II. 1. Биологическая роль минеральных веществ

Биологическая роль минеральных веществ многообразна. Все минеральные вещества участвуют в биологических процессах только в ионном виде.

Они входят в состав клеточных структур. Особенно много их в тканях костей и зубов. Основную массу минеральных веществ костной ткани составляет фосфорнокислый кальций, несколько меньше в ней углекислого кальция, в небольших количествах со­держатся ионы магния, калия, натрия, хлора, фтора.

Ионы металлов участвуют в формировании третичной и четвер­тичной структуры биополимеров. Наиболее фундаментальный механизм участия минеральных соединений в процессах жизнедеятельности связан прежде всего с их способностью соединяться с высокомолекулярными веществами - белками и нуклеиновыми кислотами. В результате взаимодействия ионы металлов наряду с другими факторами обеспечивают поддержание определенной пространственной конфигура­ции биополимеров. Таким образом, нормальное осу­ществление белками ферментативной, гормональной и других функций, беспрепятственная реализация информации, заключенной в нуклеиновых кислотах, образование надмолекулярных комплексов, формирование субклеточных частиц и т. п. невозможно без участия катионов и анионов.

Так, ионы цинка участвуют в создании активной формы гормона инсулина; при участии ионов железа формирует­ся третичная и четвертичная структуры гемоглобина и миоглобина; ионы магния способствуют объединению нескольких рибосом в полисому в ходе белкового синтеза; ионы железа, меди, никеля, цинка, марганца, кобальта участвуют в образовании структуры нуклеиновых кислот.

Минеральные вещества участвуют в ферментативном катализе. Дейст­вие более четвертой части известных в настоящее время ферментов тем или иным образом связано с ионами металлов. Ионы участвуют в химическом связывании субстрата, присоединении кофермента к апоферменту, входят в состав коферментов. Примерами регуляции ферментативной активности могут служить активация амилазы ионами хлора, креатинфосфокиназы - ионами кальция, ферментов гликолиза - ионами кальция, калия и магния. С помощью магния происходит связывание АТФ в активном центре фермента, катализирующего ее гидролиз. Ионы цинка обнаружены в активном центре карбоксипептидазы. Ион железа является важнейшей составной частью простетической группы цитохромов, содержащих одновременно и ионы меди. Ионы железа в молекулах миоглобина и гемоглобина способны обратимо присоединять к себе кислород и некоторые другие газы и, таким образом, участвуют в их транспорте.

В большинстве случаев ионы металлов вступают в непрочную связь с апоферментом, образуя с ним легко распадающийся комплекс. В виде комплекса с металлом фермент проявляет максимальную активность, приобретая соответствующую пространственную конфигурацию. Таким образом, здесь ионы металлов выступают как организаторы третичной структуры фермента, в частнос­ти как организаторы активных центров ферментов. Именно так обстоит дело при взаимодействии ионов одновалентных металлов более чем с 60 и ионов цинка более чем с 30 ферментами животного, растительного и бактериального происхождения. Велика роль отдельных катионов в формировании ферментов-мультимеров, где связь между отдельны­ми протомерами осуществляется при участии ионов металлов. К числу таких катионов относятся Мg²⁺, Мn²⁺, Zn²⁺, Са²⁺ и др. Особенно подроб­но в указанном смысле изучена α-амилаза. В присутствии ионов Са стаби­лизируются третичная и четвертичная структуры этого фермента, устой­чивые по отношению к пептидгидролазам желудочно-кишечного тракта.

Гораздо реже ионы металлов образуют с белком-ферментом проч­ное соединение. Так, например, осуществляется соединение ионов Сu и Fе в железосерных белках и синих оксидазах.

Достаточно широко распространено участие ионов металлов в дей­ствии ферментов путем вступления ионов металлов в состав простетической группы ферментов (цитохромы).

В табл. 6 приведены некоторые данные об активировании катиона­ми металлов некоторых ферментативных процессов.

Проницаемость клеточных мембран в значительной мере зави­сит от состояния белковых гелей. Ионы кальция могут влиять на нее, изменяя степень уплотнения коллоидов. Уровень гидратации и растворимости белковых коллоидов в цитоплазме определяется влиянием многих ионов.

Неодинаковая проницаемость клеточных мембран для ионов натрия и калия приводит к возникновению мембранного потенци­ала, необходимого для генерации и проведения возбуждения.

Анионы сульфата участвуют в обезвреживании биологических ядов в печени.

Таблица 6. Ферменты, активируемые катионами металлов.

Велика роль ионов в поддержании осмотического равно­весия в жидкостях организма. Наибольшее влияние на величину осмотического давления оказывает концентрация ионов натрия и хлора вне клеток, калия и хлора - внутри них. Одним из важнейших биохимических про­цессов, направленных на сохранение кислотно-щелочного равнове­сия организма, является буферное действие. В образовании буфер­ных систем принимает участие ряд минеральных веществ: бикарбонаты и фосфаты, соли аммония, а также натриевые и калиевые соли органических кислот и белков.

При рассмотрении биологической роли ионов нетрудно заме­тить, что в действии некоторых из них наблюдается своеобразный антагонизм и синергизм. Так, ионы натрия вызывают набухание коллоидов и задержку воды в тканях, ионы кальция оказывают обратное дей­ствие, приводящее к обезвоживанию; ионы натрия активируют фермент холинэстеразу, ионы калия ингибируют его и т. п. В ряде случаев ионы усиливают действие друг друга: ионы марганца и железа способствуют использованию кобальта в процессах крове­творения; ионы кальция и фосфора активнее усваиваются организ­мом, если поступают одновременно и в оптимальных соотношени­ях (1:2).