От кислорода к ванадию. Что мы знаем о биологической роли химических элементов

Основа основ

Если посмотреть, каких веществ в живых организмах больше всего, то получится список из «великой четверки»: кислорода, углерода, водорода и азота. На них приходится основной процент от массы среднего человеческого тела (более 90%), и именно их свойства во многом обуславливают строение наших молекул, клеток и тканей.

Самый распространенный элемент в нашем теле — это, конечно, кислород. На него приходится до 60% от всей массы тела, и такую «популярность» ему обеспечивает вода внутри нашего организма. Кислород помогает формировать абсолютно все молекулы: его можно встретить и в белках, и в жирах, и в углеводах. Помимо этого, он, конечно же, разносится кровью по клеткам и тканям. В процессе клеточного дыхания в митохондриях именно кислород используется для сбрасывания на него «лишних» электронов. Кстати, именно в ходе этого процесса возникают активные формы кислорода — обычно сброс электронов восстанавливает кислород до воды, но иногда он восстанавливается не до конца. Такие не до конца восстановленные формы — к ним относят, например, супероксид-радикал, перекись водорода и гидроксильный радикал — очень активны и способны привести к развитию окислительного стресса, который выражается в разрушении молекул, окислении мембран и других неприятных процессах.

Следующий по старшинству после кислорода — углерод. Благодаря углероду жизнь такова, какова она есть, ее так и называют — углеродная, в противовес, например, гипотетической силикатной, то есть жизни, основанной на кремнии. Углерод хорош тем, что умеет формировать длинные крепкие цепи, причем каждый отдельный атом способен одновременно связывать четыре других атома (не обязательно углерода). Получается устойчивая цепочка, без которой невозможно было бы существование белков или ДНК. Тот же кремний способен связывать лишь два атома. Впрочем, некоторые ученые предлагают несколько фантастическую идею, что даже на Земле кремниевая или кремний-углеродная жизнь существовала на заре времен, просто потом исчезла, проиграв углеродной.Азот и водород — не менее важные элементы. Азот, на долю которого приходится около 2,5% от массы тела, важен для формирования «хвостов» аминокислот, и именно благодаря нему существуют белки: их длинные нити состоят из связанных между собой аминокислот. Водород тоже присутствует в ассортименте: это и вода, и самые разные молекулы. А вот протоны — заряженные и лишенные электронов Н+ — участвуют в одном из самых важных процессов в клетке: синтезе АТФ на мембранах митохондрий.

Неметаллы

За «великой четверкой» выстраиваются другие элементы в порядке их концентрации. Среди них много неметаллов. Фосфор присутствует в очень многих соединениях — от ДНК до АТФ, универсального источника энергии в клетке. Именно благодаря фосфатной связи АТФ такая энергоемкая: ее разрыв высвобождает скрытую в ней энергию, необходимую для большинства клеточных процессов.

Сера важна для белков: ее можно найти сразу в двух протеиногенных аминокислотах — метионине и цистеине. Такие аминокислоты внутри белков участвуют в процессе фолдинга: между двумя атомами серы образуется довольно крепкая связь, дисульфидный мостик. Такие мостики помогают белку формировать третичную структуру. Помимо этого, серу можно найти в некоторых витаминах — например, в тиамине (витамине В1) или биотине, важных для нормального метаболизма коферментах.

Возможно, при выборе зубной пасты вы обращали внимание, что на некоторых упаковках пишут «содержит фтор». Это связано с тем, что фтор участвует в образовании костей и дентина зубов, и влияет он в первую очередь на их прочность.

Также в последние годы активно изучается вопрос возможного участия фторидов в процессе дыхания и ингибирования/активации ряда ферментов.

Наконец, из неметаллов важен хлор. Отрицательно заряженные ионы хлора необходимы, например, для пищеварения: так формируется соляная кислота в желудке. Кроме того, отрицательно заряженные ионы хлора играют важную роль в регулировании внутриклеточного заряда на мембранах клетки.

Железный человек

Самые «популярные» ионы металлов в нашем организме — это железо, цинк, кальций, кобальт, натрий и калий. Сфера деятельности у ионов металлов огромна. Например, железо отвечает за связывание кислорода в гемоглобине крови, а также в миоглобине мышц. Кроме того, железо участвует в формировании множества ферментов, а еще белков семейства цитохромов: молекул, участвующих в получении АТФ, стимуляции апоптоза (программируемой клеточной гибели) и даже в разрушении токсичных соединений.

Цинк по распространенности среди металлов занимает второе место, сразу после железа. Он важен для целого ряда ферментов, активность которых регулирует метаболизм клетки и клеточный рост, причем, судя по экспериментальным данным, он обнаруживается более чем в трехстах различных белках. Специфическая структура белковой укладки в присутствии цинка даже имеет собственное название — цинковый палец.

Кальций важен в первую очередь для костей и зубов — именно он отвечает за их неорганическую часть. Но, помимо этого, он еще влияет на синтез некоторых гормонов, сворачиваемость крови, регуляцию активности генов и даже отвечает за передачу сигнала: кальций в клетке часто выступает в качестве так называемого вторичного мессенджера, передающего информацию внутри клетки.

Именно благодаря кальцию мышцы и сердце могут сокращаться.

Внутри мышцы кальций располагается в специальных компартментах (отсеках) — саркоплазматических ретикулумах. Когда на мышцу приходит сигнал (например, в виде молекулы ацетилхолина), кальций высвобождается, что в конечном итоге меняет конфигурацию белков актина и миозина — начинается сокращение.

Натрий и калий тоже в какой-то степени отвечают за сокращение мышц, но на деле их «экологическая ниша» куда более широка. Калий — это основной внутриклеточный катион — положительно заряженный ион. Основная же масса натрия обычно находится вне клетки. Эти два иона вместе с отрицательно заряженным хлором участвуют в формировании заряда на клеточной мембране — потенциала покоя и потенциала действия, что в конечном итоге выливается в образование нервного импульса.

Основная роль кобальта — формирование витамина B12, кобаламина. Структура кобаламина очень сильно напоминает структуру гемоглобина: в активном центре располагается похожая на порфириновое кольцо структура, которую называют коррином. Люди, животные, птицы и другие многоклеточные организмы не в состоянии самостоятельно синтезировать кобаламин, на это способны только бактерии и археи. Мы с вами получаем кобаламин, а вместе с ним и кобальт, от микробиоты, населяющей желудочно-кишечный тракт.

Есть в организме и драгоценные металлы — в первую очередь, конечно, золото и серебро. Кроме них к благородным металлам относят также платину и всю ее подгруппу с пятью другими элементами, но они в организме обычно не представлены. Зачем нам нужны серебро и золото? Никакого вреда драгоценные металлы не наносят, напротив, они малотоксичны. А вот что касается их биологической роли, то вопрос всё еще открытый, по крайней мере однозначных данных до сих пор не получено, а потому пока что благородные металлы считаются биологически бесполезными.

Ионы золота, судя по некоторым литературным данным, оказывают бактерицидное и противовоспалительное воздействие. Сложно сказать, сильно ли они помогают иммунной системе обезоруживать патогены, однако этот металл, точнее его соединения, давно интересует ученых на предмет его применения в медицинских целях.

У серебра антибактериальный эффект выражен, судя по всему, еще сильнее. В древние времена и в Средневековье люди даже применяли его нитрат как аналог антибиотиков. Однако достоверных данных на счет физиологической пользы серебра пока нет. Серебро и его соединения активно исследуются, появляются данные об отдельных его свойствах — например, антиканцерогенных.

Нас мало, но мы в тельняшках

Конечно, в организме присутствуют и работают и другие ионы: все они жизненно необходимы для правильной работы ферментов, хотя их концентрация невелика, особенно на фоне «великой четверки» и распространенных ионов. Селен, например, не только ответственен за синтез целой аминокислоты селеноцистеина, но еще и участвует в формировании активных центров некоторых ферментов. При этом селен влияет на биодоступность других элементов: например, при недостатке селена крайне плохо усваивается йод. Несмотря на свою полезность, высокие концентрации селена достаточно токсичны.

Противоречивы сведения о ванадии: некоторые ученые предполагают, что он участвует в процессе роста и развития костей. Кроме того, есть литературные данные, согласно которым ванадий считается усилителем действия инсулина.

А вот данных по меди множество: медь крайне важна и имеет обширный послужной список. У ионов меди даже есть собственный белок-переносчик! Медь входит в состав множества ферментов, например цитохром-с-оксидазы — одного из главных ферментов дыхательной цепи митохондрий. Именно в этой цепи процесс расщепления углеводов завершается, наконец, финальным синтезом АТФ, причем именно медьсодержащий белок отвечает за одну из последних стадий этого процесса.

Магний влияет сразу на многие системы организма и является одним из самых важных микроэлементов. Он регулирует активность критически важных ферментов и стабилизирует их. В частности, без него была бы невозможна работа ДНК-полимеразы — фермента, который строит двойную цепь ДНК во время репликации. В отсутствие магния репликация нуклеиновой кислоты и дальнейшее деление клетки остановятся. Кроме того, он влияет на иммунитет, причем как врожденный, так и приобретенный. Есть данные о том, что магний также стабилизирует клеточные мембраны.

Марганец — тоже довольно важный микроэлемент. Он влияет в первую очередь на гемопоэз — процесс образования клеток крови в костном мозге, но еще на синтез целого ряда углеводов и жиров. Также он активирует аргиназу — фермент, участвующий в цикле азота. Но при этом высокие уровни марганца ассоциированы с высокой нейротоксичностью и разрушением нервной ткани.

В гемопоэзе участвует еще один металл — никель. Помимо этого, он играет важную роль в процессах метаболизма жиров, синтеза и регуляции целого ряда гормонов, обеспечивает правильный фолдинг (то есть укладку) белков и нуклеиновых кислот. У ряда беспозвоночных, в частности бактерий кишечной микрофлоры, никель играет важную роль в цикле мочевой кислоты: он работает коферментом уреаз — энзимов, расщепляющих мочевину до диоксида углерода и аммиака. Избыточная концентрация никеля приводит к неприятным последствиям: он выступает как токсичный агент и даже может быть канцерогеном.

Очень мало в организме лития, однако его присутствие крайне важно для регуляции активности ферментов и некоторых гормонов. От лития зависит активность 47 белков, а кроме того, он влияет на синтез нейромедиаторов.

Молибден, еще один металл, принимает участие в активации ксантиноксидазы, важнейшего фермента в метаболизме пуриновых азотистых оснований (такие основания, например, участвуют в формировании ДНК и РНК), и регулирует активность еще нескольких ферментов.

Мышьяк и радий — токсичные и радиоактивные

Если вы сдадите кровь или волосы на анализ на содержание в них различных микроэлементов, то в таблице с результатами найдете графы «ртуть», «сурьма» и «мышьяк», причем для них будет значится и референтное, то есть нормальное, значение. Да, действительно, в человеческом теле в нормальном его состоянии есть элементы, которые традиционно считаются опасными, — например, мышьяк или ртуть. Неужели и у них есть какая-то роль в метаболизме?

На мышьяк приходится всего лишь 0,000026 процента массы тела, но всё же он присутствует — мы потребляем его вместе с водой и едой, где он присутствует в следовых количествах. Никакой пользы он не приносит: мышьяк — очень токсичное вещество, вызывающее серьезные поражения многих органов. Также есть литературные данные о корреляции между высокими концентрациями мышьяка и повышенным риском развития диабета и ожирения, рака, сосудистых заболеваний и т. д. Ртуть долгое время считалась полезным элементом, и в аптеках по всему миру было немало ртутьсодержащих лекарств. Вплоть до середины ХХ века ртуть была сверхпопулярной, пока не появились очевидные свидетельства ее высокой токсичности. Сейчас ртуть считают микроэлементом, не играющим никакой биологической роли, хотя, как и мышьяк, она попадает в наш организм с едой и ее следовые количества не наносят вреда. Ртуть воспринимают исключительно как токсичный агент, который крайне негативно влияет на активность ферментов, и ассоциируют ее с целым рядом самых разных заболеваний и патологий.

Однако в 2016 году вышла статья, в которой авторы заявили о том, что один из видов полифилитической группы пурпурных бактерий может-таки использовать ртуть в процессе фотосинтеза.

Это отчасти перевернуло представление ученых о ртути: оказывается, даже токсичное вещество может быть «полезным». Впрочем, свидетельства биологической значимости ртути в нашем организме пока отсутствуют и не факт, что будут найдены.

В норме в организме есть и свинец, но, как и ртуть, ничего хорошего он не делает — у него нет биологической функции. Попадая в тело случайным образом, свинец накапливается, вызывая отравление. Как и ртуть, в более ранние века он часто встречался в различных мазях, притирках и косметических средствах, вызывая преждевременную смерть и развитие различных заболеваний почек, репродуктивной системы, нервной системы и т. д. Кроме того, свинец влияет не только на физиологию, но и на поведение и психическое состояние.

Разумеется, есть в теле и радиоактивные элементы. На их долю приходится совсем небольшой процент массы, но всё же и радий, и уран присутствуют. Тут ситуация похожа на ситуацию с токсичными элементами: попадая в наш организм случайно, они потенциально способны привести к развитию тяжелых заболеваний. К счастью, попадают они в микроскопических и потому безопасных дозах.

Заключение

В человеческом теле, как в телах любых других существ, есть множество самых разных элементов — даже в этой статье мы рассмотрели далеко не все из них. Некоторые, например золото и ртуть, попадают в нас случайно. Большинство же нам жизненно необходимы: даже те элементы, концентрация которых невелика, регулируют активность ферментов и других молекул. Так что наша собственная таблица Менделеева не только обширна, но и полезна.