Литература / Albert_Izbiratelnaya_toxichnost_Tom_2_1989

ролитов, например хлороформа, не зависит от рН. Опыты с этими

неионизирующимися веществами показывают, что изменение

рН не влияет на организм червей. Слабые основания, такие как

кокаин, действуют иначе. Их эффективность возрастает с по­ вышением рН, т. е. пропорционально подавлению их ио­

низации. Аналогичным образом эффективность слабых кислот (четыре изомерных барбитурата) повышается при уменьшении

рН, что также связано с подавлением ионизации. В любом из

этих случаев наркотическое действие снимается отмыванием

червей морской водой. Проведение исследований с червем Arenicola значительно упрощается потому, что изменение рН не влияет на этот организм. Менее удачными оказались опыты по

изучению действия производных хинина на бактерии. Авторы.

проводившие эти эксперименты, полагали, что им удалось по­

казать, что неионизированные молекулы активнее, чем ионы.

так как эффективность этих лекарственных веществ возрастала

при повышении щелочности среды [Z. ImmuпШits, 1922, 34. 194]. К сожалению они не учли ионизирующего действия ще­

лочи на рецепторы бактерий.

10.5.Вещества, проявляющие биологическое действие

ввиде ионов и неионизированных молекул

Вполне вероятно, что многие вещества, особенно со значе­ ниями рКа в пределах от 6 до 8, проникнув в клетки в ви.z:е

неионизированных молекул, проявляют свое биологическое деи­ ствие, как ионы (разд. Так, на рис. 10.11 показано, что поглощение бензойной кислоты дрожжами обратно пропорцио­

нально степени ионизации.

Известно много веществ, у которых биологическая актив­

ность определяется в основном долей присутствующих неиони-

зированных молекул, однако и ионизированная часть вещества

также вносит свой вклад в биологическую активность.

При изучении биологической активности слабо~ кислоты

обычно оказывается, что для получения стандартнои реакции

необходимо одинаковое количество вещества при любых значе­

ниях рН, которые на одну единицу или более ниже значения

рКа, При этих условиях кислота слабо ионизирована (разд.

10.1), а следовательно, ее биологическая активность обуслов­

лена прежде всего неионизированными молекулами. Это иллю­ стрирует левая часть рис. 10.12. Однако если значения рН на~

чинают превышать значения рКа, то для получения постояннои

биологической реакuии потребуется все возрастающее количе­ ство вещества, т. е. для получения постоянного биологического ответа необходимо либо постоянное число молекул (ер. разд.

10.4), либо постоянно убывающее в связи с тем, что анион об­

ладает тем же биологическим действием, что и неионизирован­

10.12 показано

действие бензойной кислоты на плесневой гриб Mucor.

Метод построения подобных кривых был разработан Simon (1950), который обнаружил, что у большинства веществ, наи­ более активных в наименее ионизированном состоянии, ионы тем не менее обладают некоторой активностью. Примером мо­ жет служить фунгицидное действие 2,4-динитрофенола (рКа

4,0) на грибы Trichoderma viride при различных значениях рН

(Simoп, Beevers, 1952].

Многие азотсодержащие гетероциклы, ионизирующиеся с образованием аниона, сильно ингибируют реакцию Хилла при

фотосинтезе (разд. 4.6). Однако было обнаружено, что при

123

понижает его до 6,6. Применяя радиоактивную форму индика­ rора, Addanki, Cahill, Sotos (1967) установили, что внутри ми-

1'Охондрии в состоянии покоя рН 7,74. Считают, что этот инди­

катор для пациентов безвреден.

Другой метод определения рН внутри клетки заключается в

{1980) установили, что в клетках растений рН составляет 7,1 в

цитоплазме и 5,5 в вакуолях. Использованный ими метод за­

ключался в определении химического сдвига пика 31 Р в глюко­

зо-6-фосфате (изменение этой величины в зависимости от зна­

чений рН описывается обычной сигмоидной кривой типа кривой

титрования, приведенной на рис_ 10.1)- Глюкозо-6-фосфат бы~

выбран как наиболее распространенный фосфорилированныи

компонент клетки растений.

Существуют специальные микроэлектроды, которые вводят

в живую клетку и с их помощью регистрируют изменения рН,

происходящие в течение нескольких часов [Thomas, 1974].

С применением индикаторов было установлено, что рН ци­

'Топлазмы животных и растительных клеток составляет 6,8+0,2,

а эти жидкости - хорошие буферы. рН нуклеоплазмы 7,6.

Внешняя поверхность органелл в том случае, если она несет

{)трицательный заряд (например, белковые поверхности), мо­

жет содержать больше водородных ионов, чем цитоплазма

вследствие эффекта дзета-потенциала. У амеб рН цитоплазмы

6,7; рН растительных вакуолей в среднем составляет 5,2, хотя

у некоторых видов вакуолей эта величина значительно ниже;

рН злокачественных тканей млекопитающих часто ниже, чем

{)Кружающих органов, что может быть использовано в терапии (разд. 4.2). Столь низкое значение рН злокачественных тка-

ней, связанное с высокой скоростью анаэробного дыхания, тре­ бует более тщательного подбора значений рКа при создании

карциностатических средств типа азотистых ипритов [Ross, 1961].

Вирусы животных могут заражать организм хозяинз, прони­

кая в его внутриклеточные пузырьки по путям, где возможно

временное понижение рН. Такие величины рН необходимы, ве­

роятно, и для соответствующих конформационных изменений

молекул белка [Heleпius, Marsh, White, 1980].

Значения рН внутри бактериальных клеток может меняться

с изменением рН буферных сред, окружающих эти клетки, что подтверждается следующим экспериментом. Тирозиндекарбок­

силаза Strept. faecalis обладает максимальной активностью iп vitro при рН 5,5. В интактной бактериальной клетке активность

этого фермента невелика, если окружающая среда нейтральная или щелочная, однако, если поместить бактерии в буфер с рН

.5,0-5,5, активность фермента сильно возрастает [Gale, l 946J. Была обнаружена линейная зависимость между рН вне- и внут-

128

риклеточной жидкости для ткани сердца черепахи в пределах

6,5-9,5 (рНвнутр=рНвнешн+2,98) [Waddell, Hardman, 1960].

При проведении фармакологических исследований желатель­

но работать с буферными растворами, даже если известно, что

рецептор находится внутри клетки. Наличие внешнего буфера

создает однородные условия благодаря стандартизации степени

ионизации лекарственного препарата, поступающего в клетку,

независимо от формы его введения и состояния химических

групп, ответственных за адсорбцию лекарственного вещества

на поверхности клетки и за его проникновение в клетку.

Результативность применения буферов определяется коли­

чеством клеток, с которыми буфер вступает в контакт. В массе культуры тканей лекарственное вещество может достичь ре­

цепторов только после прохождения через другие клетки и

внутриклеточную жидкость. Результаты подобных эксперимен­

тов нельзя сравнивать с результатами опытов, в которых все клетки находятся в непосредственном контакте с лекарствен­

ным веществом при известном рН [Simon, Beevers, 195lj.

10.7. Заключение

Рассмотрение основных принципов, изложенных в этой гла­

ве, позволяет понять, насколько важно знать константы иони­

зации веществ при изучении их биологического действия_

Далее необходимо установить, в какой форме эти вещества

более эффективны - в виде ионов или неионизированных мо­ лекул. Это можно сделать двумя способами, которые не исклю­

чают, а дополняют друг друга_ Первый заключается в том, что введением различных заместителей: в молекулу лекарственного

вещества меняется величина его рКа и, таким образом, синте­

зируется сuоединение с заданной величиной рКа в любых рядах

соединении (разд. 17.2). Преимущество этого метода заключа­

ется в том, что ионизация рецептора остается неизменной,

а живые к.11етки постоянно находятся при оптимальном для них

рН. Недостатком является то, что химические изменения в мо­

лекуле могут быть ответственны за изменение биологической

реакции; этих затруднений можно избежать, если проводить

эксперимент с двумя аналогами, имеющими одно и то же не­

обходимое значение рКа, и считать результат верным в том слу­

чае, если он совпадает для обоих опытов. Второй метод заклю­

чается в том, что структура лекарственного вещества остается

постоянной, но варьируется рН среды. Он имеет то преимуще­

ство, что в данном опыте живые клетки подвергаются воздей:­

стви~ только одного лекарственного вещества; влияние изме­

нении рН на рецептор и на .жизнеспособность самой клетки сле­

дуе~проверять отдельно в контрольных опытах.

оскольку оба метода дают возможность контролировать

степень ионизации (один из наиболее изменчивых параметров)

тбо их применение может помочь при планировании дальнейши~

олее сложных экспериментов.

9-731

129

Глава 11

ВЕЩЕСТВА, СВЯЗЫВАЮЩИЕ МЕТАЛЛЫ

Тяжелые металлы в следовых количествах необходимы для

всех форм жизни. Они проникают в живую клетку в виде ка­

тионов но поглощение их строго регулируется, поскольку боль­ шинст~о (если не все) тяжелых металлов в больших количест­

вах токсичны. Следует отметить одну особенность, заключаю­

щуюся в том, что только в очень редких случаях избыток одно­ го жизненно важного металла может восполнить ущерб, нане­

сенный недостатком другого. В действительности избы:.ок од­

ного металла чаще всего усугубляет вред, обусловленныи недо­

статочностью другого.

Вещества, ,способные ,связываться ,с металлами, часто образу-

ют с ними хелатные соединения1 • К последним принадлежат

многие эффективные лекарственные средства и другие вещест­

ва, обладающие избирательной токсичностью. Они производятся

промышленностью в огромных количествах, особенно фунгици­

ды. Их действие состоит в нарушении весьма чувствительного

баланса между катионами тяжелых металлов в природе. Нек~­

торые из них способны вытеснять металлы из живых тканеи.

но большинство усиливает присущую тяжелым металлам ток­

сичность.

Помимо использования в сельском хозяйстве в качестве фун­

гицидов, связывающие металлы вещества применяют в" меди­

цине и ветеринарии с учетом основных принципов их деиствия.

Те из них, которые дифференцированно действуют на позвоноч­

ных и их паразитов, используются для борьбы с грибами, бак­

териями и вирусами (разд. 11.7-11.9). Другие вещества при­

меняют как антидоты, так как они по-разному связывают жиз­

ненно важные или токсичные для организма металлы (разд.

11.6). Соединения, действующие различно при нормальных и

патологических процессах, применяют для лечения ревматиз­

ма, сердечно-сосудистых заболеваний и рака (разд. 11.9-

11.11).

1 Вещества, связывающие металлы, называются лиrандаыи. Если металл

при связывании с лигандом оказывается заключенным в лиганде между лю­

быми двумя элементами, такими как N, О нлн S, то образуется хелатное

кольцо. В таком соединении металл более прочно связан с лигандом, чем

в нехелатированном, где он не является частью кольца. Термин «хелат», предложенный Morgaп, Drew ( 1920), происходит от греческого слова khele -

клешня (краба).

11.0. Металлы в живой клетке

Человек, так же как и другие позвоночные, нуждается в ка­

тионах нижеперечисленных металлов, обеспечивающих проте­

кание многих жизненно важных процессов. Более того, многие из этих металлов необходимы для всех других форм жизни. К ним относятся: а) тяжелые металлы (кобальт, медь, железо,

марганец, молибден, цинк и в меньших количествах хром, вана­

дий, никель и свинец); б} легкие ме:аллы, об~чно в:тречаю­

щиеся в большем количестве (кальции, магнии, калии и нат­

рий).

Медь, железо, молибден, кобальт и иногда марганец прини­

мают участие в окислительно-восстановительных процессах;

действие цинка, магния и марганца связано с процессами гид­

ролиза и переноса групп; кальций играет наиболее важную

роль при создании гибких или жестких структур, а также мо­

жет инициировать реакцию, по-видимому вызывая структурн:'1е

изменения (подобное действие иногда проявляет и магнии).

Натрий и калий, благодаря их распространенности, служат пе­

реносчиками заряда; они очень слабо связываются и поэтому

могут быстро обмениваться. Рассмотрим некоторые примеры

биологического действия тяжелых металлов в той последова­

тельности, которая указана выше. Положение и валентность

металлов в ферментах определяют с помощью электронного па­

рамагнитного резонанса (ЭПР) и другими современными ме­

за перенос фосфатных групп), гликольдегидразы (вызывающеи перегруппировку) и карбоксипептидазы, разрушающей различ­

бальт прочно связывается большим тетрапиррольным циклом коферментов группы кобаламидов. Для заместительной тера­

пии при пернициозной анемии используют два вещества - гидр­

оксикобаламин и цианкобаламин (витамин В12), образующиеся при разрушении коферментов во время их выделения из дрож­

жей или печени. Эти коферменты катализируют восстановление

рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды, взаимопревращения

анионов ~-метиласпаргиновой и глутаминовой кислот, анионов

метилмалоната и сукцината, а также метилирование rомоцис­

теина в метионин.

В 1935 г. две группы австралийских ученых обнаружили,

что сильная анемия у овец, пасущихся на обширных обильных

пастбищах Австралии и Новой Зеландии, обусловлена недо­ статком кобальта - элемента, потребность в котором у расте­ ний незначительна. При содержании кобальта в траве в соот­

ношении, меньшем чем 0,2: 1 ООО ООО, овцы начинают слабеть и

погибать, что объясняется неспособностью флоры рубца овец

синтезировать содержащие кобальт коферменты [Marston, Al-

len, Smith, 1961]. В настоящее время для предупреждения это­

го заболевания в рацион овец добавляют кобальт.

Для лечения пернициозной анемии у человека достаточно

суточной дозы ( 1 мкг) витамина В12 (внутримышечно). Для

человека с массой тела 70 кг это составляет 2-10- 100/о массы

тела.

Медь - существенная составная часть многих ферментов. в том числе фенолазы (тирозиназы), играющей важную роль в

процессе метаболизма растений, грибов и пигментных клеток

млекопитающих, а также поставляющей дубильные белковые

вещества, придающие твердость оболочке насекомых. С по­

мощью ЭПР было показано, что медь в родственном ферменте

лакказе в исходном состоянии двухвалентна, но переходит в

одновалентное состояние (Cu+), когда фермент вступает в ре­

акцию. В молекуле цитохромоксидазы содержатся два атома

железа и два атома меди; железо в отличие от меди в живой

природе всегда связано с порфиринами. Медь также необходи­ ма для действия допамингидроксилазы (ключевой фермент в

синтезе катехоламиновых гормонов), МАО и оксидазы аскорби­

новой кислоты.

Супероксиддисмутаза - фермент зеленого цвета, присутст­

вующий во всех тканях эукариот, содержит медь и железо, свя­

занные с одним и тем же имидазольным циклом (His-61) апо­

фермента. Медь проходит цикл окисления и восстановления по

мере того, как она разрушает токсичные перекисные радикалы

(0 2-), появляющиеся в реакциях с использованием атмосфер­

ного кислорода.

В супероксиддисмутазе бычьих эритроцитов (а возможно.

и в других клетках) цинк и медь связаны с гистидиновым остат­

ком. Аналогичные ферменты, содержащие марганец вместо ме­

ди, встречаются в организмах млекопитающих и бактерий

[Oberley, Buettner, 1979]. Подробнее об этих необычных метал­

лосодержащих ферментах см. Oberley ( 1982) и Rodgers, Po-

wers ( 1981).

Исследования влияния следовых количеств меди на рост

овса показали, что как недостаток, так и избыток ее в среде одинаково вредны для растений. Недостаток меди оказался

причиной многочисленных неурожаев на окультуренных участ­ ках земли в Голландии и Дании. Недостаток меди у домашних

животных приводит к развитию анемии, демиелинизации спин­

ного мозга и потере пигментации. Избыточное накопление ме­

ди в печени овец приводит к гемолизу и смерти. У овец, в пище которых недостает меди, шерсть теряет волнистость, а так как

именно это качество особенно ценится при продаже, многие

фермеры несут большие убытки.

Достоверно установлена и широко используется способность

меди избирательно действовать на беспозвоночных животных.

132

грибы и водоросли. Такая избирательность определяется выра­

ботанным в процессе эволюции более тонким устройством поз­

воночных, позволяющим им изолировать, переносить и выде­

лять этот высокоактивный с химической точки зрения элемент.

У здоровых млекопитающих более 90 % всей меди связано с

белком церулоплазмином, синтезируемым печенью и циркули­

рующим в кровотоке. Его физиологические функции заключа­

ются в уменьшении концентрации ионов двухвалентной меди в плазме ниже токсического уровня, снабжении медью медьсо­ держащих ферментов и обеспечении постепенного высвобожде­ ния железа из депо. Любой избыток комплекса медь - церуло­

плазмин выделяется с желчью в экскременты. Не связанная с

церулоплазмином медь циркулирует в сыворотке крови в

виде легко распадающегося комплекса с альбумином (разд,

11.1).

С помощью ЭПР удалось показать, что в церулоплазмине­

медь частично одновалентная, частично двухвалентная. Отсут­

ствие церулоплазмина в организме является причиной наслед­

ственной rепатолентикулярной дегенерации (болезнь Вильсо­

на), которая у детей в отсутствие лечения приводит к смерти

вследствие разрушающего действия ионов двухвалентной меди

на нервную систему. О лечении этого заболевания хелатообра­

зующими лекарственными препаратами см. разд. 11.6.

Медьсодержащий пигмент пластоцианин (ярко-синего цве­

та) принимает участие в процессе переноса электронов при фо­

тосинтезе у растений. Входя в состав дыхательного пигмента rемостатина (синего цвета) определенных моллюсков и рако­ образных, медь играет такую же роль, как железо в дыхатель­

ных пигментах высших организмов. Медь необходима также

для образования гемоглобина у человека.

Известно, что медь накапливается (в несколько раз больше

по сравнению с другими металлами) в симпатических нервных

окончаниях, в синаптических пузырьках мозга и других нерв­

ных тканях. Это способствует накоплению норащ~еналина в тройном комплексе с АТФ [Colbшn, Maas, 1965J, а также

5-гидрокситриптамина [Roberts, 1966j. Ионы двухвалентной ме,:;1-и, АТФ и норадреналина образуют прочно связанный трой­

нои комплекс в соотношении 1: 1: 1, имеющий log К 12,15

(комплекс ион меди-норадреналин (1: 1) имеет logK 10,25). Норадреналин образует несколько более прочный комплекс

дофамин - менее прочный. Применяемые в медицине аналоги:

такие как фенамин и фенилэфрин, связываются слабее. Очевид­ но, что оба атома кислорода катехольного фрагмента играют в

связывании важную роль. Прочность связывания этих адренер­

гических медиаторов и лекарственных средств с гранулами си­

наптосом изменяется в том же порядке, что и константы ста­

бнльности их комплексов [Rajan, Davis, Colburn, 1974].

Б~лее подробно о роли меди в биохимических процессах

см. S1gel (1981).

Железо - важнейший компонент порфириновых ферментов~

каталазы, пероксидаз и различных цитохромов, выполняющи~

роль переносчиков электронов и необходимых для всех живых клеток. Гемоглобин - дыхательный пигмент, содержащийся в

эритроцитах млекопитающих, птиц, рептилий, земноводных й

рыб. Гемоглобин обнаружен также в плазме нескольких видов

моллюсков и кольчатых червей (некоторые виды кольчатых

червей имеют железосодержащий дыхательный пигмент зеле­ ного цвета - хлорокруорин). Миоглобин - пигмент мышц, яв­

ляющийся переносчиком кислорода, по структуре очень напоми­

нает гемоглобин.

Гликопептид трансферрин (ОММ 86 ООО} прочно связывает

ионы трехвалентного железа между имидазольным и тирозино­

вым остатками и снижает их содержание в сыворотке крови;

в свободном состоянии ионы железа - вредны для сердца. Для

образования гемоглобина ретикулоцитами может быть исполь­

зовано только железо, связанное с трансферрином. Трансферрин, так же как и аналогичный ему ~-глобулин, содержащийся в ку­

риных яйцах (кональбумин), способен настолько понижать

концентрацию ионов трехвалентного железа в питательной сре­ де, что в ней прекращается рост бактерий. Аналогичный поли­

пептид - лактоферрин, был обнаружен в поте, слезах, молоке,

а также носовых и бронхиальных выделениях. Полагают, что

благодаря способности этих соединений препятствовать погло­ щению железа бактериями они служат эффективными средст­

вами защиты от бактериальных инфекций, так как железо по­

вышает болезнетворное действие многих бактерий в 100 ООО раз

{Bullen, Rogers, 1969].

У позвоночных основными соединениями, накапливающими

железо, являются ферритин, содержащийся главным образом

впечени, и гемосидерин - в селезенке и мышцах.

Железо также важнейшая составляющая некоторых непор­

фириновых ферментов, например аконитазы, альдолазы и сук­

цинатдегидрогеназы. Ингибирование синтеза глюкозы трипто­ фаном в клетках животных зависит от образования хелатных связей. В процессе метаболизма триптофан превращается в пи­ ридин-2,3-дикарбоновую кислоту, которая с двухвалентным же­ лезом образует комплекс, необходимый для действия фосфо­

енолпируваткарбоксикиназы (ключевого фермента глюконеоге­

неза) [Veneziale et al., 1967]. Для захвата необходимого им для

питания железа бактерии и грибы используют сидерохромы -

набор фенолов и гидроксамовых кислот (разд. 11.1).

Ферредоксины представляют собой белки, содержащие рав­

ное количество атомов железа и серы в каждом активном

центре. Некоторые из этих соединений переносят электроны при

потенциалах, более низких, чем потенциал водородного электро­ да (ферредоксин Fes 1 - при -305 мВ, а ферредоксин Fes 2 - при -20 мВ. Другие (например FeS s-3) действуют при зна­

'Чительно более высоких значениях потенциала: +60 мВ (эти

134

ы относятся к Ео по стандартному водородно_му потен­

цифр р рН 7 2) [Sweeney Rablпowitz, 1980; Sp1ro, 1982].

циал:д~к~ины 8'Fe-8S встреч'аются у наиболее примитивных

Феiа~измов (анаэробных бродильных грибов и фотосинтезиру­

~щих бактерий} и служат переносчиками электронов в пи~/s. ватфосфорокластической системе; ферредоксины типа 4Fe

находятся, видимо, на следующей ступени эволюции, так как

они обнаружены у сульфат- и нитратвосстанавли_вающих бак­

терий. 2Fе-2S-ферредоксины найдены у растении и животных,

которым они необходимы для окислительного фосфорилирова­

ния в митохондриях, для фосфорилирования, происходящего

под действием фотосинтеза в хлоропластах, и для синтеза ка­

техоламиновых гормонов. Структура ферредоксиновэhtличных

сбауэровской спектроскопии.

Хотя в почве железо содержится в больших количествах,

оно часто недоступно для растений, особенно в щелочных поч­

вах. Однако если в почве находятся соответст~ующие бактерии,

то железо становится доступным для растении, так как микро­

организмы растворяют его с помощью гидроксаматсидерофо­

ров (разд. 11.1). Та кие железо (I II )-органические комплексы на-

капливаются в почвах в количествах, достаточных для питания

растений [Powell et al., 1980]. Отсутствие полезных бактерий

можно компенсировать опрыскиванием почвы этилендиаминтет­

рауксусной кислотой (ЭДТА), экстрагирующей желез00 путем

образования комплекса железо(Ill} -ЭДТА, которыи всасы­

вается корнями растений. Эксперименты с растениями томатов,

выращенных на среде, к которой был добавлен комплекс желе­

транспортирует интактный комплекс. В процессе метаболизма

органическая часть комплекса разрушается, а неорганическая

(железо) -остается. Если почва бедна железом, то аналогич­

ные результаты можно получить при опрыскивании ее раство­

ром комплекса ЭДТА-железо (III).

Марганец, хотя и представляет собой металл с переменной

валентностью, редко участвует в биологических процессах окис­

ления. Он необходим для действия многих катаболических

ферментов - оксалоацетатдекарбоксилазы, аргиназы, пируват­ оксидазы и пролидазы, а также для ферментов, под действием

которых происходит обмен таких объемных групп, как остатки

са ха ров.

Марганец необходим в процессе фотосинтеза у растений, так

как он способствует протеканию той части реакции Хилла, в ко­

торой происходит отщепление гидроксид-иона, сопровождающе­

еся выделением молекулярного кислорода.

Молибден выполняет важнейшие функции в составе таких

ферментов, как ксантиноксидаза, альдегидоксидаза, нитратре­

дуктаза и нитрогеназа. С помощью спектроскопии ЭПР уста-

135

·1-ювлено, что во всех этих ферментах он связан с серой и изме­ няет свою валентность МоБ+::+±МоН; обычно в этих ферментах

•содержится также железо. Молибден необходим для фиксации

и печени млекопитающих, глицеральдегидфосфатдегидрогеназа, фосфогликомутаза дрожжей, щелочная фосфатаза бактерий, карбоксипептидаза млекопитающих, карбоангидраза, АМФ-гид­ ролаза, пируваткарбоксилаза (дрожжи) и альдолаза (дрожжи

и бактерии). Каждая молекула щелочной фосфатазы бактерий Е. coli содержит четыре атома цинка, два из которых опреде­

ляют четвертичную структуру фермента и могут быть заменены

ионами Mn 2 +, Со2+ или Cu 2+, тогда как два других играют

важную роль в функционировании фермента [Trotman, Greenwood, 1971]. Кроме того, цинк необходим для действия ДНК- 11 РНК-полимераз в бактериях и фагах, что было установлено с

помощью диализа против хелатирующих агентов [Colemaп,

1974; Poiesz, Seal, Loeb, 1974].

Обратная транскриптаза, выделенная из некоторых вирусов,

содержит по одному атому цинка в каждой молекуле фермента

[Vallee, 1975]. РНК-полимераза вируса гриппа В дезактивиру­

ется in vitro под действием орто-фенантролинов, селеноциста­

мина и других хелатирующих агентов [Oxford, Perrin, 1975].

Употребление высокоочищенных пищевых продуктов в высо­

коразвитых странах приводит к появлению в пожилом возра­

сте цинковой недостаточности, которая характеризуется потерей

остроты вкусовых ощущений и медленным заживлением ран и

ссадин. В почках млекопитающих содержится белок металло­

тионеин, связывающий избыток цинка, кадмия и ртути [Rupp,

Voelter, Weser, 1974].

Недостаток цинка вызывает тяжелые заболевания яблонь,

цитрусовых и виноградной лозы. Отсутствие цинка в почве слу­

жит причиной неурожая зерновых. В 1930-х годах в Южной

Австралии одна из равнин, поросшая редким кустарником,

nутем ре:улярного опрыскивания с воздуха раствором цинко­

БЫХ солен была превращена в пышные пастбища, на которых

теперь пасутся большие стада овец.

Хром (Cr 3+). Хром, содержащийся в дрожжах в виде комп­

.лекса с никотиновой кислотой и алифатическими аминокислота­

ми, считают «фактором толерантности к глюкозе», необходи­

мым для нормального углеводного обмена в организме челове-

136

ка. Его действие заключается в усилении гипоrликемического

действия инсулина [Mertz, 1975J. В высокоразвитых странах,

где пища слишком рафинирована, а также в развивающихся

странах, где ее недостаточно, нехватка хрома - обычное явле­

ние [Gurson, Saner, 1971; Levine, Streeten, Doisy, 1968].

Ванадий необходим для питания позвоночных [Lambert et al., 1970] и, по-видимому, является природным ингибитором

Nа+,к+-АТфазы [Cantley et al., 1978]. В организмах низших

хордовых-оболочников (асцидии), занимающих предыдущую перед позвоночными ступень в филогенетическом древе, вана­

дий изменяет железо в пигментах крови, переносящих кис­

лород.

Никель. В экспериментах на свиньях и крысах было уста­

новлено, что никель жизненно важен для их питания [Nielsen, 1975]. Необходимые количества никеля настолько малы по

сравнению с другими металлами, рассмотренными ранее, что

,Jля его обнаружения потребовалась разработка нового анали­ тического метода - нейтронного активационного анализа. Фер­

мент уреаза, содержащийся в бобах, является никельзависимым

[Dixon et al., 1975]. Некоторые бактерии, например Methano-

bacterium и Desulphovibrio, содержат редуктазы, для действия

которых необходим никель [Thauer, 1980], как и для бактери­

альных дегидрогеназ оксида углерода (11) [Deake, Hu, Ward,

1980].

Полагают, что олово необходимо для питания животных в

следовых количествах [Schwarz, Milne, Vinard, 1970].

Алюминий, считающийся биологически инертным, после рас­

творения в вакуолях растений, имеющих кислую среду, прояв­

ляет некоторую токсичность.

Кальций широко распространен во многих живых организ­

мах (у бактерий его значительно меньше). В больших количе­

ствах он содержится в зубах, костях, раковинах, а также в·

растениях в виде кристаллических оксалатов. Основная роль

кальция в природеобеспечение твердости тканей, испытыва­ ющих большие нагрузки; например, сухожилия, которые при·

удалении кальция путем растворения в ЭДТА (11.27) разделя­

ются на тонкие коллагеновые волокна. Возмещение потерь

кальция в значительной степени их восстанавливает. Хрящ пре­

вращается в кость при включении в него ионов кальция и фос­

фата; этот процесс конкурентно обратим при помощи ионов

магния.

У млекопитающих уровень циркулирующего в крови каль­

ция регулируется тиреоидными и паратиреоидными гормонами.

Концентрации кальция внутри и вне клеток составляют при­

мерно 10- 6 и 10- 3 М соответственно. Высвобождение кальция из

внеили внутриклеточных депо может вызвать множество раз­

нообразных биологических реакций. Уровень концентрации

КаJ1ьция контролируется плазматическими мембранами, мемб­

ранами ЭР (в мышцемембранами саркоплазматическоrо ре-

131

тикулума) и внутренними мембранами митохондрий. Одна из

наиболее важных функций кальциярегуляция проницаемости полупроницаемых мембран, которые при наличии кальция со­

храняют целостность, а в его отсутствие становятся пористым~

и легко проницаемыми. Такая регуляция определяется большои

распространенностью кальция, его двухвалентностью и наличи­

ем в мембранах фосфат-анионов [Amer, Tsukada, Nesbett,

1967].

Другая важная функция ионов кальция - роль «вторичного мессенджера». При участии кальция происходит сопряжение химического стимула с секрецией, как, например, при высво­

бождении нейромедиаторов под действием нервного импульса

в синапсах или нервно-мышечных соединениях [Miledi, Slater,

1966] или выделении адреналина из мозгового слоя надпочеч­

ников под действием ацетилхолина [Douglas, 1968]. Точно так

же кальций необходим для сопряжения высвобождения нейро­ медиатора при сокращении мышц. По-видимому, кальций ини­

циирует пролиферацию различных типов клеток, таких как мы­

шечные, лимфоциты и фибробласты. Он также играет важную

роль в фагоцитозе. Многие из перечисленных эффектов могут

быть вызваны ионофорами (разд. 14.2), осуществляющими

транспорт кальция в клетку. Полагают, что на молекулярном

уровне действие кальция заключается в облегчении доступа

АТФазы к ее субстрату (АТФ) и обеспечении названных про­

цессов энергией.

Кальций играет жизненно важную роль по меньшей мере в

трех стадиях цикла сокращения - расслабления мышц позво­

ночных [Taylor, I,ymп, Moll, 1970]. В саркоплазматическом ре­ тикулуме кальций находится в кальсеквестрине, белке, облада­

ющем высоким сродством к кальциюкаждая его молекула

содержит 43 атома кальция. Под действием нервного импульса

происходит высвобождение кальция, инициирующего цепь ре­

акций, вызывающих сокращение мышцы, после чего кальций поступает обратно в ретикулум с помощью кальций-магнийза­ висимой АТФазы.

То, что кальций способствует свертыванию крови, известно давно. В некоторых тканях, особенно у низших животных, каль­

ций может частично или полностью заменять натрий во входя­

щем токе в нервной проводимости.

Только митохондрии млекопитающих способны накапливать кальций и при необходимости выделять его; возможно, таким образом осуществляется контроль за обызвествлением тканей.

Митохондрии сердца накапливают кальций в обмен на натрий,

ав митохондриях печени он заменяется ионами водорода, од­

нако при этом сохраняется независимый канал для медлен­

ного проникновения ионов кальция. Сокращение сердечной мышцы вызывается высвобождением кальция из митохондрий,

которое в свою очередь происходит под действием ионов нат­

рия или АМФ.

138

Ка'Льмодулин - внутриклеточный, связанный с кальцием бе­

лок, участвует во многих процессах, происходящих в организ­

ме, например, в секреции, активации миозинкиназы и метабо­

лизма циклических нуклеотидов. Подобный белок - тропо­

нин-с, регулирует конформационные изме~ения скелетной мыш­

цы. Контроль за сокращением скелетнои мышцы полностью

осуществляется внутриклеточным кальцием. Именно поэтому такие вещества, как нифедипин (разд. 14.2), блокирующие

каналы, не оказывают на них никакого действия. С другой сто­

роны, уровень кальция во внеклеточной жидкости сильно влия-

Калпаин - это кальцийзависимая цистеинпротеаза, деист­ вующая в качестве необратимого регулятора почти во всех клет­

ках млекопитающих [Murachi, 1983]. Протеины, содержащие

1-карбоксиrлутаматные остатки (1-карбоксигруппы образованы

с помощью витамина К), являются важными факторами сверты­

ваемости крови. Другие протеины этого типа находятся в ден­

тине зубов и в матрице кости.

Для определения следовых количеств кальция в биохимии широко используют аэкворин. Флуоресценция этого белка, от­

1969j.

Магний. Катион магния занимает второе место по распррст­

раненности внутри клетки подобно тому, как кальцийвне ее.

Магний является незаменимым звеном, обусловливающим це-·

лостность рибосом и соединяющим их с mPHK. Он служит ко­ фактором всех ферментов, использующих АТФ при переносе­

фосфатных групп, и для многих других ферментов, действие ко­ торых связано с переносом групп или гидролизом. Магний ин-· rибирует высвобождение АХ в концевой пластине двигательно-·

го нерва и во многих случаях действует как обратимый антаго­ нист кальция. У бактерий магний - наиболее распространенный двухвалентный металл. Магнийключевой компонент хлоро­ филла, занимающий в его молекуле центральное положение:

Повышенная частота смертных случаев от сердечных заболева -

ний в местностях с мягкой водой обусловлена, по-видимому, от­ сутствием Mg2+.

Калий и натрий, ионы которых похожи с точки зрения физи­

ки, различаются по способности проникать сквозь клеточные­

мембраны в состоянии покоя и возбуждения, по сродству к ме­

ханизму активного транспорта и возможности активировать,

ферменты. Так, например, мембрана нервного волокна в состоя­ нии покоя в 30 раз более проницаема для к+, чем для Na+, а в·

активном состоянии - в 10 раз более проницаема для Na+, чем

для к+ (ер. разд. 7.5.1). Размер катионов в гидратированном

139'

или негидратированном состоянии не играет существенно/роли

в избирательности, различия ее определяются разницеµ в зна­

чениях свободных энергий:

ЛFкисл. центра - ЛFосн. центра - ЛFкисп. l>ОДЫ + ЛFоси. воды,

где ЛFцеитра - свободная энергия притяжения между катионом

и отрицательно заряженным центром; ЛFводы - свободная энер­

гия гидратации катиона. Основной переменной величиной,

влияющей на соотношение избирательности Na+: К+, является

величина отрицательного заряда на мембране, отражающаяся

в величине рКа; для Na+ предпочтительнее сильные кислоты,

а точка перехода находится при рКа 3 [Diamond, Wright, 1969].

Калий - важнейший внутриклеточный ион всех живых ор­

ганизмов. Натрия в большинстве клеток содержится мало, он

появляется внутри клетки только в момент возбуждения. На­

земные растения всегда содержат очень мало натрия.

Даже одновалентные ионы могут существовать изолирован­

но и часть ионов натрия в живых тканях животных находится

в осмотически неактивной форме. Катионы натрия удержива­

ются полимерами, повторяющиеся звенья которых имеют по

меньшей мере одну кислотную группу (примеры: нуклеиновые

кислоты, мукополисахариды). Изолированные ионы натрия мо­ гут быть мгновенно вытеснены ионами металлов более высокой

валентности; концентрация ионов натрия измеряется с помощью

натрийселективного электрода [Pala ty, 1966].

В последнее время экспериментально найдено много аген­

тов, изменяющих проницаемость мембран для этих ионов. Тет­

родоксин (разд. 7.5.1) снижает проницаемость мембран для ио­

нов натрия, а валиномицин (разд. 4.2) способствует поглоще­

нию калия [Moore, Pressman, 1964J. Образуя комплекс с иона­

ми калия, тетрафенилборат натрия (NaBPh 4 ) может дисперги­

ровать ткани на отдельные клетки [Rappaport, Ho\VZ<.\1966J.

Почки в норме выделяют натрий, но задерживают каJfий.

Чем меньше лекарственные средства нарушают этот механизм,

тем более хорошими диуретиками они являются (см. разд. 14.1).

Литий обычно не является компонентом клетки, но в отли­

чие от всех остальных известных ионов может выполнять, хотя

и с меньшей эффективностью, функцию натрия при проведении

нервного импульса. Литий также проходит через изолирован­

ную кожу лягушки, используя механизм, предназначенный для

переноса натрия [Schou, 1957]. Успешное применение лития

для лечения хронических психозов было начато в Австралии

[Cade, 1949]; благодаря исследованиям Schou этот метод стал

основным при лечении подобных заболеваний. Использование

лития не сопровождается летаргией. К сожалению, его токсиче­

ская доза только в три раза превышает терапевтическую.

Антагонизм катионов. Многие болезни растений и животных

могут быть вызваны нарушением баланса металлов. У растений

сои ~аботанных избытком марганца, быстро развиваются

пр~зна!Щ недостаточности железа, которые могут быть легко

устранен~ добавлением соответствующих его количеств. Если

же растен~сои выращивать на почве с чрезмерно высоким со­

держанием келеза, то у них появляются симптомы недостаточ­

ности марга ца [Somers, Shive, 1942J. В Англии У выращивае­

мых на разлЙ\Jных пастбищах ягнят нередка болезнь «изогну­

тая спина» (эmзоотическая атаксия), приносящая большие эко­

номические убытки. Эта болезнь связана с повышением содер­

жания в траве цинка или свинца и излечивается добавлением в корм меди. На других пастбищах, богатых молибденом, У овец

появляются симптомы недостаточности меди, которая излечи­

вается добавлением ее в корм. Избыток цинка в пище вызыва­

ет у крыс анемию, исчезающую при добавлении в рацион меди

[Smith, Larson, 1946J. Для предотвращения заболевания, вы­ зываемого недостатком меди, в Голландии ею обогащали поч­

ву, в результате чего в выращенных плодах и травах нередко

отмечали недостаток марганца, хотя содержание его в почв~ бы­

ло нормальным. Эти виды антагонизма напоминают простои ан­

тагонизм ионов, ответственный, как показал Ringer в 1883 г., за

регуляцию частоты сердечных сокращений (кальций против ка~

Jiия). Аналогичный антагонизм между магнием и кальциеи

связан с процессом сокращения мышц.

Многие примеры подобного антагонизма представляют со­

бой как бы неорганический эквивалент взаимоотношений мета­

болитов и антиметаболитов (гл. 9).

Токсическое действие чужеродных металлов часто обуслов­

лено антагонизмом катионов. Так, например, свинец - извест­ ный нейрото1,син, вытесняет кальций из некоторых отд~лов

нервной системы и тем самым препятствует выделению неиро­

медиаторов [Kober, Cooper, 1976]. Около 1960 г. широко рас­

пространившееся загрязнение Восточного побережья Японии

кадмием в сочетании с низким уровнем поглощения кальция

привело к развитию мучительной болезни «итаи-итаи» - одной

из разновидностей остеомиелита. Выяснилось, что причина это­

го заболевания - антагонизм кадмия и кальция [Friberg,

1974].

Двухфазная ответная реакция. Известно, что реакция орга­

низма на тяжелые металлы является двухфазной. Если орга­ низм получает слишком мало металлов, ему наносится тяжелый

ущерб. Это объясняется тем, что в организме содержится мно­

жество ферментов, которые могут функционировать только в

присутствии тяжелых металлов хотя бы в следовых количест­

вах. Однако если организм получает слишком много металла,

то наступает вторая фаза, связанная с токсическим действием

избыточного количества.

Примером такой двухфазной реакции может служить дей­ ствие меди на овес [Piper, 1942]: как избыточное, так и недо­

статочное количество этого металла наносит вред его росткам