Незаменимые металлы в норме и при заболеваниях

Всего, по-видимому, двадцать элементов необходимы для нормального функционирования человеческого организма; половина из них — металлы, а половина — неметаллы. К металлам, которые в настоящее время считаются необходимыми для нормального функционирования организма, относятся четыре элемента главных подгрупп — натрий (Na), калий (K), магний (Mg) и кальций (Ca), а также шесть переходных металлов d-блока — марганец (Mn), железо (Fe), кобальт (Co), медь (Cu), цинк (Zn) и молибден (Mo). В клетках сформировались различные металлорегуляторные механизмы, поддерживающие необходимый гомеостаз ионов металлов, обеспечивающий разнообразные клеточные процессы, особенно в центральной нервной системе. Поскольку редокс-активные переходные металлы, например Fe и Cu, могут участвовать в реакциях переноса электронов, их гомеостаз должен тщательно контролироваться. Каталитическая активность вышедших из-под контроля редокс-активных металлов, например при реакции Фентона, приводит к образованию активных гидроксильных радикалов, способных повреждать ДНК, белки и мембраны. Переходные металлы входят в состав активных центров многочисленных ферментов, например Cu,Zn-SOD, Mn-SOD и каталазы, которые катализируют химические реакции с физиологически приемлемой скоростью. Как дефицит, так и избыток незаменимых металлов могут приводить к развитию различных заболеваний. К типичным заболеваниям, характеризующимся нарушением гомеостаза редокс-активных металлов, относятся неврологические расстройства, включая болезни Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона, психические расстройства, сердечно-сосудистые заболевания, рак и сахарный диабет. Для более глубокого понимания механизмов функционирования незаменимых металлов в биологических системах — по отдельности, в сочетании друг с другом и/или во взаимодействии с незаменимыми металлами, например хромом, — потребуется более широкий междисциплинарный подход, чем применявшийся до сих пор. Очевидно, что более тесное сотрудничество биоорганических химиков и биофизиков, уже добившихся значительных успехов в изучении структуры и роли металлоферментов в живых системах, с биологами позволит открыть новые направления исследований ионов металлов в рамках системной биологии. В связи с этим в настоящей статье рассматриваются отдельные химические и биологические аспекты ионов металлов и их возможных взаимодействий в живых системах в норме и при патологических состояниях.