Лев Николаев - Металлы в живых организмах

Основная масса биологически активных металлов расположена в средней части первого большого периода и относится к переходным элементам. Исключение составляют только четыре металла: натрий, калий, магний, кальций, которые содержатся в организмах в сравнительно больших количествах. Роль лития неясна, хотя и он, по-видимому, выполняет какие-то биологические функции, по крайней мере, в растениях.

Переходные элементы содержатся в организмах в очень малых количествах, и уже из этого можно сделать осторожный вывод, что их значение (доказанное прямым опытом!) должно быть связано с катализом. Ведь именно активные катализаторы могут способствовать быстрым изменениям состава вещества, действуя в малых концентрациях. В дальнейшем мы увидим, что такое предположение в большинстве случаев оказывается верным. Но вышеназванные металлы могут еще выполнять (вместе с органическими соединениями) и другую работу — переносить с места на место группу атомов или целые молекулы, закреплять молекулы в определенном положении, поворачивать их, поляризовать и т. п.

Таблица 2. Влияние недостатка и избытка металлов на состояние растений и животных

Литий | - | Развитие особых форм растений — литиевая флора

Натрий | У животных: мышечные боли, слабость. У растений: торможение образования хлорофилла | Гипертония (у человека). Развитие галофитных форм у растений

Магний | У растений: мраморность листьев. У животных: травяная тетания | У человека возможно отравление магнием (паралич дыхания)

Кальций | У животных: остеопороз | Антагонист магния, применяют при отравлении магнием

Алюминий | - | Развитие особых форм растений

Марганец | У растений: хлороз. У птиц: нарушения развития крыльев | Нарушения развития растений. В высоких степенях окисления сильно токсичен

Железо | У растений: хлороз, замедление образования хлорофилла. У животных анемические явления | В больших количествах токсично для животных и растений

Медь | У животных: анемия (при содержании ниже 10 -4%). Заболевания растений | В повышенной концентрации токсичен для животных и растений

Кобальт | У животных: анемия (ниже 2*10 -6%) | В повышенной концентрации токсичен для животных и растений

Цинк | Заболевания растений | Токсичен для животных и растений

Молибден | Заболевания бобовых растений | При избытке в почвах — заболевания скота

В таблице 2 в сжатой форме отмечено, какое действие вызывает в растениях повышение и понижение содержания металлов в почвах и как это сказывается на состоянии животных.

В каком же виде находится тот или иной металл в клетках организма? Бесспорно, в виде положительно заряженного иона. Как хорошо известно, соли металлов под действием воды (а в клетках организмов содержится около 70-75% воды) диссоциируют — распадаются на положительные ионы металлов (катионы) и отрицательно заряженные ионы (анионы) кислотных остатков, например:

Cоли металлов под действием воды

Следовательно, в водных растворах солей находятся катионы металлов, им-то и надо приписать все те свойства, с которыми встречается ученый, исследующий роль металлов в организмах.

Так ли это? Не совсем так!

Ион металла, находящийся в водном растворе того или иного вещества, вовсе не безразличен к своему окружению. Он вступает во взаимодействие с молекулами воды и образует соединения, в которых на один ион приходится от 4 до 8 (а в отдельных случаях и более) молекул воды. Казалось бы, нет прямой связи между валентностью металла и числом присоединяемых молекул, да и вообще непонятно, как нейтральная (т. е. не имеющая свободных валентностей) молекула воды может присоединяться к иону.

Теория валентности приписывала каждому атому определенное число единиц валентности (обозначаемых черточками), причем предполагалось, что атом водорода одновалентен. Если какие-либо другие атомы присоединяли к себе, например, два, три или четыре атома водорода, то это означало, что данные атомы двух-, трех- и четырехвалентны: двухвалентна сера в сероводороде H 2S, трехвалентен азот в аммиаке NH 3, четырехвалентен углерод в метане СН 4и т. д. Величина валентности изменяется от 1 до 8, и если в молекуле соединения все валентности насыщены (нет свободных единиц-черточек), то такая молекула уже не может соединяться с другой частицей. Поэтому молекула воды, структурная формула которой , не должна, казалось бы, присоединяться к иону металла.