Ефим Терлецкий - Металлы, которые всегда с тобой

• Название: Металлы, которые всегда с тобой
• Автор: Ефим Терлецкий
• Издательство: Знание
• Жанр: Природа и животные
• Год: 1986

Металлы, находящиеся в незначительных количествах внутри живого организма, называют микроэлементами. Это не случайные примеси, а важнейшие составляющие биологически активных веществ: они обеспечивают нормальный ход биохимических процессов, стимулируют обмен веществ, активно участвуют в кроветворении, влияют на рост, размножение и наследственность организмов. Вот почему их еще называют металлами жизни. Эта книга о десяти важнейших биометаллах, о трудном пути познания роли для всего живого...

---

И все же большинство учёных считает, что без железа организму не обойтись. Нельзя отвергать то, над чем природа билась миллиарды лет; а вот поправить её — не грех. А пока исследователи перекраивают порфириновые кольца, извлекая из них атомы железа и заменяя другими металлами, или подбирают к гему различные вещества в надежде получить комплексы с желаемыми свойствами. В общем, конструируется новый переносчик кислорода...

Представим себе будущее, может быть даже не слишком далёкое. Создана искусственная кровь, не уступающая по свойствам настоящей, а может быть, в чем-то и превосходящая её (иначе не стоило бы поправлять природу). Ее гем не подвержен распаду и не имеет рокового сродства к угарному газу, что позволяет не бояться анемий и отравлений. Такую кровь можно будет вливать, например, пожарникам и спасателям, тогда отпадает надобность в противогазах. Главное же резко сократится потребность в донорах и их драгоценной свежей крови, которую переливали бы в совершенно исключительных случаях. А какие перспективы открываются при работе человека в экстремальных условиях: в космосе и под водой... Думается, что это время не так уж далеко — сегодня во всем мире многое делается для его приближения.

Ферменты, открытые дважды

История науки изобилует множеством драматических моментов, когда блестящие открытия, очевидные для потомков, совершенно не воспринимались современниками. Так, например, было с открытием нуклеиновой кислоты молодым швейцарским врачом Иоганном Мишером; так произошло и с законами наследственности, которые установил Грегор Мендель, разводя горох в монастырском огороде. И в том, и в другом случаях прошли десятки лет забвения, прежде чем эти замечательные исследователи получили заслуженное, но уже посмертное признание. Так случилось и с открытием цитохромов — железосодержащих дыхательных белков.

В 1884 году английский врач К. Мак-Манн, изучая спектры поглощения тонких срезов различных тканей, обнаружил неизвестные до этого времени вещества, которые он назвал миогематинами или гистогематинами — в зависимости от того, где они содержались, в мышцах или других тканях. Эти соединения он отнёс к пигментам и доказал, что они могут окисляться и затем снова восстанавливаться. Таким образом, открытые вещества явно должны были участвовать в процессах тканевого дыхания.

К сожалению, результаты этих экспериментов поставил под сомнение сам Хоппе-Зайлер — признанный авторитет среди биохимиков того времени. Тогда Мак-Манну не удалось ничего доказать, , но он понимал истинную цену своего открытия. Через 20 лет он с горечью писал: «По по-, воду этого фермента (гистогематина.— Е. Т.) очень много спорили, и имя Хоппе-Зайлера помещало: принять правоту, автора. Химический аспект работы несомненно, слаб, но со временем этот пигмент проложит себе путь в учебники».

Так оно и произошло, но автором открытия считался уже другой. По этому поводу известный американский биохимик Э. Рэкер в назидание студентам, которым он читал лекцию уже в наши дни, сказал: «Если вы биолог, постарайтесь как можно лучше изучить химию, иначе химики вам не поверят. Если же вы сильны в химии, они поверят вам, даже если вы не правы».

Прошло долгих 40 лет, прежде чем немецкий учёный О. Варбург вновь, после Мак-Манна вернулся к изучению процессов клеточного дыхания. Варбург знал, что все клетки организма содержат железо, которое считал катализатором внутриклеточных трансформаций кислорода. Он доказал это, окисляя в своих опытах различные аминокислоты активированным углём с нанесённым на него тонким слоем железного порошка. Клеточный катализатор Варбург назвал дыхательным ферментом и позднее установил, что в нем содержится гем.

Идеи Варбурга развил английский учёный Д. Кейлин, который, по существу, и завершил открытие дыхательных пигментов. И Мак-Манн, и Варбург, и Кейлин изучали одну и ту же группу белков, содержащих гем. Чтобы не путать их с миоглобином и гемоглобином, Кейлин назвал их цитохромами (от греческого «цито» — клетка). Почти 40 лет потратил он на исследование этих веществ.

В зависимости от спектров, даваемых цитохромами, им дополнительно присвоили латинские буквы, которые соответствовали обозначениям спектральных полос: а, в, с. В дальнейшем было установлено, что полосы а и с, в свою очередь, принадлежат не одному, а нескольким цитохромам, получившим обозначение аь а2. аз и с\-Кейлин обнаружил, что цитохром а в большей степени, чем цитохромы вис, связан с реакциями, в которых участвует кислород. Комплекс цитохромов а и а3, окисляющий цитохром с, был назван цитохромоксидазой.

Получается такая цепочка: субстрат (окисляемое органическое вещество) - компоненты, не содержащие цитохромов, —к цитохром в —>- цитохром с, —>- цитохромокси-даза —>- кислород. Все участники такой эстафеты претерпевают окислительно-восстановительные превращения. Комиссия по ферментам Международного биохимического союза узаконила следующее определение: «цитохромами называются гембелки, принцип действия которых состоит в переносе электронов и /или водорода, в результате обратимого изменения валентности атома железа в геме». Итак, опять процесс переноса, опять сходство с электрической цепью, опять при помощи железа, и опять механизм до конца не ясен...

Цитохромы заключены в особых органоидах клетки — митохондриях, где и происходит поэтапное окисление. Цепочку же ферментов, благодаря которым оно осуществляется, называют дыхательной или окислительной, цепью, которая необходима для выработки энергии. Если бы окисление происходило без накопления энергии и её преобразования, то вся энергия превращалась бы в тепло, что, в общем-то, не имеет смысла, так как для жизнедеятельности организма ничего бы не осталось. Так вот, в митохондриях (их называют силовыми установками клетки) происходит не только выработка энергии, но и её накопление в виде основной, по выражению биоэнергетиков, «энергетической валюты», которой оплачивается любая функция в живом организме. «Разменной монетой» при этом служит аденозинтрифос-форная кислота — АТФ. Синтез АТФ в митохондриях получил название окислительного фосфорилирования.

Здесь, по-видимому, пора подвести итог нашим рассуждениям. Получается вот что. С одной стороны, в митохондрии поступают продукты расщепления белков, жиров и углеводов, с другой — подводится кислород, доставленный кровью. Благодаря действию цитохромов кислород не сразу, а постепенно, ступенчато окисляет органические вещества с образованием воды, углекислоты и АТФ. Весь смысл процесса заключается именно в ступенчатом окислении небольшими порциями, ибо при этом происходит образование молекулы АТФ с минимальными энергетическими потерями, то есть с большим кпд. Здесь действует цепь ферментов, поэтому ни один двигатель внутреннего сгорания нельзя по эффективности работы сравнить с митохондрией.

Сегодня известно несколько цитохромов, однако наиболее изучены те из них, которые участвуют в процессах клеточного дыхания. Цитохром а имеет молекулярную массу 70 тыс., цитохром b — 20 тыс., цитохром с — 13 тыс. Для того чтобы в какой-то степени дать представление о всей сложности исследований этих веществ, заметим, что сегодня 1 г цитохромоксидазы стоит 6 тыс. руб.!

Каталаза - чемпион катализа

Процесс окисления с помощью цитохромов даёт побочный продукт, в больших концентрациях губительный для всего живого,— перекись водорода. Вспомним, что раствор этого вещёства применяют, например, при дезинфекции ран. Перекись водорода является сильным окислителем и в крови может вызывать гемолиз эритроцитов. Совершенно ясно, что организм нужно защитить от этого крайне опасного соединения.

Такая защита есть. Это фермент каталаза. Ее молекула имеет массу 250 тыс. и состоит из четырёх субъединиц, каждая из которых содержит гем, связанный с полипептидной белковой цепью. Таким образом, как и в гемоглобине, здесь имеется 4 атома железа. Каталаза разлагает перекись водорода на воду и кислород. Но что интересно, когда концентрация перекиси водорода становится незначительной, каталаза начинает катализировать реакцию окисления перекисью водорода спиртов, формальдегидов и нитратов. Ферменту простаивать нельзя!

Открытие каталазы также связано с перекисью водорода. Ещё Луи Тенар, который, как мы знаем, занимался каталитическим разложением аммиака, открыл перекись водорода в 1818 году и заметил каталитическую активность по отношению к этому вещёству животных тканей. Но только в 1907 году было установлено, что в этом повинен фермент, который и назвали каталазой. В кристаллическом виде получить её удалось только через 30 лет из печени быка. Это один из наиболее активных ферментов, молекула которого разлагает в секунду 6 миллионов молекул перекиси водорода.

Есть ещё один фермент, содержащий железо, который также катализирует реакцию разложения перекиси водорода, это пёроксидаза, открытая в самом начале нашего века. Она содержится в слюне, в соке поджелудочной железы, в печени, почках и в лейкоцитах. Имеются сведения, что в плазме крови присутствует особая пёроксидаза, которая способствует реакциям некоторых производных перекиси водорода. У растений особенно богаты пёроксидазой сок фигового дерева и корень хрена. И вообще следует заметить, что этот фермент широко распространён в живой природе.