Лев Николаев - Металлы в живых организмах

Во всех этих бактериях действует фермент, названный нитрогеназой. Для того чтобы превратить молекулярный азот в аммиак, ферментативные системы заставляют азот реагировать с ионом водорода и электроном. Детальный ход реакции не известен, но в ней, несомненно, принимает участие АТФ.

Белок нитрогеназы представляет собой комплекс двух белков — один из них содержит железо, а другой — железо и молибден. Кроме того, для действия нитрогеназы нужны двухзарядные ионы металлов: магния, марганца или кобальта (но не кальция), причем наибольший активирующий эффект получается с магнием.

Предполагалось, что в реакции фиксации атмосферного азота в качестве промежуточных продуктов получаются соединения N 2H 2— диазен и N 2H 4— гидразин.

Наличие в нитрогеназе двух металлов заставило предположить, что молекулы диазена и гидразина являются мостиками, связывающими в нитрогеназе ионы металлов. Более обстоятельное исследование привело к выводу, что роль мостика между железом и молибденом играет атом серы:

Роль мостика между железом и молибденом играет атом серы

К атому железа присоединяется молекула азота, так что получается комплекс:

К атому железа присоединяется молекула азота

Затем возникает связь азот — молибден и присоединяется электрон и протон:

Возникает связь азот — молибден и присоединяется электрон и протон

Присоединение водорода ведет к разрыву двойной связи и в конечном счете к образованию аммиака:

Присоединение водорода ведет к разрыву двойной связи и в конечном счете к образованию аммиака

В этом процессе длины связей между атомами растут от стадии к стадии (молекула растягивается), а приток возбужденных электронов дает возможность присоединить протон. Таким образом, связь с металлами облегчает реакцию азота с водородом.

Разумеется, искусственное создание такого двухъядерного комплекса, состоящего из двух металлов и легко осуществляющего фиксацию атмосферного азота, представляется чрезвычайно заманчивым. Но на пути практического решения этой задачи встретились большие трудности; ведь то, что теоретически можно изобразить схемой, — только приближенная картина крайне сложного биохимического процесса, в котором множество важных особенностей не учтено (например, изменения формы белковых молекул, играющие большую роль в катализе).

Тем не менее уже сделаны успешные попытки решить эту задачу. В Советском Союзе работы А. Е. Шилова, М. Е. Вольпина и В. Б. Шура показали, что азот можно связать с помощью соединений титана и магния; особенно активны соединения титана в присутствии соединений ванадия, хрома, железа, молибдена и вольфрама.

По-видимому, удастся разработать технически приемлемую схему фиксации азота, которая не будет уступать биологической. Но это дело будущего.

Большое число важнейших стадий процессов жизнедеятельности контролируется содержащимися в тканях организма ионами металлов. Поэтому вполне понятно, что нарушения в строгом режиме работы систем, содержащих металлы, тяжело сказываются на общем состоянии организма. Зная, какова роль того или иного металла, можно бороться с болезненными, патологическими явлениями и успешно ликвидировать их.

При недостаточном количестве железа врачи вводят ионы железа в форме молочнокислой соли или соли аскорбиновой кислоты. Суточная потребность здорового человека в железе всего около 5-10 мг и легко покрывается обычным рационом; овсяная мука, шпинат, чечевица, фасоль, салат, мясо, яйца и т. п. содержат достаточное количество железа. В лечебных препаратах железо лучше усваивается, если оно находится в состоянии двухзарядного иона. Поэтому аскорбиновая кислота (восстановитель) способствует всасыванию железа. Карбонат кальция и фосфаты, наоборот, тормозят всасывание из-за образования плохо растворимых осадков. Аналогично действуют сода или магнезия, понижающие кислотность желудочного сока.

Известно много препаратов железа, в том числе и содержащих сульфат железа (II), и даже просто порошок металлического железа; некоторые из них, однако, могут вызвать неприятные побочные явления (раздражение слизистых оболочек желудочно-кишечного тракта). Препараты железа рекомендуются для лечения так называемых гипохромных и железодефицитных анемий. При злокачественной анемии рекомендуется введение (лучше внутримышечно или под кожу) растворов витамина B 12(кобаламина — комплексного соединения кобальта, о котором шла речь выше). Человеку в сутки требуется всего 1-2 мкг, т. е. миллионные доли грамма. Этот витамин не только способствует кроветворению, он принимает участие и в других процессах — в синтезе креатина и метионина, в превращениях жиров, в образовании нуклеиновых кислот. Лечебные дозы, конечно, могут быть больше и достигают 100 и 200 мкг при внутримышечных инъекциях. Витамин В 12синтезируется кишечной флорой, но поступает и с пищей: мясо, яйца и особенно печень содержат значительные количества кобаламина. В лечебных целях его иногда комбинируют с солями железа, фолиевой и аскорбиновой кислотами. Соли магния с аскорбиновой кислотой применяют вместе с глюкозой для лечения гипертонической болезни и при нарушениях мозгового кровообращения. Оксид магния (жженая магнезия) рекомендуется для устранения повышенной кислотности и для лечения отравлений кислотами.

Благотворно влияют на организм и солевые растворы, содержащие смеси солей. Так, известная карловарская соль, используемая для лечения болезни печени, желчного пузыря, желчнокаменной болезни, повышенной кислотности, представляет собой (главным образом) смесь солей гидрокарбонатов, хлоридов, сульфатов натрия и калия.

Однако бесконтрольное введение в организм соединений различных металлов может привести к печальным последствиям. Даже поваренная соль — хлорид натрия — не безвредна. Ежедневная норма соли составляет около 10 г; врачи установили, что постоянное превышение этой нормы в два-три раза ведет к развитию гипертонии, а прием очень большой порции соли может оказаться смертельно опасным. В то же время хлорид натрия — жизненно необходимое вещество. Отсюда, конечно, легко сделать вывод, что все дело в концентрации, которую достигает соединение данного металла в клеточном содержимом организма.