Биологическая роль s-металлов I группы

 

В организме человека ионы щелочных металлов присутствуют в виде растворимых солей: NaCl; KCl; Na₂HPO₄; Na₂CO₃; NaH₂PO₄; NaHCO₃ и др. Содержание их различно, также как и биоло­гическое действие. Содержание этих элементов по отношению к средней массе человека (~70 кг) составляет: Na ~ 60г (0,08%); K ~ 160 г (0,23%); Li, Rb и Cs по 10^-4-10^-5 %.

Na и K присутствуют в гораздо большем количестве и являются макроэлементами, остальные относятся к микроэлементам. Все они присутствуют в организме в виде ионов.

Из ионов всех щелочных металлов ионы Na⁺ и K⁺ имеют наибольшее зна­чение, их относят к металлам жизни. Можно отметить взаимосвязь между большим содержанием этих металлов в земной коре среди других элементов этой группы и их повышенным содержанием в орга­низме.

Академик В.И. Вернадский еще в 1916 г. указал на связь между химическим составом элементов в живом организме и их содержанием в земной коре. В его работах было показано, что среда обитания и человеческий организм неразрывно связаны между собой с поправкой на практически нерастворимые соединения - SiO₂ и Al₂O₃, которые наиболее распространены в природе, но в малых количествах присутствуют в организме, также обратная зависимость наблюдается для атома углерода, который в незначительных количествах содер­жится в земной коре (0,35%), но в организме он занимает второе место по содержанию - 21%. Для большинства других элементов такая взаимосвязь существует. Благодаря большей распространенности соединений K и Na в земной коре, они в большем количестве присутствуют и в организмах.

Из общего количества K ~ 98% находится внутри клеток и лишь 2% - во внеклеточной жидкости. Его называют внутриклеточным ионом. K⁺ является активатором ~ 60 ферментов внутри клетки, а ионы Na⁺, являясь внеклеточными, активизируют ферменты вне клетки (~44% Na⁺ находятся во внеклеточной жидкости, 9% - во внутриклеточной, остальное количество находится в костной ткани).

Эти два иона играют важную роль в различных физиологических процессах и не могут быть замещены в организме человека никакими другими ионами. Они участвуют в регуляции водного обмена, в пе­редаче нервных импульсов через мембраны нервных клеток, мышечном сокращении, нормальном функционировании сердца, а также в обменных реакциях. Оптимальные концентрации ионов K⁺, Na⁺ и других, обеспечивают необходимый для организма химический гомеостаз и биологическое действие.

Концентрация ионов внутри клетки и вне ее достигается благо­даря избирательной проницаемости клеточной мембраны по отношению к тем или иным ионам.

Перенос ионов через биологические мембраны осуществляют макроциклические лиганды, называемые ионофорами.

Ионофоры имеют некоторые общие черты: полость для катиона, гидрофобную наружную сторону и гибкую структуру, позволяющую последовательно замещать молекулы воды на металл.

Существует два класса ионофоров: один класс - каналообразующие ионофоры - белки, способные раздвигать мембрану, образуя в ней гидрофильный канал, по которому проходит катион. Каналообразующие ионофоры пронизывают биослой, предоставляя тем са­мым заполненный водой проход для транспорта гидрофильных веществ. Эти проходы могут быть снабжены затворными механизмами, контроли­рующими вход и способными различать катионы. Примерами каналообразующих ионофоров могут служить линейные пептиды, грамицидин и др., переносящие катионы М⁺ и М²⁺.

Второй класс - ионофоры-переносчики, которые образуют кати­он-ионофорный комплекс, проходящий сквозь мембрану. Эти ионофоры селективно связывают только определенные ионы и переносят их через мембрану в виде жирорастворимых комплексов.

Таким образом, одни ионофоры могут образовывать каналы в мембране, другие действуют в качестве переносчиков катионов.

В организме человека имеется такой ионофор - антибиотик валиномицин. Он осуществляет транспорт ионов калия через клеточ­ную мембрану внутрь клетки, обеспечивая тем самым необходимую кон­центрацию этого иона (~115-125 ммоль/л). Во внеклеточной жидкос­ти эта концентрация во много раз меньше ~ 3,5-5,5 ммоль/л.

Чаще всего ионы щелочных металлов могут быть лишь ионами внешней сферы комп­лекса, реже они выполняют роль центрального атома. Возможность существования таких комплексов была доказана при полу­чении модельных соединений с макроциклическими лигандами, состоя­щими из кольцевых молекул, внутри которых могут помещаться и проч­но удерживаться ионы щелочных, а также щелочноземельных металлов.

Примером таких молекул являются краун-эфиры и криптанды:

 

 

18-краун-6 с ионом калия (18-означает 18-членный цикл; 6 - наличие шести атомов кислорода).

 

 

Криптанд X = O; S; CH₃N Y = O; S; CH₃N; NCH₂CH₂COOH Правый и левый атомы азота называют узловыми атомами.

 

 

[2,2,2] - криптанд с натрием. Ион натрия в указанном комплексе помещается в полости молекулы криптанда, один электрон атома натрия переходит к другому, находящемуся снаружи. Получается необычное вещество, содержащее во внешней сфере анион натрия Na^-.

 

Макроциклические полиэфиры были впервые синтезированы и изу­чены в I967-I968 г.г. американским химиком К. Педерсеном. Природ­ный антибиотик-ионофор валиномицин был открыт намного раньше в 1955 г. Г. Брокманом (ФРГ). В 1963 г. была установлена хи­мическая формула, а в 1969 г. его пространственная структура. Молекула валиномицина - макроциклическое соединение - устроена так, что является "ловушкой" для иона калия. Внутренняя полость молекулы, как будто специально приспособлена для того. чтобы захватывать ион К⁺ и сравнительно крепко его удерживать. Подобные валиномицину ионофоры называют краун-эфирами или коронами согласно их внешнему виду.

 

Для этого краун-эфира более стро­гое химичекое название - дибензо-18-краун-6 - 2,3,11,12-дибензо-1,4,7,10,13,16-гексаоксацикло-октадека--2,II-диен (по химической номенклатуре назва­ние очень громоздко, поэтому им мало кто поль­зуется)).

 

Академик М.М.Шемякин и его ученики изучали закономерности между структурой валиномицина и его функцией, а также родственных ему веществ. Были найдены подобные вещества природного происхождения - они получили название мембрано-активных комплексов (ионофоров).

Все они обладают способностью специфично связывать определен­ные ионы, прежде всего ионы щелочных и щелочно-земельных металлов, включая их во внутреннюю полость своих молекул.

Сами молекулы таких веществ электронейтральны, но ионы прекрасно удерживаются в их полостях благодаря атомам кислорода, имеющим частичный отрицательный заряд. Положительно заря­женные ионы, например, ион К⁺ удерживается в "дырке" этого кольца электростатическим притяжением всех атомов кислорода. При этом молекула краун-эфира складывается наподобие упаковочной резинки и дважды охватывает ион К⁺. Полученные соединения, в отличие от соединений калия (K₂O), растворяются в углеводородах, если пред­варительно растворен краун-эфир. Действует алхимическое, давно знакомое нам правило: подобное растворяется в подобном. Именно жирорастворимые комплексы ионофоров способны проникать через кле­точные мембраны.

Другой тип синтетических ионофоров - макрогетеробициклические соединения (криптанды), их изучение связано с именем французского химика Ж.М.Лена.

"Криптанд" от греческого слова означающего пещеру, тайник. Сейчас синтетических ионофоров получено очень много и их число быстро растет. Обычно это моноциклы подобные краун-эфиру или бициклические соединения как криптанды.

Многие из них по своему устройству молекул и по свойствам похожи на валиномицин или его аналоги, поэтому их рассматривают как модели ионофоров. Однако, валиномицин представляет собой луч­ший из всех известных ныне лигандов, способных к избирательному комплексообразованию с ионами К⁺.

Антибиотик - актиномицин, напротив, связывает избирательно ионы Na⁺, а не К⁺.

Стабильность и избирательность по отношению к ионам s-ме­таллов у криптандов еще выше, чем у краун-эфиров.

Ионофоры, криптанды и их комплексы - криптаты, имеют большие перспективы в плане их применения в качестве лечебных средств - детоксикантов, особенно радионуклидов (¹³⁷Cs; ⁸⁷Rb и др.), а также как модели в решении вопросов, связанных с биологическим действием на организм человека. Важно отметить, что для обеспечения биологических процессов необходимо такое распределение ионов в орга­низме (внутри и вне клеток), которое бы поддерживало их физиоло­гические концентрации. Селективность ионофоров, их транспортная функция является условием проникновения определенных ионов внутрь клетки, что обеспечивает необходимую концентрацию и нормальные биологические процессы.

Литий, рубидий и цезий также содержатся в организме, но, как уже отмечалось, в незначительных количествах. Их биологическая роль пока еще мало выяснена. Установлено, что ионы Li⁺ являются биологическими антагонистами ионов Na⁺. Благодаря значитель­ному сходству их радиусов, энергий ионизации и др. показате­лей они способны взаимозамещать друг друга (являются, как правило, синергистами). Учитывая токсичность ионов Li⁺, такое замещение, особенно при недостатке ионов Na⁺ и при избытке ионов Li⁺, может вызвать интоксикацию всего организма. Некоторые соединения лития, в соответствующих дозах, оказывают положительное влияние на боль­ных, страдающих маниакальной депрессией. Объясняется этот факт двояко. Так, установлено, что литий способен регулировать актив­ность некоторых ферментов, участвующих в переносе из межклеточной жидкости в клетки мозга ионов Na⁺ и K⁺.

С другой стороны замечено, что ионы Li⁺ непосредственно воздействуют на ионный баланс клетки. От баланса ионов Na⁺ и К⁺ зависит в значительной мере состояние больного: избыток ионов Na⁺ в клетках характерен для депрессивных больных, недостаток - для страдающих маниями.

Выравнивая Na¾K баланс, соли Li оказывают положительное влияние и на тех, и на других больных.

Вместе с тем, содержание ионов Li в плазме крови необходимо контролировать. Если концентрация этого иона >1,6 ммоль/л, воз­можны отрицательные явления.

В очень малых концентрациях соли лития встречаются в минеральных водах. Некоторые соли лития применяются в лечебных целях в качестве лекарственных препаратов.

Явление взаимозамещаемости ионов щелочных металлов наблюдается и для других ионов, например рубидия с калием. Те же показатели - близкие размеры радиусов, сходство в строении оболочек ионов и др., позволяют рубидию накапливаться во внутриклеточной жидкости, замещая ион К⁺. Рубидий - синергист калия, активирует те же фер­менты, что и калий.

Радионуклиды ¹³⁷Cs и ⁸⁷Rb используют в радиотерапии зло­качественных опухолей, не опасаясь вредного воздействия благодаря быстрому распаду этихизотопов.

Соединения рубидия иногда применяются в медицине как снот­ворное и болеутоляющие средства.

Таким образом, все s-элементы I группы физиологически ак­тивны. Наибольшее значение из них имеют ионы Na⁺ и K⁺, они жизненно необходимы.

Биологическое действие ионов K⁺, Rb⁺ и Cs⁺ имеет сходный характер, они способны накапливаться внутри клеток и замещать друг друга, активизируя внутриклеточные ферменты. Это связано с большим сходством их электронного строения и рядом физико-хими­ческих характеристик.

Такими же свойствами характеризуются внеклеточные ионы Na⁺ и Li⁺.

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: