Неорганические ионы, или минеральные вещества, выполняют в организме следующие функции:
1. Биоэлектрическая функция. Эта функция связана с возникновением разности потенциалов на клеточных мембранах. Градиент концентрации ионов по обе стороны мембраны создаёт в разных клетках потенциал порядка 60-80 мВ. Внутренняя сторона клеточной мембраны относительно наружной заряжена отрицательно. Электрический потенциал мембраны тем выше, чем больше содержание белка и его ионизация (отрицательный заряд) внутри клетки и концентрация катионов вне клетки (диффузия ионов Na+ и К+ через мембрану внутрь клетки затруднена). Данная функция неорганических ионов используется для регуляции функций особенно возбудимых клеток (нервных, мышечных) и для проведения нервных импульсов.
2. Осмотическая функция используется для регуляции осмотического давления. Живая клетка подчиняется закону изоосмополярности: во всех средах организма, между которыми есть свободный обмен водой, устанавливается одинаковое осмотическое давление. Если число ионов в какой-то среде возрастает, то вслед за ними устремляется вода, пока не установится новое равновесие и новый уровень осмотического давления.
3. Структурная функция обусловлена комплексообразующими свойствами металлов. Ионы металлов взаимодействуют с анионными группами белков, нуклеиновых кислот и других макромолекул и тем самым обеспечивают наряду с другими факторами поддержание определённых конформаций этих молекул. Поскольку биологическая активность биополимеров зависит от их конформаций, то нормальное осуществление белками их функций, беспрепятственная реализация информации, заложенной в нуклеиновых кислотах, образование надмолекулярных комплексов, формирование субклеточных структур и другие процессы немыслимы без участия катионов и анионов.
4. Регуляторная функция заключается в том, что ионы металлов являются активаторами ферментов и тем самым регулируют скорость химических превращений в клетке. Это прямое регуляторное действие катионов. Косвенное заключается в том, что ионы металлов часто необходимы для действия другого регулятора, например, гормона. Приведём несколько примеров. Формирование активной формы инсулина невозможно без ионов цинка. Третичная структура РНК в огромной степени определяется ионной силой раствора, а такие катионы, как Сr2+, Ni2+, Fe2+, Zn2+,Mn2+ и другие, непосредственно участвуют в формировании спиральной структуры нуклеиновых кислот. Концентрация ионов Мg2+ влияет на формирование такой надмолекулярной структуры, как рибосомы.
5. Транспортная функция проявляется в участии некоторых металлов (в составе металлопротеидов) в переносе электронов или простых молекул. Например, катионы железа и меди входят в состав цитохромов, являющихся переносчиками электронов в дыхательной цепи, а железо в составе гемоглобина связывает кислород и участвует в его переносе.
6. Энергетическая функция связана с использованием фосфат-анионов в образовании АТФ и АДФ (АТФ - основной носитель энергии в живых организмах).
7. Механическая функция. Например, катион Са+2 и фосфат-анион входят в состав гидроксилапатита и фосфата кальция костей и определяют их механическую прочность.
8. Синтетическая функция. Многие неорганические ионы используются в синтезах сложных молекул. Например, ионы йода I¯ участвуют в синтезе йодтиронинов в клетках щитовидной железы; анион (SО4)2- - в синтезе эфиросерных соединений (при обезвреживании в организме вредных органических спиртов и кислот). Важное значение в механизме защиты от токсического действия пероксида имеет селен. Он образует селеноцистеин - аналог цистеина, в котором вместо атомов серы атомы селена. Селеноцистеин является составной частью фермента глутатион-пероксидазы, катализирующей восстановление пероксида водорода глутатионом (трипептид - γ-глутамил-цистеинилглицин)
Важно отметить, что в известных пределах возможна взаимозаменяемость некоторых ионов. При недостатке какого-то иона металла он может заменяться ионом другого металла, близким по физико-химическим свойствам и ионному радиусу. Например, ион натрия замещается ионом лития; ион кальция - ионом стронция; ион молибдена - ионом ванадия; ион железа - ионом кобальта; иногда ионы магния - ионами марганца.
Благодаря тому, что минеральные вещества активируют действие ферментов, они влияют на все стороны обмена веществ. Рассмотрим, в чём выражается зависимость обмена нуклеиновых кислот, белков, углеводов и липидов от наличия тех или иных неорганических ионов.
