мости, переноса ионов, генерации нервного импульса. В органеллах клетки — митохондриях в процессе окислительного фосфорилирования происходит синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Ферменты, катализирующие этот процесс, находятся в мембране митохондрий.
Имеются сведения, что ионы двухвалентных металлов (в частности, Са 2+) принимают участие в «склеивании» мембран рядом расположенных клеток, соединяясь с отрицательно заряженными группировками на их поверхности. Агрегация клеток является необходимым условием их нормального существования [5]. Взаимодействие плазматической мембраны с неорганическими ионами довольно сложно. В условиях динамического равновесия распределение ионов по обе стороны мембраны зависит от соотношения двух процессов — физической диффузии ионов и активного транспорта.
Как уже отмечалось (стр. 23), электропроводность внеклеточной и внутриклеточной жидкостей примерно одинакова, но их химический состав различен. Наружный раствор содержит главным образом катионы натрия и анионы хлора; во внутреннем растворе этих ионов мало, но в нем много катионов калия и крупных анионов органической природы, не проходящих через мембрану. Такое соотношение ионов поддерживается так называемым натриевым насосом, выкачивающим ионы натрия из клетки в окружающую среду. Этот насос препятствует поступлению избытка воды внутрь клеток, где высока концентрация недиффундируемых макромолекул белка. Извлечение положительно заряженных ионов натрия из клетки приводит к тому, что внутренняя поверхность мембраны заряжается отрицательно по отношению к наружной мембране, заряженной положительно. В то же время насос накачивает ионы калия внутрь клетки, где их концентрация становится значительно выше, чем в окружающей среде.
По законам пассивного транспорта ионы калия и натрия стремятся к движению в обратном направлении, однако биологический насос поддерживает постоянный ионный состав по обе стороны мембраны, несмотря на утечку. На мембране клетки или волокна возникает разность потенциалов порядка 60—90 мВ. Это так называемый м е м б р а н н ы й п о т е н ц и а л п о к о я , обусловленный различием ионного состава обеих сред, в основном разницей в концентрации ионов калия по обе стороны мембраны*. Если лишить клетку кислорода или подействовать на нее ингибитором обмена, потенциал упадет до 10 мВ вследствие выхода из клетки ионов калия (диффузионный потенциал).
Мембранный потенциал покоя в нейронах и мышечных волокнах необходим для возникновения и распространения нервного импульса. При раздражении нейрона отрицательный потенциал исче-
*** Катионно-анионное равновесие в каждой из сред поддерживается за счет анионов белка, хлорида, фосфата.**
зает, так как внутренняя поверхность мембраны становится электроположительной по отношению к наружной. Это обратное отклонение достигает 40 мВ. Мембранный потенциал при раздражении нейрона изменяется вследствие повышения проницаемости плазматической мембраны для ионов натрия. Последние диффундируют внутрь клетки, а ионы калия — наружу (поглощение Na+ при этом увеличивается в 20 раз, а выделение К + — в 9 раз). В результате деполяризации мембраны возникает электродвижущая сила, обусловливающая восходящую кривую п о т е н ц и а л а д е й с т в и я . Вслед за этим в клетке наступают восстановительные процессы (инактивация натриевой проницаемости и реполяризация мембраны). Этот сдвиг регистрируется в виде нисходящей кривой потенциала действия. Изменение мембранного потенциала в одном участке делает более проницаемым соседний участок, в результате чего волна деполяризации и потенциал действия распространяются по волокну. Активный перенос ионов натрия и калия отмечается в эритроцитах (что обеспечивает их дыхательную функцию), в эпителии почечных канальцев, а также в мембранах некоторых органелл. Предполагается, что активный транспорт типа «насосов» имеется в некоторых клетках организма и для других ионов (С1~, J-, Са 2 + , Mg 2 +).
Недавно установлено наличие специальных веществ-переносчиков (ионофоров), обеспечивающих так называемую облегченную диффузию щелочных металлов через мембраны. Такими веществами являются, в частности, антибиотики циклодепсипептиды— валиномицин, грамицидин и др. (М. М. Шемякин, Ю. А. Овчинников и др.).
Относительно влияния металлов-микроэлементов на функцию клеточных мембран материал только накапливается.
2.3 .4. Минеральные элементы и ферментные системы
Ферменты являются наиболее эффективными и специфичными из всех известных катализаторов. Каталитические свойства ферментов локализованы в их активных центрах, которые образованы относительно небольшим количеством аминокислотных остатков. Функция остальной части полипептидной цепи состоит в том, что она удерживает активные центры в пространственном положении, необходимом для осуществления специфической каталитической функции.
Во многих случаях для катализа ферментативных систем необходимы, кроме субстрата и фермента, вещества небелковой природы— кофакторы. Последними могут служить либо органические соединения (коферменты),* либо ионы металлов.
Взаимодействие ионов металлов с ферментами в химическом
Часто коферментами являются витамины.
отношении является частным проявлением более общей закономерности— образования металлоорганических комплексов, основного типа соединений в биологических системах. Комплексообразование в большей или меньшей степени свойственно всем элементам периодической системы, однако наиболее выражена эта способность у катионов металлов.
В комплексном соединении ион металла занимает центральное место. Ионы или молекулы, образующие комплекс с металлом, называются аддендами или лигандами. Простыми анионными лигандами in vivo являются СО§- НСО§- POJ-, HPOJ-, Н 2 РО~, F~ С1~, Вг~, J-, вода. Наряду с этим лигандами может служить большое число природных органических соединений. Это аминокислоты, пептиды, белки, нуклеопротеиды, нуклеиновые кислоты, карбоновые кислоты, углеводы, фосфолипиды и другие соединения, содержащие электронно-донорные атомы (азот, кислород, сеРУ).
Предпочтение, отдаваемое ионом металла той или иной группе,, зависит от ряда факторов: характера металла, природы лиганда,, особенности растворителя и др. Прочность образуемых комплексов ион металла-лиганд хорошо объясняется с позиции концепции жестких и мягких кислот и оснований.
Согласно электронной теории кислот и оснований Льюиса, акцепторы электронов (атомы, ионы или молекулы) играют роль кислот, а доноры электронов — оснований.
Кислоты или основания делятся, в свою очередь, на жесткие и мягкие. Мягкость или жесткость обусловлены подвижностью электронов, или поляризуемостью частиц. При легком смещении электронов частицы относят к мягким, при трудном —к жестким (подробнее см. 4, 13, 20, 21). Катионы щелочных, щелочноземельных и переходных биоэлементов-металлов являются в основном жесткими кислотами, а неорганические анионы — жесткими основаниями. Прочные связи образуют только жесткие кислоты с жесткими основаниями и мягкие кислоты с мягкими основаниями.
Связь между противоположными по жесткости кислотами и основаниями всегда будет слабой, если она вообще возможна.
Стабильность комплекса ион двухвалентного металла-лиганд (зависящий от порядка изменения мягкости) изменяется согласно ряду Ирвинга-Уильямса следующим образом:
C a < M g < M n < F e < C o « N i < C u > Z n ,
т. е. соответствует переходу от жесткой кислоты С а 2 + к иону с промежуточной жесткостью Си 2+.
Мягкость лигандов, или их способность быть донорами электронов, также влияет на устойчивость комплекса и селективность ионов металла. Так, у белков при переходе от кислородных электронно-донорных функциональных групп (жестких) к сернистым (мягким) меняется порядок предпочтения металла (табл. 3).
При взаимодействии некоторых ионов с органическими соединениями (аминокислотами, пептидами, белками) происходит про-
