Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

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

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

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

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

Глава 24.

ГДЕ СХОДЯТСЯ ВСЕ ПУТИ

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

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

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

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

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

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

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

Давайте посмотрим.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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