Металлы в живых организмах - [2]

Итак, клетки не похожи на паровую машину, в которой источником работы является горение топлива, создающее разность температур, но клетки определенно похожи на гальванические элементы, производящие работу за счет реакции окисления-восстановления, и отчасти на двигатели внутреннего сгорания, производящие работу за счет энергии сильно сжатого газа, возникшего при сжигании жидкого топлива.

В настоящее время созданы топливные элементы, превращающие энергию окисления угля или жидких углеводородов в электрическую энергию; эти устройства очень экономичны и, несомненно, сыграют роль в энергетике будущего. Вот с ними у клеток еще более глубокое сходство.

Современная техника использует энергию химических реакций для практических целей. Но, например, о применении солнечной энергии для широкого решения производственных задач пока еще только мечтают... А вот живые организмы могут извлекать энергию из потока солнечного излучения. Огромные массы микроорганизмов, плавающие в волнах океанов и морей, леса и травы, покрывающие сушу, располагают аппаратом, с помощью которого они используют энергию света для химических синтезов. В этом аппарате важную роль играет ион металла магния, входящий в состав хлорофилла.

Не кажется ли вам, что в области использования энергии клетки — хрупкие комочки живой ткани — обогнали могучую технику человека с ее громоздкими и сложными машинами? Это впечатление усилится, если вспомнить о существовании организмов, которые получают энергию, стимулируя какой-либо определенный химический процесс и затем используя эту энергию для создания множества разнообразных соединений. Так, известны бактерии, живущие за счет окисления ионов железа (II) (железобактерии), бактерии,- для которых источником энергии является окисление серы в серную кислоту (серобактерии тиооксиданс), бактерии, "питающиеся" нафталином, другими словами, окисляющие это вещество для получения энергии, и даже бактерии, для которых источником энергии служит окисление водорода — по существу, та реакция, которая протекает при взрыве гремучего газа.

В результате целенаправленного превращения химической энергии микроорганизм из несложных исходных веществ создает сложные частицы белков, жиров и нуклеиновых кислот. Неплохо бы построить, например, завод по производству серной кислоты, в котором энергия окисления серы питала бы производство белков, углеводов и жиров. Мало того, представим себе, что этот завод обладает способностью строить другие такие же заводы, — ведь клетки делятся!

Может быть, клетки с точки зрения энергетики заслуживают названия "сверхмашин" — машин будущего? В высших организмах, в частности в организмах позвоночных, мы обнаруживаем совершенные и экономичные устройства — мышцы, в которых химическая энергия превращается в механическую. Если бы удалось создать нечто подобное в технике, т. е. превратить энергию окисления топлива при низкой температуре (37°С — температура тела человека) в механическую работу, — это было бы крупнейшим достижением! Вот почему анализ механизмов, действующих в биологических системах, представляет огромный интерес с точки зрения и биолога, и биохимика, и инженера.

Продолжим сопоставление клетки и машины. Объектом работы машины является какой-либо материал, взятый в больших по сравнению с молекулами кусках (металл, дерево, полимер). Машина изменяет его форму по заданной программе (например, вытачивает болт), удаляя лишний материал, или производит ряд последовательных операций, перемещая в пространство отдельные детали (так действует, например, автомат, выпускающий электрические лампочки), или, наконец, просто вращает вал (кардан у автомашины), сообщая всему устройству движение.

Существуют ли в биологических машинах аналоги всему этому?

Прежде всего, придется констатировать, что клетка, в отличие от макроскопической (т. е. обычной в нашей технической практике) машины, имеет дело не с огромными совокупностями молекул, а с отдельными молекулами. Каждая молекула жира, белка или сахара, попав в сферу деятельности клетки и будучи поглощена ею, подвергается индивидуальной обработке. Следовательно, и "инструменты" для этого тоже должны иметь молекулярные масштабы. Молекулярная биология помогла разобраться в деталях устройств, позволяющих целенаправленно перекраивать молекулы.

Тут сразу возникает вопрос о направлении воздействия. Технические машины в этом отношении сомнений не вызывают — мы ясно представляем себе задачу каждой из них. Но что, собственно, "хочет" биологическая машина? Какова цель ее деятельности?

Смысл работы клеточных механизмов в настоящее время в значительной мере раскрыт. Молекулы пищевых веществ — белков, жиров и углеводов (в основном) — расщепляются на менее сложные частицы. Эти частицы одинаковы для каждого вида биомолекул, независимо от того, из каких исходных молекул они получены. Так, из различных белков получаются небольшие молекулы аминокислот, и, несмотря на то, что в разных белках они были сцеплены (пептидными связями) в различных последовательностях, после разрушения белковых частиц мы получим смесь одних и тех же аминокислот (с относительно небольшими количественными различиями). Различные углеводы превращаются в одну и ту же кислоту — пировиноградную, а жиры расщепляются до жирных кислот, от молекул которых постепенно откалываются однотипные фрагменты.