Энергия жизни. От искры до фотосинтеза - [121]

Такой перенос электронов могут осуществлять только металлосодержащие флавоферменты, а чисто органические пиридин-ферменты — не могут. И видимо, перенос электронов — необходимая часть процедуры снижения энергии активации переноса водорода к молекуле кислорода. Ничего точнее сказать, увы, по сей день невозможно.

Можно подумать, что теперь ситуация с атомами водорода, полученными в ходе катаболизма, благополучно прояснена, но это, конечно, не так. Когда кислород принимает атомы водорода из флавоферментов, образуется перекись водорода. Однако в целом нам известно, что перекись водорода в организме не образуется, так что приведенная схема явно не завершена. Должно быть что-то еще.

В 1925 году британский биохимик Д. Кейлин занимался изучением того, как размешанные в растворе взвеси истолченных тканей различных видов — от бактериальных до нервных тканей высших животных — поглощают свет. Он обнаружил около полудюжины разных полос поглощения и приписал их наличие предположительному существованию вещества, которое назвал «цитохром» (от греческих слов, означающих «клетка» и «цвет»). Дальнейшие исследования показали, что полосы поглощения существуют попарно, и каждая пара полос поглощения привязана к своему веществу. Естественно, они получили названия «цитохром a», «цитохром b» и «цитохром с». Со временем выяснилось, что даже такое деление не совсем точно, было вещество близкое к цитохрому a, но все же не полностью с ним идентичное, и оно получило название «цитохром a₃».

Единственным цитохромом, который удалось достаточно легко выделить из взвеси тканей, оказался цитохром с. Обнаружилось, что это сравнительно простой белок, молекулярный вес его — около 13 000, и каждая молекула этого вещества содержит один атом железа. Этот атом является частью гема, такого же гема, какой входит и в состав гемоглобина (см. главу 18). Дальнейшие исследования показали, что и в других цитохромах тоже содержится железо — и в каждом случае оно входило в состав либо гема, либо очень похожей на гем группы атомов.

Соответственно, цитохромы получили видовое название «гемоферменты». Каталаза, как я уже упоминал в предыдущей главе, тоже является примером гемофермента, но она не выполняет функций цитохромов. Гемоглобин — это гемосодержащий белок, но не гемофермент. Не все ферменты, в составе которых имеется железо, — гемоферменты. К примеру, в состав дегидрогеназы янтарной кислоты тоже входит атом железа, но не как часть гемовой группы.

Когда была установлена схема передачи водорода («дыхательная цепочка»), вскоре стало ясно, что цитохромы должны быть в нее где-то включены. Они присутствуют практически во всех клетках, за исключением разве что клеток некоторых «обязательно анаэробных» бактерий — то есть таких, которые могут жить только при отсутствии кислорода. Факт того, что в их клетках цитохромы отсутствуют в сочетании с тем, что эти бактерии не могут использовать кислород, сам по себе уже свидетельствует в пользу важности роли цитохромов в дыхательных цепочках.

И опять же, любое вещество, препятствующее деятельности цитохромов — а особенно колебаниям атома железа между двух- и трехвалентным состоянием, что прекращает передачу электрона, — препятствует и поглощению кислорода. Воздействие цианидных групп (—С=N) таких веществ, как синильная кислота (HCN) или цианистый калий (KCN), приводит к прочному застыванию атома железа в одном из состояний, в результате чего дыхание быстро и навсегда прекращается (именно поэтому цианиды так ядовиты).

О положении цитохромов в цепочке можно судить по окислительным потенциалам, приведенным в таблице 9. Очевидно, цитохромы стоят где-то после флавинов, принимают электроны от атомов водорода и передают их по одному путем колебания железа между двух- и трехвалентным ионным состоянием, от «b» к «c», от «c» к «a», от «a» к «a₃».

Возможно, при этом передаются и сами атомы водорода, хотя в этом отношении точных данных нет.

Однако где-то ведь цепочка должна закончиться! На каком-то этапе водород должен быть передан кислороду — и это этап цитохрома a₃. Окислительный потенциал системы «кислород/вода» равен +0,80, и он в конце концов берет свое. Поскольку цитохром a₃ может использовать кислород в качестве получателя водорода, в результате чего образуется вода, а не перекись водорода (получается, вот он, фермент, катализирующий разрыв связи О—О!), то его можно назвать «оксидазой». На самом деле именно под этим названием цитохром a₃ и известен по большей части — «цитохромоксидаза».

Все, получили воду, можно теперь расслабиться. Теперь дыхательная цепочка собрана до конца.

Опять возникает вопрос: почему же она оказывается такой длинной? Почему же требуется так много коферментов и простетических групп, чтобы перенести атомы водорода от субстрата к ферменту?

Таблица 9

ОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ

Окислительно-восстановительная система … Окислительный потенциал

ДПН/ДПН∙2Н … - 0,32

ФАД/ФАД- 2Н … - 0,22

b(Fe³⁺)/b(Fe²⁺)* … - 0,05

c(Fe³⁺)/c(Fe²⁺)* … + 0,25

a(Fe³⁺)/aFe²⁺)* … + 0,29

a₃(Fe³⁺)/a₃(Fe²⁺* … + 0,30

* цитохромы

Как я уже говорил, при дегидрогенизации вещества уровень свободной энергии снижается на 35—70 килокалорий на моль вещества, но организм не может использовать высвобождающуюся энергию, если только не запасет ее в виде высокоэнергетических фосфатных связей. Насколько известно, в ходе одной реакции может образоваться только одна высокоэнергетическая связь. Поскольку запасти таким образом можно только 8 килокалорий на моль вещества, то перевод одной реакции дегидрогенизации в одну реакцию образования высокоэнергетической фосфатной связи означал бы потерю семи восьмых энергии.