Почему клетки животных «ошибочно принимают» ионы рубидия за ионы калия?

Итак, я просматривал статью в Википедии о рубидии и наткнулся на этот интересный лакомый кусочек:

Рубидий не является известным питательным веществом для любых живых организмов. Однако ионы рубидия имеют тот же заряд, что и ионы калия, и аналогичным образом активно поглощаются и перерабатываются клетками животных.

Это сразу же показалось мне интересным и совершенно неверным объяснением, поскольку все однократно ионизированные ионы имеют одинаковый суммарный заряд.

Теперь, исходя из моего базового понимания химии, элементы одной и той же группы имеют одинаковую структуру валентных электронов, которая объясняет большую часть химических эффектов элемента. И если вы посмотрите на периодическую таблицу , конечно, рубидий находится ниже калия, в группе щелочных металлов 1.

сегмент периодической таблицы

Но, исходя из моих старых воспоминаний об основах биологии, даже утверждение, что «эти элементы в периодической таблице расположены вертикально рядом друг с другом», является неполным объяснением, потому что, например, у организма нет проблем с тем, чтобы «отличить» натрий от калия или множество других элементов. вертикально смежные элементы.

Обзор других потенциально важных характеристик показывает, что расчетный радиус рубидия (265 пм) относительно близок к радиусу калия (243 пм), а первая энергия ионизации рубидия (403,0 кДж/моль) также довольно близка к энергии ионизации рубидия (403,0 кДж/моль). калий (418,8 кДж/моль). Таким образом, они кажутся довольно похожими, но все еще остается вопрос, насколько «похожим» должен быть элемент, чтобы стать биологическим прокси?

Это приводит меня к следующим вопросам:

  • Почему рубидий действует как биологический заменитель калия? Также:
    • Почему цезий также является достойным, но менее хорошим биологическим аналогом калия?
    • Почему калий не является биологическим аналогом натрия?
  • Если рубидий действует как биологический заменитель, то почему он до сих пор не является «питательным веществом» и не играет биологическую «роль»?
  • Какие другие наборы элементов могут выступать в качестве биологических заменителей друг друга? (Я предполагаю, что распространение этого вопроса на молекулы дает слишком много ответов, чтобы быть полезными.)
  • Является ли этот прокси-эффект рубидия-калия специфичным для животных или для всего живого?

Несколько хороших ссылок, которые я нашел , просматривая литературу (я начал с просмотра некоторых ссылок в этой статье ):

Но я бы предпочел, чтобы кто-нибудь представил интуитивное объяснение этому до или после того, как я попытаюсь погрузиться.

Не то, что вы бы назвали полезным прокси, но мышьяк ядовит, потому что он достаточно похож на фосфор, чтобы действовать как заменитель в цикле АДФ / АТФ, но затем не может обеспечить клетки энергией, как это делает АТФ.
Справедливости ради, статья в Википедии на самом деле не говорит, что ионы рубидия поглощаются так же, как калий, ПОТОМУ ЧТО они имеют одинаковый заряд. Это просто говорит о том, что они имеют одинаковый заряд и воспринимаются одинаково, что верно. Аналогичное заявление появляется в конце статьи.
@barbecue Да, я понял это позже. Тем не менее, я думаю, что это предложение в Википедии можно было бы сформулировать более четко.
@JonathanJeffrey кто-то, кажется, обновил статью, чтобы сделать ее более ясной, это был ты?
@barbecue Нет, это был не я! Но я рад, что кто-то взялся за это (наверное, после прочтения этого вопроса).
Кстати, мы используем это свойство в ядерной медицине. Rb-82 радиоактивен и может использоваться в исследованиях сердца — ПЭТ-сканировании миокарда — поскольку он проникает в клетки миокарда так же, как калий. Пертехнетат - TcO^-4 подобен йоду, и есть много других примеров.
Насос Na⁺/K⁺ различает ионы натрия по их меньшему размеру, поэтому (более крупный) Rb⁺ никоим образом не может сойти за Na⁺ в этом важном приложении. Но очевидно, что Rb⁺ может там сойти за K⁺, и делает это.

Ответы (1)

Существует множество биологических механизмов, которые можно использовать для различения атомов. В дополнение к свойствам связывания (например, ионный заряд, электроотрицательность, прочность связи) существует также размер атомов и даже их колебательные свойства .

Однако для того, чтобы один из этих механизмов действительно использовался, он должен быть каким-то образом эволюционно отобран. Свойства связывания, безусловно, проще всего выбрать, поскольку они довольно локальны и разрешительны по своей природе, в то время как другие требуют гораздо более тщательно настроенных механизмов.

Таким образом, мы должны ожидать, что большая часть биологической селективности будет развиваться в отношении свойств связывания, что, по-видимому, и имеет место. Для ковалентного связывания одной и той же группы, например, с кислородом по сравнению с серой, существуют большие различия в свойствах связей , что дает широкие возможности для биологической селективности.

Однако для щелочных металлов группы 1, таких как натрий, калий и рубидий, ионная связь намного более однородна. Таким образом, мы должны ожидать, что механизмы, которые применимы к одному, применимы ко всем, если только они не были строго отобраны для различения. В случае соотношения калия и натрия, которые очень важны в биохимии, недавно обнаруженный механизм в натрий-калиевых насосах использует связывающие свойства, чтобы захватить и то, и другое, а затем атомный размер (через стерические затруднения), чтобы отличить натрий от калия, как хорошо описано в ответы на этот вопрос .

Предположительно, просто не было достаточного эволюционного давления, чтобы установить механизмы, позволяющие таким же образом отличить рубидий от калия. В то время как натрий и калий имеют примерно одинаковое содержание, рубидия примерно на два порядка меньше, чем любого из них . Цезия, в свою очередь, почти на два порядка меньше, чем рубидия, а быстроразлагающегося франция в основном не существует.

Таким образом, если нет особенно проблематичного эффекта случайного включения рубидия или цезия, то мы должны ожидать, что эти элементы будут практически неотличимы от калия биологически, но не от натрия, поскольку механизмы различения натрия/калия будут отвергать их все вместе с калием. в мусорное ведро «неподходящий размер для натрия».

@user338907 user338907 Это интересно насчет лития ... у вас есть какая-нибудь информация о механизме? Для меня это означало бы, что селективность по натрию не просто «достаточно мала», а «имеет правильный размер», что также может привести к тому, что литий не будет работать правильно. Однако похоже, что мы подходим к краю известной науки.
Отличный ответ. Я должен сказать, что избирательность пор в (например) потенциалзависимых каналах, проницаемых для натрия или калия, но не для обоих, является чем-то, что я считаю одним из самых замечательных подвигов в эволюции.
Хороший ответ. Если посмотреть на вещи глубже, кажется, что вердикт о том, является ли рубидий важным питательным элементом (то есть минералом) для людей и других животных, вынесен . Интересно, как это продолжающееся исследование связано с вопросом о том, как у животных развилась совместимость рубидия и калия.
Хотя я принял этот ответ, я думаю, что в этой области еще много интересных идей и вопросов, поэтому я приветствую других, чтобы они написали свои собственные ответы. (Я сам в настоящее время весьма очарован этой статьей , в которой описывается, как некоторым бактериям требуются латаниды , но я не могу отличить их друг от друга!)
Почему клетки животных «ошибочно принимают» ионы рубидия за ионы калия?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v