Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Выяснилось, что все природные сахара — «правосторонние», а все природные аминокислоты (в том числе приведенный для иллюстрации на рис. 39 серии) — «левосторонние». То есть в общем случае организм не может использовать ни левосторонние сахара, ни правосторонние аминокислоты, поэтому их также называют «неестественными» сахарами и аминокислотами. Однако в небольшом количестве в природе они все же встречаются. В состав стрептомицина входит левосторонний сахар, а в состав некоторых антибиотиков — правосторонние аминокислоты. Жизненно необходимое человеку вещество «аскорбиновая кислота» имеет отношение к «неестественным» левосторонним сахарам.
Тот факт, что все природные аминокислоты — левосторонние, крайне важен для пептидной структуры. Если задаться целью создать модель пептидной цепочки с использованием тетраэдрального представления углеродных связей, то окажется, что радикалы звеньев-аминокислот в цепочку направлены по очереди в разные стороны. Тогда вдоль цепочки получается достаточно места для всех групп атомов. Если бы все аминокислоты были правосторонними, ситуация была бы той же.
Однако, если бы часть аминокислот были левосторонними, а часть — правосторонними, то неизбежными стали бы случаи соседства в цепочке левосторонней и правосторонней аминокислот. Их радикалы оказались бы на одной стороне цепочки, и места для обоих просто не хватило бы. Именно поэтому все аминокислоты в белке должны быть либо левосторонними, либо правосторонними. Тот факт, что они оказались левосторонними, видимо, является результатом случая, произошедшего давным-давно в доисторические времена, когда появилась на свет первая белковая молекула.
Молекулы ферментов (тоже сами по себе оптически активные и асимметричные, благодаря наличию в их составе аминокислот), разумеется, отличают оптически активный субстрат от его зеркального отображения, так же как мы не надеваем на правую ногу левый ботинок. Реагируя с одним вариантом зеркального отображения и не реагируя с другим, ферменты поддерживают асимметрию в организме.
Для того чтобы ферменты могли проводить подобное различие между зеркальными вариантами вещества, субстрат должен крепиться к молекуле фермента как минимум в трех точках, и это — еще одно косвенное свидетельство в пользу образования промежуточного комплекса «субстрат-фермент».
Кстати, в 1949 году гипотеза о промежуточном образовании получила окончательное подтверждение — британский биохимик Бриттон Ченс смог непосредственно обнаружить наличие этого комплекса с помощью очень тонкого теста на светопоглощение.
До сих пор я рассуждал так, как будто в состав белков не входит ничего, кроме аминокислот. Да, в отношении большей части белков это так и есть. Однако при распаде многих белков, помимо аминокислот, обнаруживались и отличные от них вещества. Такие белки называют «составными», и самым известным из них является гемоглобин, придающий крови характерный красный цвет.
В 60-х годах XIX века немецкий биохимик Феликс Хоппесейлер сумел показать, что частью структуры гемоглобина является вещество «гем», являющееся не аминокислотой, а сложной группой атомов, содержащей один атом железа. Позже были открыты и ферменты, важную составную часть которых тоже представляет собой гем.
Гем называют «простетической группой» (от греческого слова, означающего «добавление», от которого происходит и слово «протез»), и он необходим для функционирования тех белков, частью которых является. Гем в составе гемоглобина и различных гемсодержащих ферментов — это одно и то же вещество, но у каждого белка имеется своя отдельная функция, определяемая аминокислотной составляющей. Тут можно провести аналогию с режущей кромкой инструментов — топора, серпа, стамески… Режущая кромка одинакова, но предназначение инструмента зависит от его формы в целом.
Гем прочно прикреплен к остальной части белковой молекулы, и удалить его можно, только разложив саму молекулу. Во всех прочих случаях первыми отваливаются аминокислоты. К примеру, некоторые ферменты в процессе очистки диализом теряют каталитические свойства. Причина этого кроется не в денатурации, поскольку, если ту же самую воду, которой промывали мембранный мешочек, потом долить в раствор фермента, он снова обретает свои каталитические свойства. Явно какая-то важная часть фермента в этом случае утрачивается, а потом, вместе с водой, возвращается обратно.
Впервые это продемонстрировали в 1904 году английские химики Артур Харден и У.Дж. Янг, проведя диализ фермента зимазы, полученного из дрожжей. Ту часть его, которая была удалена в процессе диализа, ученые назвали «козимазои». Если она так легко удаляется и так же легко возвращается на место, решили химики, значит, удерживающие ее в составе молекулы связи должны быть очень уж слабыми. Кроме того, молекула козимазы должна иметь достаточно малый размер, чтобы проникнуть сквозь мембрану. И еще — выяснилось, что кипячение не разрушает структуру козимазы, следовательно, это не белок.
Потом и у других белков обнаружилось свойство терять небольшие частицы и утрачивать при этом свои характерные способности; тогда эти «небольшие частицы» получили общее имя — «коферменты».
Работа по установлению химической природы коферментов ведется с 20-х годов XX века по сей день. В составе большей части из них был обнаружен атом фосфора, а многие содержали такие сочетания атомов, каких в организме не обнаруживалось более нигде. Например, в составе козимазы было найдено кольцо из пяти атомов углерода и одного атома азота, как в соединении, имеющем название «пиридин». Сам по себе пиридин в живых тканях не встречается, как и пиридиновое атомное кольцо, за исключением нескольких коферментов. То же самое можно сказать еще о ряде групп атомов, имеющихся в других коферментах.
Ферменты присутствуют в организме лишь в небольших, достаточных для осуществления катализа количествах, так что и коферменты, особенно содержащие такие редкие соединения атомов, присутствуют в крайне малом количестве.
Этот факт имеет значение в свете другой линии исследования, которая проходила независимо от той, о которой я только что рассказывал. На протяжении всей своей истории человек периодически отмечал существование определенной связи между питанием и некоторыми заболеваниями. К примеру, в 1753 году шотландский врач по имени Джеймс Линд предположил, что наличие в рационе цитрусовых и свежих овощей позволяет предотвратить цингу. Эта болезнь, выражавшаяся в кровоточении десен и общем ослаблении организма, была настоящим бичом моряков, которым приходилось иногда по нескольку месяцев сидеть на диете из солонины и сухарей. Несколько десятков лет спустя командование британского флота решило прислушаться к совету врача и включить в диету моряков лимоны — цинга просто испарилась с британских кораблей.
В 1896 году голландский врач Кристиан Эйкман, работая в Восточной Индии, сумел воспроизвести у домашней птицы симптомы распространенного среди местного населения заболевания берибери только за счет кормления их шлифованным рисом. Вылечить болезнь удалось так же просто — добавив в пищу птицы рис нешлифованный.
Очевидно, в рисовой шелухе, которая при шлифовке удаляется, содержится небольшое количество некоторого вещества, необходимого для здоровой жизни. В течение всего следующего десятилетия биохимики обнаруживали подобные вещества и в других пищевых продуктах. Выяснилось, что в состав вещества, содержащегося в рисовой шелухе, входит аминогруппа, и Казимеж Функ, биохимик польского происхождения, исходя из предположения, что и в других подобных веществах есть аминогруппа, назвал их все скопом «витаминами» («жизнь + амины»). Потом оказалось, что аминогруппа — совсем не обязательный элемент витаминов, но название к тому времени уже прижилось.
В течение 30-х годов XX века, да и позже, ученые выделяли все новые витамины и выясняли их строение. И чем дальше, тем больше становилось очевидным, что в витаминах содержатся те же самые редкие группы атомов, что и в коферментах. Выводы, мне кажется, напрашиваются сами.
Организм живого существа, например человека, не может самостоятельно производить некоторые «необычные» сочетания атомов, потому что для этого у него отсутствует соответствующий химический механизм. А вот растения способны такие вещества вырабатывать, и травоядные животные получают их вместе с пищей. Так эти вещества, в небольшом количестве, попадают и в организм человека, но, как я уже говорил, небольшого количества оказывается вполне достаточно, так как и коферментов в организме очень мало.
При нормальном питании в организм человека поступают все необходимые вещества. Однако если диету искусственно ограничить, например питаться лишь тем, что может пролежать без холодильника весь долгий путь морского путешествия, или переусердствовать при очистке зерна, то при этом из пищи пропадает необходимая доза витаминов. А без них организм не может формировать соответствующие коферменты. Когда доходит до этой стадии, ферменты, в состав которых эти коферменты должны были бы входить, становятся недееспособными, внутриклеточные химические механизмы начинают буксовать, и человек заболевает, ему становится все хуже, и если положение не исправить, то в конце концов он умрет.
