции, которые в их отсутствие практически не идут.
Часто они выступают в роли окислителей, принимая в ходе окисления электроны от восстановленных органических соединений и передавая их далее кислороду. Коферменты переносят также электроны, необходимые для процессов восстановления, например в ходе идущего под действием света фотосинтеза. Исключительно велика во внутриклеточном энергетическом обмене роль аденозин-5'-трифосфата (АТР) и родственных ему соединений (дополнение 3-A). Важные функции внутри клеток выполняют гормоны и другие низкомолекулярные регуляторные соединения, а также целый ряд промежуточных продуктов метаболизма (промежуточных метаболитов).
Твердые компоненты клеток состоят главным образом из элементов С, Н, О, N, S и Р. Однако после сжигания отдельной ткани или всего организма в образующейся золе (обычно она составляет по весу 3—5% всего твердого вещества, но в минерализованных тканях ее значительно больше) присутствуют и многие другие химические элементы. Среди катионов относительно высоко содержание Na+, К+, Са2+ и Mg2+. В организме человека при весе 70 кг содержится 1050 г Са (в основном в костях), 245 г К, 105 г Na и 35 г Mg. Далее идут железо (3 г), цинк (2,3 г) и рубидий (1,2 г). Из этих трех элементов жизненно важными являются железо и цинк, а рубидий, вероятно, необязателен.
Другие элементы, относящиеся к металлам, в организме человека присутствуют в количестве менее 1 г каждый, но по крайней мере семь из них играют существенную роль. К ним относятся медь (100 мг), марганец (20 мг) и кобальт (~5 мг). Роль других элементов — хрома (<6 мг), олова и ванадия — для высших животных была выявлена лишь недавно [101 —103]. По всей вероятности, необходимыми являются также никель, свинец и ряд других элементов [10З].
Среди металлоидов в золе преобладают фосфор (700 г для человека), сера (175 г) и хлор (105 г). Помимо этих трех элементов, жизненно важных для всех организмов, высшим животным необходимы селен, фтор, кремний (дополнение 2-Б) и иод, а растениям—бор (рис. 2-33).
Какова вероятность того, что жизненно важными окажутся и другие элементы? Рассмотрим эритроцит человека — диск объемом ~80 мк3, содержащий около 3∙108 молекул белка (преимущественно гемоглобина). В одном эритроците находится 7-105 атомов меди и 105атомов жизненно необходимого элемента олова. Присутствуют также 2∙104 атомов серебра — металла, обладающего токсическим действием. Его концентрация — свыше 10-7 М — достаточно высока, чтобы предположить, что серебро выполняет какую-то важную каталитическую функцию. Так ли это - неизвестно, и скорее всего серебро попадает в наш организм попросту от того, что мы имеем дело с серебряными предметами — монетами, ювелирными изделиями, посудой и т. д. В эритроците содержатся также бор и алюминий (по 3∙105 атомов каждый), мышьяк (7∙105 атомов), свинец (7∙104 атомов) и никель (2∙104 атомов). Из всех элементов периодической таблицы (кончая ураном) лишь четыре (Ас, Ро, Ра и Ra) присутствуют в среднем в количестве менее 1 атома на клетку [101].
РИС. 2-33. Жизненно важные для живых организмов элементы [102] (они расположены в закрашенных клетках). 11 элементов — С, Н, О, N, S, Р, Na, К, Mg, Ca и Cl — составляют 99,9% массы тела человека. Для жизнедеятельности высших организмов необходимо присутствие в следовых количествах еще 13 элементов. Высшим растениям необходим бор; для животных, микроорганизмов и водорослей этот элемент, по-видимому, необязателен.
Некоторые из элементов, считающиеся несущественными, в частности Cs, Rb, Sr и Ni (последний, возможно, существен), относительно нетоксичны. Другие же высокотоксичны, например Sb, As, Ba, Be, Cd, Pb, Hg, Ag, Tl и Th.
Ионный состав тканей и жидкостей тела сильно варьирует. Кровь морских организмов по содержанию Na+, Сl+, Са2+ и Mg2+близка к морской воде. Кровь пресноводных и наземных организмов содержит почти в 10 раз меньше Na и Cl- и в несколько раз меньше Са и Mg, и тем не менее она сравнительно богата этими ионами.
Вообще клетки богаты К+ и Mg2+ (особенно К+), но содержат мало Na+ и Са2+. Из неорганических анионов главное место принадлежит хлориду, но большую часть отрицательных зарядов привносят органические карбоксилатные и фосфатные группы (табл. 2-10), многие из которых входят в состав белков и других макромолекул. По оценкам «Пинга, концентрация аминокислотных остатков, принадлежащих внутриклеточным белкам, обычно составляет 1,66 М. Из этих остатков 10% имеет отрицательно заряженные боковые группы и 8%—положительно заряженные. Получающийся в итоге суммарный отрицательный заряд достигает концентрации 38 мМ [104].