Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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