Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

• Название: Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
• Автор: Айзек Азимов
• Издательство: Центрполиграф
• Жанр: Химия
• Год: 2007
• ISBN: 978-5-9524-2590-3

В этой книге Азимов рассказывает о том, как люди научились использовать энергию — сумели заставить работать на себя огонь, воду, ветер, пар, электричество и солнце. Большое внимание уделено изобретениям, открывшим новые источники энергии, распахнувшие перед человечеством двери новой эпохи. Автор также увлекательно повествует о том, как вырабатывается энергия в живых организмах, какие процессы происходят на уровне молекул в органической и неорганической материи.

---

В XIX веке способ образования мочевины в организме оставался неизвестен. Однако уже в первое десятилетие XX века, когда Харден и Янг, с одной стороны, и Кнооп — с другой, начали продвижение в тайны промежуточных этапов метаболизма, немецкий биохимик Альбрехт Коссель вместе с английским коллегой Генри Дэкином пошли в такое же наступление на секреты промежуточных этапов белкового метаболизма.

Они обнаружили фермент, названный ими «аргиназа», действие которого заключалось в катализировании гидролиза аминокислоты аргинина. При этом с помощью реакции, изображенной на рис. 69, образовывалась и мочевина. Кусок молекулы аргинина, остающийся по завершении процесса, — это аминокислота орнитин, которая встречается только как промежуточный продукт образования мочевины, и частью белковых молекул не является.

Значение аргиназы подчеркивают несколько фактов. Мочевина производится в печени (если удалить у животного печень, производство мочевины прекращается), и наивысшая концентрация аргиназы наблюдается тоже в печени. Аргиназа встречается в тканях всех животных, в чьем организме производится мочевина, например амфибий или млекопитающих. А вот в тканях животных, в чьем организме производятся другие азотсодержащие продукты — птиц, например, или рептилий, — она не встречается. Понятно, что аргинин и аргиназа участвуют в каком-то механизме, с помощью которого живые ткани синтезируют мочевину.

Организм человека производит в день от десяти до тридцати пяти граммов мочевины, не истощая при этом запасов аргинина. Значит, они возобновляются путем синтеза аргинина из орнитина.

Это стало окончательно ясно в 1932 году благодаря работам Кребса (того самого, впоследствии — первооткрывателя цикла Кребса) и его коллеги К. Хенселейта с образцами печеночной ткани. Они обнаружили, как и ожидалось, что добавление аргинина стимулирует производство мочевины. Такой же эффект оказывало и добавление орнитина, и этот факт утвердил ученых в мысли, что печень производит из орнитина аргинин. В конце концов они обнаружили, что еще одно вещество, сходное по строению с аргинином — цитруллин, — тоже стимулирует производство мочевины.

Рис. 69. Гидролиз аргинина  Рис. 70. Цикл образования мочевины

В качестве объяснения Кребс и Хенселейт составили схему, которую принято сейчас называть «циклом образования мочевины» — она приведена на рис. 70. Эта схема показывает, что орнитин, цитруллин и аргинин постоянно синтезируются заново. Смотрите, при превращении орнитина в цитруллин организм добавляет одну молекулу аммиака и одну молекулу углекислоты, а при превращении цитруллина в аргинин — еще одну модекулу аммиака. Что же касается воды, то одна ее молекула добавляется организмом на этапе гидролиза аргинина, но на каждом из двух этапов одна молекула воды из системы извлекается, так что в целом можно говорить об извлечении одной молекулы воды. И в конце концов при гидролизе аргинина извлекается одна молекула мочевины. Вот как выглядит запись всей реакции в целом:

2NH3 + СO2 → NH2CONH2 + H2O.

Конечно, приведенная схема цикла образования мочевины сильно упрощена. Никто из выдвинувших ее на самом деле, конечно, не считал, что на входе подается молекула аммиака как таковая. Аммиак — очень ядовитое вещество, и в организме в чистом виде встречаться не может. Однако только в 50-х годах XX века, когда начали проводить эксперименты с изотопным маркированием, стали известны подробности этих реакций.

Выяснилось, что азотсодержащие группы добавляются в виде аминогрупп, получаемых из аминокислот. При переходе от орнитина к цитруллину глютаминовая кислота (одна из наиболее распространенных аминокислот) отдает и аминогруппу, и эквивалент углекислоты. В этом случае она должна использовать высокоэнергетическую фосфатную связь, поручаемую из АТФ. При переходе от цитруллина к аргинину аминогруппу отдает другая аминокислота, аспарагиновая, и снова за счет АТФ.

То есть производство мочевины — это энергоемкая реакция. На каждой итерации цикла потребляется по две молекулы АТФ.

Не стоит считать, что единственными аминокислотами, способными отдавать аминогруппу на производство мочевины, являются глютаминовая и аспарагиновая кислоты. В 30-х годах XX века, работая с изотопом N15, о чем я рассказывал в этой же главе, Шёнхеймер установил, что если дать на входе один вид аминокислоты, помеченный изотопом, то вскоре изотопы окажутся в составе аминокислот всех видов, за исключением лизина. Естественно, напрашивается вывод, что аминогруппа легко передается от одного вещества к другому. Были обнаружены и ферменты, катализирующие подобные реакции (трансаминазы), и установлены подробности переносов, получивших название «трансаминирование» (от «транс» — перенос и «амино»). После трансаминирования аминогруппу NH2 заменяет связанный двойной связью кислород (рис. 71).

Трансаминазы представляют собой пример ферментов, использующих в качестве кофермента пиридоксальфосфат, в котором содержится группа атомов, организмом не синтезируемая в принципе. Так был обнаружен еще один витамин группы В, пиридоксин.

Итак, движение аминогрупп осуществляется от аминокислот в целом к глютаминовой кислоте и аспарагиновой кислоте, а от них уже в цикл производства мочевины. Те аминокислоты, в состав которых входит лишний атом азота или атом серы, избавляются от них с помощью механизмов, которые я здесь не буду описывать. Достаточно будет сказать, что, так или иначе, все атомы азота и серы устраняются и остается только «углеродный скелет».

Этот углеродный скелет может представлять собой одно из тех веществ, с которыми мы уже сталкивались при описании катаболизма углеводов или белков. К примеру, когда аланин подвергается трансаминации, он теряет аминогруппу и приобретает связанный двойной связью кислород, вследствие чего образуется пировиноградная кислота.

С помощью кофермента А пировиноградная кислота избавляется от гидроксильной группы обычным способом, и образуется ацетилкофермент А, который уже может вступить в цикл Кребса. Для организма нет разницы, образована ли пировиноградная кислота из глюкозы или из аланина. И в том и в другом случае это одна и та же пировиноградная кислота, с одним и тем же энергетическим содержанием. Другие аминокислоты, например валин, серии, треонин и цистеин, тоже преобразуются, несколько более длинным путем, в пировиноградную кислоту.

Рис. 71. Трансаминация

Несколько аминокислот, например лизин, подвергаются изменениям, в ходе которых превращаются в ацетоуксусную кислоту и далее — в ацетил-кофермент А, после чего входят в цикл Кребса по пути катаболизма жиров.

А некоторые аминокислоты входят в цикл Кребса и сами по себе. К примеру, аспарагиновая кислота сразу после деаминации становится щавелево-уксусной кислотой, а глютаминовая кислота — альфа-кетоглутаровой кислотой. Оба этих вещества являются промежуточными продуктами цикла Кребса и могут сразу быть приняты в него на соответствующих этапах.

На рис. 72 подведены итоги катаболических взаимосвязей белков, жиров и углеводов.

Рис. 72. Присоединение белка

Конечно, обратив различные реакции катаболизма, можно получить аминокислоты из соответствующих углеродных скелетов. К примеру, если организм пресыщен глютаминовои кислотой и в то же время наблюдается нехватка аланина, в некоторых случаях запускается процесс передачи аминогруппы от глютаминовои кислоты к пировиноградной кислоте и формирования из последней аланина. В случае обратной ситуации организм точно так же может инициировать процесс передачи аминогруппы от аланина к альфа-кетоглутаровой кислоте, а из последней — образовывать глютаминовую. Присутствие в пище аминокислот, которые могут быть синтезированы подобным образом, не обязательно.

С другой стороны, некоторые аминокислоты проходят во время реакций получения углеродных скелетов хотя бы один необратимый этап. Такие аминокислоты уже нельзя вернуть в исходное состояние с помощью каких бы то ни было промежуточных веществ. Их присутствие в пище необходимо, я приводил список этих аминокислот в главе 19.

Глава 25. ОСНОВНОЙ И ГЛАВНЫЙ ИСТОЧНИК

В двух предыдущих главах я указывал на то, что энергия, производимая с помощью катаболизма углеводов и жиров, переводится на хранение в виде высокоэнергетических фосфатных связей с эффективностью 45 процентов. Хоть это и высокий показатель эффективности, гораздо более высокий, чем у многих полезных изобретений человека, все равно очевидно, что больше половины энергии, получаемой при расщеплении пищевых продуктов, теряется. (Ну, не то чтобы она совсем уж прямо терялась, даже в тепловой форме она помогает человеку, как теплокровному созданию, поддерживать температуру тела на должном уровне.)