Металлы в живых организмах

А атмосфера? Имеет ли она отношение к жизни? Конечно! Мы ведь дышим кислородом атмосферы, а дыхание живых существ и работа многочисленных заводов обогащает атмосферу углекислым газом. Не все знают, что и появилась-то кислородная атмосфера на Земле именно вследствие деятельности фотосинтезирующих организмов, разлагавших воду и выделявших кислород. Лишь малая часть кислорода, по-видимому, возникла за счет разложения воды ультрафиолетовым излучением Солнца. Кислород, оказавшись в атмосфере, не только способствовал формированию микроорганизмов аэробного типа, но и окислял соединения металлов с низшими степенями окисления: соединения железа (II) превратились в соединения железа(III), оксиды марганца(II) образовали оксиды марганца (IV) и т. д. Живая и неживая природа постоянно влияют химически друг на друга, и было бы странным предполагать, что деятельные и хорошо растворимые соединения многих металлов не будут так или иначе вовлечены в жизненный круговорот.

На основе тех наблюдений, о которых шла речь выше, и начала постепенно развиваться отрасль науки, которую ныне называют бионеорганической химией. В ее задачи входило прежде всего выяснение роли каждого элемента в биологических процессах.

Сведения о функциях классических элементов жизни — углерода, кислорода, водорода, фосфора, серы, азота — достаточно подробны, их расширение составляет цель работы биохимиков. К области биохимии относят и данные о функциях йода и других галогенов. Поэтому на долю бионеорганической химии остаются главным образом металлы. Вспомним, что к металлам относится большинство элементов, и перспективы развития бионеорганической химии по этой причине разнообразны и значительны. Успехи, уже достигнутые на этом пути, в большой мере обусловлены введением в практику новых современных методов исследования, позволивших составить достаточно ясное представление о структуре биологических машин клетки и о месте, которое занимают в таких машинах ионы металлов.

Подводя предварительный итог опытным данным, можно сказать, что особенно важными следует считать ионы меди, железа, цинка, кобальта, марганца, молибдена, кальция, натрия, калия и магния. Это не значит, что остальные металлы не играют биологической роли. Весьма вероятно, что мы просто еще не знаем многого, что составит в будущем содержание бионеорганической химии, и пока вынуждены ограничиться наиболее изученными явлениями, относящимися к этой области. Кроме того, даже те металлы, которые при нормальном состоянии организма не занимают в его работе заметного места, можно иногда с успехом применять для лечения заболеваний. Примером этого может служить серебро — некоторые его соединения обладают бактерицидными свойствами, причем уничтожают бактерии даже в очень малых концентрациях, они применяются для этих целей в медицине.

Рассматривая элементы, заполняющие таблицу Менделеева, можно выделить те, из них, которые играют особенно важную (и лучше изученную) роль в процессах, поддерживающих жизнь и развитие организмов, — так называемые биогенные элементы. Кроме уже известных легких элементов Н, О, С, N, P, S, Mg, Ca, Na, К, мы найдем и более тяжелые — Fe, Co, Cu, Zn, Cr, Mn, Мо и др., относительно функций которых сведения не всегда достаточно полны (это относится, например, к хрому).

Основная масса биологически активных металлов расположена в средней части первого большого периода и относится к переходным элементам. Исключение составляют только четыре металла: натрий, калий, магний, кальций, которые содержатся в организмах в сравнительно больших количествах. Роль лития неясна, хотя и он, по-видимому, выполняет какие-то биологические функции, по крайней мере, в растениях.

Переходные элементы содержатся в организмах в очень малых количествах, и уже из этого можно сделать осторожный вывод, что их значение (доказанное прямым опытом!) должно быть связано с катализом. Ведь именно активные катализаторы могут способствовать быстрым изменениям состава вещества, действуя в малых концентрациях. В дальнейшем мы увидим, что такое предположение в большинстве случаев оказывается верным. Но вышеназванные металлы могут еще выполнять (вместе с органическими соединениями) и другую работу — переносить с места на место группу атомов или целые молекулы, закреплять молекулы в определенном положении, поворачивать их, поляризовать и т. п.

Таблица 2. Влияние недостатка и избытка металлов на состояние растений и животных