Лев Николаев - Металлы в живых организмах

Не кажется ли вам, что в области использования энергии клетки — хрупкие комочки живой ткани — обогнали могучую технику человека с ее громоздкими и сложными машинами? Это впечатление усилится, если вспомнить о существовании организмов, которые получают энергию, стимулируя какой-либо определенный химический процесс и затем используя эту энергию для создания множества разнообразных соединений. Так, известны бактерии, живущие за счет окисления ионов железа (II) (железобактерии), бактерии,- для которых источником энергии является окисление серы в серную кислоту (серобактерии тиооксиданс), бактерии, "питающиеся" нафталином, другими словами, окисляющие это вещество для получения энергии, и даже бактерии, для которых источником энергии служит окисление водорода — по существу, та реакция, которая протекает при взрыве гремучего газа.

В результате целенаправленного превращения химической энергии микроорганизм из несложных исходных веществ создает сложные частицы белков, жиров и нуклеиновых кислот. Неплохо бы построить, например, завод по производству серной кислоты, в котором энергия окисления серы питала бы производство белков, углеводов и жиров. Мало того, представим себе, что этот завод обладает способностью строить другие такие же заводы, — ведь клетки делятся!

Может быть, клетки с точки зрения энергетики заслуживают названия "сверхмашин" — машин будущего? В высших организмах, в частности в организмах позвоночных, мы обнаруживаем совершенные и экономичные устройства — мышцы, в которых химическая энергия превращается в механическую. Если бы удалось создать нечто подобное в технике, т. е. превратить энергию окисления топлива при низкой температуре (37°С — температура тела человека) в механическую работу, — это было бы крупнейшим достижением! Вот почему анализ механизмов, действующих в биологических системах, представляет огромный интерес с точки зрения и биолога, и биохимика, и инженера.

Продолжим сопоставление клетки и машины. Объектом работы машины является какой-либо материал, взятый в больших по сравнению с молекулами кусках (металл, дерево, полимер). Машина изменяет его форму по заданной программе (например, вытачивает болт), удаляя лишний материал, или производит ряд последовательных операций, перемещая в пространство отдельные детали (так действует, например, автомат, выпускающий электрические лампочки), или, наконец, просто вращает вал (кардан у автомашины), сообщая всему устройству движение.

Существуют ли в биологических машинах аналоги всему этому?

Прежде всего, придется констатировать, что клетка, в отличие от макроскопической (т. е. обычной в нашей технической практике) машины, имеет дело не с огромными совокупностями молекул, а с отдельными молекулами. Каждая молекула жира, белка или сахара, попав в сферу деятельности клетки и будучи поглощена ею, подвергается индивидуальной обработке. Следовательно, и "инструменты" для этого тоже должны иметь молекулярные масштабы. Молекулярная биология помогла разобраться в деталях устройств, позволяющих целенаправленно перекраивать молекулы.

Тут сразу возникает вопрос о направлении воздействия. Технические машины в этом отношении сомнений не вызывают — мы ясно представляем себе задачу каждой из них. Но что, собственно, "хочет" биологическая машина? Какова цель ее деятельности?

Смысл работы клеточных механизмов в настоящее время в значительной мере раскрыт. Молекулы пищевых веществ — белков, жиров и углеводов (в основном) — расщепляются на менее сложные частицы. Эти частицы одинаковы для каждого вида биомолекул, независимо от того, из каких исходных молекул они получены. Так, из различных белков получаются небольшие молекулы аминокислот, и, несмотря на то, что в разных белках они были сцеплены (пептидными связями) в различных последовательностях, после разрушения белковых частиц мы получим смесь одних и тех же аминокислот (с относительно небольшими количественными различиями). Различные углеводы превращаются в одну и ту же кислоту — пировиноградную, а жиры расщепляются до жирных кислот, от молекул которых постепенно откалываются однотипные фрагменты.

После этого начинаются два важнейших процесса: окисление ("сжигание") части полученных обломков молекул, сопряженное с запасанием энергии окисления в виде фосфорноазотных органических соединений, и синтез новых молекул, в частности тех белков, которые нужны данному организму. При достаточном количестве пищи синтезируется и гликоген — углеводный биополимер, окисление которого дает много энергии. Это будущее "топливо" откладывается впрок в печени и мышечной ткани.

Энергия окисления переходит в скрытую химическую энергию фосфорно-азотных органических соединений (прежде всего аденозинтрифосфорной кислоты — АТФ) в результате сложного процесса, сопряженного с переносом электронов от окисляемого вещества к кислороду воздуха, которым дышит организм.

Понятно, что для выполнения такой работы необходимо, во-первых, ускорять только строго определенные реакции, чтобы продукты того или иного процесса не представляли собой смесь неопределенного состава; во-вторых, необходимо для этого иметь катализаторы, стимулирующие только те превращения в некоторой части молекулы, которые ведут к образованию требуемых обломков, т. е. сырья для следующих химических операций.

Выполнение операций в определенной последовательности требует пространственного разделения областей реакций. Они не могут происходить все в одном месте — нужна, очевидно, некоторая жесткая структура, нечто вроде каркаса, на котором производится постепенная. перестройка молекул. Значит, клетка не может быть однородной по всей своей массе. Химик назовет такую систему гетерогенной — разнородной. Действительно, клетка имеет ядро, оболочку и так называемые органеллы — небольшие частицы, в которых получается энергия (митохондрии), производится синтез белков (рибосомы), удаляются отходы производства (аппарат Гольджи); работают и другие устройства.

По мере усложнения организма клетка становится все более совершенной. Как и в машинном производстве, в клетке (и в коллективах клеток) огромную роль играет регулирование. В организмах оно достигается с помощью гормонов и нервных импульсов, так что весь организм в целом представляет собой единую систему с множеством тонких внутренних связей и органами восприятия сигналов внешней среды.

Вот теперь мы подошли к тому вопросу, о котором и будет речь в этой книге. Пригодны ли те органические соединения, о которых уже многое известно биологам и биохимикам, а именно белки, липиды (жиры), углеводы, — для строительства всех биологических машин, их регулирования и обеспечения их устойчивости в течение длительных сроков жизни организма?