Металлы в живых организмах

Что же помогает нам дышать? За счет чего ускоряется разложение гидрокарбонатов до СО₂? Оказывается, тут действует органическое соединение, содержащее цинк. Опять мы сталкиваемся с наличием в биологических машинах металла. Но ведь в организмах наблюдается и еще одно интересное явление, тоже напоминающее работу завода, — перенос электронов, т. е. появление электрического тока. Врач, исследующий состояние сердца, снимает электрокардиограмму — он исследует токи, возникающие в работающей сердечной мышце. Но не только в сердце, а и в других мышцах организма протекают токи. Нервная сеть проводит электрические импульсы. В процессах окисления также происходит перенос электронов — мы знаем это из школьного курса химии. В клетках такие переносы тоже совершаются, но на большие расстояния; как доказано, электроны, переходя от атома к атому, отдают часть своей энергии, и за ее счет клетка строит сложные молекулы аденозинтрифосфорной кислоты, "начиненные" энергией, — настоящие химические аккумуляторы энергии.

Можно ли осуществить передачу электрического сигнала на большие по сравнению с молекулой расстояния, располагая только прочными органическими соединениями, содержащими лишь ковалентные связи? Теория и опыт говорят нам, что внутри большой органической молекулы возможно движение π-электронов; π-электроны образуют в некоторых молекулах единую общую систему, но заменить ими те потоки электронов, которые появляются при протекании быстрых окислительно-восстановительных реакций, нельзя. Для этого необходим катализатор, содержащий металл.

Передачу нервного импульса также можно осуществить лишь с участием ионов металлов — натрия и калия.

Регулирование работы даже таких биологических катализаторов (некоторых ферментов), которые, казалось бы, не содержат прочно связанного металла, возможно только с помощью ионов металлов (кальция, магния, марганца и др., см. гл. 5).

Итак, биологические машины для своей согласованной работы нуждаются в металлах, и эти металлы должны входить в их состав в виде ионов.

За последние годы получено много данных о концентрации элементов в различных организмах и установлен несомненный факт накопления металлов в клетках простейших (одноклеточных организмов), извлекающих их из воды океанов и морей. Нельзя сказать, что биохимия может объяснить причины концентрирования ряда металлов в клетках, так как функции многих из них остаются неизвестными, но упорное извлечение организмами определенных элементов из морской воды делает вполне вероятным предположение, что живые клетки в какой-то степени нуждаются в них. В таблице 1 показано, насколько увеличивается в среднем концентрация ионов металлов в клетках простейших (эукариотных организмов) в результате их жизнедеятельности по сравнению с концентрацией этих же элементов в окружающей среде (морская вода).

Таблица 1. Накопление металлов в клетках простейших в морской воде

Металл | Увеличение концентрации в организме по сравнению со средой

Цезий, барий, сурьма, висмут | в 10 раз

Цинк, никель, титан, хром, олово, кобальт, кадмий, серебро | в 100 раз

Марганец, железо, медь, теллур, свинец, торий, цирконий, лантан | в 1000 раз

Алюминий | в 10000 раз

В крови человека найдено 76 элементов, из них только 14 не являются металлами. Высказывались предположения (Л. Б. Меклер), что все вообще элементы необходимы для нормальной жизнедеятельности организма.

Исследования в этом направлении проводятся во многих лабораториях, но выводы приходится делать с большой осторожностью. Между степенью концентрирования элемента и его биологической функцией нет прямой и простой связи.

Значение для организма того или иного элемента совершенно не определяется его концентрацией в организме. Так, например, железо и кобальт, содержащиеся в организме в очень малых количествах, жизненно необходимы, и падение концентрации ниже допустимого ведет к тяжелейшим расстройствам. Мы поймем, почему это так, если вспомним, что катализаторы вообще могут производить значительные эффекты, действуя в, малых концентрациях; соединения железа и кобальта (а также ряда других металлов) выполняют в организмах главным образом каталитические функции. С другой стороны, даже те металлы, которые, казалось бы, не выполняют полезной работы в клетке и могут даже повредить ей (см. гл. 12), например свинец, концентрируется в ней в такой же мере, как и железо. Еще более странным кажется накопление алюминия, о функциях которого известно очень мало. Надо иметь в виду, что тяжелые металлы и металлы, образующие катионы с большим зарядом (алюминий), могут захватываться в течение жизни клетки и задерживаться в ней в силу того, что они прочно соединяются с белками.