Процесс распада хлорофилла долгое время оставался загадкой для исследователей. Около двух десятков лет назад из листвы были выделены продукты разложения хлорофилла, которые оказались бесцветными, что лишний раз добавило исследователям уверенности в том, что хлорофилл, разлагаясь, только делает видимыми другие окрашенные соединения. Тем не менее недавно было выяснено, что обнаруженные ранее продукты распада хлорофилла, считавшиеся окончательными, могут окисляться с образованием интенсивно-жёлтых соединений. Строение жёлтых продуктов распада хлорофилла похоже на структуру билирубина, природного соединения, предохраняющего клетки от повреждения.
С разложением хлорофилла связан и следующий интересный факт – зреющие бананы при облучении ультрафиолетом флуоресцируют с испусканием интенсивно синего цвета. Это синее свечение связано с разрушением хлорофилла, протекающим при созревании бананов. В результате такого расщепления бесцветные, но флуоресцирующие продукты распада хлорофилла концентрируются в банановой кожуре.
Привычный вид бананов обусловлен наличием каротиноидов, которые обуславливают жёлтую окраску банановой кожуры при нормальном освещении. При облучении ультрафиолетом созревающие бананы выглядят интенсивно синими, причем окраска не зависит от того, каким образом происходит созревание – естественным или подстегивается с помощью газообразного этилена. Зелёные незрелые бананы не флуоресцируют. Интенсивность флуоресценции определяется степенью распада хлорофилла и увеличивается по мере созревания.
В растениях хлорофиллы локализованы в мембранах клеточных органоидов – хлоропластов, именно там молекулы хлорофилла могут улавливать энергию входящих фотонов, в результате воздействия фотонов хлорофиллы переходят в возбужденное состояние. Расположение молекул хлорофилла в хлоропластах способствует тому, что энергия может передаваться между соседними молекулами, фокусируясь и умножаясь таким образом, что в итоге от молекулы хлорофилла отрывается электрон, который затем участвует в целой цепочке других химических превращений.
Реакции с участием оторвавшегося электрона создают достаточную энергию для синтеза углеводов из углекислого газа. При этом молекула хлорофилла, потерявшая электрон, регенерирует свое состояние за счёт отрыва электрона от воды, в процессе окисления воды в качестве побочного продукта фотосинтеза образуется кислород, и никогда ещё побочный продукт не был таким полезным.
Общий процесс фотосинтеза появился в результате эволюции миллиарды лет назад в зелёных бактериях, а затем закрепился как свойство клеток многоклеточных растений. По сути дела, каждый хлоропласт представляет собой реликтовый остаток древней бактерии, «взятой в заложники» современным растением из-за своей удачной способности.
Вопрос о дате «начала» фотосинтеза является одним из главных среди тех, которые обсуждаются в связи с происхождением жизни на Земле. Считается, что до появления фотосинтеза атмосфера обладала «восстановительными» свойствами – состояла из метана, аммиака и сероводорода. Фотосинтез вызвал первую «экологическую катастрофу», приведшую к исчезновению практически всех не кислорододышащих форм жизни.
Наиболее старое ископаемое свидетельство существования фотосинтетических бактерий позволяло предположить, что они появились в экологической системе Земли около 2,7 миллиардов лет назад. Тем не менее недавно полученные при изучении скальных пород свидетельства позволяют предположить, что бактерии, способные к фотосинтезу, уже существовали на Земле 3,46 миллиарда лет назад.
В настоящее время исследователи пытаются приручить процесс фотосинтеза и использовать его идею для применения солнечной энергии в солнечных батареях, системах фотокаталитического получения водорода из воды, а также в других системах, позволяющих проводить конверсию солнечной энергии в энергию химическую. Сравнительно недавно было обнаружено, что наносистемы из оксида титана (см. рассказ про диоксид титана выше) под воздействием солнечного света могут расщеплять воду на водород и кислород.
В пищевой промышленности хлорофилл используется в качестве красителя (добавка Е-141), именно хлорофилл придает зелёную окраску абсенту, о котором уже шла речь выше.
Итак, хлорофилл представляет собой не только замечательное вещество, которое дало нам всем жизнь, но и неиссякаемый источник вдохновения как для химиков и инженеров, так и для поэтов, писателей и художников.
2.5. Гемоглобин
Первая же ассоциация, которая у нас появляется к слову «кровь», – прилагательное «красная». Глубокая красная окраска крови, пожалуй, одна из самых привычных ее характеристик.
Если же посмотреть на красную жидкость, сочащуюся из раны, под микроскопом, мы увидим, что цвет крови обуславливается красными кровяными тельцами – клетками, чем-то похожими на курагу. Красная кровяная клетка, эритроцит, живет в нашем организме около 4 месяцев, и в течение всех этих четырех месяцев она делает «круг почета» по нашему телу каждые 20 секунд. Красный же цвет эритроцитов обеспечивается гемоглобином.
Гемоглобин – важный для организма многих существ (и человека, естественно) белок, точнее, сложный белок. В чем разница между простыми и сложными белками? Она достаточно проста. Простые белки представляют собой биополимеры, состоящие только из остатков аминокислот, а вот белки сложные состоят из цепи аминокислотных остатков и какой-то группы неаминокислотной природы (углеводный остаток, остаток нуклеиновой кислоты, липидный остаток и т. д.).
Гемоглобин – это не уникальный для человека белок. Фактически каждое позвоночное от рыбы до человека использует это замечательное вещество в качестве средства доставки кислорода тканям, а также вывоза из тканей одного из многочисленных отходов метаболизма человека – диоксида углерода.
Если же говорить про эритроциты, то они представляют одни из самых простых клеточных линий, вырабатывающихся телом человека (и любого другого позвоночного). В них нет ядра, генетического материала, и 95 % их сухой биомассы приходится на гемоглобин. Миссия этих клеток проста и очевидна – аэрация тканей и удаление из тканей диоксида углерода.
До 1860-х годов гемоглобин отождествляли с эритроцитом и называли «гематоглобулин» – это название отражало идею того, что речь идет о каких-то красных кровяных шариках (гемос – кровь, глобула – шар, греч.). Это соединение было открыто в 1840 году Фридрихом Людвигом Хюнефельдом: он выдавливал кровь из дождевого червя, зажимая животное между предметным и покровным стеклами микроскопа, потом позволял крови высохнуть и закристаллизоваться ее содержимому.
О роли гемоглобина в переносе кислорода впервые заявил французский физиолог Клод Бертран где-то в 70-е годы XIX века. Строение гемоглобина, как и строение многих белков, оставалось слишком сложным для того, чтобы определить его до эры такого аналитического метода химии и биохимии, как рентгеноструктурный анализ.
Полная структура гемоглобина была расшифрована в 1959 году Максом Перутцем. Это было сделано спустя шесть лет после того, как Уотсон, Крик и Розалинда Франклин использовали рентгеноструктурный анализ для расшифровки строения ДНК.
Теперь мы знаем, что гемоглобин взрослого человека (HbA) является тетрамером, состоящим из двух α– и двух β-субъединиц (отдельных белковых цепей, объединяющихся в составной функциональный белок). α– и β-цепи гемоглобина немного отличаются аминокислотной последовательностью, но имеют сходную форму, из-за чего сам тетрамер гемоглобина представляет собой почти правильный тетраэдр.
В каждой субъединице, неважно – α это или β гемоглобина человека, содержится по важной структурной группе (одинаковой для всех типов субъединиц) – гемовой группе. Сердцем этой группы является атом железа, находящийся в плоско-квадратном окружении четырех атомов азота, которые, в свою очередь, входят в азотсодержащее макроциклическое соединение, которое называется порфирин. Именно это железо в порфириновом цикле и является переносчиком кислорода. Поскольку молекула гемоглобина человека состоит из четырех субъединиц, всего в молекуле гемоглобина человека четыре атома железа, и, следовательно, одна молекула гемоглобина может переносить четыре молекулы кислорода.
Часто бытует мнение, что красный цвет крови обеспечивает именно железо – точно так же, как и оксид железа отвечает за красный цвет ржавчины. Однако это не более чем удачное совпадение – основная причина красного цвета крови кроется не в железе, а в окружающем его порфирине (само слово «порфирин» происходит от греческого обозначения багряно-красного цвета). Порфирины представляют собой окрашенные молекулы, цвет которых, кстати, может быть не красным – порфирин, в кольце которого находится атом магния, имеет характерную зеленую окраску и является важным структурным элементом хлорофилла – пигмента, ответственного за процесс фотосинтеза. Цвет же самого гемоглобина зависит от того, несет ли эта молекула кислорода или нет. Когда кислород «садится» на железо, форма порфирина меняется, и из-за этого гемоглобин приобретает алую окраску (цвет артериальной крови).
Кстати, не любая окрашенная в красный цвет жидкость, сочащаяся из плоти, окрашена за счет гемоглобина. Красный оттенок сырого мяса и красноватая жидкость, временами подтекающая из него (которую мы часто и при этом неправильно называем «кровью»), окрашены в красный цвет не за счет гемоглобина, а за счет миоглобина – более простой молекулы, содержащей всего лишь один атом железа, роль которой в большей степени состоит в запасании кислорода, а не в транспорте его по организму.
Гемоглобин плода человека слегка отличается по строению и свойствам от гемоглобина взрослого человека, и он более эффективно связывает кислород, чем гемоглобин взрослого человека: плод получает кислород из плаценты, но поскольку этот источник кислорода общий и для матери и для плода, очевидно, что плоду приходится «соревноваться» с материнским организмом в потреблении кислорода, и тут уж для кислорода требуется более эффективный переносчик.