у, для всех организмов.

Не менее, а, видимо, даже более энергично осуществляется обмен воды в растениях. Так, в течение вегетационного периода одно растение кукурузы или подсолнечника испаряет до 200 кг воды. В жаркий день количество проходящей через лист воды в 2 раза превышает массу самого листа. В засуш-ливых условиях скорость восходящего потока воды в древесине достигает 25 м/мин.

В организме вода доставляется к тканям и отводится от них в составе биологических жидкостей. Проникновение воды в клетки и обратно осуществляется через поры клеточных мембран, диаметр которых 0,3—0,4 нм. По поводу механизма проникновения воды через клеточную мембрану высказано несколько предположений. Считают, что перенос воды идет активно за счет взаимодействия дипольных молекул ее с полярными веществами, из которых состоит стенка поры. Есть мнение, что обмен молекулами воды между внутриклеточным и внеклеточным пространством осуществляется за счет свободной диффузии. Полагают также, что решающая роль в проникновении воды в клетку и выходе ее обратно принадлежит осмотическим явлениям. Но так или иначе указанный процесс протекает достаточно энергично, и время полуобмена воды в клетках ряда тканей составляет 30—90 с. Оно значительно превышает время полуобмена органических молекул или ионов в аналогичных опытах.

Регуляция обмена воды. Некоторые катионы специфически влияют на задержку и отдачу воды клетками и тканями. Так, Na* вызывает накопление воды в клетках и тканях, тогда как К+ и Са2+ оказывают прямо противоположное действие.

В организме животных мощное влияние на баланс воды оказывают гормоны: диуретический гормон, выделяемый передней долей гипофиза, способствует усиленному выделению воды из организма с мочой (диурез), а антидиуретический гормон (вазопрессин—см. с. 449), образуемый задней долей гипофиза, повышает обратное всасывание воды в почечных канальцах и резко сокращает диурез. Указанная регуляция осуществляется, таким образом, на уровне органа—почек. Однако само соотношение в организме упомянутых выше гормонов регулируется, по-видимому, центральной нервной системой.

Существуют еще некоторые механизмы регуляции водного обмена при посредстве тканей и органов. Так, в коже и печени животных и человека

434

располагаются депо воды, и при ее избыточном поступлении здесь накапливаются водные резервы. В растениях запасная вода концентрируется в межклеточных пространствах, а уровень ее испарения регулируется устьичным аппаратом.

МИНЕРАЛЬНЫЙ ОБМЕН

Огромную роль в развитии представлений об обмене минеральных соединений сыграли работы К. А. Тимирязева, а его исследование о значении цинка в питании растений (1872) было одной из первых работ, положивших начало учению о микроэлементах. Наверное, это не было случайностью, так как согласно современным данным Zn является рекордсменом по числу Zn-зависимых ферментов—их насчитывается уже 120. В блестящих работах В. И. Вернадского (1922) показана теснейшая связь состава организмов с составом земной коры, а в трудах его ученика—А. П. Виноградова (1939) развита идея о бяогеохимических провинциях, суть которой сводится к установлению тончайшей взаимосвязи элементов в системе почва—растения—животные. Следствием избытка или недостатка того или иного элемента в биогеохимической провинции являются эндемии—заболевания растений и животных. На современном этапе развития учения о минеральном обмене все более прослеживается связь между биологической активностью и строением атома и, следовательно, местоположением его в периодической системе элементов Менделеева.

Изучение роли минеральных элементов в обмене веществ недавно привело к возникновению новой науки—бионеорганической химии (или неорганической биохимии), предмет которой охарактеризован выше (см. Введение).

Участие минеральных веществ в формировании третичной и четвертичной структуры биополимеров. Наиболее фундаментальный механизм участия минеральных соединений в процессах жизнедеятельности связан прежде всего с их способностью соединяться с высокомолекулярными веществами—белками и нуклеиновыми кислотами. В результате указанного взаимодействия ионы металлов наряду с другими факторами обеспечивают поддержание определенной пространственной конфигурации биополимеров, которая далеко не безразлична для проявления биологической активности макромолекул. Таким образом, нормальное осуществление белками ферментативной, гормональной и других функций, беспрепятственная реализация информации, заключенной в нуклеиновых кислотах, образование надмолекулярных комплексов, формирование субклеточных частиц и т. п, немыслимы без участия катионов и анионов.

Приведем несколько примеров для иллюстрации высказанных выше общих положений. В формировании активной формы гормона инсулина (см. с. 451) выдающаяся роль принадлежит Zn2+. Возможно, что отсутствие должного уровня гормональной активности у синтетического инсулина связано с какими-то тонкими особенностями структуры, которые препятствуют возникновению биологически активного комплекса протомеров с Zn2+. Та или иная конформация молекул высокополимерной РНК в огромной степени определяется ионной силой раствора, а многие двухвалентные катионы (Cr, Ni, Fe, Zn, Мп и др.) принимают непосредственное участие в формировании спиральной структуры нуклеиновых кислот.

Очень яркой иллюстрацией участия катионов в образовании надмолекулярных структур является зависимость процесса ассоциации—диссоциации рибосом от концентрации Mg2+ (см. с. 285); он же стабилизирует третичную структуру тРНК. Деятельность подавляющего большинства

435

ферментов, принимающих участие в свободном и сопряженном с фосфорилированием окислении органических соединений, немыслима без участия ионов Fe и Си.

Число подобных примеров можно было бы умножить. Все они свидетельствуют о том, что становление структуры биополимеров и биокомплексов в значительной мере определяется наличием или отсутствием достаточного количества тех или иных катионов и анионов в клеточном содержимом. Поэтому естественно, что минеральные вещества оказывают огромное влияние на ход ферментативных процессов, обмен различных соединений, формообразовательные процессы и т. п. Роль их в жизнедеятельности организмов очень велика.

Участие минеральных веществ в ферментативном катализе. Действие более четвертой части известных в настоящее время ферментов тем или иным образом связано с металлами. В большинстве случаев ионы металлов вступают в непрочную связь с апоферментом, образуя с ним легко распадающийся комплекс. В виде комплекса с металлом фермент проявляет максимальную активность, приобретая соответствующую пространственную конфигурацию. Таким образом, здесь ионы металлов выступают как организаторы третичной структуры фермента, в частности как организаторы активных центров ферментов. Именно так обстоит дело при взаимодействии ионов одновалентных металлов более чем с 60-ю и ионов цинка более чем с 30-ю ферментами животного, растительного и бактериального происхождения. Велика роль отдельных катионов в формировании ферментов—мультимеров, где связь между отдельными протомерами осуществляется при участии ионов металлов. К числу таких катионов относятся Mg2+, Mn2+, Zn2+, Са2+ и др. Особенно подробно в указанном смысле изучена а-амилаза. В присутствии Са2+ стабилизируются третичная и четвертичная структуры этого фермента, устойчивые по отношению к пептидгидролазам желудочно-кишечного тракта.

Гораздо реже ионы металлов образуют с белком-ферментом прочное соединение. В этом случае металл не отделяется от фермента при диализе или пропускании через ионообменник, т. е. фермент представляет собой истинный металлопротеин. Так, например, осуществляется соединение ионов Си и Fe в железосерных белках и синих оксидазах (см. с. 414). В какой-то мере упомянутым металлопротеинам подобны селенопротеины, привлекающие внимание в последнее время (в их числе такие ферменты, как формиат- и ксантиндегид-рогеназа, тиолаза, глутатионпероксидаза и др.).

Достаточно широко распространено участие ионов металлов в действии ферментов путем вступления ионов металлов в состав простетнческой группы ферментов. Классическим примером ферментов подобного типа могут служить цитохромы.

Наконец, многие катионы (Mg2+, Mn2+, Zn2+ и др.) активно участвуют в ферментативном катализе, связывая на короткое время очень непрочными связями либо субстрат и фермент (при возникновении фермент-субстратного комплекса), либо кофермент с апоферментом (в двухкомпонентных ферментах). Примеры первого рода весьма многочисленны; они характеризуют одно из самых старых представлений о возможной роли катионов в ферментативном катализе. Образование тройного фермент-металл-субстратного комплекса отмечено при действии аргиназы, пептидгидролаз, карбоксилаз и многих других ферментов. Примером второго рода может служить присоединение флавино-вого кофермента к апоферменту при посредстве ионов Fe, Mo, Си и Zn.

В табл. 26 приведены некоторые данные об активировании катионами металлов некоторых ферментативных процессов.

Благодаря тому что минеральные соединения тесно связаны с ферментативными реакциями, они практически влияют на все стороны обмена веществ.

436

Рассмотрим конкретно, в чем выражается зависимость обмена нуклеиновых кислот, белков, углеводов и липидов от содержания тех или иных катионов и анионов.

Минеральные соединения и обмен нуклеиновых кислот. Ряд катионов принимает непосредственное участие в поддержании вторичной и третичной структур ДНК и РНК. В частности, эта функция приписывается ионам Fe, Си, Mn, Zn, Со и Ni, обнаруженным в чистейших препаратах ДНК и РНК. В присутствии некоторых из перечисленных катионов повышается температура плавления нуклеиновых кислот, что свидетельствует о более высокой стабильности их молекул. Предполагают, что указанная стабилизация достигается благодаря возникновению межмолекулярных сшивок через ионы металлов по типу «слоеного пирога». Аналогично этому ионы металлов принимают участие в строении нуклеопротеинов, связывая молекулы белков и нуклеиновых кислот. Вместе с тем обнаружено, что тяжелые металлы (медь, ртуть, кадмий и цинк) изменяют основные этапы реализации генетической информации (синтез ДНК, РНК и белка) у бактерий, водорослей и простейших.

Таблица 26

Ферменты, активируемые катионами металлов

Класс ферментов Наименование ферментов Наименование металлов, активирующих фермент

I. Оксидоредуктазы Аскорбатоксидаза Си

Полифенолоксидаза Си

Ксантиноксидаза Мо

И. Трансферазы Ацетилтрансфераза Mg,K

Гексокиназа Mg, Mn

Аминоацилтрансфераза Mn

III. Гйдролазы Аргиназа Mg, Co

Аденозинтрифосфатаза Mn

Карбоксипептидаза Zn

Фосфатаза Co

IV. Лиазы Альдолаза Zn, Co

Карбоксилаза Mn, Си, Zn, Co

V. Лигазы Аминоацил-тРНК-синтетаза Mg, Zn

Ацил-КоА-синтетаза Mg

VI. Изомеразы Фосфоглюкомутаза Mn, Co

Почти все ферменты, ускоряющие реакции распада и синтеза нуклеиновых кислот, нуклеотидов, нуклеозидов, пуриновых и пиримидиновых оснований, активируются ионами металлов. Особенно велика роль Mg2+: он активирует ДНК-полимеразу и РНК-полимеразу, полинуклеотидфосфорилазу, нуклеоти-дазу, РНКазу, ДНКазу и ряд других ферментов нуклеинового обмена. Ионы Са и Ва увеличивают, a Zn уменьшают активность РНКазы. Недавно установлено, что Zn2+ необходим для функционирования ДНК-полимераз и обратной транскриптазы. Распад ДНК под действием ДНКазы повышается в присутствии Mn2+, Са2+, Fe2+ и Со2+. Ионы Мп активируют фосфодиэстеразы, ионы Мо—ксантиноксидазу, а ионы меди тормозят действие последней. Se4+ избирательно ингибирует транскрипцию рибосомальных генов; аналогично этому соединения La, Рг, Nd и Sm тормозят биосинтез РНК в ядрах клеток печени.

Интересные данные получены о роли бора в обмене нуклеиновых кислот. В отличие от всех других элементов он не является кофактором или

437

активатором ферментов. Однако при отсутствии бора сильно тормозится новообразование нуклеиновых кислот и усиливается их распад вследствие повышения активности РНКазы. Предполагают, что влияние бора на обмен нуклеиновых кислот связано с его участием в окислительном фосфорилирова-нин и синтезе нуклеозидтрифосфатов—исходных соединений для биосинтеза нуклеиновых кислот. Не меньшее значение для сопряжения окисления с фосфорилированием имеет Mg2+, так как комплекс Mg • АДФ непосредственно участвует в АТФ-синтазной реакции (см. гл. X).

В последнее время все большее значение придают роли ионов Си и Мо в обмене нуклеиновых кислот.

Роль минеральных элементов в обмене белков. Распад и синтез белковых тел в значительной степени зависят от ряда минеральных элементов. Ионы Мп, Fe, Zn, Со и Ni повышают активность пептидгидролаз и аргиназы, т. е. участвуют в деструкции белков. Биосинтез белков идет при непосредственном участии ионов К, Mg и Мп. Первый и второй необходимы для поддержания рибосом в функционально активном состоянии, причем от концентрации Mg2+ зависит уровень помех в кодон-антикодоновом взаимодействии. Третий обеспечивает осуществление пептидилтрансферазной реакции при сборке полипептидной цепи. Ионы Ni влияют на высвобождение многих пептидных гормонов по завершении их биосинтеза, а ионам Са принадлежит центральная роль в функционировании сократительных белков. Си2+-содержащий белок митохондрий—митохондрокупреин, представляет депо меди для синтеза цито-хромоксидазы.

Вопрос о роли минеральных элементов в обмене аминокислот разработан еще недостаточно, однако следует отметить большое значение ионов Со в биосинтезе метионина, Mg и Мп—в реакциях обмена аминокислот, связанных с переносом одноуглеродных фрагментов (синтез серина из глицина, цитруллина—из орнитина и карбамилфосфата и др.), Fe—в превращении фенилаланина в тирозин, Zn—во включении глицина в глутатион печени, Se—в окислении HS-групп радикалов цистеина в белках.

Участие минеральных соединений в обмене углеводов и липидов. Различные катионы принимают активное участие в распаде и синтезе как непосредственно углеводов и липидов, так и продуктов их деструкции, претерпевающих окончательное разрушение в цикле трикарбоиовых и дикарбоиовых кислот.

Центральным элементом в гликолитическом процессе является Mg: он активирует большинство ферментов гликолиза. В ряде случаев (гексокиназная реакция, переход от 1,3-дифосфоглицериновой кислоты к 3-фосфоглицерино-вой кислоте и от 2-фосфоглицериновой кислоты к фосфоенолпировиноградной кислоте) он может быть заменен Мп. Значение Са2+ для поддержания структуры а-амилазы отмечено ранее; подчеркнем лишь, что лантаниды, например Lu3+, столь же успешно активируют а-амилазу, как и Са2+. Новообразование углеводов в процессе фотосинтеза невозможно без участии магния (составная часть хлорофилла), марганца (участвует в фотосинтетическом фосфорилирова-нии) и железа (необходимо для биосинтеза хлорофилла). Ряд других элементов (Си, Zn, Мо, Со и В) не безразличен для хода фотосинтеза.

Распад липидов, как простых, так и сложных, активируется Са2+, так как этот катион положительно влияет на деятельность липазы, фосфолипаз А и С и липопротеинлипазы. р-Ок