| |
 |
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-е гг. девятнадцатого века немецкий биохимик Феликс Хоппе-Сейлер 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 «козимазой». Раз она так легко удаляется и так же легко возвращается на место, решили химики, значит, удерживающие ее в составе молекулы связи должны быть ну 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 гг. двадцатого 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 «бери-бери» только за счет кормежки 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 Казимир Фанк, 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 гг. двадцатого века, да и впоследствии тоже, ученые выделяли все новые витамины и выясняли их строение. И чем дальше, тем больше выяснялось, 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 отсутствует соответствующий химический механизм. А вот растения умеют такие вещества вырабатывать, и травоядные животные получают из 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 из пищи пропадает при этом 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.
Эти не-аминокислотные составляющие белков не являются по природе своей чисто органическими веществами. Я уже сказал, что для жизнедеятельности человека необходимо железо, поскольку оно входит в состав гемоглобина и гемсодержащих ферментов. Более того, оно необходимо в приличных количествах, поскольку гемоглобин составляет значительную часть крови.
Однако, некоторые ферменты присутствуют в организме в гораздо меньшем количестве, нежели гемоглобин, и содержат уникальные, присущие в организме только им элементы – соответственно, в целом содержание этих элементов в организме не то, что просто мало, а ничтожно мало. Например, фермент карбонангидраза содержит в своем составе цинк. В состав других ферментов входят магний, медь, кобальт или молибден. Для того, чтобы обеспечивать потребности человека в этих веществах, они должны присутствовать в рационе в минимальное объеме, но полное их отсутствие приведет к нарушению работоспособности важнейших ферментов, и, соответственно, к болезни и смерти.
Глава 19
Для чего же они нужны?
Теперь, после того, как я подробно объяснил, почему присутствие ферментов в ящерице и их отсутствие в камне так важно, разумно было бы поинтересоваться – какие же именно химические реакции катализируют ферменты, раз уж эти реакции являются отличительным признаком живой материи?
На самом деле, еще задолго до того, как было достигнуто сколь бы то ни было серьезное понимание природы ферментов и подробностей их функционирования, химики уже проявляли интерес к химическим реакциям жизни. В конце концов, суть происходящей реакции можно уловить, и не зная подробностей ее осуществления, подставив вместо них уклончивое «ну, как-то чем-то катализируется, наверное».
Как я уже говорил в главе 14, все химические реакции, происходящие в процессе жизнедеятельности, именуются одним емким словом «метаболизм», или «обмен веществ».
Обратите внимание, что я определил метаболизм, как химические изменения, происходящие «в процессе жизнедеятельности», а не «внутри живой ткани»! Это очень важно, потому что существует ряд химических реакций, происходящих вне живой ткани, и тем не менее крайне важных для нее.
Я имею в виду пищеварение. Когда вы глотаете пищу, она движется вниз по пищеводу, попадая оттуда в желудок, а затем – в кишечник. В ходе этого процесса она претерпевает существенные изменения, и то, что в итоге выбрасывается через анус, принципиально отличается от того, что было поглощено через рот. Во время нахождения в пищеварительном канале (общее название для всей системы труб от рта до ануса, см. рис. 42), пища не находится внутри организма в строгом смысле. Она продолжает оставаться частичкой внешнего мира, зажатой между ртом и анусом. Различные железы, от крупных вроде печени и поджелудочной, до многочисленных мелких, выделяют в пищеварительный канал свои соки. Соки эти перемешиваются с перемолотой пищей, и содержащиеся в них ферменты катализируют все те реакции обмена веществ, которые мы называем общим словом «пищеварение».
Именно благодаря тому, что реакции пищеварения происходят вне самого организма, они первыми и попали в поле зрения ученых (как я уже указал в главе 15). Пищеварительные соки можно извлечь из канала с помощью трубок, не нанося обследуемому никакого вреда, кроме легкого неудобства, а затем тщательно изучить из действие на пищу в лабораторных условиях. Нет причин полагать, что в пробирке и в пищеварительном канале одна и та же реакция будет проходить по-разному, ведь и в том и в другом случае она проходит вне самого организма.
Счастливый случай для великого дела изучения процессов пищеварения произошел в 1822 году, когда американскому хирургу по имени Уильям Бомон попался уникальный больной - Алекс Сен-Мартин, канадский путешественник, получивший в результате огнестрельного ранения необычную травму – незарастающее отверстие в животе (фистулу), ведущее прямо в желудок. Бомон получил таким образом возможность в течение десяти лет непосредственно наблюдать, как желудок вырабатывает свои пищеварительные соки и какое воздействие они оказывают на различную пищу при тех или иных обстоятельствах. В 1833 году Бомон опубликовал результаты своих наблюдений и физиологи пришли в полный ажиотаж.
Такие больные, как Сен-Мартин, встречаются крайне редко, и сотворить такое с человеком специально – дело немыслимое. Поэтому физиологам 40-х гг девятнадцатого века по всей Европе пришлось выбрать максимально приближенный к этому вариант – они стали создавать искусственные фистулы у собак, и изучение процессов пищеварения приобрело массовый характер.
С помощью таких методов исследования в девятнадцатом веке был собран достаточно полный свод представлений о биохимии пищеварения, и хотя это было знание только о «внешних рубежах» метаболизма, для начала получилось очень неплохо.
В целом была собрана следующая информация: по мере продвижения пищи по пищеварительному каналу она подвергается воздействию одного за другим различных соков, каждый из которых содержит свойственный только ему набор ферментов – по конвейерному принципу. Давайте рассмотрим этот процесс на примере углеводов.
Основные углеводы, содержащиеся в нашей пище – это целлюлоза, крахмал, сахароза и лактоза. Целлюлозу организм человека расщеплять не умеет, и она выходит с фекалиями практически в нетронутом виде. А вот крахмал начинает распадаться на более мелкие части, именуемые декстринами, уже под воздействием фермента, присутствующего в слюне, птиалина.
Но птиалин не может обрабатывать пищу долго – еда проглатывается и опускается в желудок, кислотное содержимое которого быстро разрушает птиалин. Однако, как только пища покидает желудок и попадает в тонкий кишечник, там она снова попадает под действие уже другой амилазы (так называются все ферменты, катализирующие процесс распада крахмала, в том числе и птиалин), слегка щелочной, производимой поджелудочной железой. Здесь процесс распада крахмала продолжается – медленно, но непрерывно. Крахмал продолжает распадаться на декстрины, а декстрины – на более мелкие, пока не получатся фрагменты, состоящие всего из двух молекул глюкозы. Они называются мальтозой.
Дальше в пищеварительном тракте пища подвергается обработке другими пищеварительными соками, содержащими, в частности, фермент «мальтазу», катализирующую распад мальтозы на отдельные молекулы глюкозы.
Есть в пищеварительных соках и такие ферменты, как «сахараза» и «лактаза», катализирующие расщепление, соответственно, сахарозы на глюкозу и фруктозу и лактозы на глюкозу и галактозу. Таким образом, посредством скоординированной деятельности ферментов, расщепляемые углеводы из исходной пищи превращаются в простые вещества с шестью атомами углерода – глюкозу (в основном), фруктозу и галактозу.
Жиры попадают в ежовую рукавицу жирорасщепляющих ферментов («липаз»), одной из которых является желудочный сок, ферментативная деятельность которого, впрочем, не очень активна ввиду его высокой кислотности, и сок поджелудочной железы, который как раз очень активен в этом отношении. Сок печени (желчь) не содержит ферментов, зато содержит определенные вещества (соли желчных кислот), которые облегчают перемешивание жиров с водянистыми пищеварительными соками, а значит – и сам процесс их переваривания. К тому времени, как жиры достигают нижней части тонкого кишечника, они уже разложены на глицерин (трехуглеродный спирт) и жирные кислоты (длинные углеводные цепочки с карбоксильной группой на конце).
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21 :: 22 :: 23 :: 24 :: 25 :: 26 :: 27 :: 28 :: 29 :: 30 :: 31 :: 32 :: 33 :: 34 :: 35 :: 36 :: 37 :: 38 :: 39 :: 40 :: 41 :: 42 :: 43 :: 44 :: 45 :: 46 :: 47 :: 48 :: 49 :: 50 :: 51 :: 52 :: 53 :: 54 :: 55 :: 56 :: 57 :: 58 :: 59 :: 60 :: 61 :: 62 :: 63 :: 64 :: 65 :: 66 :: 67 :: 68 :: 69 :: 70 :: 71 :: 72 :: 73 :: 74 :: 75 :: 76 :: 77 :: 78 :: 79 :: 80 :: 81 :: 82 :: 83 :: 84 :: 85 :: 86 :: 87 :: 88 :: 89 :: 90 :: 91 :: 92 :: 93 :: 94 :: 95 :: 96 :: 97 :: 98 :: 99 :: 100 :: 101 :: 102 :: 103 :: 104 :: 105 :: 106 :: 107 :: 108
| |
| |
|
|
|
