Металлы в живых организмах

Статьи расхода энергии в клетке и организме в целом весьма разнообразны. Энергия нужна для механической работы, связанной, например, с мышечной деятельностью, для поддержания надлежащего темпа выделения теплоты и, наконец, для многочисленных синтезов. Большое число молекул создается в живом организме, и притом так, что их образование требует затрат энергии. Затраты покрываются с помощью АТФ. Запас АТФ сам по себе невелик, но если организм располагает резервом в виде гликогена (углеводный биополимер), то в надлежащий момент гликоген переходит в глюкозу, затем глюкоза окисляется, и таким путем вновь возникает АТФ (см. гл. 8). Непосредственно к месту потребления энергия доставляется в форме макроэргических связей этого соединения.

Процессы, которые мы рассматривали до сих пор, состоят из последовательных реакций перестройки и синтеза молекул, причем источником энергии служат реакции, освобождающие скрытые запасы химической энергии. Так, энергия, заключенная в системе глюкоза — кислород, больше энергии системы углекислый газ — вода; первая система переходит во вторую в результате обмена веществ в организме. Именно благодаря разности в запасе энергии исходных и конечных веществ клетки осуществляют все операции, связанные с синтезом белков, мышечной деятельностью, поддержанием температуры на оптимальном уровне и другими процессами, идущими с затратой энергии.

Глава 7. Железо и медь в организмах; их роль в энергетике клетки

Эти два металла играют исключительно важную роль как в технической культуре человечества, так и в организме человека. Но в технике используют свободные металлы или их сплавы, а в организмах действуют ионы железа и меди.

Природа экономна. Создавая сложные комплексные соединения металлов, она приспособила их для выполнения различных биохимических "обязанностей". Одно и то же соединение железа способно выполнять различные виды работы, смотря по тому, с каким белком оно связано и в каком валентном состоянии находится ион металла. Поэтому железо, как и медь, необходимо и для нормальной деятельности ферментов, и для процесса кроветворения, и для переноса кислорода, и для организации движения электронов от одной молекулы к другой в процессе обмена веществ (метаболизма).

Железо

Как мы уже указывали, ионы железа чаще всего встречаются в форме комплексных соединений с протопорфирином:

Ионы железа чаще всего встречаются в форме комплексных соединений с протопорфирином

Ионы железа в степени окисления +2, занимая внутреннюю область протопорфирина, замещают два атома водорода, которые находятся в группах NH, а два других атома азота соединяются с ионом железа за счет имеющихся у азота пар свободных электронов. При этом возникают сложные электронные орбитали, охватывающие все кольцо атомов С и N, окружающее центральный ион. Получившееся соединение — ферропротопорфирин — называется гемом. Это плоский цикл (макроцикл) с ионом железа(II) в центре. Гем входит в состав гемоглобина:

Ферропротопорфирин — называется гемом. Гем входит в состав гемоглобина

Подобная структура встречается часто, ее находят также в миоглобине и большинстве цитохромов, о которых речь будет ниже.

Гемоглобин — продукт присоединения гема к особому белку — глобину, с которым гем соединен прочно (рис. 8).

Рис. 8. Схема связывания кислорода гемоглобином

Клетки организма для своей жизнедеятельности нуждаются в кислороде. Того кислорода, который просто растворен в воде, а следовательно, может оказаться и в клеточных жидкостях, клетке не хватает. В 1 л воды при 20°С и нормальном давлении растворяется всего 6,6 см³ кислорода (что соответствует содержанию 3*10^-4 моль кислорода в 1 л). Обмен веществ идет значительно быстрее, чем процессы проникновения кислорода воздуха в воду, и при такой его растворимости клетки организма просто задохнулись бы. Но кровь обладает особыми свойствами: в тех же условиях в 1 л крови человека растворяется 200 см3 кислорода! Это — результат связывания кислорода гемоглобином — пигментом крови, веществом ярко-красного цвета, содержащимся в красных кровяных шариках — эритроцитах.

Гемоглобин выполняет роль переносчика кислорода от легких к клеткам, причем степень окисления иона железа не изменяется при соединении всего комплекса с кислородом! Соединение это, называемое оксигемоглобином, непрочно: при повышенном давлении кислорода (в альвеолах легких) оно образуется, а там, где давление кислорода ниже (в дышащей клетке), распадается, освобождая кислород. Процесс следует схематическому уравнению:

Соединение это, называемое оксигемоглобином, непрочно: при повышенном давлении кислорода (в альвеолах легких) оно образуется, а там, где давление кислорода ниже (в дышащей клетке), распадается, освобождая кислород