ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

О. Э. Костерин

Общая биология

Курс лекций для психологов

Новосибирск

2007

УДК 573+576+577

ББК ЕОя73-1

К721

Костерин О. Э. Общая биология: Курс лекций для психологов. Учебное пособие. – 2-е изд., испр. и доп. / Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т., 2011. ??? c.

ISBN 978-5-94356-616-5

Курс лекций, читаемых на факультете психологии Новосибирского государственного университета призван сформировать целостное понимание феномена жизни на разных уровнях его организации и в его историческом развитии. Подробно рассмотрены: понятие жизни; химическая основа жизни, включая молекулярные основы хранения и реализации наследственной информации и энергетического обмена; структурно-функциональная организация клетки; основы генетики и теории эволюции. Для облегчения понимания и запоминания широко применяются различные аналогии. Сохранен живой стиль лекционного изложения и структурное разделение на лекции. Издание состоит из 17 глав (лекций): лекция 1 посвящена определению жизни, лекции 2–6 – биохимическим аспектам, лекции 7–11 – биологии клетки, лекции 12–14 – основам генетики, лекции 15–17 – основам теории эволюции.

Издание предназначено для студентов 1-го курса факультета психологии НГУ для повторения материалов лекций и подготовки к экзамену. Может быть рекомендовано студентам других факультетов, а также любым заинтересованным читателям, которые хотели бы составить представление о сущности и «механизме» жизни, т. е. о ее материальной и информационной основе, структурной организации и эволюции.

Ответственный редактор д-р биол. наук, проф. Ж. И. Резникова

Рецензент д-р биол. наук, проф. Л. В. Высоцкая

Издание подготовлено в рамках выполнения инновационно-образовательной программы «Инновационные образовательные программы и технологии, реализуемые на принципах партнерства классического университета, науки, бизнеса и государства» национального проекта «Образование».

© Новосибирский государственный

 университет, 2011

ISBN ................... © Костерин О. Э., 2011

E-mail автора: kosterin@bionet.nsc.ru

ПРЕДИСЛОВИЕ

Как следует из названия, в настоящем пособии предпринята попытка решить заведомо невыполнимую задачу – посредством ограниченного по объему текста сделать содержание обширной естественной науки понятным и знакомым студентам, решившим посвятить себя науке гуманитарной, сформировать понимание феномена жизни и по возможности заинтересовать этим феноменом изначально индифферентного слушателя. Психология изучает человека, а человек – это в том числе и биологический объект. Поэтому биология и психология являются равноправными частями Сократовой программы «Познай самого себя».

Наша задача определяет и форму подачи. Текст разбит на лекции (в том объеме, в котором они читаются) и максимально приближен к интерактивной устной речи. Значительное место занимают рассуждения, что обычно характерно в большей степени для гуманитарных курсов, чем для естественных. При написании соблюдался приоритет смысла над терминологией. С целью облегчить понимание принципов возникновения, устройства и функционирования живых организмов широко применяются различные аналогии: экономические, механические, компьютерные и бытовые. Общие свойства живых организмов рассмотрены достаточно глубоко, для того чтобы продемонстрировать одновременно сложность и красоту их организации. Также специально не рассматриваются вопросы, связанные с принципами устройства и функционирования многоклеточных организмов, поскольку студенты факультета психологии ознакомятся с ними в курсах «Анатомия человека» и «Физиология нервной системы». Знания, полученные при рассмотрении каждого уровня организации жизни, привлекаются при рассмотрении остальных уровней в целях ознакомления с жизнью как с целостным феноменом.

Базовые знания по биологии даются еще в общеобразовательной школе, причем в достаточно большом объеме. Однако школьные знания представляют собой только знания, т. е. набор понятий и сведений, необходимых для того, чтобы не оказаться полным профаном в современном обществе. Курсы общей биологии для студентов небиологических факультетов тоже строятся так, как если бы шло обучение биологов: материал последовательно излагается до определенной глубины, но всегда как имеющий самодовлеющую ценность. Это помогает прочному усвоению знаний, но не способствует выработке целостного биологического мировоззрения и не дает возможности пробудить интереса к биологическим феноменам у студента, изначально на биологию не ориентированного.

Мы ставим перед собой более трудную задачу – не научить биологии, а объяснить ее, попытаться сформировать у студентов целостное понимание такого феномена, как жизнь на нашей планете: в чем она состоит, как устроена, функционирует и изменяется. Такая задача необычайно сложна, но есть надежда, что в ходе ее реализации нами достигнут ряд локальных успехов и некоторые биологические явления поданы в такой форме, в которой их невозможно не запомнить и не понять.

По большому счету биологические знания необходимы всем людям как важная составляющая знания о них самих и как минимум для преодоления многочисленных бытовых предрассудков, касающихся биологических и медицинских вопросов. В настоящее время наша страна демонстрирует определенные симптомы рецидива мракобесия. Религиозные и разнообразные оккультные течения стремятся дискредитировать научное мировоззрение, причем наиболее распространенным приемом здесь является грубая профанация науки. Основным фронтом борьбы оказалась биология и в особенности эволюционное учение. Некоторыми реакционными деятелями подвергаются сомнению не только существующие объяснения феномена эволюции, но и сам этот феномен. Неудивительно, что вопросам биологической эволюции в данном курсе уделяется особое внимание. Эволюционные вопросы преднамеренно разбираются в конце курса, в то же время с самого его начала любое биологическое явление рассматривается в историческом контексте – каким образом и «для чего» оно возникло. При этом жизнь на Земле предстает как целостный процесс, разворачивавшийся с самого ее возникновения. Знакомство с принципами устройства и функционирования живых систем, о которых в последние десятилетия наука узнала очень много, указывает на эволюцию как на само собой разумеющееся и даже банальное явление, не требующее специальных доказательств.

Биология представляет собой одну из немногих естественно-научных дисциплин, вплотную соприкасающихся с некоторыми гуманитарными дисциплинами, такими как социология и психология. Курс общей биологии оказывается важным для ознакомления «гуманитарных студентов» с принципами построения естественных наук и с естественно-научной культурой, тем самым способствуя выработке целостного мировоззрения, учитывающего достижения современных естественных наук. Мы надеемся, что курс «Общая биология» даст основы понимания живого существа как материальной основы психики, определяющей рамки возможного и невозможного для биологических систем, в том числе и для такого свойственного некоторым из них феномена, как психика.

Помимо решения общих мировоззренческих задач, знания, получаемые из курса «Общая биология», необходимы будущим психологам для усвоения таких предусмотренных федеральным образовательным стандартом для специальности «Психология, преподаватель психологии» учебных курсов, как «Анатомия» и «Физиология нервной системы», и таких введенных в НГУ инновационных курсов, как «Поведенческая экология» и «Этология человека» и инновационных спецкурсов «Когнитивная этология» и «Экология, этология, эволюция».

Пособие предназначено для студентов 1-го курса факультета психологии НГУ, а именно для повторения материала лекций и подготовки к экзамену. Однако оно может быть использовано в качестве краткого учебника по общей биологии студентам любой специальности, в частности 1-го курса факультета естественных наук (ФЕН) НГУ, а также любыми интересующимся биологией лицами.

Автор выражает свою искреннюю благодарность профессорам Л. В. Высоцкой, сумевшей убедить его заняться таким незнакомым и трудным делом, как преподавание, Ж. И. Резниковой, предложившей ему оформить курс в виде учебного пособия, и им обеим – за неблагодарный труд по редактированию данного пособия. Он также признателен Т. Д. Колесниковой за плодотворное обсуждение материала и текста по ходу их освоения и написания. Автор должен с глубочайшей благодарностью подчеркнуть, что значительную часть фигурирующих в пособии идей и примеров он позаимствовал из бесед со своим учителем В. А. Бердниковым за 20 лет работы под его руководством, однако принимает на себя всю ответственность за их формулировку и уместность.

Как следствие широты материала, охватываемого пособием, в его первом издании обнаружился ряд фактических ошибок, включая вопиющие. В данном, втором издании они исправлены. Автор будет весьма признателен тем, кто укажет ему и на другие ошибки и неточности, неизбежно оставшиеся в тексте.

Автор высшей степени признателен Л. В. Высоцкой за любезное разрешение использовать иллюстрации из их учебника (См.: Общая биология / Л. В. Высоцкая, Г. М. Дымшиц, Е. М. Низовцев, М. Г. Сергеев, Д. Ч. Степанова, М. Л. Филиппенко, В. К. Шумный. М.: Науч. мир, 2001). Ряд иллюстраций заимствован автором из открытых ресурсов Интернета, что не запрещено для использования в образовательных целях. В пособии немало иллюстраций, однако ограниченный объем и некоторые другие ресурсы не позволили включить многие из них. Несколько больше их можно найти в онлайн-версии курса, размещенной на сайте факультета психологии НГУ http://fp.nsu.ru.

Лекция 1. ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ

Надеемся, ни у кого не возникнет недоумения по поводу того, зачем будущим психологам нужен курс общей биологии. Что такое психика, личность, сознание, интеллект, душа – все это непростые философские вопросы, разбираться в которых нужно, но уж точно не в рамках биологии. Зачастую они переводились в наивную плоскость – «из чего эти вещи состоят». С другой стороны, по поводу каждой из этих вещей рано или поздно находился мыслитель, который утверждал и даже весьма убедительно доказывал, что ее не существует вовсе. Автор данного пособия сталкивался с учеными, отказывающими психологии в праве на существование с точки зрения методологии науки и предлагающими полностью заменить ее социологией. Для нас важно и совершенно ясно одно – все эти феномены для своего существования требуют наличия живого человека и нерасторжимо с ним связаны.

Объект вашей специальности – психика – не существует отдельно от своей биологической основы – человека как минимум, или некоторого другого животного – как максимум, и зависит от нее в значительно большей степени, чем это может показаться. Наверное, эта зависимость всем хорошо известна. На психику часто влияют очень незначительные и простые воздействия. Повышение температуры тела всего на три градуса может вызвать бред. Небольшие дозы алкоголя в крови приводят к потере самоконтроля. Ничтожные дозы наркотика (а наркотики – это всего лишь слегка отличающиеся аналоги тех веществ, которыми клетки определенных отделов мозга передают сигналы друг другу) могут необратимо изменить психику. Длительная интоксикация при хроническом воспалении может вызвать депрессивный невроз. Также длительные боль или страх могут привести к изменениям психики, по крайней мере временным. Общеизвестно, как меняется настроение и поведение женщины в связи с соотношением нескольких гормонов в ходе менструального цикла и при беременности. Следует заключить, что нормальная (да и не только) человеческая психика может существовать только в очень узком диапазоне значений огромного количества внешних и внутренних параметров – физических, химических и даже психических, который и обеспечивается нормальным функционированием человеческого тела как биологического объекта.

Следует сделать оговорку по поводу приведенной выше формулировки: «Человек или другое животное». С точки зрения биолога, человек – животное, причем по большинству параметров не такое уж и уникальное. Сократ определял его как существо с плоскими ногтями и без перьев, ходящее на двух ногах. Зоология помещает человека (как род) в семейство гоминид надсемейства гоминоидов подотряда высших обезьян отряда приматов класса млекопитающих типа хордовых, а далее – в категории, не имеющие однозначно принятого ранга: вторичноротые, целомические, многоклеточные и, наконец, в царство животных и надцарство эукариот. Человеку указали на его место. Он совершенно не выделяется из ряда своих соседей по классификации – обезьян – по большинству признаков, часто очень тонких и сложных, таких как структура молекул, из которых он построен. Собственно, он никогда от обезьян не происходил, он и есть обезьяна, только немного странная. От остальных современных обезьян он отличается двуногим перемещением и соответствующими изменениями пропорций тела, некоторой редукцией волосяного покрова на теле (при гипертрофированном его развитии на голове), не очень благоприятными особенностями женского цикла, чудовищно большим, не имеющим аналогов в мире животных (разве что у североамериканской семнадцатилетней цикады), временем наступления половой зрелости (что с точки зрения выживания вида в природе - огромный недостаток) и чрезвычайно сложным поведением, которое включает такие уникальные феномены, как язык, сознание, материальную культуру (в том числе изготовление орудий именно в качестве орудий) и все прочее столь нам знакомое. Немаловажно, что язык и материальная культура как таковые генетически не закреплены, закреплена всего лишь способность иметь какой-либо язык и какую-либо культуру. По развитию мозга с анатомической точки зрения человек отличается от обезьян лишь количественно. По массе мозга и отношению его к общей массе тела он уступает дельфину, а по общей сложности организации – корове с ее чрезвычайно сложным желудочно-кишечным трактом, включающим специальные ферментеры для симбиотических одноклеточных, которую можно считать наиболее высокоорганизованным живым существом.

На современном этапе развития биологии стало уже приблизительно ясно, как именно устроены биологические объекты, как именно они развиваются и функционируют. Хотя их сложность чудовищна, но эта сложность количественная, а не принципиальная – десятки тысяч (у человека – не более 22 000) генов влияют друг на друга строго определенным образом, взаимодействуя по сложным цепочкам в непрерывном каскаде сигналов, и в этом своем взаимодействии формируют организм. Но почти все принципы уже ясны, дело только в унылой конкретике, а компьютеры (в отличие от человеческих мозгов) уже почти способны оперировать таким количеством параметров. Иначе говоря, за данными современной биологии проступают контуры видения живого существа как всего лишь машины – очень сложной, с тончайшими механизмами в виде крупных молекул, и при этом, что интересно, в инженерном смысле далеко не оптимальной. Тем не менее, все же машины, устройство которой в принципе можно понять и в отдаленной перспективе воспроизвести или изменить. Кстати, такой подход к человеку совершенно естествен для врачей, особенно старой закалки, что ничуть не делает их сколько-нибудь ущербными личностями, а скорее наоборот. И хотя ничего подобного машине пока вроде бы не вырисовывается в области изучения устройства человеческой психики, первая забота любого, кто печется о психике, – чтобы биологическая машина работала как надо. А для этого ее нужно знать, уважать и в то же время не обожествлять и не демонизировать, т. е. не относиться к ней как к чему-то мистическому и непознаваемому. Кстати, французский врач XVIII в. Жюльен-Офре де Ламетри назвал свои книги «Человек – машина» и «Животные – больше, чем машины», и был совершенно прав: чтобы познать и человека, и животное, нужно владеть двумя противоположными подходами – аналитическим (механистическим, упрощающим и разлагающим на части) и синтетическим (системным) при всей их кажущейся несовместимости.

И первейшая аналогия, которая приходит на ум при ознакомлении с человеком как устройством, – компьютерная. То, чем вы намереваетесь профессионально заниматься, – это софт. Психика – программное обеспечение. Многие ее составляющие должны быть инсталлированы обществом – вспомним, что дети, воспитанные животными, имеют слабо развитую психику. Но много имеется и того, что зашито в «постоянное запоминающее устройство», т. е. заложено в генетическую программу развития организма. Еще больше в ней того, что для правильного функционирования нуждается в обоих этих компонентах – так сказать, в инсталляции производителем и в апгрейде по сети.

Казалось бы, биология изучает «железо». Если подходить нему как пользователь (т. е. как все обычные люди), то «железо» достаточно содержать в порядке и эксплуатировать согласно инструкции, в предусмотренных в ней условиях, а знать ничего особенно и не нужно. Если же вы программисты (а вы и собираетесь ими стать), то «железо» нужно знать в деталях. Однако если мы вспомним, как человеческое тело возникает из одной единственной клетки, то убедимся, что материальная сторона дела и тут все же вторична, а имеем мы дело с разворачиванием некоей программы, имеющей много общего с компьютерной. На наш взгляд, задача привить правильное понимание биологии в последние десятилетия очень сильно упростилась. И связано это именно с компьютеризацией населения. Любой человек, поступивший в теперь в вуз, так или иначе имел дело с компьютерами и знаком со свойствами компьютерного мира. А это значит, что он уже заранее почти понимает биологию. Потому что биологические феномены во многих отношениях очень напоминают компьютерные. Это отражается не только в том, что в компьютерных сетях существуют объекты, которые удобно назвать вирусами и червями. Компьютерная терминология, к примеру, начинает проникать в генетику, причем на страницах самых серьезных журналов. Дело в том, что жизнь – явление именно информационное, она представляет собой становление, бытие, воспроизведение и развитие определенной информации. На каком материальном носителе информация реализуется – в принципе не очень важно. Материальным носителем биологической жизни являются сложные соединения углерода с кислородом, водородом и в несколько меньшей степени – азотом, фосфором, серой и т. д., существующие в форме водных гелей и коллоидных растворов. Хранение собственно информации осуществляют также соединения углерода с водородом, кислородом, азотом и фосфором, только особо длинные, а информация хранится в виде определенной структуры этих молекул (больше всего это похоже на узелковое письмо индейцев). На чем реализован компьютерный мир? На кремнии (процессоры, полупроводники, запоминающие устройства), металлах (контакты) и их солях (ферромагнетики) и той же органике (пластмасса). Информация хранится в виде определенного намагничивания ферромагнетиков, в виде зарядов кристаллов кремния или в виде дырок в покрытии дисков. Но что из чего состоит – все это частности, главное – принципы функционирования.

Компьютерный мир приучает нас и к тому, что чудовищные количества информации, которая имеет огромное влияние в материальном мире, могут быть записаны на носителях весьма малых физических размеров. На одном диске могут быть записаны чертежи для изготовления ядерной подлодкой и вся программа управления ею, а оплодотворенная яйцеклетка содержит в себе генетическую программу, на основе которой потом вырастает синий кит. Заметим, что размер биологического носителя гораздо меньше. Собственно, в нашем примере и «организм» получается меньше – таких гигантов, как атомная подлодка, жизнь пока не породила. Но по своему строению кит многократно сложнее подлодки.

Однако между биологической жизнью и компьютерным миром имеются важнейшие отличия. Воспроизводство компьютеров и снабжение их энергией происходит посредством «сторонних лиц» – людей, и в качестве их разумной цели, внешней по отношению к самим компьютерам. Воспроизводство живых существ и снабжение их энергией идет самопроизвольно - для этого достаточно существования их самих в подходящей для них среде, и по сути бесцельно – если не считать их существование самоцелью. Кто-то мог бы сказать, что в случае человека нельзя говорить «самопроизвольно», но «произвольно». Дескать, размножается человек по своему произволу и энергией себя снабжает в поте лица своего. Однако есть такая вещь – инстинкты – внутренняя мотивация поведения, не требующая собственного обоснования. Они одни и те же у человека и животных (у животных только лучше развиты). И вот они-то и гонят человека заниматься и тем и другим (а вот деятельность дыхательного центра в мозгу на всякий случай сделана чисто автоматической). Если вы будете отслеживать корни любых своих мотиваций, вы непременно упретесь в инстинкты – мотивации, которые ощущаются как «самоочевидные» – хотя бы удовольствие и неудовольствие, комфорт и дискомфорт. И в этих основаниях своей психики мы ничем не отличаемся от животных – все отличия только в надстройке.

Далее, есть еще очень важное отличие – компьютеры задуманы и спроектированы как целенаправленные и целесообразные инженерные решения, и в рамках технического задания это сделано по возможности оптимальным образом. Биологические объекты получились такими, какие они есть сами по себе, завелись в прямом смысле от сырости, а все их свойства и отличия друг от друга в основе своей происходят от случайности, от неточного копирования информации. Во многом они более чем целесообразны, но молекулярному биологу, как правило, очевидно, какое огромное количество неоптимальных и нелепых решений и неоправданных переусложнений они несут в частностях своего устройства. (Удивительно, но некоторые биологи видят ту же самую картину диаметрально противоположным образом – как свидетельство гениального замысла творца). Если девиз инженера: сделать наилучшим образом, то девиз жизни: сделать на достаточном уровне, пусть получается как угодно, лишь бы жил. В жестких условиях конкуренции на реальной земной поверхности второе, как правило, оказывается довольно близким к первому.

У многих из вас наверняка в душе поднимается возмущение: как это возможно, чтобы такая сложность и красота возникли случайно. Ответ здесь сводится к тому, что если компьютеры развились до современного состояния за 50 лет (это чрезвычайно быстро, если подумать!), то у жизни было на все 4,5 млрд лет и на большей части этого промежутка жизнь не поражала внешним блеском. Причем начальные стадии становления жизни происходили при гораздо больших температурах и давлениях, когда все процессы протекают много быстрее. (Если рассчитать то время, которое геохимические процессы в истории Земли заняли бы при комнатной температуре, то получается около 50 трлн лет.) Интуитивно человек с трудом может представить разницу более чем в 100 раз. А то был действительно чудовищный промежуток времени, за который могли произойти самые мало­вероятные вещи. Как видим, даже разум возник! Кстати, если историю Земли представить как один год, то клеточная жизнь появилась уже в конце марта – начале апреля (весьма скоро), а разум возник всего за три минуты до нового года. Если вообразить, что в некоем ангельском конклаве идет диспут о том, возможно ли возникновение разума в природе, то на основе наблюдений за Землею партия тех, кто «за», не имела бы никаких шансов до самого последнего момента, а представлялась бы горсткой сумасшедших тео­ретиков-фантастов, которую высмеивали бы разумные практики. Ну а если не было бы в геологической истории Земли нескольких катастроф, стерших с ее лица почти все живое и заставивших жизнь создавать многое с нуля и по-новому, то есть делать повторные попытки решения одних и тех же задач? Может быть, они и сейчас оставались бы в проигрыше...

Что касается красоты и целесообразности, то оба понятия во многом антропоцентричны – нам кажется красивым и целесообразным то, что в какой-то степени похоже на нас (а также нашу привычную среду обитания). Но с точки зрения эффективности устройства, бактерии дадут 100 очков вперед животной (в том числе и нашей с вами) клетке.

Ожидает ли нас искусственная жизнь? Фантасты утверждают, что да. Можно себе представить, что компьютизированные роботы будут производить сами себя и других роботов, разрабатывать источники топлива и сами получать энергию. Но, в отличие от становления биологической жизни, это наверняка будут изначально целесообразные действия с точностью до цели, но уже не случайные. Ведь все идет к тому, что искусственный интеллект будет создан раньше, чем полностью энергетически автономный мир «неразумных» роботов.

Таким образом, мы вплотную подошли к необходимости определить, что такое жизнь. Вопрос этот не так прост, поскольку интуитивно хочется определить некое общее понятие жизни, с тем чтобы оно предполагало принципиальную возможность существования более чем одного варианта конкретной реализации, несмотря на то, что нам до сих пор известен единственный ее вариант, к которому принадлежим мы с вами.

Некогда под жизнью понималось некое почти мистическое свойство, присущее живым существам и покидающее их в момент смерти. В примитивных картинах мира жизнь фактически отождествлялась с душой. Причем на так называемой стадии анимизма (примитивных верований) она считалась присущей не только живым существам, но и практически всем предметам (которые вполне полагались живыми). Понятие души усложнилось вплоть до того, что предполагалось: у человека есть несколько душ, выполняющих разные функции и имеющих разную судьбу после смерти. Наконец, монотеистические религии отказали в душе животным. Но то, что им присуща жизнь, отрицать оказалось невозможным. Тем не менее, понятие жизни долго оставалось на уровне примитивных представлений о душе – она мыслилась в виде некоей субстанции, более или менее газообразного характера (отсюда – «вдохнуть жизнь»). Причем в случае человека она покидала тело вместе с душой, но самостоятельного существования не продолжала.

Характерно, что великий создатель формальной системы живых организмов Карл Линней начал свою «Философию ботаники» классификацией «натуралий» на три вида: камни растут; растения живут и растут; животные живут, растут и чувствуют. Судя по всему, определять понятие «живут» он считал совершенно излишним. При таком понимании проблемы множественности форм жизни просто не существовало, жизнь понималась как некое далее неподразделимое качество, как, например, «мысль», «тепло», «верх» и «низ». Как мы знаем, многие из таких качеств оказались вполне подвергаемыми дальнейшему анализу (например, тепло), а другие – не всегда очевидными и корректными (верх и низ).

В Новом времени наряду с витализмом, который признавал существование особой «жизненной силы» и делал понятие жизни непознаваемым, возник в качестве антагониста к нему вульгарный материализм, представлявший живые существа в виде довольно простых механизмов и по сути отрицавший существование жизни как таковой. Одновременно отрицалось само существование идеальных феноменов, таких как сознание. Карлу Фогту, к примеру, приписывается высказывание, что мозг выделяет мысли так же, как печень – желчь. Развитие биологии охладило энтузиазм вульгарных материалистов, так как механизм оказался чересчур сложным, а некоторые особенности его устройства первоначально казались принципиально иными, чем устройство неживых объектов. Например, один из главных создателей квантовой механики Эрвин Шредингер всерьез (и ошибочно) полагал, что живые системы не подчиняются второму началу термодинамики. Одно время областью совершенно особых, по сути нематериальных явлений казалась генетика (и под этим предлогом в Советском Союзе имели место почти двадцатилетние гонения на эту науку). Но сейчас, думается, вульгарные материалисты по поводу сущности жизни быстро договорились бы с компьютерщиками - и перестали бы быть вульгарными, потому что информация – явление идеальное, а не материальное, хотя и нуждается всегда в материальном носителе, и в то же время в компьютерных технологиях мы создаем ее и своими руками «вдыхаем жизнь» в компьютер. Так всегда: чтобы понять, как что-то устроено, самое лучшее – воспроизвести это своими руками.

Витализм продолжает существовать и в наши дни, в особенности в нашей стране, где ограниченные возможности к занятию технологоемкой наукой сочетаются со склонностью населения к философствованию. При этом сложился характерный класс субъектов, увлекающихся теоретическими разработками и экспериментами из области «биоэнергии». Они активно открещиваются от материализма, однако пользуются понятийным аппаратом рациональной науки, говоря о биоэнергии и биополе как об еще одном физическом феномене, пока непознанном (некоторые даже уточняют, что это «микролептонные феномены» или «торсионные поля»). Думается, что если бы эти гипотетические явления стали понятными и описанными, данный класс людей потерял бы к ним всякий интерес. Серьезные основания полагать, что подобные феномены существуют, науке неизвестны и биология как наука успешно описывает свою феноменологию, не нуждаясь в допущении об их существовании.

Сделаем лирическое отступление о том, что такое наука и чем она отличается от других систем знаний. Отличается она от них лишь своей полной прозрачностью и открытостью. Другими словами, совокупность научной литературы позволяет каждому проследить историю любого научного представления на сколь угодно большую глубину и самому выяснить, каковы были основания для его принятия, развития, сохранения или отвержения, и согласиться с ними или нет. И хотя то, что нам рассказывают астрофизики о Большом взрыве и начале Вселенной, физики – о суперструнах и даже о «простых» элементарных частицах, а также то, что на 1-м курсе ФЕН в курсе физхимии говорится об электронной плотности и орбиталях электронов, для слушателя мало отличается от того, как 200 лет назад рассказывали о триединстве божием, о сотворении мира в шесть дней и о грехопадении Адама, существует важное отличие науки от любой мифологии. Мифология всегда основана на авторитетном источнике, истинность которого не подвергается сомнению, тогда как любой желающий может проследить любую научную истину до самого его начала и пройти вместе с мировой наукой весь путь по ее признанию или непризнанию. Для этого он, конечно, должен обладать весьма недюжинными способностями (к примеру, ему может понадобиться научиться решать системы дифференциальных уравнений в частных производных), но прежде всего – он должен обладать упорством и почти неограниченным временем.

Далее, у научных теорий есть одна фундаментальная асимметрия – любое количество соответствующих теории фактов еще не доказывает ее истинность, а только делает ее вероятной, но даже один противоречащий факт ее опровергает. (Под фактом здесь подразумевается не случайное наблюдение, а нечто весьма серьезное и вопроизводимое.) Допустим, опыт Майкельсона показал несостоятельность механики Ньютона, а его результаты оказались согласны с теорией относительности. Но это совершенно не является доказательством «истинности» теории относительности, как и не исключает возможности в практических целях пользоваться Ньютоновой механикой в области малых скоростей. Таким образом, в любой момент времени наука есть совокупность теорий, которые на этот момент не удалось опровергнуть – но никак не раз и навсегда установленных «истин». Да, научное мировоззрение имеет своей основой столь ничтожную малость. Но у прочих мировоззрений нет и такой малости. Философ науки Карл Поппер, впервые обративший на эту асимметрию внимание, сказал, что здание науки строится на болоте, но ее сваи столь основательны, что стоит она исключительно прочно. Таким образом устроенная наука накопила огромное количество положений, вызывающих сомнение не более, чем утверждение о том, что река Волга впадает в Каспийское море (хотя и здесь можно критически задуматься над тем, что означает «река», «море», «впадает» и т. д.). В том числе и о вещах, которые невозможно увидеть глазами и пощупать руками (а это сомнительные критерии истины). Достигнутые на этой основе поразительные практические результаты (вплоть до атомной бомбы) служат наглядным свидетельством мощи и «истинности» современной науки. Но в то же время нужно отдавать себе отчет в том, что в науке, особенно в биологии, помимо твердо установленных положений имеется также масса спорного, множество временных решений, предварительных предположений и т. д. Существует также переходная зона положений, которые одни ученые считают твердо установленными, а другие - предположениями. Чтобы отличать истины от гипотез в этой зоне, необходимо самому хорошо знать данную науку и руководствоваться и собственным интеллектом.

При таком устройстве науки важно, что каждому представлению необходимо пробиться сквозь дотошную критику множества очень умных людей. Научная литература отличается от не менее открытого интернета системой рецензий, которая не позволяет публиковать в изданиях, имеющих тот или иной статус, недостаточно обоснованных положений. Наука – очень серьезно модерируемый ресурс. Культура обоснований сформировалась еще в Средние века в недрах теологии и успешно существует до сих пор. Эта система имеет большой недостаток – первоначально все по-настоящему новое в науке по понятным причинам этой системой категорически отвергалется (вспомним хотя бы судьбу гелиоцентрической системы). Однако в этом и есть великое значение данной системы – действительно серьезные вещи, имеющие своей основой истину, все равно рано или поздно находят путь к признанию, тогда как масса бреда, полубреда или результатов некорректных опытов или некультурного мышления отметается.

Вообще главной проблемой в науке является не недостаток нового, а его избыток, и главной задачей (как в скульптуре, согласно Микеланджело) – отбросить все лишнее, чтобы обозначились контуры истины, которые можно препарировать до бесконечности. Эту задачу выполняет армия жестких критиков и открытость всего того, что их первоначальную критику прошло. Именно таким образом наука оказывается весьма умным предприятием, вполне достойным того, чтобы посвятить жизнь служению ей. И это притом, что среди ученых более чем хватает людей, мягко говоря, не очень умных, да и на всякого мудреца довольно простоты.

Совершенно практический вопрос: что же мы с вами, обычные люди, можем считать «научной истиной»? Ответ: ту картину мира (вместе со всеми осознанными противоречиями, сомнениями и неопределенностями), которую можно найти в ведущих международных журналах. В нашем случае это будут Nature, Science и ведущие профильные журналы. Можно ли сомневаться в этой картине? Ответ: да, можно и нужно, но только в той области, в которой сам серьезно занимаешься и ясно представляешь себе существующую официозную картину этой области и ее недостатки. Любые сомнения в научном знании в области, в которой ты не разбираешься досконально или которой не представляешь современное состояние знаний, оказываются, как говорил один политик, контрпродуктивными.

(Еще одно отступление: в последние десятилетия содержание указанных самых авторитетных журналов, охватывающих все отрасли естественных наук, состоит на 90 % из молекулярной биологии. Та кто мы живем в век биологии!)

Согласно официальной науке, никаких биополей и биоэнергии не существует. Разговаривать о них имеет смысл только с теми, кто не только верит в их существование, но знает результаты экспериментов, не имеющих традиционного объяснения, и сам проводил таковые, кто знает какие-то перспективные уравнения квантовой физики или альтернативные модели пространства-времени, в которые «биоэнергетика» каким-то образом вписывается. Такие люди пока не наблюдаются среди представителей официальной науки. Это никак не связано с субъективным нежеланием официальной науки признать существование феноменов «биополя» или «биоэнергии», ведь она оказывает известное сопротивление вообще всему новому. Никаких принципиальных запретов для включения этих идей в официальную науку не существует. (Более того, в 30е-40е годы теория телепатии даже обсуждалась на страницах самого уважаемого научного журнала – «Nature».) Нет и никакого заговора молчания вокруг каких-то секретных разработок по этому вопросу. Например, несмотря на то, что ядерная физика - опасная вещь и множество исследований на эту тему засекречено, основы этой науки преподаются на любом физическом факультете любому, кто захотел и сумел туда поступить. Нам остается заключить, что отсутствие «биополя» в официальной науке вызвано лишь отсутствием в природе реальных оснований для подобных концепций.

Вернемся, однако, к определению жизни. Чем больше биологи узнавали том, как устроено живое, тем больше возрастало ощущение, что принципиально могло бы существовать более одного варианта жизни, а для писателей-фантастов эта идея стала банальностью. Это происходит от наблюдения того, сколько частных деталей и неочевидных технических решений является универсальным для всех живых существ на Земле. Когда механизм столь сложен, очевидно, что того же результата можно было бы достичь и другим, не менее сложным (а может быть, и более простым) способом. К примеру, существует несколько успешных, но совершенно разных принципов летательных аппаратов тяжелее воздуха – самолет, вертолет, автожир (и как будто бы активно проектируются дисколеты). Мы далее увидим, какое разнообразие структур могут породить соединения углерода с кислородом, водородом и некоторыми другими элементами, и что только немногие из возможных вариантов этих структур используются. За счет возможности формирования устойчивых цепочек довольно перспективными для создания сложных структур являются соединения другого элемента группы углерода – кремния. Существует теория, что углеродная жизнь на Земле зародилась фактически как паразит на «жизни» кремниевой, связанной с самовоспроизводящейся структурой сложных глин – цеолитов. Высказывались предположения, что кремниевая жизнь могла бы существовать на Венере, в условиях гораздо больших температур и давлений, причем роль нашей воды при этом выполняла бы серная кислота. Итак, отвлечемся от конкретного материала, из которого жизнь «сделана» (от того, что она есть «форма существования белковых тел», как определял ее Фридрих Энгельс), и зададимся вопросом: какие свойства отличают живые объекты от неживых.

Движение отпадает, так как существует много по-настоящему неподвижных форм жизни. Рост тоже отпадает, так как растут кристаллы, в конце концов – земная кора в области срединных хребтов океана, осадочные толщи. Вы говорите целесообразность – но в чем цель? Единственно в воспроизводстве себе подобных. Вот это уже одно из важных свойств. Все живые объекты, будучи достаточно сложными, способны к более или менее точному воспроизводству подобных себе же. Есть ли такое явление среди тех объектов, которые мы живыми не считаем? К воспроизводству себе подобных способны кристаллы (хотя все же менее подобных, чем живые существа) – обломок кристалла в условиях перенасыщенного раствора порождает кристалл, напоминающий тот, что был разломан. А в чем же отличие?

Вы упомянули питание. А зачем нужно питание? Да, это источник энергии и источник вещества. Об энергии – позднее, а сейчас поговорим о веществе. Зачем нужно вещество? Все помнят картинку из учебника природоведения: синица съедает за день больше, чем весит сама. Зачем ей столько? А еще мы пьем. Зачем мы пьем, если и так состоим почти что из одной воды? А еще мы дышим. Неужели все это нужно только лишь для получения энергии? Нет. Живой организм в отличие от кристалла – система проточная. Вещество, из которого мы состоим, постоянно обновляется. Даже кости постоянно разрушаются и строятся вновь, структура кости все время перестраивается в зависимости от существующих нагрузок, и лишь такая динамика позволяет кости срастаться.

В сумме все процессы превращения и обмена веществ называются обменом веществ, или метаболизмом. Посмотрим на некоторые цифры. Вода в организме постоянно обновляется (вода внутриклеточной среды обменивается с внеклеточной, вода внеклеточной среды – с кровью, вода крови – с внешней средой). Человек на 60–70 % состоит из воды, значит, мужчина весом 100 кг содержит около 65 кг воды. А в день теряет и потребляет 2,5–3 (до 10) кг воды. Это значит, что за день вода в организме обновляется на 4–5 (до 15) % (нужно еще учесть, что молекулы воды не только проходят сквозь организм, но еще и расщепляются и создаются вновь). Все цифры здесь и далее приводятся для так называемого основного обмена – когда организм находится в покое в комфортных условиях. При любой деятельности скорости обмена веществ бывают в несколько раз больше.

Все органические молекулы постоянно разрушаются и строятся заново, поэтому, чтобы оценить скорость протока материи через организм, лучше оценивать не поток веществ, но поток элементов. Наиболее интересен здесь углерод – основа жизни. Он поступает в организм человека с пищей и покидает его в виде двуокиси углерода, а также частично в составе мочевины в моче. В организме взрослого человека содержится около 10 кг углерода, а скорость его обмена (которую можно посчитать на основе выделения углекислого газа) составляет 150–170 г в день, т. е. 1,5–2 % от всей его массы – а ведь речь идет уже о самом живом веществе. Между прочим, годовой обмен углерода между живыми организмами и окружающей средой на Земле составляет около 30 млрд т, а весь обменный фонд углерода на Земной поверхности (в атмосфере, гидросфере и почве, то есть не связанный в горных породах) оборачивается за 300–400 лет. Обмен кислорода и водорода происходит прежде всего за счет воды, а скоростью обмена воды мы уже впечатлились. Важнейшим элементом нашего тела, без которого невозможны белки, является азот, его в человеке около полутора килограммов, и с мочой его ежедневно выводится около 2–5 г, т. е. 0,15–0,3 %. В среднем время полуобновления белков человеческого тела составляет 80 дней, причем для разных белков скорость различна: для белков мышц – 180, для белков крови – 10 дней. (Заметим, что характерным параметром здесь является не время полного обновления, а время полуобновления, как будто речь идет о радиоактивности. Это происходит оттого, что и самопроизвольное расщепление атомов, и расщепление молекул в организме с помощью других специальных молекул – процесс вероятностный и всегда есть конкретные молекулы, которые случайно были расщеплены сразу же после синтеза, и те, которые случайно выжили очень длительное время.)

Человек вроде бы все тот же с виду, самосознание у него сохраняется, память имеется (сохраняемая системой, образованной множеством клеток мозга, в которых тоже постоянно идет одновременное созидание и разрушение различных органических веществ), а материально он все время новый! У любителей паранормальных явлений существует представление, что душа – это некий вихрь некоего эфира, который может продолжать жить, хотя бы некоторое время, и после смерти. Но ведь и сам человек – это тоже не тело, но вихрь! Иначе говоря, он существует в виде материального объекта во времени не как камень (и, заметим, не как кристалл), а как бурун на реке возле этого камня: вода все время другая, а бурун остается на месте и только немного меняет свою форму во времени. Так что материальная телесность живых существ не столь уж бесспорное и очевидное явление – на самом деле это сложнейший самоподдерживающийся вихрь, который организует постоянно движущийся через себя поток атомов, непрерывно прибывающих, меняющих свои комбинации, уходящих и тем самым создающих по сути видимость постоянного телесного объекта. Таким образом, живой организм (как и, к примеру, река) – это в большей степени структура, нежели предмет. Может быть, вы слышали о таком понятии, как гомеостаз (его ввел французский ученый второй половины XIX в. Клод Бернар)? Это динамическое равновесие, устойчивое поддержание системы, ее структуры и параметров за счет сопряженных процессов, связанных обратной связью, при непрерывном потоке вещества и при меняющихся в определенных пределах внешних условиях.

Вихрь жизни не может возникнуть сам по себе во всей своей сложности (однако в конечном счете эти вихри как явление жизни возникли сами по себе!). Он существует за счет самоподдержания и воспроизведения подобных ему и, будучи разрушенным, не может восстановиться. В момент смерти потоки вещества полностью меняют свой характер и устремляются в направлении распада, т. е. в направлении равновесия со средой. Так что жизнь – это определенным образом организованное движение атомов вещества, а не сами атомы. Удивительно, как религия, по своей сути апеллирующая ко всему нематериальному, умудряется сосуществовать с вульгарными похоронными традициями. Ведь хоронят не вихрь, которым был человек, а те атомы, которые в момент смерти случайно оказались в составе его тела. Их организация в молекулы при этом продолжает изменяться в сторону все более простых молекул, хотя в костях они могут долго сохранять их характерное взаиморасположение, давая материал археологам.

(Еще одно «лирическое» отступление: следует обратим внимание, в какой степени вся наша жизнь связана с теми или иными трупами. Мы питаемся почти исключительно трупами, мы одеваемся в трупы, наши жилища частично или полностью построены из трупов. Это трупы деревьев или микроскопических раковинных простейших, из которых сделан известняк. Обогреваем мы их энергией, полученной исключительно из трупов, и за счет нее же мы перемещаемся. Достаточно вспомнить, что такое древесина, каменный уголь и нефть. За счет нефти трупы участвуют в создании массы вещей, которые нас окружают. После этого можно спокойнее воспринимать весьма вероятную теорию, согласно которой наши ранние двуногие африканские предки питались в основном падалью.)

Вернемся к питанию как к указанию на еще одно важное свойство живого (речь идет о питании в широком смысле, включая фотосинтез у растений, которые поглощают углекислый газ и воду как материальную основу для строительства своего тела и свет как источник энергии). Поддержание вихря живого существа идет с затратой энергии. Речной бурун тоже требует для поддержания кинетической энергии движущейся воды, при этом расходуется потенциальная энергия воды, находящейся выше по течению. Вспомним, откуда она там взялась: воду испарило солнце, а потом она выпала где-то в горах.

Для большей части живых существ на земле источником энергии является то же самое Солнце, энергия, выделяющаяся при термоядерном синтезе ядер гелия из ядер водорода. Растения и сине-зеленые водоросли и некоторые бактерии умеют преобразовывать энергию солнечных лучей в энергию химических связей в определенных органических веществах и синтезировать сами эти вещества из углекислого газа, воды и минеральных веществ в почве и воде. Их называют фотоаутотрофы (от греч. «фотос» – свет, «ауто» – сам, «трофос» – питание), т. е. те, кто сами себя питают при помощи света. Большая часть бактерий, грибы и животные используют вещества, созданные растениями и друг другом, в качестве источника энергии и строительного материала. Это гетеротрофы (греч. «гетеро» – другой), т. е. это те, кто питается другими .

Однако часть живых существ, называемых хемоавтотрофами (а именно некоторые бактерии), использует энергию химических связей в некоторых неорганических веществах – аммиаке, нитритах, соединениях серы или двухвалентного железа. На заре становления жизни их роль была гораздо выше, и скорее всего жизнь на Земле как мир самовоспроизводящейся органики началась именно с хемоавтотрофов. Первоначальным источником этой энергии служило не Солнце, а вещества из недр Земли, т. е. эта энергия запасалась когда-то в ходе процессов образования всей Солнечной системы. Выражаясь мифологически-метафорическим языком, жизнь на земле эволюционировала от использования хтонической энергии к использованию солярной. Обо всем этом подробнее далее.

Возвратимся к человеку. В состоянии покоя человек тратит (выделяет в виде тепла) около одной килокалории в час на килограмм веса. Значит, человек весом в 70 кг в сутки производит (расходует) около 1 700 ккал. Этой энергии хватит, чтобы нагреть от комнатной температуры до температуры кипения 20 л воды. Это если весь день лежать и вообще ничего не делать. В реальной жизни, которая предполагает добычу источников энергии, он тратит ее гораздо больше.

Итак, для поддержания жизни необходим постоянный приток и отток вещества и постоянное поступление и расход энергии. Поэтому всегда подчеркивается, что живые системы – это открытые системы. В термодинамике доказывается, что закрытые системы (без обмена веществом и энергией с внешней средой) стремятся к равновесному состоянию, которое характеризуется максимальной энтропией, т. е. минимумом информации, необходимой для описания ее состояния. Это и есть второе начало термодинамики. Живые организмы очень далеки от равновесия со средой, и их строение заключает в себе очень много информации. В этом их отличие от кристаллов, которые представляют собой состояние вещества с минимумом энергии, а их регулярная однообразная структура требует для своего описания мало информации. В кристаллах отсутствует приток и отток вещества, а их образование сопровождается обычно отдачей, а не затратой энергии. Хорошей иллюстрацией здесь будет костер, на котором стоит ведро со льдом: при горении разрушается структура дров, а при растапливании – структура льда. Структура льда очень проста, структура древесины крайне сложна. Поэтому первый процесс сопровождается выделением энергии, накопленной живыми существами, с разрушением сложных химических структур и превращением их в более простые (т. е. идет с уменьшением содержащейся информации), а второй – поглощением энергии, расходуемой на приведение воды в беспорядочное состояние, которое характеризуется большей информационной насыщенностью, чем замороженное. Один из знакомых автора этого издания выразился весьма поучительным афоризмом: что бы мы ни создали за свою жизнь, в этом будет содержаться гораздо меньше новой информации, чем то количество информации, которое было уничтожено при переваривании и усвоении всей нашей пищи.

Отметим еще одно обстоятельство, характеризующее драматический динамизм любой, даже с виду очень спокойной жизни. Мы знаем, что в нашем кишечнике существует нормальная микрофлора, представленная многими видами бактерий, из которых преобладает кишечная палочка. Без этой микрофлоры мы не можем нормально переваривать пищу и вообще существовать, и даже незначительные ее нарушения приводят к так называемому «дисбактериозу» (хотя распространенность этого нарушения сильно преувеличена). В то же время мы знаем также, что у больные СПИДом, у которых подавлен клеточный иммунитет, страдают постоянными поносами, вызываемыми той же самой кишечой палочкой. Это означает, что нормальный здоровый человек находится в состоянии непрерывной позиционной иммунной войны с собственной нормальной микрофлорой, причем здоровью соответствует определенный баланс сил в этой войне, а любое его нарушение приводит к заболеванию.

Есть еще одно свойство, которое присуще всем наблюдаемым нам формам жизни, – специфичность и дискретность живых структур. Нет двух идентичных живых существ. Однако существуют их более или менее строго определенные виды, расы, пола, стадии развития... Это «более или менее» постоянно приходится добавлять, но сущность явления специфичности вполне очевидна. В общем-то, специфичность и дискретность являются, во-первых, следствием свойства более или менее точного самовоспроизведения, во-вторых, дискретностью конструктивных решений для жизнеспособных структур. Если бы мы заполнили некоторое экспериментальное пространство континуумом сконструированных «организмов» и предоставили их самим себе, то на выходе получили бы более или менее ограниченный набор форм – одни части континуума оказались бы нежизнеспособными, другие исчезли бы в силу случайных событий, уступив место размножившимся более удачливым соратникам. Вряд ли можно согласиться с заключительной частью стихотворения «Линней» выпускника ФЕН Виктором Фетом (однофамильцем известного поэта), который сейчас занимается в Америке молекулярной биологией и скорпионами:

...Прилежную природу естества

Он понимал, и общий знаменатель Он отыскал для трав, зверей и птиц: Их имя (форму, суть). Когда б Создатель

Нас мастерил без видимых границ, Одним мазком, не уточнив детали (Цвет глаз, размер, кому годимся в корм),

Мы все бы, не имея точных форм, Переливались и перетекали Из маски в маску. Жизнь была б легка. Но мир отлит в ином материале, И постоянна форма у цветка, Какие пчелы бы ни посещали Его тычинки. Личность, суть, идея – Их помнят и лопух, и орхидея.

Похоже, что «создатель», то есть природа, изначально нас именно так и мастерил – «без видимых границ», однако на выходе как раз получился материал совсем иной. Впрочем, об эволюции речь пойдет в конце.

Попробуем напоследок дать определение понятию «жизнь». (Никакое определение не способно передать все значение любого понятия – оно всегда будет в той или иной степени ущербно и найдется ситуация, когда оно дает сбои. В этом причина постоянного распухания текстов законов и прочих юридических документов – они тщетно гонятся за полнотой определений. Понятие можно только понять, исходя из его взаимодействия с уже понятыми понятиями на множестве правильных текстов. Определение – это просто такой минимальный текст, который максимально эффективно приближает нас к пониманию.)

Итак, жизнь можно определить как совокупность самоподдерживающихся открытых систем, существующих в виде особых структур за счет постоянного протока вещества и притока энергии и способных к более или менее точному самовоспроизведению.

На этой в прямом смысле жизнеутверждающей ноте вводная лекция закончена.

Лекция 2. ХИМИЯ И ЖИЗНЬ

Среда обитания

В Восточном Забайкалье, в Приаргунье, распространен так называемый эндемичный деформирующий остеопороз, называемый также Уровской болезнью и синдромом Кашина – Бека. Это эндемичное врожденное заболевание, которому подвержена часть населения в бассейнах рек Уров и Урюмкан. Она характеризуется недоразвитием хрящевой ткани в суставах, укороченными конечностями, гиперлордозом (излишняя выгнутость позвоночника), сниженными умственными способностями. Механизм ее возникновения не вполне понятен, но очевидно, что ее развитие связано с недостатком в окружающей среде селена, йода, а также кальция и избытком серебра и некоторых других металлов. По-видимому, решающую роль здесь играет недостаток селена. А так называемый кретинизм – умственная отсталость, гипертрофированная щитовидная железа – возникают в местностях, бедных йодом. Заметим, что речь идет, по сути, о ничтожных вариациях элементного состава на земной поверхности, пагубных для человека (поселившегося в тех местах относительно недавно), но не влияющих на буйную местную природу. Однако некоторые виды бактерий населяют горячие вулканические источники, в которых соотношения элементов, в том числе металлов, могут быть весьма экзотическими, и эти виды не могут жить в других условиях.

Какие выводы мы можем сделать из всего этого?

1. Каждый вид живого существа очень тонко настроен на конкретное колчественное соотношение множества химических элементов, большая часть из которых так или иначе вовлечена в построение и функционирование организма.

Какое дальнейшее «практическое» следствие мы можем отсюда вывести? Мечты о расселении человека на другие планеты беспочвенны. В прямом смысле беспочвенны – подходящую для него по составу почву найти за пределами Земли практически нереально. Даже на вполне мирно выглядящей земной поверхности человек не везде может безбедно существовать. Так что на других планетах либо среда должна быть искусственная, либо сам человек в той или иной мере искусственный.

2. Жизнь может перенастроиться на другой спектр элементного состава в весьма широких пределах. Но для этого спектр должен меняться очень медленно. Весь вопрос в том, сколько на такую перенастройку уйдет времени, или, лучше сказать, сколько неприспособившихся к меняющимся условиям индивидуумов погибнет, чтобы уступить место приспособившимся.

Кстати, то, к чему мы с вами не только приспособлены, но и жить без чего не можем, представляет собой с химической точки зрения совершеннейший кошмар. Имеется в виду кислородная атмосфера. Кислород – сильнейший окислитель, свободный кислород – крайне реакционноспособное и агрессивное вещество. Для того чтобы жить в такой атмосфере, жизнь долго приспосабливалась. Сейчас существуют анаэробные бактерии, которые способны жить без кислорода. Анаэробы могут быть факультативные, способные жить в присутствии кислорода, и облигатные, для которых кислород является смертельным ядом. (К последним принадлежит бактерия Clostridium botulinum, развивающаяся в недостаточно стерилизованных консервах, выделяющая яд огромной токсичности, отравление которым известно как ботулизм.) Когда-то на Земле жили одни облигатные анаэробы. Но по мере того как кислород накапливался, отбирались организмы, биохимия которых была рассчитана на устойчивость к кислороду. Зато кислородная атмосфера позволила живым организмам гораздо быстрее и эффективнее извлекать энергию из тех веществ, которыми они питаются. Дыхание – это, по сути, контролируемое горение. До этого жизнь пользовалась гораздо менее эффективными химическими путями извлечения энергии.

Атмосфера свободного кислорода – нонсенс, состояние, исключительно далекое от химического и термодинамического равновесия. В любой момент она существует исключительно из-за того, что зеленые растения и сине-зеленые водоросли непрерывно производят кислород (за счет энергии солнечного света) в процессе фотосинтеза. Оборот этого процесса составляет примерно 250 млрд т в год. Иными словами, не только жизнь, как вы узнали из предыдущей лекции, есть состояние, далекое от равновесия, поддерживаемое с затратами энергии, но и вся среда, в которой эта жизнь существует, – атмосфера и гидросфера Земли, находящиеся под воздействием живых организмов, создана и поддерживается в далеком от равновесия состоянии самой же жизнью. Эта идея и заключена в популярном понятии биосферы – оболочки Земли, сформированной и находящейся под сильнейшим влиянием жизни. Она включает в себя всю атмосферу, всю гидросферу и часть литосферы, содержащую осадочные метаморфические породы, сформировавшиеся не без участия живых организмов. Между прочим, зона, в которой на поверхности нашей планеты активны сами живые организмы, гораздо шире, чем можно было бы подумать. Некоторые бактерии живут в облаках, усваивают там атмосферную органику при температурах, близких к нулевым и даже сами в какой-то мере выступают центрами конденсации водяных паров в те капельки, из которых и состоят сами облака. Живые бактерии были также найдены в грунтах на глубинах более 800 м под океанским дном, то есть в условиях чудовищного давления и высокой температуры; биомассу таких бактерий и их роль в геохимических процессах еще предстоит оценить.

Если атмосфера свободного кислорода создана жизнью, значит, до возникновения и довольно далеко зашедшего развития жизни кислорода в атмосфере не было. Действительно, первичная атмосфера Земли была восстановительной и состояла в основном из водорода, азота и его оксидов, углекислого газа, метана и водяного пара. Кислород присутствовал только в связанной форме. И если в атмосфере присутствует такое количество свободного кислорода, его нужно было высвободить из его соедиений. Кто этим занимается – мы знаем (впрочем, первоначально это были цианобактерии – они же синезеленые водоросли, а не растения). Общая реакция фотосинтеза известна:

CO₂ + H₂O = (COH₂) + O₂

(здесь в скобках приведена условная брутто-формула углеводов, являющихся непосредственными продуктами фотосинтеза).

Из нее следует, что если мы получаем кислород, то где-то должны накапливаться и другие продукты реакции, т. е. углерод и водород в связи с меньшим количеством кислорода или вне связи с кислородом вообще. Причем они должны накапливаться в стехиометрическом соотношении, т. е. в количественном соотношении между участвующими в реакции веществами, задаваемыми самой реакцией: на одну молекулу полученного кислорода из состава углекислого газа должен быть выведен один атом углерода. Куда же деваются осиротевшие, лишенные связи с кислородом углерод и водород? Ваши версии!

Ну да, в живое вещество, конечно. Оценки, которые можно найти в интернете, таковы: общая биомасса планеты, в пересчете на сухую массу, составляет 2,4 x 10¹² т (в интернете можно встретить степень до 10¹⁶ – можете себе представить надежность этого источника – разница в четыре порядка), то есть 2,4 триллиона тонн, а ее ежегодный прирост – 2,3 10¹¹ т, то есть около одной десятой. Цифры эти, надо полагать, весьма приблизительны. Тем не менее, кислорода в атмосфере Земли 1,4 x 10¹⁵ т (1 400 трлн т) – на три порядка больше. Стехиометрически этому соответствует масса углерода, составляющая 1/3 от этого количества (один атом углерода атомарной массой 12 у. е. на два атома кислорода с атомарной массой 18 у. е.), т. е. 467 трлн т. Куда же помимо живого вещества делся остальной углерод, выведенный из состава углекислого газа, а также водород, выведенный из состава воды?

Углерод с водородом. Вам это ни о чем не говорит? Углеводороды. Это наши «энергоносители»: нефть, газ, каменный уголь, являющийся фактически чистым углеродом. Все эти горючие полезные ископаемые – биогенного происхождения, продукт функционирования экосистем. Нефть и природный газ – в основном ранних, протерозойских микробных экосистем, уголь – палеозойских, уже вполне похожих на наши. Количество углерода, запасенного в недрах в виде этих ископаемых, оценивается в 4 трлн т. Если учесть горючие сланцы, битуминозные пески и гидраты метана, то и все 10 трлн т. Очевидно, что для количественного соответствия кислороду этого все равно не хватает – тут явно недоучтен какой-то фактор. Много углерода запасено в биогенных известняках, представляющих собой смесь фосфата и карбоната кальция с преобладанием карбоната – CaCO_3.. Углекислый газ участвует в процессах химического выветривания (разрушения) вулканических горных пород, при этом процессе также образуются карбонаты. Но в карбонатах на один атом углерода приходится три атома кислорода, т. е. еще больше, чем в углекислом газе (при растворении в воде CO₂ частично соединяется с ней, преобразуясь в угольную кислоту H₂CO₃, в водных растворах эти два вещества находятся в химическом равновесии, так что по сути речь идет об одном и том же соединении углерода). Поэтому известняк нам не поможет найти тот углерод, который соответствует свободному кислороду. По-видимому, все дело в том, что оценка в 10 трлн т сделана для доступных нам недр, а есть еще недоступные, включая земную мантию. Не следует забывать, на какой страшной планете мы живем. Непрекращающийся дрейф континентов сопровождается субдукцией – погружением океанской коры под наступающую на нее континентальную кору с последующим ее расплавлением. При этом вместе с океанской корой уходят накопившиеся там осадочные породы, способные уносить с собой отложенный углерод.

Биогеохимия – сложная наука, и наши прикидки чрезвычайно упрощены и приблизительны и не учитывают многих факторов. Но в любом случае мышление на глобальные темы должно быть именно таким: всегда помнить о химии и о биологии, которые предполагают вещи довольно простые и при этом весьма важные.

Говорят, что леса – это легкие планеты. В них, кстати, аккумулировано 4/5 всей биомассы. Высказывание чересчур образное, легкие кислород, в общем-то, поглощают. Рассмотрим лес. Листья поглощают углекислый газ, к ним из корней подтягивается вода, на них падает солнечный свет. Они осуществляют свой фотосинтез, выделяют кислород и образуют органические вещества (сложные соединения углерода с водородом, кислородом и другими элементами). Деревья растут, трава под ними... Фотосинтез идет непрерывно. Органика синтезируется непрерывно.

Но разве масса леса увеличивается непрерывно? Вот он за окном, каждый день (но не ночь!) производит органику. А все остается с виду почти как было. Кто-нибудь видел лесную почву? В ней тоже очень мало органики – она светлая, почти без гумуса. Куда же девается произведенная органика? Уходит на жизнедеятельность? Другими словами, органика пошла на покрытие энергозатрат? Для этого у большинства живых существ она опять соединяется с кислородом с образованием углекислого газа и выделением энергии. Это называется дыханием. Дыхание свойственно в том числе и растениям. В нашем примере необходимо, однако, учесть, что в процессах разрушения биомассы и «растраты» ее на дыхание участвуют не столько сами растения, сколько бактерии и грибы, с определенной помощью насекомых. Именно они разрушают стволы, опавшие листья. Получается, что сколько лес произвел органики, столько в нем и разложилось, а углерод улетел в виде углекислого газа. Сколько произвел кислорода, столько же и поглотил.

А откуда берутся горючие полезные ископаемые? Где запасаются те углеводороды и уголь, которые соответствуют выделенному в атмосферу кислороду? Вопроса образования нефти мы касаться не будем, он еще не до конца ясен, а главное – происходил в условиях, мало похожих на современные. А вот уголь. Что часто находят в углях? Правильно, отпечатки растений. Откуда берется уголь?

Угольные бассейны остались от обширных болот. Болота – вот что поставляет нам кислород! В болотах откладывается торф, который и сам является топливом. В дальнейшем, в недрах земли, он все больше обезвоживается и превращается в бурый (за несколько миллионов лет), а затем и в каменный (за сотни миллионов лет) уголь.

К примеру, 200 км на север от места, где мы сейчас с вами находимся, есть замечательное явление природы – знаменитое Васюганское болото – самое большое в мире, между прочим, 53 тыс. км² и прирастает на 0,8 км² в год! Так что мы с вами живем на краю самой мощной в глобальном масштабе фабрики кислорода!

Впрочем, как вы понимаете, желательно, чтобы кислород в атмосфере тоже не накапливался, а оставался на постоянном уровне. В этом смысле леса, луга и океаны – это действительно легкие планеты. Они функционируют как буфер – автоматически отдают и забирают кислород и углекислый газ, поддерживая их концентрации на постоянном уровне, в силу того что так устроена биосфера как саморегулирующаяся система, находящаяся в состоянии устойчивого динамического равновесия.

Мы с вами, по сути, коснулись цикла углерода и кислорода в биосфере, который представляет собой пути циркуляции этих элементов между живым веществом, атмосферой, океаном и литосферой (земными недрами). Не менее важны и другие циклы, например цикл азота. Не будем сейчас углубляться в эти вопросы. Обычно они разбираются в рамках науки экологии. Имеется в виду то, что в течение сотни лет называлось экологией, – наука о взаимодействии живых организмов друг с другом и средой своего обитания, биотической и абиотической. Экология - это экономика природы, наука о тех взаимосвязанных системах, которые формируют сообщества разных живых существ, связанных между собой потоками вещества и энергии, прямыми и обратными связями. Употребление слова «экология» для обозначения чего-то вроде науки о вкусной и здоровой пище или гигиены, т. е. системы взглядов на здоровую среду обитания человека, без мутагенов и тяжелых металлов, возникло в среде средств массовой информации, отличающейся постоянным уровнем универсальной некомпетентности. Но, приобретя политическую окраску в обществе, такое понимание вернулось в науку и было ей навязано, так как получение финансирования под проекты зависит от идей, циркулирующих в обществе и от употребления слов в их вульгарном, а не точном значении. Единственное, что может оправдать так называемое «современное» употребление слова «экология», – его этимология, так как в вольном переводе с греческого это означает «наука о доме». Экология обычно рассматривается в обзорных курсах биологии в самом конце как наука о максимально широких биологических системах, включающих все остальные. Тем не менее, рассуждая о химических основах жизни, необходимо начать со слов о химии внешней для жизни среды, которая, с одной стороны, определяется уникальными свойствами планеты Земля, а с другой – сама в огромной степени создана жизнью. Причем жизни пришлось специально приспосабливаться к собственному созданию, что в конечном счете вылилось в огромное повышение ее собственной эффективности, т. е. к интенсификации энергетических потоков и повышению структурной сложности и разнообразия.

В статье «Венера» в википедии можно найти два любопытных утверждения:

1) «У Венеры самая плотная среди прочих землеподобных планет атмосфера, состоящая главным образом из углекислого газа. Это объясняется тем, что на Венере нет никакого и органической жизни, которая могла бы перерабатывать его в биомассу.»

2) «Известно, что основной серосодержащий газ на Венере - это двуокись серы. Но когда мы начинаем моделировать химию атмосферы на компьютере, то выясняется, что двуокись серы должна быть «съедена» поверхностью в течение геологически короткого времени. Этот газ должен исчезнуть, если нет какой-то постоянной подпитки. Её приписывают, как правило, вулканической активности» (Д. Титов).

Не напоминает ли вам ситуация с двуокисью серы на Венере таковую с кислородом на Земле? Двуокись серы – тоже очень хороший окислитель, и он снова присутствует в атмосфере в огромных количествах и вдалеке от химического равновесия. А активного современного вулканизма на Венере до сих пор не найдено. Не поступает ли двуокись серы из того же источника, в котором расходуется? Не означает ли это, что там имеет место глобальный (вернее, венеральный) геохимический (вернее, венохимический) цикл серы/кислорода, который, возможно поддерживает какая-то другая, неорганическая (возможно, кремниевая или смешанная кремнеуглеродная) форма жизни, способная существовать при высоких температурах в среде серной кислоты?

Элементный состав живого вещества

Переходя от внешней химии к химии внутренней, в первую очередь коснемся элементного состава. В приведенной ниже таблице представлено процентное содержание элементов в живых организмах.

Элемент	В живых организмах	В земной коре	В морской воде
Кислород	65–75	49,2	85,8
Углерод	15–18	0,4	0,0035
Водород	8–10	1,0	10,67
Азот	1,5–3,0	0,04	0,37
Фосфор	0,2–1,0	0,1	0,0003
Сера	0,15–0,20	0,15	0,09
Калий	0,15–0,40	2,35	0,04
Хлор	0,05–0,10	0,2	0,06
Кальций	0,04–2,00	3,25	0,05
Магний	0,02–0,03	2,35	0,14
Натрий	0,02–0,03	2,4	1,14
Железо	0,010–0,015	4,2	0,00015
Цинк	0,0003	> 0,01	0,00015
Медь	0,0002	> 0,01	> 0,00001
Йод	0,0001	> 0,01	0,000015
Фтор	0,0001	0,1	2,07

В живых организмах обнаруживаются практически все элементы, встречающиеся на земной поверхности – около 80. В отношении 26 из них известно, что они вовлечены в структуру и функцию организма и необходимы ему. Их называют биогенными элементами. По содержанию биогенные элементы принято делить на макроэлементы и микроэлементы, хотя это деление условное; 96 % массы живых организмов обеспечивают кислород, углерод, водород и азот. Добавление фосфора и серы исчерпывает 99 % массы. Как мы сейчас увидим, они действительно составляют необходимую основу химизма жизни, так как являются обязательными элементами биополимеров. Помимо этих шести, к макроэлементам относятся кальций, натрий, калий, магний и хлор, так что всего макроэлементов 11.

К микроэлементам относят те 15 элементов, общее количество которых составляет менее 0,1 % массы тела. Все они необходимы для жизнедеятельности. Это железо, кобальт, медь, цинк, хром, молибден, марганец, кремний, фтор, йод, никель, ванадий, олово, мышьяк, селен.

Содержание элементов в организме существенно отличается от такового в окружающей среде. Хотя это еще вопрос, что считать окружающей средой – воду, воздух или землю. Но оно отличается от всех трех. Насчет воды и воздуха понятно. В почве содержится около 33 % кремния, тогда как в растениях его лишь 0,15 %. Кислорода в почве – около 49 %, в живых организмах – около 70 %. Наконец, живые существа отличаются от среды прежде всего повышенным содержанием углерода.

Но можно все же сказать, что ключевыми элементами в структуре жизни являются три – углерод, кислород и водород. Кислород с водородом имеют первостепенную важность, кроме всего прочего, как составные части воды, а вода – как универсальная среда для собственно живого вещества, которое представляет собой прежде всего соединения углерода.

Химические связи

Для того чтобы двигаться дальше, нам сейчас придется вспомнить, какие бывают виды химических связей. С большей частью из них мы встретимся очень скоро.

Самая прочная связь – ковалентная, когда два электрона заполняют общую орбиталь вокруг двух ядер, которые оказываются связанными силами притяжения между каждым из них и этими двумя общими электронами. Все помнят, что такое электронные орбитали? Это устойчивое состояние, в котором может находиться электрон по отношению к одному, двум или более атомным ядрам. Оно характеризуется определенной конфигурацией электронной плотности и может быть представлено в виде некоего облака, сгущающегося к ядру (причем на бесконечных расстояниях от ядра электронная плотность не становится тождественно равной нулю). Что такое электронная плотность? Грубо говоря, это вероятность нахождения электрона в той или иной точке пространства относительно атомного ядра. Движение электрона невозможно описать в привычных нам терминах координаты и скорости, так как в силу принципа неопределенности Гейзенберга невозможно получение сколь угодно точной информации об обоих этих параметрах. Это отражает тот факт, что электрон – это не только частица, но и волна, у которой нет точной координаты. Поэтому и вводится электронная плотность в виде некоей характеристики присутствия электрона в пространстве вокруг ядер. На одной орбитали может находиться 0, 1 или 2 электрона, в последнем случае – с разными спинами. Спин – это некая характеристика электрона, связанная с его движением и имеющая отдаленную аналогию с вращением вокруг оси движения – по или против часовой стрелки. Если вам так больше нравится, можете проводить другую аналогию: электроны могут составлять пары мужчина – женщина и вместе занимать одну жилплощадь (отличие здесь в том, что любой электрон, чтобы заполнить уже занятую орбиталь, принимает противоположный пол, как люди в фантастическом романе Урсулы Легуин «Левая рука тьмы»). Мы будем иметь дело в основном с элементами второго и третьего периодов (водород не в счет), прежде всего – с углеродом, кислородом и азотом.

Атом элемента второго или третьего периода может иметь на внешней электронной оболочке четыре электронные орбитали. Для описания общей электронной плотности этой оболочки существует несколько физических моделей (а именно – решений знаменитого дифференциального уравнения Шредингера в трехмерном пространстве), описывающих электронную плотность отдельного электрона. Можно представить, что орбитали организованы следующим образом: имеется сферически-симметричная s-орбиталь и три обладающие осевой симметрией p‑орбитали, расположенные в пространстве под углом 90^о друг к другу. Схематически s‑орбиталь можно изобразить сферой, а p-орбиталь – чем-то вроде гантели с центром в атомном ядре. Схематическое изображение s- и p-орбиталей показано на рис. 2.1, вверху. Однако нужно заметить, что когда все орбитали заполнены (это имеет место у благородных газов), то общая электронная плотность атома зависит только от расстояния от ядра, и какие‑либо «оси» не выделяются, т. е. три p-орбитали полностью дополняют друг друга в пространстве.

Ту же самую электронную плотность можно получить в ином математическом представлении (другим решением уравнения Шредингера), если считать, что электроны расположены по четырем совершенно одинаковым орбиталям, направленным от ядра по четырем сторонам равноудаленным друг от друга способом, а именно к вершинам воображаемого тетраэдра с центром в ядре, под углом 105^o28’ друг к другу. Каждая такая орбиталь является гибридом s- и p-орбиталей, данный вид гибридизации орбиталей называется sp₃-гибридизация. Фактически это просто другое математическое описание того же распределения электронной плотности.

Можно также оставить одну p-орбиталь в покое, а сделать гибрид между s-орбиталью и двумя оставшимися p-орбиталями. Гибридные sp₂-орбитали будут расположены в одной плоскости и направлены под углом 120 ^o друг к другу.

Если мы вовлечем в гибридизацию только одну p-орбиталь, то получим две sp-орбитали, направленные строго в противоположные от ядра стороны.

Гибридные орбитали также схематически представлены на рис. 2.1.

Электронная плотность орбитали, общей для двух атомов, связанных одинарной ковалентной связью, описывается своими собственными уравнениями, но их решение приводит к такому результату, как если бы она складывалась из электронных плотностей одной из орбиталей от каждого из двух этих атомов. В случае двойной связи образуются две общие орбитали, в которые входят, соответственно, по две орбитали от каждого из атомов; в сулчае тройной связи образуется три общих орбитали. Напомним, что «негибридные» и разные гибридные орбитали в случае одного атома – это лишь разные математические модели, описывающие одну и ту же электронную плотность. Но когда атом вовлекается в ковалентные связи, т. е. образуются электронные орбитали, общие между его ядром и ядрами других атомов, то дело обстоит так, как если бы общие орбитали «образовывалась» из орбиталей одиночного атома того или другого определенного типа, а образующиеся связи располагаются под теми углами, под которым направлены соответствующие, гибридные либо негибридные, орбитали.

Рассмотрим ковалентные связи на примере соединений атомов углерода друг с другом в минералах, представляющих собой чистый углерод. Углерод несет на внешней электронной оболочке четыре электрона, по одному в каждой из четырех его электронных орбиталей. Соответственно, каждая из этих орбиталей способна образовывать общую орбиталь с также частично заполненной (несущей один электрон) орбиталью соседнего атома, то есть вступать в ковалентную связь – углерод четырехвалентен. Собственно, этим и объясняется склонность его атомов образовывать сложные цепочки.

Атом углерода, не вовлеченный в двойную или тройную связь, образует четыре одинаковые связи, расположенные максимально удаленным друг от друга способом, т. е. направленные к вершинам тетраэдра из его центра, так что угол между любыми двумя связями составляет 105^o28’. Таким образом, электроны на внешней электронной оболочке образуют общие орбитали с соседними атомами углерода, исходя из sp₃-гибридных орбиталей. Таковы связи между атомами углерода в алмазе, идеальная равномерная структура которого и определяет его твердость. Но под таким же углом расположены и связи, образуемые углеродом, к примеру, в сахаре.

Углерод, вовлеченный в двойную связь, образует две другие связи в плоскости, под углом 120 градусов друг к другу и к двойной. При этом одинарные связи образуются орбиталями в sp2 гибридизации, а двойная связь – одной sp2-орбиталью и одной негибридной p-орбиталью. Таковы связи между атомами углерода в графите, который состоит из плоских слоев, где атомы углерода уложены как пчелиные соты.

Углерод, вовлеченный в тройную связь, образует еще одну одинарную связь, направленную строго в противоположную сторону от тройной – она образована sp-гибридной орбиталью, а тройная связь – такой же орбиталью и двумя негибридными p-орбиталями. Существует и форма углерода, составленная из линейных цепочек атомов углерода, соединенных чередующимися одинарными и тройными связями – карбин, но эта форма синтетическая и не встречается в природе. (Карбин обладает проводимостью, резко усиливающейся на свету, и применяется в фотодетекторах).

Одинарные связи – самый распространенный вид связей в живом веществе. Тройные связи там почти не встречаются. Двойные связи очень важны, так как чередующиеся двойные и одинарные связи (так называемые сопряженные связи) в цикле или цепочке образуют некую общую орбиталь, по которой электроны легко перемещаются. Более того, в них нельзя сказать, какие пары атомов углерода связаны одинарными связями, а какие – двойными, так как все p-орбитали объединяются в некие общие орбитали, на которых может находиться много электронов. Такие резонансные структуры очень распространены в связи с процессами преобразования и переноса энергии – в фотосинтезе, дыхании. (Они же существуют по обе стороны слоев графита, обеспечивая его высокую электричесвую проводимость.) Циклические молекулы с основой из 5–6 атомов углерода с чередующимися одинарными и двойными связями, образующие единую общую орбиталь с электронной плотностью над и под циклом, называются ароматическими соединениями. Помимо атомов углерода, в основу ароматических циклов могут входить и атомы азота, такие молекулы составляют важную основу нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и входят в состав белков.

Перейдем от ковалентной к другой очень важной связи – ионной. Это соединение противоположно заряженных ионов, основанное на их взаимном электростатическом притяжении. Ионами называются заряженные атомы, имеющие либо лишний электрон (электроны) – отрицательно заряженные, либо недостаток электрона (электронов) – положительно заряженные. Легко теряют электроны металлы, поэтому они часто образуют ионную связь с атомами или молекулами, которые легко принимают электрон (допустим, с галогенами, кислотными остатками).

Еще одну слабую, но важную связь можно найти в воде. Атом кислорода в составе воды имеет две заполненные электронные sp₃-орбитали, на которых находятся две пары электронов с разным спином, и две незаполненные sp₃-орбитали, на которых находится по одному электрону. Две незаполненные орбитали образуют химическую связь c двумя атомами водорода, а две заполненные занимают два оставшихся направления. Между этими двумя неподеленными парами электронов и ядрами водорода соседних молекул воды возникает электростатическое притяжение (вследствие того, что в электронной орбитали связи О-Н электронная плотность несколько сдвинута в сторону ядра кислорода, так что пложительный заряд ядра водорода не вполне компенсирован отрицательным зарядом электронов) и формируется некая довольно слабая связь, называемая водородной связью. Благодаря водородным связям молекулы воды связаны в рыхлые агрегаты, включающие то или иное количество молекул. Водородные связи свойственны не только воде, но и многим органическим молекулам, включающим OH- или NH-группы. Они имеют первостепенную важность для структуры и воспроизводства молекул ДНК и для пространственной организации молекул белков.

Между молекулями вещества возможны более рыхлые ассоциации, называемые не связями, а взаимодействиями. В биологии встречается один из типов взаимодействия, который связан с водой, – гидрофобное взаимодействие. Это притяжение друг к другу неполярных органических молекул или их частей в полярной водной среде за счет общего невзаимодействия с молекулами воды. Молекулы воды притягиваются друг к другу, тем самым выталкивая неполярные молекулы из воды; это приводит к тому, что неполярные молекулы собираются вместе.

Кроме того, существует некоторое притяжение электронов к ядрам атомов соседних молекул – так называемое Ван-дер-Ваальсово взаимодействие, которое возникает даже между в целом неполярными молекулами из-за того, что их электронная плотность флуктуирует и тем самым части молекулы на какие-то ничтожные мгновения приобретают положительные и отрицательные заряды, которые к тому же индуцируют друг друга у соседних молекул и заставляют их притягиваться друг к другу.

Наконец, есть еще и так называемое стэкинг-взаимодействие между ароматическими группами, находящимися друг под другом. Стэкинг-взаимодействием связаны между собой стопки слоев в графите. Это же взаимодействие присутствует в молекуле ДНК, но это для нас сейчас не очень важно.

Вода

Главное свойство молекулы воды – полярность. Кислород присоединяет два атома водорода с помощью двух незаполненных электронных орбиталей, находящихся в sp₃‑гибридизации, соответственно между двумя связями О–Н существует угол, близкий к тетраэдрическому 105^o28’. Таким образом, два атома водорода несколько смещены в одну сторону. Ядро кислорода сильнее притягивает электроны, чем ядро водорода, поэтому электронная плотность смещается в сторону кислорода, так что часть молекулы со стороны кислорода оказывается отрицательно заряженной, а со стороны водорода – положительно заряженной. Тем самым молекула воды представляет собой диполь. Диполям свойственно ориентироваться в электрическом поле – атом кислорода притягивается к положительному заряду, атомы водорода – к отрицательному. Поэтому вода является полярным растворителем. Вещество, состоящее из ионов, связанных ионной связью, – электростатическим притяжением друг к другу (например, поваренная соль), попадая в воду, растворяется в ней, поскольку молекулы воды притягиваются к ионам своей противоположно заряженной частью, окружают (гидратируют) их, тем самым увеличивая расстояние между ионами и ослабляя силу электростатического притяжения между ними, и в результате отрывют их друг от друга.

В жидкой фазе многие молекулы воды обратимо связаны друг с другом слабыми водородными связями. При нагревании воды часть тепла идет не на увеличение кинетический энергии молекул (т. е. не на повышение температуры), а на разрушение водородных связей. Поэтому вода отличается большой теплоемкостью. Водородные связи также придают ей большую теплопроводность и достаточную вязкость. Все эти свойства воды чрезвычайно важны с точки зрения того, что она является внутренней средой живых существ – они обеспечивают тепловую устойчивость и целостность живым организмам.

Наконец, вода обладает еще одним совершенно уникальным свойством, которое делает пригодным для жизни большую часть поверхности нашей планеты, которая оказалась бы непригодной если бы этого свойства не было. Вода в твердой фазе – лед – имеет меньшую плотность, чем в жидкой. Ну и что, казалось бы? Но давайте вспомним, что наша планета, во-первых, на три четверти покрыта океанами и, во-вторых, на получает тепло от солнца и, частично, от процессов в собственных недрах и теряет тепло, излучая его в космос со своей поверхности. В высоких широтах бывает зима – время года, когда излучается больше тепла, чем поступает. Это излучение идет в основном с поверхности океанов, которая охлаждается до точки замерзания. Если бы лед был тяжелее воды, то он, образовавшись, опускался бы на дно, а на поверхность поступали более теплые ее слои, которые также бы охлаждались за счет излучения до точки замерзания и т. д. Мы имели бы эффективную конвективную систему теплоотдачи мирового океана, большая часть которого, при нашем расстоянии от Солнца, промерзла бы до дна. Но поскольку лед в реальности легче жидкой воды, он остается на поверхности, излучая за счет своей низкой температуры не очень много тепла. Более того, за счет своей невысокой плотности лед менее теплопроводен, чем жидкая вода, и тем самым создает своего рода «шубу» океана. В результате на поверхности планеты в целом сохраняется гораздо больше тепла, чем было бы если бы вода, подобно подавляющему большинству веществ, в твердой фазе была плотнее, чем в жидкой.

Органические соединения

В предыдущей лекции был сделан упор на технические аналогии. Сейчас мы их продолжим. Если мы посмотрим на то, как устроены технические объекты, то увидим крупные уникальные структуры, которые выполняются путем литья или ковки, – котлы, корпуса, затем структуры, выполняемые из плоских или линейных материалов стандартных параметров, – листовой металл, уголок, жесть, проволока, трубы, фанера, ткани – и, наконец, много жестко стандартизованных деталей, связанных с крепежом, – болты, гайки, заклепки, разъемы. Живые существа хотя иногда с виду и напоминают произведения техники, собраны целиком из мелких жестко стандартизованных деталей, органических молекул определенной структуры (нуклеотидов, аминокислот, моносахаридов). Это, в частности, позволяет им питаться друг другом. В этом отношении по своему устройству они более напоминают детский конструктор.

Как вы знаете, химия делится на неорганическую и органическую. Органическая занимается соединениями углерода и некоторыми подобными им веществами. Неорганическая – соединениями всех остальных элементов. Причем органическая по объему гораздо больше неорганической. Это отражает способность углерода образовывать сложные и разнообразные соединения, прежде всего на основании легкости, с которой атомы углерода соединяются друг с другом, образуя цепочки. Как вы знаете, углерод четырехвалентен, а два атома углерода могут образовывать одинарную, двойную и тройную связи.

Основа живого вещества – биополимеры, являющиеся макромолекулами, т. е. органическими соединениями с очень длинными молекулами, общей массой от тысячи до миллиарда атомных единиц. Биополимеры построены из стандартных структурных единиц – мономеров, представляющих собой более простые органические соединения в той или иной степени стандартной структуры. Образуя биополимеры, мономеры соединяются друг с другом одинарными ковалентными связями, причем одним из вовлеченных в них атомов всегда является кислород. Расщепление биополимеров всегда идет с затратой молекулы воды, которая расщепляется на атом водорода (H) и OH-группу, причем они присоединяются к атомам, ранее соединенным той самой связью, которая связывала мономеры – водород к атому кислорода, ОН-группа к атому углерода. Эта реакция называется гидролиз. Образование этой связи в ходе синтеза биополимеров – конденсации – всегда идет с затратой энергии и сопровождается отделением молекулы воды от двух соединяемых мономеров. О мономерах в составе биополимеров принято говорить как об остатках, например, говорят об остатках глюкозы (хотя этот остаток составляет почти всю молекулу), остатках аминокислот.

По способу соединения мономеров биополимеры бывают линейные и разветвленные, а по характеру мономеров – регулярные, составленные из одинаковых мономеров или одинаковых сочетаний мономеров, и нерегулярные, составленные соответственно из разных мономеров, чередующихся нерегулярно.

Основными типами биополимеров являются нуклеиновые кислоты, белки и углеводы. Жизнь, судя по всему, начиналась с нуклеиновых кислот, в современной жизни наиболее функционально важны белки, углеводы используются как резерв энергии и как строительный материал. Кроме того, очень важны такие классы веществ, как низкомолекулярные углеводы и липиды – также в качестве носителей энергии и строительного материала; у некоторых из них имеется и регуляторная роль.

Проще всего устроены углеводы и липиды. Начнем с углеводов, которые позволят нам вспомнить несколько важных вещей.

Углеводы

Углеводы называются так потому, что кислород и водород присутствуют в них приблизительно в соотношении 1 атом кислорода к 2 атомам углерода, как в воде; на эти три атома приходится приблизительно по одному атому углерода, т. е. по общему элементному составу они представляют собой воду, на каждую молекулу которой добавлено по атому углерода.

Элементарными единицами углеводов являются моносахариды – молекулы, основу которых представляет собой цепочка атомов углерода, соединенных одинарной ковалентной связью, к каждому из которых присоединен атом водорода и гидроксильная (спиртовая) группа –OH. Атом углерода, расположенный на одном из концов цепочки, имеет дополнительный водород, а на другом конце либо располагается альдегидная группа, либо кислород, соединенный углеродом двойной связью, смещается на один атом ниже, образуя кетонную группу, тогда как последний атом также имеет два водорода.

Двойная связь углерод – кислород в альдегидной или кетонной группе может раскрываться, при этом кислород связывается со вторым с другого конца молекулы атомом углерода (с образованием простой эфирной связи, или гликозидной связи), который лишается водорода и спиртовой группы, т. е. от него отнимается молекула воды – идет внутренняя конденсация. Так моносахарид принимает циклическую форму.

Моносахариды различаются по длине углеродной цепочки. Наибольшее значение в живом организме имеют пентозы и гексозы – моносахариды с 5 и 6 атомами углерода в цепочке. Два типа пентоз – рибоза и ее производное (за счет замены одной гидроксильной группы на водород) дезоксирибоза, структура которых показана на рис. 2.2, – являются одним из трех структурных элементов нуклеиновых кислот. А одна из гексоз – глюкоза – является главным межклеточным носителем энергии, в частности, в нашей крови. (А еще именно она делает виноград сладким.) Она же является важнейшим конструктивным элементом – из нее делаются такие несхожие по свойствам и роли полимеры, как крахмал и целлюлоза. Часто встречаются еще две гексозы – галактоза и фруктоза. Структура наиболее важных гексоз показана на рис. 2.3.

Заметим, что все эти гексозы имеют одну и ту же общую формулу C₆H₁₂O₆ и различаются только особенностями расположения атомов, т. е. являются структурными изомерами. Различие между галактозой и фруктозой связаны со смещением атома кислорода на соседний атом углерода. Но обратите внимание на различие между глюкозой и галактозой. Оно заключается в том, что у одного атома углерода водород и гидроксильная группа поменялись местами. Казалось бы, что стоит нарисовать по-другому! Но нужно учесть, что приведенные здесь схемы – это так называемые Фишеровы. Четыре связи от каждого атома углерода направлены к вершинам тетраэдра. Так что в реальности угол между любыми двумя образованными им связями составляет 105^о28’, и углеродные цепочки данных молекул извилистые. Просто она спроецирована так, как если бы была прямой.

Любая ковалентная связь допускает свободное вращение связанных атомов относительно нее. Но если ко всем четырем связям углерода присоединены разные вещи, мы не можем повернуть атом так, чтобы повернулись две его связи, но не повернулась третья. Такие атомы углерода называют асимметричными. Это лучше видно на пространственных схемах их циклических форм. Поэтому галактоза и глюкоза – разные вещества, которые нельзя превратить одно в другое без разрыва ковалентных связей. Они обладают разными свойствами и принимают участие в разных биологических процессах. Такие вещества называют пространственными изомерами, или стереоизомерами.

Атом углерода, связанный двойной связью с кислородом, асимметричным не является, поскольку все его связи расположены в одной плоскости. Однако при замыкании в цикл рибозы и глюкозы этот атом становится асимметричным, и при этом возможно получение двух вариантов циклов, они обозначаются α и β. Это также структурные изомеры. Поскольку в растворе моносахариды способны переходить в циклическую форму и обратно, между α- и β-формами устанавливается равновесие, т. е. они присутствуют поровну.

Но на этом разнообразие феномена изомерии не кончается, так как вариантом стереоизомерии является зеркальная, или оптическая изомерия, или хиральность. В этом случае молекулы являются зеркальным отображением друг друга (рис. 2.4). При мысленном вращении одного из циклов из него не получить другого, если только не вывернуть его наизнанку (молекулы такого не допускают.) На рисунке 2ю4 показаны зеркальные изомеры циклической формы глюкозы, однако они не зависят от внутренней кодненсации, остаются таковыми в линейной форме и каждый способен замыкаться в циклические α- и β-формы. Вообще, возможность существования зеркальных изомеров с необходимостью возникает всегда, когда в молекуле имеется хотя бы один асимметричный атом.

Асимметричный атом имеет свойство вращать плоскость поляризации поляризованного света, при этом зеркальные изомеры вращают его в противоположном направлении. Рассмотренные нами моносахариды имеют несколько асимметричных атомов углерода и поэтому существенно вращают поляризованный свет. Очевидно, что их зеркальные изомеры, взятые по отдельности, вращают поляризованный свет в разные стороны. Выделяют правовращающие (d) и левовращающие (l) зеркальные изомеры. Обозначения l и d связаны со следующим правилом описания регулярных полимеров: смотрим на атом углерода со стороны соседнего атома углерода и передвигаем взгляд по трем его остальным его связям в порядке продолжение цепочки – небольшая группа – водород. Если взгляд движется против часовой стрелки, то это d-атом, а если по часовой стрелке – то l-атом. Следует оговорить, что вращение поляризованного света не имеет биологического смысла, это обстоятельство всего лишь дает нам один из методов изучения стереоизомеров. Однако сама по себе зеркальная изомерия для биологических объектов очень важна.

При синтезе веществ, обладающих зеркальной изомерией, «обычными» химическими методами, как правило, оба изомера образуются с равной вероятностью. Получающиеся растворы называются рацематами, они оптически инертны. В живых организмах всякое вещество синтезируется или расщепляется особыми инструментами в виде участков специальных веществ (ферментов) со специфической структурой расположения атомов (тех же углерода, кислорода, водорода, азота и т. д. ), т. е. как бы «вручную». При этом в каждом процессе производится или расщепляется только один стереоизомер.

Существующие живые организмы во всех основных процессах используют только d-формы основных моносахаридов. Такой технический стандарт был принят в биологическом мире. Он позволяет использовать одни и те же молекулы в разных процессах с применением одних и тех же «технологических приемов». Он, в частности, позволяет есть друг друга. Теоретически можно помыслить одновременное использование обоих типов. Но это потребовало бы создания двух (и более) параллельных «технологических линий» для обработки тех же количеств вещества. Видимо, это было бы очень неэффективно. Одинаковость стандарта для всех живых существ есть свидетельство общности их происхождения. В случае хищников и сапрофитов общий стандарт с жертвой - это условие их существования. Стандарт является общим для всех моносахаридов. Это связано с тем, что различные биохимические процессы включают стадии одинаковой обработки одинаковых асимметричных атомов углерода. Какой именно вариант – l или d – оказался выбранным, это, по-видимому, было делом случая в момент формирования нашей конкретной формы жизни. Надо сказать, что как и всегда в тех случаях, когда в дело вмешался случай (извините за каламбур), вокруг данного вопроса возникает довольно много безосновательной философии, которая пытается объяснить это некими загадочными свойствами материи, поскольку всегда имеется прослойка людей, которые не согласны верить в то, что в природе много случайного, или даже вообще отказывают в существовании фундаментальной случайности.

Покончив с моносахаридами, коснемся дисахаридов, которые, как можно догадаться из названия, сделаны из двух моносахаридов, посредством все той же простой эфирной связи углерод – кислород – углерод, которая в данном случае называется гликозидной связью. На рис. 2.5 представлены три важных дисахарида: сахароза, составленная из глюкозы и фруктозы в циклической форме, лактоза, составленная их глюкозы и галактозы, и мальтоза, составленная из двух глюкоз. Правильное химическое название сахарозы – альфа-глюко-пиранозил-бета-фрукто-фуранозид.

Сахароза очень распространена в растениях и, как правило, именно она накапливается в их сладких частях. Лактоза является главным носителем энергии в молоке. А мальтоза – это важный промежуточный продукт расщепления крахмала.

Углеводы служат основным источником энергии всех живых существ. При окислении 1 г углеводов выделяется 4,1 ккал (17,16 кДж) энергии. При этом моносахариды используются для сиюминутных потребностей клетки в энергии, а полисахариды – в качестве ее долговременных хранилищ. Для транспорта из одних клеток в другие животные используют моносахариды, а растения – дисахариды. Полисахариды малорастворимы и обычно аккумулируются в специальных структурах. В клубнях картофеля, к примеру, до 90 % сухой массы составляет крахмал. А крахмал – это и есть основной энергозапас живых существ.

Крахмал состоит из молекул альфа-изомера глюкозы в циклической форме, соединенных гликозидной связью. Растительный крахмал состоит из амилозы – линейного полимера, в котором молекулы глюкозы соединены друг за другом посредством 1-го и 4-го атомов (рис. 2.6), и амилопектина – полимера, в котором на каждые 25–30 глюкозных остатков встречаются разветвления за счет связей 1-го и 6-го атомов углерода. Животный крахмал – гликоген, устроен так же, как амилопектин, но разветвлен через каждые 11–18 остатков (рис. 2.6).

Как вы знаете, крахмал легко соединяется с водой с образованием геля, хорошо вам известного в быту – это кисель и клейстер. Казалось бы, взять и поменять местами водород и гидроксильную группу у первого атома углерода, превратив тем самым альфа-глюкозу в бета-глюкозу, – какая безделица! Но линейный полимер бета-глюкозы представляет собой нечто совершенно нерастворимое в воде и несъедобное – целлюлозу. Целлюлоза – это важнейший строительный материал, главный компонент клеточных оболочек растений. Она составляет 50 % сухой массы всего живого вещества планеты, то есть около 1,2 трл т. Вы ведь знаете, где у нас используется целлюлоза? Это бумага и хлопчатобумажные ткани. А вот древесина состоит не только из целлюлозы, прочность ей придает лигнин – сложный полимер ароматических спиртов.

Заметим, что целлюлоза все же может выступать и как источник энергии – ведь состоит она все-таки из мономеров глюкозы. Однако гидролизовать ее не так просто. Это научились делать некоторые бактерии и инфузории, а из многоклеточных животных – только моллюски. Но многие животные (тараканы, термиты, жвачные парнокопытные) «приручили» особых простейших, питающихся целлюлозой, и разводят их в своих желудках, куда доставляют целлюлозу, а сами питаются именно ими. Так что коровы, в общем-то, свирепые хищники – они постоянно пожирают астрономическое количество одноклеточных организмов.

К важным полисахаридам относится также хитин. По химической структуре хитин близок к целлюлозе и отличается тем, что в состав его мономеров входит азот – гидроксильная группа при втором атоме углерода заменена на ацетиламиновую группу (рис. 2.7). Хитин – одно из самых прочных и не поддающихся химическому и физическому расщеплению веществ. Он является основой кутикулы (внешнего скелета) членистоногих и клеточной стенки грибов и диатомовых водорослей. По распространенности в природе хитин уступает только целлюлозе. Его производство животными организмами в мировом океане оценивается в 2,3 млрд т в год.

Олигосахариды (молекулы, состоящие из немногих мономеров) различной структуры участвуют в самых разных биологических процессах. Часто это нерегулярные олигомеры, т. е. состоящие из нескольких разных моносахаридов. Определенной структуры олигосахарид находится на поверхности эритроцитов и определяет группу крови. В организме содержится много олигосахаридов, находящихся в комплексе с белками (гликопротеиды) и липидами (гликолипиды).

Липиды

Липиды – это достаточно простые, но очень важные соединения. Во-первых, к липидам относятся жиры, представляющие собой еще более эффективный резерв энергии, чем углеводы. Кроме того, они выполняют функцию теплоизоляции. Во-вторых, липиды являются основой любой клеточной мембраны, т. е. совершенно необходимы для структурной организации живых существ. В-третьих, некоторые липидоподобные вещества являются гормонами или другими энергетически активными веществами.

Само слово происходит от греческого «липос» – жир и означает «жироподобные». Их объединяет свойство не растворяться в воде – это более или менее гидрофобные соединения. Это означает, что в них содержится мало кислорода, который поляризует прилежащие участки молекулы и тем самым делет ее водорастворимой; то есть по химическому составу липиды близки к углеводородам.

Липидами в строгом смысле называются жирные кислоты и их производные. Жирные кислоты – это органические кислоты, в которых к карбоксильной группе присоединена длинная углеводородная цепь. У животных и растений она линейная и содержит 14–22 атома углерода (рис. 2.8), у бактерий бывают разветвленные жирные кислоты. Если все связи между углеродами одинарные, то такие жирные кислоты называют насыщенными, если встречаются двойные – то ненасыщенными.

Самые известные липиды – это жиры и масла. Они являются триглицеридами. Их структурной основной является глицерин – трехатомный спирт (цепочка из трех атомов углерода, к каждому из которых присоединено по спиртовой группе -ОН). Каждая его гидроксильная группа образует сложный эфир с жирной кислотой – это и будет жир или масло (рис. 2.9). Жирами называют триглицериды с насыщенными жирными кислотами, которые затвердевают при комнатной температуре, масла включают ненасыщенные жирные кислоты и при комнатной температуре остаются жидкими.

Окисление жиров дает в 2 раза больше энергии, чем окисление углеводов – 8,4 ккал. (38,9 кДж) / г. Они представляют собой очень эффективный энергетический резерв. Собственно, это видно уже из строения их молекул, значительная часть которых представляет собой простые углеводороды – такие, из которых состоит мазут. В запасающих жиры тканях их содержание составляет до 90 %. Заметим, что в ходе окисления жиров образуется довольно много воды – 107 г на 100 г жира. Так что они являются источником не только энергии, но и эндогенной воды. Собственно, именно за этим «корабль пустыни» верблюд и имеет жировой горб (горбы)

Пожалуй, еще важнее жиров фосфолипиды, которые менее известны широкой публике. От жиров они отличаются тем, что только к двум гидроксильным группам глицерина присоединены жирные кислоты, а к третьей присоединен остаток фосфорной кислоты, к которому в свою очередь прикрепляются различные низкомолекулярные полярные азотосодержащие органические соединения (рис. 2.10). Вместе с остатком глицерина он образует полярную, или гидрофильную, «головку» молекулы, а два остатка жирных кислот – ее неполярный, гидрофобный хвост.

В воде такие липиды образуют мицеллы – агрегаты, у которых гидрофобные хвосты направлены к центру, а гидрофильные головки – наружу, где они контактируют с водой. Они могут образовывать также пузырьки, где гидрофильные головки направлены в обе стороны от гидрофобной пленки. Именно такая структура является основой биологических мембран. Таким образом, фосфолипиды ограничивают от внешнего мира любую живую клетку.

К липидам относятся также воска – сложные эфиры одиночных жирных кислот и одноатомных спиртов с длинной углеводородной цепочкой.

По элементному составу и свойству гидрофобности к липидам близки терпены – вещества, образующиеся за счет пятиуглеродного углеводорода изопрена. В частности, к терпенам относится семейство стероидных гормонов, играющих важнейшую роль в регуляции жизнедеятельности организмов (рис. 2.11).

Лекция 3. БЕЛКИ

Наконец мы приступаем к одному из двух классов биополимеров, на которых зиждется жизнь на Земле в той форме, в которой мы ее знаем. Не факт, что на заре становления жизни те же два класса играли столь же важную роль. Скорее всего какой-то из них был первичен, а какой-то приложился позже. Более того, тогда важная роль могла принадлежать и каким-то другим сложным веществам, которые могли даже не относиться к органическим. Одна из серьезных теорий происхождения жизни утверждает, что органическая жизнь возникла как своего рода паразит на «жизни» сложных глин – цеолитов (основу которых составляет соединение кремния с кислородом и водородом), а потом смогла оторваться от породившего ее носителя и приобрести самостоятельное существование. Однако мы с вами знакомимся с той жизнью, к которой принадлежим мы сами, а другой сейчас и нет. Поэтому заявим утвердительно, что основу жизни на Земле составляют белки и нуклеиновые кислоты. Видимо, белки были вторичны по отношению к нуклеиновым кислотам. И мы сейчас займемся белками.

Мир белков поражает простотой и логичностью устройства и эффективностью и разнообразием достигаемых результатов. Белки – это линейные нерегулярные полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Вернее, этому определению соответствует строгое понятие полипептиды. Под белками понимаются функциональные молекулы, которые могут состоять из одного полипептида, нескольких полипептидов – одинаковых или разных, или включать в качестве дополнения к полипептидам какое-то другое вещество – олигосахарид, нуклеотид (это элемент нуклеиновых кислот – об этом позже) или что-то еще. Но в любом случае основой любого белка являются полипептиды.

Итак, полипептиды состоят из аминокислот. Аминокислотой называется органическая молекула, включающая как кислотную группу -СООН, которая в растворах с нормальной кислотностью заряжена отрицательно, так и аминогруппу -NH₂, которая при нормальной кислотности заряжена положительно. (Давайте привыкать изъясняться так, как принято в химии: кислотность раствора измеряется величиной pH, которая представляет собой минус десятичный логарифм молярной концентрации ионов водорода. Так называемое нейтральное значение pH, соответствующее чистой воде, – около 7. Это значит, что в литре воды находится 10^-7 молей ионов водорода. В одном моле содержится 6 х 10²³ (число Авогадро) молекул, значит в одном литре чистой воды присутствует 6 х 10¹⁶ ионов водорода. Кислой среде соответствуют значения pH равные 1–3, щелочной – 9–10.) Получается, что при нормальной pH молекулы аминокислот несут на разных своих концах одновременно и положительный, и отрицательный заряд (такие молекулы называются цвиттер-ионами). Однако в составе белков обе эти группы задействованы в связях между соседними аминокислотами, и заряда они не имеют. У аминокислот, входящих в состав белков, и кислотная, и аминогруппа присоединены к одному и тому же атому углерода. Такие вещества называются альфа-аминокислотами. У этого атома углерода остаются две свободные связи, одна из которых занята водородом, а вторая несет нечто называемое боковым радикалом.

Таким образом, мы, между прочим, снова имеем асимметричный атом углерода, обладающий свойством хиральности (оптической изомерии), что показано на рис. 3.1.

Как вы помните, в живых организмах встречались почти исключительно d-формы сахаров. Таким же точно образом аминокислоты в них тоже представлены только одним типом оптических изомеров, однако в данном случае – левовращающими, или l-формами. В составе белков встречаются только альфа-l-аминокислоты, различающиеся строением боковых радикалов. В большинстве учебников вы найдете, что аминокислот в белках всех известных организмов встречается ровно 20. И это почти верно. Все они представлены на рис. 3.2.

Аминокислоты делятся на две большие группы – неполярные, или гидрофобные и полярные, или гидрофильные, в зависимости от того, имеется ли у их боковых радикалов дипольный момент (т. е. по-разному заряженные участки). У неполярных аминокислот радикалы составлены из углерода и водорода, у полярных в них содержится также кислород, азот или сера. Кроме того, аминокислоты можно подразделять и по другим принципам. Найдите на рис. 3.2 все перечисленные ниже аминокислоты и соотнесите упомянутые их свойства со строением молекулы.

Прежде всего мы видим простейшую аминокислоту глицин с «нулевым» боковым радикалом – обе свободные связи углерода заняты у нее водородом. (Следовательно, эта аминокислота не имеет оптических изомеров.) Мы также видим пролин, у которого боковой радикал замкнут в кольцо на аминогруппу. Строго говоря, это не аминокислота, а иминокислота. Важной особенностью пролина является то, что он резко изгибает полипептидную цепь.

Далее идет группа алифатических аминокислот – аланин, валин, лейцин и изолейцин. Их боковые радикалы представлены простыми углеводородами. Неполярной является также аминокислота фенилаланин, которая несет ароматическое бензольное кольцо. (Можно особо выделить класс ароматических аминокислот, которые будут включать неполярную и несколько полярных аминокислот.)

Переходим к полярным аминокислотам.

Аминокислоты со спиртовой группой – серин, треонин. Аминокислота тирозин одновременно и ароматическая, и «спиртосодержащая», она несет фенольную группу.

Еще две ароматические аминокислоты, содержащие циклы с участием азота, – триптофан и гистидин.

Серосодержащие аминокислоты – метионин и цистеин. Цистеин очень важен как элемент структуры – боковые радикалы двух не находящихся по соседству цистеинов способны терять водород с образованием связи –S–S–. Эти так называемые S–S-мостики – единственный вид ковалентной связи, которая может соединять разные полипептиды или удаленные участки одной полипептидной цепи.

Очень важны аминокислоты, боковые радикалы которых в нейтральных растворах несут заряд. Положительно заряженные аминокислоты – лизин и аргинин, отрицательно заряженные аминокислоты – аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Амиды этих кислот – аспарагин и глутамин – также находятся среди биологических аминокислот, они полярны, но не заряжены.

Почему именно 20 и почему именно эти 20? Ответа на этот вопрос не существует. Так получилось. Увы, это самый верный ответ практически для всех вопросов по биологии, когда какой-то другой ответ не самоочевиден. Этих 20 оказалось достаточно для построения белков с практически неограниченными функциональными возможностями. Скорее всего разнообразие боковых радикалов даже несколько избыточно, так как многие аминокислоты способны заменять друг друга. И аминокислоты скорее всего могли быть и какими-то другими (кроме самых простых), лишь бы были представлены основные их химические классы.

На самом деле аминокислот «чуть больше» 20. Некоторые аминокислотные радикалы уже после синтеза белка химически модифицируются и превращаются в несколько другие. Так, в коллагене (белке связок – он же желатин) содержатся в значительных количествах гидроксипролин и гидроксилизин – результат модификации соответственно пролина и лизина. Наконец, недавно обнаружилось, что у всех животных в некоторых белках используется аминокислота селеноцистеин – аналог цистеина, в котором сера заменена на селен. Причем это «законная» аминокислота. Как и у 20 канонических аминокислот, информация о ней записана в ДНК, хотя и несколько другим способом, и в тех белках, где эта кислота используется, она не может быть заменена на другую. (А используется она, в частности, в ферменте, который отщепляет атом йода в метаболизме гормонов щитовидной железы.)

Наш организм способен расщеплять некоторые аминокислоты в целях извлечения энергии. При их недостатке реакции расщепления этих аминокислот могут быть обращены в сторону их синтеза. Остальные аминокислоты наш организм делать не умеет и должен получать с пищей. Это так называемые незаменимые аминокислоты. У разных животных набор незаменимых аминокислот несколько различен. У человека незаменимых аминокислот ровно половина – 10: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин. Растения и микроорганизмы умеют синтезировать все аминокислоты.

Аминокислоты объединяются (конденсируются) в белки следующим образом. Один из двух водородов аминогруппы одной аминокислоты и –OH из гидроксильной группы другой аминокислоты отщепляется с образованием молекулы воды, а соответствующие атомы углерода и азота связываются друг с другом с образованием амидной, или пептидной, связи. Это прочная ковалентная связь. Она, между прочим, задействована в капроне, который тоже является полимером определенной аминокислоты, которая, впрочем, состоит из аминокислот (но не альфа-аминокислот). На рис. 3.3 представлен фрагмент пептида – цепочка из аминокислотных остатков, связанных пептидной связью:

Как правило, все свойства полипептида, включая его пространственную укладку, полностью определяются последовательностью аминокислотных остатков, соединенных в линейную цепочку пептидной связью – его первичной структурой. Таким образом, любой полипептид можно полностью задать словом, длина которого равна количеству аминокислотных остатков и в котором используется 20 букв, каждая из которых соответствует одной аминокислоте (забудем пока для простоты про селеноцистеин). Этот простой, «буквенный» способ хранения и передачи информации и задействован в живых организмах – вся информация о первичной структуре белков содержится в ДНК, а ее главная функция как раз и состоит в хранении и передаче именно этой информации.

Заметим, что можно построить 20ⁿ полипептидов длиной n. Причем, если буквы написать в прямом и строго обратном порядке, это не будет один и тот же пептид, так как концы его будут различаться: в одном случае это свободная кислотная группа, в другом – аминогруппа. Это очень большое число! Допустим, для пептида длиной в 100 аминокислотных остатков – а по биологическим меркам это будет очень короткий пептид – оно составит приблизительно 1,27 х 10¹³⁰. Так что в практическом отношении разнообразие белков безгранично.

Каждая полипептидная цепь более или менее характерным образом организована в пространстве. За эту организацию ответственны не пептидная связь аминокислотных остатков, а иные связи и взаимодействия. Прежде всего, атом водорода, связанный с атомом азота, вовлеченным в пептидную связь, может образовывать водородную связь с атомом кислорода, также вовлеченным в пептидную связь, но в другом месте. Эти связи укладывают полипептидную цепь определенным образом. Такая укладка за счет водородных связей между амино- и карбоксильными группами, участвующими в формировании пептидной связи, называется вторичной структурой. Когда принципиальное устройство белков было выяснено, ученые начали строить модели вторичной структуры и нашли два удачных варианта, в которых водородные связи образовывали регулярную вторичную структуру, которая, казалось бы, могла неограниченно продолжаться (рис. 3.4). Одна из них – спиральная (так называемая альфа-спираль), другая – плоская (так называемые бета-складки). Однако оказалось, что боковые радикалы многих аминокислотных остатков вносят такие возмущения во вторичную структуру, что в реальных белках встречаются только довольно небольшие фрагменты альфа-спиралей, а бета-складки реализуются редко и только при определенном аминокислотном составе.

Следующий уровень оганизации белков – их третичная структура – общая укладка полипептидной цепи в пространстве. Она целиком определяется боковыми радикалами аминокислот. Прежде всего это касается остатков цистеина, которые, как сказано выше, способны образовывать ковалентную S–S связь. Это единственная ковалентная связь, участвующая в формировании третичной структуры белков, все остальное достигается другими способами. Радикалы неполярных аминокислот в водной среде имеют тенденцию слипаться друг с другом (за счет упоминавшихся в предыдущей лекции гидрофобных взаимодействий). Такое слипание сворачивает белок в глобулы – некие компактные образования. Неполярные же радикалы заякоривают белки в гидрофобном слое клеточных мембран. Участки, богатые полярными аминокислотами, в водной среде, наоборот, стремятся развернуться как можно сильнее – за счет этого они обычно не имеют устойчивой третичной структуры. Однако между некоторыми полярными радикалами возможны водородные связи.

Наконец, если белок включает несколько полипептидных цепей, одинаковых или разных, которые объединяются друг с другом (при помощи тех же взамодействий боковых радикалов аминокислот), то это называется четвертичной структурой белка.

На рис. 3.5 схематически показана третичная и четвертичная структура белка гемоглобина. Это белок из красных кровяных телец, который обратимо связывается с кислородом и переносит его с током крови. В виде красной пластинки изображен так называемый гем – комплексная молекула с ажурным органическим каркасом и атомом железа посередине. Именно гем и связывает молекулу кислорода. Гем ковалентно присоединяется к полипептидной цепи, называемой глобин. Существует несколько типов глобинов, два из которых участвуют в создании гемоглобина. Четыре полипептидных цепи глобина, по две двух типов, каждая будучи связанной с гемом, формируют тетрамер, которым, собственно, и является гемоглобин.

Как видим, вторичная структура белков образована слабыми водородными связями, а в третичной и четвертичной только S–S-мостики представляют собой ковалентные связи, остальное же определятся опять-таки слабыми водородными связями и гидрофобными либо ионными взаимодействиями. Все эти слабые связи легко разрушаются при нагревании. Потеря белком своей вторичной, третичной и четвертичной структуры называется денатурацией. Денатурация бывает обратимой и необратимой. Обратимая восстанавливается при возвращении температуры в норму, необратимая – нет. Все, что связано с приготовлением мясной пищи, – это необратимая денатурация белков. Приготовление творога – тоже необратимая денатурация, сопровождающаяся склеиванием молекул казеина, – коагуляцией. Денатурацию может вызвать не только нагревание, но и, к примеру, изменение ионного состава среды.

Белки бывают большие и маленькие. Некоторые водорастворимые белки невелики – всего около сотни аминокислот. Рекордсменом среди белков, синтезируемых в виде единой полипептидной цепи, является титин. Он состоит из 26 926 аминокислотных остатков (молекулярная масса – 2 993 килодальтон, а 1 дальтон – это приблизительно масса нуклона, т. е. протона или нейтрона). Причем в момент синтеза его длина составляет 34 350 аминокислотных остатков, но после синтеза он определенным образом укорачивается. Эта полипептидная цепь в длину превосходит 1 микрометр. (Кстати, если кто-то еще не вник в то, какой мелочью мы занимаемся, тот может прикинуть длину полипептида в 100 аминокислотных остатков – в 270 раз меньше!) Это важный компонент поперечнополосатой мускулатуры, своеобразные пружины, которые обеспечивают мышцам остаточное натяжение покоя. Кстати, его полное химическое название состояло бы из 189 819 букв и, по-видимому, являлось бы самым длинным словом в европейских языках.

Мы помним, что строение углеводов имеет разные особенности, которые очень плохо ложатся на обыденный человеческий ум: при каком атоме находится кислород с двойной связью; как именно образуется циклическая форма, как направлены все четыре гидроксильные группы относительно цикла; какие атомы углерода вовлечены в гликозидную связь. Все это требует достаточно сложных описаний и схем, особенно в случае нерегулярных олигосахаридов. В то же время по своим физико-химическим свойствам углеводы не особенно разнообразны. Устройство же белков достаточно простое и логичное, но достигаемое разнообразие на практике мало отличается от бесконечного. Нужно запомнить 20 боковых радикалов аминокислот, а дальше можно просто записывать последовательность их чередования в виде последовательности букв, и свойства белка будут заданы. (Впрочем, условия «правильного» синтеза в клетке «помогают» многим белкам принять «правильные» третичную и четвертичную структуры, тогда как последовательность аминокислот предполагает возможность нескольких вариантов.) Приведем такую аналогию: работа с белками и углеводами отличается примерно так же, как игра на фортепиано и скрипке – в одном случае имеется одна клавиатура, в другом – параллельные струны с возможностью континуального извлечения разных тонов.

При единообразном в своей основе устройстве белков их свойства могут быть самыми диковинными, а -функции удивительно многообразны. Для простоты начнем с конца – со структурной функции. Какие вы знаете белки, выполняющие структурную (механическую или защитную) функцию?

Пример, в буквальном смысле лежащий на поверхности. Кератин – белок, из которого состоят волосы, рога, копыта, ногти, роговой слой кожи, роговица глаза. Это вещи очень прочные и химически инертные – ни в чем не растворимы, гидролизовать крайне трудно. Разве что горят. Полипептидная цепь кератина свернута в правую альфа-спираль. Две такие молекулы закручиваются в левую суперспираль. Такие суперспирали, в свою очередь, соединяются попарно и получается протофибрилла, и 8 протофибрилл образуют фибриллу. В составе коллагена очень много цистеина – единственной аминокислоты, которая, как вы помните, формирует ковалентные сшивки между разными полипептидными цепями.

Далее вспомним произведения искусства членистоногих – шелк и паутину. Их образует фиброин – тоже очень прочный белок. В структуре этого белка большую роль играют бета-складки.

Коллаген и эластин – белки, которые формируют соответственно нерастяжимые и эластичные нити в межклеточном веществе соединительной ткани. Они придают прочность внутренним органам, из них состоят связки. Аминокислотный состав коллагена также довольно необычен; 33,5 % составляет самая простая аминокислота – глицин, 11 % – следующая по простоте алифатическая аминокислота аланин, 10 % – иминокислота пролин, которая резко изгибает полипептидную цепь, а еще 9 % приходится на модификацию пролина – гидроксипролин. В его последовательности многократно повторен мотив «глицин – пролин – Х», где Х чаще всего представлен аланином или гидроксипролином. Молекулы коллагена формируют трехспиральные нити, причем они располагаются так, что эти нити могут продолжаться неограниченно долго. При кипячении трехспиральная структура частично разрушается (денатурирует), освободившиеся молекулы связывают довольно много воды. Мы получаем хорошо нам известный желатин, столь не похожий по своим физическим свойствам на коллаген.

Упоминавшийся выше титин также является структурным белком.

Менее общеизвестны, но еще более важны и универсальны белки, обеспечивающие внутриклеточную структуру. Белки образуют так называемый цитоскелет, поддерживающий форму клетки и взаиморасположение ее частей. Положительно заряженные гистоны взаимодействуют с отрицательно заряженной ДНК и формируют так называемый хроматин – нуклеопротеиновый комплекс, из которого состоят хромосомы. Белки принимают участие в формировании клеточных стенок бактерий (которые в основном образованы полисахаридами). Белки, которые формируют оболочку вирусов, также относятся к белкам со структурной функцией.

Белки, несущие положительно и отрицательно заряженные аминокислоты, тем самым попадают в класс амфотерных веществ. Такие вещества имеют свойства буфера – они способствуют стабилизации рН раствора. Поступающие в среду ионы водорода связываются с остатками отрицательно заряженных в норме аспарагиновой и глутаминовой кислот, вместо того чтобы повышать кислотность среды. ОН-ионы, наоборот, забирают протон от положительно заряженных аминогрупп лизина и аргинина, вместо того чтобы нейтрализовывать ионы водорода и тем самым создавать щелочную реакцию. В этом состоит одна из важных функций белков – буферная.

К буферной близки еще две функции – по удержанию влаги в условиях ее недостатка (у растений для этого есть специальные белки – дегидрины) и по предотвращению замерзания внутриклеточной среды при низкой температуре (т. е. функция антифриза). Эти функции выполняют белки, состоящие в основном из полярных аминокислот. При помощи водородных связей они связывают большое количество молекул воды, предотвращая их испарение или кристаллизацию.

Функция питательного ресурса. В организме белки как правило не используются в качестве энергетического резерва. Это было бы крайне нерационально, все равно как использовать нефть в качестве топлива. Однако питательный белок содержится в молоке. Как вы понимаете, растущему детенышу нужна и энергия, и материалы для построения своего организма, а он строится в основном из белков. Питательный белок молока называется казеин. Что любопытно, казеин – это то же самое, что столярный клей. Бесценный аминокислотный ресурс для одних может выполнять грубую механическую функцию для других. В семенах растений присутствуют так называемые запасные белки, которые также служат резервом готовых аминокислот для построения белков быстро растущего проростка. А в яйцеклетках животных большое количество аминокислот запасено в белках желтка.

Транспортная функция. Мы уже упоминали гемоглобин. Это белок, который обратимо связывается с кислородом – при этом большая часть молекул оказывается связанной с ним там, где кислорода много и свободной от него там, где кислорода мало. На этом основан перенос кислорода в крови. Многочисленные, разнообразные и весьма сложные белки осуществляют перенос разнообразных веществ из одной части клетки в другую.

Функция движения. Все движения в живом мире осуществляются белками. Определенные белки изменяют свою конформацию в ответ на определенные химические изменения. Актин и миозин, обеспечивающие мышечные сокращения, – белки. Жгутики бактерий и простейших также приводятся в движение белками.

Но все перечисленные выше функции можно смело назвать второстепенными. Большинство из них появляются только у достаточно сложных организмов. Главная функция, которую выполняет большинство белков, в том числе и у самых просто устроенных организмов, – это ферментативная функция. В химии есть понятие – катализатор. Катализатор – вещество, облегчающее протекание какой-либо химической реакции. Само оно либо не принимает участия в этой реакции, либо в ходе сложной реакции восстанавливается. Суть в том, что оно в ходе реакции не расходуется. Катализаторы очень важны в химических технологиях, в особенности для реакций с участием газов, и обычно представляют собой вещества, часто с участием нескольких металлов, с очень развитой поверхностью. Биологические системы целиком основаны на химическом катализе, причем подавляющую часть биологических катализаторов представляют собой белки. Белки, обладающие каталитической функцией, называются ферментами или энзимами. Оба этих слова образованы от слова «закваска»: fermentum по-латыни и ζυμε – по-гречески, у нас больше прижилось слово «фермент», в английском – enzyme.

Задачей каждого фермента служит осуществление одной (иногда более) химической реакции. Это может быть превращение двух молекул в одну, одной – в две или преобразование молекулы из одной в другую, т. е. осуществление некоей элементарной реакции. Но бывает, что ферменты осуществляют и очень сложные реакции, например удвоение цепи ДНК. Молекула или молекулы, вступающие во взаимодействие с ферментом и как следствие подвергающиеся химическим превращениям, называются субстратом (субстратами) данного фермента. Молекула или молекулы, возникающие в результате реакции, называются продуктами данной ферментативной реакции (почему-то не принято говорить «продукт фермента»). В любом случае каждый фермент специально рассчитан на определенную реакцию, т. е. субстратами для него служат какие-то строго определенные молекулы, либо семейства молекул, имеющих сходные или идентичные части. Таким образом, каждый фермент в той или иной степени специфичен.

Как работает фермент? У каждого фермента есть как минимум один активный центр. Обычно это несколько строго определенных боковых радикалов аминокислот, расположенных в строго определенной пространственной ориентации по отношению друг к другу. Если они и располагаются рядом в пространстве, то совершенно не обязательно, что находятся рядом в полипептидной цепи, и, как правило, это совсем не так. Ориентация радикалов активного центра достигается укладкой всей белковой молекулы, так что часто длинные участки полипептидной цепи с более или менее жестко фиксированной последовательностью служат только для правильной ориентации нескольких строго определенных аминокислотных радикалов. Радикалы активного центра расположены так, что молекула субстрата обладает к ним сродством, образно говоря – подходит как ключ к замку. Как правило, это притяжение между определенными атомами субстрата и определенными атомами радикалов активного центра. Первая стадия ферментативной реакции состоит в связывании молекулы субстрата с активным центром. Обычно в результате связывания несколько изменяется конформация как фермента, так и субстрата, т. е. чисто механически меняется характер пространственной укладки их молекул. При этом определенные химические группы оказываются в таком взаимном расположении, что они должны прореагировать друг с другом, – это как раз и происходит. После такого химического превращения продукт (продукты) реакции освобождают активный центр. Таким образом, каждая ферментная реакция состоит из трех частей – формирование фермент-субстратного комплекса, химическое превращение субстрата в продукт и диссоциация продуктов и фермента. Часто реакция образования комплекса вполне обратима, а реакции превращения и диссоциации необратимы, но многие ферментативные реакции обратимы полностью.

Если субстратов несколько, то реакция протекает сложнее, но по тем же самым принципам.

Активный центр многих ферментов содержит вещества, которые не относятся к белкам. Они присоединяются к белку (обратимо или необратимо) уже после их синтеза. Если такие вспомогательные вещества пришиты к ферменту ковалентно, они называются простетическими группами, если ассоциированы обратимо (за счет ионных связей, к примеру) – кофакторами, или коферментами. Рассмотренный выше гем у гемоглобина – это простетическая группа. Коферментами является большинство наших витаминов. Наш организм (в отличие от растительного и бактериального) не умеет их делать сам и вынужден получать с пищей. Но их много и не надо, так как в ходе ферментативных реакций витамины не расходуются.

Часть ферментативных реакций идет без затраты энергии. Это означает, что реакция переводит молекулы из менее энергетически выгодного в более энергетически выгодное состояние или же состояния до и после реакции энергетически эквивалентны. Однако самопроизвольно такая реакция не идет или идет крайне медленно из-за кинетических ограничений – вероятность, что молекулы субстрата случайно сориентируются таким образом и примут такую конформацию, что смогут прореагировать, необыкновенно низка (вплоть до того, что это практически невозможно). На самом деле формирование фермент-субстратного комплекса требует некоторых затрат энергии. Однако этот энергетический барьер (количество энергии, которое нужно затратить на производство комплекса) невелик и не превосходит энергию, выделяющуюся в результате реакции, а необходимая энергия поставляется простым тепловым движением молекул.

Однако очень многие химические реакции идут с затратами энергии, т. е. переводят вещества из термодинамически более выгодных в менее выгодные состояния. Это означает, что для требуемого превращения веществ необходимо затратить работу, причем часто это чисто механическая работа по перемещению определенных химических групп в реакционноспособное состояние. Например, против электростатических сил или против сил упругости, возникающих при деформации той оптимальной конфигурации молекулы, которая определяется задействованными в ней химических связей. Энергия для этой работы должна быть привнесена в реакцию извне. Универсальным энергоносителем и конвертируемой валютой в биохимических процессах является так называемая АТФ (аденозинтрифосфат) – о ней несколько позже. Так вот, ферменты, осуществляющие реакцию с затратой энергии, имеют еще и специальный энергетический центр, который связывается с молекулой АТФ. Связав молекулу АТФ, активный центр отщепляет от нее одну или две фосфатные группы, а энергия, запасенная в связях фосфора с кислородом, идет сначала на изменение конформации молекулы фермента и его активного центра и как следствие этого изменения – на осуществление работы по превращению субстрата в продукт. Следовательно, такие ферменты катализируют сразу две сопряженные реакции – отщепление фосфатных групп от АТФ и свою специфическую реакцию, что сопровождается переносом энергии от первой реакции ко второй. Эти реакции согласованы, т. е. происходят только когда оба активных центра связаны с соответствующими субстратами.

Наконец, у многих ферментов есть еще один центр, он связывается с веществом – конечным продуктом цепочки реакций, в которых данный фермент участвует. Связывание продукта меняет конформацию фермента и делает его нереакционноспособным, т. е. он ингибирует (подавляет) фермент. Таким образом происходит регулировка всего процесса по принципу отрицательной обратной связи – избыток конечного продукта тормозит реакцию на каких-то ранних стадиях.

Ферменты принято называть по названию субстрата и реакции, которую они осуществляют, с прибавлением суффикса «аза». Поэтому где встретите какую-нибудь «Азу», значит, это фермент. По характеру катализируемых реакций ферменты можно разделить на шесть групп:

– гидролазы осуществляют гидролиз;

– лигазы сшивают две молекулы в одну;

– трансферазы переносят химические группы с одной молекулы на другую;

– лиазы отщепляют или присоединяют небольшие группы атомов (в частности, фосфорилазы отщепляют фосфатную группу, а киназы присоединяют);

– изомеразы осуществляют перестройки внутри молекул.

– оксидоредуктазы переносят электроны, окисляя один субстрат и восстанавливая другой;

Эффективность ферментов как молекулярных устройств поразительна. Во всех учебниках приводится скорость работы фермента уреазы, который выделяется бактериями и расщепляет мочевину на углекислый газ и аммиак. Одна молекула фермента за секунду расщепляет 30 000 молекул мочевины. Самопроизвольное расщепление такого количества молекул при тех же «нормальных условиях» потребовало бы 3 млн лет. Таким образом, мы получаем представление о том, что такое биологический катализатор и как именно данный фермент ускоряет реакцию.

К ферментам близки белки-рецепторы – белки, которые связываются с сигнальными веществами, например гормонами. Гормоны передают через кровь некий химический сигнал определенным клеткам. На поверхности этих клеток есть белки-рецепторы, которые связываются с гормоном и передают сигнал в клетку. Как и в случае с ферментом, здесь имеет место специфическое связывание субстрата с активным центром рецептора, что влечет за собой определенные изменения в рецепторе химического, электрического или механического характера, посредством которых сигнал передается дальше. Рецепторы участвуют в передаче возбуждения через синапсы – места контакта нервных клеток. Они связываются с медиаторами – веществами, передающими сигнал между клетками. Таким образом, нервный импульс, будучи в пределах одной нервной клетки электрохимическим явлением, передается на следующую клетку через чисто химического посредника. Бывают, однако, рецепторы не только к химическим сигналам, но и к физическим – свету, механическому напряжению. На них основан механизм действия органов чувств.

Иммунная система человека основана на белках, которые необратимо связываются с чужеродными (иногда, к сожалению, и своими тоже) веществами, переводя их тем самым в неактивную форму. В основе их действия, как и в случае ферментов и рецепторов, лежит специфическое химическое узнавание и связывание. Принцип их действия тот же самый, но несколько проще – отсутствует момент химической трансформации субстрата, так как целью здесь является только его связывание.

Поговорим еще о ферментах, имея в виду, что многое будет справедливо и для рецепторов. Работа каждого фермента рассчитана на определенные условия. Прежде всего, рН среды. Чтобы фермент имел рабочую конформацию, его полярные аминокислотные радикалы должны быть определенным образом заряжены. К примеру, если фермент рассчитан на нормальную рН, а его поместить в кислую, где много положительно заряженных ионов водорода, то остатки аспарагиновой и глутаминовой кислот потеряют свой отрицательный заряд и конформация молекулы изменится. Однако некоторые ферменты, допустим фермент пепсин, расщепляющий белки у нас в желудке, рассчитаны на крайне кислую среду. Крайне важный фактор – температура. Существует закон Аррениуса, согласно которому увеличение температуры на 10^о С ускоряет все химические процессы приблизительно в 2 раза. В принципе, ферментативные реакции подчиняются этому закону. Однако «правильная» структура фермента обеспечивается в том числе и довольно слабыми связями. В частности, очень велика роль водородных связей. При температуре выше «расчетной» эти связи начинают разрушаться – белок денатурирует. Таким образом, у каждого фермента существует температурный оптимум активности и температурный диапазон, часто достаточно узкий, в котором реакция в принципе возможна. У некоторых археобактерий, живущих в горячих источниках на дне океана (где еще и давление высокое), этот оптимум может находиться в районе 120 ^оС.

Таким образом, ферменты – это специализированные и в высшей степени эффективные станки биологического конвейера, ответственные каждый за какую-то одну операцию. Работа конвейера тонко налажена, а результаты – поражают воображение. Достаточно вам посмотреть друг на друга и подумать, как такое возможно было сделать. И вот, к примеру, Вы – диверсант и перед Вами стоит задача сорвать данное производство. Как бы Вы стали это делать? Нет, есть способы похитрее, чем, подобно луддитам, разрушать их тотально (кстати, способ весьма трудоемкий). Все помнят анекдот про суровых русских мужиков? Которые подсовывали лом в японскую пилораму? Такой же лом можно подсунуть и в фермент. Это должно быть вещество, настолько похожее на субстрат, чтобы связаться с активным центром и в то же время достаточно на него не похожее, чтобы фермент не мог с ним ничего сделать. Тогда процесс заканчивается образованием фермент-субстратного комплекса, с которым далее ничего не происходит. Если такого вещества достаточно, чтобы блокировать большинство молекул фермента, ферментативная реакция останавливается. Это называется конкурентное ингибирование. Именно такими псевдосубстратами и является большинство ядов.

В 1930–1940-е гг. было осуществлено замечательное издание «Флора Казахстана». Его редакторы в соответствии с тогдашней идеологией заботились о том, чтобы максимально охарактеризовать хозяйственное значение каждого растения. Читаем про аконит джунгарский. Хозяйственное значение: «Применяется в качестве отравы для волков». Читаем про аконит анторовидный. Хозяйственное значение: «Применяется как противоядие при отравлении аконитом джунгарским». Токсин аконита – это в основном алкалоид аконитин. Он связывается с белком, выполняющим функцию натрий-калиевого насоса, т. е. регулирующим концентрацию этих ионов внутри и вне клетки, и тем самым блокирует передачу возбуждения в мышцах. И вот смотрите: один аконит является противоядием от другого. Ясно, что речь идет о родственных веществах. Одно из них – сильнейший токсин. Другое явно более слабый токсин – раз противоядие, т. е. его связывание с белком гораздо слабее. Но можно предположить, что если его принять много, то его молекулы способны вытеснять молекулы предыдущего из того центра белка, с которым они связывались, тем самым его освобождая.

Ферментную машину можно не только испортить. Она может сойти бракованной с конвейера. Во всех учебниках приводится классический пример серповидноклеточной анемии – наследственной болезни, распространенной в Африке. У людей с этим заболеванием эритроциты имеют форму не двояковогнутой линзы, а неправильного полумесяца. Их прохождение по капиллярам затруднено, они хрупкие и они плохо выполняют функцию транспорта кислорода. Как выяснилось, болезнь связана с одной-единственной аминокислотной заменой в одном из глобинов - полипептидов, формирующих гемоглобин, а именно в шестой с конца позиции остаток отрицательно заряженной глутаминовой кислоты заменен на неполярного остаток валина. В результате при недостатке кислорода не связанные с ним молекулы гемоглобина слипаются в цепочки, что и ведет ко всем печальным последствиям.

Понятно, что замена одной аминокислоты в таком важном месте, как активный центр, полностью блокирует функцию белка. В то же время замена где-то в боковой петле может вообще не иметь последствий – допустим, если важна только длина данной части молекулы. Такие функциональные ограничения, строго дифференцированные по длине полипептидной цепи, оказывают сильное влияние на эволюцию белков, которая, несмотря на ограничения, породила все многообразие белков в отдельно взятом организме, равно как у разных организмов. Разным белкам и разным частям одного белка позволено изменяться с разной скоростью и в разных пределах.

Приведем еще один (необычный) пример испорченного белка. Он имеет интригующую историю, включающую целых две Нобелевские премии, но не будем описывать всю интригу, а приведем сразу результат. Возможно, вы помните, как в связи со случаями так называемого коровьего бешенства, передававшегося человеку, в континентальной Европе была запрещена продажа говядины из Британии. Суть в том, что у некоторых коров возникала смертельная болезнь, сопровождавшаяся расстройством координации движений. Произошло несколько случаев заражения людей, предположительно употреблявших в пищу мясо больных коров. Выяснилось, что коровы заполучили ее через костную муку, сделанную из овечьих костей, которой их подкармливали. Овцы страдают такой же болезнью под названием «скрепи» (однако запрещения употребления баранины людьми не наблюдалось. Наверное, в этой истории было больше политики, чем заботы о здоровье). К болезням той же этиологии относятся два синдрома человека, характеризующиеся дегенерацией либо коры головного мозга, либо мозжечка и спинного мозга (со всеми вытекающими последствиями), а кроме того, так называемая смертельная семейная бессонница. И сюда же относится болезнь куру, распространенная среди каннибалов Новой Гвинеи, которая сопровождается дегенерацией мозжечка и потерей координации движений и передается с мозгом съеденных людей. Эти болезни характеризуются медленным, но совершенно неотвратимым течением с обязательным смертельным исходом. Одно время казалось, что болезнь вызывает паразит чисто белковой природы, который умеет воспроизводить себя без участия нуклеиновых кислот – так называемый прион. Однако выяснилось, что прион – это белок, который не может воспроизводить себя, но способен передавать свое состояние – особую конформацию. В норме этот белок находится на поверхности нервных синапсов (соединений нервных клеток, через которые передается импульс). У этого белка есть правильная и неправильная конформации. (Как видите, первичная структура не всегда определяет конформацию белка однозначно!) При синтезе в клетке он принимает правильную конформацию. Однако есть и неправильная конформация, при которой он не сидит на мембране, а накапливается внутри клетки и блокирует ее работу. Оказалось, что неправильная конформация весьма устойчива к термической обработке и не подвержена действию ферментов, расщепляющих белки в желудочно-кишечном тракте, из которого такая молекула может попасть в организм. Неправильная конформация «заразна», т. е. если откуда-то берется молекула с неправильной конформацией, то эта конформация постепенно передается другим молекулам. В результате нервные клетки одна за другой выходят из строя. Людоеды получают такой «подарок» с пищей. Те, кто ели «заразную» говядину, – тоже. Однако от приона другого вида неправильная конформация передается с трудом. Откуда вообще берется изначальная «зараза» – молекула с неправильной конформацией? Оказывается, как и в случае гемоглобина при серповидно-клеточной анемии, все дело в наследственной изменчивости этого белка. Иногда прионовые болезни возникают (а они возникают уже в зрелом возрасте) у родственников, т. е. явно наследуются. Определенное изменение первичной структуры этого белка (одним словом, мутация) делает молекулу предрасположенной к неправильной конформации, которую она может принять самопроизвольно. Такого человека, корову или овцу есть не рекомендуется. Этот пример показывает, как важна конформация белка, как важна изменчивость его первичной структуры и какие подводные камни может таить в себе людоедство.

В заключение следует обратить внимание на одну характерную особенность белкового биологического конструктора. Упоминавшийся выше гигантский белок титин состоит из нескольких сотен повторенных без особого порядка участков, последовательность которых похожа на участки двух других белков: иммуноглобулина, обеспечивающего иммунитет (размер участка – около 90 остатков) и фибронектина – структурного белка, ответственного за связывание клеток с внеклеточным белковым каркасом – тем же коллагеном, принимающим участие в свертывании крови и т. д. (размер участка – немногим больше 40 остатков). Получается, что белок, обеспечивающий упругость мышц, наполовину состоит из кусочков белка, обеспечивающего иммунитет! Другими словами, при его «конструировании» был использован готовый фрагмент, механические свойства которого оказались подходящими, и не важно, что он первоначально служил совсем для другого.

Имеются и более поразительные примеры. Вы знаете, что в глазу есть эластичная линза – хрусталик. Она тоже делается из специальных водорастворимых белков – кристаллинов. Технические требования к ним – это определенные коэффициент преломления и механические свойства. Выяснилось, что все кристаллины представляют собой либо те или иные работающие ферменты, либо белки, явно произошедшие от ферментов. Дельта‑кристаллины, присутствующие у птиц и крокодилов, представляют собой фермент аргининсукцинатлиазу, причем молекула сохраняет свою ферментативную активность, совершенно не нужную в хрусталике. Птичий тау-кристаллин одновременно является ферментом альфа-энолазой в других тканях. Эпсилон-кристаллин представляет собой активную лактат-дегидрогеназу. Омега-кристаллины головоногих моллюсков возникли из альдегид-дегидрогеназы (запоминать названия ферментов не нужно, они приведены здесь для документальности и чтобы еще раз подчеркнуть умопостигаемую сложность предмета). Группа, исследующая происхождение кристаллинов, применяет термин «рекрутирование» – кристаллины рекрутируются из ферментов. Таким образом, сложнейшие биохимические машины, предназначенные для осуществления тонких биохимических реакций, использованы здесь как «пушечное мясо» – просто как вещества с определенными оптическими и механическими свойствами.

Поскольку конструкция живых организмов никем не проектировалась специально, а все возникло из закрепления случайно возникших жизнеспособных вариантов, биологи постоянно сталкиваются с конструктивными решениями, полученными по принципу Тришкиного кафтана. Но так как система сложная и у кафтана имеется огромное количество рукавов, удачное решение всегда можно найти и по такому принципу.

Лекция 4. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Мир нуклеиновых кислот довольно противоречив. С одной стороны, структура ДНК являет нам апофеоз красоты и логики, так что один из многих (подчеркнем это) первооткрывателей этой структуры Френсис Крик воскликнул: «Это слишком красиво, чтобы не быть правдой». По этой самой причине опубликование даже одной только неподтвержденной модели вызвало катарсис у всех без исключения биохимиков и в общем-то биологов, после чего молекулярная биология стала развиваться лавинообразно, причем этот взрыв еще не закончился. С другой стороны, в клетках, похоже, существует некая «теневая экономика» коротких молекул РНК, до недавнего времени ускользавших от внимания ученых. Роль их, судя по всему, огромна, но об этом стали догадываться только сейчас. И наконец, РНК выступает там и здесь в разных и неожиданных ролях, что позволяет ученым заподозрить, что мы имеем дело с остатками былого величия, в основном вытесненного простой и могучей белковой химией. Принцип работы нуклеиновых кислот как носителей информации очень хорошо ложится на ум, особенно после изобретения магнитофонов и компьютеров (но больше – первого), само же их строение выглядит несколько, скажем так, вычурным. Тем не менее, именно с этих молекул началась жизнь в том смысле, в котором мы определили ее на первой лекции.

Нуклеиновые кислоты построены из трех элементов, имеющих довольно мало общего между собой: гетероциклические азотистые основания; пятичленный сахар рибоза или дезоксирибоза; фосфорная кислота. Кислотами они являются из-за остатков фосфорной кислоты.

Рассмотрим сначала азотистые основания. Они представляют собой молекулы, включающие циклы с чередующимися двойными связями, образованные атомами углерода и азота. Азотистые основания делятся на два типа (рис. 4.1):

1) производные пурина – вещества, состоящие из двух сконденсированных (смежных) циклов – шести- и пятичленного, для простоты их иногда называют «пурины». Пурин родствен таким веществам, как никотиновая кислота (ее производные чрезвычайно важны в энергетике клетки), кофеин и мочевая кислота (продукт азотистого обмена, выделяемый за пределы организма птицами, насекомыми и прочими организмами, которые экономят воду на выделении);

2) производные пиримидина – одинарного шестичленного цикла.

В живых системах встречается два пурина – аденин и гуанин, и три пиримидина – цитозин, тимин и урацил.

В нуклеиновых кислотах азотистые основания через определенный в каждом случае атом азота соединены с первым атомом углерода циклической пентозы – рибозы (в РНК) или дезоксирибозоы (в ДНК). Пентоза, в свою очередь, своим пятым (находящимся вне цикла) атомом углерода соединена с остатком фосфорной кислоты сложноэфирной связью. Так образуется нуклеотид – молекула, состоящая из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты (рис. 4.2).

Нуклеотиды – это и есть мономеры полимерных нуклеиновых кислот. Однако сначала следует упомянуть, что некоторые мономерные и димерные нуклеотиды являются одними из самых важных биологических молекул, вовлеченных в энергетическую систему клетки. И пожалуй, самым важным веществом здесь является аденозинтрифосфат – АТФ (рис. 4.3).

Связи остатков фосфорной кислоты друг с другом содержат в себе много энергии (и называются макроэргическими связями) и легко отдают ее при расщеплении. Чаще всего отщепляется монофосфат (тогда остается аденозиндифосфат, АДФ), иногда – дифосфат (и остается аденозинмонофосфат, АМФ). АТФ является универсальным энергоносителем для всех биологических процессов, которые идут с затратой энергии (иногда используется гуанозинтрифосфат (ГТФ), а синтез ДНК и РНК идет за счет трифосфатов всех соответствующих нуклеотидов). Причем правильнее сравнить АТФ даже не с универсальным энергоносителем, а с универсальной валютой, поскольку расходуется она счетно: как правило, одна молекула АТФ идет на любое химическое превращение одной молекулы чего угодно, требующее затраты энергии.

В процессах производства АТФ в энергетических системах клеток используются динуклеотиды, включающие несколько другие азотистые основания, чем те, что встречаются в молекулах ДНК и РНК.

Циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), в котором одна фосфатная группа связана с двумя атомами углерода рибозы, является почти универсальным внутриклеточным сигналом, регулирующим метаболизм.

Таким образом, роль этих странных веществ – нуклеотидов – весьма важна и разнообразна.

Перейдем к полимерным нуклеиновым кислотам. К ним относятся дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), их мономерами являются нуклеотиды. В ДНК входят нуклеотиды с дезоксирибозой, в РНК – с рибозой. Второе отличие – в составе азотистых оснований. В состав ДНК входит аденин, тимн, гуанин и цитозин; в состав РНК также входят четыре азотистых основания, но место тимина занимает урацил. Иначе говоря, различия касаются всего лишь наличия / отсутствия одной гидроксильной группы у сахара и метильной группы у одного из азотистых оснований.

Полимеры ДНК и РНК образуются за счет того, что одна из двух оставшихся кислотных групп остатка фосфорной кислоты у нуклеотида присоединяется к третьему атому углерода пентозы, а также через сложноэфирную связь, образуемую гидроксильной группой, которую этот атом несет как у рибозы, так и у дезоксирибозы. Получается цепочка, строение которой показано на рис. 4.4.

С ее полимерной частью все понятно. Разберемся, чем она кончается. На одном конце ее находится свободная фосфатная группа при пятом атоме пентозы, на другом – пентоза со свободным третьим атомом. При описании нуклеиновых кислот атомы углерода в азотистых основаниях принято нумеровать цифрами, а в пентозе – цифрами со штрихом. Так что в данном случае принято говорить о 5’- и 3’-концах молекулы, причем первый считается началом цепочки ДНК или РНК, а второй – концом.

Теперь нам необходимо ознакомиться со способностью азотистых оснований образовывать водородные связи друг с другом. Их конфигурация такова, что аденин может образовывать две водородные связи с тимином или урацилом, а гуанин – три водородные связи с цитозином, тогда как в прочих сочетаниях образование водородных связей не происходит в силу стерических (т. е. геометрических) причин (рис. 4.5). Иначе говоря, в указанных парах пурин – пиримидин и только в них основания подходят друг к другу – принято говорить, что они комплементарны.

Незадолго до открытия структуры ДНК американский ученый Эрвин Чаргаф обнаружил, что количество аденина в ДНК всегда равно количеству тимина, а количество гуанина – количеству цитозина и что общее количество пуринов всегда равно количеству пиримидинов. Сочетание этих правил Чаргафа с данными рентгеноструктурного анализа англичан Мориса Уилкинса и Розалинд Франклин, которые указывали на наличие спиральной структуры, и привело к созданию в 1953 г. Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком (они пользовались исключительно чужими данными и собственными объемными моделями простых молекул) знаменитой модели двойной спирали. Эта модель давно уже стала общеизвестной (рис. 4.6).

Напомним, что мы имеем дело с вещами, размер которых в сотни раз меньше длины волны света (диаметр двойной спирали – 2 нм, длина волны света – сотни нанометров), так что увидеть их принципиально невозможно при любом уровне оптической техники. ДНК можно увидеть только в электронном микроскопе, где вместо световых волн используется поток электронов, ведущих себя как волны с гораздо меньшей длиной.

Отметим один общий недостаток большинства наглядных моделей двойной спирали ДНК – на них азотистые основания показаны направленными прямо друг к другу, а полипентозные цепи – расположенными строго напротив друг друга. На самом деле, если мы вернемся к картинке с одними спаренными азотистыми основаниями, то увидим, что связи на сахар направлены под углом друг к другу. Поэтомув молекуле ДНК две полисахаридные цепи несколько сближены с одной стороны и разобщены с другой. Углубления по обе стороны от них, на дне которых находятся азотистые основания, называются соответственно большой и малой бороздкой ДНК. Если бы нуклеотиды располагались строго напротив друг друга, бороздки бы были одинаковы. (Эти бороздки очень важны – именно там некие специальные белки нащупывают информацию о том, с какого места нужно начинать свою работу по удвоению или расшифровке молекулы ДНК.)

Еще одно важное свойство, которое, возможно, ускользнуло от внимания при рассматривании картинок – антипараллельность: две цепи ДНК в двойной спирали направлены навстречу друг другу. Если молекулу ДНК обрезать, то на одном и том же конце двойной спирали одна цепочка закончится 3’-концом, а другая – 5’-концом.

Д. Уотсон и Ф. Крик опубликовали свою модель на двух страницах в журнале Nature и отказались ее обсуждать, написав, что важнейшие следствия из нее самоочевидны. Вот и вы попробуйте ответить, какие интересные и важные следствия можно сделать из структуры этой молекулы. Можно привлекать знания, полученные вами из «обыденной жизни», СМИ, уроков биологии, наконец.

1. Главное, что структура одной цепи может быть полностью и однозначно восстановлена по другой, за счет того, что цепи однозначно комплементарны. Процесс схематически представлен на рис. 4.7 (следует помнить, что это лишь иллюстрация принципа – в реальности все сложнее):

2. В каждой цепи мы имеем чередование тех же самых четырех нуклеотидов, причем на то, какой именно нуклеотид будет находиться в каждом конкретном месте, соседние нуклеотиды никак не влияют, т. е. стерических ограничений на соседство тех или других нуклеотидов не существует (это можно выяснить, имея дело с детальными объемными моделями, как у Д. Уотсона и Ф. Крика). Точно так же соседние буквы на бумаге сами по себе (без участия того, кто их пишет или читает) не влияют друг на друга. По сути, мы имеем очень длинную строчку, в которой в некоем порядке чередуются буквы четырехбуквенного алфавита. (Как говорится, ДНК – это всего лишь одно очень длинное четырехбуквенное слово – just one very long four-letter word.) Через ДНК можно передать очень много информации. В нашем алфавите 33 буквы, в английском – 28, компьютер пользуется двухбуквенным алфавитом (вся информация, с которой он работает, записана в последовательности нулей и единиц, или, если хотите, плюсов и минусов; в реальности – это направление намагниченности магнитного носителя, наличие/отсутствие заряда на кристаллах кремния или /отсутствие дырки на оптическом носителе), и при этом способен воспроизвести любое сообщение на русском и английском. Другими словами, для передачи любого сообщения достаточно двух букв. Чем больше букв в алфавите, тем короче будет длина сообщения фиксированного содержания, но тем больше времени нужно на обучение, тем более тонкие программы нужны для распознавания. Жизнь остановилась на четырех буквах – большее их количество, видимо, потребовало бы гораздо более сложных молекул и соответственно более громоздкого носителя. Сейчас мы увидим, какая именно информация в ДНК записана и как она реализуется.

Длина строчки впечатляет. Вы, наверное, знаете, что ДНК находится в хромосомах. Каждая хромосома представлена одной линейной молекулой ДНК. В самой большой хромосоме человека находится 2,5 млн нуклеотидов, а сама молекула достигает в длину около 10 см. Поскольку размер клеток много меньше миллиметра, она должна быть очень сложным образом упакована, так чтобы компактность сочеталась с работоспособностью.

Чтобы выяснить, как именно информация ДНК хранится и считывается, рассмотрим три важнейших процесса с участием нуклеиновых кислот: репликация, транскрипция и трансляция. Этимологически это будет значить: копирование, переписывание и перевод. Не совсем понятно, что такое переписывание – в нашем случае это будет перевод на другой диалект того же языка. Все эти процессы являются вариантами матричного биосинтеза – синтеза сложных нерегулярных полимеров по некоей матрице.

Репликация – копирование одной цепи ДНК по другой. В общем это происходит так: двойная спираль расплетается (в данном случае это тоже называется денатурацией) и каждая цепочка служит матрицей, по которой строится вторая, комплементарная цепочка двойной спирали. Таким образом, получается две двуцепочечных ДНК, у каждой из которых одна цепочка – старая, унаследованная от исходной молекулы, вторая – новая, построенная по ее образцу. Такой способ репликации называется полуконсервативным. (Консервативной называлась бы репликация, когда строилась бы целиком новая вторая молекула, при том, что старая сохранялась бы. Но ДНК так не поступает.)

Как и все в живых организмах, репликация осуществляется при помощи специального фермента, ДНК-полимеразы. Он расплетает ДНК и строит комплементарную цепь, однако умеет строить ее только в одном направлении – 5’ – 3’. Поэтому только одна новая цепь строится непрерывно. Другая строится в виде коротких фрагментов, нарастающих в направлении, противоположном общему направлению репликации, которые потом сшиваются другим специальным ферментом.

Начинается репликация также в строго определенных местах (которых существует много в хромосомах высших организмов, но всего одно – у бактерий), называемых origin.

Чтобы продемонстрировать хотя бы в малой степени реальную сложность предмета, отметим, что на самом деле все еще сложнее – ДНК-полимераза может строить новую цепь, только отталкиваясь от короткого фрагмента РНК (затравки), комплементарной ДНК. Эти затравки строит фермент РНК-полимераза, которая умеет строить цепочку без затравки (рис. 4.8). Кроме того, на обеих цепях новая цепочка строится одной и той же димерной молекулой ДНК-полимеразы, для чего ДНК изгибается в петлю (рис. 4.9).

Здесь мы впервые столкнулись, между прочим, со случаем технически неоправданной сложности молекулярно-биологических процессов. Раз можно сделать фермент, который строит без затравки вторую цепь РНК, наверняка можно было бы сделать и фермент, который может без нее строить вторую цепь ДНК. Но машина получилась такой, какая она есть, и раз она эффективно работает, необходимости замены ее на «более логичную» не возникло.

Мы рассмотрели, как ДНК удваивается. На удвоении ДНК основана передача наследственной информации – при делении клетки каждая из двух дочерних клеток получает идентичную копию ДНК (хотя бывают и ошибки копирования), а развитие и размножение организмов целиком основано на делении клеток. Обо всем этом мы будем говорить позже. Теперь же нам предстоит рассмотреть два молекулярных механизма – транскрипцию и трансляцию, при помощи которых эта информация «работает», т. е. реализуется в жизни клетки и организма. Не будет преувеличением сказать, что она реализуется через белки. ДНК прежде всего – инструкция по производству белков. А белки, как мы видели на прошлой лекции, уже делают в организме все остальное. Построить организм – это значит произвести его белки, только в нужном месте, в нужное время и в нужном количестве. Именно ДНК хранит информацию о структуре белков и о том, когда, где и сколько их будет синтезироваться.

В процессе построения белков по матрице ДНК огромную роль играет промежуточный посредник – РНК. Первая стадия этого процесса – всегда построение молекулы РНК по молекуле ДНК. Этот процесс называется транскрипцией. Однако молекула РНК может служить и самоцелью транскрипции, т. е. иметь определенную рабочую функцию (вплоть до ферментативной) и использоваться как таковая. В современном биологическом мире это довольно редкий случай. В то же время предполагается, что на заре становления жизни именно РНК, а не белки, обладали непосредственными биохимическими функциями, в том числе биокаталитическими.

Транскрипция, как и репликация, включает денатурацию – расплетание двойной цепочки ДНК и построение по одной из цепочек комплементарной цепочки РНК (рис. 4.10). Транскрипция идет в том же направлении, что и репликация – от 5’ к 3’. Все это делает сложный фермент РНК-полимераза. При этом синтезируемая цепочка РНК почти сразу же по мере своего построения сходит с ДНК, обе цепочки которой снова образуют двойную спираль – ренатурируют. Скорость транскрипции – около 50 нуклеотидов в секунду.

Процесс отличается от репликации, во-первых, тем, что напротив аденина ставится не тимин, а урацил. (Если говорить в терминах нуклеотидов, а не азотистых оснований, то напротив дезоксиаденозина ставится уридин). Иначе говоря, информация переводится с диалекта ДНК на диалект РНК. Во-вторых, тем, что формируется не две двойные спирали, а одноцепочечная РНК.

РНК считывается не со всей молекулы ДНК, а с какой-то ее небольшой части. И главная проблема транскрипции – это места на ДНК, с которых ее следует начать и на котором закончить, чтобы считать только тот участок ДНК, где записана нужная в данный момент информация. Они называются промотор и терминатор. Как и все на ДНК, эти места (принято говорить по-английски – сайты) определяются определенной последовательностью нуклеотидов. Кроме определенности эти последовательности часто отличаются преобладанием одних нуклеотидов над другими. Как правило, в промоторе преобладают нуклеотиды А и Т – они образуют по две водородные связи, и это облегчает расплетание двойной цепочки и доступ РНК-полимеразы. В терминаторе, как правило, больше нуклеотидов Г и Ц, которые образуют по три водородные связи и соответственно затрудняют продвижение РНК-полимеразы, связанное с расплетанием цепочки. В простейшем случае, который бывает реализован у бактерий, фермент РНК-полимераза умеет опознавать промотор по определенной конфигурации азотистых оснований. Она их буквально нащупывает в бороздке ДНК и с этого места начинает синтез РНК. Достигнув же терминатора, она сходит с ДНК и прекращает свою работу. У высших организмов в инициации транскрипции принимает участие множество специальных белков, которые распознают различные сайты, связываются с ними и тонко регулируют интенсивность транскрипции.

Молекула РНК, считанная с участка ДНК между промотором и терминатором, называется матричной РНК, или мРНК. (Однако если конечным продуктом является сама РНК, она называется в соответствии со своим типом, а не «матричной».) В последовательности ее нуклеотидов содержится информация о последовательности аминокислотных остатков в белке – принято говорить, что она кодирует этот белок. Отрезок ДНК, с которого считывается одна мРНК, принято называть цистроном. Однако часто (если одна мРНК не кодирует несколько разных белков) его называют просто геном.

Таким образом, мы здесь впервые встречаемся с довольно уже архаичным термином «ген», который был введен тогда, когда о том, что это такое, были еще весьма смутные представления. Потом понятие гена несколько раз уточнялось до тех пор, пока фактически стало ненужным. Тем не менее, оно осталось, причем в достаточно нестрогом употреблении. В настоящее время всякий раз, когда следует изъясняться точно, слово ген не используется. Но от него никуда не денешься в нестрогом обсуждении, даже вполне научном.

Процесс перевода с языка нуклеотидов на язык аминокислот называется трансляцией и происходит в рибосомах (рис. 4.11).

Рибосома – сложный молекулярный агрегат, состоящий из нескольких десятков специальных белков и нескольких специальных РНК. Если фермент можно назвать биохимическим станком, то рибосома – это целый конвейер станков. Рибосома состоит из двух частей (так называемых субъединиц), поэтому на рисунках ее зачастую изображают в виде молодого белого гриба. Перед началом трансляции матричная РНК должна встретиться с рибосомой. У бактерий это не составляет труда, так как рибосомы находятся поблизости от ДНК, с которой считывается мРНК.

У организмов, имеющих клеточное ядро, ДНК находится внутри ядра, а рибосомы – вне его. Чтобы быть доставленной к рибосомам, мРНК одевается опять-таки особыми белками и специальными короткими РНК (sРНК), да еще и переодевается потом в другие белки при выходе из ядра (все равно как если бы она выходила на улицу). Комплексы мРНК с этими белками и малыми РНК (РНП-частицы) даже получили специальное название – информосомы.

Матричная РНК связывается с рибосомой, оказываясь между большой и малой субъединицей. Она протягивается сквозь рибосому как магнитофонная лента сквозь воспринимающую головку, при этом в рибосоме синтезируется полипептидная цепь. Механизм ее синтеза очень непрост и в нем явно угадываются следы некоего совсем другого устройства первичной жизни, в котором РНК играла гораздо большую роль, чем белки.

Между матричной РНК и синтезируемым белком существуют посредники – транспортные РНК, или тРНК. Они называются так потому, что транспортируют аминокислоты в рибосомы. Это довольно короткие молекулы РНК, включающие одноцепочечные участки и участки, комплементарные друг другу, которые сворачиваются в отрезки двойной спирали, образуемые той же самой цепочкой (рис. 4.12).

Таких отрезков четыре; в том, что получается в результате, усмотрели аналогию с клеверным листом и примерно так тРНК и изображают. Пространственную конфигурацию тРНК, как и у белков, называют ее третичной структурой. Третичная структура тРНК несколько различается в зависимости от того, для какой аминокислоты она предназначена.

На вершине среднего листочка есть три нуклеотида, называемые антикодоном (объяснение такому названию дано далее). На конце же тРНК есть участок, к которому опять-таки специальные ферменты под названием аминоацил-тРНК-синтетазы прикрепляют аминокислоту. Эти ферменты таковы, что прикрепляют строго определенную аминокислоту к строго определенным тРНК, характеризующимися определенными третичной структурой и последовательностью нуклеотидов в антикодоне. Имеется 20 разных аминоацил-тРНК-синтетаз – по одной на каждую аминокислоту. Они распознают подходящую тРНК по ее третичной структуре. Данный процесс называется рекогниция – слово переводится как распознавание, поскольку аминоацил-тРНК-синтетаза должны распознать «свои» тРНК и аминокислоты.

Молекулы тРНК с аминокислотой на хвосте подходят к определенному месту рибосомы, на котором помещается также отрезок мРНК длиной в три нуклеотида. Та молекула тРНК, антикодон которой оказывается комплементарным этим трем нуклеотидам, связывается с ними посредством комплементарного спаривания. При этом три соседних нуклеотида на молекуле мРНК уже связаны с предыдущей тРНК. Определенный фермент в составе рибосомы, находяшийся напротив аминокислот, связанных с этими двумя тРНК, катализирует реакцию конденсации с образованием пептидной связи между этими аминокислотами. После ее образования та молекула тРНК, которая пришла раньше и находилась по соседству, освобождается от аминокислоты и отсоединяется от мРНК, а молекула мРНК вместе со связанной с ней тРНК, пришедшей позже, смещается на три нуклеотида относительно рибосомы, так что эта тРНК занимает место предыдущей. Эта последовательность событий повторяется раз за разом, в результате чего из аминокислот, приносимых транспортными РНК, строится полипептидная цепь. Заметим, что, если он идет некоторое время, тРНК, находящаяся «по соседству», оказывается связанной не с одной аминокислотой, а с нарастающей полипептидной цепочкой, а ее конец представлен той аминокислотой, с которой она была связана изначально. Эта цепочка (а не одна аминокислота) и переносится на каждую «новую» аминокислоту. Скорость трансляции – около 20 аминокислот в секунду.

Трансляция начинается с 5’-конца мРНК, и всегда не с самого начала мРНК, а с комбинации нуклеотидов АУГ (аденозин-уридизин-гуанозин) – либо самого первого (у высших организмов), либо идущего после определенной последовательности (у бактерий). Этой комбинации соответствует антикодон метиониновой тРНК. Поэтому у высших организмов первой аминокислотой в синтезирующейся цепи любого белка будет метионин. А у бактерий в начале цепи стоит даже не метионин, а его модификация с присоединенным остатком муравьиной кислоты – формилметионин. С окончанием трансляции все просто – она идет до такой комбинации из трех нуклеотидров, которой не соответствует никакая тРНК, а таковых существует три штуки. Впрочем, их опознают специальные белки – факторы терминации трансляции.

Итак, мы увидели принципиальную схему технологии производства белка. На что мы можем обратить внимание?

Во-первых, путь от ДНК к белку идет через двух посредников в виде двух типов молекул РНК – матричной и транспортной РНК (даже трех – принимают участие еще sРНК). Синтез белка идет в сложном цехе, в структуру которого входит еще несколько молекул РНК. Все это опять-таки подчеркивает глубинную и изначальную важность РНК в работе биологического механизма.

Во-вторых, белки с определенной последовательностью аминокислот строятся в соответствии с сообщением, записанном в определенной последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Скажите, какая именно часть этого сложного механизма осуществляет перевод с языка нуклеотидов на язык аминокислот? Та, которая обычно остается за кадром всех графических схем – аминоацил-тРНК-синтетазы. Именно эти ферменты «знают», к какой тРНК присоединить какую аминокислоту, и делают это.

В-третьих, существует определенная система этого самого перевода – как именно последовательность аминокислотных остатков в белках записывается в последовательности нуклеотидов нуклеиновых кислот. Эта система и обозначается знаменитым словосочетанием генетический код. Фактически мы познакомились с ним выше, когда рассматривали, как тРНК, несущие аминокислоту, подбираются по принципу комплементарности своего состоящего из трех нуклеотидов антикодона участку мРНК длиной также в три нуклеотида.

Как мы помним, нам нужно закодировать информацию о 20 аминокислотах. Иными словами, алфавит белков – двадцатибуквенный. Причем хорошо было бы еще иметь специальные знаки препинания – сигналы начала и конца пептидной цепочки. (Отметим, что знак препинания для конца цепочки существует, а для начала – нет. В точности как в нашем письменном языке!) А в нуклеиновых кислотах мы имеем всего четыре буквы – А, Т, Г, Ц (или в диалекте РНК – А, У, Г, Ц). Одной буквы явно не хватает, чтобы закодировать 20 аминокислот. Какой здесь можно найти выход? Да, использовать сочетания букв. Возьмем сочетания двух букв. Поскольку у нас важен и порядок букв, таких разных сочетаний будет 4 х 4 = 16. Маловато. А если три буквы: 4 х 4 х 4 = 64? Больше чем достаточно. В принципе, могло бы быть и еще больше, но тогда мы имели бы слишком большую информационную избыточность. Жизнь не пошла по этому нерациональному пути и остановилась на трех буквах. В процессе трансляции именно три нуклеотида характеризуют антикодон тРНК, несущей определенную аминокислоту. Последовательность из трех букв называется триплетом, поэтому генетический код является триплетным.

Каждое сочетание трех смежных нуклеотидов, которое кодирует аминокислоту, носит название кодон. Заметим, что не всякая последовательность нуклеотидов что-то кодирует, т. е. не всякий триплет является кодоном. Как следует из механизма трансляции, если шесть нуклеотидов кодируют две аминокислоты, то три смежных нуклеотида со второго по четвертый или с третьего по пятый не кодируют ничего (это следует из механизма трансляции). Кодонами в нашем случае будут только нуклеотиды с первого по третий и с четвертого по шестой. Таким образом, у генетического кода есть свойства непрерывности и неперекрываемости – в осмысленной последовательности нуклеотидов кодоны идут друг за другом впритык – первые три, следующие три и т. д. Если бы соседние кодоны перекрывались, возможности кода были бы ограниченными.

Каждому кодону соответствует какая-то аминокислота (трем кодонам не соответствует никакая аминокислота – это так называемые стоп-кодоны, на них синтез белка обрывается). Обратное, естественно, неверно – как мы видели, кодонов более чем втрое больше, чем аминокислот. Так что на большинство аминокислот приходится больше, чем один кодон. Это свойство генетического кода называется вырожденностью (в данном случае это математический термин). Кстати, почему бы не предположить, что когда-то биологических аминокислот было больше, чем 20, а потом их число сократилось по принципу минимальной достаточности?

Генетический код обычно приводится в таблицах. По ним, зная кодон, можно найти аминокислоту, которую тот кодирует. На рис. 4.13 приведено соответствие аминокислот кодонам. Аминокислоты обозначены по трем первым буквам их названия, за исключением аспарагина (Асн), глутамина (Глн) и изолейцина (Иле), словом «Стоп» обозначены стоп-кодоны – триплеты нуклеотидов, которым не соответствует никакая аминокислота и которые таким образом служат местами прекращения трансляции.

Как вы помните, ДНК представляет собой двойную спираль, причем последовательности двух ее цепей комплементарны, но совсем не идентичны. Если одна из цепей кодирует последовательность аминокислот в каком-то полезном белке, то вторая вряд ли будет кодировать что-то осмысленное и полезное – ее последовательность однозначно определяется комплементарностью к первой. Следовательно, нет никакой свободы выбора ее последовательности и она не может быть приспособлена ни под что полезное. (Исключения бывают, но это уже экзотика.) Так что две важные макромолекулы – цепь ДНК, являющаяся матрицей для синтеза мРНК при транскрипции, и сама мРНК – имеют разные последовательности нуклеотидов, так как они не идентичны, а комплементарны друг другу. Цепь ДНК, по которой строится мРНК, принято называть матричной, а комплементарную ей цепь, оследовательность которой соответствует последовательности мРНК, – кодирующей. Разные гены на одной молекуле ДНК могут быть произвольно (параллельно или антипараллельно) ориентированы по отношению друг к другу, поэтому физически одна и та же цепь для разных генов может оказываться то матричной, то кодирующей. Генетический код принято записывать для матричной РНК. Ее последовательность идентична последовательности кодирующей, но не матричной цепи ДНК с той разницей, что вместо буквы Т (тимин) используется У (урацил).

На следующей таблице, наоборот, напротив аминокислот приведены все кодирующие их кодоны (рис. 4.14).

Основная тенденция генетического кода такова: как правило, аминокислота задается первыми двумя буквами и типом (пурин или пиримидин) азотистого основания третьей буквы (А или Г либо У или Ц). При такой системе мы имели бы 32 значимые комбинации. (Эту гипотетическую систему принято называть идеальным кодом.) Однако это всего лишь тенденция. Мы видим несколько аминокислот, кодируемых единственным кодоном: метионин (АУГ), изолейцин (АУА), триптофан (УГГ) – кодировка этих аминокислот невырождена. Но лейцин и аргинин кодируется целыми шестью кодонами. Имеется три стоп-кодона – УАА, УАГ и УГА.

Эта тенденция, однако, находит отражение в наборе тРНК. Поскольку мы имеем 64 – 3 = 61 кодон, кодирующий ту или иную аминокислоту, мы могли бы ожидать, что существует такое же количество разных тРНК, различающимися антикодонами, комплементарными этим кодонам. Однако на самом деле разных тРНК почти в два раза меньше – 31, в некоторых случаях (например, у плоских червей) – еще меньше, т. е. почти столько же, сколько существует комбинаций первый нуклеотид точно – второй нуклеотид точно – третий нуклеотид пурин либо пиримидин. Дело в том, что большая часть тРНК способна связываться своим антикодоном с более чем одним кодоном – как правило, им действительно безразлична конкретная буква в третьей позиции кодона, главное, чтобы соответствовал тип основания – пурин либо пиримидин. Это связано с тем, что в третьей позиции антикодона часто стоят неканонические нуклеотиды, включающие другие азотистые основания, способные к комплементарному спариванию более чем с одним видом оснований.

Ученые пытаются анализировать закономерности распределения кодонов по аминокислотам в попытках реконструировать, как генетический код возникал и эволюционировал, некоторые из этих попыток следует признать довольно успешными.

По радио и телевизору иногда можно слышать сообщения наподобие «ученые такой-то страны расшифровали генетический код гена, ответственного за такую-то болезнь, старение» или что-то в этом роде. Это безграмотное использование слов. Генетический код – это именно система перевода, а вовсе не сама шифрограмма. Исключительно важно то, что он один и тот же для всех организмов. Так как конкретный шифр как будто бы не продиктован никакой биохимической необходимостью, т. е. нет связи между химическими свойствами входящих в кодон нуклеотидов и химическими свойствами соответствующей аминокислоты, этот факт однозначно указывает прежде всего на общность происхождения нашей формы жизни. Таким образом, генетический код с точностью до небольших различий обладает свойством универсальности для всех живых существ. Забегая вперед, скажем, что в наших с вами клетках имеются так называемые митохондрии – особые внеядерные структуры, у которых есть «своя» ДНК; у митохондрий значение нескольких кодонов различается.

Генетический код обладает известной степенью помехоустойчивости. Если подсчитать, сколько замен одного нуклеотида не меняет тип аминокислоты в соответствии с ее химическими свойствами (а такие замены аминокислот слабо сказываются на структуре и функциях белка) и сколько меняет, то отношение первых ко вторым будет близко к 2,25.

Для простоты усвоения довольно больших пластов смысла принято запоминать основные свойства генетического кода в виде набора слов, которые обозначают рассмотренные выше свойства: триплетность, вырожденность, неперекрываемость, непрерывность, универсальность, помехоустойчивость.

У генетического кода есть еще множество менее известных свойств. Он не дает покоя огромному количеству ученых, которые ломают голову, почему он именно такой, а не какой‑либо другой, вплоть до того, что обнаруживают в нем некое божественное послание. Некоторые его тонкие математические свойства действительно необыкновенны, но отличить, что там случайно, а что закономерно, – дело весьма нелегкое.

Покончив с нуклеиновыми кислотами как таковыми и узнав, зачем они нужны, поговорим немного о свойствах ДНК и РНК в сравнительном ключе. РНК менее стабильна, чем ДНК, потому что все наполнено ферментами, специально созданными для расщепления РНК – РНКазами. Дело в том, что матричная РНК должна своевременно расщепляться: если этого не делать, то будут продолжать производиться белки, в которых давно отпала необходимость. (Время жизни мРНК – от нескольких минут до нескольких дней. Единственное место, где она запасается впрок, – это желток яиц.) Поэтому все живые организмы, включая бактерии, производят разнообразные РНКазы, которые в результате содержатся буквально в окружающей нас пыли. Поэтому работать с РНК гораздо сложнее, чем с ДНК, – гораздо выше требования к чистоте.

Далее, вы, наверное, слышали о том, что вот-де ученые расшифровали последовательность ДНК, выделенной из египетской мумии, из замороженного трупа мамонта, из черепа неандертальца и кроманьонца. Все это действительно возможно, так как ДНК – очень стабильная молекула в нейтральной и в особенности в слегка щелочной среде (но нестабильная в кислой). Считается, что первоначально для хранения информации использовалась РНК. (В наше время она используется для этой цели лишь некоторыми вирусами.) Кроме того, некоторые молекулы РНК даже сейчас имеют ферментативную функцию. Скорее всего тогда роль РНК в качестве ферментов была шире, несмотря на то что с химической точки зрения ее возможности здесь ограничены. Иначе говоря, преджизнь представляла собой «мир РНК» – молекулы РНК самовоспроизводились и обслуживались ферментами, которые сами представляли собой РНК. В дальнейшем была «изобретена» ДНК как химически модифицированная РНК, специально предназначенная для хранения и воспроизведения информации. А «вспомогательные» РНК научились делать белки, которые, хотя и были всего лишь надстройкой над миром РНК, оказались гораздо эффективнее в качестве ферментов. Так что сейчас общеизвестная роль РНК сократилась до того, чтобы быть посредниками между ДНК и белками. Однако кроткие РНК, по-видимому, до сих пор играют важную, прежде всего регуляторную, роль в организме.

Мы видим, что самая принципиальная для жизни функция – самовоспроизведения – основана на нуклеиновых кислотах, так как воспроизводятся именно они, а все остальное делается на их основе. Далее, мы видим, что различные нуклиновые кислоты прочно задействованы в синтезе белков. И наконец, процессы переноса энергии происходят посредством рибонуклеотидов. Напрашивается такая аналогия, что нуклеиновые кислоты – это будто бы люди, а белки – это будто их машины. Воспроизводство и ключевые моменты в производстве машин и контроль за ними остались за людьми, тогда как чисто технические возможности у машин гораздо шире, чем у людей.

Итак, мы ознакомились с общими химическими принципами работы нуклеиновых кислот по хранению и реализации генетической информации. Сейчас нам нужно уточнить некоторые детали, также вполне общего характера, связанные с регуляцией этого процесса.

Выше довольно часто встречались такие фразы: «У бактерий – одно, у высших организмов – другое». Дело в том, что живые существа действительно делятся на две большие группы – не имеющие ядра и имеющие его. Хотя это и будет забеганием вперед, давайте введем «правильные» названия для этих групп – прокариоты и эукариоты. (В системе биологической номенклатуры этим высшим категориям присвоен ранг надцарства.) К первым относятся бактерии, сине-зеленые водоросли (цианобактерии) и актиномицеты (одноклеточные организмы, имеющие ветвящиеся отростки и тем самым напоминающие грибки). Ко вторым – все многоклеточные животные и растения, а также простейшие – довольно крупные одноклеточные существа, имеющие ядро: амебы, инфузории, жгутиконосцы, одноклеточные водоросли. Таким образом, мы являемся гораздо большими родственниками растениям и амебам, чем бактериям. Хотя все молекулярно-биологические процессы, описанные выше, общие для прокариот и эукариот, есть и определенные отличия.

Между прокариотами и эукариотами имеется много принципиальных различий в строении и функционировании клеток, о чем мы будем говорить позже. Сейчас полезно обратить внимание на различия, связанные с их способом жизни и взаимодействия со средой. Жизнь прокариот сводится к химии и с внешней средой они взаимодействуют также химическим путем. Они «питаются» органическими или даже неорганическими веществами. Для этого они выделяют в окружающую среду определенные ферменты, которые осуществляют там необходимые им химические процессы, и всасывают нужные им вещества посредством диффузии. Поэтому прокариоты – это совершенные и эффективные биохимические машины.

В отличие от прокариот, эукариоты взаимодействуют с окружающим миром посредством тех или иных рабочих структур. Даже одноклеточные эукариоты структурно устроены достаточно сложно и, если они гетеротрофы, то механически поглощают пищевые объекты. Многоклеточные же эукариоты (а таких большинство) представляют собой сложные структуры, построенные из многих типов клеток. В жизни животных огромную роль играет движение, в жизни растений – рост, который по сути тоже есть движение, позволяющее получить необходимое им количество света. Поэтому эукариоты – это прежде всего эффективные механические устройства, будь то тигр или сосна. Это позволяет индивидуальным организмам «контролировать» гораздо большие потоки вещества и энергии. Обратная сторона этой медали – то, что на уровне биохимии они могут позволить себе (и позволяют) быть расточительными и менее эффективными. (Грибы, которые являются эукариотами, пожалуй, занимают промежуточное положение на этой шкале – их жизнь связана с химией в большей степени, чем с механикой. Дрожжи – почти одноклеточные грибы – ведут себя в этом смысле практически как прокариоты.)

Что же до генетической информации, то большая часть ее у эукариот ответственна не за построение различных ферментов, а за развитие очень сложных структур. Соответственно среди множества белков, информация о которых содержится в их ДНК, большая часть является уже не ферментами – рабочими биохимического конвейра, а регуляторами – сигнальными веществами, управляющими ростом и развитием организма, фактически – молекулярными чиновниками.

Часто говорят, что армия чиновников работает сама на себя, производя документы, которые рассматривают другие чиновники, на их основании производят следующие документы и т. д. В точности то же самое происходит и в генетической бюрократии эукариот: белки-регуляторы производятся для того, чтобы регулировать синтез других белков, многие из них также являются регуляторами и так далее. Поэтому если бактерия – это эдакое натуральное хозяйство, все производство в котором должно быть максимально эффективно организовано, что легко достигнуть силами одного хозяина, то высшие организмы – это огромные империи, где масса действующих лиц, возникает очень много бестолковщины и творится много безобразий, но которые, несмотря на это, умудряются играть очень важную роль в мировой экономике и политике. При этом бактерия должна чутко реагировать на любое изменение коньюнктуры в окружающем среде, а высшие организмы обладают известной самодостаточностью - автономностью и устойчивостью.

Нетрудно догадаться, что разница между прокариотами и эукариотами ярче всего проявляется в механизмах регуляции транскрипции. У прокариот транскрипция призвана обеспечить быструю и адекватную реакцию на биохимическую ситуацию в среде. Классическим примером здесь является устройство так называемого lac-оперона, за открытие которого французские ученые Франсуа Жакоб и Жак Моно в 1965 г. получили Нобелевскую премию. Однако подчеркиваем, что это только один из множества вариантов того, как работают гены прокариот.

У кишечной палочки есть три белка, ответственных за переработку дисахарида лактозы. Один из них транспортирует его в клетку, другой (трансацетилаза) присоединяет к нему ацетильную группу, третий расщепляет дисахарид на глюкозу и галактозу. Они кодируются определенными отрезками ДНК, идущими друг за другом. Все три участка транскрибируются и транслируются в виде единой мРНК, так что все три соответствующих белка появляются в клетке вместе. Следовательно, на все три участка имеется один общий промотор (напомним, что это участок ДНК, характеризующийся особой последовательностью нуклеотидов, с которого начинается транскрипция). Между промотором и первым геном имеется короткий участок ДНК – оператор, который, как и промотор, не кодирует никаких аминокислот, но зато опознается определенным белком-репрессором. В отсутствие лактозы – субстрата белков, кодируемых всеми тремя генами, репрессор связывается с оператором и преграждает продвижение РНК-полимеразы от промотора к генам. В результате гены не транскрибируются и белки не синтезируются. Однако у репрессора есть центр связывания лактозы. При появлении в клетке лактозы она связывается этим центром и меняет конформацию репрессора таким образом, что тот теряет способность связываться с оператором и отходит от него. Ничто более не сдерживает продвижение РНК-полимеразы, мРНК транскрибируется и транслируется. Таким образом, появление в среде субстрата – лактозы – индуцирует синтез ферментов, которые могут ее утилизировать.

В этом примере все три белка кодируются генами, которые расположены вместе и регулируются, транскрибируются и транслируются также вместе. Такая система, включающая промотор, оператор (или несколько операторов) и обслуживаемые ими гены белков, называется опероном. Оперонная организация генов обеспечивает, во-первых, слаженность синтеза функционально связанных белков, во-вторых, общую регуляцию их синтеза в зависимости от наличия / отсутствия субстрата.

В различных оперонах применяется четыре способа регуляции. Рассмотренный нами способ – это негативная индукция. Негативная – потому что имеется белок-репрессор, выключающий работу гена; индукция – потому что некое вещество, в данном случае субстрат, включает работу гена. Кроме индукции бывает репрессия – когда появление внешнего вещества, наоборот, выключает ген. Допустим, это продукт реакции, при избытке которого нужно ее остановить. И кроме негативных индукции и репрессии бывает и позитивная индукция и репрессия – когда регуляторный белок является не репрессором, а активатором. Активатор также связывается со специфичной регуляторной последовательностью ДНК, но это не препятствует, а, наоборот, способствует транскрипции гена – к примеру, помогает РНК-полимеразе связаться с ДНК. Интересно, что в рассмотренном случае кроме негативной индукции присутствует и позитивная репрессия. Перед промотором есть еще и активатор, который в присутствии глюкозы – более эффективного пищевого ресурса – не работает, а в ее отсутствие – способствует связыванию РНК-полимеразы с промотором.

Ген, кодирующий белок-репрессор, находится непосредственно перед lac-опероном. Но это не всегда и не обязательно так – ген регуляторного белка может находиться где угодно, а сам белок все равно свяжется с тем местом на ДНК, к которому у него есть сродство. Такие регуляторные вещества, поступающие из других мест, называются транс-факторами. А вот участок ДНК, с которым он связывается, принципиально должен находится по соседству с регулируемыми генами, такие регуляторные элементы называются цис-факторами.

В клетке кишечной палочки найдено и предсказано 2 584 различных оперона, в которых применяются разные принципы регуляции.

А вот у эукариот оперонов практически нет. У многоклеточных организмов регуляция жизнедеятельности больше идет на уровне физиологии целого организма. При этом с внешней средой взаимодействуют одни клетки (допустим, кожа, пищеварительный тракт, органы чувств), а реакция должна состояться в другом месте – в мышцах, железах. Зачастую белок формируется в одном месте, а используется совсем в другом.

Изменения в транскрипции генов в ответ на воздействия внешней среды на многоклеточный организм происходят с участием внутренних посредников – гормонов, а у животных также и нервных импульсов, (которые в конечном счете тоже сводятся к воздействию на клетки определенных веществ-посредников) – медиаторов. Кроме того, для многоклеточных очень важно, чтобы сам этот сложный организм правильно формировался по определенной, очень сложной программе. Ее разворачивание предполагает каскад специфических сигналов (транс-факторов), представляющих собой белковые продукты регуляторных генов. Эти сигналы очень узко направлены – их адресатами является небольшое число генов, многие из которых также представляют собой регуляторные гены. Таким образом, транс-факторы эукариот можно грубо разбить на два типа – продукты регуляторных генов и рецепторы, связавшиеся с гормонами или медиаторами.

Как следствие всех этих обстоятельств каждый ген у эукариот регулируется независимо и в начале каждого (а иногда внутри и вокруг него) имеется протяженная регуляторная область цис-факторов, с которой связываются многочисленные транс-факторы – активаторы и репрессоры.

И наконец, транкрипция эукариотических генов зависит от характера укладки ДНК в хромосомах и того, с какими структурными белками хроматина и как именно она связана. Об этом будет сказано в дальнейшем.

Кстати, у эукариот есть еще одно отличие от прокариот. Матричная РНК, образовавшаяся после транскрипции, прежде чем послужить матрицей для синтеза белка, под действием специальных ферментов претерпевает определенные изменения под общим названием процессинг. А именно:

– к ее 5’-концу пришивается гуанинтрифосфат в обратной ориентации – это нужно для правильной фиксации ее начала на рибосоме;

– к 3’-концу в определенном месте, как правило, присоединяется последовательность РНК, состоящая из одних аденинов – это помогает мРНК некоторое время не расщепляться РНКазами;

– с той же целью защиты от РНКаз, будучи подобным образом модифицированы, оба конца мРНК соединяются друг с другом, так что мРНК оказывается свернутой в кольцо;

– из середины большинства мРНК вырезаются куски, которые не кодируют аминокислот – интроны. Все это выглядит нелепой тратой вещества и энергии – зачем производить мРНК длиннее, чем это нужно. Однако вырезание интронов из одной и той же мРНК может происходить по нескольким разным схемам, что позволяет порождать дополнительное разнообразие синтезируемых белков. Кроме того, вырезанные интроны иногда приспосабливаются для выполнения каких-то функций, в основном регуляторных.

В первой лекции мы уподобили живые организмы компьютерам, так как и те и другие суть системы, существующие за счет преобразования информации. Сегодня мы ознакомились с некоторыми принципами строения биологического компьютера, в частности увидели, где у него находится и как устроен носитель долговременной памяти и как информация с него считывается. Обратим внимание на одно важное обстоятельство. Из области бытовой техники вы знаете, что существует два способа записи и воспроизведения сигнала – аналоговый и цифровой. Аналоговый способ реализован, к примеру, при записи звука на пластинку. Колебания воздуха преобразуются в колебания электрического поля, а те – в извилистую бороздку на пластмассе, конфигурация которой повторяет профиль исходной звуковой волны. Звуковая волна записана в этой бороздке посредством прямого преобразования одних сил, способных меняться плавно и на произвольную величину, в другие. При воспроизведении происходит обратный процесс.

Вы знаете, что есть другой принцип записи звука – цифровой. При этом профиль звуковой волны закодирован в виде ее числовых параметров и эти параметры записаны на магнитном или оптическом компьютерном носителе в виде чередования нулей и единиц, т. е. в дискретном виде. При преобразовании аналогового сигнала (звуковая волна) и цифрового (магнитный носитель) и обратно используются процессы, идущие по закону «все или ничего» (ток идет – тока нет), причем процессы, меняющиеся плавно (давление воздуха, напряжение электрического поля в мирофоне), постепенно расщепляются на каскад дискретных процессов в компьютере и обратно.

В том, с чем мы сегодня однакомились, можно усмотреть оба типа сигналов – аналоговый и цифровой. Передача и кодировка дискретных (т. е. по сути – цифровых) сигналов имеет место в явлениях матричного биосинтеза. Это точная репликация ДНК, перевод с языка ДНК на язык РНК при транскрипции, с языка РНК на язык аминокислот при трансляции. И сами эти языки, состоящие в последовательности 4 или 20 букв – дискретных мономеров – нуклеотидов и аминокислот, соответственно ничем (только количеством букв) принципиально не отличаются от двоичного, т. е. двухбуквенного (0 и 1) внутреннего, языка компьютера. Однако управление всеми этими процессами с помощью регуляторных белков основано на изменениях концентраций тех или иных веществ – как самих регуляторных белков, так и низкомолекулярных индукторов или репрессоров. Информация от внешнего мира поступает в клетку в виде концентраций тех или иных веществ – питательных, таких как глюкоза, или специальных сигнальных – таких как гормоны. Концентрации могут меняться плавно, и в соответствии с ними интенсивность транскрипции тоже менятся плавно. Это типичный случай аналогового преобразования сигнала.

Если способ записи в ДНК информации о структуре белков довольно выразителен и весь основан на принципе комплементарного спаривания нуклеотидов – в двойной цепи ДНК, при синтезе ДНК и РНК, при спаривании антикодона тРНК с кодоном матричной РНК, то способ записи в ДНК информации по управлению синтезом белков менее нагляден. Здесь также все основано на существовании в ДНК строго определенных последовательностей нуклеотидов. Но в данном случае эти последовательности распознаются соответствующими специальными белками без комплементации и даже без расплетания двойной цепочки ДНК. Эти белки буквально нащупывают столь слабые зацепки, как определенная конфигурация атомов следующих друг за другом пар спаренных нуклеотидов внутри бороздок двойной цепочки ДНК. Эту конфигурацию и то, как она опознается белками, не покажешь на простых моделях. Однако именно на таких взаимодействиях (белок – ДНК) основана вся регуляция функционирования генетической информации и тем самым существование любого живого организма, простого или сложного.

В этой лекции мы ознакомились с достаточно сложными веществами и процессами, на которых основана вся наша форма жизни. Надеемся, что вам удалось почувствовать одновременно и их сложность, и их красоту, а также общность всей этой уникальной сложной организации у всего живого.

Лекция 5. ЭНЕРГЕТИКА ЖИЗНИ. 1. ПОЛУЧЕНИЕ ЭНЕРГИИ ИЗ ГЛЮКОЗЫ

Это довольно сложный предмет. Проблемы начинаются с самого названия – как ни назови, все равно будет ассоциироваться с «биоэнергией», которая сейчас в большой моде. Никто не знает, что это такое, но большинство убеждено, что это могучая сила, влияющая фактически на все, нечто вроде нечистой силы или божественного провидения, кому как больше нравится. Между тем, как мы уже уяснили, живые организмы получают, преобразуют и используют самую обычную энергию. Предмет этот по-своему красивый, но речь пойдет об очень сложных процессах, ясное понимание которых требует определенного образования – это самая что ни есть биохимия, причем достаточно сложная. И поскольку дело касается энергии, для ее понимания необходимы знания по физхимии. Тем не менее, необходимо ознакомить вас с наиболее важными процессами хотя бы поверхностно, с тем чтобы вы представляли в общих чертах, как это происходит, и в то же время почувствовали объем предмета. Для усиления вашего собственного интереса к нему попробуйте прочувствовать тот факт, что то, с чем мы сейчас познакомимся, равно как и все, с чем мы познакомились до сих пор, происходит не в какой-то пробирке в некоей лаборатории (хотя именно там выяснялось, как именно оно происходит), но непосредственно внутри нас, в каждой клетке нашего тела, в том числе и в клетках мозга, при помощи которого мы пытаемся что-то понять, в любую минуту и с огромной скоростью.

Мы начали наше знакомство с биологией с химии, затем перейдем к клетке, а потом – к организму. По мере того как мы будем переходить ко все более крупным структурам, т. е. по мере удаления от молекул и приближения к объектам, наполняющим нашу обыденную жизнь, понимание станет даваться все легче и легче. И это неудивительно, так как наши мозги создавались эволюцией для того, чтобы руководить нами в макромире. Процессы же на микроуровне протекают автоматически и самопроизвольно, без нашего на то соизволения. Но и они точно так же создавались в ходе эволюции, только это происходило на гораздо более ранних ее этапах.

Биохимические процессы в организме представляют собой сложнейшие пути превращений веществ одни в другие и их транспорта из одних мест в другие. Эти пути можно изобразить схематически, получаются схемы чудовищной сложности, иногда изображаемые на весьма поучительных плакатах. Для того чтобы ознакомиться с этими путями, нужно выбрать ниточку, с которой начать путешествие по этому лабиринту, и тот пункт, к которому нам следует прийти. Начнем с конца.

Для чего организму нужна энергия? Почти все процессы в нем осуществляются путем ферментативных реакций, многие из которых идут с затратами энергии. Как мы помним, подавляющее большинство ферментативных реакций, протекающих с затратой энергии, требует для своего протекания молекулу АТФ (аденозинтрифосфат), являющуюся универсальным энергоносителем внутри клетки (см. рис. 4.3). Энергия накоплена в связях между тремя последовательно соединенными остатками фосфорной кислоты (их называют макроэргическими связями). В ходе «затратных» ферментативных реакций молекула АТФ дефосфорилируется и преобразуется в АДФ (аденозиндифосфат – почти та же самая молекула, что и один из мономеров РНК). Нужно пояснить, что на самом деле разрыв любой химической связи требует затраты какого-то количества энергии. Однако гидролиз макроэргической связи дает энергетический выигрыш, который составляет около 30 кДж / моль (а моль – это число Авогадро молекул, т. е. 6  10²³ штук). Кроме того, реакция расщепления макроэргической связи идет только в том случае, если концентрация АТФ значительно превышает концентрацию продуктов ее гидролиза, поэтому живые клетки вынуждены поддерживать ее на высоком уровне.

Мышечное сокращение – первое, что приходит нам как мощным механическим устройствам на ум в связи с вопросом о затратах энергии – также требует молекул АТФ. Хотя действие сократительных белков не является ферментативной реакцией, сущность его остается та же – определенное изменение конформации белка при гидролизе фосфодиэфирных связей в молекуле АТФ. Почему-то редко вспоминают об энергозатратах в связи с высшей нервной деятельностью (наверное, мы все же в большей степени атлеты и механизмы, чем мыслители). А они не маленькие – вспомните, как хочется есть в процессе учебы. И расходуется здесь та же самая АТФ.

Итак, нам сейчас нужно рассмотреть, каким путем организм синтезирует свою АТФ. Конечным пунктом нашего путешествия будет именно эта молекула.

С чего мы начнем? Давайте начнем с молекулы глюкозы. Это вещество является энергоносителем нашей крови. Именно оно образуется при переваривании углеводов пищи и расходовании запасов жиров под кожей и гликогена в печени. Опять-таки глюкоза – это то самое органическое вещество, которое образуется растениями в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды. У растений глюкоза и фруктоза так же служат переносчиками вещества и энергии – они образуются в листьях и транспортируются к стеблям, корням, цветам, плодам. И наконец, та же глюкоза является питательным веществом для большинства бактерий.

Итак, мы намерены путешествовать по биохимическим путям от глюкозы к АТФ. Первая – это универсальный энергоноситель в многоклеточном организме, а второе – универсальный энергоноситель в клетке. Немного сменив аналогию, мы можем сказать, что собираемся рассмотреть механизм конвертации валют – с межнациональной на национальную (хотя у людей все национальные валюты разные, а у клеток – одна и та же).

При раскручивании биохимической цепочки следует иметь в виду, что все процессы получения энергии живыми организмами происходят в результате окислительно-восстановительных реакций, при которых происходит перенос электрона с одной молекулы (восстановитель, донор электронов) на другую (окислитель, акцептор электронов). При этом роль акцептора электронов играют либо органические молекулы, либо кислород. На нашем пути встретятся оба способа

Начнем с момента, когда глюкоза попадает в клетку и используется именно в качестве источника энергии (а не для построения полисахаридов, к примеру). Конечными химическими продуктами этого процесса являются углекислый газ и вода. То же самое получилось бы, если бы мы просто сжигали глюкозу. Однако, в отличие от горения, энергетический выигрыш от такой перекомбинации атомов не уходит в окружающую среду в виде тепловой энергии, а аккумулируется в виде энергии определенных химических связей. Сам же процесс отличается большой сложностью и включает множество органических веществ определенной структуры. Среди всей этой сложности отрадно, что механизм этого процесса – один и тот же у большинства живых существ.

А первая его стадия, которая может проходить в отсутствие кислорода, – одинакова у всех. Она называется гликолиз. По сути гликолиз представляет собой окисление глюкозы, так что общее количество связей углерода с кислородом увеличивается, причем роль окислителя играет не кислород, а особое органическое вещество, тогда как дополнительные атомы кислорода поступают от фосфорной кислоты. Общая последовательность гликолиза такова. К молекуле глюкозы присоединяются два остатка фосфорной кислоты. Связь фосфор–кислород в фосфорной кислоте энергетически насыщена, что дестабилизирует молекулу и облегчает ее расщепление на два фосфорилированных трисахарида. Дефосфорилирование трисахаридов сопровождается сопряженным фосфорилированием аденозина с образованием АТФ. Хитрость заключается в том, что двойное фосфорилирование одной молекулы глюкозы требует затраты двух молекул АТФ, которые дефосфорилируются до АДФ. Однако дальнейшее преобразование каждого из трисахаридов приводит к образованию двух молекул АТФ, а так как глюкоза распадается на два трисахарида, то в сумме образуется четыре молекулы АТФ. Это означает выигрыш в две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы. Мы наблюдаем прямо таки молекулярный бизнес, где капитал в две АТФ приносит 100 %-ю прибыль. Но если клетка жива, у нее всегда найдутся свободные оборотные средства. (Еще раз напомним, что АТФ может служить источником энергии только при высоких концентрациях.)

В процессе гликолиза есть еще один энергетический выигрыш. Есть такое вещество – никотинамидадениндинуклеотид (НАД). Он является коферментом многих ферментов. Это действительно динуклеотид, одна из его составляющих – хорошо знакомый нам аденин. Другой же нуклеотид содержит новое для нас азотистое основание – никотиновую кислоту (это не совсем то же, что никотин, но очень близко по строению). Как и большинство коферментов и их составляющих, никотиновая кислота является одним из витаминов – РР. НАД существует в двух формах – восстановленной (НАД-H, в здесь в русской записи приходится комбинировать русскую аббревиатуру и латинский символ для атома водорода) и окисленной (НАД+), последняя образуется путем отнятия от НАД-Н атома водорода и дополнительного электрона и представляет собой положительно заряженный ион (рис. 5.1). Именно НАД+ является тем окислителем, за счет которого осуществляется окисление глюкозы в процессе гликолиза. В то же время это окисление дает нам дополнительный энергетический выигрыш при гликолизе, поскольку восстановленная форма НАД-Н является энергонасыщенным состоянием и восстановление НАД+ до НАД-Н требует затраты энергии.

Восстановленная форма HАД-Н является сильным восстановителем, то есть донором электронов. При этом она же является донором атомов водорода. Далее мы увидим, что НАД-H играет важную роль в синтезе АТФ, т. е. в процессах получения энергии. Но участием в качестве посредника в процессах расщепления органики в целях получения энергии его функция не ограничивается. Как мы убедимся на следующей лекции, та же молекула в немного модифицированной форме является важнейшим ресурсом при синтезе органики, в качестве донора водорода, электронов и энергии.

Процесс гликолиза включает восстановление молекулы НАД+ до НАД-H. В анаэробном варианте гликолиза, который идет в отсутствие кислорода, эта молекула в дальнейшем снова окисляется.

Гликолиз – это достаточно сложная последовательность ферментативных реакций, как видно из рис. 5.2. Гликолиз распадается на несколько этапов, каждый из которых катализируется определенными ферментами:

1) Присоединение остатка фосфорной кислоты с превращеним глюкозы в глюкозо-6-фосфат под действием фермента глюкокиназы – этот процесс идет с затратой одной молекулы АТФ.

2) Изомеризация – превращение глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат.

3) Дополнительное фосфорилирование фруктозо-6-фосфата – также идет с затратой молекулы АТФ.

4) Расщепление фруктозо-1,6-бифосфата на два фосфорилированных трехатомных сахара (триозофосфата): дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегидфосфат. Эти продукты способны переходить один в другой при помощи специального фермента – изомеразы. В последующие реакции гликолиза вступает глицеральдегидфосфат, который тем самым расходуется, а пополняется он, в том числе и за счет превращения в него дигидроксиацетонфосфата.

5) Глицеральдегид-3-фосфат еще раз фосфорилируется, причем для этого используется свободная фосфорная кислота из раствора. В отличие от всех предыдущих актов фосфорилирования, которые шли с затратой молекулы АТФ, эта реакция сопровождается энергетическим выигрышем, который идет на восстановление молекулы окисленной формы никатинамидадениндинуклеотида (НАД+) в его восстановленную форму (НАД-H). Непривычный для нас энергетический выигрыш вместо энергетической затраты при фосфорилировании можно объяснить тем, что если в предыдущих случаях фосфатная группа переносится с одной молекулы (АТФ) на другую (расщепляемый сахар), то в данном случае в ходе реакции происходит еще и взаимная нейтрализация аниона (один из кислородов остатка фосфорной кислоты из раствора) и катиона (НАД+), которая и дает необходимую энергию.

6) Только что присоединенный остаток фосфорной кислоты снова отщепляется, присоединяясь к аденозиндифосфату – с образованием вожделенной АТФ. Если до второго фосфорилирования мы имели глицеральдегид-3-фосфат, то теперь мы имеем глицерат-3-фосфат – альдегидная группа заменилась на кислотную, причем эта молекула – отрицательно заряженная. При этом к углероду присоединяется дополнительный атом кислорода, который происходит из остатка фосфорной кислоты, пришедшего из раствора.

7) Фосфатная и гидроксильная группа меняются местами.

8) От получившегося глицерат-2-фосфата отщепляется молекула воды с образованием двойной связи и енольной группы – формируется фосфоенолпируват.

9) Он дефосфорилируется с образованием пирувата (пировиноградной кислоты), при этом остаток фосфорной кислоты снова идет на образование молекулы АТФ – второй в ходе преобразования триоз.

Итак, результатом гликолиза являетяс пируват. Как видим, это очень окислнная молекуля, на три ее атома углерода приходится пять связей с кислородом.

Большая часть реакций гликолиза обратима, но несколько практически необратимы. Поэтому при необходимости, наоборот, синтеза глюкозы из пирувата организм использует другие пути.

Если мы рассматриваем анаэробный, т. е. протекающий в отсутствии кислорода, гликолиз, то пируват восстанавливается до лактата; в более привычных названиях, пировиноградная кислота – до молочной кислоты. При этом к молекуле присоединяется два атома водорода и кетонная группа превращается в гидроксильную. Как и в любой окислительно-восстановительной реакции, если что-то восстанавливается, что-то должно, наоборот, окисляться. В данном случае НАД-H окисляется до НАД+, таким образом восстанавливается статус-кво – в реакцию гликолиза входил окисленный НАД+ и его же мы и получили.

Именно гликолиз ответствен за хорошо нам знакомые процессы скисания (молока) и сквашивания (овощей, грибов, рыбы). В кисломолочных и соленых продуктах накапливается именно молочная кислота – лактат. У дрожжей пируват превращается не в лактат, а в этиловый спирт. Эта реакция идет не за один этап, а за два и также сопровождается окислением НАД-H. Некоторые бактерии восстанавливают пируват до янтарной или масляной кислот.

Не надо думать, что анаэробный гликолиз – это удел исключительно анаэробных бактерий типа возбудителя ботулизма. При интенсивных нагрузках кровеносная система не успевает снабжать кислородом работающие мышцы. При этом часть пирувата не расходуется, а преобразуется в лактат, как и у анаэробных бактерий, поскольку НАД-H должен быть окислен, если не кислородом (когда его не хватает), то пируватом, с восстановлением последнего до лактата. У большинства современных организмов, дышащих кислородом, пируват не превращается в лактат, а утилизируется дальше. Он поступает в каскад ферментативных реакций, в ходе которого расходуется кислород, образуется углекислота и синтезируется АТФ. Все эти реакции в сумме называются клеточным дыханием.

Обратим ваше внимание на то, что клеточное дыхание состоит из двух процессов. В ходе одного из них углерод окисляется до углекислого газа, но молекулярный кислород не расходуется – атомы кислорода берутся из органических веществ, фосфорной кислоты и воды, которая здесь не выделяется, а расходуется. При этом образуются излишки водорода, которые идут на восстановление коферментов. В ходе второго процесса коферменты окисляются и отдают водород (который сначала разделяется на протоны и электроны, имеющие разную судьбу), именно здесь он связывается с молекулярным кислородом с образованием воды. АТФ образуется преимущественно в ходе второго процесса. Первый процесс называется циклом трикарбоновых кислот, или циклом Кребса, второй – окислительным фосфорилированием.

Следует сделать оговорку относительно места происходящего. Вы помните, что всё живое состоит из клеток. У клеток всех многоклеточных организмов и части одноклеточных имеется клеточное ядро – эти организмы называются эукариоты. В ядре находится ДНК. Содержимое клетки вне ядра называется цитоплазма. В цитоплазме имеются различные органеллы – те или иные структуры. Среди органелл имеются так называемые митохондрии. Они выглядят как цилиндрические тельца, окруженные двойной мембраной – внешней и внутренней (рис. 5.3). Внутренняя мембрана образует многочисленные складки внутрь митохондрии – кристы. Наверное, вы слышали и о существовании митохондрий и о том, что они являются энергетическими станциями клетки.

Рассмотренный выше процесс гликолиза происходит в цитоплазме. Клеточное же дыхание происходит в митохондриях. Для этого продукт гликолиза – пируват – должен попасть внутрь митохондрий.

Итак, мы в митохондрии. Каскад реакций клеточного дыхания начинается с реакции, одним из субстратов которой является пируват, а одним из продуктов – ацетилкофермент-А, или ацетил-coA. Ацетил-coA – одно из важнейших веществ в биохимических путях. Он образуется в процессе расщепления сахаров, жирных кислот и некоторых аминокислот и используется при их синтезе. Во всех этих случаях он является реакционноспособным носителем ацетильной группы. В одних реакциях она используется для синтеза органических веществ, в других – для их «сжигания» в качестве топлива. Поэтому ацетил-coA является важнейшим посредником во множестве биохимических процессов, связанных с обменом вещества и энергии. Посмотрим на это замечательное вещество, представленное на рис. 5.4.

Мы снова видим знакомый нуклеотид аденозин, потом – довольно длинную углеводородную цепь, включающую атомы азота и заканчивающуюся атомом серы, к которой и присоединена ацетильная группа. (Молекула без ацетильной группы – это просто кофермент А.)

Ацетил-coA образуется с затратой молекулы пирувата в ходе сложной реакции, катализируемой целым комплексом из трех ферментов и пяти коферментов, прикрепленным к митохондриальной мембране – пируватдегидрогеназным комплексом. При этом от молекулы пирувата отщепляется молекула диоксида углерода, а оставшаяся от него ацетильная группа присоединяется к коферменту А, с образованием ацетил-соА. Реакция имеет энергетический выигрыш и предполагает образование лишнего атома водорода. И тот, и другой идут на восстановление одной молекулы НАД+ до НАД-H. В этой реакции мы впервые видим, как атом углерода переходит из органического вещества в углекислый газ. Еще раз заметим, что это происходит без участия молекулярного кислорода – кислород также поступает из органического вещества.

Впереди нас ждет еще два таких же события, так что в конечном счете в углекислый газ уйдут все три атома углерода, имевшихся в молекуле пирувата. Таким образом, весь углерод, поступивший из глюкозы, переходит сначала в пируват, а потом в углекислый газ. Заметим, что во всех случаях опять-таки будет использован кислород, имевшийся в составе органических веществ. Куда же уйдут лишние атомы водорода? Они пойдут на восстановление НАД+ до НАД-H и на восстановление еще одного кофермента. Вспомним, что после гликолиза у нас уже остается одна восстановленная молекула НАД-H (которая при наличии клеточного дыхания не тратится на превращение пирувата в лактат).

Ацетил Co-A вступает в циклический биохимический процесс, называющийся циклом Кребса. Он назван так по имени Ганса Кребса, описавшего его в 1937 г., за что он впоследствии получил Нобелевскую премию. Цикл представляет собой 10 последовательных химических реакций, в ходе которых 10 органических кислот последовательно преобразуются одна в другую. В одном месте в этот цикл входит уже знакомый нам ацетил-соА, который отдает свою ацетильную группу оксалоацетету (щавелевоуксусной кислоте), в результате чего образуется цитрат (лимонная кислота). Если первая молекула содержала четыре атома углерода, то вторая соответственно содержит уже шесть (в ацетильной группе имеется два углерода). Три из них находятся в карбоксильных группах, а три составляют остов молекулы – такие кислоты называют трикарбоновыми.

Схема цикла Кребса приведена на рис. 5.5.

В ходе последовательных превращений всех этих кислот происходят события нескольких типов:

– кислоты теряют два атома углерода за счет образования двух молекул углекислого газа;

– кислоты присоединяют две молекулы воды;

– излишки водорода уходят на восстановление трех молекул НАД+ до НАД-H, а также на восстановление еще одного кофермента – флавинадениндинуклеотида (ФАД) до ФАД-Н₂ (рис. 5.6);

– образуется одна молекула гуанозинтрифосфата (ГТФ) из ГДФ. Это полностью эквивалентно образованию АТФ, так как ГТФ и АТФ находятся в химическом равновесии. Остаток фосфорной кислоты берется из раствора.

Цикл Кребса замыкается, когда в конце концов мы приходим к тому же оксалоацетату с его четырьмя атомами углерода, к которому может снова присоединяется ацетильная группа от ацетил-соА.

Все вещества цикла Кребса – и кислоты, и катализирующие реакции ферменты – находятся в одном и том же растворе внутри митохондрий (только один из ферментов иммобилизован на мембране – именно тот, который катализирует реакцию с образованием ГТФ), поэтому цикл не имеет пространственного содержания – это просто последовательность превращений веществ. Этот цикл играет центральную роль в метаболизме клетки, так как участвующие в нем вещества являются промежуточными веществами многих метаболических процессов. Он задействован в расщеплении и синтезе углеводов, в расщеплении и синтезе жирных кислот, в расщеплении и синтезе многих аминокислот, в синтезе азотистых оснований нуклеотидов и других важных веществ.

Три из тех 10 кислот, которые циклически преобразуются одна в другую в цикле Кребса, вам могут быть известны. Это лимонная, янтарная и яблочная кислоты. Фирменные составы для подкрепления спортсменов содержат не только глюкозу, но и лимонную кислоту. Это делается для того, чтобы не просто провести вливание энергии, но и стимулировать весь цикл Кребса. Янтарная кислота сейчас активно рекламируется как лекарство, которое помогает чуть ли не от всего, в том числе укрепляет иммунитет. Однако мы убедились, что это вещество всегда (по крайней мере, пока мы дышим) присутствует в митохондриях и находится в химическом равновесии с лимонной кислотой.

Как мы видели, в ходе образования ацетил-соА и цикла Кребса образуется всего одна молекула нуклеотидтрифосфата (ГТФ, что так же хорошо, как АТФ), хотя мы истратили все три атома углерода. Основной товар, добытый в ходе этой сложной коммерческой махинации, идущей через множество посредников, свободно блуждающих во внутреннем пространстве митохондрии как брокеры на бирже, состоит в восстановленных коферментах. Давайте теперь продадим их за нашу любимую валюту – АТФ. Для этого нам следует обратиться в фирму под названием «Цепь переноса электронов».

В отличие от цикла Кребса, у этой фирмы есть свое производственное здание, впрочем, плавучее. Процесс, который будет иметь место, осуществляется в трех цехах, а именно – тремя агрегатами определенных белков, расположенных на внутренней мембране митохондрии. На всякий случай поясним, что таких индивидуальных аггрегатов очень много (5–20 тыс. на митохондрию, причем три их типа не находятся в стехиометрических соотношениях); каждый из них представляет собой работоспособный цех. Поскольку мембрана полужидкая (в дальнейшем мы рассмотрим ее свойства подробнее), белковые агрегаты словно плавают по мембране словно баржи, при столкновении передавая друг другу электрон вместе с одним из подвижных веществ – в одном случае с убихиноном (небольшой молекулой, включающей ароматическое кольцо), в другом – с цитохромом с (о цитохромах – немного позже). Сам же процесс, который происходит в результате переноса электронов, называется окислительным фосфорилированием.

Работа цепи переноса электронов начинается с того, что молекула НАД-H отдает два электрона ферменту НАД-Н-оксидазе, превращаясь в окисленную форму НАД+. Образующийся при этом протон, несущий вотрой положительный заряд, уходит в раствор во внешнем пространстве митохондрии. НАД-оксидаза – это первый из названных белковых агрегатов. Эти два электрона передаются за счет сопряженных окислительно-восстановительных реакций по цепочке белков и коферментов ( которые включают еще один специальный нуклеотид – флавинмононуклеотид). Белки в цепи переноса электронов содержат атом железа, который в ходе переноса электронов меняет степень окисления с +3 на +2 и обратно. За исключением одного из этих белков (ферродоксин), в котором атом железа соединен с серой, во всех остальных атом железа находится в уже знакомом нам по молекуле гемоглобина геме. Гем – это порфириновое кольцо – ажурная и почти симметричная органическая молекула с системой сопряженных двойных связей и четырьмя атомами азота, которая образует комплекс с атомом железа (рис. 5.7). Белки, содержащие гем, в данном случае называются цитохромы (название происходит от греческого «хромос» – цвет, так как гем имеет окраску). Последний из цитохромов при помощи фермента цитохромоксидазы (они входят в состав третьего белкового агрегата) отдает электроны молекуле кислорода (мы помним, что гем способен связывать кислород), в результате чего образуется ион О^2-. Соединяясь с протонами, этот ион образует молекулу воды. (При этом восстанавливается баланс по водороду. Мы помним, что протоны образовывались при окислении НАД-Н и ФАД-Н2, которые в свою очередь получали водород из органических веществ в цикле Кребса.)

Таким образом, именно в результате переноса электронов в процессе клеточного дыхания расходуется кислород и образуется дополнительное количество вода.

Зачем же все это нужно, спросите вы? Цепь переноса электронов устроена таким образом, что перенос по ней каждого электрона сопровождается переносом протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану из внутреннего пространства митохондрии в наружное (относительно внутренней мембраны митохондрии). Также наружу выделяется протон, образующийся при окислении НАД-Н. Эти процессы идет против градиента концентрации ионов водорода и соответственно против электростатической силы и требует затрат энергии, которую по мере своего продвижения и отдает электрон. В результате внутри и снаружи внутренней мембраны митохондрии образуется разность рН (т. е. концентрации протонов), а на двух поверхностях мембраны – разность электрических потенциалов – внутренняя поверхность мембраны заряжается отрицательно, а наружная – положительно. Собственно, ради этого только и задействована столь сложная биохимия.

Цепь переноса электронов представлена на рис. 5.8, где темно-серым цветом показана внутренняя митохондриальная мембрана, светло-серым – митохондриальный матрикс, белым фоном – межмембранное пространство митохондрии, компактными белыми зонами – белки, участвующие в цепи переноса электронов, FMN, FMNH₂ – окисленная и восстановленная форма флавинмононуклеотида, Q, QH – окисленная и восстановленная форма убихинона, FeS – ферродоксин, строчными латинскими буквами обозначены различные цитохромы.

Для чего же нужна эта разность кислотности и потенциалов по обе стороны внутренней митохондриальной мембраны? Существует еще один комплекс из двух белков, можно сказать, главный во всей системе – АТФ-синтетаза. Этот комплекс пронизывает внутреннюю митохондриальную мембрану и на него приходится около 15 % массы всех белков этой мембраны. Он устроен таким образом, что пропускает один за другим протоны обратно, из внешнего пространства митохондрии во внутреннее. Это движение происходит по градиенту концентрации и под действием электростатической силы. Энергия движущихся под действием разности потенциальной энергии протонов и используется для фосфорилирования АДФ с образованием АТФ.

Эта энергия зависит от разности потенциалов на двух сторонах мембраны. Принято считать, что обычно для синтеза одной молекулы АТФ требуется пропустить три протона. Количество протонов, перекачиваемых цепью переноса электронов, также не определено точно и может зависеть от многих факторов. Сейчас считается, что при окислении одной молекулы НАД-H образуется около 2,5 молекул АТФ, а при окислении ФАД-Н2 – около полутора молекул АТФ. (Небезынтересно, что еще лет 10 назад считалось, что энергетический выигрыш от окисления этих носителей протонов составляет 3 и 2 молекулы АТФ соответственно.) Поскольку процессы перекачки протонов и синтеза АТФ за счет создаваемого градиента их концентрации разобщены, нет ничего удивительного, что между ними нет строгого количественного соответствия. К тому же энергия протонного градиента используется митохондрией и для других целей, в частности для транспорта внутрь митохондрии «топлива» - анионов, а именно пирувата и фосфатов. Поскольку внутри митохондрии рН повышена, анионы не диффундируют туда самостоятельно. Поэтому они транспортируются за счет особых мембранных белков, которые черпают энергию для этого оттуда же, откуда и АТФ-синтетаза – за счет протонов, «запускаемых» обратно внутрь митохондрии.

У аэробных бактерий митохондрий нет и разность рН и потенциалов создается внешней мембраной клетки, т. е. клетка целиком выступает в той же роли, что митохондрии эукариот (гликолиз у них происходит в цитоплазме, т. е. там же, где и цикл Кребса, в чем состоит отличие от эукариот). А у анаэробных бактерий АТФ-синтетаза, наоборот, за счет гидролиза АТФ создает протонный градиент, необходимый клетке для различных биохимических целей, т. е. работает в обратном направлении.

Принцип окислительного фосфорилирования отдаленно напоминает гидроэлектростанцию, в том числе и своим не очень большим КПД – и там и здесь некий носитель энергии переходит из состояния с большей потенциальной энергией в состояние в меньшей энергией и при этом совершает работу, только там гравитационная потенциальная энергия переходит в механическую и затем в электрическую. А здесь как раз электрическая энергия переходит в механическую энергию движущихся протонов, а зате в энергию химических связей.

Если в плотине гидроэлектростанции проделать дыру, то вода вытечет, а ее потенциальная энергия перейдет в тепловую, не сделав никакой полезной работы. То же самое можно сделать и с митохондрией. Есть определенные вещества, растворимые в фосфолипидной мембране и способные присоединять и отдавать протон. Такие вещества могут диффундировать в мембране туда-сюда и попутно переносить протоны по градиенту концентрации. Это перемещение будет выравнивать разность электрических потенциалов и рН, не производя никакой механической работы. Это называется разобщением окисления с фосфорилированием. Кстати, таким действием, судя по всему, обладает гормон щитовидной железы, некоторые его количества «спускают пар из котла» без окислительного фосфорилирования. Казалось бы, мы говорим о какой-то диверсии, которая сводит на нет полезную работу цепи переноса электронов. Однако разобщение окисления с фосфорилированием отнюдь не бесполезно. Энергия, запасенная на внутренней мембране митохондрии, не может пропасть бесследно, даже если она не пошла ни на какую химическую работу. Она переходит в тепло. Именно таким образом в организме реализован термогенез – производство тепла. Помимо тепла, выделяющегося в ходе протекания самых разных химических процессов, имеющих энергопотери, нас специально греют наши митохондрии, также за счет энергии, образуемой цепью переноса электронов при окислении НАД-H. Термогенез особо важен для теплокровных – птиц и млекопитающих, но в какой-то степени имеется почти у всех организмов. Любопытно узнать, что хотя все наше тело изнутри имеет примерно одинаковую и довольно высокую температуру, тепло в организме выделяется в основном двумя органами – сердцем и печенью.

АТФ образуется в митохондриях, но нужна всей клетке. Однако образовавшаяся АТФ не может самопроизвольно проникать из митохондрий в цитоплазму. Для этого в митохондриальной мембране имеется специальным белок – транслоказа, который производит реакцию обмена одной молекулы АТФ изнутри митохондрии на одну молекулу АДФ снаружи митохондрии, причем делает это безвоздмездно, т.е. без затрат энергии.

На рис. 5.9 представлена схема, охватывающая весь процесс расщепления глюкозы, включая гликолиз, цикл Кребса и окислительное фосфорилирование.

Сравним экономическую эффективность анаэробного и аэробного расщепления 1 молекулы глюкозы.

В анаэробных условиях процесс заканчивается образованием лактата и дает в результате две молекулы АТФ (четыре образовалось, две затратилось).

В аэробных условиях мы имеем те же две молекулы АТФ из гликолиза плюс две молекулы ГТФ, образовавшиеся в ходе цикла Кребса, – по одной на каждую из двух молекул ацетил-со-А, образовавшихся из одной молекулы глюкозы. Также мы имеем на каждую молекулу глюкозы 8 молекул восстановленного НАД-H – две при превращении двух молекул пирувата в две молекулы ацетил-со-А, шесть – в ходе цикла Кребса (опять-таки на две молекулы ацетил-со-А). Кроме того, мы имеем две молекулы восстановленного ФАД-H₂. Нужно вспомнить, что у нас в ходе гликолиза при дополнительном фосфорилировании были восстановлены еще две молекулы НАД-Н. Их тоже хорошо было бы затащить в митохондрию и обменять на АТФ, однако такого механизма нет. Вместо этого происходит своеобразный обмен восстановленное состояние молекулы НАД-Н за пределами митохондрии на восстановленное состояние молекулы ФАД-Н₂, осуществляемый через посредство восстановления дигидроксиацетонфосфата (уже знакомого нам по гликолизу) до глицерол-3-фосфата за пределами митохондрии и обратного процесса внутри митохондрии. Эти небольшие молекулы способны «бесплатно» проникать в митохондрию и обратно. Однако налицо некоторая потеря энергии. Молекула ФАД-Н «стоит» 1,5 молекулы АТФ. (Следует добавить, что в сердце и печени существует механизм «эквивалентного» обмена, когда окисление НАД-Н снаружи внутренней митохондриальной мембраны обменивается на восстановление НАД+ внутри.)

Прямой подсчет получаемой энергии затруднен тем, что количество протонов, перекачиваемых при движении электронов, количество протонов, необходимых для синтеза одной АТФ, сама величина протонного градиента – величины не вполне постоянные и зависят от концентрации протонов, АТФ и АДФ и других веществ; к тому же энергия протонного градиента тратится на многие цели. В целом получается, что аэробное расщепление одной молекулы глюкозы дает около 30 молекул АТФ, т. е. он в 15 раз эффективнее гликолиза. Вот что означает созданная жизнью атмосфера свободного кислорода для эффективности биологических процессов.

Итак, на примере глюкозы мы рассмотрели, каким образом мы окисляем органические вещества до углекислого газа и воды в целях получения энергии. Принципиально здесь то, что образование углекислого газа из углерода органики идет в одной части этого сложного процесса, а образование воды – за счет соединения освободившегося водорода со свободным кислородом – в другой части. Образование АТФ – универсального носителя энергии – происходит в основном в этой второй части. Эти процессы идут постоянно и с большой скоростью в любой клетке нашего тела. Там происходит и множество других сложных процессов, но многие из них имеют общую часть, как правило, это именно ацетил-соА и цикл Кребса.

Однако следует заметить, что в ходе окислительного фосфорилирования в макроэргических связях АТФ утилизируется только около 40 % расчетной энергии, которая должна выделиться от соединения водорода с кислородом. КПД не очень велик, но это плата за то, что энергия поступает в клетку маленькими порциями, запасенная в тех энергоносителях, которые она способна обрабатывать. Только в такой форме она в принципе может использоваться живыми существами. Сам процесс окисления органических молекул в процессе клеточного дыхания разбит на множество ступеней. Углеродная цепочка глюкозы не распадается на атомы углерода, чтобы тут же связаться с кислородом, как это происходит при горении. Вместо этого мы видели, как атомы углерода постоянно перегруппировывались в молекулах, содержащих от 3 до 6 этих атомов, а углекислый газ выделялся в ходе некоторых из этих перегруппировок. Это связано с ферментативной природой всех происходящих реакций – ферментам «удобнее» работать именно с органическими молекулами таких размеров. Соответственно для полного окисления углеводов до углекислого газа потребовалась цепочка веществ‑посредников, которые должны были постоянно регенерироваться, – для этого и существует цикл Кребса. Это «изобретение» удобно еще и тем, что его элементы могут участвовать в самых разных процессах, протекающих в клетке. Тем самым через цикл Кребса имеется возможность «перенаправлять ресурсы» в нужную сторону и тем самым регулировать всю «экономику клетки». Цикл Кребса – не единственный циклический биохимический процесс. На следующей лекции мы познакомимся с еще одним важным биохимическим циклом.

Лекция 6. ЭНЕРГЕТИКА ЖИЗНИ. 2. ОРГАНИКА ИЗ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА: ФОТОСИНТЕЗ И ХЕМОСИНТЕЗ

Фотосинтез

На примере глюкозы мы рассмотрели, как в живых организмах органические молекулы расщепляются до углекислого газа и воды для получения энергии. Теперь рассмотрим обратный процесс – как эти органические вещества (та же глюкоза) образуются из углекислого газа и воды, т. е. фотосинтез. На самом деле есть и другие, менее распространенные варианты биосинтеза органики, которые мы рассмотрим далее. Однако главный – именно фотосинтез, в результате которого на Земле ежегодно образуется 150 млрд т сахаров.

Суммарную реакцию фотосинтеза мы уже вспоминали:

СО₂ +Н₂О = (СН₂О) + О₂.

При дыхании мы расщепляли глюкозу, чтобы произвести определенное количество (около 30 штук) молекул АТФ. Логично предположить, что для синтеза глюкозы нужно затратить сколько-то молекул АТФ. Причем если учесть далеко не стопроцентный КПД биохимических реакций, скорее всего для синтеза одной молекулы глюкозы придется затратить несколько больше молекул АТФ. Естественно будет предположить, что, подобно дыханию, процесс синтеза органики будет состоять из двух частей – та, которая имеет дело с АТФ, и та, которая имеет дело с глюкозой, т. е. сначала где-то должен произойти синтез АТФ как универсального энергетического ресурса, а уже потом – синтез глюкозы за счет энергии этой АТФ. Оба этих процесса действительно имеют место.

Поскольку речь идет о том, чтобы увеличить, а не уменьшить количество органики, энергию для получения АТФ мы возьмем не из расщепления органики, а из другого источника. В самом распространенном случае источником будет являться солнечный свет.

Еще в начале исследований фотосинтеза было показано, что имеет место группа реакций, зависящих от освещенности и не зависящих от температуры, а есть группа реакций, которая, наоборот, не зависит от освещенности и зависит от температуры. Первая получила название световой стадии фотосинтеза, вторая – темновой стадии фотосинтеза. Не следует понимать это в том смысле, что одна идет днем, а другая – ночью. Оба набора реакций протекают одновременно, просто для одной свет нужен, а для другой – нет. Довольно естественно для реализуемых задач то, что световая фаза фотосинтеза напоминает окислительное фосфорилирование, а темновая фаза представляет собой цикл, в чем-то похожий на цикл Кребса.

Для ознакомления со световой фазой фотосинтеза нам необходимо рассмотреть такое химическое явление, как пигменты. Что такое пигменты? Это окрашенные вещества. А почему некоторые вещества окрашены, в то время как большинство веществ бесцветно? Что означает наше видение некоего цвета? Это означает, что от вещества нам приходит свет, в котором соотношение фотонов с разной длиной волны отличается от дневного белого света. Как вы знаете, белый свет представляет собой смесь фотонов в буквальном смысле всех цветов радуги. Окраска света означает преобладание определенных длин волн над другими. Мы рассматриваем вещества при дневном свете. Соответственно, если мы видим вещество окрашенным, значит, оно избирательно поглощает фотоны с определенными длинами волн. Не имея массы покоя, поглощенные фотоны перестают существовать. Куда же девается их энергия? Она идет на возбуждение молекулы, на перевод ее в новое, более энергетически насыщенное состояние.

Чтобы иметь способность поглощать свет и переходить в энергетически насыщенное состояние, молекула должна представлять собой систему, в которой такое состояние возможно. Большая часть органических пигментов представляет собой вещества с регулярным чередованием двойных и одинарных связей между углеродами, т. е. с сопряженными двойными связями. Эти связи образуют резонансные системы, в которых электроны, участвующие в образовании двойных связей (образованных орбиталями, не задействованными в sp₂-гибридизации), могут перемещаться по всей системе и находиться в нескольких энергетических состояниях. Число таких состояний и энергия, необходимая для перехода электрона из одного в другое, строго фиксированы для каждой молекулы. Это следует из квантовой физики – науки, наиболее трудной для понимания неподготовленного человека, каковыми мы с вами являемся. Поэтому примем это на веру, доверившись критическим свойствам научного сообщества, которое в свое время приняло квантовую теорию не без сопротивления, но ее огромные успехи развеяли все сомнения.

Энергия, различающая состояния электрона в резонансных системах, такова, что близко соответствует энергии фотонов той или иной длины волны в пределах видимой части спектра. Поэтому резонансные системы будут поглощать те фотоны, энергия которых равна или немного больше перевода их электронов в одно из более энергетически насыщенных состояний. (Так как энергия фотона крайне редко в точности равна энергии возбуждения электрона, остаток энергии фотона после того, как основная ее часть отдана электрону, переходит в тепло). Именно поэтому вещества с резонансными системами как правило имеют окраску, то есть являются пигментами.

Давайте посмотрим на молекулы некоторых важных для нашего случая пигментов. Для начала на самый важный пигмент – хлорофилл.

Как и в случае гема, который присоединен к молекулам гемоглобина и цитохромов, мы видим ажурную и почти симметричную органическую конструкцию, включающую несколько двойных связей – порфириновое кольцо. В ее центре также находится атом металла, но не железа, как в случае гема, а магния. Он связан с четырьмя атомами азота (магний и порфириновое кольцо образуют комплекс). Мы вполне можем ожидать, что такая молекула будет окрашена, и не ошибемся. Эта молекула поглощает фотоны в фиолетовой и синей, а затем в красной части спектра, и не взаимодействует с фотонами в зеленой и желтой части спектра. Поэтому хлорофилл и растения выглядят зелеными – они попросту никак не могут воспользоваться зелеными лучами и оставляют их гулять по белу свету (делая его тем самым зеленее).

К порфириновому кольцу в молекуле хлорофилла приделан длинный углеводородный хвост. На рис. 6.1 он немного похож на якорную цепь. Он и является таковой. Не имея электроотрицательных атомов, эта часть молекулы неполярна и, следовательно, гидрофобна. При помощи нее хлорофилл заякоривается в гидрофобной средней части фосфолипидной мембраны.

Хлорофилл растений представлен двумя формами – a и b. В зеленых растениях примерно четверть хлорофилла представлена формой b. Он отличается тем, что одна метильная группа по краю порфиринового кольца -CH₃ замещена на группу -CH₂OH. Этого оказывается достаточно, чтобы сместить спектр поглощения молекулы.

В ходе световой фазы фотосинтеза энергия поглощенных фотонов солнечного света преобразуется в возбужденное состояние электронов молекулы хлорофилла и в дальнейшем используется для синтеза АТФ – мы уже видели, как живые системы умеют приручать возбужденные электроны, ловко и с выгодой для себя с ними обращаясь. Несколько другую структуру имеют каротиноиды – красные и желтые пигменты. (Именно каротиноиды окрашивают морковку и рябину, они же являются витамином А.) Но и у них есть система сопряженных двойных связей, несколько более простая (рис. 6.2). Каротиноиды тоже участвуют в фотосинтезе, но в качестве вспомогательных молекул.

Нам снова нужно сделать пространственную оговорку. Подобно тому как клеточное дыхание идет в митохондриях, фотосинтез идет в хлоропластах. Хлоропласты – это органеллы, похожие на митохондрии, но они крупнее и имеют более развитую внутреннюю структуру; наполнены плоскими пузырьками – тилакоидами, которые собраны в стопки – граны (рис. 6.3).

Пигменты фотосинтеза располагаются на внутренней стороне мембраны тилакоидов. Они организованы в фотосистемы – целые антенные поля по улавливанию света – каждая система содержит 250–400 молекул разных пигментов. Но среди них принципиальное значение имеет одна молекула хлорофилла а – она называется реакционным центром фотосистемы. Все остальные молекулы пигментов называются антенными молекулами. Все пигменты в фотосистеме способны передавать друг другу энергию возбужденного состояния. Энергия фотона, поглощенная той или иной молекулой пигмента, переносится на соседнюю молекулу, пока не достигнет реакционного центра. Когда резонансная система реакционного центра переходит в возбужденное состояние, она передает два возбужденных электрона молекуле-акцептору и тем самым окисляется и приобретает положительный заряд.

У растений существует две фотосистемы – 1 и 2. Молекулы их реакционных центров несколько различаются – первая имеет максимум поглощения света на длине волны 700 нм, вторая – 680 нм (оговорка сделана для того, чтобы пояснить изображения на схемах), обозначаются они Р700 и Р680. (Различия в оптимумах поглощения обусловлены небольшими различиями в структуре пигментов.) Обычно эти две системы работают сопряженно, как конвейер, состоящий из двух частей и называющийся нециклическим фотофосфорилированием (рис. 6.4).

Производственный цикл начинается с фотосистемы 2. С ней происходит следующее:

1) антенные молекулы улавливают фотон и передают возбуждение молекуле активного центра Р680;

2) возбужденная молекула Р680 отдает два электрона кофактору Q (очень похожий на тот, который участвует в цепи переноса электронов в митохондриях), при этом она окисляется и приобретает положительный заряд;

3) под действием определенных ферментов, содержащих марганец, окисленная молекула Р680 восстанавливается, отнимая два электрона от молекулы воды. При этом вода диссоциирует на протоны и молекулярный кислород. Для создания одной молекулы кислорода нужно восстановить две молекулы Р680, потерявшие в сумме четыре электрона. Эти электроны в свою очередь заимствуются у атомов водорода, пребывавших в составе воды, в результате чего образуются четыре протона.

Обратим внимание – именно здесь в ходе фотосинтеза образуется кислород. Поскольку он образуется путем расщепления молекул воды под действием света, этот процесс называется фотолизом воды;

4) эти протоны образуются во внутреннем пространстве тилакоида, где создается избыточная концентрация протонов по сравнению с окружающим пространством (т. е. более кислая среда). Таким образом, формируются наши старые знакомые – протонный градиент и мембранный потенциал. Мы уже знаем, как все это будет использовано: АТФ-синтетаза будет парами выпускать протоны наружу и синтезировать АТФ из АДФ. Обратим внимание на одно кажущееся отличие от митохондрий – при окислительном фосфорилировании в митохондриях протоны выкачиваются из пространства, ограниченного внутренней митохондриальной мембраной, и входят обратно через АТФ-синтетазу. В нашем случае протоны закачиваются во внутреннее пространство тилакоида и выходят оттуда через АТФ-синтетазу. Однако внутреннее пространстно тилакоида соответствует пространству между двумя мембранами хлоропласта – это как бы отшнуровавшиеся складки (подобные кристам митохондрий) внутренней мембраны; таким образом топологически он эквивалентен внешнему к хлоропласту пространству, то есть все процессы обмена протонами идут точно так же, как и в митохондрии.

5) между тем два электрона, поступившие к кофактору Q, передаются далее по цепочке белков, которая очень похожа на цепь переноса электронов. В ней тоже участвуют хиноны, цитохромы – белки, содержащие гем в комплексе с атомом железа, белки, содержащие железо и серу, опять-таки хлорофилл и пластоцианин – фермент, содержащий медь. И прохождение электронов по ней также сопровождается транспортом протонов против градиента концентрации сквозь мембрану тилакоидов, что опять-таки льет воду на мельницу АТФ-синтетазы;

6) в конце концов, электроны поступают от пластоцианина к реакционному центру фотосистемы 1 – молекуле Р700.

В фотосистеме 1 происходит следующее:

1) антенные молекулы ловят фотон и передают энергию в резонансную систему реакционного центра Р700, который возбуждается и отдает два электрона акцепторному железосодержащему белку (Р430). Как и в случае фотосистемы 2, Р700 тем самым окисляется и приобретает положительный заряд;

2) эта молекула восстанавливается и теряет заряд, получив два «успокоившихся» (но не до исходного состояния – их энергия еще не до конца израсходована!) электрона, изначально поступивших от фотосистемы 2. В этом случае необходимости в фотолизе нет и его не происходит;

3) Р430 отдает электроны другому железосодержащему белку, который называется ферродоксин;

4) получив электроны, этот белок восстанавливает кофермент НАДФ+ до НАДФ-Н. Данный кофермент представляет собой фосфорилированный НАД. Процесс происходит на внешней мембране тилакоида. Для него необходим протон, который берется из внутреннего пространства хлоропласта, внешнему по отношению к тилакоиду. Тем самым протонный градиент только усиливается.

Последний этап вам ничего не напоминает? Да, он напоминает то, как НАД-Н окислялся до НАД+ и отдавал электроны по цепи переноса электронов. Только тут все происходит в обратном порядке. Там НАД-Н передавал энергию электрону, который ее терял, проходя по цепи переноса электронов. А здесь, наоборот, электрон, возбужденный энергией солнечного света, накопленной двумя последовательно сопряженными фотосистемами, передает ее НАДФ+, восстанавливая его до НАДФ-Н.

Действительно, вся световая фаза фотосинтеза похожа на окислительное фосфорилирование в митохондриях тем, что в ходе него по сходной цепи белков передаются электроны, в результате чего в некоем ограниченном мембраной пространстве – в данном случае внутреннем пространстве тилакоида – создается избыточная концентрация протонов, а на мембране – разность потенциалов. Возникающая потенциальная энергия электростатических сил используется для синтеза АТФ за счет движения протонов по градиенту, осуществляемого АТФ-синтетазой. Отличие от окислительного фосфорилирования состоит в том, что если там для возбуждения электронов использовалась восстановленная молекула НАД-Н, то здесь для этого используется свет, а НАДФ+, наоборот, восстанавливается и используется в темновой стадии фотосинтеза (а может быть далее использован и в тех же митохондриях). В целом получается, что протоны образуются во внутреннем пространстве тилакоида при фотолизе воды, закачиваются туда же в ходе работы фотосистемы 2 и черпаются из внешнего пространства тилакоида для восстановления НАДФ+ до НАДФ-Н, через посредство которого водород поступает в синтезируемые в ходе фотосинтеза углеводы.

Однако фотосистема 1 может работать и автономно. При этом используется обходной путь переноса электронов от возбужденного реакционного центра – а именно та же цепь переноса электронов, которая ведет из фотосистемы 2. Электроны проходят по ней, вызывая сопряженный транспорт протонов из внешней среды тилакоида во внутреннюю, чем усиливается протонный градиент, и возвращаются обратно к реакционному центру фотосистемы 1 – Р700. Таким образом, здесь свет словно крутит колесо протонного насоса, не окисляя воды и не восстанавливая НАДФ. Это называется циклическим фотофосфорилированием (рис. 6.5). Оно может идти параллельно с нециклическим. Кроме того, оно используется некоторыми фотосинтетическими бактериями, которые в процессе фотосинтеза не выделяют кислорода.

Приблизительный результат световой фазы фотосинтеза при нециклическом фотофосфорилировании можно записать в виде такой реакции:

2НАДФ+ 2АДФ + 2Ф- + 2H₂O + 4 hv = 2НАДФ-Н + 2АТФ + O₂.

Здесь hv – условное обозначение энергии одного фотона, Ф – условное обозначение остатка фосфорной кислоты из раствора. Приблизительный он потому, что, как и при окислительном фосфорилировании, количество АТФ, синтезируемое АТФ-синтетазой, не связано жесткой зависимостью от количества электронов, пропущенных по цепочке белков в фотосистеме II.

Наш приблизительный гешефт в результате световой фазы фотосинтеза, полная схема которой приведена на рис. 6.6, – одна АТФ и один восстановленный кофермент (который, как мы помним, при дыхании «стоит» 2,5 АТФ) на два фотона, т. е. почти две АТФ на один квант энергии, позаимствованной у одного пошлощенного фотона. Неплохо!

Итак, мы рассмотрели, откуда в ходе фотосинтеза берется энергия (т. е. АТФ). Осталось рассмотреть, как с использованием этой энергии делается органика. Один из способов универсален и используется всеми автотрофами - организмами, которые способны самостоятельно производить органику из неорганики: растениями, сине-зелеными водорослям, фотосинтетическими и хемосинтетическими бактериями. Он называется циклом Кальвина (рис. 6.7). Это еще один замкнутый цикл взаимопревращения органических веществ одно в другое под действием специальных ферментов, подобный циклу Кребса. И кстати, еще одна Нобелевская премия, 1961 года – открывшему его Мелвину Кальвину.

Цикл начинается с сахара, имеющего цепочку из пяти атомов углерода и несущего две фосфатные группы – рибулозо-1,5-бифосфат (и им же кончается). Процесс начинается, когда специальный фермент – рибулозобифосфаткарбоксилаза – присоединяет к нему молекулу СО₂ (рис. 6.8). Образующаяся на короткое время шестиуглеродная молекула немедленно распадается на две молекулы глицерат-3-фосфата (он же 3-фосфоглицерат, с этим веществом мы уже встречались в гликолизе). Каждая из них содержит три атома углерода (поэтому цикл Кальвина называется также C3-путь фиксации углекислого газа).

Фактически фиксацию угелкислого газа в органике осуществляет именно этот фермент – рибулозобифосфаткарбоксилаза. Это на удивление медленный фермент – он карбоксилирует всего три молекулы рибулозо-1,5-бифосфата в секунду. Для фермента это очень мало! Поэтому самого данного фермента требуется много. Он фиксирован на поверхности тилакоидных мембран и составляет около 50 % от всех белков хлоропласта. Про него известно, что это самый распространенный белок в мире (подумайте почему).

Глицерат-3-фосфат с затратой одной молекулы АТФ фосфорилируется до дифосфоглицерата. Тот, в свою очередь, дефосфорилируется до глицеральдегид-3-фосфата, причем в ходе этой реакции одна молекула восстановленного НАДФ-Н окисляется до НАДФ+. Снова затраты энергии!

Получившееся соединение – глицеральдегид-3-фосфат – наш старый знакомый. Оно образуется в ходе расщепления глюкозы в процессе гликолиза, а именно при расщеплении фруктозо-1,6-бифосфата. Из него же в ходе ферментативных реакций, идущих без затраты энергии, можно получить глюкозу. Некоторые из реакций гликолиза необратимы (а именно те, в ходе которых дефосфорилируется АТФ), поэтому задействуются другие реакции и другие посредники.

Казалось бы, вот и весь фотосинтез. Но для того чтобы он продолжался, нам нужно каким-то образом регенерировать рибулозо-1,5-бифосфат – основной субстрат фиксирующего углекислый газ фермента. Поэтому на каждые 12 молекул образовавшегося глицеральдегид-3-фосфата только две идут на синтез глюкозы, а 10 направляются на восстановление шести молекул рибулозо-1,5-бифосфата. В этом процессе участвует 12 х 3 = 6 х 5 = 30 атомов углерода, которые перегруппируются из 10 трехуглеродных молекул в 6 пятиуглеродных. При этом на входе мы имеем 10 фосфатных групп (по одной на каждую молекулу глицеральдегид-3-фосфата), а на выходе должны иметь их 12. Однако на 6 молекул глицерат-3-фосфата дополнительно тратится не 2, а 6 молекул АТФ.

Если вычесть регенерирующие в ходе цикла вещества (которые дополнительно не синтезируются и не тратятся), то суммарное уравнение фиксации углекислоты получается таким:

6CO₂ + 12НАДФ-Н +18 АТФ = 1 глюкоза + 12НАДФ+ + 18АДФ + 18Ф-+ 6H₂O

(здесь Ф – это свободная фосфорная группа).

Мы получаем затраты 12 восстановленных коферментов и 18 АТФ на одну молекулу глюкозы. Если мы вспомним «цену» восстановленного кофермента в фирме «Цепь переноса электронов» в 2,5 молекулы АТФ, то получение одной молекулы глюкозы – единой межклеточной валюты – нам обходится, в единой клеточной валюте, в 48 АТФ. При ее расщеплении мы получали всего около 30 АТФ. Кажется, разница в курсе покупки и продажи называется «маржа». В данном случае она весьма немаленькая! Около 1/3 энергии теряется за счет КПД биохимических процессов. (В технике это было бы прямо-таки огромное значение КПД.)

Как мы могли заметить, фотосинтез вообще немного напоминает клеточное дыхание, вывернутое наизнанку. Там в ходе замкнутого в цикл взаимопревращения небольших органических веществ некоторые из них расходовались с выделением углекислого газа и восстанавливались коферменты, которые потом окислялись, отдавая электроны в цепь переноса электронов, откуда они в конечном счете поступали к молекуляному кислороду с образованием воды. Здесь процесс начинается с отнятия электронов у воды с образованием молекулярного кислорода, оттуда они (получив энергию от света) поступают в цепь переноса электронов и в конечном счете идут на восстановление коферментов. Восстановленные коферменты и углекислый газ же вступают в циклическое взаимопревращение органических веществ, в которой они синтезируются с затратой АТФ. Даже участки внешнего по отношению к органелле пространства оказались вывернутыми наизнанку и стали внутренним пространством тилакоида.

Заметим, что рассмотренного нами самого ходового варианта фотосинтеза есть один подводный камень. Рибулозобифосфаткарбоксилаза устроена так, что способна превращать рибулозо‑1,5‑бифосфат не только в желательные нам (т. е. растениям) две молекулы глицерат-3-фосфата, но и осуществлять прямо противоположную вещь – окислять ее при помощи кислорода до одной молекулы глицерат-3-фосфата, молекулы фосфогликолевой кислоты и молекулы углекислого газа (рис. 6.9). Фосфогликолевая кислота затем превращается в гликолевую кислоту и окисляется с помощью кислорода до еще двух молекул углекислого газа (это происходит в специальных органеллах клетки – пироксисомах, которые для этой цели тесно прилегают к пластидам). Вместо фиксации углекислоты в органической молекуле мы, наоборот, производим ее из органической молекулы. Этот процесс, поскольку он состоит в потреблении кислорода с высвобождением углекислого газа, называется фотодыханием, но в отличие от настоящего дыхания при этом не запасается никакой полезной энергии. Желательный процесс – н фиксация углекислого газа – преимущественно катализируется рибулозобифосфаткарбоксилазой при высоких концентрациях углекислого газа и низких – кислорода, а нежелательный – отщепление углекислого газа – наоборот, при низких концентрациях углекислого газа и высоких – кислорода, но именно эти условия и преобладают в атмосфере и клетках мезофилла – растительной ткани, в которой происходит фотосинтез.

В результате за счет фотодыхания теряется до половины только что фиксированного углерода. Чтобы обойти это препятствие, многими неродственными растениями был выработан обходной путь фиксации СО₂. Он называется С₄-путь. При нем углекислый газ фиксируется дважды – сначала на молекуле фосфоенолпирувата с образованием яблочной кислоты, или малата (у других растений – аспарагиновой кислоты), которая имеет 4 атома углерода (рис. 6.10). Этот процесс катализируется ферментом фосфоенолпируваткарбоксилазой, который не фиксирован на мембране, а растворен в цитоплазме клеток мезофила. Кроме того, он использует не молекулу СО₂ как таковую, а ее гидратированную форму - ион угольной кислоты СО₃-, находящийся в равновесии с СО₂ при его растворении воде. Затем яблочная кислота мигрирует в другие клетки (обкладки сосудистых пучков), где от нее молекула углекислого газа снова отщепляется, и тут же, как ни в чем не бывало, снова фиксируется обычным способом, то есть рибулозобифосфаткарбоксилазой, и вступает в цикл Кальвина. Образующийся при этом пируват возвращается в клетки мезофила, где фосфорилируется с затратой АТФ и преобразуется в фосфоенолпируват, который тем самым регенерирует - и все повторяется по циклу. Весь фокус в том, что в клетках обкладки, куда не проникает так много кислорода, создется повышенная концентрация углекислого газа, чтобы рибулозобифосфаткарбоксилаза катализировала нужную реакцию. Заметим, что, задействовав С₄-путь мы вынуждены тратить дополнительную молекулу АТФ для того, чтобы фосфорилировать пируват. Обращую ваше внимание на то, что пируват и яблочная кислота уже встречались нам в цикле Кребса, т. е. для «спасения» темновой стадии фотосинтеза от фотодыхания была задействована какая-то часть этого старого доброго цикла. Типичный пример того, как обстоят дела в биохимии.

Фактически С₄-путь есть всего лишь надстройка над С₃-путем для обеспечения его эффективности с использованием пространственной неоднородности условий. С₃-путь сложился на заре существования жизни, когда в среде еще не было свободного кислорода, и оказался настолько базовой технологией в деле производства органики, что ни одно живое существо не изобрело с тех пор полностью альтернативной технологии. Надо сказать, что С₄-путь эффективен при высоких температурах, но неэффективен при низких. Поэтому доля растений, которые им пользуются, повышается к югу.

Есть еще и так называемый «путь толстянковых» – он реализован в семействе толстянковых и кактусовых. Это действительно очень толстые растения, которые растут там, где жарко и мало воды. Экономя воду, в течение жаркого дня они закрывают свои устьица (это отверстия, по которому в листья проникают газы) и поэтому не могут поглощать СО₂. Фиксация СО₂ у них происходит только ночью, в ходе которой в больших количествах запасается яблочная кислота. Днем, при закрытых устьицах, она декарбоксилируется, и регенерировавший СО₂ вступает в цикл Кальвина (хоть он и относится к темновой фазе фотосинтеза). Так что эти растения тоже используют обходной С₄-путь, фиксируя углекислый газ дважды, но у них его первичная фиксация разделена с циклом Кальвина не в пространстве (в разных клетках), как в предыдущем варианте, а во времени.

Мы преднамеренно рассматриваем эти тонкости с тем чтобы отметить взаимосвязь биохимии с экологией – наукой о взаимодействиях организмов с внешней средой и друг с другом.

Таким образом, темновая стадия фотосинтеза, т. е. именно синтез органики, существует в нескольких вариантах. Световая же фаза организована одинаково у всех зеленых растений и у цианобактерий (сине-зеленые водоросли). Однако у другого типа фотосинтезирующих бактерий, или фототрофных бактерий, не являющихся цианобактериями, – пурпурных и зеленых бактерий, реализованы и другие типы световой стадии фотосинтеза. Эти два типа фототрофных бактерий различаются структурой своих хлорофиллов и их набором. Причем пурпурный (или коричневый, желтый) цвет пурпурных бактерий обусловлен, как и у высших растений, каротиноидами. Самое интересное, что хлорофилл пурпурных бактерий способен поглощать фотоны и осуществлять фотосинтез в невидимой инфракрасной части спектра. Это очень важно на глубинах, в которые видимый свет не проникает. Внутреннее пространство клеток фототрофных бактерий заполнено фотосинтезирующими мембранными структурами, в некоторых случаях напоминающими тилакоиды.

Общее уравнение фотосинтеза у фототрофных бактерий остается почти тем же самым, что и у зеленых растений:

СО₂ + Н₂Х = (СН₂О) + 2Х.

Только кислород заменен на Х, в данном случае H₂X – это не вода, а любое вещество, способное окисляться с передачей электрона в фотосистему и одновременно отдавать протон. Таким веществом может выступать сероводород, тиосульфат, молекулярный водород (в этом случае Х = 0) и органические соединения.

У зеленых и пурпурных бактерий существуют фотосистемы только одного типа. Они могут осуществлять как циклическое фотофосфорилирование, при котором не нужен экзогенный донор электронов и водорода, так и нециклическое, при котором такой донор необходим. Зачем же растениям и цианобактериям потребовалось сопряженная работа двух фотосистем?. Дело в том, что для синтеза органики в цикле Кальвина необходима не только энергия, которая может поступать в виде АТФ, но и восстановленные коферменты НАДФ в качестве донора не только энергии, но и водорода. Для того, чтобы перевести электрон в состояние с настолько высокой энергией, которого будет достаточно для восстановления молекулы НАДФ+ до НАДФ-Н, необходимо последовательное использование двух фотосистем. Энергии двух фотонов также оказалось достаточно для того, чтобы отнять электроны от атома кислорода в составе воды.

Примечательно, что в сопряженной паре двух фотосистем, которую впервые изобрели цианобактерии (сине-зеленые водоросли), фотосистема 1 происходит от фотосистемы зеленых бактерий, а фотосистема 2 – от фотосистемы пурпурных бактерий. Объединив два этих готовых механизма, цианобактерии оказались способны к окислительному фотолизу воды и восстановлению НАДФ+. Бактерии легко обмениваются генетическим материалом, и подобное объединение двух неродственных эволюционных линий для них не является чем-то исключительным. Растения унаследовали спаренную фотосистему от сине-зеленых водорослей. Каким образом – мы увидим это в лекции 8.

Самый распространенный у фототрофных бактерий вариант фотосинтеза – это когда вместо воды используется соединение водорода с элементом из той же группы кислорода – сера. Фототрофные серные бактерии, у которых реализован такой вариант, поглощают сероводород, а выделяют серу.

Серными бактериями является часть пурпурных и почти все зеленые бактерии. Где же такие бактерии должны жить? Следует полагать, что в областях активного вулканизма. Вулканы выделяют много серы, преимущественно в ее соединении с кислородом (сернистый газ SO₃) и водородом (сероводород H₂S). Да, в кратере активного вулкана особо не поживешь. Однако поблизости от него, а также у подножия потухших вулканов всегда есть места истечения вулканических газов – фумаролы. Обычно они располагаются в трещинах изверженных пород, которым соответствуют углубления поверхности, где соответственно скапливается вода. Эта вода насыщена сероводородом, что и являются благоприятной средой для фотосинтетических серных бактерий.

В какой форме выделяется сера? Все серные фототрофные бактерии окисляют восстановленные соединения серы до минеральной серы – твердого вещества. У одних бактерий сера накапливается внутри клеток в виде твердых частиц. По мере гибели бактерий они выходят в окружающую среду. Другие способны выделять серу сразу в окружающую среду. Многие зеленые и пурпурные серные бактерии способны окислять серу дальше, вплоть до сульфатов, но в качестве субстрата для световой стадии фотосинтеза используется именно сероводород и некоторые другие соединения восстановленной серы с водородом.

Однако фототрофные серобактерии встречаются не только в фумаролах – они могут появляться везде, где только ни встречается сероводород. А он часто образуется при анаэробном разложении органики другими бактериями. В частности, они развиваются, иногда в больших количествах, в придонном слое прудов, озер и морей. Большинство фототрофных бактерий – строгие (облигатные) анаэробы. Однако есть среди них и факультативные аэробы, способные жить присутствии кислорода.

В приведенном уравнении Х может и равняться нулю. Такие фотосинтетические бактерии потребляют чистый молекулярный водород. Реакционный центр фотосистемы отнимает два электрона у атома водорода и превращает его в два протона. Бактерии, использующие в качестве восстановителя водород, менее распространены, чем серные бактерии.

Большинство фототрофных бактерий способны к фотоокислению органических веществ (здесь Х – это органический радикал), но это уже вряд ли можно назвать фотосинтезом, так как органические вещества тут больше тратятся, чем образуются.

Не надо забывать про существование циклического фотофосфорилирования – процесса, при котором не требуются молекулы-доноры ни протонов, ни электронов. Можно предположить, что это была исторически первая действующая схема световой стадии фотосинтеза, так как она самая простая, включающая всего одну фотосистему и не требующая дополнительных восстановителей. В ходе циклического фотофосфорилирования образуется не очень много АТФ, а в классическом его случае НАДФ+ не восстанавливается вовсе (но у некоторых фототрофных бактерий может и восстанавливаться). Наверняка, будучи «изобретено», циклическое фосфорилирование служило только лишь некоторым энергетическим подспорьем своим носителям. Но поскольку весь механизм работает на создании разницы концентрации протонов внутри и вне некоего мембранного пространства, то оказалось удобно усилить этот градиент путем окисления некоего водородсодержащего вещества – молекулярного водорода, воды или сероводорода.

Наконец, достаточно недавно открыта совсем другая система фотосинтеза у галобактерий – микроорганизмов, развивающихся в концентрированных растворах поваренной соли и окрашивающих их в красный цвет. На самом деле они относятся к археобактериям – особым микроорганизмам, которые по многим признакам столь же отдалены от бактерий, как и от эукариот. Окраска обусловлена пигментом ретинальдегидом, который относится к классу каротиноидов. Этот пигмент родствен светочувствительному пигменту, ответственному за наше зрение. Он присоединен к белку бактериопсину на правах кофермента. Этот белок пронизывает мембрану клетки семью альфа-спиралями. Энергия фотона зеленого цвета отсоединяет ретинальдегид от бактериопсина. При этом бактериопсин срабатывает как протонная помпа и проталкивает протон сквозь мембрану. После этого ретинальдегид может реассоциировать с бактериопсином. Мы снова видим тот же принцип – создание градиента протонов и мембранного потенциала для синтеза АТФ. Причем градиент протонов создается самим фотосинтезирующим белком. При этом, как и при циклическом фосфорилировании, никакого дополнительного вещества не восстанавливается. Похоже, это самый простой из существующих в настоящее время путей фотосинтеза.

Какой мы можем сделать вывод? Разные фотосинтетические системы могли изобретаться неоднократно и основываться на разных ключевых пигментах. Рассмотренный нами тандем из двух фотосистем, основанных на хлорофилле, – один из многих вариантов и, по-видимому, наиболее эффективный. Обе фотосистемы были изобретены фототрофными бактериями, объединены цианобактериями (сине-зелеными водорослями) и унаследованы растениями (как именно – мы увидим дальше).

Надо заметить, что не все фототрофные бактерии являются автотрофами в полном смысле этого слова, т. е. способны развиваться на чисто минеральных средах. Большинство из них все же нуждается в тех или иных готовых органических веществах, так что фотофиксация углекислоты является для них всего лишь дополнительным источником органики.

Именно так обстоит дело у галобактерий. Причем у них есть еще одна поразительная особенность – они не способны поглощать сахара и из экзогенной органики фактически «питаются» одними аминокислотами.

Хемосинтез

Синтез органики может происходить не только за счет солнечного света, но и за счет ресурса, освоение которого не требует такой продвинутой антенной техники, как фотосистемы на основе пигментов сложного строения, – за счет энергии, запасенной в химических связях неорганических веществ. Это так называемый хемосинтез.

Организмы, способные к хемосинтезу и не нуждающиеся во внешнем источнике органических веществ, называются хемоавтотрофы. Хемоавтотрофы встречаются только среди бактерий, причем в современном мире разнообразие хемосинтетических бактерий невелико. Они были открыты в конце XIX в. отечественным микробиологом С. Н. Виноградским. Однако, как и в случае с зелеными и пурпурными бактериями, многие бактерии, способные к хемосинтезу, все же нуждаются в определенных органических веществах и к автотрофам формально отнесены быть не могут. В то же время понятно, что принципиальна сама способность к хемосинтезу, которая может служить основой для становления хемоавтотрофии.

Рассматривая варианты бактериального фотосинтеза, мы с вами коснулись вулканизма, имеющего прямое отношение к данной теме. И действительно, те же самые вещества, которые фототрофные бактерии использовали в качестве доноров электронов в ходе фотосинтеза, могут быть использованы хемоавтотрофами для получения энергии путем их окисления без привлечения энергии света. Хемоавтотрофные бактерии могут использовать в качестве источника энергии, т. е. в качестве восстановителей:

1) соединения серы;

2) водород;

3) соединения азота;

4) соединения железа;

и предположительно:

5) карбонат марганца MnCO₃ до оксида марганца Mn₂O₃;

6) оксид трехвалентной сурьмы Sb₂O₃, окисляя его до пятивалентной Sb₂O₅.

Так называемые бесцветные серные бактерии развиваются в сероводородных источниках, в том числе и горячих (некоторые имеют температурный оптимум около 50 ^оС), и даже в источниках, представляющих собой слабую (вплоть до однонормальной, рН = 0) серную кислоту или насыщенный раствор поваренной соли. Некоторые из этих бактерий встречаются в почве, в месторождениях серы и в некоторых разрушающихся горных породах (способствуя их так называемому сернокислому выветриванию). Естественно, к разным условиям приспособлены разные виды этих бактерий. Многие из них не только способны окислять одно какое-то соединение серы, а последовательно повышать ее степень окисления, т. е. окислять сероводород (H₂S) до молекулярной серы (S), а молекулярную серу – до тиосульфата (S₂O₃^-), тиосульфат – до сульфита (SO₃^-), сульфит – до сульфата, т. е. серной кислоты (SO₄^-). При этом степень окисления серы увеличивается от –2 до +6. Немудрено, что для хемосинтеза выбран такой элемент, как сера, степень окисления которого способна варьировать в столь широких пределах.

Некоторые способны окислять серу даже из нерастворимых сульфидов тяжелых металлов. Такие бактерии используются для разработки обедненных месторождений этих металлов. Воду с бактериями пропускают через измельченную руду, представленную сульфидами, и собирают ее, обогащенную сульфатами соответствующих металлов.

Как мы знаем, все, что нам нужно от любых источников энергии, это получить АТФ. Получение АТФ на основе восстановления серы может идти двумя путями.

Самый поразительный путь – почти прямой. Он реализуется как минимум при окислении сульфита. Сульфит взаимодействует с АМФ с образованием аденозинфосфосульфата (АФС). Именно в этой реакции степень окисления серы меняется с +4 до +6, причем высвободившиеся электроны передаются в цепь переноса электронов для окислительного фосфорилирования. Молекула АФС, в свою очередь, заменяет сульфатную группу на остаток свободной фосфорной кислоты из раствора с образованием АДФ, тогда как сульфат высвобождается в раствор. (На всякий случай напомним, что каждая такая реакция катализируется специальным ферментом.) АДФ уже содержит одну макроэргическую связь. Фермент аденилаткиназа из двух молекул АДФ делает одну молекулу АТФ и одну АМФ. Мы видим здесь простейший из всех рассмотренных нами путей синтеза АТФ – всего в три этапа. Фермент катализирует соединение непосредственного источника энергии – соединения серы – с АМФ, а следующий фермент – замещение остатков одной кислоты на другую с образованием АТФ. Отнятые у серы электроны могут направляться в цепь переноса и без фосфорилирования АМФ – в этом случае окисление серы производится непосредственно одним из цитохромов.

Как видим, в обоих процессах задействовано окислительное фосфорилирование, требующее свободного кислорода. Поэтому бактерии-хемосинтетики – это, как правило облигатные аэробы.

Данный пример нам показывает, что: 1) пути получения АТФ при хемосинтезе отличаются разнообразием и 2) среди них есть и очень простые; возможно, они эволюционно возникли самыми первыми.

Кстати, КПД хемосинтеза на основе серы невысок – при нем используется от 3 до 30 % энергии, заключающейся в восстановленных формах серы.

Чтобы окислять серу и извлекать из одного этого энергию без привлечения ее дополнительных источников, современные хемосинтетические бактерии нуждаются в сильном окислителе, и им является кислород. Это или молекулярный кислород воздуха, или кислород нитратов (NO₃^-). Как вы знаете, нитраты, т. е. селитра, очень хороший окислитель и используется при изготовлении пороха.

Бактерии, использующие в качестве единственного источника энергии окисление водорода, – водородные бактерии, живут в почве и водоемах. Окисление водорода происходит через цитохромы с использованием цепи переноса электронов, т. е. с использованием молекулярного кислорода как акцептора электронов. Таким образом, для жизни этих бактерий необходимо присутствие в среде не только водорода, но и кислорода – фактически они живут на гремучей смеси и используют энергию, которая могла бы выделиться в результате сгорания водорода. Это довольно большая энергия, и используют они ее достаточно эффективно – до 30 %. Общее уравнение водородного хемосинтеза таково, что на шесть молекул окисленного водорода приходится одна фиксированная в синтезируемых органических соединениях молекула СО₂.

Любопытно, что водород, используемый водородными бактериями, выделяется в качестве побочного продукта жизнедеятельности другими бактериями – обычными гетеротрофными, которые используют в качестве источника энергии готовую органику. Одновременное присутствие водорода и кислорода – опять-таки очень редкая экологическая ситуация. Возможно, именно поэтому все водородные бактерии могут усваивать уже готовые биологические органические вещества

Хемосинтез на основе азота осуществляют нитрифицирующие бактерии. Как вы знаете, азот, как и сера, относится к элементам, легко меняющим степень окисления. Имеется две группы нитрифицирующих бактерий. Одна восстанавливает аммоний (NH⁴⁺) до нитритов (NO^2-), при этом степень окисления азота меняется с –3 до +3. Вторая группа окисляет нитриты до нитратов (NO₃^-), повышая степень окисления азота до +5. Все нитрифицирующие бактерии – облигатные аэробы. Электроны от азота передаются в цепь переноса электронов посредством флавопротеина (содержащего флавин) либо через цитохромы.

Имеются также бактерии, способные окислять двухвалентное железо до трехвалентного. Из них способность к автотрофному существованию доказана только для нескольких видов, являющихся одновременно серными бактериями и способных окислять молекулярную серу и различные ее соединения с кислородом и тяжелыми металлами. Общее уравнение хемосинтеза в этом случае выглядит так:

4Fe²⁺SO₄ + H₂SO₄ +O₂ = 2Fe³⁺₂(SO₄)₃ + 2H₂O.

Такие бактерии, живущие в болотах, образуют болотные месторождения железа.

Все рассмотренные хемоавтотрофы получают энергию путем окисления неорганических веществ и запасают ее в виде молекул АТФ. Энергия, запасенная в АТФ, используется ими для фиксации углекислоты и построения биологических органических молекул. Для этого все они используют уже рассмотренный нами цикл Кальвина. Вспомним, однако, что в этом цикле, помимо АТФ, необходим еще и НАДФ-Н. В то же время энергетического выигрыша от окисления всех используемых для хемосинтеза веществ недостаточно для восстановления НАДФ-Н из НАДФ+. Поэтому его восстановление идет в виде отдельного процесса с затратой части АТФ, полученной в ходе хемосинтеза.

Итак, хемосинтез представляет заманчивую возможность использования энергии неорганических соединений элементов, которые легко меняют степень своего окисления, для получения АТФ и синтеза органических веществ путем фиксации углекислого газа. Отметим, однако, четыре обстоятельства.

1. Большинство известных случев хемоавтотрофии требуют свободного кислорода в качестве окислителя, в редких случаях он замещается кислородом нитратов. А как вы помните, кислород в атмосфере является продуктом фотосинтеза. Все это означает, что с точки зрения геохимического круговорота веществ хемосинтез на Земле сейчас вторичен по отношению к фотосинтезу.

2. Такие вещества, как аммиак, сероводород и водород часто сами образуются в результате жизнедеятельности бактерий, правда совсем других, которые используют для получения энергии и построения вещества своего тела такой эффективный ресурс, как уже готовая органика. Таким образом, во многих случаях за счет хемоавтотрофов общее количество органики не прирастает. Они просто являются элементами общей цепи ее расщепления, включающей множество микроорганизмов – просто на этом этапе добавляется локальный ресинтез органики из СО₂ за счет энергии каких-то промежуточных соединений, образованных в процессе ее глобального разложения.

3. Преобладающий в настоящее время на планете тип хемосинтеза - окисление сероводорода вулканического происхождения.

4. Кислород воздуха легко окисляет сероводород «самостоятельно», без помощи микроорганизмов. Поэтому эти два газа почти не встречаются вместе. К примеру, глубинные слои почвы характеризуются восстановительной средой, там есть метан и сероводород, но нет кислорода. Восстановительная среда сменяется окислительной, где присутствует кислород, но нет сероводорода – в очень узком слое, здесь есть оба газа – буквально несколько миллиметров. Именно и только там и могут развиваться почвенные хемосинтетические серобактерии. (Еще более экзотично одновременное присутствие кислорода и водорода.)

Однако на планете есть места, где оба газа – сероводород и кислород – присутствуют в достаточных концентрациях одновременно. И даже в настоящий момент большое количество органики образуется там в результате хемосинтеза. Давайте выясним, откуда вообще берется вулканизм. Вы слышали о дрейфе континентов? Кто не слышал, вспомните карту мира и обратите внимание на то, что, если Африку сдвинуть на запад, ее очертания очень хорошо впишутся в берега обеих Америк. Да, континенты медленно плывут! Африка и Америки раскололись и плывут друг от друга. Азия и Северная Америка плывут навстречу друг другу. Индия относительно недавно откололась от Африки, рванулась на северо-восток и врезалась в Азию. В результате в месте столкновения выросли Гималаи и Тибет, а недавнее землетрясение на Алтае произошло оттого, что она все еще не может остановиться. Земная кора под океанами гораздо тоньше, чем под континентами. Континенты плавают по ней как льдины. Когда континенты наступают на океан, как, например, Евразия и Америка на Тихий, происходит субдукция – континенты подминают под себя земную кору, она погружается в мантию и расплавляется. Именно в зонах субдукции – например по всей периферии Тихого океана – имеет место вулканизм, который достаточно легко наблюдать в виде вулканов и горячих источников, богатых серой, в которных мы находим хемосинтезирующие бактерии. Там же, где континенты расходятся, а океан раскрывается, как, например, Атлантический, континенты растаскивают океаническую земную кору за собой. В результате посередине океана имеется трещина – рифтовая зона, по которой из мантии поднимается расплавленная магма, застывает и образует новую океаническую кору. Это область скрытого от наших глаз, но гораздо более мощного вулканизма. По сторонам трещины вырастают подводные вулканические горы, а сама трещина все же выглядит как впадина между двумя горными цепями. Это называется – срединный океанический хребет. Здесь имеется множество истечений вулканических газов, богатых соединениями серы и углекислым газом. Они получили название черных курильщиков. Почему курильщиков и почему черных? Соединения серы с металлами – сульфиды – как правило, окрашены в черный цвет. (Кстати, кто знает, почему море Черное? Потому что на определенной глубине его вода насыщена сероводородом и все металлические предметы там чернеют.) Источники рифтовой зоны выбрасывают очень много сульфидов, растворенных и взвешенных в горячей воде – такие струи отдаленно напоминают клубы черного дыма, а выпавшие в осадок сульфиды образуют вокруг источников причудливые постройки высотой в несколько десятков метров.

В Черном море не идет активный хемосинтез, так как на той глубине практически нет кислорода – все это потому, что его конфигурация способствует застою воды. А в рифтовых зонах океанов вода подвижна и кислород есть. Немаловажно, что черный курильщик подогревает воду и тем приводит ее в движение, способствующее газообмену. Этот ресурс не проходит незамеченным для морских обитателей, поэтому вокруг черных курильщиков формируются процветающие сообщества морских организмов. Их основу составляют хемосинтетические бактерии, которые покрывают эти самые сульфидовые постройки черных курильщиков ровным слоем. Там идет интенсивнейший хемосинтез, в ходе которого большие количества углекислого газа фиксируются и переходят в биологические органические молекулы.

В рифтовой зоне Тихого океана, на периферии черных курильщиков располагаются колонии совершенно поразительных животных – вестиментифер. Их открыли всего около 20 лет назад, сейчас известно десятка два видов. Они представляют собой нечто вроде червей длиной от 15–30 см до 2,5 м, живущих в трубках, через открытый конец которых высовывается венец алых щупалец (рис. 6.11). Они принадлежат к особому семейству многощетинковых кольчатых червей – сибаглидам, хотя весьма и отичаются от остальных кольчатых червей по строению тела; это семейство раньше даже считались отдельным типом – погонофорами.

У них хорошо развита кровеносная система, но нет ни рта, ни кишечника. Вдоль тела у них проходит так называемая трофосома (по-гречески трофос – питание, сома – тело) – тяж, состоящий из особых клеток и кровеносных сосудов. Внутри клеток находятся хемосинтезирующие серные бактерии – только одного вида (из около двухсот во внешней среде курильщиков). Они окисляют сероводород до серной кислоты (которая нейтрализуется карбонатами). Вестиментиферы самопереваривают часть этих своих клеток и таким образом питаются.

Спрашивается, а как сероводород попадает в трофосому? Он транспортируется туда гемоглобином крови вместе с кислородом. Кислород связывается с гемом, сероводород – с белковой частью гемоглобина. Красные (от гемоглобина) щупальца служат жабрами – они поглощают кислород и сероводород. Таким образом, вестиментиферы существуют за счет симбиоза – взаимовыгодного сожительства с организмами другого типа. И строят свое тело из органики, полученной в результате хемосинтеза (но с использованием хемосинтетического кислорода). В колониях вестиментифер за счет хемосинтетической органики (в основном просто питаясь вестиментиферами) живут крабы, креветки, усоногие ракообразные, двустворчатые моллюски, осьминоги, рыбы и т. п.

И заметьте, никаких растений! Только бактерии и животные. Напомним, что на этих глубинах солнечный свет полностью отсутствует.

Все это соседствует с практически безжизненными океанскими глубинами, куда почти не достигает фотосинтетическая органика, поступающая с океанской поверхности, поскольку почти вся она утилизируется микроорганизмами по дороге. Там донная биомасса составляет всего 0,1–0,2 г / м² (оценка плотности биомассы возле курильщиков мне не встречалась, но она на несколько порядков больше).

Такое буйство жизни возможно потому, что за счет конвекционного перемешивания в черных курильщиках имеется довольно широкая зона вод, в которых присутствует одновременно и сероводород, и кислород, тогда как зона одновременного присутствия этих газов в почве составляет всего несколько миллиметров.

Геологи давно находили загадочные трубки в месторождениях серебряных, медных и цинковых руд, которые образовались 350 млн лет назад. Месторождения формировались из сульфидов рифтовой зоны. Вестиментиферы тогда уже были. Для сравнения: динозавры вымерли 65 млн лет назад.

Сделаем одно отступление. Несколько раньше вестиментифер были открыты их родственники – погонофоры – в основном глубоководные морские организмы схожего строения. Вместо трофосомы у них имеется так называемый срединный канал – нечто вроде закрытого с обоих концов кишечника. В нем тоже живут симбиотические бактериии, но не хемосинтетические, а метанотрофные. Они «питаются» метаном (CH₄). А что мы знаем о метане? Это один из основных компонентов природного газа. Судя по всему, погонофоры живут в районах расположения подводных месорождений нефти и газа и могут на них указывать.

Что характерно, в рифтовой зоне Атлантического океана вестиментифер нет. Скорее всего они просто не успели туда попасть за время существования этого океана. Зато там, как и в Тихом океане, имеются:

1) креветки, у которых сероводородные симбионтные бактерии живут на поверхности ротовых конечностей;

2) двустворчатые моллюски, у которых они живут в жабрах;

3) ярко-красные многощетинковые черви, у которых они живут на поверхности тела (причем червь может их каким-то образом усваивать через поверхность).

Как сказано ранее, все организмы сообщества черных курильщиков сделаны из органики, полученной из углекислого газа вулканического происхождения посредством энергии соединений серы вулканического же происхождения. Однако, поскольку все они (включая бактерии) использовали в качестве окислителя свободный кислород, все же нельзя сказать, что они существуют независимо от фотосинтеза. Де-факто в жизнь этих экосистем на паритетных началах вложились хемосинтез и фотосинтез. Недра Земли доставили в эти экосистемы восстановитель, а Солнце (через фотосинтезирующие растения) – окислитель. Надо заметить, что источник окислителя – более молодой, чем источник восстановителя. Энергия Солнца берется из термоядерного синтеза гелия из водорода. Энергия же химических соединений недр Земли была запасена в них, грубо говоря, при формировании Земли, а она формировалась из космического газа и пыли одновременно с Солнцем, в составе Солнечной системы в целом. Солнце – звезда второго поколения, следовательно, Солнечная система, включая землю, сформировалась в результате конденсации вещества, выброшенного при взрывах сверхновых звезд первого поколения.

История эволюции биологических процессов обмена вещества и энергии на Земле

Мы с вами, как животные, окруженные в основном животными и растениями, не должны забывать о разнообразии возможных вариантов организации обмена вещества и энергии у живых существ. Все они (и даже наверняка такие, о которых мы не догадываемся) были реализованы у прокариот, тогда как эукариоты унаследовали только два из них – «животный» и «растительный». Вообще же «экономическая» сторона жизни имеет, подобно марксизму (хотя эта шутка вряд ли сейчас актуальна), имеет три источника: энергии, углерода и электронов (т. е. вещество, используемое как восстановитель; из элементов донором электронов чаще всего является водород).

По источнику энергии все живые существа делятся на фототрофов – использующие энергию света, и хемотрофов – использующие энергию химических связей.

По источнику углерода они делятся на автотрофов – использующих углекислый газ, и гетеротрофов – использующих органические вещества.

По источнику электронов они делятся на органотрофов – использующие водород органики, и литотрофов – использующих неорганические вещества – производные литосферы. Это могут быть молекулярный водород, аммиак, сероводород, сера, угарный газ, соединения железа и др.

Скажите, кто по этой тройственной классификации мы с вами? Мы не используем энергию света непосредственно, мы используем энергию питательных веществ. Значит, мы хемотрофы. Откуда мы берем углерод для построения молекул своего тела? Тоже из пищи, значит, мы гетеротрофы. А откуда мы берем электроны? Какое вещество мы окисляем? Наверное, самый нетривиальный вопрос. Давайте догадаемся. Выше не раз было сказано, что кислород является сильным окислителем. Можно догадаться, что окисление происходит там, где используется кислород. Где он используется? Во всех вариантах: и в бытовом, и в биохимическом этот процесс называется дыханием. Вспомним обобщенное уравнение дыхания:

(CH₂O) + O₂ = CO₂ + H₂O.

Мы видим, что кислород отнял водород от углевода, при этом его окислив. И здесь исходным источником электронов служит органика пищи.

Стало быть, мы, животные – хемоорганогетеротрофы.

А растения? Они фототрофы, это понятно. Они автотрофы, это мы тоже усвоили. А что они в конечном счете окисляют? Давайте теперь снова вспомним уравнение фотосинтеза. Собственно, вспоминать ничего и не надо, просто переставим правую и левую части предыдущего уравнения:

CO₂ + H₂O = (CH₂O) + O₂.

Окисляется же здесь сам великий окислитель – кислород. В молекулярном кислороде степень окисления у него 0, во всех веществах слева – -2. А восстанавливается углерод (который окисляется в обратной реакции). Он находится в неорганическом веществе – углекислом газе. Вспомним, однако, что фотосинтез идет в две стадии и кислород образуется в процессе фотолиза воды, когда электроны отрываются от молекулы воды. Вода тоже неорганическое соединение, таким образом, растения – фотоавтолитотрофы.

Наша лекция посвящена получению энергии и фиксации углерода из углекислого газа в органику. Но в биологической органике есть и другие важные элементы. Многие из них, такие как фосфор, сера, доступны в водорастворимых веществах. Другое дело азот. Он тоже доступен в водорастворимых веществах, таких как соли аммония, нитриты и нитраты. Однако почти все они в современном мире (за исключением продуктов вулканизма) сами биогенного происхождения, а абиогенный азот существует только в молекулярной форме. Поэтому фиксация атмосферного азота – сама по себе важная проблема. Ее умеют решать только бактерии, в том числе и цианобактерии. Не будем вас обременять биохимическими схемами фиксации азота. (Заметим, что во всех таких схемах все самые важные действующие лица – ферменты – всегда остаются за кадром ввиду своей необыкновенной сложности: в схемах рисуют только взаимопревращения субстратов и продуктов ферментативных реакций).

Мы только что ознакомились с физико-химическими механизмами, при помощи которых живые существа добывают энергию и производят органические вещества, из которых они состоят. Нам известна их необыкновенная сложность. Как и в случае белков и нуклеиновых кислот, нас не может не поражать универсальность этих сложных процессов. У всех живых существ, кроме некоторых археобактерий, есть гликолиз. Практически у всех нынешних организмов (за исключением некоторых совсем деградировавших паразитических прокариот), даже анаэробных, есть АТФ‑синтетаза, работающая на разности концентраций протонов как гидроэлектростанция на разности уровня воды. У всех организмов, которые дышат молекулярным кислородом или производят его, имеется цикл Кребса, цепь переноса электронов, в которую входят многие цитохромы, а также У всех автотрофов, производящих органику, будь то бактерии или растения, есть цикл Кальвина. Здесь следует задаться немаловажным вопросом: как или хотя бы в какой последовательности вся эта немыслимая механика возникла?

Совершим небольшой мысленный экскурс в проблему возникновения жизни. Как вы думаете, кто появился раньше – автотрофы или гетеротрофы? В голову может прийти простая мысль, что поскольку автотрофы создают органические вещества, а гетеротрофы их только едят, то жизнь должна была начинаться с автотрофов, так как гетеротрофам, появись они первыми, просто нечего было бы «есть». Эта мысль совершенно неверная. Она представляет собой доведение до абсурда принципа актуализма – реконструкции ситуаций прошлого на основе того, что есть сейчас. Гетеротрофы должны были появиться раньше автотрофов, поскольку они элементарно могут быть гораздо проще устроены – ведь получать энергию путем разрушения сложных молекул проще, чем строить эти сложные молекулы из простых, получая при этом энергию из какого-то другого источника. Принцип «ломать – не строить» абсолютно универсален, поскольку представляет собой достаточно точное отражение второго начала термодинамики.

У нас нет никаких оснований допускать, что жизнь изначально возникла как нечто сразу очень сложное, поэтому мы должны рассматривать возникновение и эволюцию жизни как путь от простого к сложному. Откуда вообще возникла жизнь? В общем, если отбросить сказочные варианты, то единственное, что приходит на ум и нам, и серьезным ученым – это то, что самые первые живые системы самоорганизовались из какой-то «неживой» органики, которой для этого должно было быть довольно много. Согласно современным данным науки, так оно и было: на поверхности Земли тогда существовало очень много достаточно сложных органических соединений, появившихся внебиологическим путем. Вот и «еда» для первых гетеротрофов! Но она должна была бы достаточно быстро кончиться. Гетеротрофы некоторое время могли бы есть друг друга, но при всех подобных процессах идут неизбежные потери вещества и энергии. Их запасы в биосфере должны были каким-то образом пополняться. Вот здесь уже ситуацию спасло появление автотрофов.

Наверняка это не были фотоавтотрофы. Фотосинтез слишком сложно организован. Все ученые единодушны во мнении, что первыми автотрофами были хемоавтотрофы. Мы уже убедились, что химические пути извлечения энергии из неорганических веществ даже сейчас отличаются разнообразием. Совершенно очевидно, что на заре становления жизни это разнообразие было еще больше, как было больше и разнообразие химических ситуаций. Тогда был гораздо активнее вулканизм и бомбардировка космическими телами, в атмосфере отсутствовал в значимых концентрациях свободный кислород, что позволяло существовать на земной поверхности разнообразным неорганическим восстановителям (аммиак, водород и др.), в конце концов присутствовала органика абиогенного происхождения. Атмосфера тогда имела восстановительный характер и в дефиците был скорее окислитель. Все это должно было провоцировать организмы, исходно возникшие из абиогенной органики именно как потребители этой самой органики, переходить на самые разнообразные неорганические источники энергии.

Но и хемоавтотрофы отличаются весьма сложной биохимией. Любая автотрофность требует существования систем, связанных с созданием и использованием разности концентрации протонов по сторонам мембраны, прежде всего цепи переноса электронов и АТФ-синтетазы. Как же все это возникло? На этот счет есть весьма правдоподобная, хотя и довольно неожиданная, теория о том, какие стадии проходило развитие первоначальной жизни на нашей планете.

1. Изобретение гликолиза. Единственный универсальный и при этом весьма малоэффективный механизм получения энергии у живых существ – это гликолиз. По всей видимости, первые живые существа существовали за счет того, что получали некоторое количество АТФ посредством подобных современному гликолизу процессов окисления имевшейся в среде богатой водородом абиогенной органики (из которой они сами и самоорганизовались), иными словами, за счет брожения. В ходе этих процессов водород через посредство НАД-Н или НАДФ-Н переносится с одних органических молекул на другие. Как правило, восстановленные молекулы идут на построение живого вещества, а окисленные выбрасываются в окружающую среду в виде «отходов производства». Такие молекулы обычно представляют собой органические кислоты (молочная, уксусная, муравьиная, пропионовая, масляная, янтарная – все эти варианты встречаются у современных бактерий).

2. Изобретение протонного насоса. Как следствие этой первичной химической активности жизни окружающая среда неуклонно закислялась. Можно предположить, что на какой-то стадии развития жизни богатые органикой воды Земли – как минимум насыщенные ими грунты или даже весь Мировой океан – в буквальном смысле прокисли. Закисление водной среды потребовало развитие систем активной откачки протонов из клеток в целях поддержания их внутренней среды. Такая откачка велась с затратой АТФ специальными белковыми насосами, пронизывавшими клеточную мембрану.

Живые организмы на этой стадии продолжали оставаться гетеротрофами.

3. Изобретение цепи переноса электронов. Абиогенная органика была невозобновимым ресурсом. Ее оставалось все меньше, добывать АТФ путем гликолиза становилось все труднее. А сопротивление прогрессировавшему закислению посредством протонных насосов требовало все больше АТФ. Для решения проблемы закисления иным способом были изобретены системы связанных с мембранами белков, которые осуществляли трансмембранный транспорт протонов против градиента концентрации за счет энергии окислительно-восстановительных реакций, связанных с переносом электронов с одних имевшихся во внешней среде в избытке веществ на другие, но уже без посредства НАД-Н или НАДФ-Н. Такими веществами были накопившиеся в среде органических кислоты и неорганические вещества. Системы трансмембранного экспорта протонов, о которых шла речь, и были прообразом цепи переноса электронов. Бактерии, живущие в кислой среде, до сих пор используют цепь переноса электронов для поддержания менее кислой внутренней среды. За счет возникновения цепи переноса электронов была достигнута экономия АТФ, поэтому носители этой цепи получали несомненное преимущество перед теми организмами, которые ее не имели.

4. Изобретение АТФ-синтетазы. Системы экспорта протонов через мембрану, использующие окислительно-восстановительные реакции, постепенно совершенствовались и в конце концов превзошли по эффективности АТФ-зависимые мембранные насосы. Это дало возможность обратить работу последних. Теперь они, наоборот, запускали протоны внутрь клетки, синтезируя при этом АТФ из АДФ. Так возникла АТФ-синтетаза, использующая для синтеза АТФ разницу в концентрации протонов. Как сказано выше, действие АТФ-синтетазы обратимо – при высоких концентрациях АТФ и небольшой разнице потенциалов по обе стороны мамбраны, она, наоборот, создает градиент концентрации протонов. Именно в качестве протонного насоса АТФ-синтетаза (а этот белковый комплекс имеется у всех без исключения современных живых существ) работает у анаэробных бактерий.

Создание АТФ-синтетазы было важнейшим прорывом. На этой стадии организмы решили и проблему поддержания внутренней среды, и проблему получения энергии, впервые став из гетеротрофов автотрофами, а именно хемоавтотрофами. Подобно современным хемоавтотрофам, они получали энергию за счет окислительно-восстановительных реакций с использованием цепи переноса электронов. Однако помимо энергии для жизни необходим синтез восстановленной органики. Ее абиогенные запасы были к тому времени практически исчерпаны. Для синтеза такой органики de novo необходимы сильные доноры водорода, такие как восстановленный кофермент НАДФ-Н. Восстановление этого коферментаможет идти, как и синтез АТФ, за счет разности концентрации протонов путем обращения цепи переноса электронов и работы фермента, аналогичного современной НАД-Н-дегидрогеназы, который тогда работал в обратном направлении – восстанавливал НАД-Н из НАД+.

Обращаем ваше внимание на то, что эти организмы были анаэробными хемотрофами, которые в современном мире встречаются исключительно редко. В отсутствие такого сильного окислителя, как кислород, скорее всего первые схемы хемосинтеза были основаны на окислительно-восстановительных реакциях с незначительным энергетическим выигрышем. Идея использования протонного градиента состояла в том, что небольшой выигрыш многих таких реакций суммировался в нем и мог быть использован в таких реакциях, требующих значительных затрат энергии, как восстановление НАДФ-Н.

5. Изобретение фотосинтеза и фотосистемы 1. Как видим, многие предпосылки для фотосинтеза к этому времени уже существовали – были изобретены АТФ-синтетаза, цепь переноса электронов и биохимические пути синтеза органики с использованием НАД-Н. До фотосинтеза оставался один шаг – появление пигментов, способных улавливать энергию фотонов и передавать ее в систему окислительно-восстановительных реакций, связанных с цепью переноса электронов. Антенные системы современных фотосинтетиков отличаются большой сложностью, у первых же они наверняка должны были быть довольно просты. Мы уже рассмотрели простой механизм использования энергии света галобактериями. Существует мнение, что самыми первыми антеннами, способными улавливать энергию фотонов, были все те же наши старые знакомые – азотистые основания нуклеиновых кислот. Как вы помните, там тоже существуют резонансная система из чередующихся двойных и одинарных связей, хотя и не таких впечатляющих масштабов, как у хлорофиллов.

Вероятно, из дошедших до наших дней фотосистем первой возникла фотосистема 1, что привело к появлению зеленых серных бактерий. Возможно опять-таки, что исторически первым возникло циклическое фотофосфорилирование, не требующее внешних окислителей и восстановителей. Однако наиболее важным была приобретенная этой фотосистемой способность прямо восстанавливать НАДФ+ до НАДФ-Н за счет энергии солнечного света, отнимая электрон, к примеру, у сероводорода и окисляя его до атомарной серы, как у современных зеленых серобактерий. Обратим внимание на то, что сера играет важную роль в составе белков фотосистемы 1.

Кстати, это произошло 3–4 млрд лет назад, т. е. спустя всего миллиард лет после возникновения Земли. Время хемоавтотрофов прошло, началось время фотоафтотрофов.

6. Изобретение фотолиза воды. Проблемой первых фотосинтетиков был дефицит хороших неорганических восстановителей. Вода – «очень плохой» восстановитель, зато имеется в неограниченном количестве. Объединение двух фотосистем, унаследованных от зеленых (фотосистема 1) и пурпурных (фотосистема 2) серных бактерий в одну сопряженную систему, произошедшее у сине-зеленых водорослей, (цианобактерий) позволило, путем соединения энергии двух последовательно уловленных фотонов, окислять воду, отнимая электроны у атомов кислорода. Это было важным прорывом в энергетике первых организмов, имевших поистину чудовищные последствия. С объединением двух фотосистем у предков цианобактерий, или сине-зеленых водорослей, появились организмы с минимальными потребностями в химических веществах окружающей среды. Это привело к появлению большого количества биогенной восстановленной органики – жизнь стала процветать. Однако на земной поверхности стал появляться такой страшный яд, как свободный кислород.

Поначалу весь кислород, выделявшийся в ходе фотосинтеза, уходил на окисление ионов двухвалентного железа, в изобилии содержавшихся в Мировом океане, до трехвалентного, которое стало осаждаться в виде окислов железа. Этот процесс начался 2,7 млрд лет назад и закончился около 2 млрд лет назад. Все эти 700 млн лет (напомним, что динозавры вымерли всего 65 млн лет назад) на Земле существовал фотосинтез современного типа, сопровождавшийся фотолизом воды, свободный кислород образовывался, однако в атмосфере он отсутствовал. Это значит, что на Земле еще не было изобретено дыхание. И это значит опять-таки, что на планете не было предпосылок для существования эффективных гетеротрофов. Не могло идти речи не только о «животных», но и об аэробных бактериях, которые в современном мире играют такую важную роль в расщеплении биогенной органики. Можно сказать, что все это время на Земле существовал некий золотой век, земной рай, в котором никто никого не ел (и не ел даже трупы). Его населяли самые совершенные и воистину безгрешные живые существа, «питавшиеся» солнечным светом, водой, углекислым газом и азотом воздуха. Это были цианобактерии, или сине-зеленые водоросли (те самые, которые прекрасно существуют и поныне). В качестве наиболее автономных живых существ они совершеннее растений, поскольку, подобно многим бактериям, умеют фиксировать азот атмосферного воздуха. (Растения этого не умеют и вынуждены использовать окисленный азот нитратов или восстановленный азот аммония, который сейчас имеет биогенное происхождение.) Сине-зеленые водоросли жили и процветали в виде колоний на мелководьях. Эти колонии имели более или менее шарообразную форму и нарастали с поверхности. На них оседали мелкие частички грунта, обогащенного трехвалентным железом, которые в конце концов погребали отмершие клетки внутри колонии. В отсутствие «животных» возраст индивидуальной колонии мог быть очень большой. Такие колонии сохранились в виде окаменелостей, называемых строматолитами (переводится с греческого как «слоистые камни»), камнями, имеющими структуру концентрических слоев, часто обогащенных железом.

7. Изобретение дыхания. Однако «безгрешность» цианобактерий была кажущейся. Выделяя в ходе фотолиза воды такой сильный окислитель, как кислород, они исподволь отравили Мировой океан и подготовили крах своего мирного райского царствования, быстро сменившегося тем привычным для нас адом голодных демонов, где живые существа непрерывно пожирают друг друга. (Это все конечно же метафора. Но вот недавно вышел учебник биологии, изданный Православной церковью, где говорится, что до грехопадения Адама самки комаров, возможно, питались нектаром цветов, который-де мог содержать гемоглобин. Вот это уже не смешно, это попытка вернуть нас во времена дичайших суеверий путем воспитания детей с привлечением лжи и безумных фантазий.) Примерно 2 млрд лет назад двухвалентное железо в океане закончилось и кислород стал поступать в атмосферу. Современного содержания в атмосфере он достиг между 1,5 и 0,5 млрд лет назад. Появление кислорода потребовало перестройки всей биохимии практически всех живших тогда существ, так как он в прямом смысле отравлял многие ферменты (вернее, коферменты). В то же время в среде появился мощный окислитель, который был приспособлен в качестве акцептора электоронов в цепях переноса электронов, чем существенно повысил их эффективность. Так возникло клеточное дыхание. Многие современные пурпурные бактерии умеют перестраиваться с фотосинтеза на дыхание с использованием одних и тех же цепей переноса электронов.

Только на этой стадии стало возможным появление гетеротрофов, пользующихся процессами более эффективными, чем гликолиз, причем гораздо более эффективными (вспомните – в 18 раз!). Начался ренессанс гетеротрофов. Вы знаете, что в настоящее время существует огромное количество аэробных бактерий. Все они происходят от фотосинтетических бактерий, утративших способность к фотосинтезу, но сохранивших цепь переноса электронов. Даже наша кишечная палочка происходит от пурпурных бактерий! Возникли предпосылки появления организмов, живущих за счет эффективного окисления органики, произведенной автотрофами. Тем самым безраздельному царствованию автотрофов был положен конец. Немаловажно, что вместе с прекращением отложений трехвалентного железа в это время катастрофически сократилось нефтенакопление. Если раньше биогенной органики образовывалось так много, что ее излишки после долгих химических преобразований отлагались в недрах в виде нефти, которая послужила бонусом для таких отдаленных потомков организмов тех дней, как мы с вами, то с появлением дыхания возник ажиотажный спрос на эту органику, которую новый агрессивный потребитель начал забирать прямо от производителя.

Вспомним, сколько проблем растениям доставляет фотодыхание – отщепление молекулы углекислого газа от молекулы рибулозобифосфата ферментом рибулозобифосфаткарбоксилазой вместо фиксации молекулы углекислого газа из окружающей среды на ней же, которое происходит в условиях избытка кислорода и недостатка углекислого газа - то есть в преобладающих условиях нашей планеты. И тем не менее, все растения используют именно этот фермент в качестве ценрального для фотосинтеза, хотя в поисках обходных путей для преодоления фотодыхания некоторые научились фиксировать углекислый газ и другими способами. Нам следует заключить, что за 700 миллионов лет существования фотосинтеза современного типа в почти анаэробных условиях, несмотря на выделение в ходе него кислорода, этот процесс был настолько отлажен и стандартизован, что альтернативных механизмов аэробного фотосинтеза не было выработано, появлялись лишь некоторые надстройки к нему.

8. Появление митохондрий и пластид. Около 1,5 млрд лет назад некоторые аэробные бактерии стали жить в клетках примитивных (и изначально анаэробных!) эукариот и со временем превратились в митохондрии. С этого момента стало возможным появление животных, первоначально одноклеточных. Все современные эукариоты имеют митохондрии, и все эти митохондрии родственны между собой и явно были «одомашнены» только один раз. Лишенные митохондрий первичные анаэробные эукариоты до наших дней не дошли. Позже некоторые цианобактерии, также перейдя к жизни внутри эукариотических клеток, превратились в пластиды водорослей, причем это происходило у разных водорослей как минимум трижды. От зеленых водорослей впоследствии произошли растения. Во всех случаях пластиды были приобретены клетками, митохондрии уже имевшими. Эти клетки «умели дышать», но не умели синтезировать органику, т. е. это были животные клетки. Таким образом, растения, т. е. способные к фотосинтезу эукариоты, имеющие пластиды и митохондрии, произошли от животных (конечно, это происходило на одноклеточном уровне).

Мы видим, что развитие, или эволюция жизни на Земле (о значении слова «эволюция» мы подробнее поговорим в 15-й лекции), проходила очень неравномерно. Периоды длиной в сотни миллионов лет, когда ничего принципиально нового не происходило, сменялись быстрыми конструктивными прорывами, в результате которых лик Земли кардинальнейшим образом преображался. Каждый из этих прорывов сопровождался изобретением способа преодоления какого-то дефицита – сначала это был дефицит восстановителей, а потом и дефицит окислителей. Каждого из таких «изобретений» приходилось ждать сотни миллионов или миллиарды лет, что говорит лишь о том, что они происходили случайно – любая «целенаправленная» инженерная деятельность была бы гораздо эффективнее. В результате жизнь на земле научилась обходиться самыми недефицитными ресурсами – водой, углекислым газом, атмосферным азотом, а главным источником энергии – невозобновляемым (!), но практически неиссякаемым стал являться солнечный свет. Возможно, лику Земли еще предстоит изменяться, и не исключено, что теперь уже вследствие «разумной» деятельности человека. А вот насколько она окажется целесообразной и не приведет ли человека и жизнь в известных нам формах к гибели – это еще вопрос.

Заканчивается шестая лекция. Первая была посвящена определению жизни, а пять остальных – всяческой химии. И это правильно! Вспомним то определение жизни, на котором мы тогда остановились: совокупность самоподдерживающихся открытых систем, существующих, в виде особых структур, за счет постоянного протока вещества и притока энергии и способных к более или менее точному самовоспроизведению.

Большая часть из того, о чем здесь говорится, реализуется на рассмотренном нами химическом уровне. За более или менее точное самовоспроизведение отвечают нуклеиновые кислоты, способные к матричному биосинтезу. Проток вещества и приток энергии реализуется посредством ферментативных реакций с участием довольно простых органических кислот, особых нуклеотидов, коферментов-посредников и более сложных белково-пигментных систем, таких как фотосистемы и цепь переноса электронов. Пожалуй, за рамки рассмотренной нами химии выходит только оговорка «в виде особых структур». Нам с вами в двух схожих между собой случаях уже были нужны особые структуры – пространство, ограниченное мембраной, по разные стороны которой создается разница в концентрации протонов – внутреннее пространство митохондрии в процессе окислительного фосфорилирования и внутреннее пространство тилакоида в случае световой стадии фотосинтеза. На самом деле за кадром нашего рассмотрения все время оставалась как минимум еще внешняя мембрана клетки, которая отграничивала наш химический реактор с тонко настроенной концентрацией различных веществ от внешнего пространства.

Таким образом, мы рассмотрели почти всю сущность жизни, которую нам необходимо дополнить ее структурной организацией. К этому мы и перейдем в следующей лекции, потому что, по сути, вся биология сверх биохимии – это наука о биологических структурах. Мы начнем со структур на так называемом клеточном уровне.

Лекция 7. КЛЕТКА 1. КЛЕТОЧНАЯ МЕМБРАНА, КЛЕТОЧНАЯ СТЕНКА, ЯДРО

Перейдем от структурных формул к рассмотрению структур, которые можно увидеть хотя бы под микроскопом, пусть и электронным. Мы ознакомились с жизнью как со сложнейшим биохимическим предприятием по преобразованию сотен тысяч, если не миллионов, разных сложных органических молекул. Большое количество этих процессов происходит одновременно и совместно в одних и тех же растворах, и они разделены и предопределены исключительно специфичностью осуществляющих их ферментов. Но и из общих соображений ясно и мы уже встречались с тем, что во многих ситуациях разные части этого производства должны быть расположены в специальных цехах, в которых поддерживается специальная химическая среда (та же кислотность) и на поверхности которых определенным образом организованы ферменты.

И первое, в чем нуждается живая система, – это в локализации собственного пространства и отграничении от пространства окружающего. Иначе все вещества, включая ферменты, разойдутся по градиенту своей концентрации в окружающую среду (несомненно, водную, так как все живые процессы идут в водных растворах или гелях) и не смогут встретиться друг с другом. По-видимому, жизнь возникла не в воде как таковой, иначе бесконечное разведение не позволило бы ей сложиться, а в какой-то капельной среде – в грунте, пористых горных породах и т. д., где пространственная ограниченность обеспечивалась извне. О возникновении жизни можно говорить с того момента, когда первые самовоспроизводящиеся системы научились хоть в какой-то мере ограничивать себя самостоятельно. Основные теории, описывающие, как все это происходило, достойны специального рассмотрения, а пока нам нужно принять хозяйство по описи и рассмотреть, что мы имеем сегодня.

А сегодня мы имеем, что все живое организовано на основе элементарной и более или менее самодостаточной структурно-функциональной единицы – клетки. Причем каждый живой организм либо является клеткой, либо состоит из многих клеток и является колонией или государством клеток, как мы с вами (мы являемся государством ни много ни мало из миллиона миллиардов клеток).

Почти каждая клетка проявляет все основные свойства живого организма: она питается, растет, реагирует на внешние сигналы, взаимодействует с другими клетками, иногда движется и обычно (но не всегда!) размножается.

Размножаются клетки посредством деления (иногда почкования, что, по сути, является неравным делением). Важно, что каждая клетка происходит от клетки же и не может возникнуть иным путем.

Все биохимические процессы, связанные с получением энергии и синтезом биологических органических веществ, происходят внутри клетки. Внутри клетки же хранится и реализуется генетическая информация.

Внутри клетки находятся сотни тысяч различных ферментов и других белков, но ограниченное число их видов может специально выделяться во внешнюю среду. Углеводы находятся как внутри клеток, так и снаружи. Жиры и липиды, как правило, находятся внутри клеток, если они и выделяются из организма (допустим, в наших сальных железах), то только после разрушения накопивших их клеток. А вот нуклеиновые кислоты в норме всегда находятся только внутри клеток.

Поговорим о самом простом – о размере клеток. Исключения как в большую, так и в меньшую сторону поразительны, но обычные размеры клеток прокариот – 0,5–5 мкм, а эукариот – 10–50 мкм. Мы все хорошо знаем миллиметр – одна тысячная метра. Микрометр – это одна тысячная миллиметра. Таково подавляющее большинство клеток. Потому что именно это – оптимальный размер всего хозяйства, организованного, как живая клетка, из полимерных макромолекул. Исключения представляют собой особые случаи. Давайте же их рассмотрим.

Желток любого яйца – одна клетка – а именно яйцеклетка. Соответственно яйцеклетка вымершего (не без помощи человека) мадагаскарского страуса эпиорниса достигала в объеме 6 л. У таких клеток основное клеточное хозяйство размазано в виде пластиночки на одной из сторон, все остальное пространство занято запасным веществом – желтком, представляющим собой определенные запасные белки (преимущественно лецитин), кроме того, в нем довольно много запасенной впрок матричной РНК. Однако все это вместе – одна клетка, окруженная клеточной мембраной.

Вы знаете, что нервные клетки общаются друг с другом при помощи особых отростков, являющихся частью клетки. При этом многие отростки, по которым сигнал собирается (дендриты), короткие, а один отросток, по которому передается (аксон), длинный. Нервная система моллюсков устроена таким образом, что сигналы от мозга передаются клеткам тела фактически без посредников. Соответственно длина аксонов гигантских кальмаров достигает пары десятков метров.

Кроме яиц вы постоянно сталкиваетесь и с другими клетками, которые можно увидеть невооруженным глазом – в переспевшей мякоти яблока или арбуза. Там клетки немногим меньше миллиметра, но они в основном заполнены огромными пузырьками с соком.

Клетки, в которых практически нет «ничего лишнего», т. е. которые представляют собой фабрики, но не склады – невелики. Особенно это касается клеток, которые активно делятся, прежде всего, клеток зародышей животных или растущих верхушек растений.

Самые мелкие клетки – 0,1 мкм в поперечнике – наблюдаются у микоплазм – своеобразных бактерий, до крайней степени упростившихся за счет своего образа жизни внутриклеточных паразитов.

Главные свойства всех клеток одинаковы. Основные различия существуют между двумя типами организмов (мы уже знакомы с ними – это прокариоты и эукариоты), различия же между клетками одноклеточных и многоклеточных эукариот незначительны.

Рассмотрим важнейшие компоненты клетки.