Что мы знаем о биологической роли химических элементов ( 3 фото )

Жизнь — это химия и физика, взаимодействие которых привело к возникновению биологии. Миллионы лет назад жизнь была лишь маленькими клетками, хаотично движущимися в бескрайнем водном пространстве, а теперь вокруг нас тысячи самых разных сложноустроенных видов. Наше с вами тело удивительно и прекрасно, а еще очень богато химическими веществами. Точно такая же ситуация наблюдается у других живых существ: и в нас, и в них есть практически вся таблица Менделеева, от золота до кобальта. Но для чего всё это нужно? Неужели мы действительно и дня не протянем без серебра, ртути и радия или это случайно попавшие в нас вещества, опасные для здоровья?

Предлагаю заглянуть в мир микроэлементов вместе с Зоей Черновой и узнать, зачем они нам нужны.

Железный человек

Самые «популярные» ионы металлов в нашем организме — это железо, цинк, кальций, кобальт, натрий и калий. Сфера деятельности у ионов металлов огромна. Например, железо отвечает за связывание кислорода в гемоглобине крови, а также в миоглобине мышц. Кроме того, железо участвует в формировании множества ферментов, а еще белков семейства цитохромов: молекул, участвующих в получении АТФ, стимуляции апоптоза (программируемой клеточной гибели) и даже в разрушении токсичных соединений.

Цинк по распространенности среди металлов занимает второе место, сразу после железа. Он важен для целого ряда ферментов, активность которых регулирует метаболизм клетки и клеточный рост, причем, судя по экспериментальным данным, он обнаруживается более чем в трехстах различных белках. Специфическая структура белковой укладки в присутствии цинка даже имеет собственное название —цинковый палец.

Кальций важен в первую очередь для костей и зубов — именно он отвечает за их неорганическую часть. Но, помимо этого, он еще влияет на синтез некоторых гормонов, сворачиваемость крови, регуляцию активности генов и даже отвечает за передачу сигнала: кальций в клетке часто выступает в качестве так называемого вторичного мессенджера, передающего информацию внутри клетки.

Именно благодаря кальцию мышцы и сердце могут сокращаться.

Внутри мышцы кальций располагается в специальных компартментах (отсеках) —саркоплазматических ретикулумах. Когда на мышцу приходит сигнал (например, в виде молекулы ацетилхолина), кальций высвобождается, что в конечном итоге меняет конфигурацию белков актина и миозина — начинается сокращение.

Натрий и калий тоже в какой-то степени отвечают за сокращение мышц, но на деле их «экологическая ниша» куда более широка.Калий — это основной внутриклеточный катион — положительно заряженный ион. Основная же массанатрияобычно находится вне клетки. Эти два иона вместе с отрицательно заряженным хлором участвуют в формировании заряда на клеточной мембране — потенциала покоя и потенциала действия, что в конечном итоге выливается в образование нервного импульса.

Основная ролькобальта — формирование витамина B12, кобаламина. Структура кобаламина очень сильно напоминает структуру гемоглобина: в активном центре располагается похожая на порфириновое кольцо структура, которую называюткоррином. Люди, животные, птицы и другие многоклеточные организмы не в состоянии самостоятельно синтезировать кобаламин, на это способны только бактерии и археи. Мы с вами получаем кобаламин, а вместе с ним и кобальт, от микробиоты, населяющей желудочно-кишечный тракт.


Есть в организме и драгоценные металлы — в первую очередь, конечно, золото и серебро. Кроме них к благородным металлам относят также платину и всю ее подгруппу с пятью другими элементами, но они в организме обычно не представлены. Зачем нам нужны серебро и золото? Никакого вреда драгоценные металлы не наносят, напротив, они малотоксичны. А вот что касается их биологической роли, то вопрос всё еще открытый, по крайней мере однозначных данных до сих пор не получено, а потому пока что благородные металлы считаются биологически бесполезными.

Ионы золота,судя по некоторым литературным данным, оказывают бактерицидное и противовоспалительное воздействие. Сложно сказать, сильно ли они помогают иммунной системе обезоруживать патогены, однако этот металл, точнее его соединения, давно интересует ученых на предмет его применения в медицинских целях.

У серебра антибактериальный эффект выражен, судя по всему, еще сильнее. В древние времена и в Средневековье люди даже применяли его нитрат как аналог антибиотиков. Однако достоверных данных на счет физиологической пользы серебра пока нет. Серебро и его соединения активно исследуются, появляются данные об отдельных его свойствах — например, антиканцерогенных.

Нас мало, но мы в тельняшках

Конечно, в организме присутствуют и работают и другие ионы: все они жизненно необходимы для правильной работы ферментов, хотя их концентрация невелика, особенно на фоне «великой четверки» и распространенных ионов. Селен, например, не только ответственен за синтез целой аминокислоты селеноцистеина, но еще и участвует в формировании активных центров некоторых ферментов. При этом селен влияет на биодоступность других элементов: например, при недостатке селена крайне плохо усваивается йод. Несмотря на свою полезность, высокие концентрации селена достаточно токсичны.

Противоречивы сведения о ванадии: некоторые ученые предполагают, что он участвует в процессе роста и развития костей. Кроме того, есть литературные данные, согласно которым ванадий считается усилителем действия инсулина.

А вот данных по меди множество: медь крайне важна и имеет обширный послужной список. У ионов меди даже есть собственный белок-переносчик! Медь входит в состав множества ферментов, например цитохром-с-оксидазы — одного из главных ферментов дыхательной цепи митохондрий. Именно в этой цепи процесс расщепления углеводов завершается, наконец, финальным синтезом АТФ, причем именно медьсодержащий белок отвечает за одну из последних стадий этого процесса.

Магний влияет сразу на многие системы организма и является одним из самых важных микроэлементов. Он регулирует активность критически важных ферментов и стабилизирует их. В частности, без него была бы невозможна работа ДНК-полимеразы — фермента, который строит двойную цепь ДНК во время репликации. В отсутствие магния репликация нуклеиновой кислоты и дальнейшее деление клетки остановятся. Кроме того, он влияет на иммунитет, причем как врожденный, так и приобретенный. Есть данные о том, что магний также стабилизирует клеточные мембраны.

Марганец — тоже довольно важный микроэлемент. Он влияет в первую очередь на гемопоэз — процесс образования клеток крови в костном мозге, но еще на синтез целого ряда углеводов и жиров. Также он активирует аргиназу — фермент, участвующий в цикле азота. Но при этом высокие уровни марганца ассоциированы с высокой нейротоксичностью и разрушением нервной ткани.

В гемопоэзе участвует еще один металл — никель. Помимо этого, он играет важную роль в процессах метаболизма жиров, синтеза и регуляции целого ряда гормонов, обеспечивает правильный фолдинг (то есть укладку) белков и нуклеиновых кислот. У ряда беспозвоночных, в частности бактерий кишечной микрофлоры, никель играет важную роль в цикле мочевой кислоты: он работает коферментом уреаз — энзимов, расщепляющих мочевину до диоксида углерода и аммиака. Избыточная концентрация никеля приводит к неприятным последствиям: он выступает как токсичный агент и даже может быть канцерогеном.

Очень мало в организме лития, однако его присутствие крайне важно для регуляции активности ферментов и некоторых гормонов. От лития зависит активность 47 белков, а кроме того, он влияет на синтез нейромедиаторов.

Молибден, еще один металл, принимает участие в активации ксантиноксидазы, важнейшего фермента в метаболизме пуриновых азотистых оснований (такие основания, например, участвуют в формировании ДНК и РНК), и регулирует активность еще нескольких ферментов.


Мышьяк и радий — токсичные и радиоактивные

Если вы сдадите кровь или волосы на анализ на содержание в них различных микроэлементов, то в таблице с результатами найдете графы «ртуть», «сурьма» и «мышьяк», причем для них будет значится и референтное, то есть нормальное, значение. Да, действительно, в человеческом теле в нормальном его состоянии есть элементы, которые традиционно считаются опасными, — например, мышьяк или ртуть. Неужели и у них есть какая-то роль в метаболизме?

На мышьяк приходится всего лишь 0,000026 процента массы тела, но всё же он присутствует — мы потребляем его вместе с водой и едой, где он присутствует в следовых количествах. Никакой пользы он не приносит: мышьяк — очень токсичное вещество, вызывающее серьезные поражения многих органов. Также есть литературные данные о корреляции между высокими концентрациями мышьяка и повышенным риском развития диабета и ожирения, рака, сосудистых заболеваний и т. д. Ртуть долгое время считалась полезным элементом, и в аптеках по всему миру было немало ртутьсодержащих лекарств. Вплоть до середины ХХ века ртуть была сверхпопулярной, пока не появились очевидные свидетельства ее высокой токсичности. Сейчас ртуть считают микроэлементом, не играющим никакой биологической роли, хотя, как и мышьяк, она попадает в наш организм с едой и ее следовые количества не наносят вреда. Ртуть воспринимают исключительно как токсичный агент, который крайне негативно влияет на активность ферментов, и ассоциируют ее с целым рядом самых разных заболеваний и патологий.

Однако в 2016 году вышла статья, в которой авторы заявили о том, что один из видов полифилитической группы пурпурных бактерий может-таки использовать ртуть в процессе фотосинтеза.
Это отчасти перевернуло представление ученых о ртути: оказывается, даже токсичное вещество может быть «полезным». Впрочем, свидетельства биологической значимости ртути в нашем организме пока отсутствуют и не факт, что будут найдены.

В норме в организме есть и свинец, но, как и ртуть, ничего хорошего он не делает - у него нет биологической функции. Попадая в тело случайным образом, свинец накапливается, вызывая отравление. Как и ртуть, в более ранние века он часто встречался в различных мазях, притирках и косметических средствах, вызывая преждевременную смерть и развитие различных заболеваний почек, репродуктивной системы, нервной системы и т. д. Кроме того, свинец влияет не только на физиологию, но и на поведение и психическое состояние.

Разумеется, есть в теле и радиоактивные элементы. На их долю приходится совсем небольшой процент массы, но всё же и радий, и уран присутствуют. Тут ситуация похожа на ситуацию с токсичными элементами: попадая в наш организм случайно, они потенциально способны привести к развитию тяжелых заболеваний. К счастью, попадают они в микроскопических и потому безопасных дозах.

Заключение

В человеческом теле, как в телах любых других существ, есть множество самых разных элементов — даже в этой статье мы рассмотрели далеко не все из них. Некоторые, например золото и ртуть, попадают в нас случайно. Большинство же нам жизненно необходимы: даже те элементы, концентрация которых невелика, регулируют активность ферментов и других молекул. Так что наша собственная таблица Менделеева не только обширна, но и полезна.

Обсуждаем околополитические темы на моем канале "Гражданин на диване", а интересную и познавательную информацию читаем на канале "Таблетка для головы". Есть у меня еще канал с юморными ситуациями для настроения "Вот так бывает", подписывайтесь.