М. Литвинов
Малые молекулы организмов

Организм иногда сравнивают с водоворотом: в него впадает поток веществ, крутится, бурлит, затем покидает его, но сам организм при этом остаётся почти неизменным. Дополним эту метафору. На дне реки из песка формируются барханы, а в водовороте организма из веществ образуются структуры: оболочки клеток, механические волокна, кости, связки, пузыри, трубки, перегородки. Они могут быть твёрдыми или эластичными, возникать на короткий срок или на всю жизнь. Как правило, структуры образуются из полимеров. А между ними, словно человечки среди небоскрёбов, снуют неисчислимые малые молекулы — органические вещества с небольшим молекулярным весом. Одни попадают в водоворот организма, чтобы разрушиться, окислиться и отдать свою энергию; другие служат сырьём для строительства полимеров, а третьи становятся незаменимыми компонентами сложного хозяйства тела.


Оксалоацетат
Небольшие органические молекулы заявили о себе цветом, вкусом и запахом задолго до возникновения химии, а уж когда химики принялись исследовать животных и растения, открытия пошли одно за другим. Кислоты, например, выделяли из плодов (яблочную, лимонную), листьев (щавелевую), янтаря (янтарную), скисшего молока (молочную). В идентификации и исследовании органических веществ применялись уже не только их органолептические свойства, но и возникшие в XVIII веке методы химического анализа.

Разнообразные сочетания шести элементов (водорода, углерода, азота, кислорода, фосфора и серы) и добавки некоторых других (йода, селена, кремния) создали огромный мир малых молекул. Химики принялись классифицировать их, строить в ряды по сходству, узнавать характерные реакции, выяснять структуру, научные журналы и учебники заполнились формулами и описаниями углеводородов, спиртов, альдегидов, кетонов, органических кислот, аминов и множества других соединений. При этом химикам-органикам были одинаково интересны и вещества живых организмов (в том числе углеводы, аминокислоты и их же производные, эфирные масла, алкалоиды, пурины, пиримидины, терпены), и то, что получалось из них в опытах, — какие-нибудь хлор-, бромпроизводные.

Химики выработали замечательный взгляд на молекулы органических веществ. Сейчас само собой напрашивается сравнение с конструктором: молекулы строятся из деталей и блоков. На скелет из атомов углерода (иногда в него входят также атомы азота или кислорода) навешиваются функциональные группы: гидроксильные, карбонильные, карбоксильные, аминные и прочие. Блочный принцип строения позволяет из небольшого набора атомов получить невообразимо много молекул с различными свойствами (см. рисунки). У них могут изменяться размеры, гибкость, заряд (в определённой среде), летучесть, способность растворяться в воде или жирах, реагировать или не реагировать с другими компонентами.


Молекула липоевой кислоты работает, как поворотный кронштейн
Даже самые маленькие молекулы построены и используются со смыслом: фундаментальное для биологии соответствие структуры и функции проявляет себя. На это не всегда обращают внимание, поэтому приведём два явных и уже классических примера. Первый описан фразой, взятой из знаменитого учебника Альберта Ленинджера: „Длинная липоиллизиновая боковая цепь дигидролипоилтрансацетилазы действует как поворотный кронштейн при переносе электронов от пируватдегидрогеназы к дигидролипоилдегидрогеназе“. (Кстати, в этом предложении видно, что громоздкие слова биохимиков отчасти воспроизводят блочную структуру их объектов.) Ещё пример, две фосфатные группы на концах молекулы фруктозодифосфата несут большие отрицательные заряды и буквально разрывают молекулу на две части с выделением энергии.

Работа по выявлению и описанию малых молекул организма не закончилась и сегодня, в эпоху геномики и протеомики. Химиков, работающих с веществами живого (они сейчас нередко называют себя биоорганиками), до сих пор согревает надежда — найти новое, необычайно эффективное лекарство в каком-нибудь экзотическом животном или растении. В прошлом такая надежда нередко оправдывалась. Выделенные из живых организмов хинин, дигоксин, стрихнин, камфара, резерпин, адреналин, кофеин, папаверин, пилокарпин и десятки других веществ облегчили жизнь многих страдальцев, а некоторых даже спасли от немедленной смерти.


Изоцитрат
Учёные по-прежнему снаряжают экспедиции в джунгли за таинственной негритянской травой или в глубины океана за неизвестными науке червями, однако полезные вещества находят и в давно известных организмах — например, в полыни недавно обнаружили артемизин. Препаратом из этого растения древние китайцы лечили малярию, а современные фармакологи надеются победить рак.

В список низкомолекулярных соединений, выделенных из организмов, входят уже десятки тысяч названий. Однако понять, как одни получаются из других, было сложнее, чем выделить и описать сами эти вещества. В конце XVIII века Антуан Лоран Лавуазье догадался, что глюкоза и некоторые другие соединения в организме млекопитающих окисляются, образуя углекислый газ и воду. Он определил два из многих исходных и конечных пунктов на схеме превращений, но не имел возможности обнаружить точки, лежащие между ними (как сказали бы двести лет спустя, „в чёрном ящике“). В 1857 году Клод Бернар открыл один важный промежуточный процесс: глюкоза в организме человека не только сгорает, но и превращается в полимер, похожий на крахмал, — гликоген. Луи Пастер в 1860-е годы доказал, что дрожжи в отсутствие кислорода перерабатывают сахар в спирт — то есть нашёл ещё по одному начальному и конечному пункту того же, в целом, маршрута. Зная формулы исходных и результирующих веществ, можно было придумать множество вариантов промежуточных превращений. Какие же из них реализуются?


Фруктоза
Реакции живых клеток начали исследовать в XX веке. Эдвард Бюхнер в 1897 году открыл, что превращения углеводов происходят и в бесклеточном экстракте дрожжей, а не только в целостном организме. С этого и началась биохимия и её важнейшая часть — выделение индивидуальных ферментов и изучение отдельных реакций.

Долгое время из водоворота реакций выуживали, при известной удаче, лишь одиночные. А затем на очередь встала задача: определить их последовательности. Исторически первым подробно исследованным путём метаболизма стал гликолиз — в нём сахара разлагаются до небольших трёхуглеродных молекул молочной кислоты. Этот путь обнаружился в таких непохожих процессах, как спиртовое брожение в дрожжах (в них, на радость человечеству, ещё одна дополнительная реакция превращает молочную кислоту в спирт), молочнокислое брожение и окисление глюкозы в мышцах.

Некоторые вещества (например, соединения мышьяка, йодацетат) проявляли себя как яды: когда их добавляли к дрожжам или мышечным клеткам, те погибали. При этом исходное вещество расходовалось, конечное не образовывалось, и ещё какое-то накапливалось. Из этого делали вывод, что яд перекрыл какой-то путь, как запруда перекрывает реку. В середине XX века вещества научились метить радиоактивными изотопами — это помогало понять порядок превращений.


Цитрат
В поисках был обнаружен особый тип малых молекул, которые в реакциях не расходовались, сами их провести не могли, но были необходимы для протекания метаболических превращений. Оказалось, что они постоянно или временно соединяются с ферментами и помогают им работать, из-за чего такие молекулы назвали коферментами. Выяснилось, что многие из них — производные витаминов.

Параллельно биохимики учились выделять ферменты и изучать их свойства. Зная активность фермента и некоторые константы, они могли построить кинетическую модель и грубо оценить скорости реакций в клетке.

Постепенно раскрывалось многообразие типов обмена. Свои особенности обнаружились у бактерий, грибов, растений, животных. К знакомым веществам примыкали новые реакции, в которых эти вещества расходовались или возникали. На схемах получались перекрёстки, пути соединялись в сети, сети росли. Обмен углеводов объединялся с обменом аминокислот, жирных кислот, пуринов, пиримидинов и прочих компонентов жизни, так что на глазах исследователей вырастал новый мир.

Мир этот очень сложен — достаточно посмотреть на карту метаболических путей. Однако на этой карте видно не всё. Она напоминает схему города, на которой отмечены дороги, но не показано, сколько по ним едет машин и с какой скоростью (сколько какого вещества присутствует в клетке в данный момент и как быстро они превращаются). Для клетки каждого типа нужна своя карта, для каждого вида организмов — свой набор карт. При этом типов клеток в организме десятки, видов живых существ — миллионы. В общем, то, что нам показывают, — это типовой проект реакций.


Фосфоенолпируват
В путанице реакций были попытки найти порядок и красоту. А.Г. Малыгин предложил схему, учитывающую симметрию молекул и их же преобразований. Н.Н. Мушкамбаров разработал нечто вроде алгебры реакций. В самом деле, есть реакции прямые и обратные, отщепления и присоединения, обмена функциональными группами, напоминающие операции в абстрактной алгебре.

Обычные метаболические карты выделяют главные пути с наибольшей физиологической значимостью и наибольшим количеством проходящих по ним веществ. Даже начинающие биохимики должны знать гликолиз, расщепление жирных кислот, цикл трикарбоновых кислот, реакции образования аминокислот, цикл мочевины, пентозо-фосфатный путь и ещё несколько последовательностей превращений.

Ещё на схемах показывают пути регуляции реакций. Живой организм точно реагирует на внешние условия. При необходимости в ответ на сигналы молекул-регуляторов в нём начинают образовываться новые вещества или изменяться содержание постоянных. В другое время понадобятся другие соединения. На примере биохимических реакций легко можно проследить главные понятия кибернетики, в том числе положительную и отрицательную обратную связь: в первом случае последнее вещество из цепочки превращений ускоряет путь, а во втором — замедляет. Есть в клетке и усилительные каскады, и циклы. А кроме того, в организме малые молекулы не только участвуют в реакциях: они обратимо присоединяются к различным структурам клетки с помощью слабых связей, всасываются, распределяются в тканях, переносятся жидкостями, выделяются наружу.

Множество маленьких молекул помимо больших, полимерных, образует наши тела и тела других существ. Их разнообразие неимоверно велико; их превращения в глубинах клеток — та питательная среда, из которой вырастают листья и корни, кожа и мышцы, внутренние органы и внешние украшения бактерий и грибов, растений и животных. Эти вещества придают животным и растениям окраску, запах и вкус, с их же помощью организмы общаются, ими постоянно обмениваются, формируя облик биосферы и скрытые механизмы её жизни.

Химия и жизнь — XXI век

Статьи близкой тематики:
Недостающее звено.  Е. Котина.
Дезоксирибону… и так далее.  Е. Котина.
Первые, они же белые.  М. Литвинов.
Сладкое топливо, прочные конструкции и другие углеводы.  М. Клейстер.
Жидкое золото организмов.  М. Литвинов.
«Амины» с аминогруппами и без.  Е. Котина.
От убийства до исцеления.  М. Ускарин.
Серьёзные игры гормонов.  Е. Котина.
Переносчики мыслей.  Е. Котина.


AthleticMed магазин спортивной медицины по низким ценам!
2007 Copyright © GenDNA.ru Мобильная Версия v.2015 | PeterLife и компания
Пользовательское соглашение использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт. Партнёрская программа.
Яндекс.Метрика Яндекс цитирования