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?
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 NH2-СН2-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 С15Н31СООН).
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 СО2? 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.