Биохимия мышьяка

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис
(перенаправлено с «Жизнь на основе мышьяка»)
Арсенобетаин, один из наиболее распространённых соединений мышьяка в природе
Триметиларсин, производится под воздействием микроорганизмов на арсенат-полученных пигментов
Мышьяк-производные, содержащие рибозу (R = несколько групп)

Биохимия мышьяка включает в себя биохимические процессы, в которых участвуют мышьяк или его соединения.

Мышьяк образует ряд металлорганических соединений, т. н. мышьякорганических соединений — эфиры мышьяковистой и мышьяковой кислот, производные арсина, и другие. Какодил и его окись были первыми металлорганическими соединениями, описанными в литературе (Бузен, 1837), и наряду с некоторыми другими соединениями мышьяка (например, атоксилом[en]), применялись и применяются до сих пор как лекарственные средства. Некоторые мышьякоорганические соединения использовались в качестве боевых отравляющих веществ (люизит, адамсит).[1]

Как органические, так и неорганические соединения мышьяка токсичны для живых организмов. Тем не менее, в малых дозах некоторые соединения мышьяка способствуют обмену веществ, укреплению костей, оказывают положительное влияние на кроветворную функцию и иммунную систему, увеличивают усвоение азота и фосфора из пищи. С растениями, наиболее заметный эффект мышьяка — замедление обмена веществ, что снижает урожайность, но мышьяк также стимулирует фиксацию азота.[2][3]

Среди реакций, которые проходят мышьяксодержащие вещества в биосфере — биологическое метилирование и биологическое окисление арсенита в арсенат, применяемое бактериями с помощью специализированного энзима арсенитдегидрогеназы.[4]

Распространенность

Содержание мышьяка в земной коре 1,7⋅10−4% по массе, в морской воде 0,003 мг/л[5]. Содержание мышьяка в растениях (на незагрязнённых почвах) составляет 0.001-5 мг/кг сухой массы, в высших животных — 10-6-10-5% массы, в человеке — 14-21 мг; в живых организмах мышьяк присутствует как в виде неорганических соединений (прежде всего, арсениты и арсенаты), так и в виде жиро- и водо-растворимых органических соединений (например, арсенобетаин)[6]. Мышьяк концентрируется в планктоне, морских растениях и животных, грибах. В растениях концентрируется прежде всего в корневой системе, в человеке — в ногтях, волосах.[7]

Участие мышьяка в биохимических процессах

Несмотря на свою токсичность для большинства земных форм жизни, мышьяк всё же участвует в биохимических процессах определенных организмов[8].

Некоторые морские водоросли и беспозвоночные включают мышьяк в комплекс органических молекул, таких как арсеносахара («arsenosugars» — углеводы с присоединёнными к ним соединениями мышьяка), арсенобетаины[9], арсенохолин и соли тетраметиларсония. Грибы и бактерии могут производить летучие метилированные соединения, включающие в свой состав мышьяк. Мышьяколипиды[10] (или «арсенолипиды»), используемые вместо фосфолипидов, также были обнаружены в низких концентрациях во многих морских организмах.

Их зачастую накапливают водоросли в тропических регионах, где в воде недостаточно фосфора — их роль пока что мало изучена. Некоторые бактерии используют арсенат, окисленную форму мышьяка, для своей жизнедеятельности. Также, некоторые прокариоты используют арсенат как конечный получатель электрона при брожении ((As V+ → As III+), то есть превращая арсенаты в арсениты), а некоторые могут использовать арсенат как донор электрона для генерирования энергии.

Единственная бактерия, способная использовать арсенат как конечный акцептор (вещество, принимающее электроны и водород от окисляемых соединений и передающее их другим веществам) электронов в ходе т. н. «арсенатного дыхания» — облигатно анаэробный хемолитоавтотрофный микроорганизм (рода Chrysiogenes) Chrysiogenes arsenatis.

Некоторые авторы рассматривают мышьяк, как жизненно важный микроэлемент; по некоторым классификациям, он причисляется к ультрамикроэлементам — микроэлементам, необходимым в особо малых концентрациях (подобно селену, ванадию, хрому и никелю). Поскольку потребность в мышьяке крайне мала, а его относительная распространенность затрудняет исключение его поступления из внешней среды, для подтверждения ухудшения функций организма в результате недостатка мышьяка потребовались лабораторные опыты, где были созданы условия ультрачистой окружающей среды. Необходимая суточная доза для человека составляет 10-15 мкг.[2]

Жизнь на основе мышьяка

Основная статья: GFAJ-1
Предложенная структура ДНК бактерии

2 декабря 2010 года была опубликована статья об открытии штамма GFAJ-1. Согласно статье, этот экстремофильный микроорганизм был способен жить и размножаться, встраивая токсичный для других форм жизни мышьяк в свой генетический материал (ДНК). По утверждению авторов статьи, в ДНК этой бактерии мышьяк занимал место фосфора, поскольку он имеет схожие с фосфором химические свойства.[11][12][13].

Предположения о возможности существования организмов, у которых роль фосфора может выполнять мышьяк, выдвигались и ранее[14]. Открытие организма, использующего в своей биохимии элементы, отличающиеся от общих для земной жизни углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора и серы, могло бы добавить вес гипотезе об альтернативной биохимии и помочь в понимании возможных путей эволюции земной жизни[15] и в поиске жизни на других планетах[16].

Сообщение о том. что мышьяк в микроорганизме GFAJ-1 может выполнять ту же роль, что и фосфор, послужило началом оживленной научной дискуссии. Через два года после открытия сразу две независимые группы исследователей опровергли факт существования биологически значимого мышьяка в ДНК бактерии.

См. также

Примечания

  1. ↑ Копылов, Каминский, 2004, с. 89—97.
  2. ↑ 2,0 2,1 Копылов, Каминский, 2004, с. 289—291.
  3. ↑ Чертко, 2012, с. 123.
  4. ↑ Копылов, Каминский, 2004, с. 277—280.
  5. ↑ J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
  6. ↑ Копылов, Каминский, 2004, с. 275—277.
  7. ↑ Чертко, 2012, с. 21.
  8. ↑ Biochemical Periodic Table - Arsenic. Umbbd.msi.umn.edu (8 июня 2007). Дата обращения: 29 мая 2010. Архивировано 16 августа 2012 года.
  9. ↑ Бетаин — триметильное производное глицина — триметилглицин, или триметиламиноуксусная кислота (внутренняя соль). Арсенобетаин [(CH3)3As+CH2COO−]
  10. ↑ Лаборатория морских липидов — Прочие полярные липиды. Дата обращения: 6 августа 2011. Архивировано 25 ноября 2011 года.
  11. ↑ Wolfe-Simon F., Blum J. S., Kulp T. R., et al. A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus (англ.) // Science : journal. — 2010. — December. — doi:10.1126/science.1197258. — PMID 21127214. Архивировано 10 января 2012 года.
  12. ↑ Arsenic-eating microbe may redefine chemistry of life (англ.). naturenews. Дата обращения: 26 января 2020. Архивировано 24 февраля 2012 года.
  13. ↑ Астробиологическое открытие ведёт насыщенную ядом жизнь (недоступная ссылка). membrana. Дата обращения: 26 января 2020. Архивировано 28 января 2012 года.
  14. ↑ Пол Дэвис. «Чужие среди своих» — журнал «В мире науки», № 3, март 2008 г.
  15. ↑ Алексей Тимошенко. Научными сенсациями 2010 года стали «Нобелевка» за графен и жизнь на основе мышьяка (недоступная ссылка). Фундаментальные основы жизни. gzt.ru (29 декабря 2010). Дата обращения: 29 декабря 2010. Архивировано 23 апреля 2011 года.
  16. ↑ Бактерии «на мышьяке» могут лучше себя чувствовать на Титане. РИА Новости (3 декабря 2010). Дата обращения: 4 декабря 2010. Архивировано 6 июля 2012 года.

Литература

  • Felisa Wolfe-Simon1, Jodi Switzer Blum, Thomas R. Kulp, Gwyneth W. Gordon, Shelley E. Hoeft, Jennifer Pett-Ridge, John F. Stolz, Samuel M. Webb, Peter K. Weber, Paul C. W. Davies, Ariel D. Anbar and Ronald S. Oremland. A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus (англ.) // Science. — 2010.
  • Николай Чертко, Эдуард Чертко, Дмитрий Будько, Анна Таранчук. Гл. 5 Химические элементы p-блока // Биологическая функция химических элементов. — Минск, 2012.
  • Н. И. Копылов, Ю. Д. Каминский. Мышьяк. — Новосибирск, 2004.
  • В.С. Гамаюрова. Мышьяк в экологии и биологии. — М.: Наука, 1993.
  • В.Ф. Крамаренко. Глава VI. Вещества, изолируемые из объектов минерализацией биологического материала § 19. Соединения мышьяка // Токсикологическая химия. — К., 1989.
  • Елена Наймарк. Мышьяк вместо фосфора — это реально!. Элементы (6 декабря 2010). Архивировано 15 мая 2012 года.
  • Мышьяк и здоровье человека. Энциклопедия «Кругосвет».


Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Биохимия_мышьяка&oldid=7116629#Жизнь_на_основе_мышьяка