в) металл вообще не связывается с ферментом, а образует комплекс с субстратом или коферментом, облегчая их соединение с активным центром (рис. 2.6, В);
г) ион металла связывает функциональные группы фермента, расположенные вне активного центра, но важные для стабилизации третичной и четвертичной структуры белка, пространственной конфигурации активного центра (например, влияние Са++ на стабилизацию структуры а-амилазы)* (рис. 2.6, Г); д) ион металла удаляет ингибитор, присутствующий в ферментном комплексе, или вытесняет малоэффективный ион из соединения с активным центром или функциональными группами субстрата.
В заключение отметим, что хелатные связи переходных металлов с нуклеиновыми кислотами (ДНК, РНК), наличие которых установлено за последние годы, возможно, окажутся биологически не менее важными, чем только что рассмотренные металлоферментные взаимодействия.
2.3.5. Минеральные элементы и гормоны
Специфическое влияние ряда гормонов на поддержание ионного равновесия в жидких средах организма (альдостерон — Na+, паратгормон---Са 2 + и тирокальцитонин —Са 2+) хорошо известно и подробно рассматривается ниже. В данном же разделе речь идет о прямом или косвенном влиянии минеральных элементов на структуру и функцию гормонов или метаболитов, через которые опосредствуется их действие на ткани. Фактический материал по этому вопросу более скуден, чем можно было бы предполагать, принимая во внимание структуру гормонов (белки, полипептиды, производные аминокислот, липиды) и комплексообразующие свойства неорганических ионов.
В условиях in vivo могут, по-видимому, быть следующие формы взаимодействия минеральных элементов с гормонами:
а) непосредственное включение в структуру гормонов;
б) образование непрочных комплексов с гормонами, способствующих конформации молекулы и пролонгированному действию гормона;
в) участие в формировании ферментных систем в органах-мишенях, где проявляется действие гормона; последний в этом случае может быть переносчиком ионов.
Минеральные элементы — структурные компоненты гормонов. Прежде всего следует указать на роль такого элемента, как сера. Дисульфидные мостики (—S—S—), связывающие цепи аминокислот и стабилизирующие структуру белка, имеются в молекулах многих гормонов (инсулин, пролактин, окситоцин, вазопрессин и др.). Расщепление мостиков ведет к потере активности гормона. *** Иногда в металлоэнзиме металл выполняет одновременно и каталитическую, и структурную функции (например, цинк в дегидрогенезах).**
вПонятно, что в данном случае речь идет не об окисленной, а о нейтральной сере, входящей в состав серосодержащих аминокислот (дисульфидные связи возникают при окислении SHгрупп двух молекул цистина, расположенных близко друг к другу).
Типичным (и пока единственным) примером роли микроэлемента как специфической интегральной части гормона является наличие йода в структуре тиронинов щитовидной железы. Последняя обладает выраженным сродством к йоду, концентрация которого в железе в 25 раз выше, чем в крови (наличие «йодного насоса» в мембране клеток). Поглощенные йодиды окисляются до атомарного йода, который включается в молекулу белка, образуя моно- и дийодтирозины. При их конденсации образуются тиреоидные гормоны (подробнее см. раздел 6.7.3).
Представляют интерес данные о возможности получения изостерических форм гормонов, где часть атомов заменена другими атомами или неорганическими ионами. Примером может служить замена атомов водорода фтором в тироксине или стероидах. В отношении ряда функций такие фторидные гормоны, по-видимому, более эффективны, чем исходные. Получены синтетические аналоги гормона окситоцина, содержащие вместо серы селен. Они более активны, чем природные гормоны, и лишены нежелательных побочных свойств [17].
О роли фосфора в реализации гормональных воздействий может свидетельствовать его содержание в молекуле так называемого циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). Предполагается, что это соединение является уникальным промежуточным компонентом, через который опосредствуется влияние многих гормонов на активность ферментов [18].
Комплексы гормоны — микроэлементы. Примером комплекса гормона с металлом-микроэлементом и участия последнего в конформации белковой молекулы является взаимодействие цинка с гормоном поджелудочной железы — инсулином.
Установлено, что у большинства животных цинк концентрируется в р-клетках островков Лангерганса, где он образует через имидазольные кольца гистидина комплекс с инсулином (при рН 7,3 комплекс содержит 2% Zn).
Димер инсулина (молекулярная масса 12 000) образует с двумя и четырьмя атомами цинка кристаллы. Ромбоэдральные кристаллы гексамера инсулина (молекулярная масса 36000) представляют собой единицы кристаллического инсулина [17]. Предполагают, что цинк способствует как связыванию инсулина с белковыми гранулами р-клеток (т. е. «хранению» гормона), так и освобождению его из этих гранул [25, 26]. При йодировании инсулина в количествах 4—6 атомов йода на молекулу способность гормона связывать цинк подавляется. Этот эффект зависит от замещения в имидазольных кольцах гистидина [17].
Имеются данные, что сродством к инсулину обладает и хром. Трехвалентный хром повышает эффект инсулина в месте его при-
ложения (мембраны клеток). В то же время без инсулина хром и его комплексы инертны. Механизм взаимодействия Сг — инсулин пока не известен [29].
Взаимодействие гормоны — ферменты — ионы металлов. В большинстве случаев процессы гормональной регуляции связаны с воздействием гормонов на функцию ферментных систем. В результате гормональной индукции возрастает скорость синтеза белков, в том числе и специфических ферментов. Данный эффект осуществляется на разных этапах биосинтеза белка [18].
При этом не исключена возможность взаимодействия гормонов с ионами металлов, которые служат компонентами многих ферментных систем (см. предыдущий раздел). Так, установлено, что тироксин может образовывать связи с ионами Cu 2 + , M g 2 + , Мп 2+, Со 2+, Zn 2 + . Возможно, что в данном случае гормон выполняет функцию переносчика ионов.
Синтезированные металлоэнзимы обеспечивают in situ проявление специфической функции гормонов (повышение проницаемости мембран, связывание с рецептором и др.), а также регулируют скорость их синтеза и распада*.
Изменение соотношения ионов, особенно металлов-микроэлементов в крови и межклеточной жидкости при гипофункции или удалении эндокринных органов (эндемический зоб, адреналэктомия, гипофизэктомия и т. д.), возможно, объясняется выпадением указанной «транспортной» функции гормонов. Не исключено, однако, и непосредственное влияние гормонов на перемещение ионов в средах организма вследствие изменения проницаемости мембран клеток или клеточных органелл.
В процессе этих взаимодействий возможно проявление синергизма и антагонизма ионов. Примером может служить нарушение фиксации йода в щитовидной железе и синтеза тироксина при избытке марганца, кобальта, меди или благоприятный эффект кобальта при недостатке йода в рационе [12].
2.3.6. Минеральные элементы и симбиотическая микрофлора
Наряду с непосредственным участием минеральных элементов в поддержании гомеостаза и обменных процессах возможно их косвенное влияние на метаболизм через симбиотическую микрофлору.
Относительно постоянные и благоприятные условия способствуют интенсивной деятельности микрофлоры в разных отделах пищеварительного тракта — в преджелудках и слепой кишке у жвачных, в слепой и ободочной кишках у лошадей, в слепой кишке у свиней и кроликов, в зобе, мышечном желудке и слепых отростках у птиц. Можно утверждать, что нормальное осуществление пищева-
*** Например, процесс самолимитирования организмом тироксина при участии металлоэнзимов печени.**
