Warum „verwechseln“ tierische Zellen Rubidium-Ionen mit Kalium-Ionen?

Also habe ich den Wikipedia-Artikel nach Rubidium durchsucht und bin auf diesen interessanten Leckerbissen gestoßen:

Rubidium ist kein bekannter Nährstoff für lebende Organismen. Rubidiumionen haben jedoch die gleiche Ladung wie Kaliumionen und werden von tierischen Zellen auf ähnliche Weise aktiv aufgenommen und verarbeitet.

Dies erschien mir sofort interessant und eine völlig falsche Erklärung, da alle einfach ionisierten Ionen die gleiche Nettoladung haben.

Nun, nach meinem grundlegenden Verständnis der Chemie haben Elemente derselben Gruppe dieselbe Valenzelektronenstruktur, die einen Großteil der chemischen Wirkungen des Elements ausmacht. Und wenn Sie sich das Periodensystem ansehen , fällt Rubidium tatsächlich unter Kalium, in den Alkalimetallen der Gruppe 1.

Segment des Periodensystems

Aber nach meinen alten Erinnerungen an grundlegende Biologie ist selbst die Aussage „diese Elemente sind im Periodensystem vertikal benachbart“ eine unvollständige Erklärung, weil der Körper zum Beispiel kein Problem damit hat, Natrium von Kalium oder vielen anderen zu „unterscheiden“. vertikal benachbarte Elemente.

Eine Untersuchung anderer potenziell relevanter Merkmale zeigt, dass der berechnete Radius von Rubidium (265 pm) relativ nahe am Radius von Kalium (243 pm) liegt und die erste Ionisierungsenergie von Rubidium (403,0 kJ/mol) ebenfalls ziemlich nahe an der von liegt Kalium (418,8 kJ/mol). Sie scheinen also ziemlich ähnlich zu sein, aber es bleibt die Frage, wie "ähnlich" ein Element sein muss, um ein biologischer Proxy zu werden?

Das führt mich zu folgenden Fragen:

  • Warum fungiert Rubidium als biologischer Proxy für Kalium? Auch:
    • Warum ist Cäsium auch ein anständiger, aber weniger guter biologischer Proxy für Kalium?
    • Warum ist Kalium kein biologischer Proxy für Natrium?
  • Wenn Rubidium als biologischer Stellvertreter fungiert, warum ist es dann immer noch kein „Nährstoff“ und spielt keine biologische „Rolle“?
  • Welche anderen Gruppen von Elementen können als biologische Stellvertreter füreinander fungieren? (Ich nehme an, die Erweiterung dieser Frage auf Moleküle ergibt zu viele Antworten, um nützlich zu sein.)
  • Ist dieser Rubidium-Kalium-Proxy-Effekt spezifisch für Tiere oder für alles Leben?

Einige gute Referenzen, die ich beim Überfliegen der Literatur gefunden habe (ich habe mir zunächst einige Referenzen in diesem Artikel angesehen ):

Aber ich möchte lieber, dass jemand eine intuitive Erklärung dafür präsentiert, bevor oder nachdem ich versuche, einzutauchen.

Nicht das, was man einen nützlichen Stellvertreter nennen würde, aber Arsen ist giftig, weil es dem Phosphor ähnlich genug ist, um als Ersatz im ADP/ATP-Zyklus zu fungieren, aber dann die Zellen nicht so mit Energie versorgt, wie es ATP tut.
Um fair zu sein, sagt der Wikipedia-Artikel nicht wirklich, dass Rubidium-Ionen auf die gleiche Weise wie Kalium aufgenommen werden, WEIL sie die gleiche Ladung haben. Es sagt nur, dass sie die gleiche Ladung haben UND auf die gleiche Weise aufgenommen werden, was wahr ist. Eine ähnliche Aussage erscheint am Ende des Artikels.
@barbecue Ja, das ist mir später aufgefallen. Trotzdem denke ich, dass dieser Satz in Wikipedia deutlicher hätte formuliert werden können.
@JonathanJeffrey Jemand scheint den Artikel aktualisiert zu haben, um ihn klarer zu machen, warst du das?
@barbecue Nein, ich war es nicht! Aber ich bin froh, dass jemand dazu gekommen ist (wahrscheinlich nachdem er diese Frage gelesen hat).
Nebenbei bemerkt nutzen wir diese Eigenschaft in der Nuklearmedizin. Rb-82 ist radioaktiv und kann in Herzstudien – Myokard-PET-Scans – verwendet werden, da es auf ähnliche Weise wie Kalium in die Myokardzellen gelangt. Pertechnetat – TcO^-4 ist ähnlich wie Jod, und es gibt viele andere Beispiele.
Die Na⁺/K⁺-Pumpe unterscheidet Natriumionen durch ihre kleinere Größe – deshalb kann (ein größeres) Rb⁺ in dieser wichtigen Anwendung keinesfalls als Na⁺ durchgehen. Aber offensichtlich kann dort Rb⁺ als K⁺ durchgehen und tut es auch.

Antworten (1)

Es gibt mehrere biologische Mechanismen, die zur Unterscheidung zwischen Atomen herangezogen werden können. Neben Bindungseigenschaften (z. B. Ionenladung, Elektronegativität, Bindungsstärke) kommt es auch auf die Größe der Atome und sogar auf ihre Schwingungseigenschaften an .

Damit einer dieser Mechanismen tatsächlich verwendet wird, muss er jedoch auf irgendeine Weise evolutionär ausgewählt werden. Die Bindungseigenschaften sind bei weitem am einfachsten auszuwählen, da sie ziemlich lokal und von Natur aus permissiv sind, während die anderen viel sorgfältiger abgestimmte Mechanismen erfordern.

Daher sollten wir erwarten, dass die meiste biologische Selektivität in Bezug auf die Bindungseigenschaften entwickelt wird, was der Fall zu sein scheint. Bei einer kovalenten Bindung in der gleichen Gruppe, wie sie bei Sauerstoff vs. Schwefel auftritt, gibt es große Unterschiede in den Eigenschaften der Bindungen , was reichlich Gelegenheit für biologische Selektivität bietet.

Bei Alkalimetallen der Gruppe 1 wie Natrium, Kalium und Rubidium ist die Ionenbindung jedoch viel gleichmäßiger. Daher sollten wir erwarten, dass Mechanismen, die für einen gelten, für alle gelten, es sei denn, sie werden stark zur Unterscheidung ausgewählt. Im Fall von Kalium gegenüber Natrium, die beide in der Biochemie sehr wichtig sind, nutzt ein kürzlich entdeckter Mechanismus in Natrium-Kalium-Pumpen Bindungseigenschaften, um beide zu erfassen, und dann die Atomgröße (über sterische Hinderung), um Natrium gegenüber Kalium zu unterscheiden, wie in schön beschrieben Antworten auf diese Frage .

Vermutlich gab es einfach nicht genügend evolutionären Druck, um Mechanismen zur Unterscheidung von Rubidium und Kalium auf die gleiche Weise zu etablieren. Während Natrium und Kalium ungefähr gleich häufig vorkommen, ist Rubidium ungefähr zwei Größenordnungen weniger häufig als beide . Cäsium wiederum ist fast zwei Größenordnungen kleiner als Rubidium, und schnell zerfallendes Francium existiert größtenteils nicht.

Daher sollten wir erwarten, dass diese Elemente biologisch im Wesentlichen nicht von Kalium, aber nicht von Natrium zu unterscheiden sind, es sei denn, es gibt eine besonders problematische Wirkung des gelegentlichen Einbaus von Rubidium oder Cäsium, da Natrium/Kalium-Unterscheidungsmechanismen sie alle zusammen mit Kalium ablehnen werden in den Mülleimer "nicht die richtige Größe für Natrium".

@ user338907 Das mit Lithium ist faszinierend ... hast du irgendwelche Informationen über den Mechanismus? Für mich würde das darauf hindeuten, dass die Natriumselektivität nicht nur "klein genug", sondern "genau die richtige Größe" ist, was dazu führen würde, dass Lithium auch nicht richtig funktioniert. Es klingt jedoch so, als würden wir hier an den Rand der bekannten Wissenschaft gelangen.
Ausgezeichnete Antwort. Ich muss sagen, dass die Porenselektivität in (zum Beispiel) spannungsgesteuerten Kanälen, die für Natrium oder Kalium, aber nicht für beide durchlässig sind, etwas ist, das ich für eine der bemerkenswertesten Leistungen der Evolution halte.
Gute Antwort. Wenn man sich die Dinge genauer ansieht, scheint das Urteil darüber offen zu sein , ob Rubidium ein essentielles Nahrungselement (dh ein Mineral) für Menschen und andere Tiere ist oder nicht. Wie sich diese laufende Forschung mit der Frage verträgt, wie Tiere die Rubidium-Kalium-Kompatibilität entwickelt haben, ist eine interessante Frage.
Obwohl ich diese Antwort akzeptiert habe, denke ich, dass es in diesem Bereich noch viele interessante Einblicke und Fragen gibt , daher freue ich mich, wenn andere ihre eigenen Antworten schreiben. (Ich selbst bin derzeit ziemlich fasziniert von diesem Artikel , der beschreibt, wie einige Bakterien Lathanide benötigen , sie aber nicht unterscheiden können!)
Warum „verwechseln“ tierische Zellen Rubidium-Ionen mit Kalium-Ionen?
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