Лев Николаев - Металлы в живых организмах

Возникновение водородной связи облегчает отщепление ионов Н +и ОН -

Водородная связь (точки) осуществляется ионом Н+, соединенным одновременно и с атомом кислорода молекулы воды, и с атомом кислорода или азота молекулы белка. Кроме того, диполи (полярные молекулы) воды притягиваются к любому иону в растворе; поэтому те части молекул белка, которые содержат группы -ОН, -СООН, -NH 2, а также -SH, вовлекаются в водную среду; их называют гидрофильными ("любящими воду").

Водородная связь (точки) осуществляется ионом Н+, соединенным одновременно и с атомом кислорода молекулы воды, и с атомом кислорода или азота молекулы белка

В противоположность этому, группы углеводородного характера -(СН 2) n— СН 3почти не взаимодействуют с молекулами воды (это гидрофобные группы — "боящиеся воды"). Впрочем, если несколько углеводородных цепей расположены по соседству, то они стремятся еще более приблизиться друг к другу, так как окружающие их молекулы воды, вследствие взаимного притяжения, выталкивают углеводородные цепочки из своей среды.

Эти соображения помогут нам понять, почему липиды и белки сыграли роль строительных материалов в формировании мембран. Дело в том, что липиды, при всем их разнообразии, характеризуются общими признаками. В молекулах липидов обязательно имеется длинный (чаще двойной) гидрофобный углеводородный "хвост" на другом конце его — полярная (гидрофильная) группа. На рисунке 13 изображено строение одного из липидов (фосфолипида).

Рис. 13. Строение молекулы одного из фосфолипидов — фосфатидилхолина

Мембраны клеток построены из двух слоев липидов, обращенных друг к другу своими углеводородными частями. Гидрофильные части молекул направлены к внешней (водной) среде. Таким образом вода удерживается на обеих сторонах мембраны, а внутренние части представляют собой переплетение углеводородных хвостов липидов. В эту матрицу и погружены отдельные молекулы белков (интегральных, рис. 14). Белки, благодаря наличию у них и гидрофильных, и гидрофобных частей, могут взаимодействовать как с водной средой, так и с углеводородными цепочками липидных молекул. На поверхности мембраны гидрофильными группами удерживаются еще и периферические белки. В мембранах существуют поры, через которые могут проникать низкомолекулярные вещества. Имеются также и специальные белки-переносчики, которые переправляют через толщу мембраны строго определенные вещества, нужные клетке, и, соответственно, те, от которых она стремится избавиться.

Рис. 14. Строение мембраны. В липидном слое расположены интегральные белки, снаружи слабосвязанные мембранные

Через мембраны вещество может переноситься даже и в том случае, если его концентрация растет в направлении переноса. Это кажется странным. Ведь мы хорошо знаем, что если, например, бросить сахар в воду, то сначала вокруг кусочка сахара образуется насыщенный раствор, а затем сахар распространится по всему объему воды — диффузия идет в направлении убывания концентрации. Нельзя ожидать, что раствор сахара сам собой разделится на чистую воду и чистый сахар. Вообще говоря, этого можно добиться, но обязательно затратив некоторую работу. Откуда же в клетках берется необходимая энергия, когда вещество в мембране переносится в направлении роста концентрации? Оказывается, такой активный перенос совершается за счет энергии АТФ, причем металлы выполняют в механизме переноса существенную роль.

Активный перенос — лишь один из примеров загадочного явления сопряжения процессов, сопряжения, на котором держится вся энергетика жизни. Сейчас мы и разберем данные о ходе важного сопряженного процесса — окислительного фосфорилирования, в котором реакции дыхания сопряжены с синтезом АТФ.

Рис. 15. Строение митохондрии (печени)

Процесс этот развертывается на мембранах митохондрий. Митохондрии — это особые органеллы клетки размером 1-2 мкм, обычно сферической или цилиндрической формы (рис. 15). Они образованы двумя мембранами: гладкой внешней и внутренней, образующей складки, или кристы, заполненные студнеобразной массой белкового характера (матриксом). На мембранах расположены различные ферменты. Особенно интересна внутренняя мембрана, на которой находятся ферменты дыхательной цепи и ферменты, обусловливающие синтез АТФ (рис. 16).

Рис. 16. Участок поверхности внутренней мембраны митохондрии. Сгруппированы все участники дыхательной цепи и синтеза АТФ

В отличие от внешней мембраны, внутренняя непроницаема для большинства низкомолекулярных веществ (для катионов натрия, анионов хлора, брома; калия, магния), а также и для НАД и НАД*Н. В матриксе находятся ферменты, обеспечивающие работу цикла Кребса (цикла трикарбоновых кислот). Кислород и вода проникают внутрь митохондрии через внешнюю мембрану путем обычной диффузии.

Предположим, что в митохондрии окисляется некоторое вещество, содержащее водород, — обозначим его АН 2. В результате окисления получается вода и освобождается энергия:

Окисление вещества, содержащее водород в митохондрии

Суть дела заключается в том, как не допустить бесполезного рассеивания этой энергии, превратить ее в энергию химических связей (аккумулировать) и до поры до времени сохранять в такой скрытой форме. Для этого служит другая реакция, а именно — образования аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) и фосфата (Ф). Простейшая запись этой реакции:

Уравнение выражает процесс аккумулирования энергии в молекулах АТФ

Это уравнение выражает процесс аккумулирования энергии в молекулах АТФ.

Весь вопрос в том, каким способом передается энергия одной реакции веществам, участвующим в другой. Предполагалось существование особых соединений — промежуточных продуктов, связывающих обе реакции. Однако обнаружить их не удалось.