Кислород. Молекула, изменившая мир - [61]
Хлорофилл экстрагирует электроны из воды по одному. Для этого он должен поглотить четыре фотона и потерять по очереди четыре своих электрона, каждый раз отнимая электрон у одной из двух молекул воды[41]. Общее уравнение расщепления воды выглядит следующим образом:
Кислород выделяется только на последней стадии процесса. Скорость экстракции электронов хлорофиллом зависит от скорости поглощения фотонов. Поскольку стадии процесса идут последовательно, неизбежно в качестве промежуточных продуктов образуются активные свободные радикалы, хотя бы на короткое время.
Для растений это чрезвычайно опасно. При экстракции электронов из воды образуются реакционноспособные промежуточные формы кислорода. Некоторые из них могут выходить из реакционных центров и повреждать соседние молекулы. Но даже если они не выделяются, на заключительной стадии в клетке накапливается большое количество кислорода. В листьях современных растений концентрация кислорода может в три раза превышать концентрацию кислорода в воздухе. Крошечные цианобактерии тоже отравляют себя и окружающее пространство кислородом. По-видимому, тo же самое происходило и в те далекие времена, когда в воздухе еще не было кислорода. Неизбежно какая-то часть этого кислорода превращается в супероксидные радикалы. Риск чрезвычайно высок. В любой момент система может перестать функционировать. Ближайшая аналогия — атомная электростанция. Если реакторы герметичны, система безопасна, но, если происходит утечка радиации, может случиться катастрофа такого масштаба, как в Чернобыле. И в ядерной энергетике, и в оксигенном фотосинтезе запас надежности весьма невелик, но потенциальные преимущества — неограниченный источник энергии — огромны.
Для надежной работы такого механизма реакционноспособные промежуточные соединения, образующиеся при расщеплении воды, должны быть заключены внутри какой-то структуры, которая не позволяет им выйти наружу до момента выделения молекулярного кислорода. Такая структура действительно существует, и именно поэтому фотосинтез возможен. Эта структура состоит из белков и называется кислород-выделяющим, или водорасщепляющим, комплексом (ферментом).Вода прочно связывается в этом белковом комплексе, и из нее по одному выделяются электроны. Но комплекс этот необычный. В нем есть старый, как мир, секрет. Он возвращает нас больше чем на 2,7 млрд лет назад, в те времена, когда еще не существовало никакого фотосинтеза и в воздухе не было кислорода. Это секретный ключ, открывший дверь и впустивший на Землю жизнь. Без него наша планета осталась бы такой же бесплодной, как Марс.
Структура кислород-выделяющего комплекса (КВК) очень похожа на структуру антиоксидантного фермента каталазы. По виду КВК можно сказать, что он образовался из двух связанных между собой молекул каталазы[42]. Если это действительно так, значит, каталаза появилась раньше КВК. В таком случае хронология событий могла быть следующей. Каталаза возникла рано, когда на Земле еще отсутствовал кислород. В какой-то момент две молекулы каталазы оказались связанными друг с другом и образовали кислород-выделяющий комплекс, в котором расщепление воды происходило безопасным образом. Наличие этой системы позволило реализовать оксигенный фотосинтез, и в результате атмосфера начала пополняться кислородом. Жизнь подверглась серьезному окислительному стрессу. К счастью, она уже умела защищаться, поскольку уже создала как минимум один антиоксидантный фермент — каталазу. Кажется, все складно? Но подождите минуточку. Каталаза возникла до фотосинтеза, когда в атмосфере еще отсутствовал кислород, но окислительный стресс уже был. Возможно ли такое? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно понять, как работает каталаза.
Каталаза отвечает за устранение пероксида водорода, который, как мы обсудили в главе 6, является потенциальным убийцей бактерий. Практически все аэробные организмы имеют каталазу, и даже некоторые анаэробные бактерии, которые боятся кислорода как чумы, синтезируют некоторое количество этого фермента. Каталаза работает невероятно быстро. Без каталазы и без железа пероксид водорода расщепляется на воду и кислород за несколько недель. Растворенное железо катализирует расщепление пероксида водорода до гидроксильных радикалов и, в конечном итоге, до воды в соответствии с реакцией Фентона (см. главу 6). Если железо включено в молекулу пигмента, такого как гем в составе гемоглобина, скорость расщепления пероксида водорода возрастает в 1000 раз. Если гем включается в белок, как в случае каталазы, пероксид водорода напрямую и безопасно расщепляется на воду и кислород, а скорость этого процесса примерно в 100 млн раз выше, чем в присутствии только железа.
Известно несколько типов каталаз. В большинстве клеток животных наличествует форма с четырьмя гемовыми группами в центре. Некоторые микробы имеют другую форму каталазы, содержащую не железо, а марганец. Несмотря на различия в структуре, оба фермента работают очень быстро, и оба справедливо называются каталазами, поскольку катализируют одну и ту же реакцию — взаимодействие двух молекул пероксида водорода с образованием кислорода и воды:
Почему мы стареем и умираем? Зачем нужно половое размножение? И почему полов два, а не больше? У известного английского биохимика есть ответы и на эти вопросы, но главное – он предлагает неожиданный подход к основным проблемам биологии: как из камней, воды и воздуха появилась жизнь.
Испокон веков люди обращали взоры к звездам и размышляли, почему мы здесь и одни ли мы во Вселенной. Нам свойственно задумываться о том, почему существуют растения и животные, откуда мы пришли, кто были наши предки и что ждет нас впереди. Пусть ответ на главный вопрос жизни, Вселенной и вообще всего не 42, как утверждал когда-то Дуглас Адамс, но он не менее краток и загадочен — митохондрии.Они показывают нам, как возникла жизнь на нашей планете. Они объясняют, почему бактерии так долго царили на ней и почему эволюция, скорее всего, не поднялась выше уровня бактериальной слизи нигде во Вселенной.
Как возникла жизнь? Откуда взялась ДНК? Почему мы умираем? В последние десятилетия ученые смогли пролить свет на эти и другие вопросы происхождения и организации жизни. Известный английский биохимик реконструирует историю всего живого, описывая лучшие изобретения эволюции, и рассказывает, как каждое из них, начиная с самой жизни и генов и заканчивая сознанием и смертью, преображало природу нашей планеты и даже саму планету.
Ежемесячный научно-популярный и научно-художественный журнал.
Эта книга – захватывающий триллер, где действующие лица – охотники-ученые и ускользающие нейтрино. Крошечные частички, которые мы называем нейтрино, дают ответ на глобальные вопросы: почему так сложно обнаружить антиматерию, как взрываются звезды, превращаясь в сверхновые, что происходило во Вселенной в первые секунды ее жизни и даже что происходит в недрах нашей планеты? Книга известного астрофизика Рэя Джаявардхана посвящена не только истории исследований нейтрино. Она увлекательно рассказывает о людях, которые раздвигают горизонты человеческих знаний.
Наше здоровье зависит от того, что мы едим. Но как не ошибиться в выборе питания, если число предлагаемых «правильных» диет, как утверждают знающие люди, приближается к 30 тысячам? Люди шарахаются от одной диеты к другой, от вегетарианства к мясоедению, от монодиет к раздельному питанию. Каждый диетолог уверяет, что именно его система питания самая действенная: одни исходят из собственного взгляда на потребности нашего организма, другие опираются на религиозные традиции, третьи обращаются к древним источникам, четвертые видят панацею в восточной медицине… Виктор Конышев пытается разобраться во всем этом разнообразии и — не принимая сторону какой-либо диеты — дает читателю множество полезных советов, а попутно рассказывает, какова судьба съеденных нами генов, какую роль сыграло в эволюции голодание, для чего необходимо ощущать вкус пищи, что и как ели наши далекие предки и еще о многом другом…Виктор Конышев — доктор медицинских наук, диетолог, автор ряда книг о питании.Книга изготовлена в соответствии с Федеральным законом от 29 декабря 2010 г.
Исаак Ньютон возглавил научную революцию, которая в XVII веке охватила западный мир. Ее высшей точкой стала публикация в 1687 году «Математических начал натуральной философии». В этом труде Ньютон показал нам мир, управляемый тремя законами, которые отвечают за движение, и повсеместно действующей силой притяжения. Чтобы составить полное представление об этом уникальном ученом, к перечисленным фундаментальным открытиям необходимо добавить изобретение дифференциального и интегрального исчислений, а также формулировку основных законов оптики.
Петр Ильинский, уроженец С.-Петербурга, выпускник МГУ, много лет работал в Гарвардском университете, в настоящее время живет в Бостоне. Автор многочисленных научных статей, патентов, трех книг и нескольких десятков эссе на культурные, политические и исторические темы в печатной и интернет-прессе США, Европы и России. «Легенда о Вавилоне» — книга не только о более чем двухтысячелетней истории Вавилона и породившей его месопотамской цивилизации, но главным образом об отражении этой истории в библейских текстах и культурных образах, присущих как прошлому, так и настоящему.
Научно-популярный журнал «Открытия и гипотезы» представляет свежий взгляд на самые главные загадки вселенной и человечества, его проблемы и открытия. Никогда еще наука не была такой интересной. Представлены теоретические и практические материалы.
Много лет вопросы, поднимаемые в этой книге, являлись табу. Тема пищеварения всегда была за гранью приличия. В этой книге известная писательница Мэри Роуч в честной, иногда шокирующей форме расскажет о том, как устроен наш желудок и система пищеварения. Вы узнаете, как пережевывание пищи влияет на нашу жизнь, от чего на самом деле умер Элвис Пресли, на сколько может растянуться наш желудок, из чего состоит наша слюна и многие другие забавные и серьезные научные факты.
Книга «Синдром Паганини и другие правдивые истории о гениальности, записанные в нашем генетическом коде» посвящена одному из самых важных и интересных разделов биологии – генетике. Вы познакомитесь с историей генетики и узнаете о расшифровке структуры ДНК и проекте «Геном человека». Для всех увлеченных и неравнодушных.
Центральная идея работ знаменитого Рэя Курцвейла — искусственный интеллект, который со временем будет властвовать во всех сферах жизни людей. В своей новой книге «Эволюция разума» Курцвейл раскрывает бесконечный потенциал возможностей в сфере обратного проектирования человеческого мозга.
Стивен Хокинг известен читателям как выдающийся физик современности, сделавший множество открытий в теории «черных дыр». А что мы знаем о Хокинге как об обычном человеке, любящем отце и муже, жизнелюбе и мечтателе, на долю которого выпали такие испытания судьбы, которые нельзя пожелать даже врагу? Джейн Хокинг была рядом с ним 26 лет, любила и разделяла с мужем все трудности. Про ее непростой опыт совместной жизни с гением, обо всех трудностях, выпавших на долю их семьи, и моментах счастья расскажет эта книга.