PRZEMIANY WODY I SOLI MINERALNYCH

Rozdział 11
PRZEMIANY WODY I SOLI MINERALNYCH
11.1. Gospodarka wodna
Skład i rodzaje wody w tkance i organizmie. Z informacji podanych w rozdziale 1 wynika, że woda stanowi ¾ masy Ziemi, a jej całkowita zawartość w organizmach jest 5 razy większa od zawartości we wszystkich rzekach kuli ziemskiej.
Poziom wody w organizmach roślinnych i zwierzęcych jest zróżnicowany i wynosi
88-99% w płynach biologicznych, takich jak sok drzew, krew, limfa, sok żołądkowy, podczas gdy w drewnie i tkance kostnej sięga tylko 20-24%. Ponadto zawartość wody charakterystyczna dla organizmu lub organu ulega zmianom wraz z wiekiem i wyższa jest w strukturach młodych, co potwierdzają obserwacje stopniowego obniżania się zapotrzebowania na wodę wraz z postępującym procesem starzenia się. Analogicznie, ilość wody w roślinach zmniejsza się w okresie wegetacji.
Zaobserwowano również, że młode, wierzchołkowe liście drzew zawierają znacznie większą ilość wody w porównaniu do liści starszych, rosnących w okolicy pnia.
Największą ilość wody w organizmie stanowi zlokalizowana w komórkach woda
wewnątrzkomórkowa, w przeciwieństwie do wody pozakomórkowej, która jest
składnikiem płynów międzykomórkowych, albo wchodzi w skład krwi, limfy lub
płynu mózgowo-rdzeniowego. W organizmie człowieka 2/3 wody przypada na
wodę wewnątrzkomórkową, a 1/3 na pozakomórkową. Zawartość wody w komórkach uzależniona jest prawdopodobnie od intensywności przebiegu procesów życiowych i na przykład w komórkach aktywnie dzielących się wynosi 80-90%.
Wcześniejsze przypuszczenia traktujące wakuolę jako główny rezerwuar wody
komórki roślinnej zostały zweryfikowane badaniami, które udowodniły, że magazynuje ona tylko 1/3 wody wewnątrzkomórkowej, natomiast pozostała część zlokalizowana jest w ściance i w protoplazmie komórki. W porównaniu do dużej ilości
wody w jąderku, kariolimfie, matryce mitochondrium i hialoplazmie, struktury
lipoproteinowe retikulum endoplazmatycznego charakteryzują się jej ograniczona
zawartością.
Stan wody. W komórce bakterii na jedną cząsteczkę kwasu nukleinowego przypada ok. 100 tysięcy cząsteczek wody, na jedną cząsteczkę białka ok. 40 tysięcy,
a na każdą cząsteczkę lipidów ok. 1.500 (zob. rozdz. 1).
Cząsteczki związków organicznych są więc otaczane cząsteczkami wody, z którymi wchodzą we wzajemne oddziaływania. Podobna sytuacja ma również miejsce
354
Podstawy biochemii
w przypadku kationów i anionów związków nieorganicznych oraz oddziaływań
cząsteczek wody pomiędzy sobą.
Cząsteczki wody mają budowę polarną o stałym momencie dipolowym, w wyniku czego dochodzi do ich wzajemnej orientacji i utworzenia charakterystycznego
systemu strukturalnego. Oddziaływaniu pomiędzy jonem a cząsteczką wody, tworzącą wokół niego otoczkę, towarzyszą zmiany jej struktury wywołane efektem
przejścia ze stanu uporządkowanego w nieuporządkowany. Ponowne przejście
prowadzące do mniejszego uporządkowania cząsteczek wody wokół jonu od uporządkowania w obrębie samej cząsteczki prowadzi do wytworzenia stanu ujemnej
hydratacji. Charakteryzuje się ona większą ruchliwością cząsteczek wody w pobliżu jonu. Ujemna hydratacja dotyczy przede wszystkim jonów K+, Rb+, Cs+, Cloraz I-, natomiast dodatnia jonów Na+, Li+, Ca2+ oraz Ba2+. Podobne zjawiska zachodzą z udziałem kationów i anionów związków organicznych, w tym także ich
makrocząsteczek. W związku z tym znaczna ilość cząsteczek wody komórkowej
wiązana jest dzięki procesowi hydratacji.
Istotną rolę w kształtowaniu struktury cząsteczki wody i jej oddziaływań z mikro- i makrocząsteczkami odgrywają wiązania wodorowe, dzięki którym część
wody komórkowej przekształcana zostaje w formę połączoną.
Przyjmuje się, że cząsteczki wody zlokalizowane w pobliżu odcinków hydrofobowych makrocząsteczek tworzą układy odpowiadające strukturom przypominającym lód (płatki śniegu), co sprzyja powstawaniu struktur trzeciorzędowych szeregu
biopolimerów, a w szczególności białek. Charakterystyczne dla każdej komórki
jest ponadto przenikanie cząsteczek wody do powstających układów cząsteczek
oraz ich kompleksów. Ze względu na charakter oddziaływań wodę tę zalicza się do
kategorii wody związanej.
Powyższe zjawisko dotyczące przejścia cząsteczki wody ze stanu wolnego w stan
związany i wynikające z niego konsekwencje dla funkcjonowania określonych struktur komórki na poziomie molekularnym precyzują wyniki badań, w których wykazano, że rybosomy zawierające wodę cechuje około 2,7 raza większa aktywność od
odpowiadających im struktur znajdujących się w stanie odwodnionym. Ponadto błony białkowo-lipidowe mitochondrium, lizosomów czy retikulum endoplazmatycznego izolują przestrzenie komórkowe zawierające wodę wraz z innymi związkami.
Podobną rolę pełni otoczka jądrowa. Woda obecna w składzie struktur subkomórkowych nazywana jest wodą unieruchomioną (immobilizowaną).
Można wyróżnić dwie kategorie cząsteczek wody występujących w organizmie:
wodę występującą w stanie wolnym oraz wodę związaną, która zależnie od siły
wiązania może być słabo związana (woda warstw dyfuzyjnych powłok hydratacyjnych, woda zestrukturalizowana, występująca jako rozpuszczalnik o temperaturze
krzepnięcia bliskiej 0oC) lub mocno związana (woda pierwszej sfery koordynacyjnej otaczająca cząsteczkę substancji rozpuszczonej będąca nie tylko rozpuszczalnikiem o temperaturze krzepnięcia równej -25oC, a nawet -269oC). W wyniku zachodzących na terenie komórki procesów związanych z usuwaniem zbędnych produk-
Rozdział 11. Przemiany wody i soli mineralnych
355
tów przemian metabolicznych oraz regulowanym przez określone białka, włączaniem niezbędnych komórce substancji, woda wewnątrzkomórkowa stale przechodzi ze stanu uporządkowanego w stan nieuporządkowany.
Należy pamiętać, że woda w organizmie nie stanowi obojętnego środowiska
wypełniającego przestrzenie między makrocząsteczkami, strukturami subkomórkowymi czy komórkami. Przeciwnie, jej obecność jest istotnym elementem struktury, poczynając od pojedynczej komórki, a kończąc na organizmie jako całości
i tylko z takiej perspektywy można właściwie ocenić i zrozumieć jej zasadnicze
znaczenie we wszystkich procesach życiowych organizmów.
Rola wody w procesach życiowych. Badania dotyczące gospodarki wodnej organizmów wskazują na jej podstawowe znaczenie dla prawidłowego przebiegu
procesów życiowych, dla których niedobór wody jest bardziej niebezpieczny od
niedoborów pokarmowych. Utrata tłuszczu i obniżona nawet do połowy zawartość
białka w organizmie nie są tak niebezpieczne jak straty wody odczuwane już przy
ubytku 20% jej zawartości. Na przykład podawanie samej wody 10-krotnie wydłuża życie głodzonych psów. Wraz z innymi związkami woda bierze udział w kształtowaniu ogólnej struktury wewnątrzkomórkowej przyczyniając się do uporządkowania procesów życiowych charakterystycznych dla żywej materii i regulacji ich
aktywności funkcjonalnej. Od stopnia uwodnienia mitochondrium zależy intensywność przebiegającego w tych strukturach procesu fosforylacji oksydacyjnej,
a prawidłowe uwodnienie rybosomów utrzymuje ich strukturę i wpływa na ich
aktywność związaną z prawidłowym przebiegiem syntezy białek.
Prawidłowości połączenia cząsteczek wody ze związkami aktywnymi biologicznie stanowią podstawę regulacji i samoregulacji szeregu procesów biochemicznych i fizjologicznych. Dlatego, jak mówi A. Szent-Györgyi, ,,nie można
mówić o białku, kwasach nukleinowych i wodzie tak, jakby to były dwa różne
systemy. One tworzą jedyny układ, którego nie można podzielić na składniki bez
naruszenia jego istoty”. Przykładem obrazującym taką zależność może być prawidłowa proporcja, przy której DNA zachowuje swoje naturalne właściwości, stanowiąca 0,6 g wody na 1 g suchej masy kwasu.
Będąc rozpuszczalnikiem dla występujących w komórce różnych biopolimerów
woda razem z nimi bierze bezpośredni udział w tworzeniu zoli i żeli protoplazmy.
Wzajemnemu przechodzeniu zoli w żele towarzyszy zjawiskowi tyksotropii (od
grec. tyksis dotykać i trop – powrót, zmiana), tzn. rozrzedzania żelu pod wpływem
sił mechanicznych (np. wstrząsanie) oraz jego ponownego zestalania. Podczas tego
procesu obserwuje się silną zmianę lepkości układu, ściśle związaną z licznymi
procesami biologicznymi, szczególnie o charakterze fizjologicznym, takimi jak:
skurcze mięśni, rozdzielanie niektórych struktur wewnątrzkomórkowych, podział
komórek czy ruch protoplazmy.
Przy ograniczonej lepkości, a charakterystycznej ruchliwości i zdolności do
rozpuszczania dużej ilości związków organicznych i nieorganicznych, woda pełni
funkcje transportowe, uczestnicząc w wydalaniu z organizmu zbędnych produk-
356
Podstawy biochemii
tów przemiany materii. Przenoszenie substancji realizowane jest w skali makroskopowej z udziałem wyspecjalizowanych układów transportowych (system
krwionośny oraz limfatyczny zwierząt, wiązki przewodzące roślin) oraz w mikroskopowej – przez membrany zewnątrz- i wewnątrzkomórkowe.
W przyrodzie ożywionej woda jest środowiskiem dla różnorodnych procesów
chemicznych. Jej duża stała dielektryczna wspomaga dysocjację substancji, zdolnych
do rozpadu na jony. Generalnie, udział wody w procesach biochemicznych nie ogranicza się tylko do funkcji rozpuszczalnika, lecz w wielu przypadkach do zaangażowania w reakcje chemiczne, takie jak: hydroliza, uwodnienia i odwodnienia, utleniania i syntezy, którym towarzyszą procesy pochłaniania lub wydalania wody.
Wysokie przewodnictwo cieplne wody oraz zdolność do pochłaniania dużej ilości ciepła w procesie jej parowania są wykorzystywane przez rośliny i zwierzęta do
regulacji ich temperatury.
Wymiana wody. Wskutek wyparowywania wody przez skórę, wydychania z powietrzem oraz wydalania z moczem i kałem, człowiek traci ok. 2600 ml wody na
dobę. Badania wykazały, że 6/7 utraconej wody organizm uzupełnia poprzez
przyjmowanie pożywienia. Przez długi czas nie była znana przyczyna deficytu
wody wynoszącego ok. 350 ml. Ustalono jednak, że w przypadku organizmu człowieka, brakująca ilość wody zostaje wytworzona w procesie przemiany materii.
Właśnie ta woda, pojawiająca się w efekcie procesów różnych przemian organizmu, nazywana jest wodą endogeniczną, w odróżnieniu od wody, która dostarczana jest organizmowi z zewnątrz, czyli tzw. wody egzogenicznej. Na przykład,
w procesie embriogenezy żółwika zbożowego ¼ część wody jest wodą endogeniczną, a w procesie przepoczwarzania się jedwabnika w motyla, niemal cała jej
ilość ma takie pochodzenie.
Woda endogeniczna syntetyzuje się w rezultacie utleniania związków organicznych. Przy pełnym utlenieniu 100 g tłuszczu powstaje 107,1 g wody. Podczas utlenienia takiej samej ilości węglowodanów otrzymuje się 55,5 g wody, natomiast
białek 41,3 g. Ilości te charakterystyczne są dla wszystkich organizmów.
Nie mniej, a może nawet bardziej intensywnie zachodzi proces wymiany wody
w roślinach. W okresie wegetacji jedna roślina kukurydzy lub słonecznika wyparowuje do 200 kg wody. Ilość wody przechodząca przez roślinę w upalne dni dwukrotnie przekracza masę samego liścia. W warunkach suszy prędkość ruchu wody
w łodydze osiąga 25 m/s.
W organizmie woda dostaje się do tkanek i zostaje z nich wyprowadzona jako
składnik płynu biologicznego. Wnikanie wody do komórek oraz jej wyprowadzenie
odbywa się poprzez pory membran komórkowych, których średnica wynosi 0,30,4 nm. Uważa się, że przeniesienie wody zachodzi aktywnie podczas oddziaływania
jej dipoli z polarnymi cząsteczkami innych związków, z których składa się ściana
pory. Wymiana wody pomiędzy przestrzenią wewnątrzkomórkową oraz pozakomórkową zachodzi dzięki procesom dyfuzji, a decydującą rolę we wnikaniu wody do
komórki i wydostaniu się jej na zewnątrz odgrywa zjawisko osmozy. Proces ten
Rozdział 11. Przemiany wody i soli mineralnych
357
przebiega w sposób dynamiczny, a okres połowicznej wymiany wody w komórkach
szeregu tkanek wynosi 30-90 s, co znacznie przekracza czas połowicznej przemiany
cząsteczek organicznych lub jonów w analogicznych warunkach.
Regulacja wymiany wody. Niektóre kationy specyficznie wpływają na zatrzymanie lub wydalanie wody przez komórki i tkanki. Na przykład Na+ powoduje
gromadzenie się wody w komórkach i tkankach, natomiast kationy K+ i Ca2+ wykazują działanie przeciwstawne.
Zasadniczy wpływ na bilans wody mają hormony: hormon diuretyczny, produkowany przez przedni płat przysadki mózgowej, sprzyjający wydalaniu wody z organizmu z moczem (diureza), i hormon antydiuretyczny (wazopresyna, zob.
rozdz. 12), produkowany przez tylny płat przysadki mózgowej, zwiększający resorbcję wody poprzez kanaliki nerkowe i ostro hamujący diurezę. Taki rodzaj regulacji ma miejsce na poziomie organu, w nerkach, przy czym współzależną aktywność obu hormonów reguluje centralny układ nerwowy.
Poza opisanym powyżej, istnieją jeszcze inne mechanizmy regulacji wymiany
wody w tkankach i organach. Skóra i wątroba są tkankami, które w przypadku
nadmiaru wody w organizmie gromadzą jej rezerwy. Woda zapasowa roślin
utrzymywana jest w przestrzeniach międzykomórkowych, a szybkość jej parowania reguluje aktywność aparatów szparkowych.
11.2. Gospodarka mineralna
Znaczącą rolę w rozwoju zasad przemian mineralnych związków odegrały badania prowadzone przez K.A. Timirjaziewa, którego praca dotycząca roli cynku
w życiu roślin (1872) była jedną z pierwszych, dających początek nauce o mikroelementach. Jego odkrycia potwierdzają badania współczesne, według których cynk jest
metalem występującym najczęściej w składzie enzymów. Opisano około 120 takich
białek. Prace W.J. Wernackiego (1922) pokazują ścisły związek pomiędzy chemicznym składem organizmów a składem skorupy ziemskiej, natomiast prace jego
ucznia, A.P. Winogradowa (1939), rozwijają teorię „biogeochemicznych prowincji”, polegającej na ustaleniu zależności pomiędzy zawartością pierwiastków w układzie gleba – rośliny – zwierzęta. Nadmiar lub niedobór któregokolwiek pierwiastka
na terenie biotopu („prowincji biologicznej”) skutkuje pojawianiem się zjawiska
endemii – choroby roślin i zwierząt. Współczesna interpretacja teorii o wymianie soli
mineralnych zakłada ścisły związek między aktywnością biologiczną a budową atomu i jego położeniem w układzie okresowym pierwiastków.
Badanie roli niektórych pierwiastków w przemianie materii doprowadziło do
powstania nowej dyscypliny naukowej, którą jest chemia bionieorganiczna, zwana
też biochemią nieorganiczną.
Udział związków mineralnych w formowaniu trzeciorzędowej i czwartorzędowej
struktury biopolimerów. Podstawową cechą mechanizmu udziału związków mine-
ralnych w procesach życiowych jest ich zdolność do połączeń ze związkami makrocząsteczkowymi, czyli białkami i kwasami nukleinowymi. W wyniku tego typu
358
Podstawy biochemii
oddziaływania jony metali, oprócz opisanych uprzednio funkcji, zapewniają także
utrzymanie określonej konfiguracji przestrzennej biopolimerów, która decyduje
o aktywności biologicznej makrocząsteczek. Usztywnienie struktury białka przez
jon metalu ma miejsce w przypadku regulacji enzymatycznej i hormonalnej funkcji
białek, przekazywania informacji zawartej w kwasach nukleinowych, tworzenia
kompleksów nadcząsteczkowych oraz do kształtowania elementów struktur subkomórkowych, których prawidłowy przebieg nie byłby niemożliwy bez udziału
odpowiednich kationów i anionów.
Można to ilustrować za pomocą przykładów. Powstawanie hormonalnie aktywnej formy insuliny (zob. rozdz. 12), związane jest z obecnością kationu Zn2+, przy
czym prawdopodobnie obniżony poziom aktywności insuliny syntetycznej zależy
od struktury jej cząsteczek, uniemożliwiającej powstawanie biologicznie aktywnego kompleksu protomerów z Zn2+. Prawidłową konformację cząsteczek RNA warunkuje przede wszystkim siła jonowa roztworu, natomiast kationy dwuwartościowe, m.in.: Cr2+, Ni2+, Fe2+, Zn2+, Mn2+, biorą bezpośredni udział w kształtowaniu
spiralnej struktury kwasów nukleinowych.
Ilustracją udziału kationów w tworzeniu struktur nadcząsteczkowych jest zależność procesu asocjacji-dysocjacji rybosomów od stężenia kationów Mg2+, stabilizujących również strukturę tRNA. Działanie większości enzymów biorących udział
w reakcjach wolnego utleniania lub utleniania sprzężonego z fosforylowaniem nie
jest możliwe bez udziału kationów Fe2+ i Cu2+.
Wszystkie istniejące przykłady obecności w komórce kationów i anionów pokazują, że tworzenie struktury biopolimerów i biokompleksów zależy w znacznej
mierze od ich aktywności i warunkowane jest ich odpowiednim stężeniem.
W związku z tym oczywisty wydaje się wpływ związków mineralnych na przebieg
procesów enzymatycznych, przemiany określonych związków czy też procesy
kształtowania struktury cząsteczek, a ich rola podstawowa dla prawidłowego przebiegu procesów życiowych.
Udział mineralnych związków w katalizie enzymatycznej. Aktywność ponad
¼ wszystkich znanych enzymów jest zależna od obecności jonów metali. W większości przypadków ich kationy oddziałują z apoenzymem, tworząc łatwo rozpadający się kompleks. W takiej formie enzym charakteryzuje się maksymalną aktywnością, warunkowaną odpowiednią konfiguracją przestrzenną. Jony metali regulują
w tych układach organizację trzeciorzędowej struktury enzymu, a w szczególności
budowę jego centrum aktywnego. Sytuacja taka ma miejsce w przypadku ponad 60
enzymów pochodzenia roślinnego lub bakteryjnego zawierających jony jednowartościowe, a w przypadku jonów cynku dotyczy ona więcej niż 30 enzymów. Znaczącą rolę odgrywają kationy metali w budowaniu kompleksów enzymatycznych,
w których uczestniczą w tworzeniu wiązań pomiędzy odrębnymi protomerami.
Należą do nich m.in. jony Mg2+, Mn2+, Zn2+czy Ca2+. Badania α-amylazy wskazują, że trzecio- i czwartorzędową strukturę tego enzymu stabilizują kationy Ca2+.
Rozdział 11. Przemiany wody i soli mineralnych
359
Natomiast rzadko występującym zjawiskiem jest tworzenie trwałych kompleksów białkowych o charakterze enzymatycznym z udziałem anionów metali. W tym
przypadku metal nie ulega oddzieleniu od enzymu ani podczas dializy, ani w trakcie rozdzielania na jonitach, w związku z czym enzym występuje jako prawidłowa
metaloproteina. Taki rodzaj połączeń jest charakterystyczny dla kationów miedzi
i żelaza z białkami zawierającymi żelazo i występuje w oksydazach niebieskich.
Do tego rodzaju metaloprotein podobne są selenoproteiny, a wśród nich takie enzymy, jak: tiolaza, dehydrogenaza mrówczanowa i ksantynowa oraz peroksydaza
glutationowa.
Stosunkowo szeroko rozpowszechniony jest udział kationów metali jako składników grupy prostetycznej. Klasycznym przykładem tego zjawiska są cytochromy.
Kationy, takie jak np. Mg2+, Mn2+ czy Zn2+, aktywnie uczestniczą w katalizie enzymatycznej, łącząc na krótki czas za pomocą nietrwałych wiązań albo substrat
z enzymem (podczas powstawania kompleksu enzym-substrat), albo koenzym
z apoenzymem (podczas powstawania enzymów dwuskładnikowych). Liczne przykłady pierwszego rodzaju kompleksów potwierdzają jedną z hipotez potencjalnego
udziału kationów w katalizie enzymatycznej. Przykładem drugiego rodzaju jest
przyłączenie koenzymu flawinowego do apoenzymu przy bezpośrednim udziale
kationów Fe2+, Mo2+, Cu2+, Zn2+.
W tabeli 11.1, przedstawiono wybrane informacje na temat aktywności kationów metali w niektórych procesach enzymatycznych.
Tabela 11.1. Enzymy aktywowane przez kationy metali
Klasa enzymów
Nazwa enzymów
I. Oksydoreduktazy
Oksydaza askorbinianowa
Oksydaza polifenolowa
Oksydaza ksantyowa
Transferaza acetylowa
Heksokinaza
Transferaza aminoacylowa
Arginaza
Trifosfataza adenozynowa
Karboksypeptydaza
Fosfataza
Aldolaza
Karboksylaza
Syntetaza aminoacylo-tRNA
Syntetaza acylo-CoA
Mutaza fosfoglukonianowa
II. Transferazy
III. Hydrolazy
IV. Liazy
V. Ligazy
VI. Izomerazy
Rodzaj kationów metali,
które aktywują enzym
Cu2+
Cu2+
Mo2+
Mg2+, K+
Mg2+, Mn2+
Mn2+
Mg2+, Co2+
Mn2+
Zn2+
Co2+
Zn2+, Co2+
Mn2+, Cu2+, Zn2+, Co2+
Zn2+, Mg2+
Mg2+
Mn2+, Co2+
Udział związków mineralnych w przemianach kwasów nukleinowych. Szereg kationów uczestniczy bezpośrednio w tworzeniu drugo- i trzeciorzędowej struktury
DNA i RNA. Funkcję tę pełną w szczególności kationy Fe2+, Cu2+, Mn2+, Zn2+,
Co2+ i Ni2+, wykrywane w czystych preparatach DNA i RNA. W obecności niektó-
360
Podstawy biochemii
rych z nich wzrasta temperatura mięknięcia kwasów nukleinowych, co świadczy
o zwiększeniu stabilności ich cząsteczek.
Uważa się, że stabilizacja ta osiągana zostaje dzięki powstawaniu warstw międzycząsteczkowych tworzonych z udziałem kationów metali. Analogicznie, kationy metali biorą udział w budowie nukleoprotein, łącząc cząsteczki białek i kwasów
nukleinowych. U bakterii, wodorostów i pierwotniaków metale ciężkie (miedź,
rtęć, kadm i cynk) mogą wpływać na zmiany przebiegu głównych etapów przekazywania informacji genetycznej (synteza DNA, RNA i białka).
Niemal wszystkie enzymy, katalizujące reakcji rozpadu i syntezy kwasów nukleinowych, nukleotydów, nukleozydów, zasad purynowych i pirymidynowych, są
aktywowane przez kationy metali. Zasadniczą rolę w tych procesach pełni kation
Mg2+, który aktywuje polimerazy DNA i RNA, fosforylazę polinukleotydową,
nukleotydazę i wiele innych enzymów aktywnych w przemianach kwasów nukleinowych. Kationy Ca2+ i Ba2+ zwiększają, a Zn2+ zmniejsza aktywność RNAazy.
Ponadto ustalono, że Zn2+ jest niezbędny dla prawidłowego funkcjonowania DNApolimeraz oraz odwrotnej transkryptazy. Szybkość rozpadu DNA pod działaniem
DNAazy zwiększa się w obecności Mn2+, Ca2+, Fe2+ oraz Co2+. Jony Mn2+ aktywują fosfodiesterazę, jony Mo2+ oksydazę ksantynową, a jony miedzi obniżają jej
aktywność. Kation Se4+ występuje jako selektywny inhibitor genów rybosomalnych, a związki, zawierające La, Pr, Nd i Sm hamują biosyntezę RNA w jądrach
komórek wątroby.
Uzyskane ostatnio informacje na temat roli boru w przemianie kwasów nukleinowych wskazują, że w odróżnieniu od wszystkich innych pierwiastków nie jest
on ani kofaktorem, ani aktywatorem enzymów. Jednak jego nieobecność silnie
hamuje powstawanie kwasów nukleinowych i nasila ich rozpad wskutek zwiększenia aktywności RNAazy. Można przypuszczać, że wpływ tego pierwiastka na
przemiany kwasów nukleinowych związany jest z jego udziałem w fosforylacji
oksydacyjnej lub też w syntezie trójfosforanów nukleozydów, stanowiących substancje wyjściowe dla ich biosyntezy. Porównywalne znaczenie w sprzężeniu fosforylowania z utlenianiem ma kation Mg2+ w związku z bezpośrednim udziałem
kompleksu Mg2+-ADP w reakcji, w której uczestniczy syntetaza ATP. Wyniki
ostatnich badań wskazują także na duże znaczenie w przemianie kwasów nukleinowych kationów Cu2+ i Mo2+.
Rola związków mineralnych w przemianie białek. Procesy syntezy i rozpadu cząsteczek białkowych przebiegają w znacznym stopniu zależnie od szeregu związków mineralnych. Kationy Mn2+, Fe2+, Zn2+,Co2+ oraz Ni2+ zwiększają aktywność
hydrolazy peptydowej oraz arginazy, czyli uczestniczą w reakcjach rozpadu białek.
Ich biosynteza odbywa się natomiast przy bezpośrednim udziale kationów K+,
Mg2+ i Mn2+. Kationy K+ i Mg2+ są niezbędne dla utrzymania rybosomów w stanie
funkcjonalnie aktywnym, przy czym od stężenia kationów Mg2+ zależy poziom
niezgodności oddziaływań typu kodon-antykodon. Kation Mn2+ wpływa na przebieg reakcji z udziałem transferazy peptydylowej pozwalającej na utworzenie łań-
Rozdział 11. Przemiany wody i soli mineralnych
2+
361
cucha polipeptydowego. Kationy Ni uczestniczą w uwalnianiu licznych hormonów peptydowych powstających w efekcie biosyntezie, a kationy Ca2+ pełnią
główną rolę w funkcjonowaniu białek regulujących proces skurczu mięśni. Białko
mitochondrialne zawierające kation Cu2+ (kupromitochondrium) traktowane jest
jako rezerwuar miedzi dla syntezy oksydazy cytochromowej.
Rola związków mineralnych w przemianie aminokwasów nie jest ostatecznie
wyjaśniona. Wiadomo jednak, że kationy Co2+ biorą udział w biosyntezie metioniny, jony Mg2+ oraz Mn2+ w reakcjach wymiany aminokwasów, związanych z przeniesieniem fragmentów cząsteczek zawierających jeden atom węgla (synteza seryny z glicyny, cytruliny z ornityny, karbamilofosforanu i in.), kationy Fe2+, w reakcji syntezy glutationu wątroby z udziałem glicyny, a Se4+ w reakcji utleniania grup
HS w rodnikach cysteiny białek.
Udział związków mineralnych w przemianie węglowodanów i lipidów. Kationy
biorą aktywny udział w reakcjach bezpośredniego rozpadu i syntezy węglowodanów i lipidów oraz produktów ich rozpadu rozkładanych ostatecznie w cyklu kwasów dwu- i trójkarboksylowych.
Zasadniczym kationem biorącym udział w procesie glikolitycznym jest Mg2+, aktywujący większość enzymów glikolizy. W niektórych przypadkach, takich jak: reakcja z udziałem heksokinazy, przekształcenia kwasu 1,3-difosfoglicerynowego
w kwas 3-fosfoglicerynowy oraz kwasu 2-fosfoglicerynowego w fosfoenolopirogronian, zamiast kationu Mg2+ może brać udział kation Mn2+. Znany jest udział kationu
Ca2+ w utrzymywania sztywnej struktury α-amylazy oraz aktywowanie tego enzymu
w obecności lantanowców (Lu3+) i Ca2+. Utworzenie węglowodanów w procesie
fotosyntezy nie jest możliwe bez udziału kationów Mg2+ (obecny w składzie chlorofilu), Mn2+ (bierze udział fosforylowaniu fotosyntetycznym) oraz Fe2+ (niezbędny do
syntezy chlorofilu). Oprócz wymienionych powyżej, dla prawidłowego przebiegu
procesu fotosyntezy charakterystyczny jest także udział innych pierwiastków, w tym
Cu, Zn, Mo, Co i B.
Rozpad lipidów prostych i złożonych aktywowany jest obecnością kationów
2+
Ca , od których zależne jest działanie lipazy, fosfolipaz A i C oraz lipazy lipoproteinowej. β-Utlenianie acetylo-CoA przebiega energicznie w obecności kationów
Cu2+ i Fe2+, a jego synteza, podobnie jak fosfocholiny i fosfatydylocholiny, jest
zależna od obecności jonów Mg2+.
Końcowy etap tlenowego rozkładu lipidów i węglowodanów w cyklu kwasów
dwu- i trójkarboksylowych (oddychanie) realizowany jest z aktywnym udziałem
kationów Mn2+, aktywujących niemal wszystkie enzymy cyklu Krebsa. Analogiczne działanie wykazują również kationy Mg2+ oraz w niektórych przypadkach jony
Co2+ i Zn2+.
Przemiana związków mineralnych. Związki mineralne niezbędne dla przebiegu
różnych procesów życiowych organizmów roślinnych i zwierzęcych, utrzymywane
są w większości przypadków w postaci specyficznych związków. Zwiększenie
stężenia pierwiastków (ich kumulacja) posiada w przyrodzie charakter specyficzny
362
Podstawy biochemii
i dziedziczny. Ponad 150 gatunków roślin, w tym psiankowate i jaskrowate, kumulują Li, widłaki – Al, wodorosty morskie – I, w postaci pochodnych tyrozyny, oraz
wielowartościowe metale (w ilości 108 t rocznie), a muchomor zwyczajny Se w postaci Se-cysteiny, w cząsteczce której atom S zastąpiony jest przez Se.
U zwierząt wyższych z makroelementów Ca i P powstaje fosforan wapnia,
główny składnik tkanki kostnej. Siarka w znacznej ilości wchodzi w skład związków organicznych, tworząc grupy SH aminokwasów, peptydów i białek oraz grupy
HSO3 w wielocukrach złożonych. W związkach fosforoorganicznych obecny jest
fosfor w postaci estrów fosforowych czy też fosfoprotein. Mg, K i Na występują
w postaci kationów równoważonych głównie anionami chloru, fosforanów i węglanów. Mg i Fe wchodzą w skład chlorofilu i hemoglobiny.
Mikroelementy w większości występujących przypadków wchodzą w związki
z białkami i kwasami nukleinowymi w sposób bezpośredni albo poprzez włączanie
się w skład grup prostetycznych związków ograniczonych.
Związki mineralne niekorzystne dla organizmu nie są przez nie przyswajane,
czego przykładem jest kwas krzemowy, stanowiący 5% suchej masy roślin oraz
pobierany przez zwierzęta, które go jednak całkowicie wydalają. Zastosowanie
tego związku jako obojętnego wskaźnika przyswajalności pożywienia pozwoliło
m.in. na określenie jego udziału w dojrzewaniu kolagenu i w budowaniu proteoglikanów, a ponadto na wykazanie pozytywnego wpływu związków krzemoorganicznych na produktywność zwierząt.
Przemiany większości związków mineralnych zachodzą z dużym natężeniem,
co jest szczególnie widoczne w przypadkach, gdy pierwiastek wydalany jest z organizmu jako składnik określonego produktu prawidłowej przemiany materii. Duże
ilości Ca i P wydalane są z organizmu ssaków w procesie laktacji. Znaczna intensywność przemian charakterystyczna jest także dla pierwiastków komórkowych
i przejawia się zmianami ich stężenia w strukturach komórkowych i subkomórkowych oraz aktywnym przemieszczaniem przez membranę. Pierwiastki, takie jak:
Hg, As, Te, Tl, Au, Pb, Su i Cd, są metylowane z udziałem bakterii, tworząc bardzo toksyczne związki, przy czym związki Hg i Pb są śmiertelne dla zwierząt nawet
w ilościach 10-9g. W przeciwieństwie do nich, dzienna dawka Hg(CH3)2, wynosząca nawet do 0,03 mg, jest bezpieczna dla człowieka.
Charakterystyczną cechą przemiany związków mineralnych jest z jednej strony
współwymienność, a z drugiej działanie antagonistyczne. W procesach fermentacyjnych, w których jako aktywatory występują K+, NH4+ lub Rb+ np. z udziałem
dehydrogenazy aldehydowej drożdży, Na+, Li+ lub Cs+ pełnią funkcję inhibitorów.
Podobny charakter przeciwstawnej aktywności charakteryzuje Mg2+, Ca2+i Mn2+
oraz Zn2+, Ni2+i Cu2+. W odróżnieniu od powyższych, kationy Ni2+ z jednej strony
oraz Zn2+ i Fe2+ z drugiej cechuje działanie synergistyczne.
Zmiana wartościowości pierwiastka w procesie jego przemian prowadzi bardzo
często do gwałtownej zmiany jego aktywności fizjologicznej. Kation Cr3+ w organizmach człowieka i zwierząt stymuluje przemianę białkową, węglowodanową
Rozdział 11. Przemiany wody i soli mineralnych
i lipidową, a kation Cr
i jest toksyną.
6+
363
blokuje fosforylację oksydacyjną w ich mitochondrium
Znaczenie związków mineralnych w rolnictwie. Udział związków nieorganicznych w budowie tkanek zwierząt i roślin, w utrzymaniu specyficzności struktur
biopolimerów oraz ich wkład w przebiegu różnorodnych procesów biochemicznych, zachodzących w organizmie, decyduje o ich ogromnym znaczeniu dla hodowli zwierząt i roślin, a także dla wielu gałęzi medycyny.
Dużą rolę w rozwoju teoretycznych aspektów odżywiania mineralnego i praktycznego zastosowania w rolnictwie przypisuje się K.A. Tiemieraziewowi i jego
współpracownikowi N.D. Praneszuikowi. Opracowany przez nich program zastosowania związków chemicznych w rolnictwie otrzymał nazwę chemizacji, i energicznie był realizowany w Związku Radzieckim, a także i w Polsce.
Polski przemysł chemiczny opanował produkcję wielu rodzajów nawozów
sztucznych (nitrofoska, mocznik, fosforany beztorfowe), jednak z punktu widzenia
ich przydatności, ważne jest stosowanie koncentratów nawozowych pozbawionych
związków toksycznych. Stosowanie nawozów sztucznych związane jest z wieloma
problemami dotyczącymi głównie ubocznych skutków ich działania. Należą do
nich przede wszystkim utrzymujące się w glebie azotany i azotyny, wysoki stopień
zasolenia gleby, problem wykorzystania masy osadów z nawadnianych pól oraz
porastanie zbiorników wodnych rzęsą. Osobną kategorią dodatkowego działania
związków stosowanych do sztucznego nawożenia jest technogeniczne zanieczyszczenie środowiska związkami mineralnymi w stężeniach, które, przekraczając dopuszczalne normy, powodują jego degradację. Rozwiązanie tych problemów następuje na drodze realizacji określonych programów ekologicznych.
Przy nieograniczonych zapasach surowców do produkcji nawozów, zawierających azot i potas, zapasy fosforytów obliczone są tylko na kilkadziesiąt lat,
w związku z czym aktualnie trwają prace nad wykorzystaniem do produkcji nawozów fosforanów pochodzenia wulkanicznego. Proces obiegu fosforu w przyrodzie
jest szczególnie wrażliwy na działalność techniczną człowieka i stanowi wielki
problem ekologiczny. Współczesny przemysł chemiczny całkowicie zaspokaja
potrzeby rolnictwa w mikroelementy. Duże znaczenie ma wykorzystanie nawozów
rozpuszczalnych w wodzie i nie ulegających hydrolizie, które przez długi czas
pozostają w glebie bez zmian. Właściwości takie posiada m.in. sól MgNH4PO4.
Planowane jest uruchomienie produkcji nawozów kompleksowych oraz ich złożonych mieszanek.
W hodowli zwierząt stosowane są pasze wzbogacone o Na, K, Ca, P, Cu, Co,
Mn, Zn oraz mikroelementy. Ich obecność decyduje o lepszej przyswajalności
gwarantującej przyrost wagi ciała. Przy wykorzystaniu racji żywieniowych całkowicie zbilansowanych związkami mineralnymi i innymi składnikami, produktywność hodowli wzrasta średnio o 10%. W porównaniu z innymi kontrolowanymi
grupami zwierząt, dodawanie makroelementów do pożywienia bydła rogatego daje
przyrost masy ciała rzędu 11-14%, a mikroelementów 12-15%.