Физико-химические факторы биологической эволюции (1979)

_DSBaN

_{kn = 7Г ■}

_{“ ■ I(E„N)} ^h

_{В зависимости от диффузионного пути И, концентрации фер­мента Е0 получаются величины кг (числа оборотов в сек}^-1 _{см. гл. 4, с. 70), необходимые для переработки в одном слое фер­мента всего приносимого диффузионным потоком субстрата к каталитически активной поверхности, приведенные в табл. 4.}

_{ТАБЛИЦА 4}

_{ВЕЛИЧИНА КАТАЛИТИЧЕСКОИ АКТИВНОСТИ АДСОРБИРОВАННЫХ НА МЕМБРАНЕ}

_{ФЕРМЕНТОВ-Kj В СЕК-}¹_{, ОГРАНИЧИВАЕМЫЕ ДИФФУЗИОННЫМ ПОТОКОМ}

_{СУБСТРАТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ I И Е0 (ПРИ Д~ 10-}⁸ _CM²_{/CEK, S„~ 10-}³ _М

_(10—⁵ _{МОЛЬ/СМ}³₎

_{1, см}

_{£0, м}

_{1 ю-}¹

_ю-*

_ю-*

_10-*

_10~⁵

_2-10¹

_2-10²

_{2 -10}³

_2-10⁴

_2-10⁵

_10-⁷

_4-10²

_4-10³

_4-10⁴

_4-10⁵

_4.10^е

_{Если субстратом являются большие молекулы, например, белка в случае протеолиза, то D~10}^-7 _см²_{/сек и S0 —10}^-5 _{М (10}^-8 _{моль/см}³_{) предельные величины k2 будут соответственно ниже (табл. 5).}

_{ТАБЛИЦА 5}

_{ВЕЛИЧИНЫ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ АДСОРБИРОВАННЫХ НА МЕМБРАНЕ ФЕРМЕНТОВ, ТИПА ПРОТЕИНАЗ, ОГРАНИЧИВАЕМЫЕ ДИФФУЗИОННЫМ ПОТОКОМ СУБСТРАТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ I И Е„}

_{I, см}

_{10, м}

₁

_ю-»

_ю-*

_ю-«

_ю-<

_10-⁷

_4-10-'

₄

_4-10¹

_4-10²

_4-10³

_1и~⁵

_2-ID-²

_2-Ю-¹

₂

_2-10

_{2 • 10}²

_{Мы видим, что процессы, аналогичные внеклеточному пище­варению, очень сильно лимитируются диффузией. Действительно, к ферменту — протеиназе, адсорбированному на какой-либо по­верхности при реально достижимых концентрациях белков при пищеварении диффузионный поток приносит одну молекулу суб­страта один раз на протяжение времени порядка секунд. Нет никакого смысла в эволюционном совершенствовании протеиназ сверх этого лимита — более активные ферменты — бесполезны и, следовательно, не могут возникнуть в ходе естественного отбора. Так что наши рассуждения ib главе 4 о возможной причине пара­доксально низкой каталитической активности протеиназ, /навер­но, действительно должны быть сведены к объяснению диффузи­онными ограничениями.}

_{Рассмотрим теперь возможные диффузионные ограничения биохимических процессов, идущих при диффузии субстратов в растворах ферментоз.}

_{Модель 2. Представим себе клетку в виде трубы длиной I, сечением а, заполненную раствором фермента концентрации Е0. Пусть на одном конце трубки поддерживается постоянная кон­центрация субстрата S0, а на втором конце концентрация суб­страта S,. Примем, как и раньше, что скорость превращения суб­страта в продукт задается формулой Михаэлиса — Ментен:}

_{k2E S}

_{v = т—г~т . (Кт — константа Михаэлиса)}

_{т г *}

_{В стационарных условиях диффузионный поток субстрата уравновешивается в каждой точке объема ферментативным про­цессом, т. е.:}

_d²_{S k*SE,}

_{РИС. 9. Изменение концентра ции субстрата при его диффу зии в растворе фермента}

_{Ясно, что коэффициент диффузии D и величина k2 связаны друг с другом. Установить связь между ними прямо из условия S(x) > >0 не удастся, т. к. нельзя аналитически решить уравнение с граничными условиями S(0)=S0, dS/dx|*=i=0. Попытаемся хотя бы грубо оценить необходимую величину кг через D. Если пред­положить, что S{x)^Km, т. е. молекулы фермента в достаточной мере обеспечены субстратом, то кривая S(x) на рис. 9 пройдет ниже кривой Si(a:) и выше кривой S2(x), которые удовлетворяют}

_d²_{Si , /0 k2E0 d}²_{S2 k2E0 соответственно уравнениям} ^{и — —и т}

_{же граничным условиям, что и S (х).}

_{Требование, чтобы концентрация S(x) была больше 0, с не­обходимостью влечет S^xJX). Отсюда несложными выкладка­ми получаем неравенство: k <_40S^_ l}²_E0

_{Важно подчеркнуть, что в отличие от случая с диффузией к каталитической поверхности (с. 78), величина &2 оказывается обратнопропорциональной квадрату диффузного пути I.}

_{Теперь мы можем провести численную оценку. Примем D~ ~ 10}^_6 _см²_{/сек S0 — 10}^—4 _{М (10}^-7 _{моль/см}³_{) и вычислим величины &2, лимитируемые диффузией субстратов для растворенных фер­ментов.}

_{ТАБЛИЦА 6}

_{ВЕЛИЧИНЫ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ВНУТРИКЛЕТОЧНЫХ ФЕРМЕНТОВ К2 В СЕК-}¹_{, ОГРАНИЧИВАЕМЫЕ ДИФФУЗИОННЫМ ПОТОКОМ СУБСТРАТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ I И Е,}

_{Ео, м}

_{1, см}

_ю-¹

_10“^г

_10-*

_I0-*

_10-⁵

_4-10-³

_4-10-¹

_4-10¹

_4-10³

_10-0

_м

₁

_О

₄

_4-10²

_4-10⁴

_10-7

_4-10-1

_4-10¹

_4-10³

_4-10⁵

_{Полагая характерными размеры клетки порядка 10}^-3 _{см (10 |я), концентрации субстрата порядка 10}^-4 _{М, концентрации ферментов 10}^-5_—10^-7 _{М мы получим для kz величины порядка 10}¹_—Ю³_{. Именно этому диапазону соответствует каталитическая активность ферментов, функционирующих во внутриклеточных растворах (типа ферментов гликолиза). Это «средние ферменты» в нашей классификации (см. табл. 2, гл. 4, с. 71).}

_{В то же время для внутриклеточного процесса типа протео- лиза (все это в отсутствие активного перемешивания) реальна концентрация субстрата 10~}⁶ _{м, а фермента 10}^_в_—10^-7 _{ми D~ ~ 10}^-7 _см²_{/сек) диффузионно-лимитируемая величина оказы­вается равной 10}^-1_{—1 сек}^-1_.

_{Как видно при сравнении табл. 5 и 7, при характерных раз­мерах клетки порядка 10}^-4 _{см различия в диффузионно-лимити- руемой каталитической активности ферментов, адсорбированных на мембране и свободно растворенных в «протоплазме», ниве­лируются. Следовательно, для мелких клеток типа микробных адсорбция ферментов не дает значительных преимуществ. Воз­можно, этим и определяются сами эти характерные размеры микробных клеток.}

_{Может возникнуть сомнение в правильности приведенных оценок — там были заданы в качестве самых низких концентра­ций ферментов порядка 10~}⁷ _{М. Казалось бы можно совершен­ствовать работу каждой молекулы фермента, увеличивать kz, еще сильнее уменьшая концентрацию фермента. Оказывается — нельзя. Предельно низкая концентрация ферментов определяет­ся малыми размерами клеток. В самом деле в клетке не может быть меньше одной молекулы данного фермента. Одной молеку­лы, конечно, мало — ненадежно. Легко вычислить, что при ха­рактерных размерах клетки 10~}⁴_—10^-3 _{см и наличии в ней 10‘— 10}² _{молекул данного фермента, концентрации ферментов не мо­гут быть ниже 10~}⁶_—10"⁸ _М.

_{Так или иначе, эти, как ясно, весьма приближенные оценки иллюстрируют диффузионные ограничения даже однофермент­ных биохимических реакций.}

_{Эти ограничения становятся особенно существенными в мно­гоэтапных, многоферментных биохимических превращениях. Дей­ствительно, в тех многоэтапных превращениях, в которых важен лишь конечный продукт, чем меньше времени расходуется на промежуточные стадии и чем меньше необходимое количество ферментов, тем лучше. Однако, если промежуточные превраще­ния происходят в бесструктурном гомогенном растворе, путь каждой данной молекулы по всей цепи превращений становится очень долгим.}

_{В многоэтапных превращениях, в которых важен лишь конеч­ный продукт, диффузия промежуточных продуктов в объем (клетки) ухудшает кинетические характеристики системы в це­лом. Диффузия, как и в одноферментных системах, лимитирует}

_{скорости промежуточных реакций. Кроме того, для обеспечения должной скорости промежуточных реакций, т. е. создания соот­ветственно высоких концентраций промежуточных субстратов, оказываются необходимыми большие количества исходных суб­стратов. На это может расходоваться значительная часть исход­ного субстрата. И, возможно, самое главное, резко возрастает инерционность системы, время, необходимое для переключения с одного режима на другой. На каждом этапе продукты, возник­шие на предыдущем ферменте, диффундируют в среду. Для того, чтобы дальнейшее превращение пошло со значительной ско­ростью, концентрация образовавшегося продукта, т. е. субстрата очередного фермента, должна повыситься до некоторой величи­ны. В зависимости от объема системы на это нужно большее или меньшее время. Такая задержка происходит на каждом этапе. Суммарная задержка пропорциональна числу промежуточных стадий. Ясно, что подобная биохимическая система будет очень инерционной и малопригодной, например, для энергетического обеспечения быстрых физиологических процессов.}

_{Другой существенный недостаток гомогенной системы — не­экономное расходование ценного ферментативного вещества. Для обеспечения необходимой скорости превращения веществ нужна большая концентрация соответствующих ферментов во всем ре­акционном объеме.}

_{Таким образом, давление естественного отбора должно при­вести к выработке приспособлений, уменьшающих задержку на промежуточных стадиях и обеспечивающих более экономное ис­пользование ферментов. Эти приспособления — надмолекуляр­ные комплексы, структуры, в которых катализаторы промежуточ­ных превращений находятся на малых расстояниях или даже определенным образом ориентированы друг относительно друга.}

_{Осуществление полиферментных превращений посредством надмолекулярных полиферментных комплексов, расположенных внутри органелл, отграниченных от окружающей их среды изби­рательно проницаемыми мембранами, обеспечивает дополни­тельные кинетические преимущества. Условием эффективного функционирования таких органелл является относительно неза­трудненное проникновение в них исходных веществ и свободный выход конечных продуктов при малой проницаемости их поверх­ностной мембраны для промежуточных продуктов.}

_{В этом случае скорость промежуточных превращений зависит от концентрации первого субстрата, поступающего из среды.}

_{Ясно, что эффективным способом ускорения промежуточных превращений может служить увеличение концентрации превра­щаемых веществ внутри органеллы посредством активного транс­порта, т. е. противоградиентной накачки веществ при сопряжен­ной трате энергии, например, выделяющейся при гидролизе АТФ.}

_{Таким образом, активный транспорт, сопряженный гидролиз АТФ, обычно анализируемые с чисто термодинамических пози­ций, обеспечивают большую скорость многоэтапных биохимиче­ских превращений, увеличивают их кинетическое совершенство. В этом, вероятно, и состоит основной биологический смысл про­цессов активного транспорта.}

_{Мне хочется специально подчеркнуть последнее обстоятель­ство, так как обычно полагают, что связь между кинетическими и термодинамическими характеристиками химических и биохи­мических систем отсутствует. Здесь мы можем даже вывести ко­личественную связь между затратами свободной энергии при активном транспорте и скоростью превращения вещества внутри органеллы.}

_{Пусть v — скорость превращения субстрата в продукт, a AF — изменение (затрата) свободной энергии при противоградиентном переносе данного субстрата к месту его дальнейшего превраще}­_{ния; тогда, из уравнения Михаэлиса (см. с. 79) и соотношения:}

_{S = Su exp (Д F/RT) получим:}

_{k2S0E exp (AF/RT)}

^{V =} _{S0 exp (AF/RT) + Ku ’}

_{где E — концентрация фермента, Км— константа Михаэлисаг равная половине концентрации субстрата, обеспечивающей мак­симальную скорость, S0 — концентрация субстрата вне органел­лы, 5 — его концентрация внутри органеллы.}

_{Наивысшая скорость многоэтапных превращений при наи­меньших количествах промежуточных продуктов достигается при переходе к полиферментным комплексам с «правильным», соответствующим маршруту превращений, расположением фер­ментов в комплексе и наиболее интенсивным противоградиент- ным переносом исходного субстрата внутрь органеллы и конеч}­_{ного продукта из нее. Суммарная скорость потока продукта при таком многоэтапном превращении лимитируется лишь собст­венно каталитической активностью наиболее медленного фер­мента в полиферментном комплексе и скоростью отвода (быть может, той же диффузии или активной откачки) образующегося конечного продукта.}

_{До появления аппаратов перемещения в пространстве, обе­спечивающих радикальное преодоление диффузионных ограни­чений, давление естественного отбора должно было обусловить йаиболее быструю в данной системе дуффузию.}

_{Итак, биологический смысл структурной организации много­этапных биохимических процессов, биологический смысл обра­зования митохондрий и хлоропластов — предельно возможное ускорение превращений веществ и наивысшая скорость регуля}­_{ции этих превращений.}

_{Второе, возможно столь же важное, биологическое преиму­щество структурно организованных систем по сравнению с гомо­генными растворами — резкая экономия каталитического веще­ства. Действительно, относительно небольшое число митохон­дрий обслуживает очень большие объемы протоплазмы. Если бы удалось так гомогенизировать митохондрии, чтобы все содер­жащиеся в них ферменты в неповрежденном состоянии перешли в раствор, то итоговая скорость превращения веществ (даже при избыточной их концентрации) была бы очень низкой. Для обслуживания такой гомогенной системы потребовалось бы зна­чительно больше митохондриального вещества (то же касается вещества хлоропластов и т. п.).}

_{Более или менее правильное пространственное расположе­ние дискретных порций малого количества ферментов позволяет обеспечить высокую скорость превращения веществ, достигае­мую в гомогенном растворе лишь при относительно очень вы­соких концентрациях ферментов.}

_{Биологические преимущества более или менее правильной пространственной организации надмолекулярных полифермент- ных комплексов основаны на «игре на градиенте». Расположе­ние небольшого числа митохондрий на некотором расстоянии друг от друга позволяет им использовать зависимость скорости диффузии от величины градиента концентрации диффундирую­щих веществ (см. рис. 10).}

_{Представим себе, что поток вещества из внешней среды в клетку перерабатывается в конечном итоге в какой-либо полез­ный продукт.}

_{Пусть для конкретности речь идет о диффузии кислорода и поглощении его митохондриями, вырабатывающими АТФ. В принципе можно рассчитать, сколько митохондрий необходи­мо для оптимальной работы и как они должны быть располо­жены (на каких расстояниях друг от друга, от поверхности клет­ки, от потребителей АТФ, например, миофибрилл (рис. 10). Для дедуктивного построения было бы желательно получить анали­тическое выражение, связывающее коэффициент диффузии, ка­талитическую активность митохондрий, расстояние от границы клетки и т. п. с необходимым числом митохондрий и расстоя­ниями между ними. Задача эта, однако, очень сложна. Можно не сомневаться, что именно такие оптимальные решения были найдены во всех конкретных случаях под давлением естествен­ного отбора.}

_{Теперь вполне уместно сказать, что изложенные выше сооб­ражения о биологическом смысле замены сплошной каталити­ческой поверхности дискретными пространственно отдаленными друг от друга структурами (клеточными органеллами) являются результатом применения -системы аналогичных представлений, давно развитых в другой области.}

_{Много лет назад (в 1947 г.) на меня произвело очень силь­ное впечатление изложение вопроса об устьичной регулировке транспирации листьев выдающимся лектором, профессором био-}

_{РИС. 10. Переработка малым числом дискретных каталитиче- ски-активных структур потоков субстрата с большой поверхно­сти за счет краевых эффектов диффузии}

_{So — концентрация субстрата у на­ружной поверхности; Р — концен­трация продукта}

_{логического факультета МГУ Д. А. Сабининым. Несколько ме­нее красочно материал этой лекции опубликован в книге [251]. Слова Сабинина имеют прямое отношение к рассматриваемому нами вопросу, и я приведу их полностью: «...Еще в 1800 г. Брау­ном и Эскомбом [370] было проведено изучение диффузии угле­кислоты через целлюлозные пластинки с отверстиями диамет­ром 0,38 мм. Это исследование показало, что при общей площа­ди пор указанного диаметра, составляющей лишь 11% от пло­щади пластины, через нее проходило столько же углекислоты, как и через свободное сечение трубки, иными словами, перего­родка з данном случае переставала быть препятствием, снижав­шим скорость диффузии. Браун и Эскомб предположили, что при порах еще меньшего диаметра, равного ширине устичных щелей эпидермиса, равенство скорости диффузионного тока при наличии и в отсутствии перегородки с порами будет достигнуто, если общая площадь пор составит лишь 1—3% площади плас­тинки. Такое соотношение площади устьичных щелей и всей по­верхности эпидермиса является обычным у большинства рас­тений.}

_{Предположение Брауна и Эскомба примерно через четверть века могло быть подвергнуто экспериментальной проверке, когда фирмой Цейсс были изготовлены тонкие медные пластинки с порами диаметром около 10 мкм. Эта величина пор примерно равна диаметру открытых устьичных щелей. На 1 мм}^г _{площади медного листка толщиной 20 мкм наносилось до 100 пор. Для невооруженного глаза такая пластинка, пронизанная микроско­пически мелкими порами, представлялась совершенно сплошной. Но при изучении испарения воды с поверхности небольших со­судиков, накрытых этими пластинками или оставленных совер­шенно непокрытыми, оказывалось, что в обоих случаях скорость испарения воды была примерно одинаковой. Этот удивительный результат явился блестящим подтверждением теоретических представлений о значении градиента дефицита насыщения как фактора скорости испарения.}

_{При диффузии водяного пара через отверстия, равные по диа­метру ширине открытых устьичных щелей, краевое испарение играет столь большую роль, что скорость испарения с единицы поверхности поры почти в 80 раз превышает соответствующуювеличину для свободной поверхности. В работах Губера [403] имеется обширный экспериментальный материал, позволяющий установить зависимость испарения от диаметра пор и величины общего сечения всех пор по отношению ко всей площади пла­стинки» [251, с. 132].}

_{Было бы несправедливо не сказать, что за 20 лет до Брауна и Эскомба Стефан [461] теоретически и экспериментально ис­следовал испарение и диффузию жидкостей из ограниченных поверхностей и отверстий. При этом он исходил из работ Гельм}­_{гольца по прохождению звуковой волны через трубы и отвер­стия (органные трубы) и своих собственных аналогий между концентрационными (диффузионными) и электростатическими градиентами.}

_{Стефан показал, в частности, что в силу краевых эффектов скорость диффузии через круглое отверстие пропорциональна его радиусу, а не площади, т. е.}

_{v=4 DRp,}

_{где v — скорость диффузии, D — коэффициент диффузии, р — величина градиента концентрации, R — радиус отверстия.}

_{Таким образом, при уменьшении площади круглого отвер­стия в п раз скорость диффузии через него убывает лишь в У/г раз. Этим и объясняются устьичные эффекты. Их количествен}­_{ный анализ с учетом формы и взаимного влияния соседних от}­_{верстий сложен и требует применения ЭВМ.}

_{Из изложенного выше ясно, что роль пространственных фак­торов, «игра на градиенте» давно осознана в физиологии расте­ний ‘. Тем удивительнее, что в весьма близкой к физиологии рас­тений области — биохимии — кинетическая роль структуры до сих пор осталась неосознанной. Насколько мне известно, до сих пор аналогия между пластинкой с малым числом дырок и, напри­мер, клеткой с митохондриями не проводилась. Отчасти это объясняется тем особым значением, которое придавалось каж­дому успешному осуществлению того или иного биохимического процесса в бесструктурной системе, в гомогенном растворе. В са­мом деле, лишь реализация ферментативного процесса в бес­структурной системе много десятилетий считалась обязательным условием изучения механизма такого процесса. Это обстоятель­ство было очень четко подчеркнуто В. А. Энгельгардтом в 1962 г. Он писал:}

_{«В заключение подчеркнем, что все сказанное не означает, разумеется, недооценки значения структуры. Но мы предпочли придерживаться области тех вопросов, которые могут быть вы­ражены химическими уравнениями и конкретными физическими представлениями.}

_{К сожалению, вопросы структуры опутаны весьма больши' ореолом неопределенности, в них можно вкладывать все, что угодно, от структуры молекулы до структуры любого вещества, существа и даже до структуры популяций.}

_{Повторяем, структура важна, ею пренебрегать нельзя. Но опыт биохимии дает нам примеры иного порядка. Был длитель­ный период, когда все, что не удавалось описать химическими уравнениями, относилось за счет структуры. В период, когда уче­ные не могли ничего сказать о механизме дыхательного процес­са, Варбург с восторгом говорил о роли структуры для клеточ­ного дыхания. Но что осталось от роли структуры для клеточ­ного дыхания? (его интенсивность (!)—С.Ш.). В настоящее время можно весь процесс клеточного дыхания воспроизвести в гомогенном растворе структуры. От структуры, которая фигу­рировала как основное звено Варбурга, не осталось и следа. Опыт учит, что термин «структура» обычно бывает ширмой, за которой скрывается наше незнание... Если мы можем воспроиз­вести кардинальные проявления жизнедеятельности в бесструк­турной системе, нам нечего желать лучшего. Мы можем в бес­структурной системе воспроизвести редупликацию молекул ДНК, мы можем в бесструктурной системе воспроизвести такой коренной биологический процесс, как явление гибридизации». [352, с. 47].}

_{Энгельгардт совершенно прав, говоря о возможности в прин­ципе воспроизвести даже самые сложные биохимические про­цессы в бесструктурных системах. Строгая, высоко совершенная стереоспецифичность молекул белков-ферментов, связывающих в активном центре лишь молекулы своего субстрата, их способ­ность различать например, окисленное и восстановленное со­стояние молекул субстратов (мы знаем это на примере НАД- дегидрогеназ) вполне может обеспечить нужную последователь­ность реагирования в многоэтапных процессах [471]. Для пра­вильного, безошибочного осуществления многоступенчатых процессов превращения веществ, освобождения и усвоения энер- тии структура не нужна. Но смысл структуры не в этом. Струк­тура обеспечивает большее биохимическое совершенство — в структурированных системах процессы идут быстрее, чем в бес­структурных. Структура нужна для ускорения многоэтапных превращений и их более совершенной регуляции-, она увеличи­вает экономичность системы, т. е. обеспечивает переработку наи- -большей массы субстратов наименее «материалоемкими» систе­мами катализаторов-ферментов}[8]_.

_{Глава 6}

_{МЕМБРАНЫ, ИОННАЯ АСИММЕТРИЯ}

_{Живое вещество должно быть дискретным, разделенным на организмы.}

_{Возникновение дискретных организмов сопряжено с решением в ходе эволюции многих проблем.}

_{Необходимость сохранения целости организма приводит к возникновению сигнальной системы, реагирующей на повреждение, а затем и на возможное повреждение (раздражение) клетки.}

_{Асимметричное распределение ионов в системе клетка — среда является эволюционным результатом и способом осуществления возникновения раздражимости и возбудимости клеток.}

_{Причина повышенной концентрации внутри клетки ионов калия, а снаружи ионов натрия заключена в геологической истории Земли.}

_{В предыдущей главе мы пришли к необходимости эволюционного возникновения структурной организации для преодоления диф­фузионных ограничений биохимических процессов.}

_{Структурная организация оказывается необходимой и по дру­гим не менее важным эволюционным соображениям.}

_{Ранее (гл. 2) мы подчеркивали, что «биологическое (кинети­ческое) совершенство» зависит от скорости увеличения массы вещества данного вида. Казалось бы, если не принимать в рас­чет диффузионные ограничения, вещества данного вида — мат­ричные молекулы и соответствующие ферменты могли бы суще­ствовать в виде неразделенной смеси — «живого киселя», по вы­ражению Н. В. Тимофеева-Ресовского.}

_{Однако в этом случае естественный отбор становится неэф­фективным. Условие эволюции, способ естественного отбора— гибель, смерть (менее приспособленных. Гибель должна быть строго избирательной — лишь менее совершенных. Это возмож­но лишь при условии существования «живого вещества» в воде дискретных порций, содержащих необходимый я достаточный, комплект матричных макромолекул, ферментов и всего прочего. Чрезмерная избыточность понижает селективные преимущества.}

_{Оптимальный по размеру комплект матричных и каталити­ческих полимеров я низкомолекулярных веществ необходимый и достаточный для жизни — это элементарный организм, клетка. Такой организм должен обладать специфической поверхностью, отделяющей его от внешней среды и препятствующей вымыва­нию веществ, нарушению необходимого их комплекта.}

_{Следовательно, биологическая целесообразность, т. е. пре­дельно совершенная форма гибели, смерти достигается при раз­делении «вещества» данного вида на в некотором смысле неза­висимо погибающие организмы. Размеры этих первичных орга­низмов— клеток должны удовлетворять двум противоположным требованиям: с одной стороны, они должны быть достаточно большими, чтобы в них мог поместиться весь необходимый для автономного существования набор матриц, ферментов и прочих молекул, а с другой,— достаточно малыми для достижения наи­более интенсивного процесса естественного отбора наиболее эко­номным образом, а также для обеспечения требуемой поверх­ности взаимодействия с внешней средой.}

_{Теперь на очередь становится задача рассмотрения биохими­ческих механизмов отграничения от внешней среды, специфиче­ской биохимии клеточных поверхностей, клеточной оболочки.}

_{Наиболее естественным механизмом построения оболочек клеток, образования дискретных порций живого вещества в вод­ной среде, является создание гидрофобных границ раздела. Поскольку речь идет об отграничении гидрофильных биохими­ческих систем (ферменты, матричные молекулы и другие основ­ные биохимические компоненты по необходимости гидрофильны) от окружающей водной среды, первичная гидрофобная граница могла образовываться лишь детергентами, т. е. веществами-пиб- ридами, содержащими гидрофильные группы, обращенные внутрь клетки, и гидрофобные группы, обращенные наружу. Та­ким образом, появление дискретных форм жизни — особей, кле­ток сопряжено с возникновением системы синтеза биодетерген­тов (например, фосфолипидов). Замечательным свойством де­тергентов является их способность образовывать дискретные структуры (пленки, мицеллы, коацерватные капли, пузыри, пену [94, 261, 422]. Эта способность обусловлена взаимодействием сравнительно небольших молекул детергентов друг с другом и с молекулами среды посредством ван-дер-ваальсовых и электро­статических сил. Эволюционная необходимость детергентов и липидов, возможная роль коацерватных структур, появляющих­ся в смесях детергентов и белков в процессе возникновения жизни, рассмотрены А. И. Опариным и сотрудниками [94, 261].}

_{Ключевая роль детергентов в формировании дискретных осо­бей (в том числе и прекрасных) вполне соответствует представ­лению о возникновении Венеры (Афродиты) из пены морской.}

_{Возникновение клетки представляется следующим образом. В ходе эволюции появляются ферментные системы синтеза де­тергентов (например, фосфолипидов). Слой таких детергентов обволакивает комплект матричных молекул, молекул ферментов и низкомолекулярных метаболитов, образуя поверхностную ме­мбрану. Синтез компонент мембраны строго регулируется — их количество должно соответствовать поверхности клетки.}

_{Тут возникает непростая проблема: детергенты должны быть ориентированы, по-видимому, своими полярными группами внутрь клетки, а неполярными — наружу. Как достигается раз­личение внутреннего и наружного;' Как предотвратить «нечаян­ное» выворачивание мембраны наизнанку? Это, по-видимому, возможно лишь посредством более или менее специфического взаимодействия с содержимым клетки, которое само не должно вытекать из нее и в отсутствии мембраны. Иными словами, дол­жен существовать твердый каркас, на котором закрепляется мембрана. Этот каркас (наиболее вероятно — белковый гель) представляет собой трехмерную структуру, состоящую из фиб}­_{риллярных макромолекул белка типа коллагена, тубулина или актина.}

_{С другой, наружной, стороны не вся поверхность мембраны клетки должна быть гидрофобной — в противном случае произо­шло бы слипание клеток и стало бы невозможным необходимое для жизнедеятельности взаимодействие со средой. Следователь­но, поверхностная мембрана должна обладать сложной струк­турой — ее обращенная внутрь сторона должна содержать хи­мические группы, специфически соединяющиеся с внутренним каркасом, с внутриклеточными белками, а ее наружная сторона не должна быть однородно гидрофобной. Каркас, на который натягивается, к которому прикрепляется поверхностная мембра­на, необходим, как мне кажется, и для того, чтобы эта мембрана не отделялась от клетки. В самом деле, детергентный слой впол­не может образовать автономную структуру, и не обволакиваю­щую клетку. Поэтому нужно, чтобы взаимодействие мембран­ных детергентов с каркасом было бы более сильным и специфич­ным, чем взаимодействие одной молекулы детергента с другой. Ясно, что такое обволакивание мембраной внутриклеточного содержимого нельзя обеспечить лишь за счет неспецифических электростатических или гидрофобных взаимодействий.}

_{Много лет назад Н. К- Кольцов обнаружил, что форма кле­ток определяется формой каркаса, состоящего, как он считал, из коллагеновых волокон [144]. В последние годы весьма интен­сивно развиваются исследования фибриллярных структур, опре­деляющих форму клеток. Эти структуры состоят из так назы­ваемых микрофиламентов. Основная компонента микрофила- ментов — актин, т. е. один из двух главных белков мышц [392, 393]. Микрофиламенты расположены непосредственно под мем­браной клетки. Однако, насколько мне известно, вопрос об их взаимодействии с мембраной не изучен. Неясно также, следу­ет ли исключить предположение о коллагеновом каркасе. Воз­можность участия коллагена в таком каркасе следует из опытов по созданию на нем искусственных возбудимых липопротеидных мембран [369].}

_{Итак, по указанным выше причинам предельно совершенные биохимические системы оказываются представленными в виде дискретных порций живого вещества. И эта дискретность осу­ществляется посредством биосинтеза специализированных де- тергентных молекул, по-видимому, спонтанно образующих гра­ничные и прочие мембраны клеток. Мы видим, что и в этом слу­чае все необходимое разнообразие свойств поверхностей клеток можно получить «наборным» методом — посредством должного сочетания относительно небольшого числа универсаль­ных компонент — букв (фосфолипидных и прочих), составляю­щих слова «мембранного языка». Однако в отличие от полипеп- тидного и полинуклеотидного языков в мембранном языке не нужен строго детерминированный порядок слов и даже букв в слове, а достаточно, чтобы в данной структуре слова и буквы были представлены в должных соотношениях. Поэтому при на­личии специфического белкового каркаса нет необходимости в соединении отдельных молекул в мембранных структурах ва­лентными или строго определенными водородными связями — вполне удовлетворительные результаты достигаются и при соеди­нении молекул ван-дер-ваальсовыми и электростатическими связями. Действительно замечательным свойством системы ли­пиды— детергенты — вода является способность к автоматиче­ской самосборке мембран [307а, 422]. Мембраны в этом смысле вполне детерминированы физическими и химическими свойства­ми компонент самой системы. Особенности строения возникаю­щей мембраны зависят почти исключительно от того, какие ли­пиды, детергенты, электролиты и неэлектролиты содержатся в системе и в каком количестве. Следовательно, свойства мембра­ны определяются характером и интенсивностью биосинтетиче­ских процессов в протоплазме. Так, число и качество дефектов в мембране, мест, где плотная упаковка молекул (например, лецитина) нарушена, зависит от концентрации в системе дру­гих детергентных молекул. В конечном итоге, свойства мембра­ны записаны в соответствующих матричных текстах, определяю- ющих синтез в нужном месте и в нужное время необходимых ферментов, и задаются оперативным изменением активности уже синтезированных ферментов.}

_{Попробуем представить себе возможные механизмы функ­ционирования поверхностных клеточных мембран. Их функция состоит в избирательном пропускании одних веществ и не про­пускании других, причем должно осуществляться как движение веществ по термодинамическому градиенту (из места с более высокой концентрацией в места с меньшей концентрацией), так и противоградиентное движение.}

_{Ясно, что противоградиентное движение веществ может осу­ществляться лишь при использовании свободной энергии в ка­ком-либо сопряженном экзэргоническом процессе.}

_{Один из мыслимых способов противоградиентного переме­щения состоит в уничтожении нормального градиента концен­трации переносимого вещества. Это может осуществляться по­средством связывания поступившего вещества в кинетически (осмотически) неактивный комплекс или же его вовлечения в какой-либо химический процесс. Так, глюкоза может исчезатьв процессе образования из нее гликогена, аминокислоты — в процессах синтеза белка и т. д.}

_{В этих случаях не возникает принципиальных трудностей в представлении исходных шагов эволюционного совершенствова­ния. Задача такой мембраны — обеспечение лишь грубой изби­рательности, наличие в ней дырок, пор, позволяющих нужным веществам двигаться (диффундировать) по «искусственному» градиенту и препятствующих вытеканию протоплазмы. Я под}­_{черкиваю слово вытекание, так как именно в препятствии мак­роскопическим потокам жидкости и состоит первоначальная функция мембран. Множество микродырок не мешает макроско­пической функции мембраны. Так, пористые, ячеистые например, вязанные свитеры и даже крупноячеистые вуали, ограничивая макроскопические потоки воздуха, сохраняют прикожный нагре­тый слой воздуха, и поэтому «греют» людей.}

_{Регулирование свойств такой мембраны также может быть очень грубым — нет нужды в специальной подгонке диаметра пор к размеру проходящих через мембрану молекул.}

_{Однако задача усложняется тем, что в биохимических про­цессах с необходимостью должны участвовать и низкомолеку­лярные промежуточные продукты, не все время пребывающие в комплексах с макромолекулами.}

_{Таким образом, сведение избирательности переноса веществ к биохимической специфичности — к .избирательному вовлече­нию веществ в соответствующие биохимические процессы, лишь первый шаг эволюционного совершенствования трансмембран­ной системы переноса веществ.}

_{Какие пути увеличения избирательности проницаемости мем­бран могут существовать в процессе эволюции?}

_{Конечно, можно представить себе такое состояние прото­плазмы, при котором все низкомолекулярные компоненты био­химических процессов оказываются в специфических комплек­сах с макромолекулами. Для его реализации нужно, чтобы об­разование этих комплексов было термодинамически выгодным. Величина выигрыша энергии при образовании комплекса низко}­_{молекулярного вещества с макромолекулой и определит воз­можность «противоградиентного» переноса данного вещества. Слово «противоградиентный» взято в кавычки, поскольку в этом случае никакой противоградиентности нет — связывание веще­ства уменьшает его осмотическую, кинетическую активность. В месте образования комплекса создается активность (концен­трация), меньшая, чем в других местах. Остается позаботиться}

_{о том, чтобы не вытекали сами макромолекулярные комплексы, а это обеспечивается образованием наружной дырявой, сетчатой мембраны или же соединением всех или большей части макро­молекул в трехмерную сеть — гель. Такие желеобразные дис­кретные организмы в принципе удовлетворяют условиям дис­кретности и стабильности оптимальных по размерам комплектов матричных молекул, ферментов и метаболитов.}

_{Однако скорости биохимических процессов в таких организ­мах будут далеко не предельно возможными. Скорости транс­порта субстратов и продуктов в биохимических системах, где все участники связаны с макромолекулами геля, очень малы. Условием быстрого протекания биохимических процессов явля­ется свободное, неограниченное соединением с макромолекула­ми движение низкомолекулярных веществ в протоплазме. Эво­люция должна обеспечить максимум скорости узловых биохи­мических процессов без специальных уже нехимических приспо­соблений и это достигается при совершенно незатрудненной диффузии.}

_{Следовательно, среда, в которой протекают наиболее важные биохимические процессы, должна быть жидкой *. В этой мало}­_{вязкой бесструктурной жидкой среде могут находиться относи­тельно небольшие компактные структурные образования — ми­тохондрии, хлоропласты и пр., но основная среда должна быть жидкой и основные метаболиты в ней не должны быть связаны с гелеобразным комплексом. Большинство низкомолекулярных метаболитов (субстратов, ионов металлов, анионов, кофермен- тов и пр.) в соответствии с требованием максимально возмож­ной скорости протекания узловых биохимических процессов должно свободно диффундировать в маловязкой жидкой прото­плазме. Следовательно, крупно-ячеистая мембрана служит недо­статочно совершенной границей раздела организма и внешней среды, так как она не будет препятствовать утечке метаболитов. Мембрана должна обладать избирательной проницаемостью.}

_{Приведенное рассуждение, т. е. вывод о невозможности обес­печения должной интенсивности биохимических процессов в клетке при осуществлении специфического переноса веществ посредством специфического связывания в толще протоплазмы, имеет прямое отношение к недавней острой дискуссии. Д. Н. На­сонов и его последователи [220, 221] полагали, что именно спе­цифическое связывание в протоплазме лежит в основе механиз­ма избирательного противоградиентного переноса. Д. Л. Рубин­штейн [246, 247] наиболее ярко представлял противоположную точку зрения, а именно необходимость существования избира­тельно проницаемых клеточных мембран. За прошедшие после дискуссии годы наши знания о механизмах специфического пе­реноса веществ в биологических системах чрезвычайно расши­рились и углубились. Ключевая роль мембран давно уже не вы­зывает сомнений. Однако механизм специфического связывания отнюдь нельзя считать полностью отвергнутым. Из общих сооб­ражений, приведенных выше, следует лишь, что внутриклеточ­ное связывание низкомолекулярных веществ как способ проти- воградиентного транспорта не совместимо с высокой скоростью биохимических процессов. Однако в ряде специальных случаев внутриклеточное связывание может оказаться очень эффектив­ным.}

_{Мы видим, следовательно, что в ходе эволюции возникли не­совместимые требования—с одной стороны, необходимо жидкое состояние значительной части внутриклеточного содержимого, несвязанное состояние внутриклеточных низкомолекулярных веществ (пока они не включаются непосредственно в фермента­тивные процессы), свободная их диффузия, а с другой, необхо­дим строго специфичный противоградиентный перенос через клеточную мембрану. Выход из этого положения может состоять в постулировании аппарата специфического связывания и пере­носа веществ, сосредоточенного в мембране или примембранных слоях, и в сопряжении процессов переноса с расходом макро- эргических соединений (или в более общей формулировке — со­пряжении эндэргонического переноса с каким-либо экзэргониче- ским процессом).}

_{Истинные механизмы специфического трансмембранного транспорта все еще не вполне выяснены. Этим вопросам посвя­щен ряд фундаментальных исследований (см. [5, 33, 48, 62, 158, 171, 172, 177, 178, 180, 197, 225, 226, 285, 314, 365, 383, 434, 435, 451, 459]), к которым и должен обратиться читатель. Тем не менее, в общем виде ответ известен. Противоградиентный пере­нос осуществляется или за счет свободной энергии гидролиза пирофосфатной связи АТФ или за счет распада ее макроэрги- ческого предшественника. Специфичность транспорта веществ через мембрану достигается либо путем связывания этих ве­ществ со специфическими молекулами белков-переносчиков, ли­бо посредством калиброванных пор [399].}

_{Целостность поверхностной мембраны — условие существо­вания клетки. Раздражимость и возбудимость. Ясно, что по­вреждение поверхностной оболочки (клеточной мембраны) должно приводить к гибели клетки. Нарушение целостности мембраны сопряжено с потерей внутриклеточного содержимого и вхождением в клетку вредных компонент из внешней среды. Условием дальнейшего эволюционного прогресса оказывается теперь выработка быстрой реакции на повреждение. Эта реак­ция должна быть сопряжена с включением (и выключением) определенных биосинтетических систем, например, с включени­ем системы интенсивного синтеза фосфолипидов и белков. Та­ким образом, очередная задача эволюции состоит в выборе пре­дельно совершенного вида сигналов о целостности и нарушении целостности клеток. Кажется разумным предположить, что эти сигнальные функции могла бы выполнять относительно безвред}­_{ная компонента внешней среды, всегда присутствующая в до­статочных количествах в первичной среде обитания древних ор­ганизмов. Для выбора такой компоненты необходимо выяснить состав первичной среды обитания живых организмов.}

_{При таком анализе становятся ясными следующие выводы. Жизнь возникла в море. Химический состав морской воды опре­делен составом земной коры, физическими и химическими свой­ствами ее компонент, а следовательно, химическим составом планеты. Высокая вероятность возникновения жизни именно в море подчеркивалась почти всеми. Мне также кажется это почти бесспорным. Море замечательно своей стабильностью. Химиче­ский состав морской воды определился условиями ее возникно­вения я существования. Первичная вулканическая вода — «рас­сол»—содержала все растворимые компоненты коры в соотно­шениях, определяемых как концентрацией этих компонент в коре, так и их относительной растворимостью. Однако по мере фильтрации извергаемой вулканами воды через образующиеся и уже образовавшиеся осадочные породы — глины (алюмосили­каты с разным содержанием железа и алюминия) из первично­го рассола избирательно извлекался калий (по причинам, хоро­шо изложенным Г. Г. Маленковым), а в воде, стекающей в море, оказывалась повышенной концентрация натрия. Избирательное сродство сэндвичевых алюмосиликатов (глин) к калию настоль­ко велико, что уже в первых слоях глины, соприкасавшихся с первичным рассолом задерживалось основное количество калия, и состав профильтрованного раствора приближался к составу морской воды. Свойство глин избирательно накапливать калий делает их в этом отношении похожими на «живое 1вещество» (и оправдывает распространенную ранее гипотезу об изготовле­нии первого человека из глины...).}

_{Ниже приводятся округленные данные о составе морской во­ды (табл. 7).}

_{Солевой состав плазмы крови различных животных, харак­терный для земных организмов, приведен в табл. 8, 9 [68].}

_{Из приведенных данных видно сходство (а иногда даже сов}­_{падение) соотношения концентраций ионов в плазме крови жи­вотных и морской воде. Однако по абсолютным величинам со­держание солей в морской воде отличается от солености плазмы крови — в морской воде почти в 3 раза больше натрия, в не­сколько раз меньше калия и почти в 12 раз больше магния. Сто­ронники идеи о том, 4i(j в наших жилах течет, в сущности, мор-таблица 7}

_{КОНЦЕНТРАЦИЯ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ МОРСКОЙ ВОДЫ *}

_{Вещество}

_%

_м

_{Вещество}

_%

_м

_Натрий

_10,56

_0,44

_{Стронций}

_0,01

_1,3-10-4

_Калий

_0,38

_0,0095

_Хлор

_18,98

_0,535

_Магний

_1,27

_0,047

_{Сульфаты}

_2,65

_0,028

_{Кальций}

_0,40

_0,0096

_{Карбонаты}

_0,14

_0,0023

_{* Данные заимствованы из 2-го издания БСЭ.}

_{ТАБЛИЦА 8}

_{СООТНОШЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ ИОНОВ В ПЛАЗМЕ КРОВИ ПОЗВОНОЧНЫХ И В МОРСКОЙ ВОДЕ (%) [68]}

_{Позвоночные}

_Калий

_{Кальций}

_Магний

_{Млекопитающие}

_3,6

_1.9

_0,8

_Птицы

_3,2

_—

_{Пресмыкающиеся}

_4,1

_—

_{Амфибии}

_5,8

_1,9

_1,1

_Рыбы

_5,3

_{Морская вода}

_3,6

_3,9

_12,1

_{Примечание. Концентрация натрия принята равной 100%.}

_{ТАБЛИЦА 9}

_{КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ В ПЛАЗМЕ КРОВИ (ММОЛ/Л) [68]}

_{Позвоночные}

_Натрий

_Калий

_{Кальций}

_Магний

_{Человек}

₁₄₅

_5,12

_2,49

_1,23

_Курица

₁₄₁

_4,2

_{Черепаха}

₁₂₂

_5,1

_{Лягушка}

₁₀₂

_5,9

_2.0

_1,2

_Окунь

₈₈

_5,1

_{ская вода, не смущаются различием в абсолютных величинах содержания катионов. На протяжении сотен миллионов лет гео­логической эволюции солевой состав моря изменялся: осадочные породы поглощали все больше калия, при эрозии коры выщела­чивались все большие количества натрия и т. д. Таким образом, если учитывать все эти изменения, то кровь (вернее, плазма крови) современных животных аналогична по своему солевому составу воде древних морей. Выйдя в давние времена из древ­}

_{них морей, животные унесли в своих кровеносных сосудах при­вычную и необходимую для существования их клеток среду, ставшую теперь внутренней средой организма.}

_{Поддержание необходимого состава этой внутренней среды — одно из главных направлений физиологической работы много­клеточных организмов — их прото- или мезо- или метанефридии (почки) расходуют огромное количество энергии, сопоставимое с количеством энергии, затрачиваемым сердцем и скелетными мышцами (см. [436]).}

_{Эти траты необходимы для обеспечения строго определенных условий существования клеток. Солевой состав, концентрация катионов и анионов в клетке и их соотношение совсем иные, чем во внешней по отношению к клеткам среде — в морской воде и в жидкости межклеточных пространств (табл. 10).}

_{ТАБЛИЦА 10}

_{КОНЦЕНТРАЦИЯ Ионов В ТКАНЯХ И ЖИДКОСТЯХ ТЕЛА (в мМ) [68]}

_{Животное}

_{Ткань или жидкость тела}

_Натрий

_Калий

_{Кальций}

_Магний

_Хлор

_Крыса

_{Плазма крови}

₁₄₅

_6,2

_3,1

_1,6

₁₁₆

_Мышца

₂₇

₁₀₁

_1,5

_11,0

₁₆

_{Лягушка}

_{Плазма крови}

₁₀₄

_2,5

_2,0

_1,2

₇₄

_Мышца

₂₄

₈₅

_2,5

_11,3

₁₀

_{Беззубка}

_Кровь

_15,4

_0,38

_5,3

_0,35

_10,5

_Мышца

_5,2

_10,5

_5,4

_2,46

_10,6

_{Осминог}

_Кровь

₅₂₅

_12,2

_11,6

_57,2

₄₈₀

_Мышца

₈₁

₁₀₁

_3,7

_12,7

₉₃

_{Голотурия}

_{Жидкость тела}

₄₆₀

_11,8

_10,7

₅₀

₅₂₃

_Мышца

₁₉₁

₁₃₉

₈₉

₃₉

₂₇₇

_{Не имея сейчас возможности отвлекаться на рассмотрение своеобразия солевого состава клеток и внутренней среды раз­ных животных, подчеркнем лишь одно. У большинства живых существ на Земле все полноценные живые клетки содержат нат­рий в концентрациях, значительно меньших, чем в морской во­де или во внутренней среде организмов. Наоборот — концентра­ция калия в клетках во много раз выше, чем во внеклеточной среде.}

_{Итак, мы забежали вперед — вместо дедуктивного построе­ния предельно совершенного дискретного организма, клетки, мы сразу заглянули в ответ — посмотрели, что же получилось на Земле. Мы и дальше будем так иногда поступать, поскольку вполне «честное» решение эволюционных задач в ряде случаев еще невозможно. Зато мы можем с удовлетворением считать, что нам удалось выяснить, решению какой эволюционной зада­чи соответствует известный нам ответ. Итак, ответ гласит: калия в клетке больше, а натрия меньше, чем в среде, ее окружающей. Мы знаем (зернее думаем, что знаем) в чем здесь дело, каков эволюционный смысл такого соотношения концентраций.}

_{Поддержание градиента концентрации такого химически вполне безобидного иона, как ион натрия (или калия), позволя­ет клетке быть в постоянной готовности к реакции на случай по­вреждения (а в дальнейшем, при совершенствовании этого ме­ханизма,—уже л,ишь при угрозе повреждения). Изменение градиента концентрации служит сигналом для принятия защит­ных мер, прежде всего для включения механизмов синтеза по­граничного вещества — липидов и белков клеточной мембраны. Необходима тонкая регулировка процесса биосинтеза элементов мембраны (как и других биосинтетических процессов — синтезов ферментов и матриц). В самом деле, избыточный синтез делает жизнь невозможной — клетка переполняется веществом, на из­быточный синтез напрасно расходуется вещество и энергия. Та­ким образок, возникает необходимость непрерывного (пока су­ществует опасность повреждения) поддержания готовности к реагированию, к раздражению и возбуждению. Для этого при­ходится все время поддерживать искусственный градиент кон­центрации химически безвредных сигнальных веществ — ионов натрия и калия. Постоянная боевая готовность клетки обычно сопряжена с непрерывным расходом энергии. В неблагоприят­ных солевых условиях расходы на поддержание необходимого градиента могут превысить возможности клетки. Тогда стано­вится «дешевле похоронить, чем прокормить».... На этом осно­вано использование в качестве консервирующего средства пова­ренной соли —в сильно соленой среде истощаются и гибнут не­желательные нам микроорганизмы. Поэтому безжизненны резко соленые водоемы и столь мало пригодны для жизни солончаки (см., однако, стр. 141).}

_{Необходимость непрерывного поддержания асимметрии рас­пределения нонов натрия и калия в системе клетка — внешняя среда вовсе не означает, что этот механизм должен все время функционировать.}

_{Было бы нерационально, бессмысленно непрерывно откачи­вать воду из дырявой лодки. Во всяком случае, ни о каком со­вершенстве тут говорить нечего. Необходимый градиент можно сохранить, закрыв пробоины. Конечно, умеют это делать далеко не все органязмы, а лишь специально приспособленные к жизни в необычных условиях чрезмерной солености или пресности. Фи­зиология и биология приспособлений к жизни водных организ­мов при разной степени солености рассмотрена [311].}

_{Итак, первичный механизм реагирования клеток на повреж­дение (раздражение) был, по-видимому, основан на изменении внутриклеточной концентрации ионов калия и натрия.}

_{Мерой градиента концентрации ионов является электрохи­}

_{мический потенциал. Для реагирования на внешние воздействия вовсе не обязательно доводить дело до грубого повреждения клетки — функции сигнала может взять на себя изменение элек­трохимического потенциала. Ясно, что обязательным компонен­том такого механизма должен быть процесс резкого активиро­вания биосинтеза биодетергентов и белков. Следовательно, про­цессы считывания текста нуклеотидных матриц и синтезы необходимых ферментов, а также, быть может, активность уже готовых молекул ферментов должны быть чувствительны к уров­ню концентрации одновалентных катионов.}

_{Так возникает в процессе эволюции электрофизиологический механизм, детальное рассмотрение которого выходит за преде­лы задач этой главы.}

_{Нам остается, однако, обсудить здесь еще один важный во­прос: почему в процессе эволюции на Земле возникла именно такая ионная асимметрия.}

_{Мы 'Считали, что ионная асимметрия, т. е. «противоестествен­ный» градиент концентраций возник как эволюционное следст­вие необходимости клетки реагировать на повреждение. Однако мы уже видели, что в «простых» глинах происходит резко изби­рательное накопление калия, и, следовательно, возникает ион­ная асимметрия, а именно, натрий остается вне глины, калий проникает внутрь. Строго говоря, в глине никакого противогра- диентного накопления калия нет. Напротив, строго по предпи­саниям термодинамики калий заполняет пустоты в структуре сэндвичевых глин, в результате чего свободная энергия системы понижается [192]. В глиняной модели живого организма можно предусмотреть и реагирование на повреждение. В самом деле, всякое нарушение целостности сопряжено с механическим воз­действием. А глина, как и другие гелеобразующие материалы, тиксотропна, т. е. разжижается при механическом воздействии (вот почему в мокрой глине ноги вязнут тем сильнее, чем интен­сивнее попытки выбраться). Нарушение структуры тиксотроп- ных гелей — вполне удобный в принципе механизм раздраже­ния, который может включить необходимые для восстановления целостности клетки процессы биосинтеза.}

_{Таким образом, даже изменение ионной асимметрии — выход калия ,и вход натрия в «глиняную клетку» — вполне можно счи­тать следствием, а не условием раздражения и возбуждения клетки. Для этого необходимо только, чтобы при тиксотропном разрушении структуры глины изменялось бы ее сродство к ка­лию. И в самом деле, почему бы не считать такой тиксотропный механизм, механизм перехода гель — золь вполне соответствую­щим эволюционным задачам? Почему бы не считать ионную асимметрию лишь следствием структурных особенностей прото- плазматических структур?}

_{Выбор правильного решения здесь очень не прост. Ведь мы должны найти доводы, основанные на убедительных общих сооб­ражениях, а не только на сведениях о механизмах жизнедея­тельности земных организмов.}

_{Я уже отмечал, что еще очень недавно исследователи были разделены на два непримиримых лагеря — сторонников сорбци­онной теории, возглавляемых Д. Н. Насоновым, и сторонников мембранной теории во главе с Д. Л. Рубинштейном. Темпера­ментные, не всегда академические споры завершились во вто­ром поколении противников победой мембранной теории. Она восторжествовала благодаря замечательным достижениям в изу­чении биоэлектрических явлений на гигантских аксонах каль­маров и других удобных объектах. В самом деле, можно перфу- зировать, промыть гигантский аксон, удалить из него всю про­топлазму— а способность к раздражению, к генерации нервного импульса останется. Более того, можно получить искусственную- возбудимую мембрану, обладающую всеми основными свойст­вами естественной [434, 435]. Следовательно, функция аксона и. в самом деле обусловлена лишь его мембраной. Следовательно, ионная асимметрия и в самом деле создается без участия изби­рательной сорбции ионов в толще внутриклеточной прото}­_{плазмы.}

_{Мы уже очень много знаем о природе избирательных ионных насосов, локализованных в клеточной мембране. Их функцию' выполняют ферменты, аналогичные асимметрично расположен­ной в мембране К, Na-эктивируемый АТФазе (см. [33, 180, 459]), в сочетании с избирательно проницаемыми каналами.}

_{Мы все больше узнаем о свойствах и природе веществ, мо­дифицирующих проницаемость био-мембран. Все это так. Однако еще раз подчеркиваю — нам нужно понять, в силу каких причин в процессе эволюции возникли именно такие механизмы? Один из возможных ответов гласит: данное приспособление возникло как неизбежное следствие физических и (или) химических свойств веществ, вовлеченных в процесс эволюции. В духе та­кого ответа можно сказать, что ионные градиенты, противотер- модинамлческая асимметрия ионов в системе клетка — внешняя среда возникли как неизбежное следствие образования биоде- тергентных мембран. Если в силу эволюционной необходимости в дискретности живого вещества появились мембраны, отграни­чивающие клетки от внешней среды, то вследствие физических и химических свойств этих мембран, их избирательной прони­цаемости возникла и ионная асимметрия. Ионная асимметрия оказалась весьма удачным показателем целостности клетки и в ходе дальнейшей эволюции смогла обеспечить реагирование клетки на внешние воздействия.}

_{Очень возможно, что такой ход рассуждений верен. Однако тиксотропия, превращение геля в золь — важнейший физико-хи- мический процесс в протоплазме как современных, так и древних земных организмов. Мало того, этот процесс представляет не­специфический универсальный ответ клетки на различные воз­действия. Я думаю, однако, что процесс превращения гель — золь не был выбран в ходе эволюции как универсальный ответ на нарушение целостности клетки по вполне простой причине — отнюдь не любые повреждения клетки сопровождаются механи­ческими воздействиями, вполне вероятны и повреждения в ре­зультате химических воздействий. А «тихое» растворение мем­браны клетки не менее опасно, чем ее разрыв в результате сви­репого укуса.}

_{И все же, почему натрий снаружи и калий внутри? В настоя­щее время мне кажется вполне убедительным ответ на этот во­прос, предложенный В. А. Твердисловым [285]. Натрий не потому изгоняется из клетки, что он изначально был менее желателен, чем калий. И калий входит в клетку не из-за своих особых хи­мических или физико-химических достоинств. Дело обстояло, по-видимому, проще: при концентрациях этих катионов в древ­нем океане только их можно было использовать для сигнализа­ции о целостности клетки. Однако для создания электрохими­ческого потенциала, при котором концентрация «атрия внутри клетки была бы больше, чем в окружающей среде, необходимы очень высокие концентрации ионов натрия в клетке — порядка нескольких молей на 1 л, что весьма существенно изменило бы всю физико-химическую обстановку в клетке. Наоборот, калия в среде, в морской воде настолько мало, что даже при его впол­не безобидных концентрациях внутри клетки порядка 0,1 моль!л, соотношение концентраций К внутри и снаружи оказывается до­статочным для асимметричного распределения натрия и созда­ния заметного электрохимического потенциала.}

_{Из приведенного рассуждения следует, что при осуществле­нии эволюции в других условиях (если это возможно), при дру­гом ионном составе среды вполне могут возникнуть организмы с другим набором сигнальных ионов внутри и вне клетки.}

_{В земных организмах происходят биохимические процессы, в которых роли ионов натрия и калия противоположны. Так, су­ществуют ферменты, активность которых увеличивается в при­сутствии ионов калия и угнетается в присутствии ионов натрия (см. табл. 6). Однако в соответствии с приведенным логическим построением специфическое, сигнальное значение должны иметь биохимические процессы синтеза компонент мембраны, вклю­чаемые поступающим в клетку натрием (при раздражении мем­браны). Число известных нам ферментных систем, включая активируемых натрием, очень невелико (табл. 11).}

_{В этой связи необходимо сказать, что, как следует из ряда работ [48, 62, 292, 451], влияние натрия на биохимические систе­мы опосредовано ионами кальция. Ионы натрия, проникая внутрь клетки, вызывают изменение состояния ионов кальция — их переход из связанного в свободное состояние. Действитель­ным исполнителем сигнальных функций в клетке, звеном, свя­зывающим изменение состояния мембран с внутриклеточной}

_{ТАБЛИЦА II}

_{ВЛИЯНИЕ ИОНОВ № И К НА НЕКОТОРЫЕ БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ [62]}

_{Фермент или ферментативный процесс}

_Иои-

_{актива-}

_тор

_Иои-

_{ингиби-}

_тор

_{Фермент нли ферментативный процесс}

_Ион-

_{актива­}

_тор

_Иои-

_{ингиби-}

_тор

_{Синтез ацетилхолина}

_к+

_Na+

_{РНК-полимераза}

_к+

_{Синтез белка на рибосомах}

_к⁺

_Na⁺

_{ДНК-полимераза}

_к⁺

_Na+

_{Синтез липидов}

_Na+

_—

_{Фосфофруктокинззн}

_к⁺

_—

_{Дыхание митохондрий}

_К⁺

_Na+

_{биохимией, является кальций. Число ферментов (ферментных систем), активируемых ионами кальция очень велико.}

_{Из табл. 11 следует, что все внутриклеточные ферментатив­ные процессы, по-видимому, приспособились к нормальной ион­ной асимметрии, тогда как синтез липидов включается при уве­личении концентрации Na}⁺ _{— сигнала о возможном поврежде­нии клеточной мембраны. К сожалению, надежных эксперимен­тальных данных по этим вопросам очень мало [449],}

_{Возможно и другое решение проблемы ремонта поврежден­ной мембраны в ответ на увеличение концентрации ионов натрия в клетке. Опыт показывает, что вытекающая из поврежденной клетки протоплазма немедленно покрывается вновь возникаю­щей липопротеидной мембраной (см., например, [5, 462]). Это происходит так быстро, что говорить о включении биосинтеза, как источника материала для новой мембраны, нельзя. Некото­рый аварийный запас фосфолипидов и белков для быстрой сбор­ки мембраны в клетках имеется. (Тем не менее биосинтезы должны быть включены для восполнения этих запасов). Про­цесс образования поверхностной мембраны при повреждении клетки был предметом глубоких исследований и широких обоб­щений Л. Генльбруна [64, 396, 397]. Гейльбрун считал, что эта «поверхностная реакция преципитации» осуществляется при действии ионов кальция аналогично механизму свертывания крови. Новообразованию мембраны на вытекающей из клетки капле протоплазмы, в соответствии с этой гипотезой, происходит в результате превращения белка типа фибриногена в полимери- зующийся белок типа фибрина (и лишь затем по возникшему белковому каркасу выстраивается липопротеидная мембрана).}

_{В заключение мне хочется обратить внимание на возмож­ность непосредственного влияш-я ионов натрия на образование мембраны. Натриевые соли жирных кислот менее растворимы, чем калиевые: все знают, что калиевое мыло жидкое, а натрие­вое твердое. Вполне возможно поэтому, что проникновение в примембранный слой клетки ионов натрия стимулирует само­сборку мембраны из уже имеющегося запаса липидов, фосфоли­пидов, жирных кислот — аналогично превращению жидкого ка­лиевого мыла в твердое натриевое.}

_{Глава 7}

_{БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ}

_{Создание системы энергетического обеспечения конвариантного матричного воспроизведения.}

_{Свет — первичный источник энергии в биохимических системах. Накопление буферных рН-систем в фотохимическом преобразовании энергии. Макроэргические соединения.}

_{Общие механизмы сопряженного фосфорилирования. Концепция Митчелла.}

_{Гетеротрофы.}

_{Рост кристаллов, образование полимерных молекул и аналогич­ные процессы завершаются при исчерпании термодинамического потенциала системы, например, тогда, когда раствор перестает быть насыщенным. Представим себе, что некоторые виды крис­таллов (полимеров) могут возникать при меньших концентраци­ях предшественников, чем другие менее совершенные виды. Ясно, что такие более совершенные кристаллы, полимеры и победят в естественном отборе.}

_{Кристаллизация и полимеризация, происходящие вопреки термодинамическому, концентрационному градиенту из истощен­ного раствора, в принципе осуществимы при сопряженном проте­кании экзэргонической реакции, в которой равновесие кристал­лизации или полимеризации может сместиться в противогради- ентном направлении. То же справедливо и для синтезов.}

_{Однако необходимость сверхравновесного синтеза — не един­ственная причина вовлечения под давлением естественного отбо­ра источников энергии для конвариантного воспроизведения.}

_{Совершенный процесс соединения мономеров в полимерную матричную цепь должен быть термодинамически невыгодным, требовать для своего осуществления подвода свободной энер­гии, быть эндэргоническим. Здесь под «должен быть» подразу­мевается «в результате эволюции» или «чтобы была возможной прогрессивная эволюция». В самом деле, если бы полимериза­ция была экзэргонической, термодинамически выгодной и поли­мерные цепи возникали бы -самопроизвольно, то сколько по­явилось бы ошибок в последовательности мономеров в поли­мерных нитях. Ведь нужно помнить, что любые последователь­ности мономеров в полимерных полинуклеотидной или полипеп­тидной цепях термодинамически равновероятны}[9]_{: необходимбарьер, препятствующий соединению мономеров. Полимериза­ция должна быть термодинамически невыгодной, должна осу­ществляться лишь при контролируемом подводе энергии}

_{В ходе эволюции возникает еще одна энергетическая статья расходов, составляющая в дальнейшем значительную долю от общих потребностей. Чем совершеннее катализатор, тем он сложнее, тем вероятнее его разрушение в ходе функционирова­ния, а также в результате термической денатурации. Становится необходимым восстановительный синтез, необходимы траты энергии для компенсации износа макромолекулярных меха­низмов.}

_{Наконец, в процессе эволюции все время возрастают траты энергии на активное добывание пищи, активное создание необ­ходимых внутренних и внешних условий существования.}

_{Итак, энергия необходима для самого процесса полимериза­ции мономеров, для проведения этого процесса против концент­рационного градиента, для компенсации износа и для обеспече­ния активной жизнедеятельности.}

_{Посмотрим теперь, какие источники энергии могут быть ис­пользованы в ходе эволюции. Оценим сначала количество энер­гии, требуемой для обеспечения указанных выше нужд. Напри­мер, процесс синтеза пептидной связи относится к эндэргоничес- ким реакциям — для синтеза 1 моля пептидных связей необходи­мо затратить 3—4 ккал свободной энергии. По-видимому, когда- нибудь удастся из общих соображений оценить и желательную величину сверхравновесного синтеза. Допустим, что сверхравно- весная концентрация продукта в 10}⁵_—10⁶ _{раз превышает вели­чину, определяемую термодинамическими соотношениями. В со­ответствии с известными термодинамическими формулами на это потребуется еще 7—8 ккал/моль:}

_{С С}

_{AF = - RT 1п ~ ж - 1400 lg кал,}

_{где С, и С2 — концентрации исходных реагентов и конечных про­дуктов соответственно. Так, для обеспечения выбранной сверх- равновесной степени полимеризации аминокислот приходится тратить около 10 ккал на синтез 1 моля пептидных связей. Близ­кие по порядку величины мы получим при оценке энергетических расходов и в других процессах. Эти относительно очень неболь­шие порции энергии всего в 10—20 раз превышают kT. Кванты такой величины соответствуют инфракрасному излучению (дли­ны волн около 3—1,5 мк), которое поглощается вследствие воз­буждения колебательных степеней свободы многими органичес­кими веществами. Казалось бы все в порядке — инфракрасное излучение может быть искомым источником энергии для наших целей. Однако оно сильно поглощается водой (недаром ИК- спектры органических молекул снимают обычно в безводных препаратах). Поэтому волны такой длины практически исключа­ются из числа возможных источников энергии. Следовательно, источником энергии может служить излучение, непоглощаемое водой. Значит, речь может идти о видимом свете (поэтому и ви­димом!) и об ультрафиолете. Короткий ультрафиолет также не годится, так как энергия соответствующих квантов сравнима по величине с энергиями связей в молекулах — будет происходить разрушение молекул.}

_{Первичный источник энергии в биохимической эволюции. Вслед за В. П. Скулачевым [266] можно считать наиболее ве­роятным источником энергии во времена возникновения жизни свет. Этот вывод означает допущение первичности фотосинтеза, возникновения его в самом начале совершенствования систем энергетических превращений в биологических системах. Конеч­но же, речь не идет о процессе, подобном современному фотосин­тезу. Ясно, что только избирательное поглощение излучения спо­собно обеспечить энергией лишь определенные процессы, а не все реакции, как, например, при нагревании. В процессах, идущих в первичных матричных структурах, существование такой изби­рательности вполне вероятно. Для нуклеиновых оснований ха­рактерно сильное поглощение в области 260 нм, что соответству­ет (в расчете на 1 моль) порции энергии около 100 ккал. Это, конечно, слишком много, но для начала эволюционного совер­шенствования вполне терпимо. Основной результат поглощения света с такой длиной волны полинуклеотидными цепями — раз­рыв валентных связей [154], например, отрыв нуклеинового ос­нования от рибозы, замена одного основания на другое. Вслед­ствие интенсивных мутаций и обусловленных ими вариаций последовательности аминокислот в полипептидной цепи проис­ходил отбор катализаторов, способствующих синтезу пигментов, которые поглощают видимое и ближнее инфракрасное излуче­ние, соответствующее нужным квантам энергии.}

_{Таким образом, действительный прогресс в эволюции биохи­мических механизмов преобразования энергии сопряжен с совер­шенствованием биосинтезов пигментных систем, преобразующих лучистую энергию света в химические формы энергии.}

_{Нужно заметить, что и в этом направлении эволюция начи­налась не «на пустом месте». Разнообразные пигменты легко синтезируются и без биохимических катализаторов из первично­го бульона, содержащего аммиак, цианид, формальдегид, под действием например ультрафиолетового излучения. (Эти вопро­сы рассмотрены в ряде статей и в докладах на симпозиумах, по­}

_{священных происхождению предбиологических систем, а также в книгах А. И. Опарина [227, 228], Дж. Бернала [24], М. Каль­вина [126] (см. также [1, 37, 53, 75, 127, 132, 240, 243, 250, 416, 448]).}

_{Биологически наиболее важные пигменты — порфирины об­разуются -в среде, содержащей метан, аммиак, воду и водород, под действием электрического разряда и ультрафиолета. Основной частью порфиринов являются пиррольные кольца. Еще в 1915 г. А. Е. Чичибабин показал, что пирролы образуются при пропус­кании ацетилена и аммиака через нагретую трубку. Примерно в то же время Мейер установил образование пирролов и при взаимодействии ацетилена с цианистым водородом. Конденсация пирролов в порфирины (тетрапиррольные кольца) также пред­ставляет собой обычный химический процесс.}

_{Порфирины замечательны сильным поглощением света в об­ластях 400 нм (полоса Соре, энергия жванта в расчете на 1 моль примерно равна 60 ккал), а также поглощения вблизи 550 нм (энергия в расчете на 1 моль около 45—50 ккал). Такие энер­гии, по-видимому, наиболее удобны для наших целей — они уже недостаточны для непосредственного разрушения молекул и более чем достаточны для сдвига химического равновесия. При­няв кпд процесса фотохимического преобразования энергии рав­ным приблизительно 50%, мы получим за счет таких порций энергии увеличение концентрации продуктов реакции, идущей вопреки термодинамическому градиенту, в 10}²⁰ _{раз, что заведомо достаточно для синтеза любых необходимых веществ.}

_{Осталось совсем немного — найти способ преобразования энергии поглощенного света в энергию, обеспечивающую специ­фический сдвиг равновесия реакций синтеза полинуклеотидной или полипептидной цепи. Для этого нам нужно прежде всего рассмотреть способы смещения термодинамического равновесия в химических превращениях.}

_{Возможные способы смещения равновесия в эндэргонических химических реакциях. Самый очевидный способ смещения рав­новесия данной реакции — осуществление сопряженной реакции, уменьшающей концентрацию одного из продуктов реакции или увеличивающей концентрацию по крайней мере одного из реа­гентов. Этот простейший механизм сопряжения — основа хими­ческих синтезов.}

_{Так, например, очевидно, что выход при синтезе пептидных связей можно существенно увеличить путем поглощения воды, образующейся при конденсации аминокислот:}

_{Н ОН}

_{II I}

_{СООН -f H-N-R2 ^R!-C-N-R2 -f H20. (1)}

_{Однако в интересующем нас случае этот способ непригоден: реакция должна осуществляться в водном растворе.}

_{Процесс синтеза пептидной связи изображен здесь не впол­не верно. В реакцию вступают обычно ионизированные реагенты и ее нужно записывать следующим образом:}

_{О ОН}

_{II II I}

_{Ri-C—O' + H3N+-R2 ^ Ri—С—N—R2 + Н20. (2)}

_{Ионы в водных растворах сольватированы, т. е. окружены ориентированными вокруг них молекулами воды. Для разруше­ния сольватной оболочки нужно затратить энергию, и поэтому синтез пептидной связи из ионизированных реагентов термоди­намически менее выгоден. Следовательно, сместить равновесие в сторону синтеза пептидной связи можно посредством уменьше­ния степени ионизации (диссоциации) реагентов. Это можно сделать, проводя реакцию в кислой или щелочной среде, чтобы подавить диссоциацию на ионы карбоксильной или аминогруппы. Доведение pH до нужной величины и будет способом внесения в систему энергии, необходимой для смещения равновесия про­водимой реакции в нужном направлении. Однако по мере осу­ществления синтеза величина pH будет изменяться. При прове­дении синтеза пептидной связи в кислой среде последняя будет все более закисляться:}

_{О ОН}

_{II I}

_{Rj-C-OH 1- H3N+-R2 <1 Rj-C-N-Rz + Н20 + Н+, (3)}

_{при проведении реакции в щелочной среде — все более защела- чиваться:}

_{О ОН}

_{II I}

_{Ri-C-O- + H2N-R2 ^ Ri-C-N -R2 + ОН'. (4)}

_{И в том и другом случаях накопление конечных продуктов от­разится на положении равновесия — выход синтеза пептидных связей будет меньше. Таким образом, мало довести pH исходных реагентов до требуемой величины, необходимо еще поддержи­вать оптимальное значение pH во время реакции. Способ под­держания pH общеизвестен — нужен рН-буфер. Что такое рН- буфер? Это система, в которой осуществляется непрерывная со­пряженная реакция нейтрализации избытка образующихся ионов Н}⁺ _{и ОН}^-_.

_{Пример с синтезом пептидной связи довольно сложен — оба реагента ионизированы. Обратимся поэтому к столь же важному нам процессу синтеза полинуклеотидной цепи. Как известно, нуклеотиды связаны в полинуклеотидной цепи посредством фос­фатных остатков. Рассмотрим образование этой связи с термо­динамических позиций. Запишем интересующую нас реакцию при pH выше 7.}

_н

_о

_о

_{RI-CH,-0-P-CT + H0-C = Rf}ⁱ_{RI-CHr0-P-0 + ОН , (5)}

_{® L©}

_О'

_{где R, и Rn — соответствующие нуклеотиды. Напомним, что ор- тофосфорная кислота имеет три гидроксила с резко различной способностью к ионизации: первый гидроксил диссоциирует при pH около 2,5, второй — при pH около 7,0 и третий — при pH около 13 (номера гидроксилов фосфорной кислоты отмечены цифрами в кружках). Ясно, что равновесие синтеза будет сме­щено вправо (в сторону синтеза) в кислой среде и источником свободной энергии для этого синтеза может служить рН-буфер, поддерживающий pH близким к 6,0.}

_{Что могло бы служить в этой реакции буфером? Таких ве­ществ с рК близким 7,0 не так-то много — фосфаты, имидазоль- ные производные, система карбонат — бикарбонат и, пожалуй, все. Таким образом, если в среде, в растворе, имеется какая- либо фосфорнокислая соль, например, однозамещенный фосфат калия, то ионы гидроксила, образующиеся при реакции синтеза межнуклеотидной связи, будут нейтрализоваться за счет сопря­женно идущего процесса диссоциации второго гидроксила в бу­ферном фосфате.}

_{Итак, рН-буфер является источником свободной энергии, не­обходимой для смещения положения равновесия в эндэргоничес- ких реакциях полимеризации — синтезе полипептидов и поли­нуклеотидов.}

_{Естественно, что эту энергию сначала нужно затратить при образовании буферной системы. Таким образом, обычный рН- буфер является хранилищем свободной энергии, используемой сопряженно с эндэргоническими реакциями. Такая роль буфер­ных систем в биохимии чрезвычайно распространена, настолько широко, что ее обычно не осознают биохимики. Мы еще не раз будем обращать внимание на энергетическую, термодинамиче­скую роль буферных систем в биохимических процессах.}

_{Итак, мы могли бы сдвигать равновесие синтетических про­цессов в сторону синтеза за счет сопряженного осуществления экзэргонических реакций, а именно, за счет нейтрализации воз­никающих ионов ионами противоположного знака, накопленны­ми предварительно в соответствующих буферных системах, и фотохимического преобразования энергии поглощенного света. Непосредственное использование энергии света, прямое фотохи­мическое сопряжение мало совершенны: синтезы могут осу­ществляться лишь при освещении. А ночью, в ненастье, в тени, в пещерах? Буферные системы более совершенны — они служат хранилищами теруолинамического потенциала, расходуемого по}

_{мере надобности в любое время. Но тогда главной для нас ока­зывается проблема создания и наполнения буферных емкостей.}

_{Запасание впрок световой энергии становится основной про­блемой совершенствования энергетического обеспечения биохи­мических процессов. Такое запасание, естественно, может осу­ществляться лишь посредством накопления фотохимических про­дуктов.}

_{Накопление рW-буферных систем при фотохимических преоб­разованиях энергии является одним из способов запасания энер­гии на первых этапах биохимической эволюции.}

_{Преобразование энергии фотохимических превращений в сво­бодную энергию ионных, кислотно-щелочных резервов можно осуществить лишь посредством окислительно-восстановительных процессов (см. [95]).}

_{Рассмотрим наиболее вероятный в естественных условиях и простой вид буферной системы — соли угольной кислоты, карбо­наты и бикарбонаты. Карбонатно-бикарбонатная смесь служит депо, хранилищем термодинамического потенциала для реак­ций, сопровождающихся изменением pH. Эта буферная смесь поддерживает pH близким к 8,0. Если реакция сопровождается образованием ионов водорода (например, при добавлении HCI), в буферной системе происходит преобразование карбоната в би­карбонат; если же в реакции образуются гидроксильные ионы (например, при добавлении NaOH), бикарбонат превращается в карбонат:}

_{Na2COa + Н+ + Cl' -» NaHC03 + NaCl, (6)}

_{NaHC03 + Na+ + ОН- Na2C03 -f H20. (7)}

_{Попробуем придумать простейший преобразователь энергии света в свободную энергию буферной pH-системы. Я говорю «простейший», имея в виду заведомо добиологический, вероят­ный для первичного бульона в планетных условиях. Наиболее удобным процессом для указанной цели представляется окисли­тельно-восстановительное превращение железа — восстановле­ние и окисление ионов железа с изменением валентности железа от 3+ до 2+ и обратно. В чем особая привлекательность именно железа? В его распространенности и окрашенности его ионов и их комплексов, т. е. в способности поглощать излучение видимого диапазона, излучение, соответствующее приемлемым для наших целей энергиям. Иными словами, можно не придумывать для на­чала никаких пигментов: вещество, претерпевающее окислитель­но-восстановительное превращение, притом минеральное и ши­роко распространенное вещество, само является пигментом, поглощает свет в нужной области спектра. Правда, у минераль­ных соединений железа есть недостаток—обычно они мало}­_{растворимы и легко гидролизуются. Зато железо очень легко ■образует растворимые комплексные соединения типа красной K3Fe(CN)e и желтой K4Fe(CN)6 кровяных солей.}

_{Но сначала не будем педантично рассматривать химические процессы во всей их сложности. Начнем с раствора треххлорис­того железа и его восстановительного превращения в двухло­ристое:}

_{FeCl3 + 1е~ -» FeCl, + С1~. (8)}

_{Итак, мы располагаем раствором FeCl3 в воде. В том же вод­ном растворе имеется и рН-буферная система, а то, что она необ­ходима, мы сейчас увидим.}

_{В нормальных условиях для превращения Fe}³⁺ _{и Fe}²⁺ _{нужно затратить энергию. Мы будем вводить ее в систему в виде света, поглощаемого раствором хлорного железа *. Возбужденный ион трехвалентного железа Fe}³⁺ _{может превратиться в ион Fe}²⁺_{, от­няв у какой-либо молекулы среды один электрон. Отнять элек­трон в разбавленном водном растворе можно лишь у иона гидро­ксила, образующегося при диссоциации воды, который превра­щается в свободный радикал ОН, а в растворе остается неском- пенсированный положительно заряженный ион водорода Н}⁺_:

_hv

_Fe³_{+ + Н+ + ОН" К Fe}^!+ _{+ Н+ + ОН. (9)}

_{Свободный радикал ОН очень реакционно способен и может «ус­покаиваться» на-илучшим образом лишь соединившись с другим таким же радикалом, с образованием перекиси водорода:}

_{НО + ОН -» Н—О—О—Н. (10)}

_{Перекись водорода относительно стабильна. Однако именно в присутствии солей железа она разлагается на кислород и воду (в организмах эта реакция катализируется ферментом катала- зой):}

_{2НА -»2Н20 + 02. (11)}

_{Суммарный процесс с учетом стехиометрических соотношений реагентов запишется в виде}

_4hv

_4Fe³_{+ + 4Н20 + 12C1--L 4Fe}²_{+ + 12СГ + 4Н+ + 2На0 + 02. (12)}

_{Четыре иона трехвалентного железа поглощают четыре кван­та света и разлагают две молекулы воды на четыре протона и молекулу кислорода. (То обстоятельство, что по чисто стехио- метрическим соображениям в реакции должны участвовать че­тыре иона железа, кажется мне очень примечательным. Эта че- тырехтактность является условием осуществления перекисного промежуточного пути. Вероятно, именно поэтому -каталаза со­стоит из четырех субъединиц, четырех гемов и четырех полипеп­тидных цепей. И гемоглобин состоит из четырех субъединиц...).}

¹ _{Фотохимия окислительно-восстановительных реакций с участием ионов Fe}²⁺ _{и Fe}³_{+, фотохимическое и радиационное разложение воды являются предме­том ряда специальных работ (см. [8, 145, 156, 287, 345, 457]).}

_{Процесс превращения трехвалентного железа в двухвалентное скоро прекратится вследствие накопления протонов, закислеиия среды. Поэтому условие относительно длительного протекания этой реакции состоит в наличии рН-буферной системы. При до­бавлении в раствор карбоната натрия получим:}

_{4Н+ + 2Na2C03 -> 4Na+ + 2С02 + 2Н20. (13)}

_{При взаимодействии четырех протонов с двумя молекулами кар­боната натрия образуются две молекулы углекислого газа, вы­деляющегося из раствора, две молекулы воды и четыре иона натрия. Но поскольку в растворе присутствуют еще ионы хлора, в итоге получается 4NaCl. Однако при достаточном количестве молекул карбоната натрия углекислый газ не выделяется, а пог­лощается карбонатом натрия с образованием бикарбоната:}

_{2Na,C03 + 2С02 + Н20 -» 4NaHC03. (14}

_{Таким образом, итогом поглощения энергии света и превра­щения Fe}³⁺ _{в Fe}²⁺ _{оказывается накопление бикарбоната натрия, наполнение емкости выбранной нами буферной системы.}

_{Возможности такой системы на этом не исчерпываются. Двухвалентный, двухзарядный ион железа Fe}²⁺ _{можно превра­тить обратно в Fe}³⁺_{. Последний процесс, хотя он осуществляется и самопроизвольно, может идти и при поглощении энергии света, сопряженном с разложением воды. В самом деле, превращение Fe}²⁺ _{в Fe}³⁺ _{сводится к отдаче электрона какому-либо подходя­щему акцептору. В разбавленном водном растворе возбужден­ный ион двухвалентного железа может отдать электрон даже протону, и тогда образуется свободный радикал Н — атом водо­рода. Радикал этот, естественно, неустойчив и реагирует с дру­гим таким же радикалом (с образованием молекулы водорода Н2) «ли с каким-л,ибо иным подходящим реагентом. Напомним, что в нашей системе присутствует кислород (см. процесс [12]); тогда свободный радикал Н вступает в реакцию с кислородом (Н+02-^Нб2); затем образовавшийся Н02 вступит в реакцию с еще одним Н, и мы снова получим Н202. Знаменательно, что пе­рекись водорода образуется в качестве промежуточного продук­та в рассмотренных выше противоположных процессах. Пере­кись водорода разлагается с образованием Н20 и 02 и снова по чисто стехиометрическим соображениям в реакцию окисления должны вступать четыре иона Fe}²⁺_{, поглощаться четыре кванта света, разлагаться четыре молекулы воды:}

_{4 hv}

_4Fe²_{+Cl~ + 4Н20 + 202 X 4Fe}³_{+ + 8СГ~ + 2НаОа + 40Н“ -> 4Fe}³_{+ +}

_{+ 8СГ- + 2Н20 + 02 -f- 40Н-. (15)}

_{Как мы видим, при этой реакции в растворе остается избы­точное количество ионов гидроксила ОН”. Ясно, что и осущест­вление реакции (15) зависит от рН-буферной системы, способнойпоглощать образующиеся гидроксильные ионы. Возьмем для простоты ту же карбонатную буферную систему:}

_{4NaHC03 + 4NaCl + 40Н“ -> 4Na2COs + 4С1“ + 2Н20. (16)}

_{Поскольку гидраты Fe}³⁺ _{и Fe}²⁺ _{поглощают излучение разных длин волн, нетрудно представить себе искусственную систему, в которой происходит попеременно то первая, то вторая реакция и цикл превращения железа замыкается. Цикличность этих пре­вращений можно осуществить без попеременного изменения длин волн излучения света, а вследствие кинетических особен­ностей такой и аналогичных систем [102].}

_{Радикалы, образующиеся в реакции превращения Fe}²⁺ _{в Fe}³⁺ _{могут реагировать не с кислородом, а каким-либо другим акцеп­тором А, образуя АН2.}

_{Соединим теперь реакции (12) — (16) в цикл:}

_4hv.

₂

_4hv2

_О,

_{Мне представляется интересной эта выдуманная, искусствен­ная неорганическая система преобразования энергии. В ней осуществляются процессы, аналогичные биохимическому фото­синтезу,— разложение воды с образованием кислорода и восста­новлением акцепторов водорода. Примечательна ключевая роль перекиси водорода в обеих половинах цикла. Вместе с тем ясно, что стационарная концентрация перекиси водорода и других промежуточных продуктов может быть очень малой. Интересна необходимость четырех квантов света для прохождения полови­ны цикла и восьми квантов для полного цикла. (Любители фото­синтеза должны взволноваться, так как пока никто не знает, почему для современного фотосинтеза необходимо восемь кван­тов света на элементарный цикл.)}

_{При всем том, я не говорю, что именно так выглядела пер­вичная, исходная в эволюции система преобразования энергии. Приведенное выше лишь служит иллюстрацией хода мысли, ил­люстрацией возможности и необходимости сопряжения окисли­тельно-восстановительных и ионных реакций при биохимических преобразованиях энергии. Наименее правдоподобно участие в этом цикле железа в виде его хлористых солей, но вполне веро­ятны аналогичные циклы для комплексных соединений железа,например, красной кровяной соли и желтой кровяной соли '. При полном обороте цикла — четыре молекулы Н20 разлагают­ся на 4Н}⁺ _{и 40Н“. Это соответствует изменению энтальпии в си­стеме на ДН = 4Х 13 = 42 ккал/моль.}

_{Если же акцептором водорода служит не 02, а какое-либо другое вещество-акцептор А, то цикл оказывается, например,, таким:}

_{В таком виде этот цикл почти полностью аналогичен современ­ному фотосинтезу: разлагается вода, и образуется восстанови­тельный акцептор водорода. Осталось еще придумать способ сопряженного синтеза АТФ...}

_{Будем считать, что мы убедились в принципиальной возмож­ности запасания энергии света посредством создания буферной pH-системы. Суммарная буферная емкость — это мера количест­ва свободной энергии, которое может накопиться в системе. За­пасенная свободная энергия может расходоваться по мере осу}­_{ществления эндэргонических синтезов. Вполне вероятно, что эта возможность была реализована в ходе эволюции. В процессе ес­тественного отбора возникали специализированные ферменты, катализирующие реакции в циклах, подобных рассмотренному выше. Особую заботу эволюции вызывало, вероятно, совершен­ствование комплексов железа — отбор таких комплексов, облас­ти поглощения которых при изменении валентности железа отли­чались бы наиболее резко, а также отбор систем биосинтеза пиг­ментов и др.}

_{«Макроэргические» соединения. Фосфорилирование, сопря­женное с фотохимическим окислительно-восстановительным про­цессом. Теперь настало время усомниться в совершенстве запасания свободной энергии в рН-буферных системах. Термоди­намически здесь, по-видимому, все в порядке. Но кинетически — отнюдь не все. Изменение pH в некотором смысле аналогично изменению температуры — эти изменения не адресованы какой- либо одной реакции, а сразу многим. Таким образом, путь к совер­шенствованию есть «векторизация», т. е. переход от безадресно-}

_{РИС. 11. Схемы, иллюстрирующие изменения свободной энергии в несопряжен­ных и сопряженных химических превращениях}

_{■а — несопряженное превращение А в В; б — образование промежуточного макроэргиче- ского соединения В^х сопряжено с превращением А в В; в — образование универсально­го макроэргического соединения х~у сопряжено с превращением А в В}

_{го, статистического подвода энергии к снабжению ею только строго определенных процессов. Механизм такого избирательно­го энергоснабжения в принципе ясен — он должен основываться на специфических химических взаимодействиях. Запас энергии должен содержаться в химических группах, способных избира­тельно реагировать с превращаемой молекулой. Потом мы уви­дим, что этот запас в особых так называемых макроэргических группах также в значительной мере обеспечен запасом свобод­ной энергии в рН-буфере. Пока же посмотрим, что это за группы. Что требуется от таких макроэргических групп? Необходимо, чтобы их отщепление от подлежащей превращению молекулы сопровождалось выделением энергии, обеспечивающей сдвиг равновесия соответствующей реакции в нужную сторону.}

_{Главное назначение макроэргических групп — предохранение свободной энергии, выделяющейся в данном экзэргоническом процессе, от теплового рассеяния и обесценивания. Свое назна­чение эти группы выполняют посредством сопряженного с экзэр- гонической реакцией присоединения к промежуточным продук­там с образованием макроэргических соединений.}

_{Когда молекула А превращается в молекулу В, свободная энергия системы уменьшается, т. е. выделяется энергия AF° (см. рис. 11, а). Если к молекуле А в реакции, почти не требующей затрат энергии, присоединена специфическая группа х образу­ется А^-х. Превращение А—х в В~х, в принципе, может не соп­ровождаться выделением энергии, уменьшением свободной энер­гии системы. Это эквивалентно тому, как если бы энергия пре­вращения А в В сохранились в связи В~х — стоит разрушить эту связь — образуются свободные В и х и выделится в нашем идеализированном случае та же энергия AF°, что и при непосред­ственном превращении А в В (рис. 11, б). В силу сказанного связь В~х выступает как вместилище свободной энергии процесса превращения А в В, обозначается значком ~ (тильда) и назы­вается макроэргической.}

_{РИС. 12. Схема, иллюстрирующая возможность образования х~у при последо­вательном сопряжении с реакцией превращения А в В при стационарном ре­жиме процесса}

_{Макроэргическое соединение В ~х недостаточно удобно — оно определяется конкретной природой А и В. Термодинамичес­кий потенциал превращения А в В может быть сохранен от теп­лового рассеяния и перенесен для использования в других про­цессах посредством универсальных макроэргических соединений «х~у». Такие соединения должны образовываться сопряженно с распадом В ~х\}

_{В ~ х-{-у+±В-\-х ~ у.}

_{В идеальном случае и образование х~у может идти изоэнерге­тически или с очень небольшим уменьшением свободной энер­гии системы (рис. 11, б).}

_{Таким образом, свободная энергия, которая при несопряжен­ном превращении А в В превращалась в тепло, теперь сохранена в связи хну}