Металлы в живых организмах

Глава 1. Почему организмы иногда называют биологическими машинами?

Функции тех устройств, которые называют машинами при всем их разнообразии, связаны с целенаправленным использованием энергии. Результат деятельности машин — либо перенос массы, либо получение продукции, отличающейся от исходного сырья.

Мы можем заметить, что превращения различных форм энергии также характерны для машин: электрическая энергия в электромоторе превращается в механическую энергию движения (вращения); химическая энергия реакций окисления-восстановления в гальванических элементах и аккумуляторах превращается в электрическую, а эта последняя в механическую (в электромобилях) или теплоту; реакция горения топлива в паровой машине или двигателе внутреннего сгорания переходит в механическую энергию и т. д.

Происходит ли что-либо подобное в клетках и соответственно в организме? На первый взгляд аналогия между клеткой и машиной кажется весьма сомнительной. Жесткие металлические конструкции, большие скорости движения отдельных частей, провода, болты, гайки, тяжелые станины — как все это не похоже на нежные комочки белка, составляющие содержимое хрупких клеток! Можно ли говорить о сходстве столь различающихся объектов? Однако успехи молекулярной биологии с каждым днем все больше убеждают нас в том, что аналогия между клетками и машинами не поверхностна, а выражает глубокую природную закономерность.

Сравним типичные особенности работы машин в технике и "машин" в биологии. Технические машины требуют энергии, без притока энергии (механической, электрической, теплоты и т. п.) они работать не могут. Клетки и клеточные системы, т. е. организмы, также нуждаются в энергии. Использовать теплоту для прямого ее превращения в работу клетка не способна — для этого надо, чтобы существовала хотя бы небольшая разность температур или давлений, а все части клетки находятся практически при одной и той же температуре и под одинаковым давлением (в термодинамике такие условия называются изобарно-изотермическими). Основной источник энергии для живых систем заключается в пищевых веществах — клетки пользуются химической энергией, запасенной в углеводах, жирах или белках пищи. Так, процесс брожения, протекающий в бескислородной среде и схематически выраженный уравнением

Процесс брожения, протекающий в бескислородной среде, доставляющий энергию анаэробным микроорганизмам

доставляет энергию так называемым анаэробным микроорганизмам, живущим в бескислородной среде (анаэроб — "живущий без воздуха").

Аэробные микроорганизмы используют ту же реакцию, но более рационально. Эти организмы живут только в атмосфере, содержащей кислород, и поэтому они имеют возможность полностью окислить углевод, например глюкозу, до углекислого газа в процессе дыхания

Процесс брожения, доставляющий энергию аэробным микроорганизмам

получая при этом гораздо больше энергии, чем анаэробы.

Известны и такие микроорганизмы, которые способны в зависимости от условий, а именно наличия или отсутствия кислорода в окружающей их среде, приводить в действие тот или другой механизм использования энергии (факультативные микробы). Такими интересными свойствами обладают, между прочим, всем известные дрожжевые клетки — они вызывают процесс брожения, но вместе с тем способны и к процессу дыхания, в котором углеводы окисляются полностью до углекислого газа и воды.

Итак, клетки не похожи на паровую машину, в которой источником работы является горение топлива, создающее разность температур, но клетки определенно похожи на гальванические элементы, производящие работу за счет реакции окисления-восстановления, и отчасти на двигатели внутреннего сгорания, производящие работу за счет энергии сильно сжатого газа, возникшего при сжигании жидкого топлива.

В настоящее время созданы топливные элементы, превращающие энергию окисления угля или жидких углеводородов в электрическую энергию; эти устройства очень экономичны и, несомненно, сыграют роль в энергетике будущего. Вот с ними у клеток еще более глубокое сходство.

Современная техника использует энергию химических реакций для практических целей. Но, например, о применении солнечной энергии для широкого решения производственных задач пока еще только мечтают... А вот живые организмы могут извлекать энергию из потока солнечного излучения. Огромные массы микроорганизмов, плавающие в волнах океанов и морей, леса и травы, покрывающие сушу, располагают аппаратом, с помощью которого они используют энергию света для химических синтезов. В этом аппарате важную роль играет ион металла магния, входящий в состав хлорофилла.

Не кажется ли вам, что в области использования энергии клетки — хрупкие комочки живой ткани — обогнали могучую технику человека с ее громоздкими и сложными машинами? Это впечатление усилится, если вспомнить о существовании организмов, которые получают энергию, стимулируя какой-либо определенный химический процесс и затем используя эту энергию для создания множества разнообразных соединений. Так, известны бактерии, живущие за счет окисления ионов железа (II) (железобактерии), бактерии,- для которых источником энергии является окисление серы в серную кислоту (серобактерии тиооксиданс), бактерии, "питающиеся" нафталином, другими словами, окисляющие это вещество для получения энергии, и даже бактерии, для которых источником энергии служит окисление водорода — по существу, та реакция, которая протекает при взрыве гремучего газа.

В результате целенаправленного превращения химической энергии микроорганизм из несложных исходных веществ создает сложные частицы белков, жиров и нуклеиновых кислот. Неплохо бы построить, например, завод по производству серной кислоты, в котором энергия окисления серы питала бы производство белков, углеводов и жиров. Мало того, представим себе, что этот завод обладает способностью строить другие такие же заводы, — ведь клетки делятся!

Может быть, клетки с точки зрения энергетики заслуживают названия "сверхмашин" — машин будущего? В высших организмах, в частности в организмах позвоночных, мы обнаруживаем совершенные и экономичные устройства — мышцы, в которых химическая энергия превращается в механическую. Если бы удалось создать нечто подобное в технике, т. е. превратить энергию окисления топлива при низкой температуре (37°С — температура тела человека) в механическую работу, — это было бы крупнейшим достижением! Вот почему анализ механизмов, действующих в биологических системах, представляет огромный интерес с точки зрения и биолога, и биохимика, и инженера.

Продолжим сопоставление клетки и машины. Объектом работы машины является какой-либо материал, взятый в больших по сравнению с молекулами кусках (металл, дерево, полимер). Машина изменяет его форму по заданной программе (например, вытачивает болт), удаляя лишний материал, или производит ряд последовательных операций, перемещая в пространство отдельные детали (так действует, например, автомат, выпускающий электрические лампочки), или, наконец, просто вращает вал (кардан у автомашины), сообщая всему устройству движение.

Существуют ли в биологических машинах аналоги всему этому?

Прежде всего, придется констатировать, что клетка, в отличие от макроскопической (т. е. обычной в нашей технической практике) машины, имеет дело не с огромными совокупностями молекул, а с отдельными молекулами. Каждая молекула жира, белка или сахара, попав в сферу деятельности клетки и будучи поглощена ею, подвергается индивидуальной обработке. Следовательно, и "инструменты" для этого тоже должны иметь молекулярные масштабы. Молекулярная биология помогла разобраться в деталях устройств, позволяющих целенаправленно перекраивать молекулы.

Тут сразу возникает вопрос о направлении воздействия. Технические машины в этом отношении сомнений не вызывают — мы ясно представляем себе задачу каждой из них. Но что, собственно, "хочет" биологическая машина? Какова цель ее деятельности?

Смысл работы клеточных механизмов в настоящее время в значительной мере раскрыт. Молекулы пищевых веществ — белков, жиров и углеводов (в основном) — расщепляются на менее сложные частицы. Эти частицы одинаковы для каждого вида биомолекул, независимо от того, из каких исходных молекул они получены. Так, из различных белков получаются небольшие молекулы аминокислот, и, несмотря на то, что в разных белках они были сцеплены (пептидными связями) в различных последовательностях, после разрушения белковых частиц мы получим смесь одних и тех же аминокислот (с относительно небольшими количественными различиями). Различные углеводы превращаются в одну и ту же кислоту — пировиноградную, а жиры расщепляются до жирных кислот, от молекул которых постепенно откалываются однотипные фрагменты.

После этого начинаются два важнейших процесса: окисление ("сжигание") части полученных обломков молекул, сопряженное с запасанием энергии окисления в виде фосфорноазотных органических соединений, и синтез новых молекул, в частности тех белков, которые нужны данному организму. При достаточном количестве пищи синтезируется и гликоген — углеводный биополимер, окисление которого дает много энергии. Это будущее "топливо" откладывается впрок в печени и мышечной ткани.

Энергия окисления переходит в скрытую химическую энергию фосфорно-азотных органических соединений (прежде всего аденозинтрифосфорной кислоты — АТФ) в результате сложного процесса, сопряженного с переносом электронов от окисляемого вещества к кислороду воздуха, которым дышит организм.

Понятно, что для выполнения такой работы необходимо, во-первых, ускорять только строго определенные реакции, чтобы продукты того или иного процесса не представляли собой смесь неопределенного состава; во-вторых, необходимо для этого иметь катализаторы, стимулирующие только те превращения в некоторой части молекулы, которые ведут к образованию требуемых обломков, т. е. сырья для следующих химических операций.

Выполнение операций в определенной последовательности требует пространственного разделения областей реакций. Они не могут происходить все в одном месте — нужна, очевидно, некоторая жесткая структура, нечто вроде каркаса, на котором производится постепенная. перестройка молекул. Значит, клетка не может быть однородной по всей своей массе. Химик назовет такую систему гетерогенной — разнородной. Действительно, клетка имеет ядро, оболочку и так называемые органеллы — небольшие частицы, в которых получается энергия (митохондрии), производится синтез белков (рибосомы), удаляются отходы производства (аппарат Гольджи); работают и другие устройства.

По мере усложнения организма клетка становится все более совершенной. Как и в машинном производстве, в клетке (и в коллективах клеток) огромную роль играет регулирование. В организмах оно достигается с помощью гормонов и нервных импульсов, так что весь организм в целом представляет собой единую систему с множеством тонких внутренних связей и органами восприятия сигналов внешней среды.

Вот теперь мы подошли к тому вопросу, о котором и будет речь в этой книге. Пригодны ли те органические соединения, о которых уже многое известно биологам и биохимикам, а именно белки, липиды (жиры), углеводы, — для строительства всех биологических машин, их регулирования и обеспечения их устойчивости в течение длительных сроков жизни организма?

Внимательный анализ этой проблемы и изучение опытных данных о составе живых систем приводят нас к выводу, что необходимое сочетание прочности основных биологических структур и высокой химической активности, характерной для реакции в клетках, не может быть достигнуто, если для создания биологических машин пользоваться только органическими веществами.

Необходимым компонентом живых систем должны быть ионы металлов.

Ознакомимся со свойствами некоторых биологически активных органических соединений и теми функциями, которые способны выполнять ионы металлов.

Из курса химии известно, как построены белки, жиры и углеводы. Их молекулы содержат цепи атомов. У белков атомы углерода соединены перемычками, состоящими из групп NH-СО. Перемычки возникают потому, что огромная молекула белка получается в результате соединения (конденсации) аминокислот. В простейшем случае аминокислота глицин NH₂-СН₂-COOH может образовать дипептид — продукт конденсации двух молекул глицина по реакции:

Дипептид — продукт конденсации двух молекул глицина

Таким путем, очевидно, можно соединять друг с другом и молекулы других аминокислот; всего в живых организмах насчитывается 20 аминокислот различного строения.

Каждая молекула белка состоит из нескольких сотен аминокислотных остатков — химики называют такую частицу полипептидом ("многопептидом").

Молекулы жиров содержат цепи атомов углерода и эфирные группы -СОО-, связывающие цепи жирных кислот и глицерина:

Молекулы жиров содержат цепи атомов углерода и эфирные группы -СОО-

( — остаток жирной кислоты, например пальмитиновой С₁₅Н₃₁СООН).

Для молекул углеводов также характерно наличие цепей атомов углерода, но эти цепи для углеводов, относящихся к полисахаридам (крахмал, гликоген), содержат перемычки из атомов кислорода.

Мы только напоминаем об этих данных, так как для нас сейчас важно обратить внимание на распространенность в биологических объектах органических молекул, которые характеризуются наличием ковалентных связей.

Действительно, атомы углерода в цепочках -С-С-С-, имеющихся и в белках, и в жирах, и в углеводах, соединены парами общих электронов; связи между атомом углерода и атомом азота в перемычке (связующем звене) -NH-СО- также ковалентные; ковалентными являются и связи С-О в молекулах углеводов. Их энергия довольно велика.

Легко ли заставить молекулы биологически активных веществ вступать в реакции? Остановимся на одной из наиболее важных и общеизвестных реакций — реакции горения. Ведь мы знаем, что углеводы (например, обычный сахар), белки и жиры "сгорают" в организме, образуя в конечном счете воду и диоксид углерода (углекислый газ). Попробуем окислить сахар или жир до этих продуктов вне организма. Мы обнаружим, что сахар можно хранить годами на воздухе, а значит — в присутствии кислорода, и он не покажет никаких признаков окисления. Жир испортится — прогоркнет, т. е. станет добычей различных микроорганизмов, но тоже, конечно, не сгорит; признаки его окисления мы сможем обнаружить, но до превращения его в воду и диоксид углерода будет очень далеко. Белки подвергнутся высыханию, разрушительному действию микроорганизмов, но не сгорят!

А ведь в клетках организма процессы окисления идут очень быстро. Так, например, утомленный бегун на финише восстанавливает силы буквально за несколько минут, выпив раствор глюкозы.

Почему же организм так легко справляется с задачей ускорения нужных ему реакций? Ответ на этот вопрос не вызывает сомнений у биохимиков: потому, что в клетках имеются мощные катализаторы — ферменты, стимулирующие при невысоких температурах реакции окисления.

Можно попробовать зажечь кусочек сахара — он загорится с трудом лишь при энергичном нагревании в пламени газовой горелки. Но попробуйте нанести на его поверхность немного порошка оксида меди — в этом случае сахар удастся зажечь просто от пламени спички. Иногда этот опыт проделывают, применяя вместо оксида меди табачную золу, — она содержит малые количества оксидов металлов и также проявляет ускоряющее действие. Что же здесь играет роль катализатора? Конечно, металл! Металл в ионном состоянии. Соединения меди, железа, марганца, ванадия, кобальта и других в большом числе реакций действуют как катализаторы окислительно-восстановительных реакций. Нет такого органического соединения, не содержащего металла, которое обладало бы столь сильно выраженными каталитическими свойствами в реакциях окисления.

Но, кроме катализа, в биологических машинах осуществляется еще один процесс, который и в технических машинах, и на заводах играет большую роль. Этот процесс — транспорт! Переносы полуфабрикатов из цеха в цех или в сложных машинах от одной части к другой совершенно необходимы для нормальной работы, они должны совершаться с определенной скоростью и бесперебойно.

Нечто подобное происходит и в организмах. Нельзя прервать без угрозы для жизни транспорт кислорода от легочных альвеол к клеткам. Известно, что переносчиком кислорода служит гемоглобин, содержащий железо. Нет такого органического соединения, не содержащего ионов металла, которое способно было бы выполнять эту функцию!

После завершения окислительных реакций в крови накапливаются гидрокарбонаты. Кто не знает, что мы выдыхаем диоксид углерода СО2! Но многим не приходит в голову, что сами по себе гидрокарбонаты вовсе не так быстро разлагаются с выделением угольной кислоты (а затем и диоксида углерода), чтобы реакция разложения могла совершиться в надлежащей мере за время одного вдоха.

Налейте в стакан раствор питьевой соды (это и есть гидрокарбонат натрия) и проследите за его состоянием в течение нескольких часов. Если опыт проделать при комнатной температуре, вы вообще ничего не обнаружите, если же раствор нагреть до 37°С, то признаки выделения газа будут еле заметны.

Что же помогает нам дышать? За счет чего ускоряется разложение гидрокарбонатов до СО₂? Оказывается, тут действует органическое соединение, содержащее цинк. Опять мы сталкиваемся с наличием в биологических машинах металла. Но ведь в организмах наблюдается и еще одно интересное явление, тоже напоминающее работу завода, — перенос электронов, т. е. появление электрического тока. Врач, исследующий состояние сердца, снимает электрокардиограмму — он исследует токи, возникающие в работающей сердечной мышце. Но не только в сердце, а и в других мышцах организма протекают токи. Нервная сеть проводит электрические импульсы. В процессах окисления также происходит перенос электронов — мы знаем это из школьного курса химии. В клетках такие переносы тоже совершаются, но на большие расстояния; как доказано, электроны, переходя от атома к атому, отдают часть своей энергии, и за ее счет клетка строит сложные молекулы аденозинтрифосфорной кислоты, "начиненные" энергией, — настоящие химические аккумуляторы энергии.

Можно ли осуществить передачу электрического сигнала на большие по сравнению с молекулой расстояния, располагая только прочными органическими соединениями, содержащими лишь ковалентные связи? Теория и опыт говорят нам, что внутри большой органической молекулы возможно движение π-электронов; π-электроны образуют в некоторых молекулах единую общую систему, но заменить ими те потоки электронов, которые появляются при протекании быстрых окислительно-восстановительных реакций, нельзя. Для этого необходим катализатор, содержащий металл.

Передачу нервного импульса также можно осуществить лишь с участием ионов металлов — натрия и калия.

Регулирование работы даже таких биологических катализаторов (некоторых ферментов), которые, казалось бы, не содержат прочно связанного металла, возможно только с помощью ионов металлов (кальция, магния, марганца и др., см. гл. 5).

Итак, биологические машины для своей согласованной работы нуждаются в металлах, и эти металлы должны входить в их состав в виде ионов.

За последние годы получено много данных о концентрации элементов в различных организмах и установлен несомненный факт накопления металлов в клетках простейших (одноклеточных организмов), извлекающих их из воды океанов и морей. Нельзя сказать, что биохимия может объяснить причины концентрирования ряда металлов в клетках, так как функции многих из них остаются неизвестными, но упорное извлечение организмами определенных элементов из морской воды делает вполне вероятным предположение, что живые клетки в какой-то степени нуждаются в них. В таблице 1 показано, насколько увеличивается в среднем концентрация ионов металлов в клетках простейших (эукариотных организмов) в результате их жизнедеятельности по сравнению с концентрацией этих же элементов в окружающей среде (морская вода).

Таблица 1. Накопление металлов в клетках простейших в морской воде

В крови человека найдено 76 элементов, из них только 14 не являются металлами. Высказывались предположения (Л. Б. Меклер), что все вообще элементы необходимы для нормальной жизнедеятельности организма.

Исследования в этом направлении проводятся во многих лабораториях, но выводы приходится делать с большой осторожностью. Между степенью концентрирования элемента и его биологической функцией нет прямой и простой связи.

Значение для организма того или иного элемента совершенно не определяется его концентрацией в организме. Так, например, железо и кобальт, содержащиеся в организме в очень малых количествах, жизненно необходимы, и падение концентрации ниже допустимого ведет к тяжелейшим расстройствам. Мы поймем, почему это так, если вспомним, что катализаторы вообще могут производить значительные эффекты, действуя в, малых концентрациях; соединения железа и кобальта (а также ряда других металлов) выполняют в организмах главным образом каталитические функции. С другой стороны, даже те металлы, которые, казалось бы, не выполняют полезной работы в клетке и могут даже повредить ей (см. гл. 12), например свинец, концентрируется в ней в такой же мере, как и железо. Еще более странным кажется накопление алюминия, о функциях которого известно очень мало. Надо иметь в виду, что тяжелые металлы и металлы, образующие катионы с большим зарядом (алюминий), могут захватываться в течение жизни клетки и задерживаться в ней в силу того, что они прочно соединяются с белками.

Решающее значение имеют опыты, в которых из окружающей среды последовательно исключаются те или иные микроэлементы и отмечаются те из них, удаление которых тормозит или прекращает жизнедеятельность и развитие клеток. Такие эксперименты выполнены по отношению к ограниченному числу металлов. Поэтому мы опишем в дальнейшем именно те металлы, без которых клеткам и организму определенно не обойтись и функции которых достаточно известны.