Биогенные s-элементы

Сегодня мы рассмотрим только металлы IA и IIA групп. s - Элемент водород, образующий ковалентные связи, по своей роли подобен р - элементам, и мы поговорим о нем в следующей лекции.

Четыре распространенные в природе элемента – K, Na, Mg, Ca – составляют тесную группу в таблице Менделеева. Они также близки по распространенности в природе и по своей роли в жизнедеятельности. Атомы этих элементов образуют устойчивые, не подверженные изменению заряда, ионы K⁺, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺. Свойства ионов приведены в таблице.

Свойства некоторых ионов s -элементов

	Li^+	Na^+	K^+	Rb^+	Мg^2+	Са^2+
r (M^z+), пм
r (M^z+)×aq, пм
N (H2O)	25,3	16,6	10,5
К.Ч.	4,6		6,8		4 и 6	6 и 8
Е гидр, кДж/моль

Однозарядные ионы K⁺, Na⁺ почти не дают нерастворимых соединений, не связываются с обычными лигандами, находятся водном растворе в гидратированном состоянии. Тем не менее, клетки способны различать эти ионы. Эта способность, по видимому, основана на различии их радиусов. Следует учитывать, что радиусы гидратированных ионов изменяются в обратном порядке относительно не гидратированных ионов. Натрий находится в окружающих клетки жидкостях, в том числе в плазме крови. Калий преимущественно внутриклеточный катион:

Na⁺ – 11 ммоль/л в клетке; 146 ммоль/л вне клеток

K⁺ – 115-125 ммоль/л в клетке; 3,5-5,5 ммоль/л вне клеток

Такое распределение ионов поддерживается особым механизмом, называемым калий-натриевым насосом. На его работу затрачивается свыше 20% потребляемой клетками энергии. Из этого косвенно видна огромная роль ионов. Ионы проходят через особые мембранные каналы. При этом они дегидратируются и связываются с фосфатами, а также ионофорами. Мы уже говорили о макроциклических лигандах краунэфирах. В клетках есть также пептидные ионофоры. Антибиотик валиномицин избирательно свызывает калий и проносит через гидрофобную мембрану. Это ведет к гибели клеток бактерий. В процессе проведения нервного импульса в зоне возбуждения поток ионов натрия идет в клетку, а а ионов калия – навстречу им. В период сна восстанавливается распределение ионов. На катион натрия в составе NaCl возложена задача поддержания необходимого осмотического давления плазмы крови. Избыток натрия наименее опасен для жизнедеятельности по сравнению с другими ионами.

Для понимания механизмов биохимических процессов связанных с участием катионов s -элементов, следует учитывать, что однозарядные катионы, и тем более двухзарядные все же образуют в растворах комплексы с анионами, хотя и очень неустойчивые. Определение констант образования было проведено сравнительно недавно (см. таблицу).

Константы образования

	Li^+	Na^+	K^+	Mg^2+	Ca^2+
ЭДТА (Y^4-)				8×10^8	5×10^10
SO4^2-	4,3	5,1	9,1
NO3^-	0,03	0,32			1,9
P2O7^2-				6,2×10^5	1×10^5
валиномицин		4.7
18-краун-6

Константы образования комплексов однозарядных ионов, в целом, довольно малы. Можно отметить сравнительно большое значение константы образования ионов натрия с пирофосфатом. Это имеет значение для избирательного переноса ионов Na⁺ через клеточную мембрану.

Двухзарядные ионы кальция и магния проявляют уже иные свойства. Они образуют практически нерастворимые соединения с большинством двухзарядных анионов, и тем более трехзарядными. Поэтому соли кальция составляют минеральную часть скелета. В костях депонируются и примесные элементы – стронций, свинец, фтор и др.

Ионы магния и кальция образуют комплексные соединения с полидентатными лигандами: этилендиаминтетраацетаты, цитраты (соли лимонной кислоты), соединения с белками. Поэтому тот незначительный по концентрации остаток ионов кальция, который не вошел в состав солей скелета, находится в биологических жидкостях приблизительно на 50% в гидратированном виде, и столько же в соединениях с белками, низкомолекулярными пептидами и др.

Содержание ионов s -элементов, ммоль/л

	Масса, г	Моль	Плазма ммоль/л	Эритроциты ммоль/л
Na^+		4,35
K^+		3,59	3,1 – 5,5	92 – 125
Ca^2+			2,5	0,1
Mg^2+		0,78		2,5
Cl^-		2,68

Магний концентрируется внутри клеток, а кальций вне клеток. При общем содержании магния 19 г, в среднем 8,4 г находится в скелете, а остальное в мягких тканях. Недостаток магния в организме возникает сравнительно редко. Значительная часть ионов магния связана с аденозинфосфатами, которые фактически участвуют в реакциях фосфорилирования в виде магниевых солей

O O O

^–O–P–O–P–O–P–O–A (А – аденозин)

O^– O^– O^–

Mg²⁺

Ионы магния необходимы для активирования некоторых ферментов. Например, транскетолаза активируется коферментом тиаминдифосфатом в форме магниевой соли.

Особенно многообразно участие в биологических процессах ионов кальция. Из массы кальция в среднем 1000 г, имеющейся в теле человека, лишь около 1,5 г находится в жидкостях в виде растворимых соединений, а остальной кальций в составе гидроксидфосфата образует минеральную основу скелета. Образование гидроксидфосфата кальция можно представить так. Сначала образуются микрокристаллы малорастворимого гидрофосфата кальция

Ca²⁺ + HPO₄^2– = CaHPO₄(тв)

Гидрофосфат-ионы частично нейтрализуются с образованием более сложной формы гидрофосфата кальция:

3CaHPO₄(тв) + 2OH^– + Ca²⁺ = Ca₄H(PO₄)₃(тв) + 2H₂O

При окончательной нейтрализации образуются кристаллы гидроксидфосфата кальция:

Ca₄H(PO₄)₃(тв) + 2OH^– + Ca²⁺ = Ca₅(OH)(PO₄)₃(тв) + 2H₂O

Растворенный кальций это преимущественно внеклеточный катион. Известно несколько механизмов поддержания пониженной концентрации Са²⁺ внутри клетки относительно окружающей жидкости. Один из механизмов – так называемый Ca²⁺/Na⁺-насос. За счет переноса трех ионов Na⁺ в клетку по градиенту концентрации, из клетки выбрасывается один ион Ca²⁺ против градиента концентрации:

3Na⁺(внеклет.) + Ca²⁺(клет.) = 3Na⁺(клет.) + Ca²⁺(внеклет.)

Концентрация внеклеточного кальция поддерживается точно на уровне 5 ммоль/л. Стабилизация концентрации ионов Ca²⁺ обеспечивается действием кальциевого буфера, аналогичного кислотно-основному буферу. Источником ионов служат минеральные соли в костях, а связывающими кальций компонентами – свободные лиганды в жидкостях. Концентрация свободных ионов Ca²⁺ внутри клеток в 1000 и более раз ниже, чем в клетке. Но в клетке при этом имеется кальций, связанный с клеточными органеллами. Довольно часто встречаются нарушения гомеостаза кальция. Это связано с многочисленностью процессов, зависящих от кальция. Перечислим лишь некоторую часть этих процессов: формирование костной ткани, запуск сокращения скелетных и сердечных мышц, регуляция нервной деятельности, процесс синаптической передачи импульса, механизм работы зрительной клетки, коагуляция крови и тромбогенез, влияние на работу почек, влияние на работу эндокринных желез, участие в патогенезе клеток и тканей. Сдвиги гомеостаза кальция проявляются в острой патологии гипокальциемии (сильное понижение концентрации кальция) и гиперкальциемии (сильное повышение концентрации кальция).

Особенности иона Ca²⁺, которыми обусловлено его участие в многочисленных процессах, можно свести к наличию достаточно высокого положительного заряда, координационного числа, достигающего значения 8 и большой скорости обмена частиц, связанных с кальцием. Реакции замещения на ионе кальция идут приблизительно на 3 порядка быстрее, чем на ионе магния. Наиболее характерно для кальция связывание с кислородными лигандами. Высокое координационное число позволяет иону Ca²⁺ скреплять молекулы, образующие мембраны. Например, фосфолипиды в цитоплазматической мембране.

Известно более 100 Ca²⁺-связывающих белков. Среди них всесторонне изучен кальмодулин. Это регуляторный белок с M_r =17000. В этом белке 4 центра связывания кальция. Константы связывания составляют около 1·10⁶. Связывание кальция по всем четырем центрам ведет к заметному изменению конформации. С этим связана способность кальмодулина активировать или инактивировать ферменты. Таких ферментов насчитывается около двух десятков.

С процессами обмена кальция связан необычный пептид кальцитонин, состоящий из 32 остатков аминокислот, и имеющий концевую петлю из семи остатков с дисульфидным мостиком. Такая петля может быть хозяином для связывания гостя (вспомните терминологию в лекции по комплексным соединениям).

Концевой цикл кальмодулина

Дата добавления: 2013-12-13