Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

Глава 13. И СНОВА О ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ МАТЕРИИ

Все открытия и выводы о сохранении энергии и возрастании энтропии, о свободной энергии и катализе были получены на основе изучения неодушевленного мира. Всю первую половину книги я описывал и объяснял эти механизмы лишь для того, чтобы теперь с их помощью попытаться объяснить работу живых клеток.

Но для этого надо сначала удостовериться, что все законы, справедливые для явлений неживой природы, справедливы и для процессов живой ткани. А так ли это? Свойства камня и ящерицы — определяются ли они одними и теми же законами или все-таки разными?

На протяжении всей истории человечества сама постановка такого вопроса казалась делом странным, и очевидно было, что ответ должен заключаться в гордом «ни в коем случае!». Я только что потратил множество страниц на тщательные поиски оснований, на которых можно было бы провести четкую границу между живой и неживой природой, и оказалось, что это не так-то просто, но еще сто лет назад о таких сложностях никто и не подозревал. Вместо этого считалось, что живая материя принципиально, безоговорочно и явно отличается от неживой. Право же, каким дураком надо быть, чтобы не видеть принципиальной разницы между камнем и ящерицей.

И действительно, вполне естественным кажется четкое, без сомнений и оговорок, разделение всех объектов во Вселенной на три категории: мир неживой, состоящий из воды, земли, гор, песка и воздуха; мир растительный, к которому принадлежат объекты, рождающиеся, живущие и умирающие, но при этом укорененные в почве и не умеющие передвигаться самостоятельно; и мир животный, к которому принадлежат объекты, рождающиеся, живущие и умирающие, но при этом обладающие способностью передвижения. Это необходимо учитывать, прежде чем мы начнем игру в угадайку и будем пытаться определить, «животное это, растение или минерал».

Стоит немного задуматься, и становится ясно, что различие между животными и растениями гораздо меньше, чем между ними обоими и минералами. Например, человек может употреблять в пищу как животных, так и растения. Когда же в XVII веке был изобретен микроскоп, то с обнаружением микроорганизмов граница между этими двумя категориями оказалась еще более размытой, поскольку многие микроорганизмы непонятно было куда отнести.

Поэтому более логичным казалось разделение надвое: на живую природу (куда входят и животные, и растения) и неживую.

Таким образом, мир кажется совершенно четко разделенным на категории объектов с абсолютно различными свойствами, и неизбежно было предположить, что для каждой категории существуют свои законы природы. Даже в XIX веке существование различия между живой и неживой материей и между законами, управляющими бытием той и другой, казалось само собой разумеющимся.

Такие представления распространялись не только на сами объекты, такие как камень или ящерица, но и на составляющие их химические вещества.

Раскрошите камень, и получите недвижимую инертную пыль и крошку. Оставьте их на несколько лет, и с ними не произойдет никаких перемен. Размешайте каменную пыль в воде, потом выпарите воду — каменная пыль снова станет прежней. Нагрейте каменную крошку докрасна, потом остудите ее — и снова никаких следов.

С другой стороны, если нашинковать ящерицу, то получится куча мягкого кровавого мяса, которое за короткий промежуток времени испортится, начнет вонять и в нем заведутся личинки мух. Нагрейте мясо, и оно зашипит, обуглится и изменится до неузнаваемости. И сколько его потом ни охлаждай, прежним оно уже не станет.

Эти разительные отличия в свойствах наблюдаются и если рассматривать чистое химическое вещество, выделив его из общей массы. Из камня можно извлечь чистый силикат алюминия или чистую медь. Из живого организма можно извлечь чистый сахар или чистое растительное масло. И силикат алюминия, и медь можно нагревать, потом остужать, и никаких следов этих процессов на веществе не останется. Если же нагреть сахар — он обуглится, если нагреть масло — оно загорится; и в том и в другом случае обратно в сахар и масло эти вещества уже не превратятся.

Это различие между веществами, принадлежащими к двум разным группам, довлело над химиками с самого зарождения науки. К примеру, в XVII веке немецкий химик Иоганн Рудольф Глаубер занимался исследованием веществ, получаемых как из живых, так и из неживых предметов. Из царства минералов он получил кристаллы сульфата натрия, в которых, как нам сейчас известно, каждая молекула имеет слабые связи с десятью молекулами воды. Такие слабые связи в формулах принято обозначать точками, и формула этого вещества, именуемого иногда «глауберовой солью», выглядит как Na₂SO₄∙10H₂O. Из мира живой материи Глаубер выделил такие вещества, как ацетон и бензол.

Все эти вещества под действием плавного нагревания подвергаются изменениям. Однако есть принципиальное различие. Глауберова соль при нагревании теряет слабо прикрепленные к ней молекулы воды, так что остается только «обезвоженный» сульфат натрия; но если к этому «обезвоженному» веществу добавить воду, то снова образуются кристаллы глауберовой соли идентичные изначальным.

С другой стороны, если нагреть ацетон или бензол, он вспыхнет и после этого вся королевская конница и вся королевская рать уже не смогут собрать горячие пары в изначальный ацетон или бензол, используя какие-то простые средства вроде охлаждения или добавления воды.

Казалось, что химические вещества, получаемые из неживой материи, разделяют инертность и стабильность камней, из которых они выделены, а вещества, получаемые из живых организмов, так же хрупки и тонки, как сама жизнь. Или наоборот — можно было заявить, что камни мертвы и бесчувственны потому, что состоят из мертвых и бесчувственных материалов, а живые существа состоят из нестабильных и хрупких составляющих, и поэтому сами переменчивы, тонки и чувствительны.

К 1807 году Берцелиус окончательно закрепил эти различия в терминологии, назвав все вещества, получаемые из живых существ или из их мертвых тел, «органическими». Понятно, что вещества, имеющие неживое происхождение, стали «неорганическими». В соответствии с представлениями о том, что существует два свода законов природы, один — для живой материи, а другой — для неживой, и химия была разделена на две части — на химию органическую и неорганическую.

Поскольку органические химические вещества производятся только живыми организмами и никогда не встречаются в неживой природе, то казалось логичным предположить, что для их создания требуется некая «искра жизни», или «жизненная сила». Если бы это оказалось правдой, то химики со всеми своими горелками и мехами, со всеми своими кислотами никогда не сумели бы создать органическое вещество из неорганических, потому что одно дело — инструменты и химикаты, а совсем другое — мистическая «жизненная сила».

Самым главным сторонником такой теории был сам Берцелиус, и он был, должно быть, просто шокирован, когда его ученик, немецкий химик Фридрих Вёлер, в 1828 году разрушил всю теорию, как карточный домик. Вёлер занимался неорганической химией, именно он впервые сумел получить чистый алюминий и бериллий и разработал новые методики выделения никеля. Во время совершения своего выдающегося открытия он занимался нагреванием цианата аммония — вещества, традиционно рассматриваемого как совершенно неорганическое. К собственному изумлению, Вёлер обнаружил, что в процессе нагревания свойства цианата аммония разительно изменяются. Вещество, полученное в итоге, обладало всеми свойствами мочевины — самой что ни на есть органической субстанции, основного вещества, растворенного в моче млекопитающих.

Таким образом, из неорганического вещества удалось создать органическое путем простого нагревания. Никакой «жизненной силы» при этом приложено не было (если не считать жизненную силу самого Вёлера). Вёлер еще много раз повторил свой эксперимент, прежде чем осмелился объявить о нем публично, но когда это наконец-то было сделано, то вскоре, как это часто случается в науке, и другие химики повсеместно стали объявлять о синтезе органических веществ из неорганических.

С химической точки зрения открытие Вёлера не имеет столь уж большого значения — он провел достаточно тривиальную реакцию, но психологическое значение этого достижения было безмерно. Он сломал казавшийся незыблемым барьер между живой и неживой материей. Теории о «жизненной силе» был нанесен смертельный удар, и ученые впервые готовы были поверить в существование неких всеобщих законов природы, единых для всего на свете — живого и неживого.

С уничтожением границы между живой и неживой материей в научном мышлении важное место заняли различные моменты сходства между этими двумя видами веществ. Эти моменты были известны людям с незапамятных времен. Главным из этих общих моментов была роль воздуха.

Человек, как и другие сухопутные животные, для поддержания жизнедеятельности должен вдыхать воздух, и воздух этот должен быть хотя бы относительно свежим. Уже древние люди знали, что в закрытом помещении животные впадали в сонливость и умирали, как будто исчерпав запас чего-то жизненно необходимого, что содержится в воздухе (хотя в самом воздухе при этом не отмечалось никаких заметных невооруженным глазом изменений).

Так же ведет себя и огонь. Он ярко вспыхивает при порыве ветра, а в закрытой камере гаснет. Это можно было бы списать на то, что топливом для огня являются все же органические вещества — дерево или уголь, и именно их свойства диктуют свойства пламени, если бы не существовало неорганических горючих веществ, таких как сера или водород, огонь от которых ведет себя точно так же.

Еще в 200 году нашей эры римский физик Гален указал, что если человек поймет механизм горения, то он поймет и механизм дыхания. И его предсказание оправдалось, как стало ясно с появлением трудов Лавуазье.

Когда в конце 70-х годов XVIII века Лавуазье показал, что воздух состоит из азота и кислорода, он также ясно дал понять, что именно кислород и является веществом необходимым как для горения, так и для жизнедеятельности. Затем он обнаружил, что выдыхаемый воздух не только сравнительно беден кислородом, но и сравнительно богат при этом углекислотой. Но более тщательный анализ привел его к выводу о том, что не весь вдыхаемый кислород уходит на образование углекислоты. Некоторое количество кислорода должно тратиться и на что-то еще.

Когда в 1781 году английский химик Генри Кавендиш продемонстрировал, что при сжигании водорода в кислороде образуется вода, для Лавуазье все встало на свои места. Выдыхаемый воздух — заметно влажный, а в пище, потребляемой человеком, определенно содержится водород. В процессе дыхания кислород может соединяться как с водородом, так и с углеродом и производить как воду, так и углекислоту. То же самое происходит при сгорании древесины: кислород потребляется, а вода и углекислота — производятся.

Несомненно, в те времена было бы еще слишком смелым выдвигать предположение о столь тесном сходстве между живой и неживой материей, но после того, как Вёлер синтезировал мочевину и резкое разграничение между живой и неживой материей пропало, такое сравнение стало неизбежным.

Когда возобладало представление о том, что законы органической химии схожи с законами химии неорганической, а то и вовсе совпадают с ними, интерес к органической химии сильно возрос. Химики принялись анализировать органические вещества и с помощью новой теории атомного строения составлять для них формулы, точно так же, как это делалось для веществ неорганических.

Стало ясно, что органические вещества, содержащиеся, к примеру, в пище, состоят по большей части из углерода, водорода и кислорода, в пропорции в среднем два атома углерода на четыре атома водорода на один атом кислорода. Конечно, присутствует в этом перечне в небольших количествах и азот, и, в еще меньших, сера, фосфор и прочие, но ими пока можно пренебречь. Если взять усредненную «формулу пищи» за С₂Н₄O, то процессы, происходящие в организме человека, можно представить так:

Состав древесины, как правило, не слишком отличается от среднего состава пищи (хотя его, пожалуй, вернее было бы представить как С₂Н₄O₂), и древесина тоже вступает в соединение с кислородом для образования углекислоты и воды. Так стало ясно, что и человеческий организм, и тепловая машина получают энергию из одного и того же источника — из соединения атомов углерода и водорода с кислородом.

Сам по себе этот факт должен был огорчить тех, кому хотелось бы видеть живой организм чем-то совершенно непохожим на бездушную машину и принципиально превосходящим ее. Строго говоря, аналогия здесь, конечно, не совсем полная. Горящая древесина испускает жар и свет, а «горящая» в организме пища света не производит вообще, а тепло — в достаточно ограниченном количестве.

Возникает вопрос: не свидетельствует ли эта разница о некоем еще более серьезном различии? Если форма энергии, производимой человеческим организмом (и любым другим живым организмом), отличается от формы энергии, производимой пламенем, то, может быть, организм использует более эффективные способы? Может быть, живая материя способна подняться над ограничениями, установленными для неодушевленной тепловой техники такими учеными, как Карно? Должен ли живой организм подчиняться законам термодинамики, разработанным в XIX веке, или мудрость природы даровала ему в виде пищи источник энергии, который паровая машина никогда не обретет ни в виде дров, ни в виде угля?

Остановимся более подробно на пище.

С давних пор люди не могли не замечать, что при приготовлении пищи используется несколько типов материалов с различными свойствами.

Например, есть белое безвкусное вещество, получаемое из зерновых, таких как пшеница или рис. Главной составляющей муки является крахмал.

Во фруктовом соке или, скажем, меде содержится другое, сладкое вещество. Из соков некоторых, особо богатых им, растений это вещество — сахар — можно получать напрямую в твердом виде. Впервые это было проделано в Индии примерно в IV веке до нашей эры. В древности эта технология добралась до Рима, где и сложилось латинское слово «saccharum», происходящее, по всей вероятности, от названия индийского растения. И лишь в Средневековье, вместе с возвращающимися из походов крестоносцами, сахар попал в Европу.

XIX век принес открытие о том, что сахар бывает разный. В 1802 году французский химик Жозеф Луи Пруст (работал он в Испании) объявил об обнаружении вещества, которое выглядит как сахар, такое же белое и кристаллическое, сладкое и легкорастворимое в воде, но при этом не является обычным сахаром, уступая последнему как по сладости, так и по растворимости. Поэтому Пруст провел различие между «тростниковым сахаром» и «виноградным сахаром». Другую разновидность сахара, выделенную за десять лет до того из меда и еще более сладкую, чем тростниковый сахар, Пруст назвал «фруктовым сахаром».

Сейчас принято давать различным сахарам названия, заканчивающиеся на «-оза». Тростниковый сахар — это «сахароза», фруктовый — «фруктоза». Что же касается виноградного сахара, то он получил название «глюкоза», от греческого слова, означающего «сладкий», хотя и является изо всех трех наименее сладким. Сахар, выделяемый из молока (и больше нигде не встречающийся), называют «молочным сахаром», или «лактозой», от латинского слова, означающего «молоко». Однако чаще всего, говоря «сахар», подразумевают именно сахарозу.

В 1812 году, как я уже писал в предыдущей главе, Кирхгоф совершил изумительное открытие: крахмал можно превратить в виноградный сахар, стоит лишь поварить его в растворе кислоты. Это значит, что молекулу крахмала можно рассматривать как состоящую из некоторого количества молекул глюкозы, каким-то образом собранных воедино. Кипячение в кислоте разрывает связь между ними и приводит к высвобождению глюкозы.

К 1819 году французский химик А. Браконно успел прокипятить древесные опилки, холстину, древесную кору, солому и ряд других материалов растительного происхождения в растворе кислоты, и оказалось, что во всех случаях получается глюкоза. Оставалось только сделать вывод, что все эти продукты царства растений состоят из некоего вещества, которое, как и крахмал, состоит из глюкозы, но, в отличие от самого крахмала, несъедобно. Поэтому для нового вещества надо было придумать другое имя. Французский химик Ансельм Пайен назвал его «целлюлозой», от английского «cell» — «клетка», поскольку оказалось, что функция этого твердого вещества — предохранять и защищать уязвимые клетки растения. Именно с этого термина пошел обычай заканчивать названия Сахаров на «-оза».

Французский химик Жозеф Луи Гей-Люссак, проанализировав химический состав сахара и близких к нему веществ, обнаружил, что на каждый атом углерода в молекуле приходится по два атома водорода и одному атому кислорода. Он решил, что, поскольку соединение двух атомов водорода с атомом кислорода — это вода, то молекула сахара должна представлять собой цепочку атомов углерода, к каждому из которых прикреплено по молекуле воды. Поэтому он назвал всю группу веществ — крахмал, целлюлозу, различные сахара — «углеводами». В дальнейшем выяснилось, что на самом деле молекулы их имеют более сложное строение, но название к тому времени уже прижилось, и отменять его никто не стал.

Оказалось, что молекула глюкозы состоит из шести атомов углерода, поэтому ее формула выглядит так: С₆Н₁₂О₆, и можно сказать, что это типичная формула углевода.

Кроме углеводов, из пищи с давних пор извлекали вещества еще одной категории — жиры и масла. Главное различие между ними заключается в том, что жиры — это твердые тела (хотя и достаточно мягкие), а масла — жидкие; по остальным же свойствам они очень близки, поэтому термин «жиры» принято распространять и на жиры как таковые, и на масла. Жиры нерастворимы в воде и на ощупь дают характерное жирное ощущение.

Примерно в то же время, когда Браконно изучал химию углеводов, другой французский химик, Мишель Эжен Шеврёль, взялся за изучение жиров. Из его трудов в конце концов стало ясно, что жиры, как и углеводы, состоят из трех элементов — углерода, водорода и кислорода, с той лишь разницей, что сравнительное содержание кислорода в них оказалось очень небольшим. Как нам сейчас известно, типичная молекула жира имеет общую формулу C₅₇H₁₀4O₆.

И еще одна, третья, типичная составляющая пищи, не похожая ни на жиры, ни на углеводы, была обнаружена, в растворенном виде, в яичном белке. Такие вещества, как правило, образовывают вязкие растворы, подобные яичному белку, а при нагревании — сворачиваются и больше не восстанавливаются. Достаточно слабое нагревание приводит к необратимому изменению их свойств.

К концу XVIII века был открыт целый ряд таких «белкообразных» веществ, формировавших вязкие растворы и почти всегда сворачивавшихся при нагревании. Их выделяли из крови, из молока и даже из растительных продуктов.

Главным отличием этих веществ от углеводов и жиров является тот факт, что в их состав входят не только углерод, водород и кислород, но еще и азот, а иногда — сера и фосфор. Уже одного этого было достаточно, чтобы понять, что формула «белкообразных» веществ окажется сложнее, чем других составляющих пищевых продуктов, и в течение XIX века задача по составлению их общей формулы так и оставалась нерешенной.

В 1838 году голландский химик Герард-Иоганн Мёллер попытался разработать схему молекулы-составляющей, в состав которой были включены 88 атомов, и показать, что различные белкообразные вещества могут состоять из различного количества таких «молекул-кирпичиков», возможно, с добавками в виде небольших серо- и азотосодержащих молекул. Эта гипотеза с треском провалилась, но благодаря ей в мировой научной терминологии появился новый термин. По предложению Берцелиуса Мёллер назвал свою молекулу-составляющую «протеином», от греческого слова, означающего «важнее всего», поскольку ученому показалось, что именно этот «кирпичик» является важнейшей составляющей «белкообразных» веществ. В итоге термин стал использоваться для всей молекулы целиком, и теперь на международном научном языке весь класс подобных веществ называется «протеинами». В русской же терминологии их принято называть скромнее: в честь того природного вещества, в котором они впервые были обнаружены, — яичного белка. Так что слова «протеин» и «белок» являются в русском языке полными синонимами.

К 1827 году английский химик Уильям Прут (не путать с Прустом, французским химиком того же периода!) уже выдвинул предположение о том, что органическое вещество пищевых продуктов, а значит — и живых организмов, состоит в основном из веществ трех классов, которые мы сейчас называем углеводами, жирами и белками. Оказалось, что это действительно так. Конечно, не вся живая ткань на 100 процентов состоит только из них. В ней есть и неорганические составляющие (например, в костях), есть, разумеется, вода. Существуют также и органические составляющие, например нуклеокислоты, необходимые для всего живого и при этом не относящиеся ни к одной из трех перечисленных категорий.

Но все же углеводы, жиры и белки — это почти все органические составляющие живой ткани, и давайте теперь сосредоточимся именно на них.

Анализ органических веществ в первой половине XIX века привел к провозглашению принципиально нового различия между органическими и неорганическими веществами. Оказалось, что в состав всех веществ, выделяемых из живой ткани, входят водород и углерод, очень часто — кислород, часто — азот, иногда — сера и так далее. А вот в состав типичных неорганических веществ водород, кислород, азот, сера и многие другие атомы входят тоже очень часто, но углерод — крайне редко, за редкими исключениями вроде известняка.

Этим и объясняется горючесть органических веществ, ведь и углерод, и, разумеется, водород горючи сами по себе. Любое вещество, молекула которого включает в себя атомы водорода и углерода, тоже является горючим. Так что на этот фактор влияет банальный химический состав вещества, а не мистическая «жизненная сила».

Вторым важным отличием органических веществ от неорганических оказался размер молекул. Даже самые крупные неорганические молекулы — достаточно невелики, состоят из десятка-двух атомов. А вот у органических веществ, напротив, такое количество атомов характерно лишь для самых крошечных молекул. В молекуле глюкозы, для органических веществ достаточно маленькой, содержится 24 атома, а в средней молекуле жира — 170. Молекулы крахмала или белков состоят из тысяч и даже миллионов атомов.

И именно размер и хрупкость строения органических молекул, а не какие-то таинственные «свойства жизни», приводят к тому, что они легко распадаются при высоких температурах и теряют свои свойства даже при слабом нагревании.

Подтверждение тому было впервые получено в 50-х годах XIX века, когда химики научились синтезировать не просто вещества, идентичные выделяемым из живой ткани, но и множество других веществ с крупными молекулами, состоящими из углерода, водорода и других элементов, — вещества в природе не встречающиеся. Эти вещества, не являясь частью ни одной живой ткани на Земле, вели себя точно так же, как и природные, — легко воспламенялись, оказались капризно-нестабильными и во всех остальных отношениях — тоже «органическими».

Постепенно, ближе к концу XIX века, разграничение между органическими и неорганическими веществами перестало быть привязанным к фактору «живое — неживое» и стало основываться исключительно на химических свойствах. Поскольку в конце концов стало понятно, что возможность для создания огромных органических молекул кроется в неких особых свойствах углерода, то самым простым критерием отделения органической химии от неорганической стало наличие углерода в молекулах изучаемого вещества.

Кажется, что такое деление несправедливо, да так оно, собственно, и есть на самом деле, но не в том отношении, которое впервые приходит в голову. Способность углерода вступать в неограниченно большое количество соединений приводит к тому, что веществ, имеющих в своем составе углерод, обнаруживается гораздо больше, чем веществ, его лишенных, и с каждым годом этот разрыв все увеличивается.

Разобравшись, в первом приближении, с химическим составом пищи, теперь мы можем правильно истолковать все количественные измерения касательно дыхания.

К примеру, Лавуазье, чья величайшая заслуга перед химией состоит в первую очередь в том, что он всегда настаивал на проведении точных измерений, был первым, кто попытался установить точное количество вдыхаемого кислорода и выдыхаемого углекислого газа. Приборов, которые позволили бы ученому получить точные результаты, у него еще не было, но даже если бы Лавуазье их и получил, то сделать с ними все равно бы ничего не смог — разве что записать.

Сейчас же, после того как стал известен состав молекул веществ, обнаруживаемых в пище, можно сделать определенные выводы относительно исчезающего кислорода и появляющегося взамен него углекислого газа. Предположим, например, что глюкоза — это горючее и мы сжигаем его на огне. Тогда уравновешенное выражение для соединения глюкозы и кислорода будет выглядеть так:

Из этого выражения (которое невозможно было составить до того, как была установлена формула глюкозы) видно, что на каждый моль используемой глюкозы тратится шесть молей кислорода и производится шесть молей углекислого газа. На каждый моль одного, потребляемого, газа производится один моль другого газа. Поскольку один моль любого газа занимает один и тот же объем, то можно сказать, что на каждый литр одного газа получается один литр другого. В данном случае — на каждый литр потребляемого кислорода производится один литр углекислого газа.

Таким образом, отношение производимого углекислого газа к потребляемому кислороду — 1: 1, то есть 1. Лавуазье и прочие ученые интересовались этим отношением именно в связи с дыханием, так что эту величину назвали «коэффициентом дыхания», и мы говорим, что коэффициент дыхания глюкозы (да и вообще углеводов в целом) — 1.

С жирами ситуация иная. Общая формула типичной жировой молекулы — С₅₇Н₁₀₄О₆, и уравновешенное выражение для соединения ее с кислородом выглядит так:

То есть на 80 молей потребляемого кислорода производится 57 молей углекислого газа. Значит, коэффициент дыхания жиров — ⁵⁷/₈₀, или 0,713. Коэффициент дыхания белков больше, чем у жиров, но меньше, чем у углеводов. Округленные цифры выглядят так:

Коэффициент дыхания углеводов = 1

К. д. белков = 0,8

К. д. жиров = 0,7

Каким же образом мы можем теперь применить эти чисто химические соображения к явлениям живой природы? Ответ на этот вопрос был дан в 1849 году, когда два французских химика, Анри Виктор Реньо и Жюль Рейзе, разработали камеру, куда можно было помещать животных и запускать кислород в строго определенном количестве. Углекислоту, выдыхаемую этими животными, тоже можно было собирать, абсорбировать с помощью определенных химических веществ и взвешивать. Таким образом, ученые смогли измерить и объем вдыхаемого животными кислорода, и объем выдыхаемого углекислого газа. Иными словами, у них получался общий коэффициент дыхания животного, и ученые измерили его для самых разных живых существ — от червяков до собак.

У Реньо и Рейзе получилось, что коэффициент дыхания живых организмов лежит между 0,7 и 1. Более того, в этих пределах он изменялся в зависимости от предоставляемой животному пищи. Если диета животного была по преимуществу углеводной, то и коэффициент дыхания приближался к единице; при преимущественно жировой диете он опускался до 0,7.

Через пару десятков лет немецкий химик Макс фон Петтенкофер со своим товарищем физиологом Карлом фон Войтом создали аналогичное устройство, куда мог поместиться и человек. И коэффициент дыхания человека оказался таким же, как у животных, — от 0,7 до 1, в зависимости от диеты. При нормальном смешанном питании или при голодании, когда организм подчищает внутренние запасы пищи, его значение составляло примерно 0,8.

Итак, к середине столетия стало ясно, что ход реакции горения органических веществ принципиально одинаков, независимо от того, проходит она в живой ткани или вне ее. По крайней мере, соотношение потребляемого кислорода к производимому углекислому газу оказалось в точности соответствующим расчетам, основанным на изучении химических реакций неорганических веществ. Пришлось признать, что и живой организм подчиняется закону сохранения материи. Он не создает углерод из ничего и не обходится крупицами.

Но ведь еще остался закон сохранения энергии, — в то время, когда Реньо и Рейзе проводили свои эксперименты, этот закон еще только-только приобретал всеобщее признание. Окажется ли он таким же справедливым для живой материи, как и для неживой?

Глава 14. С МАЛОЙ СКОРОСТЬЮ

Первым шагом при рассмотрении энергетического баланса живых существ должно стать определение количества химической энергии, высвобождаемой при сжигании пищи в отсутствие какой-либо жизни. Надо сжечь в бомбовом калориметре различные пищевые составляющие и замерить теплоту реакции. Надо сказать, что в этом случае пользоваться значениями молярной теплоты реакции будет неудобно, поскольку молекулы некоторых из наиболее важных составляющих пищи настолько велики, что молярная теплота реакции будет приобретать в их случае астрономические значения.

Если рассматривать только самые простые питательные вещества, то можно сойтись на следующем выражении (см. главу 8):

ΔН = -738 ккал.

ΔН = -8044 ккал.

Как видите, речь идет уже о цифрах порядка тысяч килокалорий. А когда речь заходит о гигантских молекулах крахмала и белков, то с ними еще хуже. Один моль крахмала или белка запросто может иметь массу в несколько сотен фунтов, и молярное тепло реакции горения такой массы, естественно, составит миллионы или даже миллиарды килокалорий.

Но теплоту реакции вполне удобно измерять и на основании массы. При сгорании углеводов в бомбовом калориметре выделяется теплота реакции в 4,1 килокалории на грамм (ккал/г). Это достаточно небольшая цифра, если сравнить ее с показателями других горючих веществ, приведенными мной в главе 8. Чтобы освежить данные, я привожу в таблице 4 теплоту реакции из расчета на грамм для некоторых веществ:

Как я уже объяснял в главе 8, водород при сжигании выделяет гораздо больше тепла на грамм, чем углерод; соответственно углеводород, например метан, будет выделять некое промежуточное количество теплоты. Тот факт, что спирт выделяет еще меньше теплоты на грамм, чем даже углерод, хотя в составе его молекулы присутствует и водород, я объяснял присутствием в ней также и атома кислорода. Молекула спирта является уже «частично сгоревшей», и на выделение тепла при сгорании в ней остается меньше молекул. По такой же логике и глюкоза (которую можно принять за типичный углевод), формула которой С₆Н₁₂О₆, является изначально еще более «сгоревшей», чем спирт. Атомы кислорода составляют четвертую часть всех атомов молекулы глюкозы, а в спирте их доля — всего лишь ¹/₉. Выходит, нечему удивляться, что при сгорании грамма глюкозы выделяется меньше тепла, чем при сгорании грамма спирта.

А вот с жирами — другое дело. Молекула жира, где кислород составляет всего ¹/₂₈ от общего числа атомов, является в гораздо меньшей степени «сгоревшей», чем молекула углевода или даже спирта. Поэтому логично ожидать, что теплота реакции в расчете на грамм у жира будет больше, чем у спирта, но меньше, чем у метана, в молекуле которого кислорода нет вообще. Экспериментальные данные показывают, что при сжигании жиров выделяется 9,45 килокалории на грамм. Белок, молекула которого содержит меньше кислорода, чем молекула углевода, но больше, чем молекула жира, имеет показатели промежуточные между показателями этих двух веществ, и при сжигании белка в калориметре фиксируется выделение 5,65 килокалории на грамм.

Это все в том случае, если из еды разводить костер. А как насчет того процесса, в котором еда используется не в пример чаще, — имеется в виду поглощение ее живым организмом? Измерить, сколько тепла выделяет организм, гораздо сложнее, чем сколько выделяет костер, но тоже возможно. Для начала нужен достаточно большой калориметр, чтобы в него поместился живой организм. Организм ест и выделяет отходы; вдыхает кислород и выдыхает углекислый газ. Если точно измерить все, что организм имеет на входе и выходе в процессах питания и дыхания, то в идеальном случае можно высчитать, сколько в нем в данный момент находится питательных веществ и кислорода. Дальше можно рассчитать, сколько тепла выделили бы эти вещества в этом объеме, будучи сожженными в калориметре. Если измерить тепло, вырабатываемое организмом на самом деле, то логически возможен один из трех вариантов — либо оно окажется равным теплу, которое было бы из того же топлива выработано при сжигании, либо большим, либо меньшим. Каким именно окажется это отношение — принципиально важно для решения вопроса о том, распространяются ли законы термодинамики на живые организмы.

Впервые такой эксперимент с достоверной точностью провел немецкий физик Макс Рубнер в 80-х годах XIX века. Исполнение Рубнера было на редкость методичным. Сначала он подверг тщательному анализу экскременты подопытного животного. Несмотря на то что корм состоял сплошь из легкорасщепляемых жиров и углеводов, часть этих питательных веществ все равно прошла весь пищеварительный тракт, так и оставшись непоглощенной, так что для объективности картины этот процент следовало вычеркнуть из общего количества «сжигаемой» пищи. Среди углеводов процент не подвергнувшихся перевариванию оказался ничтожно малым, но среди жиров — более существенным. С учетом неполноты переработки, энергетическое содержание углеводов и жиров в пище пришлось уменьшить до 4 и 9 килокалорий соответственно.

С белками получилось еще сложнее. Если итоговыми продуктами сгорания углеводов и жиров являются углекислота и вода, будь то сгорание в пламени или в организме, то в отношении белков все не так просто. В калориметре атомы углерода и водорода из молекулы белка превращаются все в те же углекислоту и воду, но нельзя ведь забывать и про атомы азота! Они высвобождаются в калориметре в виде окислов азота. На самом деле в белках еще встречаются атомы серы и других элементов, но их процентное содержание настолько мало, что в данном случае ими смело можно пренебречь.

Однако в организме млекопитающих азотистая составляющая расщепляемых белковых молекул переходит не в окислы азота, а в мочевину (CH₄ON₂) — растворимое твердое вещество, выводимое из организма с мочой. При сжигании молекул мочевины тоже выделяется некоторое количество энергии, так что, если в живом организме она остается несожженной, значит, энергию ее сжигания тоже следует вычесть из общей энергии сжигания пищи. А в этом случае оказывается, что энергия, получаемая тканью млекопитающих из белка, примерно равна энергии, получаемой из углеводов, — 4 килокалории на грамм.

Факт производства организмом мочевины является полезным для исследователя — сейчас объясню почему. Общее количество пищи, используемой и «сжигаемой» живой тканью за заданный промежуток времени, определяется путем замера количества производимого за это время углекислого газа. Однако количество высвобождаемой при этом энергии зависит от того, какая именно пища поглощалась. Некоторое количество углекислого газа, выделенное при сжигании жира, соответствует большему количеству энергии, чем то же самое количество углекислого газа, выделенное при сжигании углеводов.

Поэтому Рубнер счел необходимым измерять не только количество выделяемого углекислого газа, но и количество потребляемого кислорода. Так он получил коэффициент дыхания и смог установить соотношение потребления организмом углеводов и жиров. Чем выше коэффициент дыхания, тем больше в процентном соотношении организм усваивает углеводов и тем меньше энергии производит в расчете на литр вдыхаемого кислорода. Чем ниже коэффициент дыхания, тем больше организм усваивает жиров и тем больше энергии производит на литр потребляемого кислорода.

Но это верно только в том случае, если углеводы и жиры — это единственные вещества, потребляемые организмом, то есть если белок не потребляется вообще. А это не так — белок потребляется всегда. Средний объем потребления белка — около 10 процентов от суммарного объема жиров и углеводов. Но то средний, а для того, чтобы подсчитать какие-то более-менее правдоподобные значения для коэффициента дыхания, а значит, и поступающей в распоряжение организма энергии, надо знать точное количество потребляемого белка.

Допустим, что коэффициент дыхания — 0,8. Если потребляемая при этом пища состоит исключительно из жиров и углеводов, то соотношение потребляемых веществ — 2 части жиров на 1 часть углеводов, и выход энергии, на основе расчетов, составленных с помощью бомбового калориметра, будет равняться примерно 7 ккал/г.

Теперь предположим, что на самом деле смесь потребляемых питательных веществ содержит 2 части жиров на 1 часть углеводов и 1 часть протеинов. Коэффициент дыхания при этом по-прежнему будет равен 0,8 (поскольку именно таков коэффициент дыхания чистого белка, то он не будет изменяться, сколько белка ни подмешивай к смеси жиров и углеводов 2:1). Однако производство энергии на основе этой новой смеси упадет по сравнению с предыдущим случаем примерно до 6 ккал/г, поскольку белок — энергетически бедный материал по сравнению со смесью жиров и углеводов.

Однако мочевина производится только из белка. По данным анализа мочи (еще одно изобретение Рубнера) можно установить и количество потребляемого протеина. Кормление животных строго взвешенными порциями пищи, анализ мочи и кала, измерение количества потребляемого ими кислорода и производимого углекислого газа — все это позволяло Рубнеру совершенно четко знать, сколько и каких питательных веществ употребило то или иное животное за определенный отрезок времени.

А измерение количества вырабатываемого животными тепла привело его (как и исследователей позднейшего времени) к вполне ожидаемому выводу: в живом организме вырабатывается ровно столько же энергии, сколько ее высвободилось бы в бомбовом калориметре, если бы всю эту пищу просто сожгли.

К концу века уже всем стало ясно, что никакого волшебного источника энергии в живых существах нет; никто не может извлечь из системы больше энергии, чем в ней заключено. Короче говоря, первый закон термодинамики оказался так же справедлив для ящерицы, как и для камня.

Конечно, сам по себе закон, согласно которому количество калорий, поглощаемых живым организмом с пищей, уравновешивается количеством расходуемых им калорий, еще не значит, что и то и другое не может в значительной степени колебаться. Были созданы калориметры, куда мог помещаться человек, и замерялись данные при разных его состояниях и занятиях — люди в них сидели, стояли, печатали-Разрабатывались и методики косвенного изменения расхода энергии во время бега, лазания, катания на велосипеде, езды верхом и так далее.

Неудивительно, что чем более активной деятельности предается человек, тем сильнее увеличивается производство его организмом энергии, а значит, тем больше жиров ему требуется. Если получать их в достаточном количестве с пищей не удается, то организм начинает расходовать внутренние резервы тела, что приводит к потере веса.

На самом деле все вопросы потери или набора веса косвенно завязаны на законе сохранения энергии. Для того чтобы сбросить вес, необходимо сократить потребление калорий до уровня ниже их расхода — либо начать меньше есть (сесть на диету), либо начать больше их тратить (заняться спортом), а еще лучше — и то и другое. А для того чтобы набрать вес, надо повести себя прямо противоположным образом.

Для уровня расхода энергии существует как верхняя, так и нижняя планка. Прыгая через три ступеньки вверх, или активно орудуя топором в лесу, или с азартом играя в теннис, человек может тратить энергию со скоростью 10 килокалорий в минуту. Все мы знаем, что долго это продолжаться не может.

С другой же стороны, полностью подавив любую сознательную деятельность, можно урезать расход энергии в пятнадцать раз, не больше. Не важно, насколько удобно мы уляжемся, расслабившись, все равно определенное количество энергии необходимо тратить на работу сердца, легких, печени, почек и т. п. Так же и двигатель автомобиля должен работать в некоем минимальном темпе, чтобы не заглохнуть. Разница лишь в том, что заглохший мотор можно запустить заново, а если «заглохнет» и остановится жизнедеятельность человеческого организма, то ее запустить уже ничто будет не в силах.

Меньше всего энергии расходуется человеком, разумеется, во сне, но замер расхода энергии спящего человека — вообще говоря, дело неблагодарное. Хотя бы потому, что и во сне активность человека может различаться очень сильно, он может спать крайне беспокойно, а объяснять спящему, что он должен спать крепко, — по понятным причинам бесполезно.

Следующий после сна способ сэкономить энергию — это бодрствовать, но лежать при этом неподвижно. Расход энергии при самом пассивном поведении в состоянии бодрствования процентов на 10 выше, чем при идеальном сне, но для эксперимента выбирать приходится все же бодрствование.

Совокупность химических процессов, происходящих в живом организме и, в частности, приводящих к производству в нем энергии, называют «метаболизмом», или «обменом веществ». Термин «метаболизм» ввел в обиход немецкий натуралист Теодор Шванн, произведя его от греческого слова, означающего буквально «перебросить на другое место», а в более широком значении — «изменить». Минимальному расходу энергии (ровно достаточному, чтобы не прерывать процесс жизнедеятельности) соответствует минимальная, или основная, интенсивность обмена веществ. Соответственно эту интенсивность называют «интенсивностью основного объема».

Условия для определения интенсивности основного объема таковы: прежде всего, обследуемый должен находиться в лежачем положении. Даже сидение требует постоянного расхода дополнительной энергии, поскольку большие мышцы туловища постоянно скоординированно сокращаются, поддерживая равновесие. Обследуемый должен быть голодным, после ближайшего к моменту измерения приема пищи должно пройти не менее двенадцати часов, чтобы гарантировать, что энергия не расходуется на пищеварение. В комнате должна быть комфортная температура, чтобы не повышать уровня энергии, расходуемой на выработку тепла (в случае, если в комнате холодно) или потение (если в комнате жарко). Обследуемый должен быть спокоен внутренне, во избежание энергозатрат на сокращения мышц, которые непроизвольно сопровождают любую сильную озабоченность. Самый лучший способ достичь этого состояния — дать обследуемому спокойно полежать полчасика в тишине.

Интенсивность основного обмена точнее всего определяется по количеству потребляемого кислорода, производимого углекислого газа и содержанию мочевины в моче. В упрощенном варианте мочу можно проигнорировать, пренебрегая, таким образом, белковой составляющей как незначительной. Упрощая еще дальше, можно сосредоточиться вообще на одном лишь потреблении кислорода, приняв коэффициент дыхания за средний — приблизительно 0,82 для голодного человека.

В среднем интенсивность основного объема человека составляет около 43 килокалорий в час, то есть — около 1000 килокалорий в день. Это значение очень сильно зависит от веса обследуемого, поскольку чем больше общая масса тела, тем больше энергии приходится тратить просто на поддержание в нем жизни. Так, если у человека весом в 115 килограммов интенсивность основного объема в среднем 68 килокалорий в час, то у 70-килограммового — вышеупомянутые 43, а у 30-килограммового ребенка — всего 20.

Чтобы избежать такого значительного разброса, интенсивность основного обмена следует пересчитывать на килограмм массы тела, и тогда получится, что 115-килограммовый человек тратит около 0,59 ккал/кг/час, а 70-килограммовый — около 0,61. У 30-килограммового ребенка этот показатель окажется несколько выше, около 0,67 ккал/кг/час, но это и неудивительно — ведь ребенок растет, а построение новых тканей организма — это весьма энергоемкий процесс.

Кроме того, в 1883 году Рубнер установил, что интенсивность основного обмена можно представить с еще меньшими вариациями, если сделать поправку не на вес тела, а на площадь его поверхности.

Установление интенсивности основного обмена у других млекопитающих тоже обошлось без сюрпризов. У более крупных, чем человек, животных и интенсивность основного обмена оказалась выше, у более мелких — ниже. В пересчете на массу тела этот показатель уменьшается по мере увеличения массы животного, так же как и у людей.

К примеру, интенсивность основного обмена у человека — 1000 килокалорий в день, у мыши — только 3, а у слона — 50 000 килокалорий в день. Однако один килограмм мышиного организма потребляет в день 158 килокалорий, человеческого — 15, а слоновьего — всего 10.

Памятуя о том, что крупные животные, как правило, живут дольше, чем мелкие, нельзя не задаться вопросом: не связано ли это с интенсивностью обмена веществ? Не в том ли дело, что мелкие зверьки, так сказать, живут быстрее и быстрее изнашиваются?

Недостаток этой теории в том, что животный мир предоставляет нам слишком много исключений, слишком много случаев, когда более мелкие животные живут дольше, чем более крупные. Взять хотя бы самого человека.

Человек живет дольше, чем любая крупная обезьяна, даже горилла, гораздо более крупная, чем человек. Человек живет дольше, чем даже огромный слон. Не существует достоверных сведений о том, чтобы какой-нибудь слон прожил хотя бы до семидесяти лет, как бы хорошо о нем ни заботились; в то же время мы знаем, что в цивилизованных странах половина населения доживает до этого возраста, а многие — и до столетнего юбилея. Даже киты, чью продолжительность жизни оценить сложно, и то вряд ли живут столько же, сколько и люди, поскольку даже самые крупные киты обретают способность к деторождению в возрасте трех лет — а ведь известно, что продолжительность жизни коррелирует с возрастом биологического взросления. Сравните три года кита с тринадцатью годами человека.

Единственные животные, о которых известно, что они живут дольше людей, — это гигантские черепахи, чей возраст может достигать двухсот лет. Но черепахи известны неторопливостью своей жизни. А среди быстро живущих существ никто и близко не стоит рядом с человеком.

Интенсивность основного обмена не представляла бы никакого особого интереса, если бы не было обнаружено, что при некоторых обстоятельствах она может очень сильно изменяться. Перед тем как перейти к подробностям, я должен сначала остановиться на термине «железа».

Железы еще могут называть гландами, от латинского слова «glans», что означает «желудь» — изначально им называли любые узловатые образования живой ткани в организме, например лимфатические узлы. (Это небольшие вытянутые образования, расположенные на некоторых из сосудов, по которым течет лимфа — жидкость, поступающая из крошечных кровеносных сосудов и омывающая клетки.) «Желудь» — это естественная метафора для чего-нибудь маленького; на людей всегда производило сильное впечатление сравнение крошечного желудя с огромным дубом.

Впоследствии и другие, более крупные органы похожей формы, например поджелудочную железу, стали называть этим же термином. В 1642 году немецкий анатом Иоганн Георг Вирсунг обнаружил в организме проток, ведущий от поджелудочной железы в верхнюю часть тонкого кишечника. Так выяснилось, что поджелудочная железа выделяет что-то в тонкий кишечник.

Это открытие произвело на общественность столь сильное впечатление, что железами стали называть любой орган, выделяющий какие-либо соки, даже крупные, например печень, производящую желчь. А ткани, ничего не выделяющие, железами именовать перестали — в частности, те самые лимфатические узлы, с которых все началось.

Первыми как железы были классифицированы те органы, которые, как печень или поджелудочная железа, имеют крупные, четко различимые протоки, по которым выводятся производимые ими вещества. В этом ряду можно назвать потовые железы, молочные железы и ряд мелких желез, находящихся во внутренней оболочке желудка и кишечника.

Однако в начале XIX века выяснилось, что существуют небольшие органы, которые, производя жидкости, выбрасывают их напрямую в кровь безо всяких протоков. После некоторых споров ₍о том, распространять ли на эти органы термин «железы», возобладала либеральная точка зрения. Немецкий анатом Иоганн Фридрих Меккель разделил все железы на две категории — имеющие проток и не имеющие его. Это деление сохраняется по сей день; железы, имеющие проток, называются экзокринными, а выводящие производимые ими вещества напрямую в кровоток — эндокринными.

Одна из эндокринных желез окружает трахею сразу же под гортанью (рис. 21). Сама гортань состоит из хряща и впереди у нее вилкообразная выемка, которую можно прощупать пальцем, похожая по форме на выемки в щитах греческих солдат эпохи Гомера, через которые солдаты могли видеть врага, не высовывая голову из-за укрытия. Ввиду такого подобия и сам хрящ назвали щитовидным, в 1646 году английский врач Томас Уортон перенес это название с хряща на расположенный рядом маленький мясистый орган, известный нам ныне как «щитовидная железа».

Иногда щитовидная железа распухает, образуя так называемый «зоб». В древности и в Средневековье на это смотрели достаточно благодушно, и в тех частях Европы, где такое встречалось достаточно часто, небольшое распухание шеи считалось даже неким дополнением к женской красоте. Однако к 1800 году врачи подметили, что зачастую наличию зоба сопутствуют симптомы заболевания, из которых самым заметным, если не самым важным, является выпучивание глаз.

Однако уменьшение щитовидной железы оказалось еще опаснее. В некоторых горных местностях Европы часто рождались слабоумные карлики, которых прозвали «кретинами» (это диалектный вариант произношения французского слова, означающего «христианин», — логика происхождения слова сродни логике происхождения русского термина «убогий»). Оказалось, что это явление непосредственно связано с функцией щитовидной железы. Более того, к концу XIX века было обнаружено, что удаление щитовидной железы у животных приводило к проявлению у них симптомов кретинизма, от которых удавалось избавиться только путем инъекции растолченной щитовидной железы.

Что именно в щитовидной железе оказывает такое мощное влияние на организм, оставалось полнейшей загадкой вплоть до 1896 года, когда немецкий химик Эуген Бауманн выяснил, что в щитовидной железе содержится редкий элемент — йод. Йода там обнаружилось очень мало, так что открытию Бауманна особого значения не придали. Ни химики, ни врачи того времени не понимали, что некоторые элементы могут иметь решающее значение для жизнедеятельности организма, присутствуя в нем в минимальных количествах (так называемые «рассеянные элементы», или «следовые элементы»).

Тем не менее уже в 1905 году американский врач Дэвид Марин, после обучения на Востоке поселившийся на Среднем Западе, подметил, что зоб — крайне распространенное явление как у людей, так и у животных в Кливленде, а на Востоке случаев зоба встречалось мало. Марину пришло в голову предположение, что это как-то связано с низким содержанием в местной почве йода, в результате чего его содержание в воде и в растительной пище, поедаемой как животными, так и людьми, под Кливлендом оказывается гораздо ниже, чем на Восточном побережье, куда ветер доносит богатую йодом водную пыль из океана. Если йод необходим щитовидной железе для нормальной работы, то можно предположить, что ее увеличение — это попытка компенсации организмом нехватки йода.

Марин попробовал посадить животных на диету, обедненную йодом, и действительно у них стал образовываться зоб; после обогащения диеты йодом зоб опять исчезал.

Тогда ученый развернул кампанию по искусственному обогащению йодом питьевой воды в городском водопроводе и после долгой борьбы (вызванной сопротивлением, близким к тому, какое сейчас встречают призывы к аналогичному обогащению питьевой воды фтором) добился-таки своего. Добавление йода в питьевую воду и соль (сейчас йодированная соль продается в каждом магазине) привело к тому, что проблемы образования зоба в цивилизованных странах сейчас практически сняты. Практически, но не полностью, ибо еще даже полвека спустя после открытия йодотерапии зоба все еще около 200 000 000 человек по всему миру еще страдают этим заболеванием. 30 000 000 из них живут в Латинской Америке, и даже в определенных местностях в Соединенных Штатах таких больных очень много — особенно в штатах Вашингтон и Орегон.

В то же самое время, когда с помощью химии была обнаружена важность йода для функционирования щитовидной железы, клинические исследования привели к открытию не менее важного фактора.

В 1895 году немецкий врач А. Магнус-Леви провел ряд экспериментов по установлению интенсивности основного обмена у людей, страдающих различными заболеваниями. У большинства обследуемых значения интенсивности основного обмена оказывались такими же, как и у прочих, но вот у больных с нарушениями функционирования щитовидной железы дело обстояло иначе. Интенсивность обмена веществ у больных с повышенной активностью щитовидной железы была выше, а у людей с пониженной — ниже, чем у здоровых.

Соответственно возникло предположение, что именно щитовидная железа и управляет «минимальной скоростью работы» человеческого организма, являясь чем-то вроде энергетического термостата. (Точный механизм этого контроля так и неизвестен до сих пор.) Теперь интенсивность основного обмена приобрела четкое практическое значение. Из любопытного физиологического курьеза она превратилась в инструмент диагностики расстройств щитовидной железы.

Повышение активности щитовидной железы на 10 процентов выше нормы приводит к тому, что человек становится гиперактивным, дерганым, нервным, то что называется «весь на эмоциях». Ее понижение — к тому, что больной теряет интерес к миру вообще. С помощью экстракта щитовидной железы и ингибиторов, подавляющих ее активность, стало возможным регулировать активность этого органа произвольным образом.

Однако после полувекового использования в качестве повсеместного диагностического инструмента замер интенсивности основного обмена постепенно исчезает из медицинской практики.

Предпосылки к тому появились еще в 1914 году, когда американский биохимик Эдвард Кельвин Кендалл выделил из экстракта щитовидной железы сравнительно небольшую молекулу, которой дал название «тироксин». Оказалось, что это и есть действующее вещество экстракта. Действующие вещества эндокринных желез английский врач Эрнест Генри Старлинг назвал «гормонами», от греческого слова, означающего «возбуждать», так что можно сказать, что тироксин — это гормон щитовидной железы.

Молекула тироксина необычна тем, что в ее состав входят четыре атома йода. В 1952 году английские биохимики Гросс и Питт-Риверс открыли еще одно вещество, производимое щитовидной железой, «трийодтироксин», отличие которого от тироксина заключается в том, что в состав его молекулы входят не четыре, а три атома йода. Действие его оказывалось схожим с действием тироксина. Похоже, что характерные свойства как тироксину, так и трийодтироксину придает именно йод, больше в организме практически нигде не встречающийся.

Щитовидная железа выбрасывает гормоны прямо в кровь. Там они соединяются с белковыми молекулами, которые в норме находятся в плазме (жидкой составляющей крови). Если выделить соответствующую белковую фракцию, то можно проанализировать ее на содержание йода. Таким образом можно установить, какой объем гормона вырабатывается щитовидной железой (поскольку ее гормон — единственный источник йода в организме), а это, в свою очередь, будет свидетельствовать об активности щитовидной железы, из которой можно высчитать и интенсивность основного обмена. При этом не нужно голодать, неподвижно лежать целый час и дышать в шланг, и нет необходимости в дорогостоящих лабораторных комнатах — достаточно просто сдать небольшое количество крови.

Проблема оказалась только в том, чтобы на самом деле суметь проанализировать содержание йода в крови — ведь речь шла о точном установлении цифр порядка ¹/_{20 000 000} грамма. Это стало возможным только в середине 50-х годов XX века.

Для точного измерения столь малых величин пришлось прибегнуть к явлению катализа. После того как йод, связанный с белком, отделяют и собирают в растворе, напрямую измерить содержание растворенного вещества крайне маловероятно. Поэтому в раствор добавляются химические вещества, о которых известно, что под каталитическим воздействием йода они вступают в реакцию. Вещества эти добавляются в строго измеренном количестве, а скорость их реакции очень сильно зависит даже от малейших колебаний концентрации йода, так что именно по ней содержание йода и измеряется.

Следить за ходом реакции очень удобно, потому что она сопровождается изменением цвета раствора, которое можно точно измерить с помощью соответствующих приборов. Чем сильнее меняется цвет, тем интенсивнее проходит реакция, тем больше концентрация йода, тем выше уровень активности щитовидной железы, тем больше значение интенсивности основного объема. Очень удобно!

Глава 15. КАТАЛИЗАТОРЫ ЖИЗНИ

Удобно также рассматривать дыхание и горение как родственные процессы, а человеческий организм — как аналог костра, раздуваемого кислородом и производящего углекислый газ. Но на самом деле между огнем и живым организмом существуют и значительные различия.

Во-первых, огонь — механизм однонаправленный: он превращает дерево или иное топливо в углекислый газ и воду, оставляя лишь пепел, и синтезировать новое топливо не способен. А живой организм, извлекая энергию из распада углеводов, жиров и белков в ходе реакций, схожих с горением, в то же время умеет и создавать запасы новых жиров и углеводов, а также — строить новые белки взамен старых (этот процесс я опишу позже). В растущем организме все эти сложные молекулы строятся даже быстрее, чем поглощаются, ведь в организме десятилетнего ребенка перечисленных веществ содержится больше, чем в организме семилетнего, хотя вроде бы они активно расходовались с того момента на протяжении трех лет.

При создании сложных молекулярных составляющих ткани уровень свободной энергии увеличивается (как мы вскоре увидим), и энтропия соответственно уменьшается. То есть происходит процесс обратный тому, какой в терминологии термодинамики называется спонтанным.

Еще в конце главы 5 я выдвинул предположение о том, что, возможно, принципиальное различие между живой и неживой материей заключается в возможности первой вызывать локальное уменьшение энтропии. Тогда я упоминал только об энтропии механической энергии («совершение усилий») и приводил в качестве примера способность живых существ двигаться против силы тяжести. Теперь мы видим также, что живая материя может вызывать уменьшение энтропии и относительно энергии химической, обладая способностью сформировывать крупные сложные молекулы из более простых, хотя все спонтанные реакции протекают, наоборот, от большого к малому.

Связь между жизнью и уменьшением энтропии становится еще нагляднее, но до четкого определения нам пока еще далеко. В главе 5 я уже указывал, что солнечное тепло испаряет океанскую воду, а силы, действующие в земной коре, воздвигают горы, и ни в первом, ни во втором случае явно не задействовано никаких структур, которые можно было бы отнести к «живым».

Помимо этих «безжизненных» примеров из области механической энергии можно найти аналогичные и из области энергии химической. Облучение растворов простых молекул ультрафиолетом приведет к образованию более сложных молекул, и множество фактов свидетельствует о том, что в первые миллионы лет существования Земли именно так и происходило в массовом порядке — жизни еще не было в принципе, а Солнце яростно облучало ультрафиолетом Мировой океан. На самом деле именно этим «безжизненным» процессам уменьшения энтропии применительно к химической энергии, скорее всего, и обязана своим возникновением сама жизнь.

Так искомый принцип различения снова ускользает от нас.

Однако не стоит обескураживаться. Ведь между огнем и живым существом есть и еще одно очевидное различие.

Огонь — очень горячий, а человек — нет. Да, человек поддерживает некоторое тепло в своем организме, но эти 37 °С ни в какое сравнение не идут с температурами пламени — 700 °С и выше. А в организмах холоднокровных животных процесс поглощения кислорода и производства углекислоты может проходить и при температурах около 0 °С.

Соответственно тут же вспоминаются условия, при которых реакции подобные горению могут запускаться при низких температурах. Вряд ли горючее, используемое организмом, воспламеняется легче, чем обычное топливо костра. Если взять те же самые пищевые продукты и просто положить их на стол при комнатной температуре, они не загорятся никогда и процесс соединения с кислородом будет происходить в них не быстрее, чем в древесине или угле. А вот в организме реакции соединения почему-то происходят достаточно легко и при температурах, которые никогда не поднимаются выше просто теплых.

Ученым XIX века оставалось только сделать единственно логичный вывод о существовании в живой ткани неких катализаторов, работающих по схеме, которую я описал в главе 12. На самом деле именно те катализаторы, которые вызывают горение в лабораторных условиях — палладий и платина, — в живой ткани не встречаются, но это может означать лишь то, что существуют и другие. И опять можно было задаться все тем же вопросом: являются ли эти биологические катализаторы таковыми в полном смысле слова и в соответствии с законами термодинамики, действуя так же слепо, как и порошок платины, или все же в данном случае нам удастся обнаружить некую «жизненную силу», стоящую над термодинамикой.

В среде химиков XIX века этот вопрос вызвал ожесточенные споры, и только благодаря ряду реакций, известных человечеству с доисторических времен, опыт перевесил аргументы сторонников существования «жизненной силы».

Во фруктовых соках, как и в замоченном зерне, как правило, со временем происходят некоторые изменения. Не всегда они оказываются желательными, но в некоторых случаях — и это обнаружили еще доисторические люди — человек, выпивший такую «подпортившуюся» жидкость, чувствовал приятное тепло и легкость. Со временем люди выяснили, что можно не просто выставлять сок и надеяться, что получится нужный результат, а добавлять в емкость с соком небольшое количество уже достигшей нужного состояния жидкости из предыдущей порции, и тогда изменения, во-первых, идут в нужном направлении, а во-вторых — гораздо быстрее.

Так же и в тесте, из которого пекут хлеб, иногда происходят реакции, приводящие к формированию углекислого газа. Пузырьки газа образуются по всей массе теста, и получающиеся в результате лепешки разительно отличаются от обычных — плотных и тяжелых. И в этом случае тоже перенос кусочка теста с пузырьками в емкость с обычным тестом приводит к распространению реакции по всему объему теста.

Все эти изменения вызываются такой вещью, как дрожжи. Образование пузырьков газа как в вине, так и в тесте очень похоже на «медленное кипение» вещества. В связи с этим в современной терминологии процесс, при котором поднимается тесто, фруктовый сок превращается в вино, а закваска зерновых — в пиво, называется «ферментацией», от латинского слова, означающего «кипеть».

С точки зрения химика XIX века действие дрожжей очень похоже на действие катализаторов. Кроме того, они явно отличаются от обычных лабораторных катализаторов своей органической природой и тем, что катализируют реакции близкие к происходящим в живой ткани. Логично было предположить, что если в живой ткани и предполагается обнаружить какие-то катализаторы, то они должны быть сродни скорее дрожжам, чем платине.

Но дрожжи оказались не просто катализатором — они сами по себе до странного походили на живое существо. Они не только оставались нерасходуемыми в ходе реакции, как обычные катализаторы, — они ухитрялись при этом еще и увеличиваться в объеме! В Первом послании к коринфянам о том же говорит и апостол Павел: «Малая закваска квасит все тесто».

Так и есть — а когда все тесто заквашено, то достаточно отщипнуть от него маленький кусок, чтобы с его помощью заквасить другое тесто, и так далее.

Но, несмотря на все свидетельства, принять дрожжи действительно за живое существо оказалось очень сложно. Широкое население запросто верило в существование множества невидимых глазу живых существ (ангелов, демонов, эльфов и прочих), но вот представление о том, что вполне обычные, не сказочные существа могут оказаться невидимыми только из-за своих крайне малых размеров, почему-то оказалось для общества гораздо менее приемлемым.

Но вот в XVII веке был изобретен микроскоп, и в 1675 году величайший из первых микроскопистов, голландский купец Антони ван Левенгук, сумел разглядеть в него «микроскопических животных». Это были одноклеточные существа, ныне именуемые «простейшими», длиной 0,005 см и менее, но не менее живые, чем мы с вами. Открытие Левенгука взбудоражило все научное сообщество до такой степени, что торговца-иностранца даже приняли в Лондонское королевское общество — элиту ученых джентльменов.

В 1680 году Левенгук, с неизмеримым терпением и любовью изучавший под микроскопом все вокруг, обратил свой взор и на дрожжи и выяснил, что они состоят из крошечных шариков. Факт существования микроорганизмов в то время просто заставлял искать жизнь где угодно, но дрожжевые шарики уж совсем никак не были похожи на активно плавающих простейших.

Однако в 1837 году французский физик Шарль Каньяр де Латур, изучая все те же дрожжи под микроскопом (а это был уже не тот примитивный микроскоп, с которым работал Левенгук), сумел застать эти крошечные шарики в момент отпочковывания (рис. 22). Почкование — это размножение, а где размножение, там и жизнь! Таким образом было получено свидетельство тому, что дрожжи — это одноклеточные существа, более близкие растениям, нежели животным, потому и неподвижные.

В 50-х и 60-х годах XIX века французский химик Луи Пастер в ряде своих классических опытов показал, что ферментизация — это результат жизнедеятельности таких микроорганизмов. Порча продуктов — например, образование кислого вина — это результат деятельности одних видов дрожжей, а получение нужных — например, хорошего вина — других. Да и гниение мяса Пастер наконец-то смог убедительно приписать результату жизнедеятельности микроорганизмов (не то чтобы до него об этом никто не догадывался, но никому не удавалось предоставить убедительных доказательств).

Короче говоря, реакции, которые раньше принято было объяснять работой «органических катализаторов», теперь оказались результатом деятельности живых существ. Сторонники теории «тайны жизни» воспрянули духом.

Конечно, занять старые позиции и вновь утверждать, что «жизненная сила» — это принципиальный критерий различения органической и неорганической материи, было уже невозможно, но вот вторая линия обороны уже казалась вполне надежной. Нельзя было отрицать, что химик в своей лаборатории может искусственно воспроизвести синтез органического вещества, но оставалась вера в то, что он не может сделать это тем же путем, что и природа. Химик прибегает для этого к помощи высоких температур и давлений, сильнодействующих химических веществ или не встречающихся в природе катализаторов. И лишь существа, наделенные жизненной силой, могут формировать те же органические вещества при нормальных условиях с использованием весьма слабых химикатов.

Опасность для таких воззрений появилась с другой стороны. Кроме газообмена кислорода и углекислоты при дыхании к числу наиболее доступных для изучения химических процессов, происходящих в человеческом организме, принадлежат процессы пищеварения.

Причиной тому факт, что организм по форме своей похож на булочку для хот-дога. И пищеварительный тракт — как отверстие для сосиски — пронизывает его насквозь, от начала до конца. Поскольку поместить что-то в отверстие для сосиски — это не то же самое, что заковырять это что-то в булочку, то и процессы пищеварения, проходящие в пищеварительном тракте, можно считать «внешними» для организма.

Практическая ценность этого факта заключается в том, что анализ содержимого пищеварительного тракта можно производить через ротовое отверстие без нанесения обследуемому каких-либо повреждений.

Еще в 1752 году Реомюр, изобретатель температурной шкалы Реомюра, занимался изучением процессов пищеварения у сокола. Целью его работы было установить, что же именно совершается в желудочно-кишечном тракте: просто ли механически перетирается пища или происходят какие-то более тонкие изменения. Ученый заставлял сокола глотать металлические трубочки, внутри которых находились кусочки мяса. Металлическая трубочка была призвана защищать мясо от любого механического воздействия; по торцам трубки были закрыты проволочными сетками, сквозь которые легко мог проходить желудочный сок.

После того как сокол отрыгивал трубки (хищные птицы, как правило, заглатывают пищу целиком, а потом отрыгивают непереваренное), Реомюр видел, что мясо растворилось, а трубки полны чистой жидкостью. При этом запаха гниения не наблюдалось, так что ученый сделал вывод, что здесь имеет место некая другая реакция, не гниение, а что-то сродни ферментации.

Другие исследователи в течение последующих десятилетий установили, что содержание желудка — кислотная среда, а в 1824 году Уильям Прут выяснил, какая именно кислота в нем представлена — соляная. К тому времени было уже хорошо известно, что кислота — это хороший катализатор таких реакций, как распад крахмала и белков на мелкие молекулы, так что ответ на вопрос о механизмах пищеварения родился сам собой — это кислотный катализ.

Однако дальнейшие исследования показали, что в желудочном соке содержатся и другие вещества, раствор которых оказывает разлагающее действие на мясо и которые не являются при этом кислотами. В 1835 году немецкий натуралист Теодор Шванн выделил из желудочного сока порошок, не являющийся кислотой, но при этом очень активно разлагающий мясо. Ученый назвал его «пепсином», от греческого слова, означающего «переваривание».

Это открытие оказалось новостью. Пепсин представлял собой одновременно и катализатор, и вещество совершенно органической природы. Такой органический катализатор назвали ферментом, поскольку тогда казалось, что ферментизация и пищеварение — явления одной природы.

В это же время двое французских ученых, Ансельм Пайен и Ж.-Ф. Персо, произвели нечто подобное в отношении экстракта из солода (вымоченного ячменя). В 1833 году они получили фермент, способный расщеплять крахмал на сахар. Сахар этот получил название «мальтоза», от английского «malt» — «солод», а сам фермент — «диастаза». Пайен оказался первопроходцем в деле присвоения имен классам химических веществ. Введенный им термин «целлюлоза» завел моду на окончание «-оза» для Сахаров, а со введением названия «диастаза» и все остальные ученые стали давать открываемым ферментам названия, заканчивающиеся на «-аза» (правда, в течение какого-то периода ферментам, задействованным в пищеварении, все же давали окончания на «-ин», по аналогии с пепсином).

А выделение различных ферментов — продолжалось. Немецкий химик Юстус фон Либих, вместе с Вёлером, занимался изучением экстрактов горького миндаля — к тому моменту было уже известно, что его действие приводит к распаду вещества растительного происхождения под названием «амигдалин». К 1837 году ученые решили, что в экстракте содержится некий фермент, которому было дано название «эмульсин». Тогда же французский химик Опост Пьер Дюбранфо сумел выделить из дрожжей экстракт, с помощью которого можно было вызывать распад сахарозы на более простые сахара — глюкозу и фруктозу. Он назвал это вещество «инвертазой».

Как оказалось, механизмы действия ферментов, как и катализаторов, совершенно не нарушают законов термодинамики. Ферменты изменяют лишь скорость реакции, но никак не положение точки равновесия (см. главу 9). В этом отношении оказалось, что живые организмы не имеют особенных свойств, которых был бы лишен мир неживой природы.

Однако позицию сторонников «жизненной силы» такие рассуждения могли лишь пошатнуть, но не разрушить. Да, все эти выделенные ферменты — органические вещества, и они способны катализировать определенные реакции, но лишь те (по крайней мере, так казалось в тот момент), которые сходны с расщеплением продуктов в пищеварительном тракте. А все процессы, происходящие в пищеварительном тракте, нельзя рассматривать как «жизненные» в полном смысле слова, поскольку они проходят вне живых тканей.

Далее сторонники «жизненной силы» настаивали на том, что изолированные ферменты не способны и никогда не будут способны катализировать реакции, происходящие внутри самих тканей, например превращать раствор сахара в спирт. На такое способны только цельные живые клетки дрожжей, и внутриклеточный энергообмен все еще оставался делом загадочным.

Для того чтобы еще больше подчеркнуть важность «духа жизни», они ввели разделение ферментов на две категории — на участвующие и не участвующие в процессах жизнедеятельности, назвав первые «организованными ферментами», а вторые, соответственно, «неорганизованными».

В 1876 году немецкий физиолог Вильгельм Кюне продвинулся еще на один шаг дальше. Он предложил оставить термин «фермент» только для жизненных процессов, а все неорганизованные ферменты, действующие и в отсутствие какой-либо жизни, назвать по-другому, «энзимами», что по-гречески означает «в дрожжах», поскольку одним из источников добычи этих ферментов могут служить дрожжи.

Итак, сторонники «жизненной силы» мудро отступали, сдавая одну позицию за другой, но сохраняя при этом нетронутым сам принцип своей веры, на протяжении всего XIX века. Принцип же этот заключался в том, что живая материя вследствие присутствия в ней «жизненной силы» подчиняется иным законам, нежели те, что известны нам из наблюдений и экспериментов над неживой природой.

Но вот в 1897 году немецкий химик Эдуард Бухнер решил как-то раз приготовить себе для экспериментов как можно более цельный дрожжевой экстракт. Для этого ученый тщательно перемолол дрожжевые клетки песком и профильтровал полученную массу, получив таким образом чистый сок дрожжей без единой живой клетки.

По принятым в те годы воззрениям сторонников «жизненной силы», такой дрожжевой сок являлся мертвым, а значит — и неспособным к ферментированию сахара. Так что Бухнер решил, что лучшим способом предохранить экстракт от бактериального заражения будет залить его насыщенным раствором сахарозы, известной своим свойством консервировать продукты. Однако, к его вящему удивлению, добавленная в экстракт сахароза принялась ферментироваться. Сначала в растворе стали заметны пузырьки углекислого газа, а потом — обнаружился спирт.

Процесс такой ферментации, до того считавшийся прерогативой исключительно живых существ, в данном случае оказался вызванным мертвыми химическими веществами, и именно этот факт оказался смертельным ударом по представлениям о «жизненной силе». Оказалось, что с точки зрения энергетического обмена поведение «организованных» и «неорганизованных» ферментов ничем не различается. Так стало очевидно, что законы термодинамики работают и в клетках, и вне клеток, и вообще везде.

Ферменты производятся, как правило, живыми существами, но сами по себе они таковыми не являются, и действие их не имеет никакого отношения к жизни.

Но просто назвать органические катализаторы, являющиеся свойством живой материи, «ферментами» или «энзимами» — явно недостаточно, чтобы объяснить механизм их действия.

Умы биохимиков конца XIX — начала XX века были заняты вопросом о том, какова же на самом деле природа ферментов. Как свидетельствует накопленный к этому времени уже в достаточном количестве опыт работы с катализаторами реакций неорганической химии, для осуществления реакции требуется присутствие крайне малого количества катализатора, так что вполне вероятно было предположить, что экстракты ферментов способны полноценно катализировать реакции, содержа при этом слишком мало самого фермента, чтобы его можно было полноценно проанализировать. (Впоследствии оказалось, что так оно и есть.) Кроме того, любая вытяжка из живой ткани содержит столько различных веществ сложнейшего строения, что надо обладать терпением Иова и мудростью Соломона, чтобы понять, какое же из них является ферментом, если он вообще присутствует.

Так что оставалось только изобретать непрямые подходы. Если реакция идет, значит, фермент присутствует, если реакция не идет, значит, фермент отсутствует; тогда любое условие, при котором реакция останавливается (кроме, конечно, замены самих реагирующих веществ), можно трактовать как выключение действия фермента.

К примеру, слабое нагревание до температур, еще далеких до температуры кипения воды, как правило, приводит к тому, что через несколько минут катализируемая ферментом реакция останавливается. На реагирующие вещества при этом никакого эффекта не оказывается, поскольку если их отдельно нагреть, потом остудить, а потом опять добавить к ним раствор фермента, то реакция сразу же начнется снова. А вот если нагреть, а потом остудить раствор фермента и добавить его к реагирующим веществам, то никакой реакции не произойдет. Значит, нагревание однозначно воздействует как-то на молекулу фермента, которая обладает слабой устойчивостью к высоким температурам.

Таким свойством обладают вещества одной группы — белки. Значит, ферменты — это белки? Начался сбор данных, свидетельствующих в пользу этого предположения. Стали пробовать другие виды воздействий, известных свойством приводить к распаду сложных белковых молекул (например, повышение кислотности среды или механическое взбивание раствора), и все они тоже приводили к прекращению реакций, катализируемых ферментами. Тот же эффект на реакцию оказывало и воздействие химических веществ, имеющих свойство связывать белки. Часто к прерыванию реакций, катализируемых ферментами, приводило и воздействие других ферментов, катализирующих распад белков. На основе всех этих косвенных данных в начале XX века общепринятым стало представление о том, что ферменты — это белки.

Однако в 1920 году немецкий химик Рихард Вильштеттер результатами своих работ заставил усомниться в справедливости такого воззрения. Он задался целью получить как можно более концентрированную вытяжку фермента, очистить ее от всего, от чего только получится. В итоге у ученого получился раствор с высокой каталитической активностью (что свидетельствует о наличии высокой концентрации фермента), но полностью лишенный какой бы то ни было белковой составляющей. Вильштеттер использовал все известные тесты на наличие белка в полученном растворе — и все они давали отрицательный результат. Белка не было.

Конечно, можно было предположить, что сам фермент содержится в растворе в неуловимо малом количестве, или сослаться на несовершенство тестов того времени (собственно, и то и другое впоследствии подтвердилось), но Вильштеттер оказался не столь скрупулезен. Он сделал четкий вывод: чем бы ни был фермент, это уж точно не белок. Ко мнению Вильштеттера — известного химика, лауреата Нобелевской премии — не могли не прислушаться, и представление о том, что фермент — это белок, исчезло из научной картины мира лет на десять.

А между тем в Америке мирно работал биохимик по имени Джеймс Батчеллор Самнер, занимаясь изучением растения под названием «карна-валия мечевидная». Из этого растения ученый извлек вытяжку, которая катализировала распад мочевины на аммиак и углекислоту. По общепринятым правилам, новооткрытый фермент получил название «уреаза». Дальше Самнер выделил из уреазы маленькие кристаллики, раствор которых в чистой воде, как обнаружил химик, к своему удивлению, оказывал то же действие, что и сама уреаза.

Как ни старался Самнер в дальнейшем добиться действия вытяжки в отсутствие кристаллов, этого сделать не удалось. Разрушались кристаллы — прекращалось и действие, и в конце концов Самнер решил, что в кристаллической форме ему удалось выявить сам фермент. А поскольку результаты всех тестов свидетельствовали о том, что кристаллы состоят из белкового вещества, то пришлось признать, что как минимум один конкретный фермент — уреаза — все же является белком.

Авторитет Вильштеттера был так велик, что сперва открытию Самнера особого значения никто не придал. Но в 1930 году еще один американский биохимик, Джон Говард Нортроп, объявил, что ему с коллегами удалось выделить в кристаллической форме еще несколько ферментов, и среди них — пепсин. Тут же последовал ряд аналогичных достижений со стороны других ученых, и всякий раз выделенные кристаллы оказывались белками.

Так теория Вильштеттера рассыпалась под напором фактов, и в 30-х годах XX века навсегда было установлено, что ферменты принадлежат к белкам. Так что сейчас мы смело можем говорить о том, что ферменты — это «белковые катализаторы», или «катализирующие белки».

Глава 16. ПОДРОБНЕЕ О БЕЛКАХ

В свете всего описанного в предыдущей главе мы можем еще раз попробовать провести разграничение между живой и неживой природой, между ящерицей и камнем. Давайте попробуем.

Живой организм отличается способностью производить локальное и временное уменьшение энтропии путем химических реакций, катализируемых ферментами.

«Временной» эта способность названа с учетом того, что ящерица не пробудет живой дольше нескольких лет, даже если полностью удовлетворять все ее потребности. Лишь несколько видов животных (человек и некоторые черепахи) живут по сто лет, и лишь некоторые деревья — по тысяче, тогда как неживой предмет, скажем скала, может оставаться неизменным миллиарды лет, а то и бесконечно.

Таким образом, химические реакции, катализируемые ферментами, представляют собой важную часть определения. Именно их наличие отличает живой организм от систем, в которых локальное уменьшение энтропии достигается за счет подключения внешних источников энергии, таких как солнечный свет или внутреннее тепло Земли, и от рукотворных механизмов, в которых локальное уменьшение энтропии достигается за счет тепловых машин, химических батарей и т. п.

В некотором смысле, конечно, наше определение условно. Зачем подчеркивать важность ферментов? Рукотворные компьютеры и технические средства становятся с каждым годом все ближе и ближе к живым существам и даже к самому человеку. Скоро им станут доступны даже такие абстракции, как мышление, суждение, обучение… Можно ли поручиться, что рукотворные предметы никогда не поднимутся на уровень сложности, равный уровню сложности живых существ? А если это произойдет — сможем ли мы отказать им в праве называться «живыми» на том основании, что они не имеют никакого отношения к реакциям ферментации? А если на каком-то этапе разработки искусственных механизмов в них будут включены и ферменты? Достаточно ли этого, чтобы счесть машины живыми?

Или — с другой стороны (не с такой уж и невероятной, как показывают события последних лет): что, если на других планетах обнаружатся объекты, обладающие всеми свойствами, которые принято приписывать живым существам, — возможно, даже разумом? Если химическая природа этих предметов не будет иметь ничего общего с ферментами или даже с белками вообще, если в них не будет происходить совсем никаких химических реакций — сможем ли мы счесть их живыми?

Задумываясь над этими вопросами, остается только пожалеть, что гипотеза о «жизненной силе» оказалась несостоятельной. Вот если бы она была верна, и действительно существовало бы два отдельных свода законов природы — один для живых существ, другой для неживой материи, — то тогда действительно можно было бы составить точное, корректное и безошибочное определение. Живой организм — это тот, который подчиняется таким-то законам, а неживой предмет — таким-то.

Увы, все объекты во Вселенной — и живые, и неживые — существуют по одним и тем же правилам, и поэтому так трудно провести разграничительную линию. Если сделать определение слишком широким — то под него обязательно подпадет какая-нибудь звезда или даже Солнечная система, а чересчур сужая определение, можно сделать его слишком антропоморфным.

Один из вариантов решения этой проблемы — признать саму задачу принципиального различения между живой и неживой материей несущественной. Понятно, что любая попытка провозгласить принцип разделения, прежде всего, окажется попыткой выражения личных пристрастий провозглашающего. Ведь уже само представление о том, что все объекты должны строго делиться на две категории, живых и неживых, — это предрассудок, не имеющий под собой реального обоснования. На самом деле суть в том, что материя может организовываться как простыми, так и сложными способами, и часть сложных способов, которыми самоорганизовывается материя, принято называть «жизнью», а принципиальной границы между этими способами и близкими к ним провести невозможно.

Лично я считаю именно так, но беда в том, что для целей нашей книги эти рассуждения являются «абсолютно верными и абсолютно бесполезными». Условные определения не обязаны представлять собой Истину с большой буквы, главное — чтобы они помогали мыслить и чтобы их условность не отрицалась и не скрывалась. Вот, например, разделение химии на органическую и неорганическую до сих пор соблюдается не потому, что оно истинно, а просто потому, что это удобно.

Таким образом, признавая условность и возможную несостоятельность нашего определения перед лицом будущих успехов человека на ниве роботостроения и космических исследований, я выделил приведенное определение курсивом как пример адекватного ситуации и полезного принципа разделения живых и неживых существ. Оно коротко, просто, ясно и охватывает все примеры, которые вы или я можем встретить в мире на данном этапе развития человечества.

Итак, придя к удовлетворительному, с моей и, надеюсь, с вашей точки зрения, определению разницы между живой и неживой материей, одной из поставленных целей мы добились. Но было бы странно этим и ограничиться, поскольку ряд волнующих вопросов так и остался пока без ответа.

В конце концов, ведь химические реакции и катализаторы встречаются во множестве явно неживых систем. Реакции, происходящие в живых и неживых системах, в основном похожи и подчиняются одним и тем же законам природы. Так почему же разница в катализаторах приводит к таким кардинальным различиям, какие мы видим между живой и неживой природой?

Никто не спорит с тем, что пчела — более тонкий и сложный механизм, чем самолет, а мышь — более удивительная конструкция, чем гора.

Если такую разницу создает одно лишь присутствие фермента, то давайте же присмотримся к нему пристальнее.

Если сравнивать ферменты с обычными катализаторами из неорганических систем, то в глаза бросается множество различий. Ферменты гораздо более хрупки, их легче отключить, они более требовательны к условиям функционирования — им нужны строго определенный уровень температуры и кислотности, присутствие в небольших количествах одних ионов, полное отсутствие других и так далее.

Кроме того, ферменты в высшей степени специализированы. Если неорганические катализаторы, подобные платине или кислотам, способны ускорять множество реакций, то ферменты могут катализировать их лишь строго ограниченное количество. Очень часто один фермент проявляет способность катализировать лишь одну-единственную реакцию, никак не влияя на ход других, как бы они ни были на нее похожи.

Причиной этих различий (скорее количественных, чем качественных, но тем не менее бросающихся в глаза) является различие в строении неорганических катализаторов и ферментов. Ферменты — это белки, а другие катализаторы — нет. И естественно предположить, что необычные свойства ферментов — следствие их белковой природы.

С этого и начнем.

На протяжении XIX века про молекулы белков точно знали только одно — что они большие.

Так, в 1860 году шотландский химик Томас Грэм обнаружил, что если с помощью листа пергамента разделить раствор некоего вещества в воде на участки с собственно раствором и чистой водой, то частицы растворенного вещества часто все же могут проникнуть через бумажную мембрану в «очищенную» часть. Химические тесты того времени позволяли легко обнаружить их.

Но оказалось, что таким свойством обладают далеко не все растворимые вещества. Поваренная соль и другие неорганические вещества проходят сквозь пергамент без проблем. Такие органические вещества, как сахара, — тоже. А вот растворенный белок так и остается по «свою» сторону пергамента. Грэм разделил все вещества на две категории — те, растворы которых проходят сквозь пергамент, и те, растворы которых не проходят. Поскольку проходящие сквозь пергамент вещества при испарении раствора легко проявляются в виде кристаллов, то он назвал их кристаллоидами, а клееобразные белковые растворы — «коллоидами», от греческого слова «колла» — «клей».

Самое простое (и, за некоторыми уточнениями, верное) объяснение этому явлению кроется в том, что в пергаменте есть микроскопические поры, сквозь которые маленькие молекулы пролезают, а большие — нет. В результате пергамент и подобные ему мембраны — в первую очередь мембраны, окружающие живые клетки, — стали называть полупроницаемыми.

Так появился один из самых распространенных ныне способов очистки белковых растворов. Раствор белка помещали в мешок из полупроницаемой мембраны (в те времена самым распространенным материалом такого рода оказывалась колбасная оболочка — кишка) и подвешивали в проточной воде. Все вещества с малым молекулярным весом просачивались сквозь мембрану и смывались, а большие белковые молекулы оставались в мешке. Этот процесс носит название «диализ», или «мембранная сепарация» (рис. 23).

Тот факт, что белки не проходят сквозь полупроницаемую мембрану, устанавливает нижнюю планку размера белковой молекулы; тот факт, что белки все же растворяются, — верхнюю. Последний момент надо объяснить подробнее.

На каждую растворенную в воде частицу действуют две противоположно направленные силы. Первая — это сила тяжести, тянущая частицы вниз (предположим, что их плотность больше плотности воды; как правило, это так и есть), а вторая — это бомбардировка молекулами воды, постоянные случайные удары, поддерживающие вещество в равномерно растворенном состоянии. (Если частицы несут электрический заряд, то есть еще притягивающие и отталкивающие электрические силы, но этого момента мы сейчас касаться не будем.)

Для частиц любого видимого размера самой важной является сила тяжести, поэтому в конечном итоге они тонут. Однако чем меньше частица, тем большее значение приобретает бомбардировка молекулами и тем меньше становится скорость осаждения вещества. Описанное мной распределение явно видно, если горсть земли бросить в миску с водой. Любые камушки, если таковые там окажутся, тут же опустятся на дно. Чуть позже осядут и частицы чуть покрупнее, потом — помельче, наконец, — самые крохотные. В итоге в воде останется взвесь, поскольку какие-то частицы так и не опустятся на дно, потому что они настолько малы, что молекулярная бомбардировка нивелирует действие силы тяжести, сводя скорость их осаждения до крайне малых значений, а то и до нуля.

На самом деле частицы, чей размер достаточно мал, чтобы они оставались во взвешенном состоянии вечно, глазом неразличимы. Однако для того, чтобы рассеивать свет, их размера вполне достаточно — это явление обнаружил в 70-х годах XIX века британский физик Джон Тиндаль, и в его честь оно называется «эффект Тиндаля». Если пропустить через такой раствор луч света и посмотреть на емкость с раствором под прямым углом к лучу, то луч будет выглядеть как светлый туннель, проходящий сквозь туман. Именно благодаря взвеси мельчайших частиц, рассеивающих свет в направлении глаза наблюдателя, и виден луч.

Если же вместо человеческого глаза за происходящим наблюдает специальный микроскоп («ультрамикроскоп»), то через него видны и сами частицы в виде ярких точек.

Чем меньше частицы, тем слабее эффект рассеивания света, и когда их размер уменьшается настолько, что они уже могут проходить сквозь полупроницаемую мембрану, то эффект становится незаметным, и физики говорят, что раствор «оптически чист».

В растворах белков эффект Тиндаля наблюдается. С учетом того, что белковые молекулы достаточно велики, чтобы полупроницаемые мембраны оказывались для них непреодолимыми, и при этом достаточно малы, чтобы пребывать во взвешенном состоянии, в целом можно сказать, что они «коллоидных размеров».

«Коллоидные размеры» включают от 1 до 1000 миллимикронов в диаметре (напомню, миллимикрон — это одна миллиардная метра). Даже самые маленькие из коллоидных частиц должны состоять, соответственно, из тысяч атомов, а самые крупные — из триллионов. А средний вес одного атома молекулы белка — 7. Соответственно, можно сказать, что молекулярный вес белков, раз они лежат на отрезке «коллоидных размеров», — от 7000 до 7 000 000 000 000.

Столь большой разброс никак не может нас устроить в качестве «точных данных», но даже его достаточно, чтобы понять, что молекулы белка гораздо крупнее, чем молекулы таких веществ, как поваренная соль (молекулярный вес 58,5) или глюкоза (180).

В последней четверти XIX века ученые взялись за проблему установления точных значений молекулярных весов огромных молекул вроде белков. Один из способов добиться этого — диализ. Если с одной стороны полупроницаемой мембраны находится белковый раствор, а с другой — чистая вода, то молекулы воды могут свободно перемещаться сквозь мембрану в обоих направлениях. Однако со стороны раствора крупные молекулы белков «забивают» микропоры, через которые могла бы пройти вода.

В результате молекулы воды из половины с чистой водой в половину с раствором белка переходят активнее, чем наоборот, и получается течение из одной половины в другую, отчего и образуется разность уровней воды между двумя половинами. Из-за этой разности уровней давление в половинке с раствором становится выше, и его компенсирующее действие прекращает перетекание воды.

Такое неравномерное перетекание воды получило название «осмос» (от греческого слова, означающего «толкать»), а создаваемое им давление — «осмотическое» (рис. 24). Величина осмотического давления зависит от количества крупных молекул, блокирующих поры, — чем их больше, тем выше давление.

Теперь предположим, что у нас имеется некое количество белка, точный вес которого известен. Чем крупнее его молекулы, тем меньше их будет в образце вещества одного и того же веса. То есть для образца белка, вес которого известен, чем ниже осмотическое давление, тем больше молекулярный вес.

Первым измерить осмотическое давление в различных коллоидных растворах попытался в 1877 году немецкий ботаник Вильгельм Пфеффер. К 1885 году голландский специалист в области физической химии Якоб Хендрик Вант-Гофф вывел точную формулу зависимости осмотического давления от молекулярного веса вещества, и началась полномасштабная доработка методики.

К 1917 году методы определения молекулярного веса через измерение осмотического давления стали уже вполне надежными. В этот год датский химик Серен Петер Лауриц Сёренсен объявил, что молекулярный вес яичного белка (того самого первого белка, который дал название всем остальным!) — 34 000. Вскоре после этого было установлено, что молекулярный вес гемоглобина (главного белка красных кровяных телец) — 67 000.

К сожалению, когда молекулярный вес вещества доходит до сотен тысяч, осмотическое давление падает до столь малых значений, что получение каких-либо точных данных становится делом уже невозможным. Поэтому установить молекулярный вес многих важных белков так и не смогли. Однако уже к 1925 году стало ясно, что молекулярный вес белков редко опускается ниже 10 000, а у многих важных белков — превышает 100 000.

Одновременно с исследованиями проникновения через мембрану шло и параллельное наступление на тайны белков — со стороны изучения их осаждения. Как я уже говорил, чем мельче частицы, тем медленнее они осаждаются. К сожалению, все белковые молекулы достаточно малы, чтобы скорость их осаждения равнялась нулю, так что большие белковые молекулы от маленьких белковых молекул таким образом отличить невозможно — по крайней мере, при обычных условиях.

Чтобы сделать возможным практическое использование скорости осаждения, надо сделать что-то равносильное усилению силы тяготения (до такого уровня, при котором белковые молекулы все же начинают осаждаться, каждая со своей скоростью, определяемой ее размером). Изменить силу тяготения как таковую человек пока еще не в силах, но того же результата можно добиться и с помощью другого явления. Если сосуд с жидкостью быстро вращать, то его содержимое будет сдвигаться от центра вращения в сторону стенок. Во многих отношениях этот центробежный эффект сродни силе тяготения, и, как и сила тяготения, он тоже приводит к осаждению взвесей. Но для центробежной силы, в отличие от силы тяготения, ничего не стоит установить желаемую величину.

В 1925 году шведский химик Теодор Сведберг разработал «ультрацентрифугу», которая могла производить столь быстрое вращение, что белковые молекулы под его действием принимались осаждаться из раствора (сейчас возможно создание центрифуг, имитирующих силу тяжести в 500 000 раз больше действительной).

С помощью оптических устройств можно отследить изменения скорости осаждения по мере разгона центрифуги. Если в растворе присутствует более одного белка, то можно отслеживать скорость осаждения каждого из них в отдельности. (Скорость осаждения зависит не только от веса, но и от формы молекулы, вытянутая молекула будет осаждаться быстрее, чем круглая, при одинаковом весе, так что для того, чтобы по скорости осаждения можно было адекватно судить о молекулярном весе вещества, надо сначала отдельно установить форму молекулы.)

С началом использования ультрацентрифуги количество белков с известным молекулярным весом пошло в гору. Выяснилось, что молекулярный вес белка фибриногена (присутствующего в крови и обеспечивающего свойство сворачиваемости) — 330 000, гемоцианина (синеватого белка, присутствующего в крови морских животных) — 4 000 000, а белков, из которых состоят вирусы, — более 10 000 000.

Однако сейчас нас интересуют ферменты, а это — не самые крупные из белковых молекул. Молекулярный вес подавляющего большинства ферментов — от 10 000 до 500 000, и очень немногие ферменты лежат вне этих рамок.

Но сам по себе большой размер молекулы фермента по сравнению с молекулами других катализаторов еще не может служить объяснением его необычных свойств. Многие органические молекулы других типов тоже имеют огромные размеры — крахмал, целлюлоза, резина, множество синтетических пластмасс, — но свойствами ферментов они при этом не обладают.

Одно из основных различий между белками (в том числе ферментами) и другими огромными молекулами заключается в том, как легко белки разрушаются. Можно, конечно, сказать, что чем крупнее молекула, тем сложнее удержать ее в целостности в условиях вибраций или высоких температур. Но почему на белки это правило распространяется, а на другие огромные молекулы — нет? Сам по себе размер не означает хрупкости. Древесина состоит из огромных молекул, но она достаточно прочна, чтобы служить строительным материалом и выдерживать сильнейшие вибрации без каких-либо видимых последствий.

Так что дело явно в чем-то другом.

Две структуры одинакового размера могут иметь разную стабильность, в зависимости от природы своих составляющих. Трехметровой высоты дом из деревянных блоков — это просто воплощение стабильности, особенно по сравнению с такой же высоты строением из игральных карт. Можем ли мы сравнить составляющие белков с глюкозой, из которой состоят крахмал и целлюлоза, и выяснить, в чем же между ними разница?

Установить составляющие единицы белка оказалось сложнее, чем других огромных молекул, хотя французский химик А. Браконно взялся за это довольно рано. Успешно разложив с помощью методов Кирхгофа (нагреванием с использованием кислоты) ряд углеводов, в 1820 году он обратил внимание на белок желатин.

Это вещество тоже оказалось очень просто разложить с помощью кислоты, и в результате были получены сладковатые кристаллы, которые ученый, разумеется, счел разновидностью сахара. Браконно назвал полученное вещество «желатиновым сахаром». Однако вскоре выяснилось, что из этих кристаллов можно выделить аммиак (NH₃), а значит, обычным сахаром они быть не могут, если в них содержатся атомы азота. В итоге вещество получило название «глицин», от греческого слова, означающего «сладкий», с добавлением суффикса «-ин», типичного для азотсодержащих веществ.

Однако это открытие не решило задачу установления структурной единицы белка. Да, другие огромные молекулы состоят из одного и того же структурного элемента, который достаточно определить один раз, но белки — другое дело. Были обнаружены и другие блоки, похожие на глицин. Один из них открыл сам Браконно, назвав его «лейцин», и список этих веществ пополнялся на протяжении всего XIX века и части XX века.

Точное число их назвать нелегко, поскольку некоторые встречаются лишь в нескольких белках, и непонятно, включать ли их в общий список. Общепринято говорить о девятнадцати веществах, присутствующих в числе продуктов распада практически всех крупных белков. Их названия приведены, в порядке открытия, в таблице 5.

Конечно, на самом деле этот список не так уж разнороден, как может показаться. У всех этих веществ много общего. В частности, каждое имеет в своем составе соединение, именуемое «карбоксильной группой» и обладающее кислотными свойствами, и комбинацию атомов под названием «аминогруппа». Последний факт подтолкнул Берцелиуса еще в 1848 году назвать все эти вещества «аминокислотами», — и это название было принято. Соответственно, все белки состоят из аминокислот.

Во всех случаях карбоксильную группу отделяет от аминогруппы лишь один атом углерода, то есть все молекулы аминокислот, составляющих белки, имеют вот такой «скелет»:

В состав самой простой (и самой первой из обнаруженных) аминокислоты — глицина — входят два атома водорода, каждый из которых прикреплен напрямую к тому самому центральному атому углерода, и больше в молекуле глицина нет ничего. Во всех прочих аминокислотах к центральному атому углерода тоже прикреплен, помимо карбоксильной и аминогруппы, один атом водорода, а вот вместо второго имеется более-менее сложная углесодержащая группа атомов, именуемая «радикалом». Так что полную схему углекислоты можно записать так:

Как видно, все аминокислоты структурно похожи друг на друга и различаются только тем, что у них разные радикалы.

К концу века, когда из белков уже было выделено с десяток аминокислот, стало понятно, что пора приступить и, наоборот, к синтезу белка из аминокислот. Этой проблеме посвятил свою работу немецкий химик Эмиль Фишер. Он терпеливо создавал аминокислотам одно за другим все условия, которые могли стимулировать соединение органических веществ.

В 1907 году ему удалось собрать молекулу, состоящую из восемнадцати аминокислот — пятнадцати глицинов и трех лейцинов. Сейчас такие короткие цепочки аминокислот называют пептидами, от греческого слова, означающего «пищеварение», потому что они являются продуктами первого шага расщепления белков при пищеварении.

Достижение Фишера навсегда положило конец любым спорам о том, являются ли аминокислоты строительными кирпичиками для белков. Полученное им вещество, состоящее из восемнадцати аминокислот, проявляло все свойства, которые только можно было ожидать от простейшего белка. Ученый продемонстрировал, что при формировании цепочки карбоксильная группа одной аминокислоты соединяется с аминогруппой другой, так что скелет пеп тидов выглядит примерно так:

Центральный атом углерода каждой из участвующих в цепочке аминокислот имеет собственный радикал (в случае с глицином в роли радикала выступает единственный атом водорода), так что пептид можно рассматривать как однородную цепочку, из которой торчат различные радикалы, тип и порядок расположения которых отражает расположение в цепочке различных аминокислот.

Связь между карбоксильной группой и аминогруппой, впервые продемонстрированная Фишером, называется «пептидной», и накопленные с тех пор данные позволяют с наибольшей уверенностью, какую только может позволить себе наука вообще, говорить о том, что все существующие в природе белки состоят из аминокислот, скрепленных между собой пептидными связями.

С тех пор разработано уже много новых методов синтеза пептидных цепочек. С помощью метода, изобретенного в 1947 году израильским ученым Е. Качальским, при котором изначально используются несколько видоизмененные молекулы аминокислоты, можно создавать пептидные цепочки длиной до 200 аминокислот.

Как видите, природа строительных элементов для белков уже сама по себе заставляет видеть в белках нечто принципиально отличное от любых других огромных молекул. Молекулы крахмала и целлюлозы состоят из одинаковых единиц — из глюкозы. Огромная молекула инулина (крахмалоподобного соединения, производимого иерусалимским артишоком) состоит исключительно из фруктозы. Резина — только из углевода под названием «изопрен». Гиалуроновая кислота — скользкое вещество, служащее для уменьшения трения в суставах живого организма и встречающееся в межклеточном пространстве, — состоит из двух равномерно чередующихся разновидностей сахара. Все синтетические пластмассы состоят либо из одинаковых единиц, либо из двух видов единиц, чередующихся в составе вещества равномерно.

Соответственно, молекулы крахмала могут различаться между собой только количеством составляющих их единиц глюкозы; молекулы инулина — количеством единиц фруктозы и так далее. Разумеется, и этого достаточно, чтобы разница между представителями одного и того же вида огромных молекул была гораздо больше, чем между представителями одного вида меньших молекул, но все равно это ничто по сравнению с разнообразием, которое представляют белки.

Молекулы белка состоят из девятнадцати разных аминокислот (плюсминус одна), которые в той или иной молекуле могут быть представлены в любом количестве каждая, и порядок их размещения в пептидной цепочке тоже может быть любым. И любое изменение в размещении аминокислот приводит к появлению молекулы уже с другими свойствами. Белковые молекулы могут различаться между собой не только тем, что в состав одной входит восемнадцать аминокислот, а другой — девятнадцать. Две молекулы, состоящие обе из восемнадцати или девятнадцати аминокислот, могут разительно отличаться порядком расположения аминокислот, а значит, и своими свойствами.

Сколько же возможно в принципе таких вариаций? Допустим, строится молекула, в которой должно присутствовать по одной из каждых девятнадцати видов аминокислот. Начать можно с любой из девятнадцати, это дает нам уже девятнадцать вариантов. Далее продолжить каждый из них можно с помощью каждой из восемнадцати оставшихся аминокислот, так что мы имеем уже 19 х 18 сочетаний, каждое из которых можно продолжить с помощью каждой из 17 оставшихся, и так далее.

Продолжая рассуждать таким образом, мы получаем общее число возможных вариантов 19 x 18 x 17 x 16 x 15 x 14 x 13 x 12 x 11 x 10 x 9 x 8 x 7 x 6 x 5 x 4 x 3 x 2 x 1— такую последовательность называют «19 факториал» и записывают как 19! (цифра, а рядом с ней — восклицательный знак). Факториалы очень быстро достигают невообразимых значений — в данном случае вы и сами можете просчитать величину 19!, а если не хотите — то поверьте мне на слово, что получится число больше сотни квадриллионов (точнее, 121 646 600 408 832 000).

Соответственно, даже если ограничить возможность повторения одной и той же аминокислоты в цепочке одним разом, то из девятнадцати аминокислот можно построить более ста квадриллионов различных веществ с различными же свойствами.

На самом же деле белки состоят из гораздо большего количества повторяемых аминокислот. Гемоглобин, молекулярная масса которого 67 000, состоит из 539 аминокислот. Разумеется, они не могут быть все разными, что в значительной степени снижает количество возможных вариантов, но даже в этом случае получится величина порядка 4 x 10⁶¹⁹, то есть четверки с 619 нулями.

Представить себе такое число невозможно. Достаточно просто уяснить себе, что количество различных белков, которые можно построить из девятнадцати аминокислот, как и количество различных книг, которые можно написать с помощью двадцати шести букв латинского алфавита, — для всех практических соображений следует счесть бесконечным.

С точки зрения энергетических соображений значение столь большого числа, с одной стороны, совершенно ясно, а с другой — очень интересно. Сравнительно несложно просто собрать вместе некоторое количество аминокислот, как это сделали Фишер или Качальский. Это равносильно тому, что собрать несколько игральных карт и просто сложить их в стопку не глядя.

Конечно, в стопке карт порядка больше, чем в картах, рассыпанных по полу, то есть и при такой сборке энтропия уменьшается (вспомните отношения между энтропией и порядком, описанные в главе 6). Соответственно, создание пептида из аминокислот — это процесс, связанный с уменьшением энтропии.

Однако образование некоего определенного белка, например гемоглобина, из практически неисчерпаемого набора аминокислот, можно сравнить с упорядочиванием карт в колоде по некоему строго определенному образцу. При этом порядок возрастает (а энтропия, следовательно, уменьшается) многократно. Работа, совершаемая организмом при формировании белка, достойна восхищения, потому что он не просто объединяет аминокислоты в пептидную цепь, но соединяет их в строго заданную пептидную цепь!

Именно поэтому невозможно вывести формулу какого-либо белка путем простого подсчета атомов. Если провести такую попытку, то в результате мы получим что-то вроде C₁₈₆₄H₃₀₁₂O₅₇₆N₄₆₈S₂₁. Это, конечно, настоящая формула, и ей соответствует, к примеру, присутствующий в молоке белок беталактоглобулин. Но понять из такого «индекса атомов», из каких аминокислот состоит белок, невозможно, а значит, и пользы в нем практически нет никакой. Молекулу белка надо рассматривать с точки зрения аминокислотного, а не атомного состава.

Простой способ анализа аминокислотного состава белка заключается в том, чтобы путем нагревания в кислоте разложить белок на аминокислоты и проанализировать полученную смесь на наличие каждой из аминокислот по отдельности. К сожалению, смесь получается слишком сложной, а свойства некоторых аминокислот слишком похожи, так что полноценно разделить смесь на отдельные аминокислоты не представляется возможным. До 1940 года анализу аминокислотного состава белков не хватало точности и полноты.

Однако в 1944 году двое английских биохимиков, А. Мартин и Р. Синг, изобрели бумажную хроматографию. Метод заключается в том, чтобы капнуть немного смеси аминокислот на лист очень пористой (фильтровальной) бумаги и дать листу высохнуть, после чего аминокислоты оказываются прочно скованными в листе. Тогда по капиллярам в бумаге начинают вытягивать органическую жидкость, например бутиловый спирт (близкий к известному нам этиловому спирту).

Когда бутиловый спирт проходит через пятно аминокислот, то каждая из них оказывается под действием двух сил: одна — удерживает присохшие кислоты на месте, другая — тянет их двигаться дальше вместе со спиртом. В итоге каждая кислота действует неким компромиссным образом (поскольку каждая из них, благодаря разнице в химическом составе, имеет свой показатель растворимости в воде и в бутиловом спирте). То есть скорость движения аминокислот по листу вместе со спиртом — своя для каждой аминокислоты, и через некоторое время все аминокислоты оказываются «разнесенными» по листу. Вот теперь можно разделить и подвергнуть тщательному анализу составляющие даже очень сложной смеси аминокислот.

С помощью метода бумажной хроматографии большинство белков были проанализированы на аминокислотный состав. К примеру, в таблице 6 приводится количество каждой из девятнадцати аминокислот, обнаруженных в альбумине — белке, встречающемся в плазме крови человека.

Разумеется, просто знать количество каждой из аминокислот в молекуле белка недостаточно. Надо было еще установить, в каком порядке они располагаются.

Эта задача казалась вообще неразрешимой. Количество возможных перестановок даже в самых маленьких белковых молекулах так велико, что попытки угадать фактическое их расположение сродни поиску иголки не то что в стоге сена, а в целом поле стогов сена.

Однако в конечном итоге человеческому гению эту задачу удалось решить. Это сделал английский биохимик Фредерик Сенгер со своими коллегами. Сенгер работал с инсулином, молекула которого сравнительно мала — этот белок состоит всего из 50 аминокислот, и его молекулярный вес — всего 6000. (Впрочем, даже и в этом случае количество возможных комбинаций аминокислот, присутствующих в известном соотношении, тоже значительно превышает 10¹⁰⁰ — то есть единицу со 100 нулями.)

Методика Сенгера в упрощенном виде выглядит так: молекулу белка расщепляют не полностью, а частично, так чтобы на выходе получались не отдельные аминокислоты, а пептидные цепочки из двух, трех или четырех аминокислот. Порядок аминокислот в этих цепочках уже можно установить, а от них — перейти к порядку аминокислот в более крупных фрагментах, и в итоге — получить порядок аминокислот в самой изначальной цепочке.

Конечно, все это сделать не так просто. В реальности работа оказалась кропотливой, долгой и крайне сложной. Тем не менее к 1953 году (не прошло и десяти лет с момента начала работы) строение инсулина уже было точно установлено. В частности, ученым удалось четко выяснить, чем именно свиной инсулин отличается от бычьего — какая именно аминокислота заменяется на другую.

Затем по этой же методике было установлено строение и других, более сложных белковых молекул. К 1959 году была столь же точно выявлена и структура фермента «рибонуклеаза», в состав которого входит уже 121 аминокислота.

После того как порядок аминокислот в белках был установлен, можно было вплотную приступать к решению загадки столь масштабного уменьшения энтропии, какое имеет место в организме при синтезе строго определенной белковой молекулы. Эта задача оказалась совсем непростой. Процесс построения белка выполняется в несколько шагов, на каждом из которых к строящейся цепочке должна добавляться строго определенная аминокислота, и только она одна. Естественно, в качестве первых целей выбирались самые простые белки. Так, первой искусственно синтезированной молекулой стал окситоцин — гормон гипофиза. Автором этого открытия стали американский биохимик Винсент дю Виньо и его коллеги в 1953 году. Молекула окситоцина миниатюрна по белковым меркам — она состоит всего из восьми аминокислот, так что и белком-то его в принципе можно назвать с натяжкой, однако сам факт был принят научным сообществом с восторгом. Главное — что синтезированный продукт проявил все свойства натурального, и, таким образом, с помощью синтеза на практике было доказано, что молекулярное строение гормона установлено верно.

В 1960 году другой американский биохимик, Клаус Хофман, продвинулся еще дальше, синтезировав цепочку из 23 аминокислот — часть молекулы еще одного продукта гипофиза, адренокортикотрофного гормона.

Вообще, химики с каждым годом добиваются все большего успеха в изучении строения белковых молекул, а если учесть, что реальная работа в этом направлении началась относительно недавно, то в ближайшем будущем можно ожидать в этой области больших достижений.

Но во всем, о чем я до сих пор рассказывал, причина хрупкости белковой молекулы до сих пор не затрагивалась.

Глава 17. СЛАБОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ

Можем ли мы быть уверены, что одного лишь большого размера достаточно, чтобы молекула оказывалась столь непрочной? Очевидно, это не так, если взять для примера хоть молекулу целлюлозы — она очень велика, но при этом очень прочна. Да и полипептидная цепочка не обладает повышенной хрупкостью по сравнению с другими длинными молекулярными цепочками, поскольку нам известны белки, состоящие из цепочек аминокислот, связанных пептидными связями, еще менее хрупкие, чем молекулы целлюлозы.

Лучшим примером такого вещества является белок фиброин, имеющий довольно простую для белка структуру. Пять шестых всех составляющих его аминокислот — это глицин, аланин и серии, имеющие самое простое строение. Другие аминокислоты представлены слабо, а пять — отсутствуют вообще. И все же фиброин — это белок, который состоит из аминокислот, скрепленных вместе пептидными связями. Нам это вещество знакомо в первую очередь по волокнам. Оно является главной составляющей шелка. А поскольку шелковая лента прочнее, чем хлопчатобумажная (состоящая по большей части из целлюлозы), то приходится признать, что полипептидная цепочка сама по себе еще не является залогом хрупкости.

И тем не менее факт остается фактом: большинство белковых молекул, в том числе — все ферменты, хоть и состоят из тех же компонентов, что и фиброин, и скреплены воедино теми же связями, все же претерпевают необратимые изменения под воздействием достаточно слабого нагревания. Парадокс: одни и те же составляющие, скрепленные одним и тем же образом, могут оказаться и прочными, как шелк, и хрупкими, как яичный белок.

Более того, получается, что те перемены, благодаря которым сырой яичный белок превращается в твердое белое вещество яичного белка, сваренного вкрутую, не затрагивают ни аминокислот, ни связей между ними — по крайней мере, тех, которые я описал. Тепла, достаточного для того, чтобы сделать яйцо твердым, а фермент — неактивным, оказывается явно мало для того, чтобы разорвать пептидную связь. В денатурированном белке (то есть таком, который не способен более выполнять свои биологические функции) присутствуют все те же пептидные цепочки, состоящие из тех же аминокислот, что и в исходном белке до нагревания.

Разумеется, мы не можем принять представление о том, что тут имеет место что-то мистическое, лежащее вне рациональных законов природы. Если свойства денатурированного яичного белка отличаются от свойств исходного яичного белка, то, значит, между этими двумя веществами есть какая-то разница. Раз молекула белка денатурируется и при этом не разрывается ни одна связь между ее атомами, значит, существуют какие-то более слабые связи, при этом жизненно важные для сохранения особых свойств молекулы, которые разрушаются под воздействием слабых изменений окружающей среды, приводя тем самым к денатурации.

Такое предположение подтверждается и тем фактом, что иногда в денатурированных белках обнаруживаются сочетания белков, не встречающиеся в исходных белках. Чаще всего в этих сочетаниях встречается так называемая «меркаптановая группа», состоящая из атома серы и атома водорода (-S-H) (рис. 25). Она содержится в присутствующей практически во всех белках аминокислоте — цистеине.

Некоторые химические вещества могут вступать в соединение с меркаптановой группой, образуя вещество, выпадающее в виде осадка или растворяющееся, но обладающее при этом характерным цветом. (Химические вещества, используемые для обнаружения определенных атомов или сочетаний атомов с помощью облегчения их визуализации, называются «тестовыми реагентами».) Даже если сам цистеин связан в пептидной цепи, его радикал с меркаптановой группой остается свободным, и те же самые тестовые реагенты, которые вступают в реакцию с чистым цистеином, будут реагировать и с пептидной цепочкой, содержащей цистеин.

Однако многие белки, в состав которых цистеин явно входит (поскольку обнаруживается среди смеси аминокислот, на которые белок распадается под воздействием кислоты), сами по себе в реакцию с тестовыми реагентами не вступают. А вот после денатурации — запросто.

Проще всего предположить, что в природном белке пептидная цепочка имеет такую форму, при которой радикалы части составляющих ее аминокислот направлены не «наружу», а в некую «внутреннюю полость» молекулы. Если эти аминокислоты — цистеин, а следовательно, эти «изолированные» от внешней среды радикалы — меркаптан, то тестовые реагенты просто не могут дотянуться до него, чтобы вступить в реакцию. А после денатурации пептидная цепочка раскрывается, и тестовые реагенты получают доступ к меркаптановой группе.

В процессе денатурации разрушается упорядоченность трехмерной формы пептидной цепочки. Ее звенья принимают произвольное положение в пространстве. Такому увеличению беспорядка соответствует значительное увеличение энтропии. А вот для проведения обратного процесса — формирования искусно сложенного естественного белка из денатурированного — требуется уже уменьшать энтропию, а значит, подобная «ренатурация» практически невозможно (разве что на самой первой стадии процесса). Чтобы можно было представить это положение наглядно — ренатурацией был бы процесс «разваривания» яйца, сваренного вкрутую, обратно в живое яйцо.

Значит, изначальная пептидная цепочка поддерживается в «нужной» форме с помощью неких химических связей, и эти связи настолько слабы, что даже незначительное изменение условий способно их разрушить и тем самым денатурировать белок.

Перед тем как перейти к обсуждению природы этих слабых связей, на которые мы и возложим ответственность как за хрупкость белков, так и за особые свойства ферментов, мне придется сделать небольшое отступление и поговорить о природе химических связей как таковых. Мне придется повторить часть уже сказанного в главе 10, но сейчас подробностей будет гораздо больше.

С самого момента зарождения теории атомов стало ясно, что должна существовать какая-то сила, которая удерживает разные атомы в составе одной молекулы. Более того, тот образ, которым эта сила себя проявляет, оказался индивидуальной характеристикой каждого элемента. К примеру, выяснилось, что один атом водорода никогда не может присоединять к себе более одного чужого атома, один атом кислорода — больше двух других атомов, один атом углерода — больше четырех и так далее.

В 1852 году английский химик Эдуард Франкленд предложил назвать эту способность атомов словом «валентность» (от латинского слова, означающего «способность»). То есть валентность водорода — 1, как и фтора, хлора, брома, йода, натрия и калия. Валентность кислорода — 2, и такой же валентностью обладают сера, магний и кальций. Валентность азота — 3, и в эту же группу входят фосфор, мышьяк и алюминий. Валентность углерода и кремния — 4.

Валентность одного и того же элемента не обязательно всегда одна и та же. К примеру, валентность углерода — в принципе 4, но иногда он имеет валентность 2. Валентность азота — вообще 3, но бывает, что и 5. Валентность железа — 2 или 3; золота — 1 или 3; меди и ртути — 1 или 2 и так далее.

В отношении достаточно простых неорганических веществ вопрос о валентностях не влияет на вид уже устоявшихся формул. Так, железо может соединяться с хлором двумя различными способами. Один атом железа может вступать в соединение как с двумя (дихлорид железа, FeCl₂) атомами хлора, так и с тремя (трихлорид железа, FeCl₃). В обоих случаях из формулы понятно, с каким именно соединением мы имеем дело, и видно, что в первом случае валентность железа — 2, а во втором — 3.

Однако при переходе к значительно более сложным органическим соединениям введение понятия валентности произвело жизненно необходимую революцию в деле написания формул. Уже в начале XIX века стало ясно, что традиционная схема для органической химии не годится, потому что выяснилось, что совершенно различные вещества могут иметь один и тот же атомный состав.

Первым это обнаружил, к собственному изумлению, немецкий химик по имени Юстус фон Либиг, выделивший в 1823 году вещество, названное им «гремучим серебром». Фон Либиг установил, что молекула этого вещества состоит из четырех атомов — по одному атому серебра, углерода, азота и кислорода. И оказался в недоумении — дело в том, что вещество точно с таким же атомным составом было на тот момент хорошо известно, носило название «изоцианат серебра» и имело абсолютно другие свойства.

Об этом рассказали Берцелиусу, но он отказывался верить услышанному до тех пор, пока сам не открыл два вещества с одинаковым атомным составом, но разными свойствами. Берцелиус назвал такие «родственные» вещества «изомерами», но природа изомерии, как явления, так и осталась на тот момент загадкой.

Ключом к решению стало введенное Франклендом понятие валентности. В 1859 году немецкий химик Фридрих Август Кекуле первым использовал графическое выражение записи формул с учетом валентности каждого элемента. Вот так выглядели в новой записи формулы таких хорошо известных веществ, как вода (H₂O), метан (СН₄), углекислота (CO₂), аммиак (NH₃) и хлороводород (HCl):

В составе всех этих веществ атомы водорода (Н) и хлора (Cl) всегда имеют только одну связь, атом кислорода (О) — две, азота (N) — три, углерода (С) — четыре. Эта же система доказала свою работоспособность и в применении к более сложным органическим веществам, таким как сахароза или триптофан. Такая запись получила название «структурная формула», а для записей старого типа, вроде СН₄, был принят термин «эмпирическая формула».

Практически сразу стало ясно, что одни и те же атомы вполне можно соединить по-разному, не нарушая законов валентности. Рассмотрим пример первой открытой пары изомеров. Вот как выглядит структурная формула гремучего серебра:

(Ag — это обозначение серебра, от латинского «argentum».) А структурная формула изоцианата серебра выглядит так:

Как видно, в обоих случаях валентность атома серебра остается равной 1, кислорода — 2, азота — 3, а углерода — 4.

В более сложных органических соединениях количество вариантов соединения молекул без нарушения принципа валентностей увеличивается многократно и доходит до фантастических величин. К примеру, подсчитано, что с использованием 40 атомов углерода и 82 атомов водорода можно составить более шестидесяти триллионов разных вариантов молекулы.

Вот уже более ста лет химики руководствуются системой Кекуле при составлении возможных вариантов строения новой молекулы и числа ее возможных изомеров. С тех пор, конечно, система во многом была доработана и стала более гибкой, но в основном она все та же и, похоже, останется такой и в обозримом будущем.

Главным недостатком системы валентностей в глазах химиков середины XIX века была ее условность. С чего бы это у кислорода валентность 2, у углерода — 4, а у водорода — только 1? А вот у водорода, натрия и хлора — валентность одинаковая, а все остальные свойства — совершенно разные?

На поверку система валентностей оказалась не такой уж и условной, и доказал это русский химик Дмитрий Иванович Менделеев. В 1869 году он выписал все известные элементы в порядке возрастания атомного веса и наглядно показал, что изменение их свойств в таком расположении подчиняется определенным законам. Расписав все элементы в двухмерной матрице, где элементы со схожими свойствами оказались сгруппированными в столбцы, он получил то, что всем нам сейчас известно как «таблица Менделеева»[5]. В частности, оказалось, что внутри каждого столбца все элементы имеют одинаковую валентность (рис. 26).

К примеру, одновалентные фтор, йод, хлор и бром оказались в одном столбце таблицы; двухвалентные магний, кальций, стронций и барий тоже оказались собранными в одном столбце. Точно так же в одном столбце очутились демонстрирующие валентность 3 или 5 азот, фосфор, мышьяк и сурьма и так далее.

Если же проследить не столбцы, а строки таблицы, то оказывается, что внутри всех строк валентность изменяется одинаковым образом. Взять, к примеру, вторую строку (первую из полных строк таблицы): в порядке возрастания атомного веса в ней перечислены литий, бериллий, бор, углерод, азот, кислород и фтор. Соответственно, валентности этих элементов — 1, 2, 3, 4, 3 (или 5), 2 и 1.

Изобретение периодической таблицы Менделеева стало одной из величайших побед химической теории, заставив ученый мир признать валентность логически неотъемлемым свойством элементов, хотя механизм химических связей все еще продолжал оставаться загадкой.

Затем, примерно в конце века, было обнаружено, что и атом имеет собственное внутреннее строение. Стало известно, что в нем содержатся электроны. Выяснилось, что в середине атома находится крошечное ядро, имеющее положительный заряд, а все остальное пространство атома заполнено облаком отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра. Ядро атомов каждого элемента характеризуется свойственной только ему величиной заряда. Ядро атома водорода несет минимально возможный заряд, произвольно принятый за 1. Заряд ядра атома углерода в шесть раз больше, поэтому его значение оценивается как 6. Таким же образом значение заряда ядра атома азота принимается за 7, а ядра атома кислорода — за 8. Для всех возможных значений от 1 до 103[6] можно найти свой элемент.

В идеале свободный атом имеет ровно столько электронов (заряд каждого из которых равен -1), чтобы уравновешивать положительный заряд ядра. Так, в атоме водорода — 1 электрон, в атоме углерода — 6, в атоме азота — 7, в атоме кислорода — 8 и так далее.

Электроны распределяются по оболочкам, в каждой из которых может содержаться не более определенного их количества. Во внутренней, самой близкой к ядру, оболочке может находиться только 2 электрона, в следующей — уже 8, в следующей — 18 и так далее. Так, если атом углерода имеет 6 электронов, то они должны быть распределены по двум оболочкам — 2 во внутренней и оставшиеся 4 — во внешней. А у атома хлора — 17 электронов, значит, они должны быть распределены уже между тремя оболочками — 2 во внутренней, 8 в средней и оставшиеся 7 — во внешней.

Теперь все закономерности таблицы Менделеева становятся понятны. Взять, к примеру, седьмой столбец: первым в нем идет атом фтора — его 9 электронов поделены между двумя оболочками, внешняя из которых содержит 7 электронов; затем — атом хлора, его 17 электронов поделены уже между тремя оболочками, но внешняя опять же состоит из 7 электронов; 35 электронов брома распределяются уже между четырьмя оболочками, но и тут на внешнюю оболочку приходится только 7 из них. И во внешней (пятой) оболочке йода, имеющего в своем составе 53 электрона, тоже находятся 7 электронов. Свойства этих элементов близки потому, что все они имеют по 7 электронов во внешней оболочке.

Чем глубже химики XX века проникали в предмет, тем обыденнее в химических записях становилось обозначение, при котором элемент маркируется не только обычным символом, но и количеством электронов в его внешней оболочке. К примеру, водород, обладающий всего одним электроном, обозначается как H•.

Углерод, всего имеющий шесть электронов, но во внешней оболочке — только четыре, обозначается как

В таблице 7 приведены «электронные» записи некоторых особо важных для живой материи элементов.

Что касается легких элементов, вроде перечисленных в таблице 7, самым стабильным является случай, когда во внешней оболочке находится восемь электронов. Важным исключением является гелий, имеющий всего одну оболочку с максимальным числом возможного вмещения электронов — 2. Конечно, для него самым стабильным вариантом является случай с двумя электронами во внешней оболочке.

Теперь давайте рассмотрим натрий. Его 11 электронов распределены следующим образом: 2 — во внутренней оболочке, 8 — в средней и 1 — во внешней. Если атом натрия потеряет 1 электрон, то его внешней оболочкой станет средняя, в которой как раз 8 электронов, то есть будет достигнуто стабильное положение. Поэтому атом натрия весьма склонен терять «лишний» электрон.

Противоположную картину представляет собой атом хлора — его 17 электронов распределены между оболочками следующим образом: 2, 8 и 7. При таком распределении для того, чтобы внешняя оболочка имела 8 электронов, нужно, наоборот, где-то «добыть» недостающий, восьмой.

Понятно, что с такими потребностями атом натрия и атом хлора имеют прямо противоположные, дополняющие друг друга стремления. Если они случайно столкнутся, атом первого легко отдаст электрон атому последнего, и в результате оба обретут более стабильное состояние. Потеряв электрон, атом натрия потеряет и электрический баланс, ведь теперь отрицательный заряд его электронов окажется недостаточным, чтобы уравновешивать положительный заряд ядра, равный по-прежнему 11, тогда как суммарный заряд электронов атома теперь равняется всего лишь -10. Соответственно, весь атом натрия теперь является носителем общего заряда в +1, превратившись, таким образом, в положительно заряженный ион натрия, Na+.

С другой стороны, атом хлора, получив дополнительный электрон, теперь имеет 18 отрицательно заряженных электронов с суммарным зарядом, соответственно, -18, и ядро с положительным зарядом всего 17. Так что общий заряд атома хлора теперь -1, и он превратился в отрицательно заряженный ион хлора Сl^-. Так в XX веке, на основании новых представлений о строении атома, был окончательно постигнут механизм формирования ионов, выдвинутый еще в XIX веке как теория, объясняющая функционирование электрической батареи (см. главу 10).

Положительно заряженный ион натрия и отрицательно заряженный ион хлора удерживаются вместе силой электростатического притяжения, существующего между разнонаправленно заряженными частицами, и в результате получается соединение NaCl. Связь, образованная таким образом, называется «ионная связь».

Понятно теперь, почему валентность натрия — 1, ведь у него есть только один электрон, избавившись от которого атом достигнет стабильности в их распределении. И понятно, почему валентность у хлора 1, поскольку для той же самой стабильности ему достаточно получить 1 атом. Вот кальцию и магнию надо будет для того же самого избавиться уже от двух электронов, поэтому и валентность каждого из них равна 2. У кислорода же во внешней оболочке 6 электронов, и для обретения стабильности ему надо присоединить 2, так что его валентность — тоже 2. Если атом кальция отдаст свои два электрона атому кислорода, то и получившийся ион кальция, Са²⁺, и получившийся ион кислорода, О^2-, обретут стабильное состояние в составе образовавшегося вещества с сильной внутренней ионной связью, СаО (оксид кальция — негашеная известь).

Однако для образования межатомной связи совсем не обязательно, чтобы один атом отдавал свой электрон другому. Вот, например, два атома хлора — что удерживает их вместе? Каждому из них не хватает одного электрона, оба в равной степени склонны к приобретению электронов, и ни один не собирается свой электрон отдавать. В общем, невероятно, чтобы в молекуле, состоящей из двух атомов хлора, один из них вдруг поступился собственным электроном в пользу второго.

Этого и не происходит — вместо этого атомы «по-братски» формируют общий для них обоих пул электронов. Чтобы показать наглядно, как это происходит, давайте обозначим электроны одного из них как точки, а второго — как крестики. Еще раз повторюсь — это делается исключительно для удобства восприятия и ни в коем случае не должно восприниматься как свидетельство каких-либо качественных различий между электронами первого и второго атома. Насколько известно, все электроны всех атомов одинаковы. Итак, соединение двух атомов хлора в молекулу хлора можно обозначить так:

В составе молекулы хлора 2 атома хлора обладают все теми же 14 электронами внешних оболочек в сумме; никаких новых электронов в систему не добавлено. Однако 2 электрона, представленные на схеме, как находящиеся посередине между атомами (один — точкой, а второй — крестиком), одновременно принадлежат внешней оболочке и того и другого атома. Соответственно, во внешней оболочке каждого из атомов находится по 8 электронов, и состояние двухатомной молекулы гораздо стабильнее, чем состояние двух отдельных атомов. И поскольку находиться в двух внешних оболочках одновременно электроны могут только в том случае, когда атомы прижаты друг к другу, то для того, чтобы растащить атомы в стороны, то есть перевести их от более стабильного состояния к менее стабильному, требуется затратить энергию.

Другими словами, формирование молекулярного хлора из атомов хлора сопровождается снижением уровня свободной энергии и является, таким образом, спонтанной реакцией. А разложение молекулы хлора требует увеличения свободной энергии, а значит, спонтанно протекать не может.

Роль связки между атомами выполняет в данном случае пара «общих» электронов. Такая связь называется «ковалентной», и именно такую природу имеет большинство связей в органических соединениях.

Метан (СН₄) с электронной точки зрения можно рассматривать как сочетание атома углерода, с его четырьмя электронами во внешней оболочке, с четырьмя атомами водорода, каждый из которых имеет единственный электрон.

Атом углерода каждый из своих электронов передает в общее пользование с одним из атомов водорода, а каждый из атомов водорода, в свою очередь, тоже предоставляет собственный электрон в общее пользование. В результате каждый атом водорода имеет по два электрона в своей единственной оболочке (которая обретает, таким образом, стабильное состояние), а внешняя оболочка атома углерода тоже получает стабильное число 8.

Правильное «обобществление» внешних электронов позволяет объяснить все факты, ранее объяснявшиеся через систему прямолинейных связей Кекуле, и, более того, через электроны оказалось возможным объяснить некоторые факты, перед которыми изначальная система формул Кекуле оставалась бессильной.

Вот, к примеру, два атома хлора, составляющие молекулу хлора, одинаковые и электроны держат одинаково крепко. Поэтому и «общие» электроны они распределяют между собой поровну. Атомы водорода и углерода тоже удерживают свои атомы с примерно равной силой, так что и в метане «общие» атомы распределены примерно поровну.

А вот в случае ковалентных связей между водородом и кислородом все несколько по-другому. Атом кислорода с атомом водорода тоже формируют «общую» пару электронов, но при этом атом кислорода, крепче удерживающий свои электроны, будет сильнее перетягивать их в свою собственную внешнюю оболочку, так что оболочке атома водорода электроны будут принадлежать в несколько меньшей степени.

А раз атом кислорода перетягивает на себя больше половины «общих» электронов, то и отрицательный заряд их большей частью придется на атом кислорода. Соответственно, атом кислорода в целом будет иметь отрицательный электрический заряд дробного значения, а «обделенный» электронами атом водорода — положительный заряд ровно такого же значения.

Соответственно, молекула воды будет обладать небольшим перекосом положительного заряда в сторону водорода и отрицательного — в сторону кислорода, как это показано на рис. 27. Молекулы, в которых наблюдается подобное, называют «полярными», поскольку полюса электрического заряда — водород и кислород — можно рассматривать в них как полюса магнита. А молекулы вроде хлора или метана, где четкой концентрации заряда на конкретных участках не наблюдается, являются «неполярными».

Электрические заряды противоположной направленности двух различных поляризованных молекул будут притягивать друг друга, так же как и противоположно заряженные ионы. Другими словами, молекулы воды в жидком состоянии этого вещества (а во льду — тем более) склонны принимать такое положение, чтобы отрицательно заряженная кислородная часть одной молекулы прилегала к положительно заряженной водородной части молекулы соседней.

Значения зарядов полярных молекул, в которых заряд одного и того же электрона просто оказывается неравномерно распределенным, — гораздо меньше, чем в тех случаях, когда речь идет о полноценной передаче электрона от одного атома к другому. Поэтому и притяжение между полярными молекулами гораздо слабее, чем ионная связь. Эти межмолекулярные притяжения на самом деле в двадцать раз слабее ковалентных связей.

Однако этого оказывается достаточно, чтобы, например, молекулы воды «липли» друг к другу и, соответственно, требовалось гораздо больше энергии на разрыв этих межмолекулярных связей (имеется в виду растапливание льда или выпаривание воды), чем для произведения тех же самых действий в отношении, например, метана.

Поэтому, хотя молекулы метана и воды имеют приблизительно одинаковые размер и сложность строения, температура плавления метана -184 °С, а воды — 0°С; а температура кипения этих веществ -161°С и +100°С соответственно.

Сильнее всего межмолекулярные силы притяжения проявляются тогда, когда в состав молекулы входит положительно заряженный атом водорода, поскольку его размеры настолько малы (водород — самый маленький атом), что он может ближе всего подойти к атомам с сильным отрицательным зарядом (например, кислороду, азоту или фтору). Поскольку известно, что электростатическое притяжение изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между центрами атомов, то понятно, что чем меньше расстояние, тем больше сила притяжения.

Соответственно, достаточно сильными, чтобы вообще оказаться замеченными, силы межмолекулярного притяжения являются только в тех случаях, когда между двумя отрицательно заряженными атомами оказывается атом водорода. Поэтому такая связь получила название «водородная связь» (рис. 28).

Сразу же становится понятно, какое отношение все вышеизложенное имеет к строению белка. Для начала давайте рассмотрим строение аминокислоты в отображении по системе Кекуле:

Соединение NH₂, изображенное слева, — это аминогруппа; соединение СООН справа — это карбоксильная группа. R, прикрепленное к центральному атому углерода, — это радикал, для каждой конкретной аминокислоты — свой.

Когда соединяются две аминокислоты, то карбоксильная группа одной теряет ОН, а аминогруппа другой — Н. Высвободившиеся части тут же объединяются в молекулу воды. А лишившиеся части атомов аминокислоты тоже объединяются с использованием тех связей, которые освобождаются от ОН и Н соответственно. Этот процесс хорошо показан на рис. 29.

Пептидная связь, соединяющая аминокислоты, имеет, как видите, вот такое строение:

Если представить, что цепочка аминокислот в каком-то трехмерном пространстве наложится сама на себя, то вполне может возникнуть ситуация, когда водород, крепящийся к азоту одной пептидной связи, окажется по соседству с кислородом, крепящимся к углероду другой пептидной связи. А если атом водорода находится между атомами азота и кислорода — то мы имеем идеальные условия для возникновения водородной связи. Один из вариантов такой ситуации изображен на рис. 30, и, как видите, при нем вполне воспроизводится ситуация, продемонстрированная на рис. 25. Водородная связь и есть та «слабая связь», о которой я упоминал.

В 1936 году американские биохимики Лайнус Полинг и А.Е. Мирски предположили, что именно присутствие в молекуле белка водородных связей делает ее столь хрупкой. Получается, что за особые свойства белка отвечает не только схема аминокислотной цепочки (какие именно аминокислоты и в каком порядке представлены), но и ее трехмерная структура, определяемая водородными связями.

На прочные ковалентные связи, которыми скреплена пептидная цепочка, легкое нагревание действия не окажет, но вот водородные связи, которые в двадцать раз слабее, вполне может разорвать. Из «правильно сложенной» аминокислотная цепочка превращается в таком случае в «свободно болтающуюся», и в результате мы имеем денатурированный белок, утративший свойства белка природного.

Но для того, чтобы понять, как именно должна быть «сложена» аминокислотная цепочка, надо сперва уяснить геометрию молекулы вообще. Насколько удалены друг от друга атомы в молекуле? Какие положения относительно друг друга они занимают? Иными словами — насколько длинными являются межатомные связи и под какими углами друг к другу они расходятся? Можно написать на бумаге двухмерную структурную формулу, но ведь на самом деле структура молекул трехмерна!

Ответ на эти вопросы пришел только с использованием рентгеновских лучей. Если направить пучок рентгеновских лучей на кристалл какого-либо вещества, то упорядоченные слои атомов, составляющие кристалл, частично отразят их. По результатам анализа этого отражения и можно подсчитать расстояние между похожими атомами в структуре кристалла. А там недалеко уже до того, чтобы вывести и саму структуру кристалла.

Этот метод основан на том факте, что облучаемый рентгеновскими лучами объект состоит из упорядочение расположенных атомов. В начале 20-х годов XX века было проведено исследование волокон шелка с помощью рентгеновских лучей. Шелк, разумеется, не кристалл, но и строение его аминокислотных цепочек оказалось в достаточной степени упорядоченным, чтобы произвести соответствующее отражение лучей. Полученные данные позволили показать, к примеру, что длина одной аминокислотной составляющей пептидной цепочки — 0,35 миллимикрона. Отсюда стало возможно высчитать и длину отдельных связей и углы между ними. Затем в 30-х годах XX века с помощью той же технологии были исследованы и другие белки, например содержащийся в волосах кератин.

В начале 50-х годов Полинг с коллегами показали на основании полученных данных, что пептидные цепочки могут сворачиваться в спираль (похожую на спираль винтовой лестницы), не теряя при этом ни одной из своих естественных связей. Спиралевидная форма предоставляет прекрасные возможности для образования водородных связей. Более того, несколько таких спиралей могут и сами сворачиваться в спираль (так же, как канат может состоять из нескольких волокон, скрученных таким же образом, как и он сам, из других, более тонких, волокон), и в этом случае опять же вся структура удерживается в нужной форме с помощью водородных связей (рис. 31).

Эта гипотеза нашла экспериментальное подтверждение, и сейчас представление о спиралевидном строении белковых молекул является общепринятым.

Глава 18. КАК РАБОТАЮТ ФЕРМЕНТЫ

Тот факт, что белковые молекулы имеют спиралевидную форму, удерживаемую водородными связями, объясняет не только хрупкость молекулы фермента и легкость, с которой она теряет свои свойства, но и огромную вариативность этих самых свойств.

Давайте сравним платиновый порошок и молекулу фермента. Как я уже объяснял в главе 12, каталитические способности платины, возможно, объясняются тем, что она имеет свободные валентные связи, с помощью которых притягивает к себе молекулы тех веществ, реакцию которых катализирует. Такое связывание происходит несколько активнее, если поверхность платинового катализатора имеет неправильную форму, — поскольку молекулы реагирующих веществ также имеют неправильную форму, то им может оказаться естественнее плотно прилечь там, где форма поверхности платины соответствует их собственной.

На поверхности платины возможны любые неправильности, поэтому для любой молекулы там окажется соответствующая форма. В результате множество различных молекул могут оказаться временно привязанными к поверхности платины, где они, соответственно, с готовностью вступают в реакцию с другими молекулами. Поэтому платина, как и все прочие катализаторы такого рода, способна охватывать своим действием сравнительно большое число веществ. Но у катализаторов такого рода есть и недостаток — поскольку в каждом отдельно взятом веществе они действуют далеко не на всю площадь (а только на ту ее часть, неправильность формы которой соответствует неправильности формы реагирующих молекул), то и коэффициент полезного действия таких молекул невелик. Для каждого отдельно взятого вещества большая часть поверхности катализатора оказывается неиспользуемой.

С ферментами все обстоит по-другому. Их поверхность имеет не случайную форму, а, напротив, строго упорядоченную с помощью биохимических процессов, происходящих в организме. Чередующиеся радикалы разных аминокислот, составляющих пептидную цепочку, представляют неправильности всех типов и размеров. Некоторые из радикалов, например аспарагиновая кислота или глютаминовая кислота, обладают отрицательными зарядами и будут притягивать любой положительный заряд, как только в пределах досягаемости окажется несущая такой заряд молекула. Другие же, например лизин, аргинин или гистидин, обладают положительным зарядом и будут притягивать молекулы с отрицательными. Третьи, например серии, треонин или тирозин, электрически нейтральны, зато имеют в своем составе группы, способные к образованию водородных связей.

Что же касается радикалов, не образующих связей, например валина, аланина, лейцина, изолейцина, фенилаланина и еще нескольких, то их роль в данном случае защитная; они служат барьерами для того, чтобы только молекулы строго определенной формы могли проникнуть в зону досягаемости тех радикалов, которые смогут их ухватить.

Все радикалы находятся друг к другу в строго определенном отношении, зафиксированном водородными связями, удерживающими молекулу в жесткой форме. В результате к определенному ферменту может присоединиться молекула только строго определенного вида, и только такая молекула в дальнейшем вступит в катализируемую ферментом реакцию. Молекула, подвергающаяся реакции, катализируемой ферментом, именуется субстратом этого фермента. Разумеется, любое воздействие на фермент, приводящее к разрыву водородных связей и установленных для него отношений между радикалами, приведет к потере ферментом его уникальных каталитических свойств.

У такой строгой специфичности молекулы фермента есть одно интересное следствие. Стоит лишь задуматься о химических механизмах жизни как таковой, как становится ясно, что функционирование организма зависит от бесперебойной работы тысяч различных химических реакций с участием множества веществ. Если ферменты настолько специфичны, то означает ли это, что каждый организм — да что там организм, что каждая клетка в организме! — должен быть полон различных ферментов, каждый из которых необходим для одной-единственной реакции?

Да. Так оно и есть. Хоть клетка и имеет крайне малый объем, около 0,03 мм в диаметре, она все же гораздо больше, чем молекула белка. В клетке достаточно места для тысяч различных ферментов. Более того, места хватит для тысяч молекул каждого из них.

На первый взгляд это совершенно неразумная избыточность. Но на самом деле — ровно наоборот, экономичность и эффективность такой системы выше всяких похвал.

Каждый фермент, имеющий строго определенную задачу, обладает гораздо большей полезной площадью поверхности, чем случайным образом оформленная платиновая частица. Он гораздо эффективнее.

Скорость катализируемой реакции измеряется «оборотным числом». Оборотное число — это количество молекул субстрата, ежеминутно подвергающихся реакции при заданной температуре под действием одной молекулы фермента. Фермент каталаза, катализирующий распад перекиси водорода на воду и кислород, имеет оборотное число 2 500 000 при 0 °С. Оборотные числа большинства ферментов ниже, чем каталазы, но все равно многократно выше, чем у катализаторов неферментного происхождения.

Предположим, что различные ферменты в некотором порядке распределены по клетке (а так оно и есть, как мы увидим позже), и тогда движущиеся по клетке субстраты каждую секунду систематически улавливаются и подвергаются преобразованиям.

Кроме того, наличие множества специализированных катализаторов, а не нескольких общих, предоставляет организму возможность тончайшего управления клеточной химией. Уменьшая или увеличивая число молекул того или иного фермента в клетке, можно ускорять или замедлять ход той или иной реакции — одной из тысяч, и только ее.

Если в живом организме ежесекундно проходят тысячи различных реакций взаимодействия, независимо контролируемые тысячами различных ферментов, то выходит, что даже самые примитивные формы жизни устроены сложнее, чем самые сложные рукотворные механизмы.

Факт в том, что живая клетка состоит из гораздо большего количества движущихся деталей, так сказать, чем любое творение рук человеческих, и лишь микроскопически малый размер этих деталей позволяет нам свысока утверждать, что клетка — это «всего лишь» микроскопическая капелька. А если мы говорим о целых организмах, состоящих из триллионов клеток, то тут сложность всей конструкции возрастает до неописуемых величин. Нелепы были бы попытки сравнить ящерицу с камнем (разве что по параметру физического размера). Поэтому я даже не буду задерживаться на сравнивании человека со звездой — понятно, что сравнение будет не в пользу звезды.

Разумеется, в основе вышеприведенного анализа каталитической деятельности ферментов лежит представление о том, что субстрат вступает с ферментом в физический контакт и образует некий промежуточный комплекс «субстрат-фермент». Сложно избежать этого допущения, потому что иначе пришлось бы предположить, что фермент оказывает на молекулу некое бесконтактное воздействие — а ученые не любят бездоказательной мистики.

К тому же имеются убедительные, хоть и косвенные, свидетельства в пользу такого предположения. К примеру, предположим, что в раствор фермента добавили немного субстрата. Реакция начинается сразу же, и химики могут определить скорость, с которой исчезает субстрат или появляется итоговое вещество реакции, — так они получают скорость реакции. Если в тот же раствор фермента добавить больше субстрата — скорость реакции будет выше. Можно воспользоваться такой аналогией: если в супермаркет запустить больше покупателей, то они начнут выносить больше товаров. Если одномоментно удвоить количество покупателей в супермаркете, то логично ожидать, что и товары с полок будут исчезать в два раза быстрее. Вот по тому же принципу удваивается и скорость реакции, если удвоить концентрацию субстрата.

Однако все это верно лишь до определенного момента. По достижении некоторой концентрации субстрата скорость реакции достигает максимума и выше уже не поднимается, сколько субстрата ни добавляй (рис. 32). Аналогия с супермаркетом здесь не теряется — потому что скорость раскупания товара тоже не может возрастать вечно. Как только забиваются кассы, дальнейшее увеличение количества покупателей приводит только к удлинению очередей.

Точно так же, когда концентрация субстрата достигает такого значения, что каждая молекула фермента работает на полную мощность, дальнейшее добавление субстрата приводит только к увеличению, так сказать, очередей его молекул, стоящих в очереди на обслуживание ферментом. Наблюдаемое явление проще всего объяснить именно через формирование субстратом и ферментом некоего промежуточного комплекса, что и сделал в 1902 году французский химик В. Анри.

В 1913 году двое немецких биохимиков, Леонор Михаэлис и М.Л. Ментен, приняли это предположение и подвергли его математическому анализу наподобие того, что используется химиками при расчете скоростей обычных реакций. В итоге у них получилось уравнение, описывающее изменение скорости реакции в зависимости от концентрации субстрата, — и математическая модель в точности совпадала с экспериментальными данными. В ходе наблюдений за конкретными реакциями ученые сумели с помощью своих уравнений рассчитать силу, привязывающую определенный субстрат к соответствующему ферменту. С тех пор для подобных целей всегда используются уравнения Михаэлиса— Ментена.

Тот факт, что на основе некоторого допущения можно разработать математическую модель, результаты которой в точности соответствуют экспериментальным данным, конечно, не является однозначным доказательством истинности этих допущений. Но некоторое свидетельство в их пользу все же представляет.

Еще одно подтверждение пришло совсем с другой стороны. Предположим, что строение некоего субстрата очень похоже на строение другого вещества. Что произойдет, если это вещество добавить в раствор фермента вместо нужного субстрата? Так сделал в 1930 году биохимик Дж.Г. Кастел, работая с ферментом, субстратом для которого является янтарная кислота (рис. 33).

По структурной формуле янтарная кислота очень близка к другому веществу, малоновой кислоте (рис. 33). Если в раствор фермента добавить вместо янтарной малоновую кислоту, реакции не происходит. У малоновой кислоты отсутствует одна группа СН₂, и этого достаточно, чтобы фермент безошибочно различал их.

Но нельзя сказать, что на добавление малоновой кислоты фермент не реагирует вообще никак. Если сначала добавить в него малоновую кислоту, а потом уже в смесь малоновой кислоты и фермента добавить янтарную кислоту, то реакции опять-таки не будет. Малоновая кислота «отравляет» фермент, или, если выражаться рациональнее, подавляет его действие.

Напрашивается вывод, что молекула малоновой кислоты достаточно похожа на молекулу янтарной, чтобы занять ее место на активной поверхности фермента, но недостаточно похожа, чтобы реакция стала осуществляться дальше. Связь малоновой кислоты с ферментом оказывается достаточно сильной, чтобы не распадаться. Это как если в замочную скважину вставить несоответствующий ключ и сломать его внутри. Теперь дверь нельзя открыть ни этим ключом, ни соответствующим. На самом деле механизм улавливания ферментом конкретного субстрата так и именуется — «замочный механизм».

Малоновая кислота — ингибитор, угнетающее вещество, — конкурирует с «законной» янтарной кислотой за место на рабочей поверхности фермента, поэтому весь процесс носит название «конкурентное ингибирование». С 1930 года изучено уже множество случаев конкурентного ингибирования. Были внесены изменения даже в уравнение Михаэлиса—Ментена для расчета формирования соединений фермента с ингибитором, а не только с субстратом, и снова математические расчеты совпали с экспериментальными данными.

Конкурентное ингибирование может быть методом управления скоростью реакций, катализируемых ферментами в тех случаях, когда по какой-либо причине невозможно физически удалить сам фермент или, наоборот, интенсифицировать его производство. Существует ряд групп важных для организма веществ, сходных по своему строению. Аминокислоты валин, лейцин и изолейцин — похожи. Сахара глюкоза и галактоза — похожи; и так далее. Отношения конкурентного ингибирования между ними практически неизбежны. Похоже, что присутствие в клетке этих веществ в различных соотношениях постоянно производит конкурентное ингибирование тех или иных ферментов в зависимости от их относительной концентрации, таким образом оказывая тонкое влияние на биохимию клетки, изменяя ее в нужную сторону или, наоборот, поддерживая ее в правильном состоянии. Получается своего рода автопилот на молекулярном уровне.

Гораздо более впечатляющих результатов можно добиться с помощью намеренного добавления в организм некоторых веществ. Такие вещества могут иметь лабораторное происхождение и быть полностью чужеродными живой ткани. Такого рода намеренное конкурентное ингибирование позволяет провести различие между организмами даже в том случае, если они тесно переплетены между собой, как, например, паразитирующая бактерия и зараженный организм носителя.

Действие многих ядов обусловливается именно их активным вмешательством в деятельность множества ферментов. Например, такой яд, как дихлорид ртути (сулема), может убить вообще все живое — и микробы, и больного.

А вот если использовать конкурентное ингибирование, то можно вывести из строя один, и только один фермент из всех присутствующих в клетке. При правильно подобранной дозировке можно добиться, чтобы фермент бактерии прекратил свою деятельность, а ферменты человека практически не пострадали — частично из-за повышенной чувствительности фермента бактерии, частично благодаря тому, что ингибитор легче проникнет сквозь клеточную мембрану бактерии, чем человека. А может оказаться и так, что один и тот же фермент нужен больше бактерии, чем человеку, по причине разницы в механизмах обмена веществ.

Первым важным примером такого рода стал сульфаниламид (рис. 34), вещество, впервые синтезированное в 1908 году. В 1932 году один немецкий биохимик занимался исследованием различных красителей на предмет того, могут ли они убивать бактерии, не нанося при этом существенного вреда высшим организмам. Одно из исследуемых веществ, под названием «пронтосил», оказалось очень эффективным средством против некоторых видов стрептококков, о чем и было заявлено на весь мир в 1934 году.

Будучи введенным зараженной лабораторной мыши, пронтосил оказывал свое действие, но вот в пробирке бороться с бактериями отказывался. Соответственно, возникло предположение, что реальную пользу оказывает не сам пронтосил, а некое вещество, формируемое организмом на его основе. Французские биохимики разложили молекулу пронтосила и получили, в частности, составляющую, оказавшуюся сульфаниламидом. Вот она-то и оказалась эффективным средством борьбы с бактериями как в живом организме, так и в лабораторной пробирке.

Так было получено первое из целого ряда «чудо-лекарств», которые в течение одного поколения позволили человеку покончить с инфекционными заболеваниями, довлевшими над ним на протяжении всей истории.

Как выяснилось, сульфаниламид по структуре своей похож на вещество под названием «парааминобензойная кислота» (рис. 34), которое является важной составляющей всех клеток. Он конкурентно подавляет фермент бактерии, работающий с этим веществом, и, таким образом, убивает бактерию.

С тех пор было разработано много других антибиотиков (пенициллин, стрептомицин и т. п.), каждый из которых работает, очевидно, посредством того или иного конкурентного подавления, хотя какие именно ферменты подавляются в том или ином случае, биохимики пока сказать не могут.

«Замочный механизм», позволяющий ферменту отличать одно вещество от другого, выглядит особенно примечательно в свете «оптически активных соединений». Последний термин необходимо пояснить, чем я сейчас и займусь, — а начну со света.

С давних пор было известно, что луч света, переходя из воздуха в другую прозрачную среду, например воду, — преломляется. Однако в 1670 году датский физик Эразм Бартолин обнаружил, что кристалл исландского шпата (разновидность карбоната кальция, СаСО₃) преломляет луч света двумя разными способами одновременно, формируя таким образом два луча из одного. Это явление получило название «двойная рефракция».

Явление двойной рефракции не могла объяснить ни одна теория на протяжении более ста лет. Однако в начале XIX века было установлено, что свет ведет себя так, как если бы он состоял из крошечных волн, и с такой точки зрения вопрос о двойной рефракции достаточно быстро оказался решенным.

В обычном луче света, например исходящем от солнца или любого другого нагретого предмета, световые волны колеблются во всех возможных направлениях. Одни колеблются вверх-вниз, другие — влево-вправо, третьи — где-то между первыми и вторыми… Но упорядоченная атомная структура исландского шпата (напомню — теория атомного строения тоже утвердилась в начале XIX века) оставила световым волнам возможность колебаться только в двух направлениях, под прямым углом друг к другу.

Соответственно, при попадании в кристалл формируются два вида световых лучей — в одном из них волны колеблются только вверх-вниз (к примеру), а в другом — только влево-вправо. У этих двух лучей разные свойства, и они преломляются с разным углом, поэтому попадающий в кристалл луч разделяется надвое.

Луч света, волны которого колеблются только в одной плоскости, называется «поляризованным». Этот довольно неудачный термин ввел французский инженер Этьен Луи Малюс, открывший в 1810 году, что волна света, отраженного от стекла под определенным углом, тоже начинает колебаться только в одной плоскости.

Были разработаны методы определения того, в какой именно плоскости колеблется свет конкретного луча; автор метода, лучшего из всех, изобретенного в 1828 году, — британский физик Уильям Николь. Он составил вместе две призмы исландского шпата и склеил их канадским бальзамом таким образом, чтобы один из поляризованных лучей проходил насквозь, а второй — отражался по линии соединения. Получался только один, поляризованный, луч (рис. 35).

Исходящий луч может пройти еще через одну призму Николя, если она ориентирована точно параллельно первой. Если вторую призму Николя начать медленно вращать, то будет видно, что сквозь нее проходит все меньше и меньше поляризованного света, до тех пор, пока вторая призма Николя не окажется под прямым углом по отношению к первой — тогда свет не сможет проходить вообще. Устройство с двумя такими призмами называется «поляриметр». Сейчас вместо дорогих и громоздких призм Николя используются пластиковые листы, внутри которых находятся правильным образом ориентированные органические кристаллы. Их называют «поляризационными светофильтрами».

Если луч поляризованного света проходит по пути из одной призмы Николя в другую через воздух или воду, с плоскостью его колебания ничего не происходит. Сквозь вторую, параллельно ориентированную, призму свет проходит без каких-либо существенных изменений.

Однако в 1815 году французский физик Жан Батист Био обнаружил, что если поляризованный свет проходит сквозь кристалл кварца, то плоскость его колебаний при этом изменяется. После того как поляриметр был доработан, оказалось, что свет, пропущенный через кристалл кварца, становится заметно тусклее, проходя через вторую призму Николя, — ее опять приходилось вращать до тех пор, пока она не оказывалась ориентированной параллельно новой плоскости колебаний световой волны, измененной под влиянием кварца. Угол этого изменения можно измерить с достаточной точностью по изменению угла ориентации второй призмы Николя, необходимого для того, чтобы свету вернулась прежняя яркость (рис. 36).

Кроме того, Био показал, что и при прохождении поляризованного света сквозь растворы некоторых органических веществ, например скипидара или камфоры, плоскость его колебаний тоже может изменяться. Именно это свойство вещества и именуется «оптической активностью». Био считал, что причиной ее должна служить какая-то асимметрия в структуре оптически активных веществ, приводящая к искривлению луча света всегда в одном и том же направлении. По его мнению, в «симметричных» веществах плоскость колебаний света тоже искривляется, но одинаково во всех направлениях, так что внешне никаких изменений незаметно.

В 1848 году молодой французский химик Луи Пастер (тогда ему было только двадцать шесть лет, и ему еще предстояло сделать одну из самых блестящих карьер в научном мире) ошеломил ученую общественность тем, что доказал, что так оно и есть — но крайней мере, в отношении кристаллов (рис. 37). На примере кристаллов виннокислого аммония он обнаружил, что кристалл выделяется в двух видах, оба из которых асимметричны и являются точным зеркальным отражением друг друга, так же как руки и ноги человека.

Пастер очень осторожно, с помощью микропинцета и увеличительного стекла, разделил кристаллы на две кучки — левосторонние в одну, правосторонние в другую, — и оказалось, что раствор каждой из этих кучек проявляет свойство оптической активности! Если же оба раствора смешать, то в получившейся смеси оптической активности не наблюдается.

Разделение равномерной смеси кристаллов обоих видов надвое по разделительному признаку — это увеличение упорядоченности, а значит — уменьшение энтропии. В нашем примере с игральными картами это равносильно тому, чтобы взять перетасованную колоду и рассортировать на две половины, красные отдельно, черные отдельно. Перед нами, кстати, замечательный пример того, как локальное уменьшение энтропии происходит за счет ее глобального увеличения. Пастеру приходилось напряженно вглядываться в увеличительное стекло и аккуратно брать кристаллики микропинцетом. Понятно, что увеличение его энтропии имело гораздо большее значение, чем произведенное им уменьшение энтропии среди кристаллов.

Так или иначе, Пастер сумел доказать наличие асимметрии только для кристаллов. А в растворах оптически активные вещества представлены в виде молекул. Так где же там может скрываться асимметрия? В самих молекулах, что ли?

Правильный ответ — да! Он был получен в 1874 году, когда двое молодых химиков, голландец Якоб Хендрик Вант-Гофф (двадцать два года) и француз Жозеф Ашиль ле Бель (двадцать семь лет) независимо друг от друга выдвинули новую теорию атома углерода, с помощью которой удалось усовершенствовать систему записи формул Кекуле с учетом некоторых новых фактов.

При изображении структурных формул по методике Кекуле четыре связи, которыми обладает углерод, принято рисовать торчащими во все четыре стороны, что естественно для двухмерного изображения. Однако такой вид не отражает реальности, поскольку если бы все было так, то, например, существовало бы две разновидности метиленхлорида (СН₂Cl₂), соответствующие двум формулам:

где в одном случае атомы хлора находятся по соседству, а во втором — нет. Однако на практике до сих пор обнаружен пока только один метиленхлорид.

Теория Вант-Гоффа—Беля гласит, что четыре связи углерода направлены в двух перпендикулярных друг другу плоскостях (рис. 38). Изобразить это в двух измерениях сложно, проще всего представить себе равностороннюю пирамиду, вершина которой смотрит в небо. Направления четырех связей — из центра к углам пирамиды, соответственно, угол между всеми связями — один и тот же, около 109°. Атом углерода можно переворачивать как угодно любой из связей вверх — общая картина от этого не изменится.

Каждая из этих связей находится на равном расстоянии от остальных, так что если метиленхлорид составлен именно таким образом, то совершенно не имеет значения, на каких именно связях закреплены два атома хлора. Все связи одинаковы. Вы можете сами проверить это на модели: воткните в пластилиновый или восковой шарик четыре палочки в виде описанного мной треножника. Пусть две палочки будут белыми (допустим, это связи с водородом), а две — зелеными (связи с хлором). Попробуйте поменять их между собой, и вы убедитесь, что аналогичного эффекта можно добиться и простым переворачиванием треножника. Соответственно, согласно теории Вант-Гоффа—Беля, метиленхлорид имеет только одно возможное представление — и это согласуется с практическими данными.

Однако, если к каждой из четырех связей углерода прикрепить по разной группе, результат будет уже другим. В этом вы тоже можете убедиться, поэкспериментировав с пластилиновым шариком и четырьмя палочками. Получится, что в таком случае существуют две возможные комбинации, каждая из которых является зеркальным отражением второй. Вы увидите, что, сколько ни крути модель, перевести одно из них в другое не получится. По системе Кекуле эти зеркальные варианты можно отобразить, как показано на рис. 39, и перевести одну формулу в другую невозможно.

Вскоре было установлено, что в каждом случае, когда органическое вещество выказывало оптическую активность, в молекуле обнаруживалась асимметрия, обусловленная наличием как минимум одного «несимметричного углерода» (такого, к которому присоединяется четыре различные группы). При прохождении через вещества одной категории угол плоскости света смещался по часовой стрелке, другой — против часовой. Так при какой же куда?

Казалось, что ответить на этот вопрос невозможно, поэтому в 1891 году немецкий химик Эмиль Фишер вынес по этому поводу произвольное решение. Он выписал на бумаге два варианта строения вещества под названием глицеральдегид (который можно рассматривать как крайне простую молекулу сахара), и пометил один из них как D-глицеральдегид («правосторонний»), а второй — как L-глицеральдегид («левосторонний»). Все остальные оптически активные вещества теперь осталось рассмотреть по аналогии с этими двумя и отнести либо к «левосторонней», либо к «правосторонней» группам. Совсем недавно оказалось, что Фишер действительно был прав. Распределенные им по группам вещества действительно имеют именно то строение, которое он предполагал.

Когда в лабораторных условиях создается какое-либо из веществ, имеющих асимметричную структуру, оба зеркальных варианта формируются в равных количествах, поскольку такова ситуация максимального беспорядка, а следовательно, максимальной энтропии. Для того чтобы вещества одной категории получалось больше, чем другой, необходимо идти на специальные ухищрения, например использовать в качестве сырья другое оптически активное вещество.

Такие вещества добываются из животных и растительных источников. На самом деле все присутствующие в живой ткани вещества, имеющие в своем составе асимметричный атом углерода, представляют собой либо одну, либо вторую оптически активную форму. В этом отношении живая ткань являет собой поразительный пример механизма уменьшения энтропии — как и в отношении создания специфических белков. Естественно, все это делается за счет глобального ее увеличения.

Выяснилось, что все природные сахара — «правосторонние», а все природные аминокислоты (в том числе приведенный для иллюстрации на рис. 39 серии) — «левосторонние». То есть в общем случае организм не может использовать ни левосторонние сахара, ни правосторонние аминокислоты, поэтому их также называют «неестественными» сахарами и аминокислотами. Однако в небольшом количестве в природе они все же встречаются. В состав стрептомицина входит левосторонний сахар, а в состав некоторых антибиотиков — правосторонние аминокислоты. Жизненно необходимое человеку вещество «аскорбиновая кислота» имеет отношение к «неестественным» левосторонним сахарам.

Тот факт, что все природные аминокислоты — левосторонние, крайне важен для пептидной структуры. Если задаться целью создать модель пептидной цепочки с использованием тетраэдрального представления углеродных связей, то окажется, что радикалы звеньев-аминокислот в цепочку направлены по очереди в разные стороны. Тогда вдоль цепочки получается достаточно места для всех групп атомов. Если бы все аминокислоты были правосторонними, ситуация была бы той же.

Однако, если бы часть аминокислот были левосторонними, а часть — правосторонними, то неизбежными стали бы случаи соседства в цепочке левосторонней и правосторонней аминокислот. Их радикалы оказались бы на одной стороне цепочки, и места для обоих просто не хватило бы. Именно поэтому все аминокислоты в белке должны быть либо левосторонними, либо правосторонними. Тот факт, что они оказались левосторонними, видимо, является результатом случая, произошедшего давным-давно в доисторические времена, когда появилась на свет первая белковая молекула.

Молекулы ферментов (тоже сами по себе оптически активные и асимметричные, благодаря наличию в их составе аминокислот), разумеется, отличают оптически активный субстрат от его зеркального отображения, так же как мы не надеваем на правую ногу левый ботинок. Реагируя с одним вариантом зеркального отображения и не реагируя с другим, ферменты поддерживают асимметрию в организме.

Для того чтобы ферменты могли проводить подобное различие между зеркальными вариантами вещества, субстрат должен крепиться к молекуле фермента как минимум в трех точках, и это — еще одно косвенное свидетельство в пользу образования промежуточного комплекса «субстрат-фермент».

Кстати, в 1949 году гипотеза о промежуточном образовании получила окончательное подтверждение — британский биохимик Бриттон Ченс смог непосредственно обнаружить наличие этого комплекса с помощью очень тонкого теста на светопоглощение.

До сих пор я рассуждал так, как будто в состав белков не входит ничего, кроме аминокислот. Да, в отношении большей части белков это так и есть. Однако при распаде многих белков, помимо аминокислот, обнаруживались и отличные от них вещества. Такие белки называют «составными», и самым известным из них является гемоглобин, придающий крови характерный красный цвет.

В 60-х годах XIX века немецкий биохимик Феликс Хоппесейлер сумел показать, что частью структуры гемоглобина является вещество «гем», являющееся не аминокислотой, а сложной группой атомов, содержащей один атом железа. Позже были открыты и ферменты, важную составную часть которых тоже представляет собой гем.

Гем называют «простетической группой» (от греческого слова, означающего «добавление», от которого происходит и слово «протез»), и он необходим для функционирования тех белков, частью которых является. Гем в составе гемоглобина и различных гемсодержащих ферментов — это одно и то же вещество, но у каждого белка имеется своя отдельная функция, определяемая аминокислотной составляющей. Тут можно провести аналогию с режущей кромкой инструментов — топора, серпа, стамески… Режущая кромка одинакова, но предназначение инструмента зависит от его формы в целом.

Гем прочно прикреплен к остальной части белковой молекулы, и удалить его можно, только разложив саму молекулу. Во всех прочих случаях первыми отваливаются аминокислоты. К примеру, некоторые ферменты в процессе очистки диализом теряют каталитические свойства. Причина этого кроется не в денатурации, поскольку, если ту же самую воду, которой промывали мембранный мешочек, потом долить в раствор фермента, он снова обретает свои каталитические свойства. Явно какая-то важная часть фермента в этом случае утрачивается, а потом, вместе с водой, возвращается обратно.

Впервые это продемонстрировали в 1904 году английские химики Артур Харден и У.Дж. Янг, проведя диализ фермента зимазы, полученного из дрожжей. Ту часть его, которая была удалена в процессе диализа, ученые назвали «козимазои». Если она так легко удаляется и так же легко возвращается на место, решили химики, значит, удерживающие ее в составе молекулы связи должны быть очень уж слабыми. Кроме того, молекула козимазы должна иметь достаточно малый размер, чтобы проникнуть сквозь мембрану. И еще — выяснилось, что кипячение не разрушает структуру козимазы, следовательно, это не белок.

Потом и у других белков обнаружилось свойство терять небольшие частицы и утрачивать при этом свои характерные способности; тогда эти «небольшие частицы» получили общее имя — «коферменты».

Работа по установлению химической природы коферментов ведется с 20-х годов XX века по сей день. В составе большей части из них был обнаружен атом фосфора, а многие содержали такие сочетания атомов, каких в организме не обнаруживалось более нигде. Например, в составе козимазы было найдено кольцо из пяти атомов углерода и одного атома азота, как в соединении, имеющем название «пиридин». Сам по себе пиридин в живых тканях не встречается, как и пиридиновое атомное кольцо, за исключением нескольких коферментов. То же самое можно сказать еще о ряде групп атомов, имеющихся в других коферментах.

Ферменты присутствуют в организме лишь в небольших, достаточных для осуществления катализа количествах, так что и коферменты, особенно содержащие такие редкие соединения атомов, присутствуют в крайне малом количестве.

Этот факт имеет значение в свете другой линии исследования, которая проходила независимо от той, о которой я только что рассказывал. На протяжении всей своей истории человек периодически отмечал существование определенной связи между питанием и некоторыми заболеваниями. К примеру, в 1753 году шотландский врач по имени Джеймс Линд предположил, что наличие в рационе цитрусовых и свежих овощей позволяет предотвратить цингу. Эта болезнь, выражавшаяся в кровоточении десен и общем ослаблении организма, была настоящим бичом моряков, которым приходилось иногда по нескольку месяцев сидеть на диете из солонины и сухарей. Несколько десятков лет спустя командование британского флота решило прислушаться к совету врача и включить в диету моряков лимоны — цинга просто испарилась с британских кораблей.

В 1896 году голландский врач Кристиан Эйкман, работая в Восточной Индии, сумел воспроизвести у домашней птицы симптомы распространенного среди местного населения заболевания берибери только за счет кормления их шлифованным рисом. Вылечить болезнь удалось так же просто — добавив в пищу птицы рис нешлифованный.

Очевидно, в рисовой шелухе, которая при шлифовке удаляется, содержится небольшое количество некоторого вещества, необходимого для здоровой жизни. В течение всего следующего десятилетия биохимики обнаруживали подобные вещества и в других пищевых продуктах. Выяснилось, что в состав вещества, содержащегося в рисовой шелухе, входит аминогруппа, и Казимеж Функ, биохимик польского происхождения, исходя из предположения, что и в других подобных веществах есть аминогруппа, назвал их все скопом «витаминами» («жизнь + амины»). Потом оказалось, что аминогруппа — совсем не обязательный элемент витаминов, но название к тому времени уже прижилось.

В течение 30-х годов XX века, да и позже, ученые выделяли все новые витамины и выясняли их строение. И чем дальше, тем больше становилось очевидным, что в витаминах содержатся те же самые редкие группы атомов, что и в коферментах. Выводы, мне кажется, напрашиваются сами.

Организм живого существа, например человека, не может самостоятельно производить некоторые «необычные» сочетания атомов, потому что для этого у него отсутствует соответствующий химический механизм. А вот растения способны такие вещества вырабатывать, и травоядные животные получают их вместе с пищей. Так эти вещества, в небольшом количестве, попадают и в организм человека, но, как я уже говорил, небольшого количества оказывается вполне достаточно, так как и коферментов в организме очень мало.

При нормальном питании в организм человека поступают все необходимые вещества. Однако если диету искусственно ограничить, например питаться лишь тем, что может пролежать без холодильника весь долгий путь морского путешествия, или переусердствовать при очистке зерна, то при этом из пищи пропадает необходимая доза витаминов. А без них организм не может формировать соответствующие коферменты. Когда доходит до этой стадии, ферменты, в состав которых эти коферменты должны были бы входить, становятся недееспособными, внутриклеточные химические механизмы начинают буксовать, и человек заболевает, ему становится все хуже, и если положение не исправить, то в конце концов он умрет.

Эти неаминокислотные составляющие белков не являются по природе своей чисто органическими веществами. Я уже сказал, что для жизнедеятельности человека необходимо железо, поскольку оно входит в состав гемоглобина и гемсодержащих ферментов. Более того, оно необходимо в приличных количествах, поскольку гемоглобин составляет значительную часть крови.

Однако некоторые ферменты присутствуют в организме в гораздо меньшем количестве, нежели гемоглобин, и содержат уникальные, присущие в организме только им элементы — соответственно, в целом содержание этих элементов в организме не то что просто мало, а ничтожно мало. Например, фермент карбонангидраза содержит в своем составе цинк. В состав других ферментов входят магний, медь, кобальт или молибден. Для того чтобы обеспечивать потребности человека в этих веществах, они должны присутствовать в рационе в минимальном объеме, но полное их отсутствие приведет к нарушению работоспособности важнейших ферментов и, соответственно, к болезни и смерти.

Глава 19. ДЛЯ ЧЕГО ЖЕ ОНИ НУЖНЫ?

Теперь, после того, как мы подробно выяснили, почему присутствие ферментов в ящерице и их отсутствие в камне так важно, разумно поинтересоваться: какие же именно химические реакции катализируют ферменты, если уж эти реакции являются отличительным признаком живой материи?

На самом деле еще задолго до того, как было достигнуто сколь бы то ни было серьезное понимание природы ферментов и подробностей их функционирования, химики уже проявляли интерес к химическим реакциям жизни. В конце концов, суть происходящей реакции можно уловить и не зная подробностей ее осуществления, подставив вместо них уклончивое «ну, как-то чем-то катализируется, наверное».

Как уже говорилось в главе 14, все химические реакции, происходящие в процессе жизнедеятельности, именуются одним емким словом «метаболизм», или «обмен веществ».

Обратите внимание, что я определил метаболизм как химические изменения, происходящие «в процессе жизнедеятельности», а не «внутри живой ткани»! Это очень важно, потому что существует ряд химических реакций, происходящих вне живой ткани, и тем не менее крайне важных для нее.

Я имею в виду пищеварение. Когда вы глотаете пищу, она движется вниз по пищеводу, попадая оттуда в желудок, а затем — в кишечник. В ходе этого процесса она претерпевает существенные изменения, и то, что в итоге выбрасывается через анус, принципиально отличается от того, что было поглощено через рот. Во время нахождения в пищеварительном канале (общее название для всей системы труб от рта до ануса; см. рис. 40) пища не находится внутри организма в строгом смысле. Она продолжает оставаться частичкой внешнего мира, зажатой между ртом и анусом. Различные железы, от крупных вроде печени и поджелудочной до многочисленных мелких, выделяют в пищеварительный канал свои соки. Соки эти перемешиваются с перемолотой пищей, и содержащиеся в них ферменты катализируют все те реакции обмена веществ, которые мы называем общим словом «пищеварение».

Именно благодаря тому, что реакции пищеварения происходят вне самого организма, они первыми и попали в поле зрения ученых (как об этом говорилось в главе 15). Пищеварительные соки можно извлечь из канала с помощью трубок, не нанося обследуемому никакого вреда, кроме легкого неудобства, а затем тщательно изучить их действие на пищу в лабораторных условиях. Нет причин полагать, что в пробирке и в пищеварительном канале одна и та же реакция будет проходить по-разному, ведь и в том и в другом случае она проходит вне самого организма.

Счастливый случай для великого дела изучения процессов пищеварения произошел в 1822 году, когда американскому хирургу по имени Уильям Бомон попался уникальный больной — Алекс Сен-Мартин, канадский путешественник, получивший в результате огнестрельного ранения необычную травму — не-зарастающее отверстие в животе (фистулу), ведущее прямо в желудок. Бомон получил, таким образом, возможность в течение десяти лет непосредственно наблюдать, как желудок вырабатывает свои пищеварительные соки и какое воздействие они оказывают на различную пищу при тех или иных обстоятельствах. В 1833 году Бомон опубликовал результаты своих наблюдений, и физиологи пришли в полный ажиотаж.

Такие больные, как Сен-Мартин, встречаются крайне редко, и сотворить такое с человеком специально — дело немыслимое. Поэтому физиологам 40-х годов XIX века по всей Европе пришлось выбрать максимально приближенный к этому вариант — они стали создавать искусственные фистулы у собак, и изучение процессов пищеварения приобрело массовый характер.

С помощью таких методов исследования в XIX веке был собран достаточно полный свод представлений о биохимии пищеварения, и хотя это было знание только о «внешних рубежах» метаболизма, для начала получилось очень неплохо.

В целом была собрана следующая информация: по мере продвижения пищи по пищеварительному каналу она подвергается воздействию одного за другим различных соков, каждый из которых содержит свойственный только ему набор ферментов — по конвейерному принципу. Давайте рассмотрим этот процесс на примере углеводов.

Основные углеводы, содержащиеся в нашей пище, — это целлюлоза, крахмал, сахароза и лактоза. Целлюлозу организм человека расщеплять не умеет, и она выходит с фекалиями практически в нетронутом виде. А вот крахмал начинает распадаться на более мелкие части, именуемые декстринами, уже под воздействием фермента, присутствующего в слюне, птиалина.

Но птиалин не может обрабатывать пищу долго — еда проглатывается и опускается в желудок, кислотное содержимое которого быстро разрушает птиалин. Однако как только пища из желудка попадает в тонкий кишечник, там она снова подвергается действию уже другой амилазы (так называются все ферменты, катализирующие процесс распада крахмала, в том числе и птиалин), слегка щелочной, производимой поджелудочной железой. Здесь процесс распада крахмала продолжается — медленно, но непрерывно. Крахмал продолжает распадаться на декстрины, а декстрины — на более мелкие, пока не получатся фрагменты, состоящие всего из двух молекул глюкозы. Они называются мальтозой.

Дальше в пищеварительном тракте пища подвергается обработке другими пищеварительными соками, содержащими, в частности, фермент «мальтазу», катализирующую распад мальтозы на отдельные молекулы глюкозы.

Есть в пищеварительных соках и такие ферменты, как «сахараза» и «лактаза», катализирующие расщепление, соответственно, сахарозы на глюкозу и фруктозу и лактозы на глюкозу и галактозу. Таким образом, посредством скоординированной деятельности ферментов расщепляемые углеводы из исходной пищи превращаются в простые вещества с шестью атомами углерода — глюкозу (в основном), фруктозу и галактозу.

Жиры попадают в ежовую рукавицу жирорасщепляющих ферментов («липаз»), одной из которых является желудочный сок, ферментативная деятельность которого, впрочем, не очень активна ввиду его высокой кислотности, и сок поджелудочной железы, который как раз очень активен в этом отношении. Сок печени (желчь) не содержит ферментов, зато содержит определенные вещества (соли желчных кислот), которые облегчают перемешивание жиров с водянистыми пищеварительными соками, а значит, и сам процесс их переваривания. К тому времени, когда жиры достигают нижней части тонкого кишечника, они уже разложены на глицерин (трехуглеродный спирт) и жирные кислоты (длинные углеводные цепочки с карбоксильной группой на конце).

Белкам, как и следовало ожидать, предстоит самая сложная обработка. Пепсин, содержащийся в желудочном соке, чувствует себя в кислотной среде как дома — это редкий случай среди ферментов, его активность вне кислотной среды невозможна. Он катализирует процесс распада определенных пептидных связей, а соляная кислота желудочного сока катализирует распад всех пептидных связей без исключения. Трипсин и химотрипсин сока поджелудочной железы тоже являются расщепляющими белок ферментами («протеазами»), и их черед наступает, когда пища покидает желудок и переходит в тонкий кишечник. Они катализируют распад пептидных связей, с которыми не справились ни пепсин, ни соляная кислота. В результате в основную часть тонкого кишечника белки попадают в виде множества мелких пептидов, состоящих из двух-трех-четырех аминокислот. А соки кишечника содержат множество «пептидаз», которые и завершают работу по катализированию распада различных пептидов на одиночные аминокислоты.

У всех этих пищеварительных изменений есть общие детали. Прежде всего, все они заключаются в превращении больших молекул в маленькие. Такие метаболические превращения сравнительно больших и сложных молекул в маленькие и простые именуются словом «катаболизм». Следовательно, можно сказать, что пищеварение — это ряд катаболических изменений.

Далее, различные катаболические преобразования, происходящие при пищеварении, всегда подразумевают расщепление некоторых химических связей и присоединение в месте расщепления молекулы воды. Такой способ разрывать связь с помощью добавления воды — вполне естественное изобретение, если принять во внимание, что живая ткань большей частью из воды и состоит — на 60 процентов, если мерить по весу, и на 98 процентов, если считать по количеству отдельных молекул (это то, что касается именно человека). Такой процесс получил название «гидролиз» (от греческих слов, означающих «терять с водой»), а подробности гидролитических изменений, происходящих при переваривании пищевых веществ каждого из трех классов, приведены на рис. 41.

Итоговые продукты пищеварения — единицы строения, полученные путем катализируемого ферментами гидролиза из сложных веществ, изначально присутствующих в пище, — могут проходить сквозь мембрану кишечника («абсорбироваться», или «впитываться») и попадать таким образом уже непосредственно внутрь организма. Более сложные молекулы этого сделать, как правило, не могут.

Таково значение пищеварения: оно превращает невпитываемые питательные вещества во впитываемые единицы, из которых они состоят. Более того, для организма крайне важно, чтобы исходные питательные вещества во всей своей сложности не впитывались. Набор углеводов и жиров, естественный для каждого организма, в мелочах отличается от набора углеводов и жиров, естественных для других организмов. А уж про белки и говорить нечего. Организму нечего и пытаться внедрить в свою структуру чужие молекулы, все сразу и в неизмененном виде. На самом деле, даже когда такое происходит, и чужие белки или сложные углеводы по какой-то причине в нетронутом виде попадают в организм, он тут же начинает вырабатывать особые белковые молекулы (антитела), которые связывают посторонние молекулы и быстро выводят их из строя.

В дальнейшем антитела не исчезают из организма, что обеспечивает человеку иммунитет против болезни в будущем, если белок, на который они выработаны, является частью вредоносного микроорганизма или производимым таким микроорганизмом токсином. Однако антитела могут сослужить и плохую службу, сделав человека «гиперчувствительным» к присутствию чужеродных белков вполне безобидной природы — в виде наступления аллергических реакций, вроде сенной лихорадки, астмы или пищевой аллергии.

Если же организм имеет дело не со сложными веществами, а всего лишь с их структурными единицами, то таких проблем не возникает. Не важно, сколь различны между собой белки коровы, утки или пшеницы и насколько все они вместе отличаются от человеческих белков, — все они состоят из одних и тех же аминокислот. Будучи разложенными в организме, они предоставляют для впитывания организмом именно аминокислоты — прекрасный строительный материал для человеческих белков. Точно так же и чужеродные углеводы разлагаются на глюкозу, из которой строятся уже человеческие углеводы, а чужеродные жиры — на глицерин и жирные кислоты, из которых создаются человеческие жиры.

Пройдя сквозь кишечную мембрану и будучи впитанными, структурные единицы попадают уже непосредственно в организм. Таким образом, из вида биохимиков и физиологов XIX века они после этого пропадали. О процессе метаболических изменений, происходящих в самом организме (промежуточном метаболизме), можно было судить лишь по косвенным признакам.

Точнее говоря, природа конкретных изменений в целом была уже понятна. Ясно, что глюкозе и жирным кислотам предстояло подвергнуться, хотя бы частично, дальнейшему разложению на еще более мелкие молекулы углекислоты и воды. Аминокислоты тоже должны превратиться, хотя бы частично, в углекислоту, воду и азотсодержащую мочевину. Эти процессы должны происходить хотя бы потому, что в моче имеется мочевина, а в выдыхаемом воздухе — газообразная углекислота, а вода вообще выделяется организмом всеми возможными способами — и с мочой, и с дыханием, и через кожу с потом (рис. 42).

Кроме того, различные структурные единицы должны, хотя бы частично, подвергнуться изменениям, которые вновь построят из них сложные молекулы. В отношении аминокислот и жирных кислот это казалось однозначным, поскольку в человеческом организме содержатся строго специфические, человеческие белки и жиры, которые можно сформировать только из структурных единиц.

Присутствие в организме специфических человеческих углеводов — менее очевидно. Точнее, в 1844 году немецкий биохимик К. Шмидт обнаружил, что в крови содержится в небольшом количестве глюкоза, но речь шла именно о самой глюкозе как о структурной единице. Однако в 1856 году французский физиолог Клод Бернар увенчал свои многолетние исследования открытием того факта, что в печени содержится склад крахмалоподобных углеводов, имеющих некоторые отличия от самого крахмала. Бернар назвал этот углевод «гликогеном», от греческого «производить сахар», поскольку в процессе гидролиза именно это с углеводом и произошло бы.

Происходящие в организме метаболические реакции, в ходе которых производятся большие и сложные молекулы из маленьких и простых — белки из аминокислот, жиры из жирных кислот, гликоген из глюкозы, — являются примерами анаболизма.

Понятно, что как анаболитические, так и катаболитические реакции, включенные в процесс промежуточного метаболизма, неизбежно имеют место именно таким образом, как описано выше. Поняв это, можно приступать к их изучению, даже не зная химических подробностей.

К примеру, концентрация глюкозы в крови всегда постоянна. Каждый кубический сантиметр крови содержит, грубо округляя, один миллиграмм глюкозы, служащей промежуточным запасом пищи для омываемых кровью клеток. Когда происходит расщепление большого объема пищи и в организм одновременно поступает много глюкозы, ее уровень в крови не испытывает скачкообразного возрастания. И точно так же он не падает, когда в результате долгого голодания организм расходует глюкозу, не получая компенсирующего притока ее извне.

Такая гармония является возможной благодаря уравновешенности анаболитических и катаболитических процессов. Глюкоза, получаемая в ходе расщепления пищи (катаболизм), проходит сквозь стенки кишечника в кровеносные сосуды, сходящиеся в так называемую «воротную вену». Воротная вена доставляет глюкозу в печень, где распадается на сеть «синусоид», омывающих клетки печени. Глюкоза переходит из крови в клетки печени, и там из нее формируется гликоген (анаболизм), в виде которого она и хранится для последующего использования.

После того как кровь покидает печень, концентрация глюкозы в ней уже соответствует норме. По печеночной вене кровь попадает из печени в сердце, откуда разносится по всему организму. Содержащаяся в ней глюкоза впитывается различными клетками организма и в них уже разлагается на углекислоту и воду (катаболизм).

Общего уменьшения уровня глюкозы в крови из-за впитывания клетками не происходит, потому печень постоянно обеспечивает свежий ее приток.

Однако по окончании переваривания пищи глюкоза перестает поступать в организм через стенки кишечника, и, если голодание затянется, нового поступления ее не будет в течение нескольких часов, а то и дней. И что тогда? Что ж, в такой ситуации, когда воротная вена вынуждена гнать в синусоиды кровь, лишенную глюкозы, срабатывают обратные механизмы. В гликоген превращать больше нечего, но сам-то гликоген в печени еще хранится! И вот теперь организм начинает его потихоньку расщеплять (катаболизм), ровно с такой скоростью, чтобы обеспечить кровь в печеночной вене строго рассчитанным количеством глюкозы.

Балансируя, таким образом, между катаболизмом и анаболизмом, печень превращает масштабные колебания уровня глюкозы в крови в ровную линию. Можно сказать, что она оказывает то же действие на уровень глюкозы, что банковский счет — на уровень финансов преуспевающего семейства, где в успешные периоды деньги оседают и откуда в неудачные периоды они берутся, так чтобы уровень жизни при всех этих колебаниях особенно не менялся.

Поддержание баланса глюкозы в организме — на самом деле процесс очень тонкий. Он осуществляется с помощью двух гормонов — инсулина и глюкагона, каждый из которых производится определенными клетками поджелудочной железы и выделяется напрямую в кровь. (Таким образом, поджелудочную железу можно рассматривать как железу двойного назначения — она является и пищеварительной, выделяя соки в тонкий кишечник через проток, и эндокринной, выделяя гормоны непосредственно в кровь.)

Наличие в крови инсулина стимулирует реакцию анаболизма, то есть превращение глюкозы в гликоген, что приводит к снижению уровня глюкозы в крови. Глюкагон же, наоборот, стимулирует реакцию катаболизма, то есть превращение гликогена в глюкозу, и повышает уровень последней в крови.

Если, по какой-либо причине, баланс реакций в организме смещается в сторону катаболизма так, что печень выпускает в кровь слишком много глюкозы, то, попадая в клетки поджелудочной железы, кровь с высоким содержанием глюкозы начинает стимулировать производство инсулина, что, в свою очередь, приводит к моментальному снижению уровня глюкозы. Если снижение заходит слишком далеко, то кровь с низким содержанием глюкозы стимулирует производство уже глюкагона, что приводит к повышению ее уровня. Таким образом, постоянный уровень глюкозы обеспечивается благодаря тому, что сейчас принято называть «механизмом обратной связи».

Случается так, что поджелудочная железа человека оказывается не в состоянии производить инсулин. В результате мы имеем дело с заболеванием под названием «сахарный диабет». Если действие глюкагона не сдерживается антагонистом, то уровень глюкозы в крови начинает повышаться сверх нормы и достигает опасных значений. Организм начинает пытаться избавиться от лишней глюкозы через почки—и появление глюкозы в моче свидетельствует уже о достаточно далеко зашедшем диабете.

До начала XX века лечить это заболевание не умели. Да, врачи и биологи XIX века сумели с помощью вакцин и антитоксинов победить множество инфекционных заболеваний, но перед диабетом они оставались бессильными. Его ведь вызывает не микроб и не яд — он является следствием сбоев в работе внутренней химии организма, расстройства обмена веществ.

Доказательство тому было получено в 1889 году, когда двое немецких физиологов, Й. фон Меринг и О. Минковски, обнаружили, что для того, чтобы вызвать у собаки диабет, достаточно просто удалить у нее поджелудочную железу. Ученые пустились в поиски содержащегося в поджелудочной железе вещества, которое могло бы произвести противоположное действие, будучи введенным в кровоток, но первые двадцать лет исследований ни у кого ничего не получалось.

В 1921 году канадский врач Фредерик Грант Бентинг предположил, что причина неудач может крыться в белковой природе искомого вещества, благодаря чему после извлечения поджелудочной железы из организма оно могло очень быстро разлагаться под воздействием протеаз поджелудочной. С помощью молодого студента по имени Чарльз Герберт Бест Бентинг попробовал извлечь поджелудочную железу для исследования по-новому — перевязав предварительно проток. Это помогло исключить из общей картины действие пищеварительных соков железы — производящие их части железы атрофировались. После этого уже была извлечена оставшаяся часть железы, и из нее было извлечено вещество, впоследствии названное инсулином.

С помощью инсулина, изготавливаемого из поджелудочной железы забитого скота — коров и свиней, можно сдерживать проявления диабета (но, увы, добиться полного излечения, то есть научить организм снова вырабатывать инсулин, — нельзя), и сейчас диабетики могут вести полноценную жизнь.

Вернемся к балансу глюкозы. Печень может содержать лишь ограниченный объем гликогена. Когда количество гликогена доходит до 10—15 процентов от ее общего веса, то больше она принять на хранение уже не может. Кроме того, гликоген может храниться и в мышцах — до количества не более 1 процента. Мышц в организме гораздо больше, чем печени, так что общее количество гликогена, содержащегося в мышцах, гораздо больше, чем содержащегося в печени, несмотря на более низкую концентрацию. В целом печень может хранить около 250 граммов гликогена, а мышцы — около 350. То есть всего в организме может храниться около 600 граммов гликогена.

Теперь давайте вспомним содержание главы 14, где я писал, что энергетическая ценность углеводов при превращении их в углекислоту и воду составляет около 4 килокалорий на грамм. Таким образом, если все 600 граммов гликогена израсходовать, организм получит 2400 килокалории. В принципе этого может хватить на день обычного энергорасхода, но ведь известно, что человек может не есть несколько недель и не только не умирает при этом, но и уровень глюкозы в его крови остается на допустимом уровне.

Возникает и еще один вопрос, близкий по сути к предыдущему: известно, что можно постоянно съедать больше крахмала, чем его расходуется на энергетические цели. Куда же девается при этом вся глюкоза, на которую этот крахмал распадается, если организм может хранить ее лишь в таких скромных объемах?

Ответ на эти вопросы кроется в веществах другого класса — в жирах. Всем нам известно, что от картошки, да и вообще от любой насыщенной крахмалом пищи толстеют, а что это может означать, кроме того, что организм умеет превращать углеводы в жиры? Очевидно, глюкоза тоже расщепляется на какие-то более мелкие единицы, которые превращаются организмом в жирные кислоты, из которых в дальнейшем строятся жиры. Это вполне экономичный подход с точки зрения организма, поскольку один грамм жиров содержит 9 килокалорий, а не 4, как углеводы. Соответственно, при одном и том же весе жир является в два с четвертью раза более вместительным хранилищем энергии, чем углевод. Переедающие и располневшие люди выглядели бы куда более страшно, если бы хранили весь своей энергетический запас не в жировом, а в углеводном виде, например в виде крахмала, как это делают картошка или рис.

Более того, этот процесс обратим. Известно, что при длительном голодании вес теряется. Поскольку жировой запас, в отличие от углеводного, не ограничен в объеме, то и голодать человек может неделями.

Если же ситуация совсем критическая и даже жировые запасы исчерпаны, то в энергетическую топку идут уже белки. От аминокислот отрезается азотная часть, а все остальное превращается организмом в глюкозу. В результате при затянувшейся голодовке ткани начинают пожирать сами себя.

Все это наталкивает на мысли о том, что на каком-то уровне катаболизма все виды питательных веществ приходят к одним и тем же структурным единицам. У глюкозы и жирных кислот должны быть какие-то общие «кирпичики», более простые, чем оба этих вещества. И аминокислоты, избавленные от азотной части, тоже должны в процессе катаболизма распадаться на те же «кирпичики», чем бы они ни оказались (рис. 43).

То есть создается впечатление полной универсальности биохимии в организме. Кажется, что из одних и тех же «кирпичиков» он может анаболичес-ки создавать все, что угодно.

Но надо иметь в виду и ограничения. Организм не может подменять один химический элемент другим, значит, эти «кирпичики» могут состоять только из углерода, водорода и кислорода, поскольку при их формировании из белков удаляется азот.

А если азота в этом веществе не содержится, значит, и аминокислоты из него создавать уже не получится без привлечения дополнительного источника азота, каковым в общем случае может служить только белковая пища.

Отсюда вывод: можно прожить на диете с низким содержанием углеводов и жиров, поскольку при достаточном поступлении белков некоторые аминокислоты будут анаболизированы в белки организма, а остальные — очищены от азота, низведены до состояния общего «кирпичика», а затем анаболизированы в необходимые организму жиры и углеводы.

А вот без белков прожить не получится. Диета с низким белковым содержанием приведет к тому, что организм начнет расщеплять собственные ткани, и в конце концов человек умрет, сколько бы ни было в его пище жиров и углеводов. В отсутствие источника азота собрать из общих «кирпичиков» полноценный белок невозможно.

Но ограничения на гибкость биохимии организма не исчерпываются необходимостью источника азота. Как я уже говорил в предыдущей главе, организм не способен самостоятельно вырабатывать некоторые витамины. Да, они не требуются в больших количествах, и организму можно было бы простить подобную ограниченность, просто не обращая на нее внимания, но в более крупном масштабе она сказывается и на самих белках.

В начале XIX века во Франции было предпринято много попыток добиться получения дешевой пищи путем варки костей и соединительной ткани (неперевариваемой в общем случае) для получения желатина, который вполне хорошо усваивается организмом. Единственная проблема заключалась в том, что желатин, будучи единственным присутствующим в пище белком, не может поддерживать жизнедеятельность.

В течение XIX века химики выяснили, что белки состоят из множества различных аминокислот, и в 1872 году немецкий биохимик О. Нассе сумел продемонстрировать, что одна из них, тирозин, в желатине отсутствует. Позже обнаружилось, что в нем отсутствуют и другие аминокислоты — цистин, триптофан и метионин. Но ведь белок в пищеварительном тракте распадается на аминокислоты, и именно они впитываются организмом! Следовательно, оставалось предположить, что оценивать надо не питательные свойства белка, а питательные свойства аминокислот, а белок рассматривать уже с точки зрения того, какие именно аминокислоты в нем присутствуют.

Эксперименты диетологов, при которых источником азота служили не белки, а смеси аминокислот, ясно показали, что жизнедеятельность и рост тканей могут продолжаться и без белков, если в пище присутствуют все аминокислоты. Когда американский биохимик Уильям Роуз зафиксировал некоторые проблемы у испытуемых при проведении подобного эксперимента, он предположил, что причина проблем в том, что в его смесь не попала некая неизвестная доселе аминокислота. Он стал искать ее и в 1935 году открыл треонин — последнюю по времени обнаружения значимую аминокислоту. С добавлением треонина в питательную смесь все пошло на лад (что является дополнительным косвенным свидетельством в пользу того факта, что других аминокислот в составе белков не встречается).

Роуз проводил свои эксперименты на взрослых людях — аспирантах, для которых не самая увлекательная диета из крахмала, кукурузного масла, смеси аминокислот и витаминноминерального комплекса воспринималась как возможность послужить науке, ну и, несомненно, завершить собственное образование. В качестве критерия оценки достаточности диеты Роуз использовал нечто, что он сам называл «азотным балансом».

Содержание азота в пище может уравновешиваться содержанием азота в фекалиях (та часть азота из пищи, которая не впиталась) и в моче (так часть, которая впиталась, но впоследствии была отсечена по той или иной причине от белков организма и отправлена в отбросы). В обычных условиях у взрослого человека количество азота, содержащегося в пище, равно количеству азота, выделяемого с мочой и фекалиями. Содержание азота в организме при этом остается неизменным — соблюдается кислотный баланс.

Однако азот всегда в какой-то степени теряется. Даже если организм получает достаточно калорий, так что необходимости в расщеплении белков для получения энергии нет, все равно белки с некоторой скоростью избавляются от азотного содержимого (иногда этот процесс называют «износом»). Если не возмещать эти потери, то количество выделяемого организмом азота превысит количество азота поглощаемого и содержание азота в организме будет снижаться. Это называется «отрицательным азотным балансом».

Может случиться и так, что приток азота будет превышать его исход, так что содержание азота в организме будет возрастать — это называется «положительным азотным балансом». Для растущих детей положительный азотный баланс — норма, так же как и для выздоравливающих больных или оправляющихся после голодовки людей. В их организмах идет активный процесс строительства тканей после длительного периода отрицательного азотного баланса.

Для того чтобы в организме поддерживался азотный баланс, анаболизм и катаболизм белков должны протекать скоординированно. Скорость синтеза белков из аминокислот должна соответствовать скорости износа белков. Но для синтеза необходимо, чтобы в организме в достаточных количествах присутствовали все аминокислоты, входящие в состав требуемого белка (как правило, это все 19 аминокислот). Диетологические эксперименты показали, что недостаток даже одной аминокислоты приводит к невозможности формирования белка — организм не умеет собирать белки с гнездом для недостающей аминокислоты «на потом».

Если одна из аминокислот отсутствует, изнашивающиеся и уничтожаемые организмом белки не заменяются и все остальные аминокислоты, присутствующие в достаточном количестве, могут сгодиться только на производство энергии. Организм очищает, их от азота и катаболизирует. В результате мы имеем отрицательный азотный баланс.

Таким образом, понятно, что в организме должны присутствовать все аминокислоты — но значит ли это, что все они должны присутствовать именно в диете? Нет. Роуз установил, что некоторые аминокислоты вполне можно исключать из диеты аспирантов, не вызывая у них при этом отрицательного азотного баланса. Например, совершенно безо всяких последствий можно удалить из смеси аланин. Но ведь аланин является необходимым элементом строения белка, и он просто обязан присутствовать в организме! Вывод ясен: значит, организм каким-то образом сам синтезирует аланин, используя для этого азот из других аминокислот.

Таким образом, часть аминокислот можно исключить из пищи и организм сам будет синтезировать их в достаточном количестве.

С другой стороны, если исключался из диеты, например, лизин, то у обследуемого тут же фиксировался отрицательный азотный баланс. Лизин необходимо получать с пищей; организм явно не умеет производить его самостоятельно, независимо от наличия в нем других аминокислот. Поэтому лизин входит в число «необходимых» аминокислот.

Роуз установил, что «необходимых» аминокислот, то есть таких, которые организм должен получать с пищей, — всего восемь, и подсчитал минимальную ежедневную норму потребления каждой из них, при которой в организме не наблюдается отрицательного азотного баланса и расщепления собственных тканей. Аминокислоты и их ежедневная норма потребления приведены в таблице 8.

Таков еще один пример ограничений, налагаемых природой на гибкость химических процессов живого организма, помимо невозможности производить витамины. Витаминов достаточно потреблять в день по нескольку миллиграммов, а вот аминокислоты необходимо получать в количествах, превышающих аналогичные цифры для витаминов в сотни и даже тысячи раз.

Глава 20. ЖИЗНЬ БЕЗ ВОЗДУХА

Как видите, многое о процессах, происходящих в живой ткани, можно сказать на одной лишь основе рассмотрения веществ, которые мы имеем на входе в организм и на выходе из него. Мы решили, что должен существовать некий общий строительный «кирпичик», из которого создаются и белки, и жиры, и углеводы. Мы пришли к выводу, что все структурные единицы пищи — глюкоза, жирные кислоты, аминокислоты и прочие — либо катаболизируются на углекислый газ и воду, либо анаболизируются в крахмал, белки или жиры. Мы даже установили, что одни вещества, такие как аланин, вырабатываются организмом самостоятельно, а другие, такие как лизин, — нет.

Это все, до чего мы могли додуматься, или есть еще резервы?

Ну, например, мы можем воспроизвести такое умозаключение: фермент может катализировать реакцию только в точке равновесия, причем не важно, с какой стороны идет реакция (см. главу 12). Следовательно, когда сложные вещества, поступающие с пищей, подвергаются гидролизу с помощью пищеварительных ферментов, то это тоже происходит в точке равновесия реакции. И известно, что гидролиз проходит полностью, поскольку практически все содержащиеся в пище сложные вещества в итоге оказываются гидролизованными и впитываются организмом.

Впитываются! По мере впитывания организмом аминокислоты жирные кислоты и простые сахара исчезают со сцены. Остаются только сложные вещества. Они тоже распадаются и так далее. Иными словами, соблюдается закон действия масс (см. главу 9) — путем удаления конечных продуктов точка равновесия сдвигается все дальше в сторону гидролиза.

Позволяют ли нам эти данные выдвинуть какие-то предположения о происходящем в клетках? Внутри тканей присутствуют только продукты гидролиза, так что можно представить те же самые ферменты катализирующими обратную реакцию в той же самой точке равновесия. Вместо разрыва связей путем добавления воды, от одной из аминокислот, скажем, отнимается атом водорода, а от другой — соединение атома водорода с атомом кислорода, тогда у обеих аминокислот освобождается по одной возможности для образования пептидной связи (см. формулу после рис. 29). Такой «антигидролиз» называют «конденсацией». Если конечные продукты этой реакции (белок и воду в данном случае) удалять из клетки с той же скоростью, с какой они образуются, то реакция конденсации может идти сколько угодно, вплоть до полной обработки всех имеющихся веществ.

Картинка, при которой одни и те же ферменты управляют процессами как анаболизма, так и катаболизма, в зависимости от того, какие именно вещества удаляются с места прохождения реакции, конечно, выглядит красиво. Но насколько она соответствует реальности?

В частности, в пользу этого предположения свидетельствует тот факт, что в лабораторных условиях пищеварительные ферменты можно заставить катализировать анаболитические реакции. К примеру, если аминокислоты подвергнуть при соответствующих условиях воздействию пепсина или химотрипсина, то действительно, происходит некий синтез, и в итоге получается нерастворимое белкообразное вещество пластеин. Пластеин — это смесь пептидов с малой молекулярной массой, цепочки которых состоят не более чем из десяти—двенадцати аминокислот; но вполне вероятно, что внутри живых тканей условия для формирования белков более благоприятны, чем в лабораторной пробирке, и там могут создаваться более крупные и сложные белки.

Но, увы, в целом теория имеет и ряд серьезных недостатков. Во-первых, пищеварительные ферменты в живых тканях никогда не встречаются. Какая разница, может пепсин или химотрипсин способствовать формированию белка или нет, если и тот и другой все равно отсутствуют в клетках, где это формирование происходит?

И опять же, нельзя забывать о свободной энергии. В целом реакции катаболизма сопровождаются снижением ее уровня. В случае гидролиза это снижение невелико по сравнению с другими видами реакций катаболизма, о которых чуть позже, но все же достаточно велико в целом. При гидролизе пептидной связи свободная энергия уменьшается на величину от 0,5 до 4 килокалорий на моль вещества, в зависимости от того, какие именно аминокислоты были задействованы в разорванной связи.

Это означает, что гидролиз белка — реакция, направленная «вниз с холма», и точка равновесия при ней сильно смещена в сторону полного гидролиза. Уровень свободной энергии снижается достаточно сильно, чтобы обратимость реакции не оказывалась ярко выраженной. На самом деле в точке равновесия подвергнувшимися гидролизу оказывается около 99 процентов белков.

Это не означает, что реакцию совсем нельзя обратить — надо просто создать для этого правильные условия. В лабораторной пробирке обеспечивается удаление воды сразу же по мере ее формирования (вода является одним из продуктов реакции конденсации). Соответственно, реакция сдвигается в сторону белка и идет производство пластеина. Однако в живой клетке образующаяся в большом количестве вода не может удаляться с нужной скоростью, и удалять с такой скоростью образующийся белок тоже сложно. Так что, если описанный путь — единственно возможный, значит, надо искать, как организм решает задачу быстрого удаления из клетки образующихся веществ. Вообще-то живая ткань преподносит много сюрпризов, и вполне возможно, что данная задача тоже нашла у природы какое-то оригинальное решение. Но все же, может быть, в живой ткани происходит не простое «обращение реакции», а какой-то иной процесс?

Что ж, если при реакции катаболизма уровень свободной энергии, как правило, снижается, то при имеющей обратную направленность реакции анаболизма он должен повышаться. Вместо того чтобы с безумной скоростью удалять продукты и клетки для того, чтобы сдвинуть точку равновесия ради протекания реакции в обратном направлении, не проще ли напрямую затратить на осуществление реакции немного энергии? В этом случае реакция пойдет куда надо, в зависимости не от состава веществ в клетке, а от приложения энергии. Не поступает энергия — идет реакция катаболизма; подали энергию — идет реакция анаболизма.

Откуда же возьмется в таком случае энергия? Самый простой ответ — из дальнейшего катаболизма структурных единиц. Из превращения глюкозы в углекислоту и воду можно получить на единицу веса в сотни раз больше энергии, чем из гидролиза гликогена на глюкозу (и, соответственно, чем требуется для конденсации глюкозы в гликоген). Следовательно, пожертвовав на катаболизм одной молекулой глюкозы, можно добиться соединения сотни других молекул глюкозы в гликоген.

Хорошо, но каков же тогда конкретный механизм, перевода энергии катаболизма на полезные цели — на проведение энергоемких реакций анаболизма? Чтобы ответить на этот вопрос, надо сначала подробно рассмотреть катаболизм. Никуда теперь от этого не деться. Необходимо понять, что происходит с питательными веществами после того, как их структурные единицы впитываются клетками. Пора проникнуть в тайны промежуточного метаболизма.

Одним из видов катаболизма, интересовавшим ученых с давних пор и послужившим исходной точкой для исследования промежуточного метаболизма, является факт ферментации глюкозы дрожжами. Во-первых, ферментация дрожжами Сахаров всегда, начиная с доисторических времен, имела для человечества большое практическое значение, так что мотивация для изучения этого явления была вполне достаточной. А во-вторых, дрожжевая ферментация — все же достаточно простое явление, которое можно изучать, не сталкиваясь с теми осложнениями, которые возникают при рассмотрении тканей животных. Ферментирующее действие дрожжей приводит к распаду глюкозы на этиловый спирт с высвобождением углекислого газа, так что выражение для этого процесса можно записать так:

Обратите внимание — это выражение уравновешено! Каждая молекула глюкозы в процессе катаболизма распадается на две молекулы этилового спирта и две молекулы углекислого газа. Больше ничего.

Это кажется удивительным. После того как Лавуазье продемонстрировал, что животные не могут существовать без кислорода, казалось естественным, что при всех важных реакциях катаболизма должен быть как-то задействован и кислород. Однако здесь его нет.

А в других реакциях, происходящих с участием дрожжей? И на этот вопрос был дан отрицательный ответ. Такой приговор вынес Луи Пастер в 1861 году — он показал, что все без исключения процессы жизнедеятельности дрожжей проходят при полном отсутствии кислорода. Он назвал это «la vie sans air» — «жизнь без воздуха».

Превращение глюкозы в этиловый спирт и углекислый газ — пример «гликолиза» (что по-гречески значит «расщепление сахара»), а для подчеркивания того факта, что этот процесс проходит «без воздуха», его часто называют еще «анаэробным гликолизом», где «анаэробный» по-гречески и означает «без воздуха».

Начиная с наблюдений за горящим топливом весь опыт человечества говорит о том, что получение энергии связано с соединением углесодержащих веществ с кислородом, но не будем же слишком строги в этом отношении. Энергию можно производить и другими способами.

При расщеплении одного моля глюкозы на этиловый спирт и углекислый газ высвобождается около 36 килокалорий свободной энергии. Это, конечно, гораздо меньше, чем можно было бы получить путем полного превращения этого же количества глюкозы в воду и углекислый газ; в последнем случае изменение уровня свободной энергии составило бы 686 килокалорий, так что при гликолизе производство энергии составляет лишь двадцатую часть от возможного. Однако для жизнедеятельности дрожжей этого оказывается достаточно.

Более того, вполне вероятно, что когда-то давным-давно никакого кислорода в атмосфере Земли не было, так что единственными способами выработки энергии для тогдашних живых существ были методы, родственные гликолизу. Даже сегодня сложные организмы, обычно получающие энергию за счет катаболизма глюкозы до уровня воды и углекислого газа с потреблением кислорода, при особых обстоятельствах могут временно переключиться и на гликолиз.

В качестве примера можно назвать мышечную ткань. В начале XX века было обнаружено, что мышцы содержат в небольшом количестве молочную кислоту, трехуглеродное соединение с эмпирической формулой С₃H₆O₃. (Раньше это вещество обнаруживали только в прокисшем молоке, отсюда и название.) Выяснилось также, что в процессе работы мышц содержание молочной кислоты в них повышается.

В 1918 году немецкий биохимик Отто Майерхоф показал, что повышение содержания в мышцах молочной кислоты сопровождается снижением содержания в них гликогена. Казалось очевидным, что мышечная деятельность подразумевает расщепление гликогена на глюкозу и превращение последней в молочную кислоту. Реакцию перевода глюкозы в молочную кислоту можно записать так:

И снова перед нами уравновешенное выражение. Одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы молочной кислоты без какого-либо участия кислорода. Наверное, именно эта или очень похожая реакция происходит и при прокисании молока, когда попавшие в него бактерии превращают молочный сахар в лактозу. Результат, получаемый в мышцах или в прокисшем молоке, отличается от результата, получаемого в дрожжах, поскольку в последнем случае молочная кислота продолжает расщепляться дальше:

то есть на этиловый спирт и углекислый газ. Однако с точки зрения энергетики это маловажная деталь, поскольку на этом дополнительном шаге не вырабатывается какого-либо существенного объема энергии.

Хорошо, что этого не происходит в мышцах. Спирт — гораздо более ядовитое вещество, чем молочная кислота, и его присутствие в клетке было бы гораздо опаснее. Дрожжи могут себе позволить вырабатывать спирт, ведь они выбрасывают его в окружающую среду; но даже при этом они умирают, когда концентрация спирта в окружающей среде достигает около 18 процентов. А мышцам пришлось бы выбрасывать спирт в кровь, так что организм очень быстро опьянел бы и умер. В принципе, наверное, и приспособиться к высокой концентрации спирта в крови организм мог бы, но этого не произошло. Очевидно, более выгодным в процессе эволюции многоклеточных оказалось избавиться от завершающего этапа гликолиза, чем вводить механизмы ликвидации его последствий.

Майерхоф не просто показал, что сложные организмы способны проводить анаэробный гликолиз, несмотря на то что, как правило, они пользуются более эффективными реакциями с задействованием кислорода. Он обнаружил также, что и дрожжи, и мышцы пользуются при этом одними и теми же коферментами. Стало ясно, что и глюкоза в клетках обоих видов расщепляется с помощью сходных реакций. Так постепенно становилось ясно, что метаболические механизмы всех живых существ в принципе сходны и различия между ними не так уж существенны. Все проводимые со времен Майерхофа исследования только подтверждают эту точку зрения.

Легко понять, зачем мышцам нужна способность к гликолизу. Конечно, мышцы могут получить из глюкозы гораздо больше энергии путем полного расщепления ее на воду и углекислый газ — так они и делают в условиях отсутствия особой нагрузки. Однако для этого им, естественно, необходим кислород. Он попадает в мышцы с потоками крови, и если бы вся требуемая мышцам энергия могла вырабатываться только путем «правильного» полного расщепления, то их работоспособность была бы ограничена скоростью поступления кислорода.

Когда мышцы начинают расходовать больше энергии (например, при занятиях спортом), организм начинает ускорять кровоток. Человек принимается глубже и чаще дышать, сердце бьется чаще и сильнее. Естественно, скорость поступления в мышцы кислорода тоже повышается, и в них начинает вырабатываться больше энергии. Однако скорость дыхания и сердцебиения не может возрастать безгранично. А вдруг мышцам требуется еще больше энергии, чем они могут произвести с использованием всего поступающего объема кислорода, пусть и увеличенного?

«Ничего не получится» — теоретически вполне допустимый с научной точки зрения ответ, но на самом деле это не так. Эволюция всегда приводит к распространению механизмов, позволяющих их носителям хоть чуть-чуть, да опередить конкурентов. Так что с точки зрения выживаемости мышцам оказалось «выгодно» сохранить устаревшую способность к анаэробному гликолизу, ведь она позволяет вырабатывать «еще чуть-чуть» энергии дополнительно к получаемой с помощью кислородозависимых реакций.

Конечно, это неэффективный способ. Для того чтобы добиться того же эффекта, что при расщеплении одной молекулы глюкозы на воду и углекислоту, путем расщепления той же глюкозы на молочную кислоту, нужно потратить девятнадцать молекул против одной. Но в случае необходимости лучше неэффективно растратить запас глюкозы, чем оказаться в ситуации, когда какого-то мизерного количества энергии не хватает, чтобы спасти, скажем, собственную жизнь.

Этот процесс тоже имеет свои ограничения. Молочная кислота накапливается в мышцах по мере их работы, и, хотя она и не столь токсична, как спирт, все же и ее присутствие можно терпеть лишь до определенной концентрации. В мышцах, находящихся в состоянии покоя, концентрация молочной кислоты — 0,02 процента. В процессе работы она может доходить до 0,25 процента, но не более. Мы ощущаем возрастание молочной кислоты как один из признаков усталости, и в итоге любая мышца, как ее ни стимулируй, должна прекратить свою деятельность. Она не выдержит большего количества молочной кислоты.

Что же далее происходит с молочной кислотой? Ведь в процессе отдыха мышца должна, очевидно, восстановиться? Британский физиолог Арчибалд Вивиен Хилл показал, что после насыщения молочной кислотой мышца начинает больше обычного потреблять кислород. Такое ощущение, что кислород, которого так не хватало для сжигания глюкозы во время работы, теперь стремится наверстать упущенное. Получается нечто вроде возмещения «кислородного долга», и именно благодаря этому мы еще долго продолжаем тяжело дышать, а наше сердце — усиленно биться уже после того, как работа завершена. Теперь кислород необходим нашим тканям уже не для совершения работы, а в качестве «возмещения долга».

Химически это «возмещение долга» выражается в расщеплении молочной кислоты на воду и углекислоту. При этом вырабатываются те самые оставшиеся восемнадцать девятнадцатых энергии, потенциально скрытые в расщеплении глюкозы:

ΔF = -650 ккал.

При этом вырабатывается гораздо больше энергии, чем, требуется для того, чтобы снова собрать из двух (Молекул молочной кислоты молекулу глюкозы:

ΔF = +36 ккал.

Если предположить, что вырабатываемую при катаболизме молочной кислоты энергию можно пустить на формирование глюкозы из других молекул молочной кислоты, то понятно, что катаболизма одной молекулы молочной кислоты хватит для анаболизма множества других молекул. Даже если эффективность передачи энергии при этом будет составлять процентов 50, все равно достаточно расщепить на воду и углекислоту одну молекулу молочной кислоты, чтобы десять других объединить в молекулы глюкозы.

В итоге, когда «кислородная задолженность» ликвидирована, большинство молекул молочной кислоты снова оказываются в составе гликогена, наготове для следующего этапа работы, а потери гликогеновых запасов компенсируются бесконечным притоком глюкозы из печени.

Катаболизм молочной кислоты, благодаря которому становится возможным анаболизм других ее же молекул, является примером «парной реакции» (рис. 44). В целом реакция сопровождается снижением уровня свободной энергии. То есть, несмотря на то что при формировании глюкозы из молочной кислоты уровень свободной энергии повышается, это происходит не иначе как в ответ на распад молочной кислоты на углекислоту и воду, а при этом процессе уровень свободной энергии снижается, причем общая величина снижения за счет реакций второго типа — больше, чем общая величина повышения за счет реакций первого типа, так что в целом мы наблюдаем снижение, как и всегда при любых других проявлениях жизнедеятельности.

Легко говорить о парности реакций катаболизма и анаболизма молочной кислоты, но как именно такая парность обеспечивается? Каким образом энергия, вырабатываемая при одной реакции, передается другой?

Первая подсказка была получена в 1905 году. Английские химики Харден и Янг (те самые первооткрыватели зимазы) обнаружили, что если скорость производства дрожжами углекислого газа падает, то ее можно вернуть на прежний уровень, если добавить в дрожжи неорганический фосфат (примером такого вещества может служить фосфат калиевой кислоты, КН₂РO₄). Более того, по мере выработки углекислого газа количество фосфата в растворе уменьшалось!

Харден и Янг решили, что единственное, куда мог деваться фосфат, — это соединяться с каким-то органическим веществом. В этом случае он действительно перестал бы встречаться в виде простого иона и, соответственно, реагировать с тестовым реагентом. Ученые принялись анализировать смесь на предмет наличия в небольших количествах какого-нибудь органического вещества с содержанием фосфатной группы — и нашли такое вещество! Фосфатная группа оказалась связанной с молекулой сахара с помощью некоей связи, характерной для подобных соединений, именуемых «эфирами». Соответственно, данное вещество получило название «эфир Хардена—Янга». Со временем было установлено и точное строение этого вещества; оказалось, что это простой сахар, фруктоза, к которому крепятся две фосфатные группы. Теперь его так и называют — фруктозодифосфат.

Фруктозодифосфат является примером «метаболического посредника», вещества, встречающегося в схеме обмена веществ где-то посередине между известным исходным веществом (в данном случае это глюкоза) и легко определяемым итоговым веществом (в данном случае это этиловый спирт и углекислота). Определение и установление метаболических посредников крайне важно для правильного понимания процессов обмена веществ, происходящих в живой ткани, так что можно сказать, что с 1905 года начался отсчет систематического изучения метаболических посредников.

Вскоре были обнаружены и другие органические фосфаты, и, ко всеобщему изумлению, стало ясно, что именно фосфатные группы имеют непосредственное отношение практически к каждому шагу метаболизма. Ранее считалось, что фосфатные группы в живых организмах встречаются только в костях как часть неорганического скелета, а об их присутствии в большом количестве в мягких тканях по большей части не подозревали, а если ученые их там и обнаруживали, то не придавали этому факту особого значения. Теперь же фосфаты вдруг оказались в центре всеобщего внимания, поэтому и нам не грех будет посвятить им целую главу.

Глава 21. ЗНАЧЕНИЕ ФОСФАТОВ

Перед тем как обсуждать связь между фосфатными группами и метаболизмом, надо сначала немного поговорить о самом фосфоре.

В таблице Менделеева фосфор находится сразу же под азотом, что свидетельствует о сходстве атомного строения этих двух элементов. У атома азота две электронные оболочки, во внешней из них находится пять электронов, а у атома фосфора — три оболочки, во внешней из которых тоже находится пять электронов. Соответственно, в электронном изображении фосфор можно представить как

то есть точно так же, как и азот.

Атом фосфора может принимать в совместное пользование три электрона других атомов, предоставляя при этом в совместное пользование и три своих, так чтобы в целом достигать стабильного числа восемь. Так, например, с водородом фосфор образует соединение (фосфин, РН₃) таким образом:

Точно так же образуется и аммиак (см. главу 17).

Кроме трех электронов, которые фосфор может предоставлять в совместное пользование, у него есть еще два, которые он никуда предоставлять не собирается (к примеру, в фосфине они остаются в полном распоряжении фосфора). Однако эти два электрона вполне могут быть предоставлены в пользование атому, которому только их и не хватает для обретения заветных восьми электронов во внешней оболочке. Естественно, первым из такого рода атомов нам приходит в голову кислород, во внешней оболочке которого всего шесть атомов.

Если сосредоточиться только на фосфоре и кислороде, то можно представить «разделяемые» его атомы как «просто связи» и рассматривать только «неразделяемые», таким вот образом:

Как видите, теперь потребность атома кислорода в восьми электронах удовлетворена без каких-либо потерь для фосфора, который также сохраняет эти электроны в своей внешней оболочке.

Связь, образуемая подобным образом — когда оба электрона предоставляются одним и тем же атомом, — так же сильна, как и образуемая обычным способом, когда каждый атом предоставляет по одному электрону для образования пары. В химии она именуется «координационной связью», и ее часто изображают на схемах в виде маленькой стрелочки, указывающей от того атома, который предоставляет электроны, на тот, который их принимает. Таким образом, фосфор имеет три ковалентных и одну координационную связь, что можно изобразить так:

Зачастую, как в случае с фосфином, задействованными оказываются только три ковалентные связи. Однако, особенно в тех случаях, когда речь заходит об атомах кислорода, для координационной связи тоже находится работа[7]. Кстати, все вышесказанное в равной степени относится и к атомам азота.

Самым важным фосфорсодержащим соединением является ортофосфорная кислота, которую часто называют просто «фосфорной кислотой» (Н₃РO₄), в которой всеми четырьмя связями фосфор соединен с атомами кислорода. Ее можно представить таким образом:

Где бы в живой ткани ни появлялся атом фосфора, он всегда оказывается входящим в состав соединения, родственного фосфорной кислоте. К примеру, фосфорная кислота может ионизироваться, сначала за счет ионизации одного атома водорода (Н⁺), в результате чего получается «первичный фосфат-ион» Н₂РО4^-, с отрицательным зарядом -1, а затем — второго и третьего атомов водорода с образованием вторичного и третичного фосфат-ионов: НРО₄^2- и РО₄^3-. Первые два из этих ионов обнаруживаются и в крови, и в тканях.

Кроме того, фосфорная кислота или получаемые из нее ионы могут вступать в соединение с другими веществами. В таких соединениях участвуют (иногда и более одной) гидроксильные (содержащие и водород, и кислород) группы, присутствующие в молекуле. Мы сосредоточимся именно на этой части молекулы фосфорной кислоты и, краткости и удобства ради, обозначим оставшуюся часть как (P). В таком виде краткая запись молекулы фосфорной кислоты будет выглядеть как Н — О — (P). В тех случаях, когда речь будет идти более чем об одной гидроксильной группе, к центральной (P) будут обозначены присоединенными вторая и третья гидроксильные группы.

При вступлении в соединение фосфорная кислота или ее ионы обычно непосредственно соединяются с гидроксильной группой другого вещества, что можно изобразить так: R — О — Н, где R — любая углеродосодержащая группа. Таким образом, запись R — О — Н может обозначать и спирт, и сахар или другие соединения, о которых мы не упоминали, — в общем, любое вещество, в состав которого входит гидроксильная группа.

Таким образом, реакцию фосфорной кислоты, скажем, с сахаром можно представить на рис. 45. В процессе присоединения отщепляется молекула воды, то есть мы имеем дело с реакцией конденсации, значит, реакцию обратную данной следует признать реакцией гидролиза.

Обычно уменьшение свободной энергии связано именно с гидролизом, так что точка равновесия данной реакции смещена далеко в сторону смеси сахара и фосфорной кислоты. При гидролизе сахарофосфата (примером такого вещества является упомянутый в предыдущей главе эфир Хардена—Янга) высвобождается от 2 до 4 килокалорий на моль вещества, в зависимости от конкретного вещества. То есть при гидролизе эфирной связи сахарофосфата высвобождается примерно столько же свободной энергии, сколько и при гидролизе пептидной связи белковой молекулы.

Естественно, для того, чтобы сформировать эфир путем конденсации сахара и фосфорной кислоты, необходимо затратить те же 2—4 килокалории на моль. Значит, чтобы создать такого рода эфирную связь, надо потратить столько же энергии, сколько на создание пептидной связи.

Поскольку фосфорная кислота обладает гидроксильной группой, то одна молекула фосфорной кислоты вполне может конденсироваться и с другой такой же молекулой. В результате получается сочетание атомов типа — О — (|3), «пирофосфатная связь».

Конденсированные кислоты, приведенные на рис. 46, оставались бы вне поля зрения органической химии, если бы не тот факт, что в 1929 году немецкий биохимик К. Лохманн сумел выделить из мышц вещество, оказавшееся продуктом конденсации трифосфорной кислоты с органическим веществом аденозином, встречающимся в составе нуклеиновых кислот[8]. Соответственно, продукт конденсации получил название «аденозинтрифосфат».

Постепенно обнаруживалось участие аденозинтрифосфатов (теперь их принято обозначать общеизвестным уже сокращением АТФ) в различных реакциях, протекающих в организме. Они участвуют в процессе сокращения мышц; в передаче нервных сигналов; практически во всех стадиях обмена веществ.

Почему? Ну, начать хотя бы с того, что две фосфатные группы на удаленном от аденозина конце молекулы легче подвергаются гидролизу, чем фосфатные связи в целом. Это свидетельствует о том, что при гидролизе пирофосфатной связи уровень свободной энергии уменьшается сильнее, чем при гидролизе обычной фосфатной связи. Исследования подтвердили это предположение. Фриц Липман, американский физик немецкого происхождения, предположил по результатам своих исследований начала 40-х годов XX века, что существуют два типа фосфатных связей — обычные фосфатные связи, как в сахарофосфате, «низкоэнергетические», и «высокоэнергетические», примером которых является пирофосфатная связь.

Сперва выяснилось, что при гидролизе высокоэнергетической фосфатной связи высвобождается от 11 до 16 килокалорий энергии на моль вещества, просто колоссальная цифра по сравнению с двумя—четырьмя килокалориями на моль, высвобождаемыми при гидролизе обычной фосфатной связи. Однако дальнейшие исследования показали, что эта цифра завышена. В 50-х годах XX века уточненные исследования показали, что в среднем при гидролизе высокоэнергетических фосфатных связей высвобождается от 5 до 10 килокалорий, в среднем — 8. А при гидролизе некоторых фосфатных связей, которые принято было считать низкоэнергетическими, могло высвобождаться и до 6 килокалорий на моль. Получается, никакого строгого разрыва между этими двумя группами нет вообще.

Но все же остается признать, что существует один тип фосфатных связей, при гидролизе которых выделяется в среднем 8 килокалорий на моль вещества, и другой, при гидролизе связей которого выделяется в среднем 4 килокалории на моль. Хотя различие между ними не так велико, как показалось сначала, и некоторые биохимики уже начинают колебаться, есть ли оно вообще, я все же считаю оправданным разделение фосфатных связей на высоко- и низкоэнергетические.

Многие биохимики по привычке разделяют высоко- и низкоэнергетические фосфатные связи графическим обозначением валентной связи в формуле. Низкоэнергетическая связь обозначается обычным образом R — О — (P), а высокоэнергетическая фосфатная связь — волнистой линией. Так, обозначив АТФ за А, можно представить формулу таким образом:

Последние две связи, как видите, — пирофосфатные и высокоэнергетические. Если одну из них разорвать посредством гидролиза, то останется «аденозиндифосфат», или АДФ, формула которого выглядит как А — О — (P) — О — (P). Если разорвать еще одну, то останется «аденозинмонофосфат», или АМФ (он же «адениловая кислота»), формула которого А — О — (P). Теперь осталась только низкоэнергетическая фосфатная связь. Ее тоже можно разорвать с помощью гидролиза, так чтобы остался только аденозин, но энергии при этом третьем по счету гидролизе выделится немного — в два раза меньше, чем в любом из предыдущих случаев.

Помимо иирофосфатной, существуют и другие высокоэнергетические фосфатные связи. Возьмем органическую кислоту в общем случае (общую формулу можно записать так:

где R — любое из бесчисленного множества углеродсодержащих соединений, а СООН — «карбоксильная группа»), с которой мы уже не раз встречались.

Если фосфорная кислота конденсируется с гидроксильной частью карбоксильной группы (как на прилагаемой диаграмме), то в результате получается «ацилфосфат», изображаемый с волнистой связью, чтобы подчеркнуть ее высокую энергию (рис. 47).

Теперь давайте посмотрим, как высокоэнергетическая связь вступает в игру. Для этого вернемся к гликогену. Гликоген, содержащийся в печени и мышцах животных, в подробностях строения не совсем похож на крахмал, хранящийся в «запасниках» растений, но и гликоген, и крахмал формируются из молекул глюкозы, которые конденсируются с выделением при этом воды. Когда крахмал расщепляется в пищеварительном канале, амилазы катализируют процесс гидролиза единиц глюкозы на отдельные молекулы, добавляя воду обратно и разбивают крахмал на все более короткие цепочки, пока не получаются снова отдельные молекулы глюкозы.

И печень, и мышцы тоже должны уметь расщеплять гликоген на отдельные молекулы глюкозы, чтобы поддерживать должный ее уровень в крови. Так что логично предположить, что в тканях тоже работает некий фермент, подобный амилазам, который выполняет сходную работу — катализирует гидролиз.

Для проверки этого предположения необходимо было придумать такой эксперимент, который позволил бы понять, какие именно реакции происходят в живых тканях. Проще всего было бы сделать это, выбрав в качестве живой пробирки какое-нибудь подходящее животное вроде мыши. К сожалению, даже мышь — слишком сложное для такой задачи существо, в ее организме одномоментно проходят тысячи реакций.

Поэтому для упрощения задачи мышь придется убить и взять для исследования крошечные кусочки ее печени и мышц. Если правильно извлечь эти ткани и быстро подвергнуть обследованию, можно застать в образцах ферменты в работоспособном состоянии. Такие образцы помещали в растворы различных химических веществ. Действие ферментов настолько специфично, что если та или иная ткань катализирует определенную реакцию в лабораторных условиях, то вполне вероятно, что и в живом организме она катализирует ту же реакцию.

Если необходимо ускорить дело, то образец можно растолочь до полужидкой гомогенной кашицы («гомогената»), которую и поместить в субстрат. Тогда не придется ждать, пока субстрат проникнет в клетки—в процессе размешивания все ферменты лишились защиты клеточных мембран, и ничто не мешает им теперь проявлять каталитические свойства.

В гомогенате тоже содержится очень много ферментов, и обычно требуется сократить их число во избежание побочных реакций, которые могут помешать, и для того, чтобы концентрация необходимого фермента оказалась более высокой, чем в живом организме.

Это достигается путем подвергания гомогената условиям, о которых известно, что в них один фермент отделяется от другого. При помещении материала в некоторые растворы одни белки втягиваются в раствор, другие остаются в гомогенате. Отфильтровав после этого смесь, мы получим раствор, в котором содержатся только растворимые белки, «экстракт ткани», или «вытяжка из ткани». Получившуюся вытяжку можно дальше подвергнуть воздействию определенных кислот, ионов или некоторых органических растворов при низких температурах. При каждом из этих действий одни ферменты будут осаждаться, а другие останутся в растворе. Если повезет — можно дойти и до такого этапа, когда в растворе останется вообще только один, нужный, фермент.

Именно в результате длительной работы с вытяжками из ткани чета американских биохимиков чешского происхождения, Карл Кори и Герти Кори, сумели показать, что расщепление гликогена в тканях не имеет ничего общего с гидролизом и не катализируется амилазами.

В 1935 году К. и Г. Кори обнаружили, что если поместить вытяжку из мышц в гликоген, то никакого расщепления происходить не будет, пока в раствор не будет добавлен фосфат-ион. Естественно, первым делом исследователи предположили, что продукт распада должен будет вступить в соединение с фосфат-ионом, стали искать и в конце концов нашли в смеси сахарофосфат (не глюкозу!). В 1937 году они установили, что этот сахарофосфат, получивший к тому времени название «эфир Кори», является «глюкозо-1-фосфатом». (Шесть атомов углерода, входящих в состав глюкозы, имеют, согласно международной договоренности, номера от 1 до 6, и глюкозо-1-фосфат — это молекула, в которой фосфатная группа крепится к атому углерода № 1.)

Так оказалось, что гликоген в организме подвергается не гидролизу, а распаду с использованием фосфорной кислоты. Я поясню, что я имею в виду, на примере прилагаемой диаграммы. Пусть G — глюкоза, тогда гликоген — это цепочка G₃, соединенная кислородными связями.

Длинная глюкозная цепочка гликогена расщепляется на одиночные молекулы сахара путем добавления наперерез связям элементов фосфорной кислоты. Если бы добавляемые элементы были молекулами воды, то речь шла бы о гидролизе. Раз вместо воды используется фосфорная кислота, то и реакцию эту естественно назвать «фосфоролизом» (рис. 48). Таким образом, гликоген в живых тканях расщепляется на глюкозо-1-фосфаты с помощью фосфоролиза.

Разница между этими двумя типами реакций имеет отношение к свободной энергии. Гидролиз гликогена на глюкозу подразумевает значительное уменьшение уровня свободной энергии, а для того, чтобы подобным же образом снова создать гликоген из глюкозы, потребуется такое же количество энергии приложить на каждое заново формируемое звено связи.

Фосфоролиз же гликогена на глюкозо-1-фосфат подразумевает крайне малое снижение уровня свободной энергии. Гликоген и глюкозо-1-фосфат находится почти на одинаковом энергетическом уровне. Соответственно, реакция фосфоролиза легко обратима, так что при равных концентрациях организм может легко переключаться между расщеплением и построением гликогена, в зависимости от потребностей, поддерживая таким образом необходимую для здоровья гармонию, что уже упоминалось в главе 19.

Однако производство глюкозо-1-фосфата всей полноты проблемы не снимает. Прежде всего, сахарофосфаты по какой-то причине не могут проникать через клеточную мембрану, так что любое соединение, содержащее глюкозо-1-фосфат, будучи созданным в клетке печени, обречено в ней и оставаться, пока не утратит фосфат. Поэтому при пищеварении образуется именно глюкоза, поскольку только она способна преодолеть кишечные мембраны и попасть в клетки тканей — глюкозо-1-фосфат не смог бы. И только глюкоза может присутствовать в крови, поскольку только она, а не глюкозо-1-фосфат, может проникать из крови в клетки и питать их. Поэтому именно глюкозу, а не глюкозо-1-фосфат, клетки печени должны выбрасывать в кровь.

Так и происходит. В клетках печени был обнаружен фермент, катализирующий превращение глюкозо-1-фосфата в глюкозо-6-фосфат (фосфатная группа при этом смещается от углерода-1 к углеро-ду-6, что не требует каких-либо заслуживающих упоминания перемен в энергии), а затем был обнаружен и второй фермент, действие которого заключается в отсечении фосфатной группы посредством гидролиза. Этот шаг высвобождает глюкозу, которая просачивается сквозь клеточную мембрану и попадает в кровоток.

Но обойти требования, касающиеся свободной энергии, невозможно. При переходе от глюкозо-6-фосфата к непосредственно глюкозе происходит ее высвобождение. То же самое произошло бы и при расщеплении гликогена на глюкозу напрямую; так не все равно — расщеплять гликоген напрямую или через посредническую цепочку из двух сахарофосфатов? Чем это лучше? Тогда перед тем, как образовывать гликоген из глюкозофосфатов, для образования глюкозофосфатов из глюкозы организму все равно придется где-то брать энергию — так не проще ли сразу образовывать его из глюкозы, минуя промежуточные стадии?

Нет. При формировании гликогена перед организмом встают две основные проблемы: надо создать большую и сложную молекулу из простых и маленьких и надо найти энергию для соединения каждой из связей в цепочке, каковых в каждой молекуле гликогена по тысяче. Если организм будет поставлен перед задачей создать гликоген сразу из глюкозы, ему придется решать обе эти проблемы одновременно, и очевидно, что организм с ними не справляется.

Если же сначала глюкоза преобразуется в глюкозо-6-фосфат, то энергию искать все равно приходится, но первая проблема при этом снимается — простое вещество переходит в другое, почти столь же простое. Затем, когда глюкозофосфат уже сформирован, организму остается только объединить единицы глюкозы в огромную молекулу, но энергии для этого уже почти не требуется. Таким образом, одна сложная задача для организма разбивается на две простые, и с ними поодиночке организм вполне справляется.

Описываемый баланс гликогена и глюкозы проиллюстрирован на рис. 49.

Следующий вопрос таков: так или иначе, при переходе от глюкозы к гликогену организму все же необходимо найти-то источник энергии. Где же он ее берет? Иными словами, глядя на рис. 49, мы можем спросить: за счет чего организм переводит глюкозу в глюкозо-6-фосфат?

Вот здесь и проявляется роль высокоэнергетической фосфатной связи. Для перехода от глюкозы к глюкозо-6-фосфату требуются две вещи — фосфатная группа и энергия. АТФ обладает и тем и другим.

Реакцию глюкозы с АТФ можно выразить следующим образом:

Представим себе, что это выражение представляет собой комбинацию двух реакций. Первая — это перевод глюкозы в глюкозо-6-фосфат. При этом формируется низкоэнергетическая фосфатная связь, для чего требуется затратить около 4 килокалорий на моль вещества. Вторая — перевод АТФ в АДФ путем гидролиза высокоэнергетической фосфатной связи, в процессе чего высвобождается около 8 килокалорий на моль вещества. Получается, что гидролиза АТФ более чем достаточно для того, чтобы глюкоза могла превратиться в глюкозо-6-фосфат.

Это пример специфической парной реакции, при одной части которой высвобождается больше энергии, чем при второй — тратится, так что в итоге энергия все равно высвобождается (второй закон термодинамики не обойдешь).

До последнего времени существовало мнение, что АТФ — это и есть энергетический концентрат организма, и везде, где требуется проведение энергоемкой реакции, подключается АТФ. Однако с помощью современных методик анализа ткани было установлено, что существуют и другие трифосфаты, и теперь считается, что для различных реакций существуют и различные источники энергии. Тем не менее все они действуют по тому же принципу, и то, что я рассказал об АТФ, в равной степени относится и к близким к нему веществам.

Фруктоза и галактоза, два других простых сахара, впитываемые организмом, тоже образуют соединения при энергетической помощи АТФ (и особых ферментов, разумеется, не тех, которые действуют в отношении глюкозы). Фруктозо-1-фосфат и галактозо-1-фосфат превращаются в тот же глюкозо-1-фосфат с помощью реакций, не требующих заслуживающей упоминания энергии, а дальше фруктоза и галактоза обычным путем превращаются в гликоген.

Формирование гликогена из простых Сахаров, таким образом, «называется «гликогенезом», а расщепление гликогена на простые сахара — «гликогенолизом». Схема с участием АТФ и всех трех Сахаров представлена на рис. 50.

Но что-то слишком гладко все получается. И правда, не можем же мы утверждать, что энергетический запас АТФ и подобных ему молекул — ответ на все задачи жизни? Что же происходит, когда он исчерпывается?

Естественно, он не исчерпывается, потому что если бы он исчерпался, то анаболизм прекратился бы, а вместе с ним — и жизнь. Поскольку жизнь не прекращается, значит, запас энергии каким-то образом возобновляется так же быстро, как и тратится.

Это означает, что организм каким-то образом строит АТФ из АДФ с той же скоростью, с какой АТФ расщепляется до АДФ в ходе множества парных реакций. Кажется, мы совсем запутались. Решив проблему энергоемких (4 килокалории на моль) процессов соединения глюкозы за счет гидролиза АТФ до АДФ, теперь мы должны решить проблему еще более энергоемких (8 килокалорий на моль) процессов создания АДФ из АТФ?

Что ж, они происходят в ходе анаэробного гликолиза, который я описывал в предыдущей главе.

На протяжении 30-х годов XX века биохимики выделяли промежуточные вещества реакций гликолизации дрожжей или живых тканей и искали ферменты, катализирующие реакции с участием этих промежуточных веществ. Выделение промежуточных веществ и изучение реакций позволило им шаг за шагом собрать, как мозаику, всю цепь катаболизма от глюкозы до молочной кислоты.

Сначала к глюкозе присоединяется фосфатная группа, затем, после перехода во фруктозу, — вторая. (Образованный таким образом фруктозодифосфат — это и есть тот самый «эфир Хардена—Янга», который я упоминал в прошлой главе.) Прикрепление каждого фосфата требует участия АТФ, так что может показаться, что цепочка гликолиза лишь усугубляет проблему, используя АТФ для своих целей, вместо того чтобы его создавать. Но мы ведь еще не закончили.

Фруктозодифосфат со своими шестью атомами углерода расщепляется на две половинки по три атома углерода в каждой (глицеральдегид-3-фосфата), в каждой из которых оказывается по одному фосфату. Что происходит с этим веществом дальше, показано на рис. 51.

Как видите, к нему добавляется вторая фосфатная группа, но не методом обычной конденсации. То есть в ходе этой реакции не образуется вода (Н — О — Н). Вместо этого выделяются два атома водорода — и все. Такой процесс называется дегидрогенизацией. При этом два выделяющихся атома водорода не образуют молекулы газообразного водорода, хотя я и записал их в выражении как просто 2Н. Их дальнейшая судьба немного сложнее, и мы вернемся к ним позже.

В результате дегидрогенизации образуется ацилфосфат, который, как я уже упоминал, является высокоэнергетическим соединением. Откуда же берется энергия для его образования? Из потери двух атомов водорода. Дегидрогенизация подразумевает снижение уровня свободной энергии на 35—70 килокалорий на моль вещества, и этого более чем достаточно, чтобы получить необходимые 8 килокалорий для формирования высокоэнергетической связи. (В строго анаэробных условиях такого масштабного пустого расходования энергии, что нам приходит в голову при виде приведенных цифр, не получается, потому что оба атома водорода в итоге потом возвращаются — вместе со своей энергией.)

Далее в цепочке формируется вторая высокоэнергетическая связь в ходе реакции, менее энергичной, чем дегидрогенизация, но тем не менее достаточной для превращения уже существующей низкоэнергетической связи в высокоэнергетическую.

Любое вещество, в состав которого входит высокоэнергетическая фосфатная связь (например, 1,3-дифосфоглицериновая кислота), может вступать в реакцию с АДФ для передачи ему этой фосфатной связи, образуя АТФ. На такой перенос связи никаких заслуживающих упоминания энергозатрат не требуется. Таким образом, формирование любой высокоэнергетической фосфатной связи равносильно формированию молекулы АТФ.

Итак, подытожим. При анаэробном гликолизе каждая молекула глюкозы начинает свое превращение в молочную кислоту с помощью двух молекул АТФ. Однако в конечном итоге глюкоза распадается на соединения с тремя атомами углерода, каждый из которых к моменту окончательного превращения в молочную кислоту доставляет в организм две молекулы АТФ.

Следовательно, шесть атомов углерода, содержащихся в глюкозе, используя две молекулы АТФ, создают их четыре, таким образом принося организму доход в две молекулы АТФ (рис. 52), которые потом можно использовать в парных реакциях для осуществления процессов анаболизма.

Но, как я уже говорил, гликолиз — неэффективный способ производства энергии. Если бы организм жил на одном гликолизе, он вел бы такое же тупое существование, как и дрожжи. Нас интересует большее, поэтому мы сейчас обратимся к кислороду.

Глава 22. ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОНОВ

Львиная доля производимой в процессе обмена веществ энергии выделяется в ходе реакций, в которых участвует атмосферный кислород. Перед тем как мы сможем свободно рассуждать об этих реакциях, надо сначала обговорить основные вещи.

Общепринятый термин для описания всех реакций, при которых в наличии имеется пламя, — «горение». Однако, после того, как Лавуазье показал, что при сгорании древесины происходит массированное соединение содержащихся в ней веществ с кислородом, распространение получило и более осмысленный термин «окисление».

Этот термин оказался не только более осмысленным, но и более общим. Процесс медленного соединения металлов с кислородом, в результате которого образуется окалина (сейчас мы называем ее оксидом), как показал Лавуазье, тоже является окислением, хотя горением его не назовешь. Иными словами, окисление — это любая реакция соединения вещества с атмосферным кислородом, независимо от того, вспыхивает ли при этой реакции пламя. Атмосферный кислород является в данном случае примером «агента окисления» (это может показаться тавтологией, но вскоре я покажу, что атмосферный кислород — не единственный распространенный в природе агент окисления).

С другой стороны, долгое время было принято говорить о процессе «восстановления» (англ. «reduction», от латинского «вести обратно») руды в состояние металла. Люди много веков наблюдали, как железо превращается в ржавчину, а большая часть металлических руд тоже похожа на ржавчину.

Обращаться с оксидами металлов, как с рудой, приходится довольно часто. Чтобы снова сделать из них металл, требуется удалить из состава оксидов атом кислорода. Так, если нагревать железную руду вместе с коксом, то атомы углерода, содержащиеся в коксе, соединятся с атомами кислорода, содержащимися в руде, оставляя металл свободным:

Поскольку восстановление спровоцировал углерод, то он являет собой пример «агента восстановления».

Таким образом, окисление — это процесс добавления кислорода к веществу, а восстановление — процесс удаления кислорода из вещества. Природа этих двух процессов прямо противоположна.

Есть еще один распространенный способ устранения кислорода из соединения с металлом — обработка водородом. В этом случае водород, как и углерод, служит агентом восстановления. Он вступает в соединение с кислородом и восстанавливает, в частности, медь, после того как она окислится дочерна.

Реакции с использованием водорода вызывают особый интерес у органических химиков. Они обнаружили, что определенные химические вещества, богатые кислородом и способные окислять металлы путем формирования оксидов, имеют также и свойство «выдирать» водород из молекул органических соединений. Соответственно, эти богатые кислородом вещества, среди которых — перманганат калия (КMnO₄) и хромовокислый калий (К₂CrO₄), тоже являются агентами окисления. У ученых создалось стойкое представление, что все они отдают часть своего кислорода на окисление металлов или используют его для соединения с водородом, выцепляя его из органических молекул с последующим образованием воды. Соответственно, потеря водорода (дегидрогенизация) тоже стала рассматриваться учеными как форма окисления, даже если ни один атом кислорода к органической молекуле напрямую и не присоединялся.

Однако, если окисленную таким образом органическую молекулу обработать газообразным водородом (как правило, в присутствии какого-нибудь катализатора), реакцию окисления можно обратить вспять. Добавление водорода (гидрогенизацию) можно, таким образом, рассматривать как реакцию восстановительную, даже если опять же никакой кислород ниоткуда не извлекался.

Короче говоря, органические химики решили рассматривать окисление как добавление кислорода или удаление водорода, а восстановление — как удаление кислорода или добавление водорода.

Но и это еще не все обобщение. Металлы покрываются ржавчиной и патиной и под воздействием фтора, хлора, брома и серы, хотя ни кислород, ни водород тут вообще ни при чем. Точно таким же образом в качестве восстановительных агентов могут выступать металлический натрий, калий, магний и кальций, хотя в происходящих с их участием реакциях не затрагивается ни кислород, ни водород. Распространять термины «окисление» и «восстановление» на бесконечное множество реакций добавления и извлечения того или иного вещества казалось уже неразумным, и надо было ввести какое-то более глобальное обобщение. Оно было сделано только после открытия электронов.

В XX веке обнаружилось, что, подвергаясь окислению, вещество теряет электроны, а подвергаясь восстановлению — получает. Возникло естественное предложение вообще перестать использовать термины «окисление» и «восстановление» в связи с приобретением или потерей веществом какого-либо элемента, а пользоваться ими для обозначения процессов потери или приобретения электронов.

К примеру, когда металлический натрий вступает в реакцию с газообразным хлором для образования хлорида натрия, атом натрия теряет электрон и становится ионом натрия. Соответственно, можно сказать, что хлор окислил натрий, и рассматривать хлор как агент окисления. Однако в ходе той же самой реакции атом хлора приобретает электрон и становится ионом хлора. Значит, натрий восстанавливает хлор и является в таком случае агентом восстановления (рис. 53).

Опять же, при горении углерода в кислороде образуется углекислый газ, в котором каждый атом углерода связан ковалентными связями с двумя атомами кислорода. Передачи электрона, как таковой, в данном случае не происходит, ни один атом не теряет полностью электрона и не приобретает его. Но атом кислорода держит электроны крепче, чем атом углерода. Так что можно сказать, что атом углерода теряет часть своего электрона и все же является окисленным, а кислород выступает в качестве агента окисления. С другой стороны, атом кислорода приобретает часть электрона, а значит — восстанавливается, а восстановительным агентом является углерод.

Как видите, не бывает ни окисления самого по себе, ни восстановления самого по себе. В обычных химических реакциях электроны не могут существовать сами по себе, они могут лишь переходить от одного атома к другому, целиком либо частично. Атом, теряющий электрон, — окисляется, приобретающий — восстанавливается. Значит, окисляемое вещество всегда является агентом восстановления для второго участвующего в реакции вещества, а то, в свою очередь, — агентом восстановления для первого. Разумеется, это касается не всех реакций — если атомы распределяются поровну, как в случае образования молекулярного хлора из атомного, то в этом процессе нет ни восстановления, ни окисления.

Принимая во внимание неразрывную связь между окислением и восстановлением, химики дали такого рода реакциям двойное название «окислительно-восстановительных».

Так как же проходят с точки зрения перераспределения электронов реакции гидрогенизации и дегидрогенизации?

Эффект от потери водорода необходимо рассматривать по-разному, в зависимости от того, имела ли место также потеря электронов, поскольку для данного процесса это вопрос первостепенной важности. Иногда вещество высвобождает атом водорода вообще без «положенного» ему электрона. Водород, лишенный электрона, является положительно заряженным ионом водорода Н⁺. А остаток вещества становится, таким образом, отрицательно заряженным ионом, и весь процесс в целом получает название ионизации. Получило ли вещество в этом случае электрон и можно ли считать его подвергшимся «восстановлению»?

Правильный ответ — нет. Ион водорода высвобождается только в том случае, если его связь с неким совместно используемым электроном (общим, чаще всего, с кислородом) уже является столь слабой, что он просто «отпадает» от соединения. Он не теряет электрона в процессе ионизации, а остальная часть соединения — не приобретает его. Скорее следует признать факт свершившейся ионизации признаком того, что электрон уже перешел от водорода к остальной части вещества в результате каких-то предыдущих событий. Сама по себе ионизация не является ни окислением, ни восстановлением.

Но, предположим, что атом водорода удален из соединения вместе со своим электроном. Такая ситуация представлена на рис. 54. (Вопрос о том, что происходит при этом с самим атомом водорода, отложим на потом. Сейчас рассмотрим только освободившуюся связь.)

Теперь можно сказать, что у органического вещества остался один электрон в полном распоряжении — а раньше было два, но в частичном. Поскольку атом углерода держит электроны чуть крепче, чем атом водорода, то когда у углерода и водорода было два совместно используемых электрона, на долю углерода приходилась чуть большая часть. Теперь же «чуть большая часть от двух», то есть «чуть более одного электрона», заменено на просто «один электрон». Значит, часть электрона соединение потеряло, и его можно счесть окисленным. Таким образом, дегидрогенизация остается окислительной реакцией и в новом, электронном понимании.

Следуя такой же логике, можно доказать и что потеря атома кислорода (хоть в одиночку, хоть в составе гидроксильной группы) вместе со всеми электронами предоставляет оставшейся части молекулы полный контроль над одним электроном вместо слабых попыток совместного с кислородом контроля над двумя электронами. Оставшаяся часть молекулы приобретает таким образом долю электрона, так что удаление из нее кислорода означает восстановление.

Но вернемся к дегидрогенизации, схема которой приведена на рис. 54. Обратите внимание, что после удаления атома водорода у углевода остается один непарный электрон. Группа атомов, обладающая непарным электроном, называется «свободным радикалом».

Свободные радикалы в таком виде пребывают недолго, поскольку оставшийся без пары электрон — очень нестабильное образование. Он вынужден искать себе пару, и вскоре обязательно с его участием происходит какая-нибудь химическая реакция.

Конечно, если удалить два атома водорода (каждый вместе со своим электроном), так что одновременно в одной молекуле образуются два непарных электрона, то они вполне могут найти себе пару в лице друг друга, образовав «двойную связь», как на рис. 55.

В большинстве случаев окисления органических веществ происходит действительно именно такая «двойная» дегидрогенизация — потеря двух атомов водорода. При такого рода дегидрогенизации происходит значительное снижение уровня свободной энергии — настолько значительное, что такие реакции, происходящие в процессе катаболизма, и представляют собой источник энергии для образования высокоэнергетических фосфатных связей.

Тем не менее при обычных условиях такого, как правило, не случается. Органическое вещество может существовать годами, и никакой дегидрогенизации с ним не происходит, пока оно не окажется в центре значительного изменения уровня свободной энергии.

Понятно, что потребуется еще и значительное количество энергии активации. В 1935 году Михаэлис (тот самый, один из авторов формулы Михаэлиса— Ментена) указал, что крайне маловероятно, чтобы органическое соединение потеряло два атома водорода одновременно. Гораздо вероятнее, что сначала оно потеряет один атом, а потом — второй. То есть должна существовать некая промежуточная форма, когда один электрон уже утрачен, а второй — еще нет, и в этот момент вещество будет представлять собой свободный радикал.

Свободный радикал — нестабилен, а для его создания требуется приложить много свободной энергии. С потерей второго электрона энергозатраты более чем восполнятся; однако сначала все же надо оторвать первый электрон, а для этого надо найти энергию активации, и именно эта сложность и не дает всем органическим соединениям (включая те, из которых состоим мы сами) немедленно разложиться на воду и углекислоту.

Однако в тканях имеются ферменты, катализирующие дегидрогенизацию при комнатной температуре. Это делается за счет снижения энергетического содержания свободного радикала — его стабилизации, иными словами. Таким образом, энергия активации уменьшается до той точки, при которой кинетической энергии молекул при комнатной температуре оказывается достаточно, чтобы приводить к образованию свободных радикалов. Когда это происходит, то, разумеется, тут же теряется и второй атом водорода и образуется двойная связь.

Но каким же образом стабилизируется свободный радикал?

На протяжении всего XIX века химики пытались создать вещества, которые мы сейчас называем свободными радикалами и которые существовали бы хоть сколько-нибудь долго, но ничего у них не выходило. Получилось это, наконец, у американского биохимика Мозеса Гомберга только в 1900 году. Гомберг показал, что некоторые сложные свободные радикалы можно заставить существовать неопределенно долго, и об их существовании свидетельствует цвет раствора.

Первый созданный таким образом свободный радикал, трифенилметил, состоит из атома углерода, соединенного с тремя бензольными кольцами. (Сам бензол состоит из шести атомов углерода и шести атомов водорода, объединенных в симметричное замкнутое кольцо.) Все три бензольных кольца, как нам известно, находятся в одной плоскости и расположены симметрично относительно центрального атома углерода, как изображено на рис. 56.

Но с чего вдруг этот конкретный свободный радикал оказался таким стабильным? Впервые разумно объяснить это смог американских химик Лайнус Полинг только в начале 30-х годов XX века. Полинг взял на вооружение теории 20-х годов о том, что электрон — это не крошечный шарик, лишенный собственных свойств, а совокупность волн, способных размываться по большему или меньшему пространству, в зависимости от обстоятельств.

Основываясь на представлении о волновой природе электронов, Полинг разработал математическую теорию, которую назвал «теорией резонансов». Помимо прочего, с помощью этой теории он смог показать, что чем в большей степени непарный электрон способен размываться, тем более он стабилен.

Вероятность размывания электрона больше в тех случаях, когда молекула, в состав которой он включен, расположена в одной плоскости и симметрична. Трифенилметил Гомберга идеально удовлетворяет этим требованиям. На рис. 56 я изобразил непарный электрон в виде точки, но это уже не соответствует реальным представлениям химиков о природе электрона. Правильнее было бы изобразить его в виде-туманности, обволакивающей молекулу, с симметричными областями высокой концентрации на некоторых участках.

Михаэлис, услышав про теорию резонанса, указал, что соединение фермента с субстратом — гораздо более симметрично, чем молекула субстрата сама по себе. В таком случае свободный радикал субстрата, объединенного с ферментом, будет гораздо более устойчивым соединением, чем просто свободный радикал субстрата, и для образования свободного радикала из комплекса «субстрат-фермент» потребуется гораздо меньше энергии, чем для образования свободного радикала из просто субстрата, — именно за счет этого фермент столь успешно катализирует реакцию.

Вернемся же к судьбе тех двух атомов водорода, которые были удалены из органического вещества путем дегидрогенизации. Один из возможных вариантов — что они объединятся в молекулу газообразного водорода и улетят. Однако при дегидрогенизации органических веществ в живой ткани этого, как правило, не происходит, за исключением тканей нескольких видов бактерий.

Альтернативный вариант — атомы перейдут к некоей «принимающей» молекуле, которая, приобретя атомы водорода, таким образом «восстанавливается». В качестве варианта такой молекулы напрашивается кислород, значит, пора нам присмотреться к электронному строению этого элемента.

В атоме кислорода восемь электронов, два во внутренней оболочке и шесть — во внешней. В электронной записи этот атом можно отобразить так:

В обычных условиях этот атом в свободном виде не встречается, а существует по парам, составляющим молекулу кислорода. Логично предположить, что при этом у двух атомов формируется общее множество из двух пар электронов, так что в оболочке каждого из них оказывается вожделенная восьмерка:

Проблема в том, что кислород обладает, ко всему прочему, еще и сильным магнетическим действием, и химики уверены, что причиной тому — наличие непарных электронов. Так что более вероятной кажется вот такая картина:

Это уже два свободных радикала, которые тем не менее являются стабильными. Достаточно интересное исключение для тех, кто занимается теоретической химией, но мы сейчас в это углубляться не будем.

Такая молекула кислорода легко может принять два атома водорода следующим образом (привожу как «электронную», так и обычную запись):

H₂O₂ — это перекись водорода, достаточно нестабильное соединение, имеющее тенденцию к расщеплению на воду и кислород:

Распад перекиси водорода — спонтанная реакция, представляющая уменьшение свободной энергии (рис. 57). Своей медленной скоростью (а хранить раствор перекиси водорода при низких температурах можно достаточно долго без значительных потерь) она обязана тому факту, что для распада необходимо разорвать связь О—О, а для этого нужна достаточно большая энергия активации.

Для получения этой энергии активации, а значит, и ускорения распада перекиси водорода достаточно даже слабого нагревания. Ряд химических веществ способны этот распад катализировать, например железные опилки или широко распространенный фермент каталаза.

Поскольку при переходе от перекиси водорода к воде уровень свободной энергии значительно снижается, то можно сказать, что при переходе от кислорода к воде уровень свободной энергии снижается сильнее, чем при переходе от кислорода к перекиси водорода. Следует ли в таком случае ожидать, что кислород, принимая водород, каждый раз будет образовывать воду?

Застревание происходит на этапе разрыва связи О—О. Если кислород соединяется с водородом при высоких температурах (к примеру, при сжигании смеси кислорода с водородом или сжигании же какого-нибудь органического соединения) связь кислорода с кислородом рвется без проблем и образуется вода.

Если же кислород соединяется с водородом при комнатной температуре, как это случается при некоторых реакциях, катализируемых ферментами, на разрыв связи «кислород-кислород» энергии может и не хватить и вместо воды образуется перекись водорода.

Однако в живых тканях перекись водорода в каких-либо значительных концентрациях не встречается — и хорошо, потому что она очень ядовита. Одним из возможных тому объяснений служит присутствие каталазы. Ее действие может заключаться в том, что любая образующаяся молекула перекиси водорода тут же расщепляется с образованием воды. Однако, как мы вскоре увидим, вполне вероятно, что крупномасштабного образования перекиси водорода в организме вообще не происходит, а каталаза служит лишь для подстраховки и потребность в ней возникает нечасто.

Кислород, конечно, наиболее вероятный захватчик свободного атома водорода, но не единственно возможный. Атом водорода, который одно органическое вещество отпускает, может быть принят целым рядом других органических веществ.

Чтобы лучше понять этот факт, представим, что множество органических веществ могут существовать в двух формах — в восстановленной и окисленной, причем разница между ними будет заключаться в присутствии или отсутствии двух атомов водорода. Это можно выразить следующим образом:

восстановленная форма ↔ окисленная форма

Окислительно-восстановительные реакции будут, естественно, разными для разных веществ. К примеру, у первой из вышеприведенных реакций точка равновесия может быть смещена вправо, так что АН₂ будет иметь ярко выраженную склонность к потере двух атомов водорода. С другой стороны, у второй реакции точка равновесия может быть смещена влево, так что В будет иметь склонность к присоединению атомов водорода.

В таком случае, если смешать АН₂ и В, то получим следующую реакцию:

АН₂, теряя атомы водорода, окисляется агентом окисления В. Само же В, приобретая водород, восстанавливается агентом восстановления АН₂.

Теперь нам остается только разработать какой-то способ измерить склонность водорода перетекать от одного вещества к другому, и это даст нам возможность предсказать, какое из них будет окисляться, а какое — восстанавливаться.

Для этого необходимо вспомнить, что и потеря, и принятие атомов водорода на самом деле лишь один из аспектов потери и принятия электронов. Любое вещество, имеющее склонность раздавать электроны, оказывает «давление», посылающее их по электрической цепи. Такое давление является электрическим потенциалом. Можно установить электрические батареи типа I, о которых я говорил в главе 10, и измерить в вольтах электрический потенциал той или иной окислительной реакции. Привести их к определенным стандартным условиям — и мы получаем «окислительный потенциал».

Окислительный потенциал реакции, при которой атом водорода отдает один электрон и превращается в ион водорода, произвольно принят за ноль. Окислительный потенциал любого атома или молекулы, проявляющих меньшую склонность к тому, чтобы отдавать электрон, считается положительным, проявляющих большую склонность отдать электрон — отрицательным.

Любое вещество всегда будет принимать электроны (иногда вместе с атомами водорода в качестве бесплатного приложения) от другого вещества, имеющего меньший положительный (или вообще отрицательный) окислительный потенциал. И точно так же любое вещество будет отдавать электроны (иногда вместе с атомами водорода) другому веществу, имеющему больший положительный (или меньший отрицательный) окислительный потенциал.

Можно даже представить серию окислительно-восстановительных реакций с участием одних и тех же электронов или одних и тех же атомов водорода, переходящих от одного вещества к другому по цепочке последовательного уменьшения отрицательных и увеличения положительных окислительных потенциалов.

Именно так на самом деле и происходит в живой ткани — давайте же вернемся к ней.

Глава 23. ЖИЗНЬ С ВОЗДУХОМ

При рассмотрении реакций, проходящих с участием атмосферного кислорода, естественно возникает желание разобраться в самом процессе впитывания кислорода живой тканью (ну, наполняет он легкие, и что дальше?).

Из таких разных существ, как картошка и мышь, добывались образцы тканей, системы ферментов в которых оставались в достаточной степени нетронутыми, чтобы продолжать катализировать положенные им реакции с использованием кислорода даже в отрыве от самого организма. Для некоторых целей нет необходимости сохранять клетки нетронутыми, поскольку реакции, потребляющие кислород, могут происходить и в достаточно чистых растворах ферментов.

Такие реакции обычно проводят в маленьком закрытом контейнере, так чтобы изменения давления в нем оказывались ощутимыми. Такой контейнер состоит из двух частей, в одной из которых находится раствор субстрата, а в другой — раствор фермента или образцы тканей. Стоит чуть-чуть покачать контейнер — и начнется реакция.

В обычных условиях начал бы потребляться кислород и выделяться углекислый газ. В результате потребления кислорода в контейнере мог бы образоваться частичный вакуум, но благодаря производству углекислого газа (что всегда происходит, когда речь идет о живых клетках) потеря возмещается и нормальное давление газа сохраняется. Однако, если внутри контейнера есть еще и небольшая ниша, в которой находится некий раствор, быстро поглощающий углекислый газ, то возмещения общего объема газа в контейнере происходить не будет. Общее снижение давления будет свидетельствовать о потреблении кислорода.

Контейнер герметично соединен с U-образной трубкой, открытой в атмосферу, нижняя часть которой заполнена цветной жидкостью. С одной стороны трубки на жидкость давит воздух, содержащийся в контейнере, с другой — обычное атмосферное давление. По мере протекания в контейнере катализируемой ферментом реакции и потребления кислорода давление в нем падает, и баланс между внутренним и внешним давлением нарушается. Жидкость в трубке со стороны атмосферы ползет вниз, а со стороны, присоединенной к контейнеру, — вверх.

Естественно, в таких случаях принимаются все меры к тому, чтобы движение жидкости осуществлялось только под воздействием возрастающей разреженности воздуха в контейнере. Контейнер помещен в теплую ванночку и содержится при постоянной температуре во избежание изменения объема воздуха в связи с изменениями температуры. Рядом находится такой же контейнер, но лишенный фермента, — контрольный, чтобы экспериментаторы видели, насколько на колебания жидкости в трубке влияют посторонние факторы, например небольшие колебания атмосферного давления.

В конечном итоге точно фиксируется сдвиг уровня жидкости в трубке и по нему определяется количество потребленного в результате катализируемой ферментом реакции кислорода. Только что описанное устройство в самом распространенном виде изобрел в 1923 году немецкий биохимик Отто Варбург, поэтому его иногда называют «респирометром Варбурга». Слово «респирометр» происходит от слов «дыхание» и «мерить».

Если в респирометр Варбурга поместить растолченную мышцу, то по мере того, как содержащиеся в ней ферменты будут катализировать реакции, кислород будет потребляться. Однако через некоторое время потребление кислорода начинает снижаться до весьма низких значений. Казалось, что ферменты денатурировались и утратили активность. Впрочем, потеря активности наблюдалась и в том случае, когда ферментам создавались все условия для того, чтобы они не денатурировались. Тогда возникло предположение, что замедление реакции связано с полной выработкой субстрата.

В последнем случае потребление кислорода снова возросло бы с добавлением субстрата, — оставалось только решить, что же именно является необходимым субстратом. Видимо, субстрат для некоторых ферментов находился не в растворе, помещенном в контейнер, а в самой мышце, так что в контейнер стали по очереди добавлять обнаруживаемые в ней вещества.

В 1935 году венгерский биохимик Альберт Сент-Дьёрдьи установил, что потребление кислорода возобновляется в том случае, если к толченой мышце добавить одно любое из четырех веществ — янтарную кислоту, фумаровую кислоту, яблочную кислоту или щавелево-уксусную кислоту. Молекулярное строение этих веществ сходно, как видно из рис. 58. Все они являются «двухосновными кислотами», поскольку молекула каждой содержит по две карбоксильных группы.

Очевидно, каждое из этих веществ каким-то образом задействуется в реакциях с потреблением кислорода. Однако они не могут использоваться просто как строительный материал, поскольку объем кислорода, который начинает потребляться после добавления любого из этих веществ, значительно превышает необходимый для связывания всего вновь добавленного количества. Видимо, начинает происходить не одна реакция, а ряд реакций, при которых используемое вещество (к примеру, янтарная кислота) возобновляется с той же скоростью, что и расходуется, так что ее участие скорее следует счесть каталитическим. По мере продолжения серии реакций становится понятно, что запас янтарной кислоты возобновляется не полностью, так что идет ее медленное растрачивание, и, в конце концов, для продолжения реакций оказывается необходимым добавление новой порции янтарной кислоты извне.

Дальше мы увидим, что четыре перечисленных вещества принимают участие не в четырех различных реакциях, а в одной и той же. Доказательство этого факта было получено благодаря малоновой кислоте.

Если в толченую ткань добавить янтарной кислоты для того, чтобы возобновить потребление кислорода, то стоит только после этого добавить малоновой кислоты, как потребление кислорода тут же снова прекращается. Это вполне ожидаемый эффект, поскольку малоновая кислота является конкурентным угнетателем янтарной (см. главу 18). Однако после добавления малоновой кислоты останавливалось потребление кислорода и возобновившееся после добавления любого из трех остальных веществ. А ведь напрямую подавлять реакции, проходящие с участием яблочной или щавелево-уксусной кислоты, малоновая кислота не может. Значит, будучи добавленной в растолченную ткань, она останавливает общий ход реакции за счет того, что где-то в нем используется часть именно янтарной кислоты. После того как было проведено много исследований в этом направлении, немецкий биохимик Ханс Адольф Кребс сумел продемонстрировать, что добавление и других веществ, в частности — лимонной кислоты (в которой содержится шесть атомов углерода и три карбоксильные группы, а не четыре атома углерода и две карбоксильные группы, как в четырех установленных Сент-Дьёрдьи кислотах), тоже приводит к возобновлению реакций с потреблением кислорода. В 1940 году Кребс разработал схему, в которой все необходимые вещества заняли свое логическое положение, и с тех пор эта схема претерпевала лишь самые незначительные изменения.

По понятным причинам эта серия химических реакций получила название «цикл Кребса», но есть названия и более описательные — «цикл трикарбоновых кислот», или «лимоннокислый цикл», поскольку лимонная кислота обладает тремя карбоксильными группами.

Давайте посмотрим, стараясь обойтись как можно меньшим числом формул и подробностей, как же работает цикл Кребса.

При анаэробном гликолизе, как я объяснял в главе 20, молекула глюкозы превращается в две молекулы молочной кислоты, производя при этом две высокоэнергетические фосфатные связи, принимающие в итоге вид АТФ. Далее предстоит катаболизм молочной кислоты с образованием дополнительных высокоэнергетических связей.

Этот процесс начинается с устранения из молочной кислоты двух атомов водорода (дегидрогенизации) с образованием пировиноградной кислоты, как показано на рис. 59.

Сочетание С=О называется «кетоновой группой», или, короче, «кетогруппой», а сочетание СООН, вам, я надеюсь, уже знакомое, — «карбоновокислой группой». Любое химическое соединение, где, как, например, в пировиноградной кислоте, содержатся обе эти группы, называется «кетокислотой».

В организме кетокислоты практически неизбежно подвергаются химической реакции, в ходе которой теряют один атом углерода. Опустив подробности, скажем лишь, что в результате пировиноградная кислота (с тремя атомами углерода) превращается в уксусную (с двумя атомами углерода), как показано на рис. 59.

Такая реакция является примером «окислительной декарбоксилизации». Окислительной — потому что при ней удаляется два атома водорода, а декарбоксилизации — потому что углекислота при этом тоже удаляется. Конкретно эта реакция окислительной декарбоксилизации катализируется ферментом, в котором используется кофермент, содержащий группу атомов, представляющую собой довольно сложную молекулу «тиамин». Это и есть тот самый витамин В_1? отсутствие которого вызывает у человека болезнь берибери. Именно дефицит этого витамина Эйкман изучал в 90-х годах XIX века (см. главу 18), и именно связанные с ним исследования положили начало изучению витаминов в целом. И вот пример того, для чего нужен витамин, — без него реакция превращения пировиноградной кислоты в уксусную не состоится и вся метаболическая цепочка реакций начнет пробуксовывать.

При переводе органических веществ в воду и углекислый газ вода образуется в ходе реакций дегидрогенизации, поскольку атомы водорода, теряемые такими веществами, как молочная кислота, в итоге объединяются с кислородом. Углекислый газ формируется по большей части в ходе реакций окислительной декарбоксилизации кетокислот.

Именно на этапе дегидрогенизации и производится используемая организмом энергия. Само по себе устранение из вещества углекислоты не позволяет получить достаточно энергии для формирования высокоэнергетических фосфатных связей. Значит, можно сделать вывод, что организм получает энергию за счет сжигания водорода, а сжигание углерода — в общем-то случайное побочное явление. Это неудивительно, поскольку, как я уже писал (см. главу 8), при сжигании водорода высвобождается гораздо больше тепла, чем при сжигании углерода.

Следующим этапом уксусная кислота добавляется в щавелево-уксусную и попадает в цикл Кребса (как вы помните, щавелево-уксусная кислота оказалась одним из первых веществ, участие которого в цикле стало известно).

В начале 40-х годов XX века подробности процесса добавления были еще неизвестны. Однако уже в 1947 году Липман (первооткрыватель высокоэнергетических фосфатных связей) сумел выделить вещество, служащее коферментом для данной реакции, и назвал его «кофермент А».

Молекула кофермента А достаточно сложна, и я не буду вас мучить. Большая часть ее — это пантотеновая кислота, витамин В₃, который организм сам производить не умеет, а значит — должен получать с пищей.

Та часть кофермента А, которая участвует в реакции, — это тиоловая группа (— S — Н). Поэтому молекулу кофермента А часто обозначают так:

Кофермент А конденсируется с уксусной кислотой, как показано на рис. 60, образуя ацетилкофермент А. На самом деле он участвует в реакции окислительной декарбоксилизации пировиноградной кислоты, так что сама уксусная кислота здесь образоваться не может. Сразу получается ацетилкофермент А.

Ту часть молекулы уксусной кислоты, которая присоединена к коферменту А, иногда называют «двухуглеродным фрагментом». Это дань традиции, происходящей из тех времен, когда точное строение этой части еще было неизвестно.

В организме происходит много реакций, при которых двухуглеродный фрагмент переходит от одного вещества к другому, и в каждом случае именно кофермент А является той рабочей лошадкой, которая выполняет эту задачу. Позже было установлено, что кофермент А участвует и в реакции с альфа-кетоглютаровой кислотой, тоже задействованной в цикле Кребса, и там выполняет задачу переноса уже четырехуглеродного фрагмента. Не стоит считать, что кофермент А может иметь дело только с двухуглеродными фрагментами, и мы еще вернемся к этой теме, когда речь зайдет о других его задачах по переносу.

Добавление к щавелево-уксусной кислоте ацетилкофермента А показано и на рис. 60. Эта сложная реакция (но при тщательном рассмотрении вы сами убедитесь, что каждому атому слева соответствует атом справа), в результате которой образуется лимонная кислота со своими шестью атомами углерода, а кофермент А формируется заново и отправляется за следующей молекулой уксусной кислоты.

После образования лимонной кислоты она проходит через ряд реакций и в итоге избавляется-таки от добавленного к ней двухуглеродного фрагмента. Таким образом, лимонная кислота превращается обратно в щавелево-уксусную. Теперь щавелево-уксусная кислота снова может приобрести двухуглеродный фрагмент, который снова будет утерян при следующей итерации цикла Кребса, и так далее.

Формулы, которые я приводил в данной главе, иллюстрируют основные этапы процесса: окислительную декарбоксилизацию, дегидрогенизацию, катализируемый перенос коферментами и так далее. Так что теперь мы можем перейти, уже без формул, к схеме-иллюстрации процесса катаболизма молочной кислоты. Эта схема приведена на рис. 61, и, уверяю вас, там показаны только самые основные моменты.

Как видите, молочная кислота сначала подвергается одной дегидрогенизации, превращаясь таким образом в пировиноградную, затем — второй в процессе образования ацетилкофермента А, а затем — еще четырем в процесс цикла Кребса. Всего получается шесть дегидрогенизаций, в ходе которых теряется двенадцать атомов водорода.

Но ведь в молекуле молочной кислоты всего шесть атомов водорода, как вы сами можете убедиться, взглянув на формулу, изображенную на рис. 59. Как же она ухитряется потерять двенадцать?

Как показывает общая схема цикла Кребса, на входе в него на трех разных участках поступают три молекулы воды. Они-то и предоставляют те самые недостающие шесть атомов водорода.

Кроме того, серия изменений, которым подвергается молочная кислота и вещества, в которые она последовательно превращается, включает в себя де-карбоксилизацию в процессе образования ацетил-кофермента А и еще две декарбоксилизации в ходе цикла Кребса для образования всего трех молекул углекислоты.

Соответственно, общее выражение будет выглядеть так:

Возникает несколько вопросов. Во-первых, давайте вернемся к судьбе наших атомов водорода. Понятно, что должен использоваться кислород, поскольку, в конце концов, и сам цикл Кребса был открыт только благодаря исследованиям процессов потребления кислорода. Однако кислород ведь не принимает атомы водорода напрямую, поскольку эксперименты показывают, что перекись водорода не образуется в тканях, даже если ткани бедны каталазой.

Значит, кислород принимает атомы водорода через какое-то посредничество, так чтобы в итоге получалась не перекись водорода, а вода. Остается предположить, что атомы водорода сначала принимает какая-то другая молекула, не кислород, а затем — передает кислороду. Так же как кофермент А переносит двухуглеродные фрагменты, какой-то другой кофермент должен переносить и атомы водорода.

На самом деле такие «переносчики водорода» были открыты еще за поколение до того, как был обнаружен кофермент А. Первым из переносчиков водорода был вообще самый первый из открытых коферментов — козимаза, обнаруженная Харденом и Янгом (см. главу 18). В начале 30-х годов XX века была установлена и молекулярная структура козимазы. Я не буду сейчас углубляться в подробности, как и в отношении кофермента А, но основные моменты перечислю.

Прежде всего, в состав козимазы входит молекула сахара из пяти атомов углерода, две фосфатные группы и азотсодержащее атомное кольцо. Все это позволяет отнести молекулу к классу нуклеотидов. Азотсодержащее кольцо имеет пиридиновую форму, как я уже упоминал в главе 18, так что вся молекула получила научное название «дифосфопиридиннуклеотид», или, в сокращенной записи, ДПН. В 1934 году Варбург, изобретатель респирометра, выделил очень похожий кофермент, который отличался от козимазы только тем, что в его состав входят три, а не две фосфатные группы. Соответственно, это вещество получило название «трифосфопиридиннуклеотид», в сокращении ТПН.

И в ДПН, и в ТПН входит особый вариант пиридинового кольца, известный как никотинамид, который организм может образовывать только на основе похожего вещества — никотиновой кислоты. Значит, либо никотинамид, либо никотиновая кислота тоже должны присутствовать в пище — это тоже витамины группы В.

На протяжении 30-х и 40-х годов XX века ученые выделяли все больше и больше ферментов, катализирующих дегидрогенизацию различных веществ, и все открытые ферменты получили общее название «дегидрогеназы». В состав большой части дегидрогеназ входят в качестве необходимого кофермента либо ДПН, либо ТПН. Поэтому дегидрогеназы получили еще одно название, свидетельствующее о важности для их строения пиридинового кольца: «пиридин-ферменты».

Активной группой, «режущей кромкой», так сказать, каждого пиридин-фермента является именно ДПН или ТПН. Однако специфику фермента определяет все же аминокислотная составляющая (апофермент). Именно она представляет собой решающий фактор, благодаря которому вступить в контакт с коферментом, а значит — послужить субстратом, могут только особые вещества. То есть десяток разных пиридин-ферментов, в состав которых входят десять различающихся между собой аминокислот, будут катализировать дегидрогенизацию десяти разных веществ, и ни один из ферментов не сможет повлиять на девять «соседских» субстратов.

Вообще говоря, из шести процессов дегидрогенизации, включенных в катаболизм молочной кислоты, пять проходят с помощью пиридин-ферментов, причем каждый раз разных. Шестая же дегидрогенизация проходит с участием янтарной кислоты, и об этом чуть позже.

Функция ДПН и ТПН — принимать атом водорода, отдаваемый субстратом. Субстрат отдает атом водорода и окисляется, а ДПН или ТПН — принимает и восстанавливается. Восстановленный ДПН или ТПН можно обозначить, не вдаваясь в тонкости строения, просто как ДПН- 2Н или ТПН- 2Н. Таким образом, дегидрогенизацию молочной кислоты в пировиноградную, катализируемую пиридин-ферментом «дегидрогеназой молочной кислоты», можно представить, не вдаваясь в подробности (поскольку структурные формулы молочной и пировиноградной кислот вы можете посмотреть на рис. 59), так:

ДПН∙2Н далее передаст оба атома водорода другому веществу и будет снова окислен до состояния обычного ДПН. Теперь он готов снова принять два атома водорода, чтобы опять передать их дальше, и так далее.

Так что же это за «другое вещество», которому ДПН отдаст водород? Кислород?

Давайте посмотрим. Если пиридин-фермент принимается за работу по дегидрогенизации субстрата, например, молочной кислоты, при отсутствии других ферментов и субстратов и в азотистой атмосфере, то реакции не произойдет. Да, атомы водорода ДПН примет, но передать их будет нечему. А общее количество присутствующих в системе молекул ДПН настолько мало по сравнению с количеством молекул молочной кислоты, что даже полное восстановление всего запаса ДПН не отразится сколь-нибудь заметным окислением молочной кислоты. Пока ДПН не сможет отдавать получаемые атомы водорода, реакция не запустится.

Исправить положение удается, если добавить в систему кислород, из чего становится ясно, что кислород принимает водород в реакциях с участием пиридин-фермента.

Однако, если добавить в систему другие вещества, например метиленовую синь, то реакция состоится и в отсутствие кислорода. Метиленовая синь будет принимать атомы водорода у ДПН ∙ 2Н. Это вещество, как понятно из названия, имеет синий цвет, но восстановленная метиленовая синь — бесцветна. Так что за ходом реакции можно следить по постепенному обесцвечиванию метиленовой сини.

Это, конечно, интересно, но практического решения проблемы нам не дает, поскольку в живой ткани метиленовая синь не встречается. Эти экспериментальные данные свидетельствуют лишь о том, что ДПН и ТПН могут при определенных обстоятельствах отдавать атомы водорода другим веществам, но каким же именно веществам они отдают атомы в живой ткани?

Отвлечемся ненадолго, а потом продолжим.

В 30-х годах XX века (а то и раньше) ученые нередко выделяли из тканей желтое вещество, получившее название «флавин», от латинского «желтый». К концу десятилетия было установлено строение этих веществ — обнаружилось, что они содержат систему из трех колец, которую организм сам создать не в силах и, опять же, должен получать с пищей в виде «рибофлавина» — одной из разновидностей витамина В.

Варбург показал, что флавины связаны с системами ферментов, которым и передают свой желтый цвет, и первый обнаруженный фермент такого рода получил название «старый желтый фермент Варбурга». В составе флавинов были в конечном итоге найдены два важных кофермента — «флавинмононуклеотид» (ФМН) и «флавинадениндинуклеотид» (ФАД).

Ферменты, в состав которых входят ФМН или ФАД, называются «флавоферментами», и, как оказалось, они, как и ферменты, включающие в себя ДПН или ТПН, катализируют дегидрогенизацию. К примеру, дегидрогенизация янтарной кислоты (единственная, как я уже говорил, во всем цикле катаболизма молочной кислоты, обходящаяся без пидидин-фермента) происходит именно под каталитическим действием «дегидрогеназы янтарной кислоты», коферментом которой является ФАД.

В этом случае, как и в предыдущем, предназначение коферментов — также принимать из субстрата атомы водорода, становясь при этом ФМН- 2Н или ФАД- 2Н, а затем отдавать этот водород чему-то еще.

Но есть и разница. Коферменты флавинов могут отдавать атомы водорода кислороду с образованием перекиси водорода. Вследствие этого дегидрогеназы флавоферментов называют еще «аэробными дегидрогеназами», поскольку они могут осуществлять каталитическую деятельность в присутствии кислорода, как единственного принимающего водород вещества. А дегидрогеназы пиридин-ферментного класса называют «анаэробными дегидрогеназами», потому что они не умеют этого делать.

Таким образом, если в систему, содержащую пиридин-ферменты, добавить флавофермент и субстрат (которые сами по себе в реакцию не вступают), то флавофермент примет атом водорода у пиридин-фермента и передаст его кислороду. Сам по себе флавофермент в прямой контакт с субстратом не вступает, а пиридин-фермент — не вступает в контакт с кислородом. Однако вместе они успешно катализируют дегидрогенизацию субстрата и восстановление кислорода в перекись водорода, как схематически изображено на рис. 62.

Перенос проходит, как видите, в три этапа, на каждом из которых происходит своя окислительно-восстановительная реакция. Как я уже объяснял в конце предыдущей главы, атомы водорода постепенно движутся по пути увеличения окислительного потенциала.

Почему же атомы водорода не могут сразу от ДПН∙2Н переходить к кислороду? Такой процесс тоже подразумевал бы увеличение окислительного потенциала. Зачем же нужен промежуточный процесс? Тут можно воспользоваться следующей аллегорией: если сила тяжести тянет человека вниз, он может, подчиняясь ей, сделать два шага по ведущим вниз ступенькам, а может и один — через ступеньку. Как правило, необходимость в промежуточном восстановленные формы окисленные формы

этапе обусловливается понижением энергии активации. Видимо, организм не может предоставить сразу достаточное количество энергии для того, чтобы преодолеть порог, необходимый для прямой передачи атомов водорода от органического вещества к кислороду. Так что приходится пользоваться промежуточным этапом в виде неорганического посредника.

В 50-х годах XX века было обнаружено, что в флавоферментах содержатся атомы металла, а в пиридин-ферментах — нет. То есть, например, дегидрогеназа янтарной кислоты имеет в своем составе атомы железа, другие флавоферменты — атомы меди или молибдена. Железо может принимать форму как двух-, так и трехвалентного иона (Fe²⁺ и Fe³⁺). Приняв один электрон, трехвалентный ион железа превращается в двухвалентный, а тот, потеряв электрон, — обратно в трехвалентный. Так, переключаясь из одной формы в другую, атом железа может выступать переносчиком электронов. Такую же работу может выполнять и медь, переключаясь из состояния одновалентного иона меди (Cu⁺) в состояние двухвалентного (Cu²⁺) и обратно. Молибден тоже обладает подобным свойством.

Такой перенос электронов могут осуществлять только металлосодержащие флавоферменты, а чисто органические пиридин-ферменты — не могут. И видимо, перенос электронов — необходимая часть процедуры снижения энергии активации переноса водорода к молекуле кислорода. Ничего точнее сказать, увы, по сей день невозможно.

Можно подумать, что теперь ситуация с атомами водорода, полученными в ходе катаболизма, благополучно прояснена, но это, конечно, не так. Когда кислород принимает атомы водорода из флавоферментов, образуется перекись водорода. Однако в целом нам известно, что перекись водорода в организме не образуется, так что приведенная схема явно не завершена. Должно быть что-то еще.

В 1925 году британский биохимик Д. Кейлин занимался изучением того, как размешанные в растворе взвеси истолченных тканей различных видов — от бактериальных до нервных тканей высших животных — поглощают свет. Он обнаружил около полудюжины разных полос поглощения и приписал их наличие предположительному существованию вещества, которое назвал «цитохром» (от греческих слов, означающих «клетка» и «цвет»). Дальнейшие исследования показали, что полосы поглощения существуют попарно, и каждая пара полос поглощения привязана к своему веществу. Естественно, они получили названия «цитохром a», «цитохром b» и «цитохром с». Со временем выяснилось, что даже такое деление не совсем точно, было вещество близкое к цитохрому a, но все же не полностью с ним идентичное, и оно получило название «цитохром a₃».

Единственным цитохромом, который удалось достаточно легко выделить из взвеси тканей, оказался цитохром с. Обнаружилось, что это сравнительно простой белок, молекулярный вес его — около 13 000, и каждая молекула этого вещества содержит один атом железа. Этот атом является частью гема, такого же гема, какой входит и в состав гемоглобина (см. главу 18). Дальнейшие исследования показали, что и в других цитохромах тоже содержится железо — и в каждом случае оно входило в состав либо гема, либо очень похожей на гем группы атомов.

Соответственно, цитохромы получили видовое название «гемоферменты». Каталаза, как я уже упоминал в предыдущей главе, тоже является примером гемофермента, но она не выполняет функций цитохромов. Гемоглобин — это гемосодержащий белок, но не гемофермент. Не все ферменты, в составе которых имеется железо, — гемоферменты. К примеру, в состав дегидрогеназы янтарной кислоты тоже входит атом железа, но не как часть гемовой группы.

Когда была установлена схема передачи водорода («дыхательная цепочка»), вскоре стало ясно, что цитохромы должны быть в нее где-то включены. Они присутствуют практически во всех клетках, за исключением разве что клеток некоторых «обязательно анаэробных» бактерий — то есть таких, которые могут жить только при отсутствии кислорода. Факт того, что в их клетках цитохромы отсутствуют в сочетании с тем, что эти бактерии не могут использовать кислород, сам по себе уже свидетельствует в пользу важности роли цитохромов в дыхательных цепочках.

И опять же, любое вещество, препятствующее деятельности цитохромов — а особенно колебаниям атома железа между двух- и трехвалентным состоянием, что прекращает передачу электрона, — препятствует и поглощению кислорода. Воздействие цианидных групп (—С=N) таких веществ, как синильная кислота (HCN) или цианистый калий (KCN), приводит к прочному застыванию атома железа в одном из состояний, в результате чего дыхание быстро и навсегда прекращается (именно поэтому цианиды так ядовиты).

О положении цитохромов в цепочке можно судить по окислительным потенциалам, приведенным в таблице 9. Очевидно, цитохромы стоят где-то после флавинов, принимают электроны от атомов водорода и передают их по одному путем колебания железа между двух- и трехвалентным ионным состоянием, от «b» к «c», от «c» к «a», от «a» к «a₃».

Возможно, при этом передаются и сами атомы водорода, хотя в этом отношении точных данных нет.

Однако где-то ведь цепочка должна закончиться! На каком-то этапе водород должен быть передан кислороду — и это этап цитохрома a₃. Окислительный потенциал системы «кислород/вода» равен +0,80, и он в конце концов берет свое. Поскольку цитохром a₃ может использовать кислород в качестве получателя водорода, в результате чего образуется вода, а не перекись водорода (получается, вот он, фермент, катализирующий разрыв связи О—О!), то его можно назвать «оксидазой». На самом деле именно под этим названием цитохром a₃ и известен по большей части — «цитохромоксидаза».

Все, получили воду, можно теперь расслабиться. Теперь дыхательная цепочка собрана до конца.

Опять возникает вопрос: почему же она оказывается такой длинной? Почему же требуется так много коферментов и простетических групп, чтобы перенести атомы водорода от субстрата к ферменту?

Как я уже говорил, при дегидрогенизации вещества уровень свободной энергии снижается на 35—70 килокалорий на моль вещества, но организм не может использовать высвобождающуюся энергию, если только не запасет ее в виде высокоэнергетических фосфатных связей. Насколько известно, в ходе одной реакции может образоваться только одна высокоэнергетическая связь. Поскольку запасти таким образом можно только 8 килокалорий на моль вещества, то перевод одной реакции дегидрогенизации в одну реакцию образования высокоэнергетической фосфатной связи означал бы потерю семи восьмых энергии.

Наличие длинной дыхательной цепочки позволяет живой ткани разбить процесс уменьшения свободной энергии на фрагменты, на каждом из которых можно создавать по одной высокоэнергетической фосфатной связи. В начале 50-х годов XX века достаточно убедительно было показано, что таким образом в среднем на основе одной реакции дегидрогенизации удается создать по три высокоэнергетических фосфатных связи. Таким образом, эффективность использования энергии достигает хотя бы 35 процентов.

Естественно, возникает вопрос, а где же именно, на каком участке дыхательной цепочки формируются высокоэнергетические фосфатные связи. Для ответа на этот вопрос попытаемся действовать методом исключения.

Система с участием дегидрогеназы молочной кислоты производит три высокоэнергетические фосфатные связи на каждую потребляемую молекулу молочной кислоты. Однако система с участием дегидрогеназы янтарной кислоты произведет лишь две высокоэнергетические фосфатные связи на каждую потребляемую молекулу янтарной кислоты. Дегид-рогеназа янтарной кислоты — флавофермент, так что при дегидрогенизации янтарной кислоты из процесса выпадает этап пиридин-фермента. Поскольку этому выпадению соответствует потеря одной реакции образования высокоэнергетической фосфатной связи, то остается сделать вывод, что одна такая связь образуется именно при переходе от ДПН к ФАД.

Путем добавления в дыхательную систему различных химических веществ можно исключать из цепочки те или иные звенья и отмечать, сократится ли при этом количество образуемых высокоэнергетических фосфатных связей. Итоговые предположения об участках образования этих связей приведены на рис. 63.

Каковы же механизмы реакций «окислительного фосфорилирования» (то есть производства высокоэнергетических фосфатных связей путем окисления, представленного в виде переноса атомов водорода)? Это до сих пор неизвестно. Если излагаемая в данной книге информация производит впечатление, что наука сумела решить все проблемы, то заверяю вас — это впечатление ошибочно.

Без знания точных подробностей производства высокоэнергетических связей тем не менее возможно подсчитать количество производимого на каждой стадии катаболизма молочной кислоты — результаты приведены на рис. 64.

Как видите, результатом катаболизма молочной кислоты на углекислоту и воду, в отношении которого калориметр показывает цифру в 325 калорий на моль вещества[9], являются 18 молекул АТФ. Если считать, что при формировании каждой высокоэнергетической фосфатной связи уровень свободной энергии возрастает на 8 килокалорий на моль вещества, то в целом в результате катаболизма каждого моля молочной кислоты организм переводит в высокоэнергетические фосфатные связи и запасает 144 килокалории химической энергии. 144 из 325 — это около 45 процентов, в общем, неплохая эффективность.

В какой же части клетки проходят процессы окислительного фосфорилирования? В данной книге я еще ни разу не предпринимал попыток описать устройство клетки. А клетка устроена очень сложно, она обладает множеством специализированных частей (органелл) со специализированными свойствами, и чем более тонкие инструменты оказываются в руках цитологов, тем более тонкие свойства органелл удается обнаружить.

Начнем с того, что каждая неповрежденная клетка имеет внутреннюю часть небольшого объема, которая носит название «клеточное ядро», тонкой мембраной отделенное от остальной части клетки (цитоплазмы). Главная задача ядра — обеспечение размножения клеток и точный перенос генов, управляющих химическими свойствами, от материнской клетки к дочерней. Однако к процессу производства энергии ядро никакого отношения не имеет и ни флавоферментов, ни цитохром не содержит. Для дегидрогенизации как таковой не требуется ничего, кроме пиридин-ферментов, которые сами по себе кислород не используют. Иными словами, ядро — система анаэробная, так что искать место проведения энергопроизводящих реакций с потреблением кислорода следует в цитоплазме.

Различные органеллы цитоплазмы (да и ядра) реагируют на разные красители по-разному — одни поглощают, другие нет, так что их можно «помечать» с помощью соответствующих красителей, специфичных для каждой из органелл. Тогда клеточные частицы, обычно неразличимые глазом, начинают сверкать всеми цветами радуги.

В 1898 году немецкий цитолог С. Бенда с помощью комплекса красителей сумел обнаружить, что небольшие гранулы в цитоплазме огромного множества клеток окрашиваются подозрительно контрастно. Он назвал эти гранулы «митохондриями» (от греческого «хрящевые нити»). Название было неудачным, поскольку к хрящам эти нити никакого отношения не имеют. Тем не менее название это прижилось, как и многие другие ошибочные имена, и мы пользуемся им по сей день.

На протяжении примерно одного поколения функции митохондрий оставались неизученными, и они были для всех просто «еще одним видом клеточных частиц». Однако в 30-х годах XX века с развитием ультрацентрифуг (см. главу 16) стало возможным разложение клетки на составляющие путем ее разрушения и осаждения по очереди различных содержащихся в ней веществ. Таким образом были получены и суспензии, состоящие из одних митохондрий.

А в 40-х годах XX века появились и новые микроскопы с небывалой увеличительной мощностью. Теперь вместо лучей света, фокусируемых с помощью оптических линз, стали использоваться пучки электронов, фокусируемые с помощью магнитных полей. С помощью таких электронных микроскопов наконец-то стало возможным как следует рассмотреть митохондрии, диаметр которых составляет всего один-три микрона, то есть в тысячу раз меньше самой клетки.

Использование электронного микроскопа позволило установить, что митохондрия окружена двойной мембраной, рассекающей тело органеллы, разделяющей ее на части и многократно увеличивающей, таким образом, площадь поверхности митохондрии.

В ходе экспериментов выяснилось, что суспензия митохондрии катализирует все без исключения реакции, входящие в цикл Кребса. Так стало ясно, что «электростанцией» клетки служит именно митохондрия, мембраны которой представляют собой скопление ферментов и коферментов, необходимых для катаболизма пищевых веществ и производства высокоэнергетических фосфатных связей. Было подсчитано, что в среднем отдельная митохондрия представляет собой около 10 000 «сборочных пунктов», на каждом из которых может происходить полный цикл катаболизма, отщепляться атом водорода и создаваться высокоэнергетическая фосфатная связь.

Более подробная информация о молекулярном устройстве митохондрии наверняка еще появится по мере разработки более мощных научных инструментов.

Глава 24. ГДЕ СХОДЯТСЯ ВСЕ ПУТИ

Последние четыре главы были посвящены, тем или иным образом, процессам, связанным с катаболизмом глюкозы — сначала до молочной кислоты путем анаэробного гликолиза, потом — до углекислоты и воды путем цикла Кребса. Однако нельзя сказать, чтобы это были единственные способы, которыми организм может создавать высокоэнергетические связи для хранения химической энергии.

К примеру, еще в начале 50-х годов XX века британский биохимик Ф. Диккенс с коллегами смогли показать, что во многих тканях растений и микроорганизмов, а иногда — и животных, глюкоза расщепляется на трехуглеродные соединения не путем анаэробного гликолиза, а каким-то другим путем. Этот другой путь сходится с обычным гликолизом где-то на полдороге. Он проходит через этапы пяти- и четырехуглеродных Сахаров и не является анаэробным. При нем используется и дыхательная цепочка, и атмосферный кислород.

Наличие такого запасного пути важно в двух отношениях. Во-первых, если деятельность основного механизма окажется временно нарушенной, то организм не останется совсем без ресурсов — он сможет просуществовать за счет запасного механизма.

Во-вторых, при любом катаболическом механизме производится не только энергия, но и ряд промежуточных веществ. Эти промежуточные вещества организм может впоследствии использовать как строительные материалы для процессов анаболизма. К примеру, различные промежуточные вещества, участвующие в цикле Кребса, могут служить основой для формирования некоторых аминокислот. Достаточно прибавить к щавелево-уксусной кислоте аминогруппу, и она станет аспарагиновой кислотой; прибавить аминогруппу к альфа-кетоглутаровой кислоте — она станет глютаминовой кислотой (именно поэтому наличие этих двух кислот в пище не является обязательным).

Так что разумная избыточность механизмов обмена веществ имеет свои преимущества, поскольку предоставляет организму большее количество строительных материалов. Упомянутый выше «обходной путь» приводит к созданию нескольких пятиуглеродных Сахаров и родственных им веществ. Их можно использовать для образования необходимых огромных молекул нуклеиновых кислот, чьей важной составляющей являются именно пятиуглеродные сахара.

Анаэробный гликолиз и реакции цикла Кребса тем не менее являются главными путями катаболизма глюкозы, и рассматривать альтернативные варианты более подробно сейчас не имеет смысла.

Однако приведенное в предыдущих главах описание катаболизма все же неполно. До сих пор я рассуждал только о катаболизме глюкозы. Но в главе 19 я указал, что жиры и белки, особенно последние, тоже являются важными источниками энергии. Что же происходит с ними? Явно ведь не то же самое, что с углеводами?

Давайте посмотрим.

В течение первого десятилетия XX века, когда Харден и Янг только начинали изучать промежуточный катаболизм глюкозы, немецкий биохимик Франц Кнооп взялся за решение той же задачи в отношении жиров.

Кнооп использовал технологию кормления собак строго определенной пищей с последующим изучением мочи. Однако ученый сумел серьезно улучшить эту методику. Если бы он просто кормил собак жирами и получал на выходе воду и углекислоту, то было бы совершенно непонятно, из жиров ли создана полученная молекула воды или углекислоты или из чего-то еще. Молекулы жира надо было как-то пометить, чтобы ее составные части можно было потом опознать, после того как они пройдут всю цепочку обмена веществ организма животного. Кнооп решил кормить собак фенилдеривативами различных жирных кислот.

Разрешите пояснить. Во-первых, жирные кислоты — это основной продукт расщепления жиров. Их молекулы состоят из длинных углеводных цепочек, обычно по шестнадцать—восемнадцать атомов углерода длиной, где один атом углерода на одном из концов цепочки входит в карбоксильную группу. В качестве примера распространенной восемнадцатиуглеродной кислоты можно назвать стеариновую кислоту. Если такое вещество подвергнуть обработке таким образом, чтобы к противоположному от карбоксильной группы концу присоединилось бензольное кольцо, то в результате получится именно фенилдериватив, изображенный на рис. 65.

Фенилдериватив жирной кислоты — это вещество, которое организм обработать не способен. Ни у собаки, ни у человека не существует ферментов, с помощью которых можно было бы разорвать само бензольное кольцо или отщепить его от углеродной цепи. Ткани организма собаки могут катаболизировать всю остальную часть жирной кислоты, но от бензольного кольца и того фрагмента жирной кислоты, к которому бензольное кольцо прикреплено, избавиться можно только выбросив его из организма с мочой. Соответственно, Кнооп мудро рассудил, что если в моче обнаружатся соединения, содержащие бензольные кольца, то это и будут остатки использованной организмом собаки жирной кислоты.

Таким образом, пометив жирные кислоты, Кнооп создал первый в мире «маркер» вещества (то есть пометку на веществе, с помощью которого можно проследить его дальнейшую судьбу). Перед тем как приступить к описанию полученных Кноопом результатов, я вкратце обрисую дальнейшую историю маркеров, поскольку эта технология оказалась крайне важной для развития биохимии в целом.

Напрашивается возражение, гласящее, что Кнооп, дескать, пичкает организм подопытного животного неестественными для того пищевыми веществами, «нефизиологичными». Пусть они нетоксичны и на здоровье организма их прием никак не отражается, но откуда у исследователя может быть уверенность, что само присутствие маркера никак не повлияло на способ обработки молекулы организмом? А вдруг бензольное кольцо подавило действие какого-нибудь важного фермента? Короче говоря, откуда мы знаем, что эти вещества следуют теми же метаболическими путями, что и нормальная, естественная пища?

Идеально было бы придумать такой маркер, чтобы организм не мог отличить помеченное вещество от непомеченного, а экспериментатор — мог. Казалось бы, нельзя требовать от мироздания слишком многого, но лет через десять после экспериментов Кноопа произошел один из самых счастливых случаев в истории науки — были открыты изотопы.

В 1913 году британский физик Фредерик Содди показал, что атомы одного элемента могут быть не абсолютно похожи. Да, все они имеют одинаковое количество протонов ядра, и такое же количество электронов на орбите, и одинаковые химические свойства (см. главу 17). Однако число нейтронов в ядрах разных атомов одного и того же вещества может различаться, а значит — и их атомный вес. Такие атомы называют «изотопами» одного и того же элемента.

Так, например, одни атомы углерода имеют ядро, содержащее шесть протонов и шесть нейтронов. Атомный вес такого атома — 12. Ядро других содержит шесть протонов и семь нейтронов и имеет атомный вес 13. На бумаге обозначение этих изотопов будет выглядеть как C¹² и С¹³. Каждый из них будет иметь те же шесть электронов — два во внутренней оболочке и четыре во внешней; каждый будет участвовать в одних и тех же реакциях в организме. Организм не различает изотопов.

Затем в 1919 году британский физик Фрэнсис Уильям Астон изобрел масс-спектрограф — устройство, искажающее траекторию полета ионов в магнитном поле. Чем тяжелее ион, тем меньше искажается его траектория. Таким образом, стало возможно отделить C¹² от С¹³ в случае, когда они присутствуют в одном и том же наборе. Поскольку траектория их полета искажается в разной степени, то и конечная точка попадания на фотопластину у этих двух изотопов оказывается разной, и по окончании сортировки можно подсчитать сравнительную частоту их наличия по степени потемнения пластины. Так было установлено, что в природном угле соотношение C¹² к С¹³ составляет 989 к 11.

Теперь предположим, что пища для лабораторных животных изготавливается только с использованием С¹³, без единого атома C¹². Для организма разницы нет. Поэтому он подвергнет вещество, содержащее С¹³, той же обработке, какой подверг бы и вещество, содержащее C¹². Это вещество будет превращено организмом в другое, тоже с аномально высоким содержанием С¹³; в итоге понятно, что любое вещество с аномально высоким содержанием С¹³ всегда окажется происходящим от исходного питательного продукта, помеченного изотопом. Наличие аномального количества изотопа определяется экспериментатором путем сжигания вещества, получения углекислого газа и прогона этого газа через масс-спектрограф. По результатам спектрографии ученые уже могут строить предположения о метаболических механизмах, действующих в тканях живых существ.

Легко сказать, да трудно сделать. Для этого сначала надо набрать изотопов (которые встречаются в природе, как уже говорилось, очень редко), создать питательные вещества с их участием, потом выделить из организма другие вещества в чистом виде и в конце концов провести очень непростую процедуру масс-спектрографий. Из-за всех этих трудностей масс-спектрография так и не получила широкого распространения до 1932 года, когда американский химик Гарольд Юри открыл дейтерий, или тяжелый водород.

Ядро обычного водорода состоит только из протона, так что его атомный вес — 1, а ядро дейтерия — из протона и нейтрона, поэтому его атомный вес — 2. Эти изотопы обозначаются, соответственно, как Н¹ и Н². И если между C¹² и С¹³ разница масс составляет 8 процентов, то между Н¹ и Н² — 100 процентов.

Из такой колоссальной разницы масс между водородом и дейтерием можно извлечь определенные преимущества. Более тяжелые изотопы участвуют в тех же реакциях, что и более легкие, но с меньшей скоростью. Для всех остальных элементов, кроме водорода, разницей в скорости вполне можно пренебречь; однако в случае с водородом уже заметно, что реакции с участием дейтерия протекают медленнее. Перегонка и электролиз воды, в состав которой входит не водород, а дейтерий, происходят заметно медленнее. Если подвергать перегонке или электролизу большое количество воды, то ближе к концу процедуры оставшаяся часть воды будет представлять собой высокую концентрацию воды тяжелой. Из такой тяжелой воды можно изготавливать дейтерийсодержащие продукты. Ну и отделять дейтерий от водорода в спектрографе тоже сравнительно несложно.

В 1935 году американский физик немецкого происхождения Рудольф Шёнхеймер пометил жирные кислоты дейтерием, так же как Кнооп за поколение до того — бензольным кольцом. Позже, по мере развития технологий, Шёнхеймер использовал для пометки аминокислот тяжелый азот, N¹⁵ (обычный азот — N¹⁴). В результате своих экспериментов он сумел доказать, что организм ведет чрезвычайно активную химическую деятельность. Даже в тех ситуациях, когда никаких видимых следов активности незаметно, постоянно идут перемещения, переносы, соединения и распады, постоянно перемешиваются атомы.

Но технология маркирования изотопами по-прежнему оставалась неуклюжей и неудобной. Попав в организм, вещество, содержащее изотоп, растворялось по всему организму, и найти его потом оказывалось очень непросто.

Но выход был найден. Атомы некоторых изотопов содержат неустойчивое соединение протона с нейтроном. Из таких атомов с известными скоростями и в известном количестве испускаются различные субатомные частицы. К примеру, С¹⁴, ядро которого состоит из шести протонов и восьми нейтронов, испускает энергетические частицы такими темпами, что половина С¹⁴ превращается в N¹⁴ (самый распространенный вариант азота) за пять тысяч лет.

Такое явление называется радиоактивностью. Если в пищевые вещества включить радиоактивный атом С¹⁴, то с точки зрения обмена веществ он будет проявлять все те же свойства, что и обычные стабильные изотопы C¹² или С¹³, но по маркеру из энергетических частиц экспериментатор всегда сможет его найти. С¹⁴ можно отловить даже в том случае, если его концентрация крайне мала.

Оставалось только придумать способ производства самих радиоактивных изотопов в достаточном количестве. До Второй мировой войны приходилось полагаться только на естественно встречающиеся в природе радиоактивные изотопы — а это были по большей части изотопы атомов, не участвующих в пищевой цепочке животных. Но после окончания войны практически ни одно исследование метаболизма уже не велось без использования веществ, помеченных радиоактивными изотопами С¹⁴, Н³, Na²⁴ и так далее. Теперь работу биохимика невозможно представить без них.

Но вернемся же к Кноопу и его первым в мире опытам с молекулярными маркерами…

Предоставляя собакам с пищей маркированные жирные кислоты с четным количеством атомов углерода, ученый выделял из мочи животных бензольное кольцо в сочетании с группой, включающей в себя два атома углерода, — такое вещество называется фенилуксусной кислотой. Кислота эта, в свою очередь, крепилась к молекуле глицина. Если же на входе подавались кислоты с нечетным числом атомов углерода, то на выходе получалось бензольное кольцо, к которому крепился только один атом углерода («бензойная кислота»), и она тоже крепилась к молекуле глицина (рис. 66). Организм часто добавляет глицин к молекуле, которую надо вывести из организма, чтобы она легче выводилась через почки, так что Кнооп не стал обращать на глицин внимания, а сосредоточился на фенилуксусной и бензойной кислотах.

Кнооп объяснил полученные результаты тем, что длинная цепочка жирной кислоты разрезается на блоки по два атома углерода, начиная с карбоксильной группы. Оторвать углерод от бензольного кольца организм не может, поэтому если общее количество звеньев цепочки оказывается четным, то прикрепленными к бензольному кольцу остаются два звена, если нечетным — то одно.

Такое предположение казалось тем более логичным, что известно, что все жирные кислоты всех жиров живых тканей состоят из четного числа атомов углерода — значит, двухуглеродные блоки по какой-то причине естественны для организма, и именно их он использует при строительстве собственных жирных кислот. В природе очень часто встречаются восемнадцати- и шестнадцатиуглеродные жирные кислота, а семнадцатиуглеродных не встречал пока еще никто (те жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода, которые Кнооп скармливал собакам, не в счет, они были искусственно синтезированы в лаборатории).

Два года спустя немецкий биохимик Густав Эмбден внес в систему еще одно усовершенствование. Он обнаружил, что при обработке жирной кислотой тканей печени в растворе появляется цепочка из четырех атомов углерода — ацетоуксусная кислота:

Это вещество вместе с рядом других входит в группу «кетонных тел», названных так из-за присутствия кетогруппы С=О. Ацетоуксусная кислота — пример жирной кислоты, от которой начал отщепляться двухуглеродный отрезок, как я сейчас объясню, и это утвердило Кноопа в его предположении о «нарезании» организмом двухуглеродных отрезков.

Кетонные тела не встречаются в каких-либо значительных количествах ни в крови, ни в моче здоровых животных, несмотря на то что печень производит их, будучи изолированной. А вот в крови и моче диабетиков — встречается! Поскольку диабет — это расстройство в первую очередь углеводного метаболизма, то его связь с производством кетонных тел — продуктов метаболизма жиров — демонстрирует связь между этими двумя метаболическими механизмами.

Несмотря на столь давний интерес ученых к проблеме, подробности метаболизма жиров оставались неизвестными до тех пор, пока не была разработана вышеописанная технология изотопного маркирования. Лишь в 1951 году биохимики получили возможность писать формулы жирового метаболизма хоть с какой-то степенью уверенности.

В свете сегодняшнего знания мы можем сказать, что Кнооп был прав: действительно, углеродная цепочка жирных кислот «нарезается» организмом на фрагменты по два атома углерода, начиная с карбоксильного конца. Только надо внести два уточнения. Во-первых, для того, чтобы подвергнуться катаболизму, жирная кислота должна конденсироваться с коферментом А. Во-вторых, сам процесс отрезания двух атомов углерода происходит в четыре этапа (рис. 67).

Первый этап — дегидрогенизация. От каждого из двух атомов углерода, соседствующих с карбоксильной группой, отщепляется по атому водорода. Второй этап — гидратация. К веществу добавляется вода таким образом, что гидроксильная группа присоединяется ко второму атому углерода карбоксильной группы (этот атом называется «бета-углерод», соответственно, вся реакция имеет название «бета-оксидация»). На третьем этапе удаляются еще два атома водорода, так что бета-углерод становится частью кетогруппы. Если посмотреть сейчас на формулу ацетоуксусной кислоты, то станет ясно, что она — продукт именно этого, третьего, этапа. На четвертом этапе два атома углерода отщепляются одновременно в составе ацетилкофермента А, и от цепочки остается новая, укороченная на два атома углерода жирная кислота, которая конденсируется с коферментом А и отправляется на следующую итерацию цикла.

Полное название этого цикла — «цикл окисления жирной кислоты». На самом деле это скорее спиралеобразный, чем циклический, процесс, поскольку нельзя сказать, что в конце мы приходим к тому же, что имели в начале, поскольку с каждой итерацией жирная кислота становится короче на два атома углерода. Таким образом, восемнадцатиуглеродная жирная кислота, например стеариновая, в конце концов превращается в девять молекул ацетилкофермента А.

После формирования ацетилкофермента А он вступает в соединение с щавелево-уксусной кислотой для образования лимонной кислоты и входит, таким образом, в цикл Кребса, описанный в предыдущей главе. Не важно, сформирован ли ацетилкофермент А из жирной кислоты или путем катаболизма глюкозы; организм не может определить происхождение вещества (рис. 68).

Ацетилкофермент А тоже можно рекомбинировать с получением в итоге жирной кислоты. Для этого надо обратить цикл окисления жирных кислот. То есть две молекулы ацетилкофермента А объединяются для получения ацетоацетилкофермента А, затем добавляются два атома водорода, удаляется вода, добавляются еще два атома водорода — и вот мы получили четырехуглеродную жирную кислоту, конденсированную с коферментом А. Эту цепочку можно продолжать сколько угодно, добавляя каждый раз по ацетилкоферменту А.

Получается, что ацетилкофермент А и есть тот самый общий строительный «кирпичик», наличие которого я логически обосновал в главе 19, рассуждая о том, как крахмалистая пища переводится в жир, а нормальный уровень глюкозы в крови поддерживается за счет расщепления жира.

Конечно, и в метаболизме жирных кислот, как и в метаболизме глюкозы, важное место занимает дыхательная цепь. При каждой итерации цикла окисления жирных кислот происходит две дегидрогенизации. Первая катализируется флавоферментом, а вторая — пиридин-ферментом. Можно считать, что в первом случае производится две молекулы АТФ, а во втором — три, так что при каждой итерации цикла производится в целом пять молекул АТФ путем окислительного фосфорилирования.

В случае, скажем, стеариновой кислоты, в состав которой входят восемнадцать атомов углерода, происходит восемь итераций цикла (понятно, почему не девять? Попробуйте разрезать полоску бумаги на 9 частей, и увидите, что потребуется совершить всего 8 разрезов), и при этом производится девять молекул ацетилкофермента А.

То есть при переводе молекулы стеариновой кислоты в девять молекул ацетилкофермента А получается 8 умножить на 5, то есть 40 молекул АТФ. Если посмотреть на схему цикла Кребса, приведенную на рис. 64, то видно, что в этом цикле из ацетилкофермента А производится 12 молекул АТФ. Соответственно, если 9 молекул ацетилкофермента А умножить на 12, получим 108 молекул АТФ.

Таким образом, в процессе перехода от стеариновой кислоты к углекислоте и воде образуется не менее 40+108, то есть 148 молекул АТФ. Но это еще не все. Типичная молекула жира, например стеарин, состоит из трехуглеродного спирта, глицерина, в соединении с тремя молекулами стеариновой кислоты. Каждая из трех молекул стеариновой кислоты послужит формированию 148 молекул АТФ, то есть всего образуется 3 x148 = 444 молекулы АТФ. Глицерин же будет превращен в пировиноградную кислоту, что само по себе даст еще 15 молекул АТФ — итого организм получит 459 молекул АТФ в результате катаболизма каждой молекулы стеарина.

Идем дальше. При переходе одного грамма жира в углекислоту и воду высвобождается 9 килокалорий тепла (см. главу 14). Один моль стеарина весит 891 грамм, соответственно, при переходе одного моля стеарина в углекислоту и воду высвобождается 891 х 9 = 8019 килокалорий. Путем образования 459 молекул АТФ запасается 459 х 8 = 3672 килокалории химической энергии. Значит, эффективность процесса — 3672: 8019 = чуть более 45 процентов. Это превосходный результат.

Но если посмотреть на рис. 64, видно, что ацетилкофермент А попадает в цикл Кребса путем соединения с щавелево-уксусной кислотой. А щавелево-уксусная кислота производится в достаточном количестве только путем углеводного метаболизма (до какой-то степени — белкового метаболизма), но никак не метаболизма жиров.

Если в пище много жиров, но мало углеводов, ацетилкофермента А производится много, но щавелево-уксусной кислоты — мало. Ацетилкофермент А начинает накапливаться, конденсироваться сам с собой, образовывая ацетоуксусную кислоту, и в организме образуется повышенная концентрация кетонных тел, находящая выражение в состоянии, известном как «кетоз».

Такая диета, богатая жирами, но бедная углеводами, называется «кетогенной», потому что способствует повышению концентрации кетонных тел. Голодание — тоже кетогенный процесс, потому что все углеводородные запасы организм исчерпывает за день, а дальше начинаются процессы извлечения энергии из жиров. Если печень обрабатывать жирной кислотой, не добавляя при этом углеводов, то, по наблюдениям Эмбдена, тоже начинается кетоз.

Ни голодание, ни кетогенные диеты обычно не приносят большого вреда, поскольку человеку свойственно избегать и первого, и второго. Но даже если обстоятельства вынуждают человека к таким условиям, то даже небольшое количество переваренных углеводов произведет корректирующий антикетогенный эффект.

Вот при диабете кетоз становится действительно опасным. Если болезнь не лечить, то развивается хроническое расстройство углеводного метаболизма, приводящее ко все более жесткой нехватке щавелево-уксусной кислоты и, соответственно, прогрессирующему кетозу. Именно токсическое действие кетоновых тел обычно и приводит к коме и смерти диабетика.

Строго говоря, не все жиры имеют своим основным предназначением производство энергии. Те жиры, что я обсуждал в этой главе, относятся к «простым» жирам, состоящим из глицерина и жирных кислот. Существуют также «сложные» жиры, в состав которых входят еще и фосфатная группа и одна из нескольких азотсодержащих групп. А еще есть такие вещества, как холестерин, обладающие свойствами жиров, но имеющие совершенно другое молекулярное строение.

У этих последних в организме есть особые функции. Из фосфатсодержащих жиров состоит мембрана митохондрий, служащая, как я уже писал, полем деятельности для различных ферментов, катализирующих реакции цикла Кребса и дыхательной цепочки. Что же касается холестерина, то из него состоит большая часть жировой оболочки нервов.

Сложные жиры и холестерин содержат не меньше энергии, чем простые жиры, но их роль в клеточном механизме настолько велика, что их энергозапасы не расходуются даже при крайних стадиях истощения. Я не привожу здесь подробного рассмотрения этих крайне важных веществ только потому, что они не задействованы в процессах энергообмена.

Теперь давайте вернемся к белкам, попадающим после процесса переваривания в организм в виде аминокислот. Перед тем как использовать их для производства полезной энергии, надо сначала убрать из них азот.

В 1773 году французский химик Руэль (учитель Лавуазье) обнаружил в моче азотистое соединение и назвал его, естественно, мочевиной. Когда в начале XIX века химики стали изучать строение белков, мочевина была сразу признана «тем самым» веществом, посредством которого организм избавляется от азотистой составляющей белков.

Формула мочевины —

Ее короткая запись — NH₂CONH₂. Получилось так, что именно с мочевиной оказались связаны два самых замечательных открытия в биохимии. Она стала первым органическим веществом, которое удалось синтезировать из неорганического материала (см. главу 13), и катализирующий ее распад фермент был кристаллизован первым (см. главу 15).

В XIX веке способ образования мочевины в организме оставался неизвестен. Однако уже в первое десятилетие XX века, когда Харден и Янг, с одной стороны, и Кнооп — с другой, начали продвижение в тайны промежуточных этапов метаболизма, немецкий биохимик Альбрехт Коссель вместе с английским коллегой Генри Дэкином пошли в такое же наступление на секреты промежуточных этапов белкового метаболизма.

Они обнаружили фермент, названный ими «аргиназа», действие которого заключалось в катализировании гидролиза аминокислоты аргинина. При этом с помощью реакции, изображенной на рис. 69, образовывалась и мочевина. Кусок молекулы аргинина, остающийся по завершении процесса, — это аминокислота орнитин, которая встречается только как промежуточный продукт образования мочевины, и частью белковых молекул не является.

Значение аргиназы подчеркивают несколько фактов. Мочевина производится в печени (если удалить у животного печень, производство мочевины прекращается), и наивысшая концентрация аргиназы наблюдается тоже в печени. Аргиназа встречается в тканях всех животных, в чьем организме производится мочевина, например амфибий или млекопитающих. А вот в тканях животных, в чьем организме производятся другие азотсодержащие продукты — птиц, например, или рептилий, — она не встречается. Понятно, что аргинин и аргиназа участвуют в каком-то механизме, с помощью которого живые ткани синтезируют мочевину.

Организм человека производит в день от десяти до тридцати пяти граммов мочевины, не истощая при этом запасов аргинина. Значит, они возобновляются путем синтеза аргинина из орнитина.

Это стало окончательно ясно в 1932 году благодаря работам Кребса (того самого, впоследствии — первооткрывателя цикла Кребса) и его коллеги К. Хенселейта с образцами печеночной ткани. Они обнаружили, как и ожидалось, что добавление аргинина стимулирует производство мочевины. Такой же эффект оказывало и добавление орнитина, и этот факт утвердил ученых в мысли, что печень производит из орнитина аргинин. В конце концов они обнаружили, что еще одно вещество, сходное по строению с аргинином — цитруллин, — тоже стимулирует производство мочевины.

В качестве объяснения Кребс и Хенселейт составили схему, которую принято сейчас называть «циклом образования мочевины» — она приведена на рис. 70. Эта схема показывает, что орнитин, цитруллин и аргинин постоянно синтезируются заново. Смотрите, при превращении орнитина в цитруллин организм добавляет одну молекулу аммиака и одну молекулу углекислоты, а при превращении цитруллина в аргинин — еще одну модекулу аммиака. Что же касается воды, то одна ее молекула добавляется организмом на этапе гидролиза аргинина, но на каждом из двух этапов одна молекула воды из системы извлекается, так что в целом можно говорить об извлечении одной молекулы воды. И в конце концов при гидролизе аргинина извлекается одна молекула мочевины. Вот как выглядит запись всей реакции в целом:

Конечно, приведенная схема цикла образования мочевины сильно упрощена. Никто из выдвинувших ее на самом деле, конечно, не считал, что на входе подается молекула аммиака как таковая. Аммиак — очень ядовитое вещество, и в организме в чистом виде встречаться не может. Однако только в 50-х годах XX века, когда начали проводить эксперименты с изотопным маркированием, стали известны подробности этих реакций.

Выяснилось, что азотсодержащие группы добавляются в виде аминогрупп, получаемых из аминокислот. При переходе от орнитина к цитруллину глютаминовая кислота (одна из наиболее распространенных аминокислот) отдает и аминогруппу, и эквивалент углекислоты. В этом случае она должна использовать высокоэнергетическую фосфатную связь, поручаемую из АТФ. При переходе от цитруллина к аргинину аминогруппу отдает другая аминокислота, аспарагиновая, и снова за счет АТФ.

То есть производство мочевины — это энергоемкая реакция. На каждой итерации цикла потребляется по две молекулы АТФ.

Не стоит считать, что единственными аминокислотами, способными отдавать аминогруппу на производство мочевины, являются глютаминовая и аспарагиновая кислоты. В 30-х годах XX века, работая с изотопом N¹⁵, о чем я рассказывал в этой же главе, Шёнхеймер установил, что если дать на входе один вид аминокислоты, помеченный изотопом, то вскоре изотопы окажутся в составе аминокислот всех видов, за исключением лизина. Естественно, напрашивается вывод, что аминогруппа легко передается от одного вещества к другому. Были обнаружены и ферменты, катализирующие подобные реакции (трансаминазы), и установлены подробности переносов, получивших название «трансаминирование» (от «транс» — перенос и «амино»). После трансаминирования аминогруппу NH₂ заменяет связанный двойной связью кислород (рис. 71).

Трансаминазы представляют собой пример ферментов, использующих в качестве кофермента пиридоксальфосфат, в котором содержится группа атомов, организмом не синтезируемая в принципе. Так был обнаружен еще один витамин группы В, пиридоксин.

Итак, движение аминогрупп осуществляется от аминокислот в целом к глютаминовой кислоте и аспарагиновой кислоте, а от них уже в цикл производства мочевины. Те аминокислоты, в состав которых входит лишний атом азота или атом серы, избавляются от них с помощью механизмов, которые я здесь не буду описывать. Достаточно будет сказать, что, так или иначе, все атомы азота и серы устраняются и остается только «углеродный скелет».

Этот углеродный скелет может представлять собой одно из тех веществ, с которыми мы уже сталкивались при описании катаболизма углеводов или белков. К примеру, когда аланин подвергается трансаминации, он теряет аминогруппу и приобретает связанный двойной связью кислород, вследствие чего образуется пировиноградная кислота.

С помощью кофермента А пировиноградная кислота избавляется от гидроксильной группы обычным способом, и образуется ацетилкофермент А, который уже может вступить в цикл Кребса. Для организма нет разницы, образована ли пировиноградная кислота из глюкозы или из аланина. И в том и в другом случае это одна и та же пировиноградная кислота, с одним и тем же энергетическим содержанием. Другие аминокислоты, например валин, серии, треонин и цистеин, тоже преобразуются, несколько более длинным путем, в пировиноградную кислоту.

Несколько аминокислот, например лизин, подвергаются изменениям, в ходе которых превращаются в ацетоуксусную кислоту и далее — в ацетил-кофермент А, после чего входят в цикл Кребса по пути катаболизма жиров.

А некоторые аминокислоты входят в цикл Кребса и сами по себе. К примеру, аспарагиновая кислота сразу после деаминации становится щавелево-уксусной кислотой, а глютаминовая кислота — альфа-кетоглутаровой кислотой. Оба этих вещества являются промежуточными продуктами цикла Кребса и могут сразу быть приняты в него на соответствующих этапах.

На рис. 72 подведены итоги катаболических взаимосвязей белков, жиров и углеводов.

Конечно, обратив различные реакции катаболизма, можно получить аминокислоты из соответствующих углеродных скелетов. К примеру, если организм пресыщен глютаминовои кислотой и в то же время наблюдается нехватка аланина, в некоторых случаях запускается процесс передачи аминогруппы от глютаминовои кислоты к пировиноградной кислоте и формирования из последней аланина. В случае обратной ситуации организм точно так же может инициировать процесс передачи аминогруппы от аланина к альфа-кетоглутаровой кислоте, а из последней — образовывать глютаминовую. Присутствие в пище аминокислот, которые могут быть синтезированы подобным образом, не обязательно.

С другой стороны, некоторые аминокислоты проходят во время реакций получения углеродных скелетов хотя бы один необратимый этап. Такие аминокислоты уже нельзя вернуть в исходное состояние с помощью каких бы то ни было промежуточных веществ. Их присутствие в пище необходимо, я приводил список этих аминокислот в главе 19.

Глава 25. ОСНОВНОЙ И ГЛАВНЫЙ ИСТОЧНИК

В двух предыдущих главах я указывал на то, что энергия, производимая с помощью катаболизма углеводов и жиров, переводится на хранение в виде высокоэнергетических фосфатных связей с эффективностью 45 процентов. Хоть это и высокий показатель эффективности, гораздо более высокий, чем у многих полезных изобретений человека, все равно очевидно, что больше половины энергии, получаемой при расщеплении пищевых продуктов, теряется. (Ну, не то чтобы она совсем уж прямо терялась, даже в тепловой форме она помогает человеку, как теплокровному созданию, поддерживать температуру тела на должном уровне.)

Более того, энергия теряется и при использовании ее из АТФ. Так, если АТФ используется для образования сахарофосфата или пептидной связи, то тратятся все 8 килокалорий, тогда как для реакции необходимо только 4, то есть эффективность снижается еще в два раза.

В целом получается, что лишь процентов 10 от энергетического содержания пищи уходит действительно на уменьшение энтропии. А пустая трата оставшихся 90 процентов — это вклад живого существа в общее увеличение энтропии, неизбежно следующее из второго закона термодинамики.

Из этого можно сделать вывод, что из десяти килограммов переваренной пищи получится один килограмм живой ткани. Теперь предположим, что один вид живых существ («потребитель») получает пищу путем поедания другого живого существа («производителя»). Если потребителю необходимо лишь поддерживать свою клеточную массу на протяжении жизни, то получается, что производитель должен поддерживать свою клеточную массу на уровне в десять раз большем.

Если же и потребитель, в свою очередь, служит пищей для третьего типа организмов (назовем его потребитель-2), то выходит, что клеточная масса потребителя тоже должна десятикратно превышать клеточную массу потребителя-2. Можно ввести еще потребителя-3, -4 и так далее.

Поясню на примере: допустим, львы живут за счет поедания зебр. Если популяции обоих видов стабильны, то на каждый килограмм массы львов должно приходиться по десять килограммов массы зебр. А поскольку зебры живут за счет поедания травы, то на каждый килограмм массы зебр должно приходиться по десять килограммов массы травы.

Это пример простейшей пищевой цепочки — и каждая пищевая цепочка непременно имеет пирамидальную форму. Много звеньев в ней быть не может, поскольку с каждым шагом вверх приходится делить на 10, и в итоге мы очень быстро доходим до крайне малых значений, даже начиная с вполне внушительных. Те немногие виды живых существ, что венчают пирамиду, — это должны быть сильные и крупные существа, способные поедать других хищников и не поедаемые сами, в свою очередь, уже никем, — находятся действительно в завидном положении, но их не может быть много. Белый медведь, живущий за счет поедания морских котиков, или кашалот, питающийся гигантскими кальмарами, или косатка, охотящаяся на других дельфинов, — все это, так сказать, «дорогие» и «энергоемкие» формы жизни. Земля таких много не вынесет.

Улучшить свое положение в этом отношении представители «высшего» вида могут, сократив число звеньев в цепочке. Если бы лев мог научиться есть сразу траву, а не зебр, то тем самым он увеличил бы свой пищевой запас вдесятеро. Количество львов в мире могло бы удесятериться без ухудшения качества жизни каждого из них — или при сохранении сегодняшнего количества каждый лев мог бы стать вдесятеро крупнее.

Для львов это, конечно, нереально, но не случайно крупнейшие на Земле животные — слоны, бегемоты и носороги — травоядны.

По правде говоря, на Земле существовали когда-то и хищники размером куда больше слона. Масса тираннозавра, крупнейшего из когда-либо существовавших наземных хищников, была как минимум вдвое больше, чем у современного слона. Но и травоядные животные того периода, составлявшие рацион тираннозавра, были куда крупнее современных. И самые крупные из древних гигантских рептилий мезозойской эпохи — брахиозавры и бронтозавры — были все же травоядными.

Океан, куда более богатый жизнью, чем суша, дает возможность существовать самым крупным хищникам. Кашалот по размерам и массе не уступает самым крупным из динозавров — а ведь он хищник, употребляющий в пищу других хищников (гигантских кальмаров), размером не слишком уступающих ему самому. Однако самый крупный из китов, голубой кит, масса которого может достигать 150 тонн, самое крупное животное изо всех, когда-либо существовавших на Земле, тоже устранил из пищевой цепочки несколько звеньев и питается крошечными креветкообразными рачками и прочим планктоном, процеживая ради этой пищи тонны воды через китовый ус.

То же самое можно сказать и про человека. Никакой человеческий гений не в силах преодолеть законы термодинамики. Да, человек может повысить запасы продовольствия за счет включения тех видов живых существ, которых он ранее не ел. Он может вырубить леса и засеять высвобождающиеся площади съедобными злаками, уничтожив при этом все растения, пытающиеся конкурировать со злаками, и всех насекомых, пытающихся конкурировать с самим человеком в деле поедания этих злаков (ну, насколько получится, конечно). Он может выращивать животных специально на пищу, вытесняя дикие виды животных и истребляя хищников. Тем не менее никуда не деться от того факта, что запасы продовольствия человечества должны десятикратно превышать по массе массу самого человечества.

Обстоятельства могут вынудить человека и к сокращению пищевой цепочки. Если он питается травоядными животными, то на каждый килограмм массы человека должно приходиться сто килограммов массы растений. Если же человек питается непосредственно растительной пищей, то на каждый килограмм его массы достаточно будет и десяти килограммов массы растений. По мере роста плотности населения, как показывает диета азиатов уже сейчас, человеку, независимо от собственного желания, придется перейти на растительную пищу.

Если бы звенья пищевой цепочки были ограничены только живыми существами, то жизнь на Земле продлилась бы недолго. Невозможно было бы долго поддерживать огромный процент теряемой при каждом приеме пищи энергии. Тот факт, что жизнь никак не прекращается вот уже самое меньшее миллиард лет, свидетельствует только о том, что на каком-то этапе в пищевую цепочку должна поступать энергия извне, из источника, не имеющего отношения к живым организмам, причем в количестве достаточном для возмещения потерь.

Возможными источниками поступления большого количества энергии из неодушевленного пространства являются: 1) солнечное излучение; 2) ветер; 3) течение воды; 4) приливы; 5) внутреннее тепло Земли и 6) ядерная реакция.

Энергия приливов доступна лишь на небольшой территории, как, впрочем, и энергия течения воды. Энергия ветра, хоть и не ограничена пространственными рамками, зато крайне ненадежна. Внутреннее тепло Земли то не чувствуется почти совсем, то вдруг прорывается в виде бедствий — землетрясений и извержений вулканов. Что же касается ядерной энергии (в виде естественной радиоактивности, космического излучения и так далее), то она слишком тонко распределена. Ни один из этих источников нельзя рассматривать как достаточно (но не катастрофически) мощный, достаточно распространенный и достаточно надежный для того, чтобы положиться на него как на энергетическую основу всего живого.

Остается только солнечное излучение.

К этому выводу можно прийти не только методом исключения. Даже самый поверхностный взгляд на мир приводит нас к убеждению, что именно солнечное излучение является первичным источником энергии жизни. Пищевая цепочка, так или иначе, заканчивается зелеными растениями. Они являются «первичным производителем». И на суше, и в море, если проследить пищевую цепочку донизу, она закончится тем, что животные поедают растения. В море растения — это в первую очередь одноклеточные водоросли, общий вес которых, несмотря на то что каждая из них крошечна, во много раз больше, чем общий вес всех многоклеточных на планете.

Существуют растения, не являющиеся зелеными. Это грибы[10]. Они могут расти только на органических материалах и с точки зрения энергии относятся скорее к животным, чем к растениям. Так что и они получают энергию из когда-то живого источника, а не из неживой материи.

Очень достойно со стороны растений никого не есть в том смысле, в каком это делают животные и грибы. Растения могут жить и развиваться при полном отсутствии органических веществ. Однако между собой они конкурируют за свет точно так же, как животные — за пищу. Некоторые растения могут жить в тени, но ни одно не может существовать в полной темноте дольше, чем животное обходиться без пищи.

Каждый, кто видел, как растения в тропических дождевых лесах тянутся к солнцу, вытягивая во все стороны широкие листья навстречу свету, наблюдал борьбу за выживание, не менее жестокую и бескомпромиссную, чем у животных. Не важно, что здесь все происходит медленно и молча, не важно, что бой идет за невесомые солнечные лучи, а не за живые организмы.

Да и не обязательно ехать в тропики, чтобы стать свидетелем такой борьбы. Ее можно наблюдать и на лужайке в деревне, где широкие листья одуванчика ловят солнечные лучи, безжалостно перехватывая их и обрекая хилую травку на смерть в тени.

Но солнечный свет — нематериален, пусть даже он и несет какую-то энергию, а растение ведь состоит из материи и должно хранить энергию в виде материальных химических веществ. Откуда же берется материя?

Все растения растут на какой-то почве, так что логичнее всего предположить, что материал для построения растения именно из нее и берется. В 60-х годах XVII века фламандский химик по имени Ян Баптист ван Гельмонт решил проверить это предположение. Он посадил иву и выращивал ее в горшке на протяжении пяти лет. Дерево росло и набрало 150 фунтов веса, а вес почвы, в которой оно росло, уменьшился при этом разве что на пару унций. Тогда ван Гельмонт решил, что растение строится не за счет почвы, а за счет воды, которой его поливают и без которой любое растение, сколь плодородной ни была бы почва, неизбежно погибает.

С современной точки зрения ван Гельмонт был прав. Почва состоит по большей части из глинозема и прочих веществ, не играющих большой роли в обмене веществ. По большей части почва выполняет чисто механическую функцию — служит твердым, но проницаемым основанием, на котором растение может располагаться и в котором удерживается необходимая растению вода.

Вода необходима растению, и не только потому, что она составляет большую часть самого растения (как и представителей прочих форм жизни), но и потому, что в ней растворяются небольшие количества неорганических веществ, необходимых растению, которые оно не может впитать иначе, кроме как в виде раствора. Удобрения используются как раз для того, чтобы восполнить запас этих необходимых растению веществ, истощенный предыдущими поколениями растений.

В принципе возможно выращивать растения и при отсутствии почвы, в одном лишь растворе необходимых неорганических веществ. Это называется «гидропоникой», и реальность гидропоники доказывает правоту ван Гельмонта в его утверждении о том, что вода нужнее, чем почва. Вот в чем ван Гельмонт был не прав — так это в том, что вода — это все, что нужно растению, поскольку одной лишь воды, и даже воды с добавлением неорганических веществ недостаточно, чтобы поддерживать жизнь. Химикам XVIII века, взявшимся за тщательное изучение органических веществ, это было уже ясно.

Органической характеристикой живой ткани является углерод. Углерода, присутствующего в растворимой форме в плодородной почве, недостаточно, чтобы обеспечить потребность постоянно увеличивающего свои размеры растения в углероде. При гидропонике питательная смесь может быть вообще полностью лишенной углерода, а растение все равно будет откуда-то брать этот элемент. Откуда? Раз ни в почве, ни в воде его нет, то остается только воздух.

Именно ван Гельмонту принадлежит честь открытия существования различных газов, и именно он впервые описал свойства того газа, который мы сейчас называем углекислым. На протяжении следующего за его открытиями столетия исследования различных газов проводились все активнее, и в 1727 году английский физиолог Стивен Гейлс, проявлявший большой интерес к газам, обнаружил, что ответ на вопрос, мучивший ван Гельмонта, кроется в открытом самим же ван Гельмонтом углекислом газе.

Но ведь углекислый газ составляет лишь 0,03 процента в атмосфере, так что остается только удивляться, как вещество, присутствующее в столь малой концентрации, может служить источником углерода для множества окружающих нас организмов. Что ж, все равно углекислого газа оказывается достаточно, если учесть, что атмосфера огромна и общая масса ее невероятно велика, как ни тяжело это представить людям, мыслящим аллегориями типа «легкий как воздух». Общий вес углекислого газа, содержащегося в атмосфере, составляет, хотите верьте, хотите нет, 4 х 10¹⁴ килограммов. В океане его растворено еще в пятьдесят раз больше, либо в виде углекислоты, либо в виде иона бикарбоната, так что общая масса углерода, доступного для потребления живыми формами на суше и в море, составляет 2 x 10¹⁶ килограммов.

Подсчитано, что общая масса углерода, связанного в составе живых существ, — около 2,5 x 10¹⁴ килограммов; так что суммарный запас углерода, содержащегося в море и в воздухе, примерно в восемьдесят раз превышает количество углерода, заключенного в живых тканях. Как я уже сказал в начале главы, масса доступной пищи должна быть вдесятеро больше массы ее потребителя, и если считать углекислоту основной пищей для всего живого на Земле, то ее хватит на все живое на нашей планете.

В 70-х годах XVIII века английский унитарианский священник Джозеф Пристли продвинулся еще на шаг дальше. Он посадил растение под герметичным куполом, оно какое-то время росло, пока не исчерпало весь углекислый газ, содержащийся в замкнутом объеме, а затем прекратило рост, несмотря на обилие воды и солнечного света. Помещенная под такой же герметичный купол мышь быстро расходовала весь содержащийся в замкнутом объеме кислород и умирала. А вот мышь вместе с растением под одним куполом могли прожить гораздо дольше, чем каждое из этих существ по отдельности. Из этих наблюдений Пристли сделал вывод, что растение наверняка не только потребляет углекислый газ (это если оперировать сегодняшними терминами — Пристли выражался несколько по-другому), но и выделяет кислород, а животные, наоборот, потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Таким образом каждое существо из такой пары помогает удовлетворить потребности другого.

Теперь оставалось только отметить подобную же связь и на уровне всей планеты — что и сделал голландский физик Ян Ингенхауз. В своей вышедшей в 1779 году книге он отметил, что животный и растительный мир на Земле находится в равновесии. Растения поглощают воду и углекислый газ и с помощью света (Ингенхауз оказался также и первым, кто недвусмысленно подчеркнул необходимость света) производят из них свои собственные ткани и выделяют кислород. Поскольку свет является важнейшим условием процесса формирования тканей из углекислоты и воды, то этот процесс был назван фотосинтезом, что по-гречески означает «сборка с помощью света».

С другой стороны, продолжал Ингенхауз, животные, поедая растения и вдыхая кислород, снова превращают их в углекислый газ и воду.

По мере развития химии питательных процессов становилось ясно, что принятым среди растений способом хранения энергии является крахмал. Представим эмпирическую формулу крахмала как С_бН₁₀О₆. Тогда представления Ингенхауза можно выразить так:

При таком раскладе цикл может продолжаться вечно. Углерод, водород и кислород будут постоянно перемещаться от растений к животным и обратно, с суши в море и обратно — такое циклическое перемещение было названо «углеродный цикл». Другие элементы тоже используются циклическим образом. Растения извлекают из земли азот, серу, фосфор и другие неорганические элементы и встраивают их в состав своих тканей. Животные съедают растения и переводят эти элементы в собственные ткани, а извергая всю жизнь отходы и в конце концов умирая с последующим разложением тел, — возвращают их в почву.

И на всех этапах цикла используется безвозвратно только одно — энергия солнечного излучения. И его потребляется гораздо больше, чем хватило бы для запуска процесса уменьшения энтропии, так что в целом энтропия опять увеличивается, как это происходит всегда и как требует второй закон термодинамики.

В 1819 году двое французских химиков, Пьер Жозеф Пеллетье и Жозеф Бьенемэ Каванту, выделили из растений вещество зеленого цвета. Они назвали выделенный продукт «хлорофиллом», от греческого «зеленый лист» — понятней некуда.

Однако прошло еще сто лет, прежде чем было установлено строение хлорофилла. Начиная с 1910 года немецкие химики Рихард Вильштеттер и Ганс Фишер провели ряд экспериментов по расщеплению молекулы хлорофилла на фрагменты и изучению их свойств, в результате чего было составлено представление и о самой молекуле хлорофилла. Оказалось, что по основе строения хлорофилл очень похож на гем, являющийся частью гемоглобина, каталазы и цитохромов. Основные отличия хлорофилла от гема заключаются, во-первых, в том, что посреди молекулы, там, где у гема — железо, у хлорофилла — магний, а во-вторых, в том, что к хлорофиллу крепится еще и длинная углеводная молекула, принадлежащая к классу каротеноидов.

Своим цветом молекула хлорофилла обязана тому факту, что она поглощает свет некоторых волн видимой части спектра, в частности длинные волны красного и оранжевого участков спектра, а большую часть остальных — отражает. Если из солнечного света вычесть красный и оранжевый цвета, то получится зеленый — что мы и наблюдаем.

Поглощая свет, хлорофилл повышает свое энергетическое содержание. В главе 11 я уже описывал механизм, с помощью которого молекула хлора расщепляется светом на более энергетически насыщенные атомы хлора. Конечно, процессы, в которых участвует хлорофилл, не так просты, но принцип тот же — хлорофилл получает дополнительную энергию за счет поглощения света.

Получив энергию, хлорофилл теперь может ее потратить и вернуться в «естественное состояние», произведя при этом некую энергоемкую реакцию, определяющую весь процесс фотосинтеза.

Так что же это за «определяющая реакция»? Ответ на этот вопрос тоже стал возможен только с появлением технологий изотопного маркирования.

Как видно из формулы, приведенной в этой главе, в реакцию фотосинтеза должно входить соединение воды и углекислоты. В состав обеих этих молекул входит кислород, так что логично предположить, что производимый растениями молекулярный кислород должен включать в себя атомы из обоих этих веществ. В конце концов, фотосинтез ведь должен представлять собой реакцию, обратную дыханию. Если при дыхании кислород объединяется с органическими веществами для образования и углекислоты, и воды, то при фотосинтезе углекислый газ и вода должны расщепляться для образования кислорода, верно ведь?

Но голые рассуждения, не подтвержденные экспериментальными свидетельствами, могут оказаться очень обманчивыми. И вот американские биохимики Сэмюэл Рубен и Мартин Кеймен решили получить такие свидетельства, устроив эксперимент с использованием тяжелого, но нерадиоактивного изотопа кислорода О¹⁸. Большая часть всех атомов кислорода, 99,76 процента, принадлежит к самому распространенному изотопу, О¹⁶, так что вещество с необычно большим содержанием О¹⁸ всегда заметно отличимо в масс-спектрографе.

В 1938 году Рубен и Кеймен изготовили некоторое количество воды с содержанием О¹⁸ и стали поливать этой водой растения. В производимом растениями кислороде О¹⁸ оказалось столько же, сколько и в употребленной ими воде. С другой стороны, если же растениям подавался углекислый газ с содержанием О¹⁸, то лишь крайне малый процент этого О¹⁸ попадал в состав производимого растениями кислорода. Вывод ясен — вода, и только она, в процессе фотосинтеза расщепляется, и только из расщепленной молекулы воды образуется кислород. А молекула углекислого газа остается нерасщепленной и интегрируется в таком виде в состав формируемых в процессе фотосинтеза органических тканей.

Таким образом были установлены общие очертания реакции фотосинтеза. Хлорофилл поглощает солнечный свет и использует полученную таким образом энергию для энергоемкой реакции расщепления воды на водород и кислород (рис. 73). Эта реакция называется «фотолиз», или «фотохимическая диссоциация» воды.

Получаемый таким образом водород может использоваться двумя различными способами. Половина атомов водорода направляется в дыхательную цепочку, как и водород, получаемый в результате обычной дегидрогенизации. В принципе фотолиз воды можно рассматривать и как катализируемую хлорофиллом дегидрогенизацию воды. После этого водород снова объединяется с кислородом на заключительном этапе цитохромоксидазы и опять образуется молекула воды. По ходу этих реакций формируется три молекулы АТФ; таким образом энергия солнечного излучения преобразуется в химическую энергию АТФ, а поскольку кислород, полученный одновременно с пущенным в дыхательную цепочку водородом, при образовании воды снова потребляется, то в этой цепочке реакций выделения кислорода не происходит.

Оставшаяся половина атомов водорода вступает в соединение с углекислотой с образованием углеводов (вот здесь-то и высвобождается кислород, который больше растению ни для чего в дальнейшем не пригодится и потому выпускается в атмосферу). Это энергоемкая реакция, и она проходит за счет АТФ, образованных в процессе фотолиза и реакции формирования воды.

Так энергия солнечного излучения, будучи переведенной в химическую энергию АТФ, используется для образования углеводов (а в конечном итоге—и жиров и прочих составляющих тканей), за счет чего существуют все формы жизни на Земле — и растительные, и животные.

Теперь осталось только установить, как именно водород соединяется с углекислотой. Это оказалось непростой задачей. Исследователи пытались использовать углекислый газ, содержащий необычный изотоп, но через короткий промежуток времени этот изотоп обнаруживался уже во всех составляющих тканей. Тогда ученые решили выделить хлоропласта (клетки растения, содержащие хлорофилл) отдельно и проверить на них, но изолированный хлорофилл вообще отказывался проявлять какие бы то ни было фотосинтетические свойства, так что и эксперименты с упрощенной системой, оказавшие такую неоценимую помощь при работе с реакциями, катализируемыми ферментами, в данном случае ни к чему не привели.

Надеяться оставалось только на радиоактивные изотопы. К сожалению, единственным известным в 30-х годах XX века радиоактивным изотопом углерода был С¹¹, столь нестабильный, что за полчаса почти весь уже переставал существовать, и при этом очень дорогой.

Но вот в 1940 году Рубен и Кеймен открыли С¹⁴, радиоактивный изотоп углерода, оказавшийся, ко всеобщему изумлению, сравнительно стабильным, а потому — удобным для практического применения. Вообще, можно сказать, что С¹⁴ — это самый полезный изо всех изотопов.

После Второй мировой войны американские биохимики А. Бенсон и Мельвин Кальвин попытались исследовать фотосинтез с помощью С¹⁴. Они взяли взвесь одноклеточных водорослей и обработали ее углекислотой с содержанием С¹⁴. Через небольшой промежуток времени они убили клетки в надежде на то, что С¹⁴ успел использоваться лишь на ранних этапах внутриклеточных реакций. Затем содержимое убитых клеток было сегментировано с помощью технологии бумажной хроматографии (см. главу 16). Осталось только посмотреть, какие участки бумаги проявляют радиоактивность, и определить, какое вещество на них отложилось.

Всего полторы минуты спустя различных радиоактивных веществ оказалось уже не менее пятнадцати, тогда Бенсон и Кальвин еще больше сократили временной промежуток. Через пять секунд после обработки радиоактивной углекислотой радиоактивных веществ на бумаге оказалось пять, впрочем, наибольшую радиоактивность проявляли два из них. Оба оказались разновидностями фосфоглицериновой кислоты, в состав которой входят три атома углерода.

Проведя множество подобных экспериментов, Бенсон и Кальвин разработали логическую схему происходящего. Углекислота, попадая в клетку, соединяется с рибулозо-1,5-дифосфатом. (Этот сахар, содержащий пять атомов углерода и две фосфатные группы, называют еще «углекислотной ловушкой».)

Получив углекислый газ, рибулозо-1,5-дифосфат превращается в соединение из шести атомов углерода и вскоре распадается на две молекулы по три атома углерода в каждой — это и есть обнаруживаемые при бумажной хроматографии фосфоглицериновые кислоты. Это энергоемкий шаг, и именно при нем используются АТФ, образованные путем фотолиза и реакции формирования воды. Затем эти трехуглеродные сахара преобразуются в крахмал посредством ряда реакций, которые уже хорошо изучены и не требуют дальнейшего приложения энергии.

Наверное, самым примечательным свойством фотосинтеза является тот факт, что в качестве источника энергии при нем применяются красный и оранжевый цвета. Фотохимические реакции, производимые человеком в лаборатории, обычно задействуют гораздо более энергетически насыщенное излучение синей, фиолетовой и ультрафиолетовой части спектра. Способность хлорофилла использовать длинноволновое излучение очень важна, так как его в солнечном свете содержится гораздо больше, чем ультрафиолета. Кроме того, более длинные волны света лучше проникают сквозь атмосферную пыль, чем коротковолновое излучение, так что длинноволновой свет можно назвать более надежным источником энергии.

Фотосинтез имеет необычно высокую эффективность для фотохимической реакции. Отто Варбург и Дин Берк в 1950 году выдвинули предположение, что на участие в фотосинтезе одной молекулы углекислоты требуется затратить всего четыре кванта красного света. Для перевода одного моля углекислоты в углевод требуется 115 килокалорий, а если Варбург и Берк правы, то для аналогичной реакции, используя красный свет, потребуется всего 175 килокалорий. Таким образом, получили феноменальную эффективность фотосинтеза, равную ¹¹⁵/₁₇₅^, то есть около 65 процентов.

Итак, как и предположил сто лет назад Майер (см. главу 4), вся жизнь играет в потоках солнечной энергии. Сама солнечная энергия выделяется в процессе превращения водорода в гелий в условиях невообразимо высоких температуры и давления солнечного ядра. Процесс образования энергии сопровождается соответствующей потерей массы.

Атом водорода при превращении в гелий теряет менее 1 процента собственной массы, но размеры Солнца огромны, и количество атомов, подвергающихся подобной метаморфозе, столь велико, что Солнце теряет по 4 200 000 тонн массы каждую секунду. Высвобождаемая в результате этого энергия имеет объем около 8 х 10²¹ (восемь секситиллионов) килокалорий в секунду.

Высвобождение энергии за счет потери массы в условиях солнечного ядра является спонтанной реакцией и сопровождается масштабным увеличением энтропии. Во всех остальных звездах происходит то же самое — на одних медленнее, чем в Солнце, на других гораздо быстрее.

Получается, что во вселенских масштабах главным процессом является возрастание энтропии путем звездного излучения. Каким образом Вселенная набрала столько энергии, чтобы терпеть подобное возрастание энтропии на протяжении миллиардов лет своего существования и чем все это закончится (в конце главы 5 я упоминал, например, теорию «тепловой смерти Вселенной») — пусть решают астрономы. Биологи же и биохимики вполне могут принять исходящий от Солнца поток энергии за постоянную величину — по крайней мере, на протяжении существования жизни на Земле (вероятно, пару миллиардов лет) и еще на несколько миллиардов лет вперед.

И лишь с помощью столь глобального увеличения вселенской энтропии, выражаемого в выработке солнечной энергии, жизни на Земле удается немного понижать энтропию в пределах своей компетенции.

Стоит упомянуть о том, что подавляющая часть солнечной энергии теряется в космосе и бесконечно летит по межзвездному пространству в неизвестном направлении. Земле достается лишь мизерная часть. Хотя «мизерной» ее можно назвать лишь по сравнению с общим количеством солнечного излучения, абсолютные же цифры остаются поражающими воображение — 2 x 10¹³ (двадцать триллионов) килокалорий в секунду.

Но и это — лишь потенциально доступная в идеальном случае величина. Около половины этой энергии сразу же отражается облаками, океанами и полярными льдами. Из того, что остается, часть рассеивается атмосферой, а часть — бесполезно тратится на нагревание океанской воды или песков в пустынях.

На поверхность растений попадает лишь 3 процента от общего количества солнечной энергии, направленной на Землю. И из этого объема две трети поглощается, не доходя до хлорофилла. Наконец, две трети энергии, достигающей хлорофилла, преобразуется в высокоэнергетические фосфатные связи.

Получается, что путем фотосинтеза на Земле ежесекундно производится 3 х 10¹¹ килокалорий высокоэнергетических фосфатных связей.

Принимая энергопотери едока при поедании пищи за 90 процентов, мы видим, что 3 x 10¹¹ килокалорий, производимых растениями, могут служить источником энергии для животного мира, использующего 3 х 10¹⁰ килокалорий в секунду. Подсчитано, что на суше обитает около одной восьмой всех животных на Земле, потребляя при этом 4 x 10⁹ килокалорий в секунду.

Население Земли составляет сейчас около 2,3 x 10⁹ человек[11], и если взять среднедневную норму потребления энергии человеком за 2000 килокалорий, то получится, что на все человечество тратится 53 000 000 килокалорий в секунду. Пока что человек составляет, таким образом, уже более 1 процента от всего животного мира Земли.

Если количество людей возрастет в восемьдесят раз, то это будет предел, больше которого растительный мир не сможет прокормить. И то только при условии, что все остальные животные на Земле, конкуренты человека за пищу, будут уничтожены и все растения будут служить пищей одному лишь человеку. Человечество может избежать этой ловушки, начав использовать и морские растения, — тогда оно может расти до уровня в 650 раз больше сегодняшнего, но это опять же идеальный случай — если все морские животные тоже будут уничтожены и человек научится питаться непосредственно планктоном.

Получается, что максимальное количество людей, которое может прокормить Земля, — 1,5 x 10¹², то есть полтора триллиона.

На каждого человека в таких условиях будет приходиться лишь по сотне квадратных метров территории. На каждом гектаре будет находиться по сто человек — везде, даже в Гренландии, Антарктиде и пустыне Сахара. Для сравнения, сейчас даже на Род-Айленде, являющемся самым густонаселенным штатом США, плотность населения — три человека на гектар.

Звучит ужасно. Однако еще ужаснее, что если темпы роста человечества сохранятся (удваивание каждые шестьдесят лет), то максимально возможный уровень будет достигнут уже через 550 лет, в 2500 году.

С другой стороны, одни виды животных, таких как коровы, свиньи, куры или рыба, вряд ли захотим полностью уничтожить, так как наличие их мяса в рационе крайне желательно, а другие виды, такие как крысы или насекомые, вряд ли сможем, так что придется сойтись на той цифре, что максимальная масса людей на планете может составлять не более одной десятой от общей массы живых существ. В таком свете ситуация выглядит еще хуже.

Да, тогда максимальное количество людей на планете не сможет превысить 150 000 000 000, и плотность населения не превысит показателя в 10 человек на гектар. Пространства будет чуть больше, а еда — чуть разнообразнее. Однако времени до такого положения нам осталось еще меньше — всего 350 лет, до 2300 года.

Данные расчеты приведены, конечно, без поправок на то, что при достижении некоего угрожающего положения дел будут приняты меры по ограничению рождаемости в глобальном масштабе или, может быть, разразится мировая ядерная война. (Я бы предпочел первое, но иногда вероятность второго кажется слишком большой.)

И все же не стоит унывать. Будущее человечества можно представить не только в темных тонах. С точки зрения некоего внеземного наблюдателя локальное уменьшение уровня энтропии на Земле, на фоне глобального ее увеличения в процессе солнечного излучения окажется незамеченным, как если бы капля воды поднималась вверх по Ниагарскому водопаду.

Но масштабы — это еще не все. Жизнь достигла таких высот сложности, каких с помощью грубой солнечной энергии достигнуть было крайне маловероятно. И вершина жизни — человеческий разум — получил возможность, равной которой никогда еще не предоставлялось и значение которой не поддается какой бы то ни было строгой оценке.

Человек обязан подчиняться законам термодинамики и всегда будет обязан им подчиняться, но это не значит, что он полностью беззащитен перед ними. Раз уж в законах нельзя найти лазейку, то можно попытаться использовать их себе на пользу!

Получив власть над энергией атома, человек совершил достижение, сравнимое с овладением огнем (с описания которого я и начал эту книгу). Овладение огнем избавило человека от непосредственной зависимости от солнечного света и тепла, а овладение атомной энергией сделало его независимым и от самого Солнца.

Точнее, даже несмотря на наличие водородных реакторов, человек все еще сохраняет некоторую зависимость от Солнца в плане получения биологической энергии — создания питательных веществ в процессе фотосинтеза. Но недалек тот день, когда человек окончательно изучит фотосинтез, и тогда, используя энергию водородных реакторов, вещество Вселенной в качестве сырья, искусственно созданный фермент — вместо хлорофилла, человек научится сам производить пищу в любых количествах, независимо как от Солнца, так и от растений.

Тогда весь мир, все планеты всех звезд станут ему домом.

По крайней мере, те, которые останутся к тому времени свободными.