Металлы в живых организмах - [4]

А ведь в клетках организма процессы окисления идут очень быстро. Так, например, утомленный бегун на финише восстанавливает силы буквально за несколько минут, выпив раствор глюкозы.

Почему же организм так легко справляется с задачей ускорения нужных ему реакций? Ответ на этот вопрос не вызывает сомнений у биохимиков: потому, что в клетках имеются мощные катализаторы — ферменты, стимулирующие при невысоких температурах реакции окисления.

Можно попробовать зажечь кусочек сахара — он загорится с трудом лишь при энергичном нагревании в пламени газовой горелки. Но попробуйте нанести на его поверхность немного порошка оксида меди — в этом случае сахар удастся зажечь просто от пламени спички. Иногда этот опыт проделывают, применяя вместо оксида меди табачную золу, — она содержит малые количества оксидов металлов и также проявляет ускоряющее действие. Что же здесь играет роль катализатора? Конечно, металл! Металл в ионном состоянии. Соединения меди, железа, марганца, ванадия, кобальта и других в большом числе реакций действуют как катализаторы окислительно-восстановительных реакций. Нет такого органического соединения, не содержащего металла, которое обладало бы столь сильно выраженными каталитическими свойствами в реакциях окисления.

Но, кроме катализа, в биологических машинах осуществляется еще один процесс, который и в технических машинах, и на заводах играет большую роль. Этот процесс — транспорт! Переносы полуфабрикатов из цеха в цех или в сложных машинах от одной части к другой совершенно необходимы для нормальной работы, они должны совершаться с определенной скоростью и бесперебойно.

Нечто подобное происходит и в организмах. Нельзя прервать без угрозы для жизни транспорт кислорода от легочных альвеол к клеткам. Известно, что переносчиком кислорода служит гемоглобин, содержащий железо. Нет такого органического соединения, не содержащего ионов металла, которое способно было бы выполнять эту функцию!

После завершения окислительных реакций в крови накапливаются гидрокарбонаты. Кто не знает, что мы выдыхаем диоксид углерода СО2! Но многим не приходит в голову, что сами по себе гидрокарбонаты вовсе не так быстро разлагаются с выделением угольной кислоты (а затем и диоксида углерода), чтобы реакция разложения могла совершиться в надлежащей мере за время одного вдоха.

Налейте в стакан раствор питьевой соды (это и есть гидрокарбонат натрия) и проследите за его состоянием в течение нескольких часов. Если опыт проделать при комнатной температуре, вы вообще ничего не обнаружите, если же раствор нагреть до 37°С, то признаки выделения газа будут еле заметны.

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).