Кроме ионов железа, функцию переноса кислорода и переноса электронов способны выполнять и ионы других металлов, в частности ионы меди.
Соединение, называемое гемоцианином, представляет собой белок, содержащий медь в ионном состоянии. Еще в 1847 г. Харлес, исследуя голубую кровь улитки, пришел к выводу, что голубой цвет обусловлен содержа нием в крови улитки меди вместо железа. Греческое слово "гемоцианин" и означает "синекровный". Гемоцианины различных видов были найдены в моллюсках и членистоногих (в крабах, осьминогах, кальмарах и т. д.), в паукообразных, ракообразных и даже в сороконожках.
Молекулярная масса гемоцианинов колеблется в широких пределах — от 36000 до 825000. Молекула гемоцианина состоит из нескольких равных частей — субъединиц, число которых неодинаково у гемоцианинов различного происхождения. Молекулярная масса наименьших субъединиц равна 36700 (у членистоногих), при содержании меди 0,173%, и 25100 (у моллюсков), при содержании меди 0,253%.
В составе гемоцианина медь находится в степени окисления +1. Предполагается, что два иона меди связывают одну молекулу кислорода: Cu+ — О2 — Cu+, причем возможны состояния Cu2+ — O2- — Cu+ и Cu+ — O2- Cu2+ Медь, несомненно, связана с какими-то лигандами, но их точный состав не известен. Возможно, что лигандами являются аминогруппы или дисульфидные мостики белка.
Число активных центров гемоцианина, т. е. пар ионов меди, связывающих одну молекулу кислорода, колеблется от 6 до 200, смотря по тому, из каких организмов получен гемоцианин.
Гемоцианин — отнюдь не единственное природное соединение меди. В крови и различных органах животных (почки, печень), а также в тканях растений (огурцы, кабачки, лаковое дерево) и грибов найдена медь, находящаяся там в виде комплексных ионов. Насколько можно судить, комплексообразование происходит между ионами меди и различными участками полипептидной белковой цепи; установлено, что медь часто выполняет те или иные биохимические функции совместно с соединениями железа.
Широкая распространенность в природе белков, связанных с ионами меди, и важность сочетании железо — медь в биохимических реакциях, сопровождающих переносы электронов и окисление пищевых веществ, стимулировали исследования роли меди в процессах жизнедеятельности. Но, несмотря на всю мощь современных физико-химических средств анализа, до сих пор не удалось охарактеризовать медь с такой полнотой, какая достигнута по отношению к соединениям железа.
Установлено, что медьсодержащие белки (например, стеллацианин, получаемый из лакового дерева) служат переносчиками электронов. Ионы меди в белках катализируют реакции гидроксилирования и окисления. Последние особенно важны.
Ферменты, ускоряющие реакции окисления, — оксидазы — довольно многочисленны и содержат ионы меди в различных состояниях. Мы рассмотрим некоторые типичные примеры.
Оксидазы, в молекуле которых содержится не менее четырех атомов меди на молекулу фермента, ускоряют восстановление кислорода до воды. Их синяя окраска настолько интенсивна, что эту группу оксидаз иногда называют "синие оксидазы", в отличие от другой группы оксидаз, в молекуле которых всего один-два атома меди ("несиние оксидазы"). Они окрашены менее ярко и катализируют восстановление кислорода до пероксида водорода.
К синим оксидазам относится церулоплазмин — медьсодержащий белок, найденный в плазме крови человека и многих позвоночных (свиньи, лошади, коровы, олени, собаки, кошки и др.). Церулоплазмин плазмы человека содержит всего 0,3 масс. % меди, имеет молекулярную массу 151000. Вероятно, в его молекуле — четыре полипептидные цепочки, две из которых обладают сравнительно небольшой длиной (масса их около 16000) и две длинные (молекулярная масса около 60000). Церулоплазмин удалось получить также в виде кристаллов. Доказано наличие в этом белке и небольшого количества углеводов (8%). Церулоплазмин катализирует окисление ионов железа(II) в ионы железа(III), что может служить объяснением механизма совместного действия обоих этих ионов в процессах переноса электронов и активизации железа. Каталитически ускоряются церулоплазмином реакции окисления полиаминов и полифенолов — обычных составных частей обмена веществ в организмах.
Медь связана с белком церулоплазмина очень прочно, и, по-видимому, на одну молекулу белка приходится шесть атомов меди. Действие ионов меди в реакциях окисления сводится к попеременному окислению и восстановлению, т. е. к переходам типа:
Действие ионов меди в реакциях окисления сводится к попеременному окислению и восстановлению
Имеются данные, показывающие, что только половина атомов меди находится в степени окисления +2; эти ионы окисляются и восстанавливаются по указанной схеме, обратимо. Ионы меди в степени окисления +1 окисляются очень трудно и только при разрушении белковой части фермента. Ионы меди(I) тоже не вполне одинаковы — два из четырех связаны с атомами серы. Пока не ясно, все ли атомы меди принимают участие в указанных выше реакциях окисления-восстановления.
Глава 8. Структурная организация мембран клетки. Окислительное фосфорилирование
Изучая некоторые этапы обмена веществ, мы рассмотрели сложные цепи реакций, в которых соблюдается вполне определенная их последовательность. Продукт одной реакции становится исходным веществом в другой; реакции включаются в строгом порядке, не обгоняя друг друга. Порядок был бы невозможен, если бы участвующие в процессе молекулы были просто смешаны в однородной среде. Действительно, микроскоп открывает перед нами необыкновенно разнообразные и тонко организованные клеточные структуры, которые играют как механическую, так и химическую роль в жизни клетки. Оболочка клетки и все детали ее внутреннего устройства образованы посредством белков и жироподобных веществ, называемых липидами. Сочетание белков и липидов приводит к возникновению макроструктур — тонких пленок, получивших название мембран.
Мембраны отделяют содержимое клетки от внешней среды и обеспечивают разницу концентраций биологически важных веществ внутри клетки и во внешней среде.
Если бы этого не было, химический состав клетки и среды стал бы одинаковым, что, конечно, нарушило бы все процессы жизнедеятельности. Мембраны способны избирательно пропускать в клетку (и в обратном направлении) определенные вещества и осуществляют таким путем контроль над количественным и качественным составом клеточного содержимого.
Химик, смешивающий в пробирке или колбе реагирующие вещества, не думает о форме сосуда, в котором идет реакция: и в колбе, и в пробирке она пройдет одинаково, сосуд не принимает участия в процессе. Клетка, с ее мембранными структурами, ведет себя иначе: в ней нет деталей, которые так или иначе не участвовали бы в реакциях; и среди них мембраны играют важнейшую роль.
По этой причине в настоящее время мембраны привлекают пристальное внимание ученых. Мембранам посвящены сотни работ, ежегодно публикуемых в печати, в нашей стране издается даже специальный журнал "Мембраны". Вопросы строения и функций этих тончайших пленок обсуждаются на конференциях и конгрессах. Можно без преувеличения сказать, что наука мембранология — это участок переднего края современной биохимии и молекулярной биологии.
Было затрачено много труда и времени на выяснение молекулярной структуры мембраны. Достигнутые результаты можно кратко суммировать так. В основном мембраны образованы молекулами липидов; на поверхности мембран находятся слабо связанные молекулы периферических белков. Другие молекулы белков (интегральные белки) погружены в липидный слой. Некоторые из них объединены в более крупные группировки — кластеры. Белковые молекулы взаимодействуют как с липидами, так и с молекулами воды внешней среды, а также в некоторых случаях и с углеводами. Для понимания причин, по которым могла возникнуть такая сложная молекулярная архитектура, надо обратить внимание на особенности строения молекул белков и липидов.
Молекулы белков, как точно установлено, состоят из остатков примерно двадцати α-аминокислот. Они имеют общую формулу NH2 — CH(R) — СООН (в нее не вписывается лишь пролин). Как видно, все аминокислоты содержат полярные группы: карбоксильные — СООН и аминогруппы — NH2, выполняющие соответственно функции кислоты или основания. Кроме того, у части аминокислот полярные группы (-СООН, -NH2, -ОН, -SH) имеются и в боковых радикалах R, тогда как у другой части R — это неполярные углеводородные цепи, прямые, разветвленные или циклические.
В процессе конденсации (см. гл. 1) образуется полипептид — длинная цепочка связанных друг с другом аминокислот:
полипептид — длинная цепочка связанных друг с другом аминокислот
Именно так в клетках из различных аминокислот и получаются молекулы разнообразных белков. На боковых ответвлениях, а также на концах цепочек сохраняются кислые, основные и другие полярные группы; белки поэтому могут реагировать и с кислотами, и с основаниями.
Разнообразие белков связано с разным чередованием двадцати различных аминокислотных остатков. Поэтому число всевозможных белков необычайно велико.
Полипептидная цепочка белка, насчитывающая сотни, а иногда и тысячи звеньев, свернута в спираль, кроме того, эта спираль, в свою очередь, сложена в компактную структуру. В некоторых белках молекула содержит не одну, а две или более полипептидных цепочек, переплетенных друг с другом (например, четыре цепи гемоглобина). Отдельные части полипептидных цепей проявляют, разумеется, не одинаковые химические свойства; в частности, они по-разному относятся к молекулам воды, постоянно присутствующим в любых клетках организма. Аминогруппы -NH2 и карбоксилы -СООН, например, удерживают молекулы воды за счет образования водородной связи. Предполагается, что возникновение водородной связи облегчает отщепление ионов Н