Айзек Азимов - Загадки мироздания
Короче говоря, специально сконструированное кресло (фермент) является одновременно и более эффективным, и более специализированным катализатором, чем «общий» катализатор (как правило, минерального происхождения). Эффективность и специализация, как правило, всегда идут рука об руку.
Для наглядности объяснения совсем не обязательно выдумывать воображаемые кресла. Можно ведь вспомнить и о стоматологическом или парикмахерском кресле, а то и об электрическом стуле. Если сравнить их все с обычным кухонным стулом, то сразу становится ясно, насколько специализированная поверхность может повысить эффективность действия.
Специализация вспоминается и тогда, когда речь заходит о конкурентном ингибировании (см. главу 2). Скажем, один фермент выборочно катализирует распад вещества А. Он не будет катализировать ни распад вещества В, ни распад похожего на А вещества А'; однако присутствие А' помешает нормальной работе фермента в отношении А, а присутствие В — нет.
В этом случае уместно воспользоваться самой распространенной метафорой, имеющей отношение к ферментам, — образом «ключа и замка». Фермент, воздействующий на определенное вещество А, можно сравнить с замком, к которому это вещество А является ключом. Вещество В, совершенно не похожее на А, можно в таком случае уподобить другому ключу, который даже вставить нельзя в замок, предназначенный для А. Поэтому повлиять на замок с помощью ключа А нельзя никак.
Но вот вещество А', похожее на А, можно уподобить ключу, близкому к А по рисунку бороздок. Его уже можно в принципе вставить в замок. Правда, сами бороздки его отличаются от бороздок ключа А, так что повернуть замок с помощью этого ключа невозможно. Но ведь он уже занял замочную скважину! Пока он находится в ней, ключ А тоже не может открыть замок. Замок является временно заблокированным, а фермент, аналогию с которым мы проводим, называется в таком случае ингибированным.
Студенту предстоит узнать не только об отдельных ферментах, но и о группах ферментов. Придет день, когда он узнает, что некие входящие в состав организма вещества выделяют энергию путем попарного переноса атомов водорода от одного вещества к другому, пока в конечном итоге они не окажутся присоединенными к кислороду с образованием воды. Большая часть высвобождаемой в процессе всех этих реакций энергии хранится в виде так называемых «высокоэнергетических фосфатных эфиров» — в процессе переноса каждой пары атомов водорода образуется в среднем три молекулы этих веществ.
Процесс переноса водорода похож на процесс передачи по цепочке ведер с водой на пожаре, и каждый шаг этого процесса катализируется отдельным ферментом.
Зачем же так сложно — много шагов, много ферментов? Не лучше ли было бы сразу соединить два атома водорода с кислородом с помощью одного-единственного фермента? Для ответа на этот вопрос мы используем еще одну метафору — образ лестницы.
Допустим, что некто хочет спуститься с шестого этажа на первый, а гравитационный потенциал, которого он неизбежно лишится в ходе такого спуска, сохранить путем заведения трех часов-ходиков. Для этого достаточно, проходя вниз мимо этих часов, взять рукой цепочку с гирями и вытягивать собственным весом ее по мере спускания по лестнице.
Если с шестого этажа на первый наш персонаж будет спускаться через шесть лестничных пролетов (аналог схемы с несколькими ферментами), то он будет двигаться неторопливо, сможет спокойно ухватить нужную цепочку, проходя мимо, и плавно вытянуть ее, ничего не повредив в механизме часов.
Можно, конечно, спуститься и по-другому — перелезть через перила и спрыгнуть в лестничную шахту (аналог одношаговой системы). Предположим, что наш герой имеет хорошую спортивную подготовку и не разобьется — тогда он и на первый этаж быстрее попадет, и от гравитационного потенциала избавится так же наверняка, как и при спуске по лестнице. Но вот завести часы ему при этом вряд ли удастся. Высвободить энергию таким образом можно, а вот сохранить — нет.
И еще: спуск с шестого этажа на первый по лестнице — реакция обратимая. Подняться обратно через пять лестничных пролетов вполне возможно, затратив вполне допустимое количество энергии. А вот запрыгнуть одним махом с первого этажа на шестой не может, наверное, никто.
Точно таким же образом и реакция, проходящая в несколько шагов, на каждом из которых высвобождается не так много энергии, во-первых, позволяет сохранить выделяющуюся энергию, а во-вторых, является гораздо легче обратимой, а значит, и более контролируемой организмом. Высвобождение большого количества энергии в один шаг хоть и проще, но не позволяет эффективно сохранять выделяемую энергию и крайне затрудняет обращение реакции вспять в случае необходимости.
Приведенные метафоры, скорее всего, не являются ни единственно возможными, ни даже самыми лучшими из возможных. Просто мне пришли в голову именно они. Важны не эти конкретные образы — важен сам принцип обучения через метафору. Ведь метафора как таковая тоже является катализатором — самим фактом своего присутствия, не изменяя самого научного содержания курса, она ускоряет процесс обучения и при этом не тратится, так что ее можно использовать сколько угодно.
Глава 8
ЩЕПОТКА ЖИЗНИ
Из предыдущей главы уже можно понять, что живая материя — тончайшее и сложнейшее явление, для постижения которого потребуется весь человеческий гений, а может быть, и его не хватит. Так из чего же состоят живые существа, какой же материал делает возможным существование этого величайшего феномена — жизни?
Если человеческое тело разложить на атомы и посмотреть состав получившейся смеси, то сразу выяснится, что:
1) почти все атомы будут принадлежать к одному из не более чем полудюжины элементов;
2) в эти полдюжины войдут самые распространенные на Земле элементы.
Самую значительную часть тела человека составляет вода, а каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Кроме воды, живой организм состоит по большей части из органических (то есть углеродосодержащих) веществ. Самые важные органические вещества — это белки, в состав которых входят атомы азота, водорода, кислорода и углерода.
Неорганических, то есть минеральных, веществ в организме человека больше всего в костях. Самыми распространенными в их составе атомами, помимо вышеперечисленных, являются кальций и фосфор.
Итак, атомно-пропорциональный состав человеческого организма из расчета на десять тысяч атомов можно представить так:
6300 атомов водорода,
2550 атомов кислорода,
940 атомов углерода,
140 атомов азота,
30 атомов кальция,
21 атом фосфора,
19 атомов других элементов.
Выглядит крайне банально. Кислород — это самый распространенный элемент на Земле. Кальций, углерод и фосфор тоже входят в дюжину самых распространенных элементов, по крайней мере в земной коре. Из водорода состоит большая часть океана, а из азота — большая часть атмосферы.
Но давайте на секунду отвлечемся от этих полудюжины атомов — они представляют собой основу жизни. Для чего же в таком случае нужны оставшиеся 19 из 10 000? Если 9981/10000 живого организма можно собрать из шести элементов, то так ли уж необходимы эти жалкие 19/10000?
Да, они необходимы. Природа — как хороший повар, который знает, что при готовке торта из муки, молока и яиц надо не забыть добавить по щепотке того и этого.
Давайте же рассмотрим поподробнее, что это за «дополнительные» элементы. Для этого рассчитаем пропорции в более представительных масштабах — из расчета не на десять тысяч атомов, а на миллион. Среди них будет
998 100 атомов шести вышеперечисленных элементов,
570 атомов калия,
490 атомов серы,
410 атомов натрия,
260 атомов хлора,
130 атомов магния,
38 атомов железа,
2 атома других элементов.
Вот у нас и получилась вторая полудюжина. Эти элементы присутствуют в организме в объеме «средних щепоток». Каждый из них необходим для жизни.
Атомы серы — важная составляющая практически всех белков организма, без которых жизнедеятельность невозможна.
Натрий, калий и хлор присутствуют в организме в виде атомов, несущих электрический заряд (ионов), растворенных в жидкой среде организма. Ионы калия и натрия несут положительный заряд. Ион натрия встречается чаще всего в межклеточной жидкости, а ион калия — во внутриклеточной. Ионы хлора несут отрицательный электрический заряд; их именуют также зачастую хлорид-ионами. Хлорид-ионы встречаются как во внутриклеточной, так и в межклеточной жидкости, уравновешивая таким образом положительные заряды как ионов натрия, так и ионов калия.
