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.
Рис. 65. Фенилдериватив жирной кислотыРазрешите 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.
