В процессе биологической эволюции природа из 32 d-элементов отобрала, в основном, d –элементы IV периода: Mn, Fe, Co, Cu, Zn, у которых на 3d подуровне 5 и более электронов. Эти металлы являются активными комплексообразователями. Лигандами выступают пептиды, белки, нуклеиновые кислоты.

Ионы d-элементов образуют комплексы, которые участвуют в образовании пространственной структуры биомолекул. Ионы d-элементов принимают активное участие в ферментативном катализе.

Марганец

В организме человека около 12 г марганца. Из них 43% –в костях, остальной в мягких тканях.

В биологических системах марганец присутствует в виде Mn²⁺ или комплексов в аминокислотами, белками, нуклеиновыми кислотами. Эти комплексы активируют большое число разных ферментов, относящихся к классам трансфераз, гидролаз, изомераз. Mn²⁺ стабилизирует конформацию нуклеиновых кислот, участвует в процессах репликации ДНК, синтезе РНК и белка, таким образом, биогенная функция марганца очень широка. Ионы марганца оказывают влияние на кроветворение, образование костей, минеральный обмен, рост, размножение и другие функции организма.

Важной особенность. Mn²⁺ является универсализм. Он может выполнять каталитическую функцию подобно Cu²⁺, Fe²⁺, Zn²⁺, но в тоже время действовать подобно Мg²⁺ и Са²⁺.

Железо и кобальт

В организме человека содержится около 5 г Fe и 1,2 мг Со. Большая часть железа (70%) содержится в гемоглобине крови, 14% – в костях, 43% – в мышцах, остальное – в мягких тканях. Ежедневное потребление Fe 10-20 мг, Со – 0,3 мг.

К наиболее важным железосодержащим соединениям относятся гемоглобин и содержащие его производные. Существует большая группа (50) Fe – содержащих ферментов – цитохромов, осуществляющих перенос электронов в данной цепи за счет изменения степени окисления:

Fe ³⁺ ↔ Fe ²⁺

Fe – содержащими ферментами также являются каталаза и пероксидаза, активные центры которых содержат Fe^3+. Каталаза ускоряет реакцию разложения перекиси водорода (с 1 мол. за 1 сек. до 44000 мол. Н₂О₂), пероксидаза ускоряет реакцию окислительного дегидрирования субстратов RH пероксидом водорода:

2 H ₂ O ₂ → 2 H ₂ O + O

RH + H ₂ O ₂ → 2 H ₂ O + R

Таким образом, эти ферменты защищают клетку от перекиси водорода – продукта свободно-радикального окисления.

В процессе эволюции природа создает замкнутый цикл использования железа. Все субстраты, содержащие гемовое железо, после использования раслагаются до Fe³⁺, которое в виде молекул FeOOH  и FeO · H ₃ PO ₄ с помощью белка ферритина, депонируются. От ферритина железо переносится через клеточную мембрану и доставляется в костный мозг, где образуется гемоглобин в новых эритроцитах.

Важную роль в организме играют комплексы ферредоксин, рубредоксин и другие железопротеины общей формулы [ Fe_xS_xProt], где х принимает значения от 1 до 8. Атомы серы могут быть двух типов из цистеина и «лабильная сера», природа которой не выяснена. Железопротеины являются компонентами различных электронно– транспортных цепей.

При недостатке железа в организме развивается железодефицитная анемия. Для пополнения запасов железа ежедневная доза – 1 мг. При слабости и истощении организма применяют аскорбинат Fe(II), лактат Fe(II), «ферроплекс» (FeSO₄ + аскорбиновая кислота).

Со, в основном, содержится в витамине В₁₂. Этот витамин необходим для созревания эритроцитов. Накапливается в печени. Его недостаток вызывает злокачественную анемию.

Задания для самостоятельного изучения:

1. Работа Na – K насоса

2. Биологическая роль селена

Тема « ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМЕ»

Обмен веществ представляет собой стройный ансамбль согласованных химических процессов, которые взаимосвязаны, взаимообусловлены, соподчинены друг другу. Изменение в обмене какой-то группы влечет изменения в обмене других веществ. Так, например, усиленный биосинтез белков, требующий значительных количеств энергии, сопровождается усиленным окислением углеводов и жирных кислот. Взаимосвязь между обменами объясняется общностью многих промежуточных продуктов их расщепления. Взаимопереходы между различными классами органических соединений являются необходимым условием существования живых организмов.

Взаимосвязь обмена нуклеиновых кислот и белков. Биосинтез нуклеиновых кислот зависит от аминокислотного и белкового обмена. Это выражается в том, что образование нуклеозиддифосфатов, нуклеозидтрифосфатов и самих нуклеиновых кислот зависит от наличия в клеточном содержимом соответствующего набора белков–ферментов (ДНК–, РНК–полимераз, а также фермнетов, обеспечивающих синтез пуринового и пиримидинового циклов). Кроме того, именно аминокислоты (асп – в случае пиримидиновых нуклеотидов; гли, асп, глн – в случае пуриновых нуклеотидов) служат основными исходными соединениями для построения пиримидинового и пуринового колец.

Взаимосвязь обмена нуклеиновых кислот и углеводов. В процессе апотомического распада углеводов образуется рибулозо – 5–фосфат – незаменимое соединение для биосинтеза пуриновых и пиримидиновых оснований.

Второй этап взаимосвязи обмена нуклеиновых кислот осуществляется на уровне нуклеозиддифосфатов и нуклеозидтрифосфатов – исходных соединений для синтеза нуклеиновых кислот. АТФ, необходимая для перехода углеводов в нуклеиновые кислоты, образуется в процессе окислительного фосфорилирования на уровне электронно – транспортной (дыхательной) цепи ферментов, что сопряжено с распадом углеводов. Следовательно, от интенсивности дыхания в организме зависит интенсивность биосинтеза нуклеиновых кислот.

Распад нуклеиновых кислот может служить источником соединений, служащих для биосинтеза углеводов, так как высвобождающаяся при гидролизе пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов рибоза может переходить в рибозо–5фосфат, из которого в процессе апотомического распада строится глюкозо– 6–фосфат – центральный метаболит в распаде и синтезе углеводов.

Биосинтез углеводов в значительно мере зависит от нуклеинового обмена, так как часть уридинтрифосфата (УТФ) используется для синтеза глюкозо–уридиндифосфата (глюкозо – УДФ) – важнейшего промежуточного продукта в биосинтезе олиго– и полисахаридов.

Взаимосвязь обмена нуклеиновых кислот и липидов. Прямая “субстратная” форма связи не характерна для обмена нуклеиновыхкислот и липидов.

Косвенная взаимосвязь проявляется в том, что b–окисление высших жирных кислот – составных частей большинства липидов служит энергетическим источником для поддержания на достаточном уровне синтеза нуклеозиддифосфатов и нуклеозидтрифосфатов.

Взаимосвязь обмена углеводов и белков. Центральным связующим звеном на пути превращения углеводов в белки является пировиноградная кислота (ПВК), которая образуется при дихотомическом распаде углеводов. ПВК путем переаминирования или восстановительного аминирования превращается в аланин. При карбоксилировании ПВК возникает щавелевоуксусная кислота (ЩУК), из которой образуется аспарагиновая кислота. Вступая в цикл Кребса, ПВК служит источником биосинтеза –a-кетоглутаровой кислоты, из которой путем восстановительного аминирования и переаминирования с аминокислотами образуется глутаминовая кислота. Другими путями из пировиноградной кислоты образуются валин и лейцин, из щавелевоуксусной – треонин, метионин, изолейцин, лизин; из a–кетоглутаровой – пролин, аргинин. Из продуктов апотомического распада глюкозы образуются фенилаланин, тирозин, гистидин. Таким образом, из промежуточных соединений, образующихся при распаде углеводов, в организме могут быть синтезированы все протеиногенные аминокислоты, а из них – белки.

Другие формы взаимосвязи обмена белков и углеводов заключаются в том, что многочисленные белки – ферменты необходимы для процессов распада и синтеза углеводов. В свою очередь, распад углеводов сопровождается синтезом АТФ, что обеспечивает энергетически биосинтез аминокислот и белков.

Взаимосвязь обмена белков и липидов. Распад липидов, как и распад углеводов, обеспечивает, с одной стороны, исходные соединения для биосинтеза аминокислот (а из них белков) и, с другой стороны, поддерживает образование белков энергетически, так как при окислении жиров много энергии запасается в форме АТФ.

Одним из основных продуктов распада липидов является ацетил-СоА. Включаясь в цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот, он обеспечивает синтез a–кетоглутаровой и щавелевоуксусной кислот, а из последней путем декарбоксилирования – пировиноградной кислоты. Из названных кетокислот синтезируются аминокислоты. Обмен глицерина, высвобождаемого при гидролизе триглицеридов, через углеводы ведет к таким аминокислотам, как гистидин, фенилаланин, тирозин, триптофан. Следовательно, все постоянно встречающиеся в белках аминокислоты могут синтезироваться за счет распадающихся липидов.

Возможен также синтез липидов за счет распадающихся белков. Так, при распаде аминокислот образуется пировиноградная кислота. При её окислительном декарбоксилировании возникает ацетил-СоА – исходное соединение для синтеза высших жирных кислот и других составных частей липидов.

Взаимосвязь обмена углеводов и липидов. Связующим звеном при переходе от углеводов к липидам является пировиноградная кислота и ацетил–СоА. Пировиноградная кислота путем окислительного декарбоксилирования превращается в ацетил–СоА, который служит исходным соединением для синтеза в организме высших жирных кислот, триглицеридов и других липидов.

3–Фосфоглицериновый альдегид, возникающий при дихотомическом распаде углеводов, изомеризуясь, превращается в фосфодиоксиацетон, при восстановлении которого образуется фосфоглицерин, необходимый для синтеза простых и сложных липидов. Ацетил–СоА и глицерин – главные продукты распада липидов – служат исходными соединениями для синтеза углеводов. Ацетил-СоА превращается в пировиноградную кислоту, а из неё – в углеводы путем обращения дихотомического пути распада последних. Превращение глицерина в углеводы идет через 3-фосфоглицериновый альдегид, а затем описанным выше способом.

Таким образом, общий ход биохимических процессов в организме представляет собою единое целое, а организм – самонастраивающуюся, саморегулируемую систему, поддерживающую свое существование путем обмена веществ.