Металлы в живых организмах

Карбонангидраза катализирует процессы гидратации диоксида углерода, т. е. образование иона НСО₃^-, и процессы дегидратации, связанные с выделением диоксида углерода вследствие разложения аниона угольной кислоты. Первый процесс совершается в клетках, отдающих СО₂ как продукт своей жизнедеятельности, а второй — в альвеолах легких, где выделение СО₂ должно происходить в надлежащем темпе.

Обе реакции можно записать так:

Карбонангидраза катализирует процессы гидратации диоксида углерода и процессы дегидратации

Первая представляет гидратацию СO₂, вторая — разложение иона НСО₃^-.

Роль иона цинка еще не выяснена окончательно. Вероятно, ион цинка катализирует разложение НСО₃^- в результате образования комплекса, претерпевающего быстрый распад:

Ион цинка катализирует разложение НСО₃^- в результате образования комплекса, претерпевающего быстрый распад

Прямая реакция соответствует разложению бикарбонатов и протекает в легочных альвеолах, а обратная соответствует связыванию СO₂ в клетках.

Ион цинка находится глубоко в центральной части белковой молекулы и связан с белком, насколько можно судить, с помощью трех гистидиновых остатков.

Киназы. Мы убедились, что для работы биологических машин необходимы переносы электронов и кислорода; дело, однако, этим не ограничивается. Ферменты клетки не перемешаны в беспорядке — важнейшие из них фиксированы в определенных зонах различных органелл (митохондрий, рибосом и др.), и перестройка молекул пищевых веществ, как уже упоминалось, идет строго согласованно и в нужной последовательности.

Для такой работы необходимо иметь средства, чтобы переносить и другие группы — особенно те, которые существенно изменяют запас энергии в молекуле и таким образом изменяют ее реакционную способность. Ферменты, катализирующие переносы фосфатной группы PO₃^2- от молекулы аденозинтрифосфорной кислоты к другим молекулам, называются киназами (от греч. kineo — "двигаю, перемещаю").

Аденозинтрифосфорная кислота, сокращенно обозначенная АТФ, является одним из самых важных биологически активных соединений. Подвергаясь гидролизу, эта кислота отщепляет одну молекулу фосфорной кислоты (Ф), образуя аденозиндифосфорную кислоту (АДФ); при этом выделяется относительно много энергии. При образовании АТФ из АДФ и Ф энергия соответственно поглощается. Ниже приведено уравнение гидролиза АТФ[3] (и обратный процесс):

Уравнение гидролиза АТФ (и обратный процесс)

Если АТФ реагирует с какой-либо другой молекулой, например с молекулой глюкозы, то, передавая ей фосфатную группу, она передает молекуле и значительный запас энергии (заряжает молекулу глюкозы энергией):

Реакция АТФ с молекулой глюкозы

Вот почему АТФ в клетках выполняет функции аккумулятора энергии.

Именно такого типа реакции, происходящие с переносом фосфата от АТФ на другой субстрат, и катализируются киназами. Киназы активируются ионами металлов, чаще всего магнием, а также кальцием и марганцем. Специфичность в этих случаях менее выражена, и указанные ионы можно иногда заменить на ионы кобальта или цинка. Но все ионы металлов, необходимые для работы киназ, двузарядны (степень окисления +2). Молекулярные массы киназ около 1000000, но неодинаковы у различных ферментов этой группы.

Ион металла, по-видимому, связывает АТФ и белок; доказано, что ионы металлов-активаторов образуют с АТФ комплексы. Способ связывания иона металла не всегда удается точно определить, хотя это важная сторона вопроса. Так, например, ион кальция активирует киназы, если он связан с белком-ферментом (Ф) через субстрат реакции:

Ион кальция активирует киназы, если он связан с белком-ферментом (Ф) через субстрат реакции

но тормозит реакцию, если связан непосредственно с белком:

Ион кальция тормозит реакцию, если связан непосредственно с белком

Кроме того, ионы металлов, как активные частицы, способны вступать в реакции комплексообразования и с молекулами субстрата — того вещества, на которое переносится группа РО₃^2-. По-видимому, основным этапом действия киназ является образование комплекса металл — АТФ, который, фиксируясь на белке, отдает фосфатный остаток субстрату.

В качестве субстратов особенно важны креатин и глюкоза (хотя изучены и другие реакции, например перенос РО₃^2- на пируват, аргинин и др.).

Креатин, содержащийся главным образом в мышечной ткани, выполняет функции, аналогичные функциям АТФ. Он запасает энергию, образуя креатинфосфат; именно эта энергия и расходуется, например, при мышечной работе. Поэтому образование креатинфосфата

Образование креатинфосфата

представляет с точки зрения биохимика большой интерес. В реакции

В реакции равновесие смещено влево

равновесие смещено влево.

Таким образом, ионы металлов (особенно магний) необходимы для нормального использования химической энергии фосфорных соединений, в частности для нормальной работы мышц.

Фермент, катализирующий образование креатинфосфата, называется креатинкиназой. Другой фермент — гексокиназа — катализирует перенос фосфорильной группы от АТФ к глюкозе:

Гексокиназа катализирует перенос фосфорильной группы от АТФ к глюкозе