Терлецкий Давидович - Металлы, которые всегда с тобой

• Название: Металлы, которые всегда с тобой
• Автор: Терлецкий Давидович
• Издательство: Знание
• Жанр: Природа и животные
• Год: 1986

Металлы, находящиеся в незначительных количествах внутри живого организма, называют микроэлементами. Это не случайные примеси, а важнейшие составляющие биологически активных веществ: они обеспечивают нормальный ход биохимических процессов, стимулируют обмен веществ, активно участвуют в кроветворении, влияют на рост, размножение и наследственность организмов. Вот почему их еще называют металлами жизни. Эта книга о десяти важнейших биометаллах, о трудном пути познания роли для всего живого...

---

Эти и другие подобные заявления вызвали панику среди легковерных людей. Сразу же нашлись пропагандисты бессолевых диет. И многие из одной крайности бросились в другую.

Между тем известно: и кроме соли причин для возникновения гипертонии в наш век предостаточно. Это и гиподинамия— недостаток движений, и стрессы, и дефицит свежего воздуха, и ещё многое другое. По всей вероятности, аборигены, попав в круговерть цивилизации, оказались под воздействием также и всех этих пагубно влияющих на здоровье факторов.

Так что Давайте не забывать: соль совершенно необходима организму, и её дефицит, может быть, не менеё вреден, чем избыток. Только врачи строго индивидуально могут назначать определённую солевую диету.

Известный советский диетолог академик А. А. Покровский разработал научно обоснованную теорию сбалансированного питания. Из неё, в частности, следует, что для нормального здорового человека оптимальная доза соли 10—15 г в день.

Чтобы пройти сквозь стену

Металлы-братья натрий и калий, попадая в организм, выполняют разнообразные функции. Однако здесь, находясь в виде ионов, они действуют по разные стороны стенки клетки. Стенка клетки не только отделяет её от внеклеточного пространства, но и является, считая упрощённо, полупроницаемой мембраной, разделяющей растворы разной концентрации. Такая мембрана испытывает действие сил, стремящихся выровнять концентрации растворов по обе её стороны. Это явление известно под названием «осмоса» (от греческого «осмос» — давление) и играет важную роль в так называемом пассивном транспорте различных вещёств в клетку и из неё. Как это получается?

Если концентрация клеточного раствора ниже, чем в окружающей среде, то вода, этот универсальный растворитель в живых системах, стремится вытекать из клетки для уравнивания концентраций. Поэтому объем внутриклеточной жидкости уменьшается, и клетка под действием наружных осмотических сил начинает сжиматься. Когда концентрация клеточного раствора выше, чем снаружи, вода устремляется в клетку, и она может разбухать до тех пор, пока не лопнет. Это — осмотический шок. Но его можно избежать, если мембрана проницаема и для растворённого вещёства, которое начинает переходить из более концентрированного раствора в разбавленный. Таким образом, вещёства начинают двигаться, диффундировать.

Итак, мембраны — это сложные биологические структуры, состоящие из белков и жироподобных вещёств — липидов. Мембраны разделяют как саму клетку, так и внутренние её образования: ядра, митохондрии, хлоропласты растений. Мембрана — не просто граница, не просто стена, это непосредственный и важнейший участник обменных процессов. Мембраны пропускают в клетку питательные вещёства и выводят наружу отходы жизнедеятельности. С помощью их белковых компонентов осуществляются внутриклеточное дыхание и фотосинтез. Они являются рецепторами запаха, вкуса, цвета, играют важную роль при передаче нервного импульса. Мембраны находятся в постоянном движении, мерцая, пульсируя, обновляясь. Их значение настолько велико, а свойства так разнообразны, что они привлекли к себе внимание не только биохимиков, но и других специалистов из различных областей естествознания и техники. Известные исследователи биомембран А. Котык и К- Яначек (Чехословакия) заметили по этому поводу: «Представление о том, что все явления, свойственные живым организмам, в той или иной степени связаны с клеточными мембранами, становится столь же популярным, как и часто цитируемый афоризм Энгельса «жизнь есть форма существования белковых тел».

Итак, ионы, мембраны и осмос — основные действующие лица переноса вещёств. Но взаимодействие их чрезвычайно сложно и до конца не Вполне ясно. Поэтому пока что объяснить этот механизм, как и многие другие процессы проявления жизни, можно лишь с помощью гипотезы. Дело в том, что обычно частицы растворённого вещёства несут ещё и электрические заряды. В связи с этим их диффузия через мембрану зависит не только от разности концентраций, но и от разности электрических потенциалов. А наши металлы — калий и натрий находятся в растворе в виде катионов — положительно заряжённых ионов. В противоположность им ионы хлора — составная часть хлористого натрия и хлористого калия заряжёны отрицательно (их называют анионами). В результате того, что ионы хлора более подвижны, чем ионы калия и натрия, они будут быстрее диффундировать в менеё концентрированный раствор, и вскоре он окажется заряжённым отрицательно, так как в нем будут преобладать анионы. По другую сторону мембраны раствор с катионами будет заряжён положительно. Так возникает разность потенциалов...

Вот, оказывается, зачем мы солим пищу: чтобы снабдить организм положительными и отрицательными ионами. К тому же ионы хлора необходимы для образования соляной кислоты, которая, как мы Знаем, входя в состав желудочного сока, участвует в процессе пищеварения. Когда впервые было обнаружено, что в соках нашего организма присутствует самая настоящая кислота, многие медики отказывались в это поверить.

Перемещёние ионов по градиенту концентрации от большей её величины к меньшей — вполне естественный процесс, и в нем бы не было ничего удивительного, если бы в живой клетке он не протекал слишком быстро. Теоретические расчёты показывают, что пассивный транспорт некоторых вещёств в клетку должен был бы происходить гораздо медленнеё, чем это имеет место на самом деле.

Мало сказать, что такой перенос назвали пассивным (об активном речь впереди), его к тому же нарекл и и облегчённой диффузией. Дело в том, что существуют особые соединения, которые способствуют переносу ионов и даже молекул через мембраны. Открытие этих вещёств раздвинуло горизонты научного поиска и привело к совершенно удивительным результатам.

Проводники-невидимки, или Чудеса в решете

Предположение, что существуют вещёства, способные ускорять перенос ионов из растворов электролитов через мембраны, не ново. Оно высказывалось ещё в начале 30-х годов, но подтвердилось лишь через 30 лет. В 1955 году немецкие исследователи X. Брокманн и Г. Шмидт-Кастнер из штамма одной из разновидностей плесени выделили антибиотик валиномицин. Это вещёство привлёкло внимание многих учёных мира. В 1964 году американский исследователь В. Прессман установил, что валиномицин обладаёт способностью образовывать комплексы со щелочными металлами и резко увеличивает способность переноса их ионов через мембраны.

Этим вещёством заинтересовались и советские учёные. Один из основателей биоорганической химии академик М. М. Шемякин, организатор и первый директор Института химии природных соединений (ныне Институт биоорганической химии, носящий его имя), в 1965 году расшифровал химическую структуру и осуществил синтез валиномицина. Несколько позже были получены и его искусственные аналоги. Переносчики ионов щелочных металлов получили название ионофоров. Валиномицин — первое соединение, признанное ионофором, причислили к пептидам — вещёствам, состоящим из остатков аминокислот, соединённых пептидной связью. Пептиды образуют обширный класс биологически активных соединений, к которому относятся антибиотики, различные гормоны, токсины и другие вещёства.

Антибиотики-ионофоры в последнее время прочно вошли в арсенал биохимии и биофизики как эффективные инструменты для исследования процессов, связанных с транспортом ионов через биологические мембраны. Ионофоры имеют разнообразное строение и принцип действия. Одни из них являются самыми настоящими переносчиками: цепляя к себе ион, они буквально протаскивают его через мембрану. Другие ионофоры образуют в биомембранах проницаемые для ионов поры, или каналы. Интересно, что валиномицин, относящийся к ионофорам-переносчикам, имеет макроциклическую структуру, иными словами — кольцо.

Другой антибиотик — грамицидин А (также являющийся продуктом жизнедеятельности плесневых грибков), относящийся к «канальным» ионофорам, имеет линейную структуру. Это изображено на рис. 16.

Самой, пожалуй, удивительной особенностью ионофоров оказалась их способность к избирательному транспорту ионов. Если для грамицидина все равно, какие ионы проводить через мембрану — калия или натрия, то валиномицин в этом отношении оказался совершенно уникальным (чем и привлёк к себе пристальное внимание). Этот ионофор может проводить в 10 тыс. раз (!) больше ионов калия, чем натрия. А в искусственных мембранах, которые в обычных условиях одинаково непроницаемы для ионов этих металлов, валиномицин способствует переносу 100 тыс. ионов калия на один ион натрия. Вот так работает этот «бублик».

Природа, однако, игнорировала такие «бублики» для пропуска ионов через мембраны. Она пошла по пути использования особых канальных белков, которые образуют в мембранах проходы для ионов. Тем не менее исследование ионофоров представляет исключительный интерес, так как позволяет изучить влияние различных катионов, в особенности натрия и калия, на внутриклеточные процессы.