Натрій і калій +1986 наклав л
Натрій і калій
Обидва ці елементи знаходяться в першій групі системи Менделєєва - вони сусіди і багато в чому схожі один на одного. Активні, типові метали, атоми яких легко розлучаються зі своїм єдиним зовнішнім електроном, переходячи в іонну стан, ці елементи утворюють численні солі, широко поширені в природі. Однак більш уважне дослідження виявляє, що біологічні функції натрію і калію не однакові. Солі калію краще поглинаються ґрунтовим комплексом, тому в тканинах рослин виявляється відносно більше калію, тоді як солі натрію переважають в морській воді. У біологічних машинах обидва ці іона іноді діють спільно, іноді прямо протилежним чином.
Мал. 20. Поширення нервового імпульсу: а - іони калію залишають нервове волокно швидше, ніж іони натрію входять в нього; б - дифузія іонів натрію посилюється; в - на зовнішній стороні нервового волокна виникає негативний заряд; г - початковий стан відновлюється, але негативний заряд з'являється зліва - в напрямку поширення нервового імпульсу
У поширенні по нерву електричних імпульсів беруть участь обидва іона. У спочиваючому нерві, у внутрішній його частині, зосереджений негативний заряд (рис. 20, а), а на зовнішній стороні - позитивний; концентрація іонів калію більше концентрації іонів натрію всередині нерва. При подразненні змінюється проникність мембрани нервового волокна, і іони натрію спрямовуються всередину нерва швидше, ніж іони калію встигають виходити звідти (рис. 20, б). В результаті на зовнішній стороні нервового волокна з'являється негативний заряд (там не вистачає катіонів), а всередині нерва (де є тепер надлишок катіонів) виникає позитивний заряд (рис. 20, в). На зовнішній стороні волокна починає відбуватися дифузія іонів натрію від сусідніх ділянок до того, який збіднений іонами цього металу. Енергійна дифузія веде до появи негативного заряду вже на сусідніх ділянках (рис. 20, г), а на вихідному відновлюється первинний стан. Таким чином, стан поляризації (плюс - всередині, мінус - зовні) пересунулася по нервовому волокну. Далі всі процеси повторюються, і нервовий імпульс досить швидко поширюється по всьому нерву. Отже, механізм поширення електричного імпульсу по нерву обумовлений різною проникністю мембрани нервового волокна по відношенню до іонів натрію і калію.
Питання про проникності мембран клітин для тих чи інших речовин вкрай важливий. Проходження речовини через біологічну мембрану далеко не завжди нагадує просту дифузію через пористу перегородку. Так, наприклад, глюкоза та інші вуглеводи проходять через мембрану еритроцита за допомогою спеціального переносника, який проводить молекули через мембрану. При цьому повинні виконуватися спеціальні умови - молекула вуглеводу повинна мати певну форму, вона повинна бути вигнута так, щоб її контур набув обрисів крісла, інакше перенесення може не відбутися. Концентрація вуглеводів у зовнішньому середовищі більше, ніж усередині еритроцита, тому таке перенесення називають пасивним.
Бувають випадки, коли мембрана наглухо закривається для певних іонів: зокрема, в мітохондріях внутрішня мембрана взагалі не пропускає іонів калію. Однак ці іони потрапляють всередину мітохондрії, якщо в навколишньому середовищі є антибіотики валиномицин або граміцидин. Валиномицин спеціалізується, головним чином, на іони калію (може переносити і іони рубідію і цезію), а грамицидин переносить, крім калію, також іони натрію, літію, рубідію і цезію.
Було з'ясовано, що молекули таких провідників мають форму бублика, радіус отвору якої такий, що всередині бублики поміщається іон калію, натрію або іншого лужного металу. Ці антибіотики назвали іонофори ( "носіями іонів"). На рис. 21 показані схеми перенесення іонів крізь мембрану молекулами валиномицина і грамицидина. Досить імовірно, що то токсична дія, яке антибіотики надають на різні мікроорганізми, як раз і пов'язане з тим, що в їх присутності мембрани починають пропускати всередину ті іони, яким бути там не покладається; це порушує роботу хімічних систем клітини мікроорганізму і веде до її загибелі або до серйозних розладів, який припиняє її розмноження.
Мал. 21. Схема роботи переносників іонів - іонофоров: а - рухливий переносник (валиномицин); б - перенос за допомогою каналу (граміцидин)
Істотну роль в біологічних машинах грають активні переноси через мембрани (див. Гл. 8). Виникає питання: звідки ж черпається енергія, необхідна для активного перенесення, і чи можна здійснити його без спеціального переносника?
Що стосується енергії, то в кінцевому рахунку вона доставляється все тими ж універсальними молекулами АТФ або креатинфосфат, гідроліз яких супроводжується звільненням великої кількості енергії. А ось щодо переносників питання менш ясний, хоча безсумнівно, що без іонів металів калію і натрію тут не обійтися.
Концентрація різних речовин в клітині (білкових і мінеральних) вище, ніж у навколишньому середовищі; з цієї причини найчастіше клітина виявляється під загрозою надмірного проникнення в неї води (в результаті осмосу). Для того щоб позбутися від цього, клітина викачує іони натрію в навколишнє середовище і тим самим вирівнює осмотичний тиск. З цієї причини концентрація іонів натрію в клітині менше, ніж в середовищі. Тут знову виявляється відмінність між натрієм і калієм. Видаляється натрій, і концентрація іонів калію виявляється відносно більше всередині клітини. Так, еритроцит містить калію приблизно в п'ять разів більше, ніж натрію.
Відомі деякі випадки, коли фермент, що активується іоном калію, пригнічується іонами натрію, і навпаки. Тому відкриття ферменту, для дії якого необхідні обидва іона, привернуло увагу біохіміків. Фермент цей прискорює гідроліз АТФ і називається (K + Na) АТФ-аза. Для розуміння його ролі і механізму дії треба знову звернутися до процесів переносу.
Як ми вже вказували, всередині клітин підвищена концентрація іонів калію, а в навколишньому клітинної середовищі відносно більше натрію. Викачування іонів натрію з клітини веде до посиленому надходженню в клітину іонів калію, а також і інших речовин (глюкози, амінокислот). Іони натрію і калію можуть обмінюватися за принципом "іон на іон", і тоді не виникає різниці потенціалів по обидва боки клітинної мембрани. Але якщо всередині клітини виявляється більше іонів калію, ніж звідти пішло іонів натрію, можливе виникнення стрибка потенціалів (близько 100 мВ); система викачування натрію називається "натрієвих насосом". Якщо при цьому з'являється різниця потенціалів, то вживають термін "електрогенний натрієвий насос".
Введення великих кількостей іонів калію в клітину виявляється необхідним, так як іони калію сприяють синтезу білка (в рибосомах), а також прискорюють процес гліколізу.
У мембрані клітини і розташовується (K + Na) АТФ-аза - білок з молекулярною масою 670 000, який до цих пір не вдалося відокремити від мембран. Цей фермент гідролізує АТФ, а енергія гідролізу використовується для перенесення в напрямку зростання концентрації.
Чудовим властивістю (К + Na) АТФ-ази є те, що вона в процесі гідролізу АТФ активується зсередини клітини іонами натрію (і тим забезпечує виведення натрію), а зовні клітини (з боку середовища) - іонами калію (полегшуючи їх введення в клітку) ; в результаті і відбувається необхідне клітці розподіл іонів цих металів. Цікаво відзначити, що іони натрію в клітині ніякими іншими іонами замінити не можна. АТФ-аза активується зсередини тільки іонами натрію, але іони калію, що діють зовні, можна замінити на іони рубідію або амонію.
Для функцій окремих органів, зокрема серця, має значення не тільки концентрація іонів калію, натрію, кальцію і магнію, а й їхнє ставлення, яке повинно лежати в певних межах. Ставлення концентрацій цих іонів в крові людини не надто відрізняється від відповідного ставлення, характерного для морської води. Можливо, що біологічна еволюція від перших форм життя, що виникли в водах первинного океану або на його мілинах, до її вищих форм, зберегла деякі хімічні "відбитки" далекого минулого.
Повертаючись до початку цієї глави, ми знову згадуємо про багатофункціональності іонів, про їхню здатність виконувати в організмах найрізноманітніші обов'язки. Кальцій, натрій, калій, а також кобальт виявляють цю здатність неоднаковим чином. Кобальт утворює міцний комплекс коррінового типу, і вже цей комплекс каталізує різноманітні реакції. Кальцій, натрій, калій виконують функції активаторів. А ось іон магнію може діяти і як активатор, і як складова частина міцного комплексної сполуки - хлорофілу, одного з найважливіших сполук, створених природою.
Видатний вчений К. А. Тімірязєв присвятив хлорофілу працю, названий їм "Сонце, життя і хлорофіл", вказавши в ньому, що саме хлорофіл і є та ланка, яка пов'язує процеси виділення енергії на Сонці з життям на Землі.
У наступному розділі ми і розглянемо властивості цього цікавого з'єднання.