Лев Николаев - Металлы в живых организмах

Внимательный анализ этой проблемы и изучение опытных данных о составе живых систем приводят нас к выводу, что необходимое сочетание прочности основных биологических структур и высокой химической активности, характерной для реакции в клетках, не может быть достигнуто, если для создания биологических машин пользоваться только органическими веществами.

Необходимым компонентом живых систем должны быть ионы металлов.

Ознакомимся со свойствами некоторых биологически активных органических соединений и теми функциями, которые способны выполнять ионы металлов.

Из курса химии известно, как построены белки, жиры и углеводы. Их молекулы содержат цепи атомов. У белков атомы углерода соединены перемычками, состоящими из групп NH-СО. Перемычки возникают потому, что огромная молекула белка получается в результате соединения (конденсации) аминокислот. В простейшем случае аминокислота глицин NH 2-СН 2-COOH может образовать дипептид — продукт конденсации двух молекул глицина по реакции:

Дипептид — продукт конденсации двух молекул глицина

Таким путем, очевидно, можно соединять друг с другом и молекулы других аминокислот; всего в живых организмах насчитывается 20 аминокислот различного строения.

Каждая молекула белка состоит из нескольких сотен аминокислотных остатков — химики называют такую частицу полипептидом ("многопептидом").

Молекулы жиров содержат цепи атомов углерода и эфирные группы -СОО-, связывающие цепи жирных кислот и глицерина:

Молекулы жиров содержат цепи атомов углерода и эфирные группы -СОО-

( — остаток жирной кислоты, например пальмитиновой С 15Н 31СООН).

Для молекул углеводов также характерно наличие цепей атомов углерода, но эти цепи для углеводов, относящихся к полисахаридам (крахмал, гликоген), содержат перемычки из атомов кислорода.

Мы только напоминаем об этих данных, так как для нас сейчас важно обратить внимание на распространенность в биологических объектах органических молекул, которые характеризуются наличием ковалентных связей.

Действительно, атомы углерода в цепочках -С-С-С-, имеющихся и в белках, и в жирах, и в углеводах, соединены парами общих электронов; связи между атомом углерода и атомом азота в перемычке (связующем звене) -NH-СО- также ковалентные; ковалентными являются и связи С-О в молекулах углеводов. Их энергия довольно велика.

Легко ли заставить молекулы биологически активных веществ вступать в реакции? Остановимся на одной из наиболее важных и общеизвестных реакций — реакции горения. Ведь мы знаем, что углеводы (например, обычный сахар), белки и жиры "сгорают" в организме, образуя в конечном счете воду и диоксид углерода (углекислый газ). Попробуем окислить сахар или жир до этих продуктов вне организма. Мы обнаружим, что сахар можно хранить годами на воздухе, а значит — в присутствии кислорода, и он не покажет никаких признаков окисления. Жир испортится — прогоркнет, т. е. станет добычей различных микроорганизмов, но тоже, конечно, не сгорит; признаки его окисления мы сможем обнаружить, но до превращения его в воду и диоксид углерода будет очень далеко. Белки подвергнутся высыханию, разрушительному действию микроорганизмов, но не сгорят!

А ведь в клетках организма процессы окисления идут очень быстро. Так, например, утомленный бегун на финише восстанавливает силы буквально за несколько минут, выпив раствор глюкозы.

Почему же организм так легко справляется с задачей ускорения нужных ему реакций? Ответ на этот вопрос не вызывает сомнений у биохимиков: потому, что в клетках имеются мощные катализаторы — ферменты, стимулирующие при невысоких температурах реакции окисления.

Можно попробовать зажечь кусочек сахара — он загорится с трудом лишь при энергичном нагревании в пламени газовой горелки. Но попробуйте нанести на его поверхность немного порошка оксида меди — в этом случае сахар удастся зажечь просто от пламени спички. Иногда этот опыт проделывают, применяя вместо оксида меди табачную золу, — она содержит малые количества оксидов металлов и также проявляет ускоряющее действие. Что же здесь играет роль катализатора? Конечно, металл! Металл в ионном состоянии. Соединения меди, железа, марганца, ванадия, кобальта и других в большом числе реакций действуют как катализаторы окислительно-восстановительных реакций. Нет такого органического соединения, не содержащего металла, которое обладало бы столь сильно выраженными каталитическими свойствами в реакциях окисления.

Но, кроме катализа, в биологических машинах осуществляется еще один процесс, который и в технических машинах, и на заводах играет большую роль. Этот процесс — транспорт! Переносы полуфабрикатов из цеха в цех или в сложных машинах от одной части к другой совершенно необходимы для нормальной работы, они должны совершаться с определенной скоростью и бесперебойно.

Нечто подобное происходит и в организмах. Нельзя прервать без угрозы для жизни транспорт кислорода от легочных альвеол к клеткам. Известно, что переносчиком кислорода служит гемоглобин, содержащий железо. Нет такого органического соединения, не содержащего ионов металла, которое способно было бы выполнять эту функцию!

После завершения окислительных реакций в крови накапливаются гидрокарбонаты. Кто не знает, что мы выдыхаем диоксид углерода СО2! Но многим не приходит в голову, что сами по себе гидрокарбонаты вовсе не так быстро разлагаются с выделением угольной кислоты (а затем и диоксида углерода), чтобы реакция разложения могла совершиться в надлежащей мере за время одного вдоха.

Налейте в стакан раствор питьевой соды (это и есть гидрокарбонат натрия) и проследите за его состоянием в течение нескольких часов. Если опыт проделать при комнатной температуре, вы вообще ничего не обнаружите, если же раствор нагреть до 37°С, то признаки выделения газа будут еле заметны.

Что же помогает нам дышать? За счет чего ускоряется разложение гидрокарбонатов до СО 2? Оказывается, тут действует органическое соединение, содержащее цинк. Опять мы сталкиваемся с наличием в биологических машинах металла. Но ведь в организмах наблюдается и еще одно интересное явление, тоже напоминающее работу завода, — перенос электронов, т. е. появление электрического тока. Врач, исследующий состояние сердца, снимает электрокардиограмму — он исследует токи, возникающие в работающей сердечной мышце. Но не только в сердце, а и в других мышцах организма протекают токи. Нервная сеть проводит электрические импульсы. В процессах окисления также происходит перенос электронов — мы знаем это из школьного курса химии. В клетках такие переносы тоже совершаются, но на большие расстояния; как доказано, электроны, переходя от атома к атому, отдают часть своей энергии, и за ее счет клетка строит сложные молекулы аденозинтрифосфорной кислоты, "начиненные" энергией, — настоящие химические аккумуляторы энергии.