Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

Азимов Айзек

И тем не менее факт остается фактом: большинство белковых молекул, в том числе — все ферменты, хоть и состоят из тех же компонентов, что и фиброин, и скреплены воедино теми же связями, все же претерпевают необратимые изменения под воздействием достаточно слабого нагревания. Парадокс: одни и те же составляющие, скрепленные одним и тем же образом, могут оказаться и прочными, как шелк, и хрупкими, как яичный белок.

Более того, получается, что те перемены, благодаря которым сырой яичный белок превращается в твердое белое вещество яичного белка, сваренного вкрутую, не затрагивают ни аминокислот, ни связей между ними — по крайней мере, тех, которые я описал. Тепла, достаточного для того, чтобы сделать яйцо твердым, а фермент — неактивным, оказывается

явно мало для того, чтобы разорвать пептидную связь. В денатурированном белке (то есть таком, который не способен более выполнять свои биологические функции) присутствуют все те же пептидные цепочки, состоящие из тех же аминокислот, что и в исходном белке до нагревания.

Разумеется, мы не можем принять представление о том, что тут имеет место что-то мистическое, лежащее вне рациональных законов природы. Если свойства денатурированного яичного белка отличаются от свойств исходного яичного белка, то, значит, между этими двумя веществами есть какая-то разница. Раз молекула белка денатурируется и при этом не разрывается ни одна связь между ее атомами, значит, существуют какие-то более слабые связи, при этом жизненно важные для сохранения особых свойств молекулы, которые разрушаются под воздействием слабых изменений окружающей среды, приводя тем самым к денатурации.

Такое предположение подтверждается и тем фактом, что иногда в денатурированных белках обнаруживаются сочетания белков, не встречающиеся в исходных белках. Чаще всего в этих сочетаниях встречается так называемая «меркаптановая группа», состоящая из атома серы и атома водорода (-S-H) (рис. 25). Она содержится в присутствующей практически во всех белках аминокислоте — цистеине.

Некоторые химические вещества могут вступать в соединение с меркаптановой группой, образуя вещество, выпадающее в виде осадка или растворяющееся, но обладающее при этом характерным цветом. (Химические вещества, используемые для обнаружения определенных атомов или сочетаний атомов с помощью облегчения их визуализации, называются «тестовыми реагентами».) Даже если сам цистеин связан в пептидной цепи, его радикал с меркаптановой группой остается свободным, и те же самые тестовые реагенты, которые вступают в реакцию с чистым цистеином, будут реагировать и с пептидной цепочкой, содержащей цистеин.

Однако многие белки, в состав которых цистеин явно входит (поскольку обнаруживается среди смеси аминокислот, на которые белок распадается под воздействием кислоты), сами по себе в реакцию с тестовыми реагентами не вступают. А вот после денатурации — запросто.

Проще всего предположить, что в природном белке пептидная цепочка имеет такую форму, при которой радикалы части составляющих ее аминокислот направлены не «наружу», а в некую «внутреннюю полость» молекулы. Если эти аминокислоты — цистеин, а следовательно, эти «изолированные» от внешней среды радикалы — меркаптан, то тестовые реагенты просто не могут дотянуться до него, чтобы вступить в реакцию. А после денатурации пептидная цепочка раскрывается, и тестовые реагенты получают доступ к меркаптановой группе.

В процессе денатурации разрушается упорядоченность трехмерной формы пептидной цепочки. Ее звенья принимают произвольное положение в пространстве. Такому увеличению беспорядка соответствует значительное увеличение энтропии. А вот для проведения обратного процесса — формирования искусно сложенного естественного белка из денатурированного — требуется уже уменьшать энтропию, а значит, подобная «ренатурация» практически невозможно (разве что на самой первой стадии процесса). Чтобы можно было представить это положение наглядно — ренатурацией был бы процесс «разваривания» яйца, сваренного вкрутую, обратно в живое яйцо.

^{Рис. 25. Денатурация пептидной цепочки} 

Значит, изначальная пептидная

цепочка поддерживается в «нужной» форме с помощью неких химических связей, и эти связи настолько слабы, что даже незначительное изменение условий способно их разрушить и тем самым денатурировать белок.

Перед тем как перейти к обсуждению природы этих слабых связей, на которые мы и возложим ответственность как за хрупкость белков, так и за особые свойства ферментов, мне придется сделать небольшое отступление и поговорить о природе химических связей как таковых. Мне придется повторить часть уже сказанного в главе 10, но сейчас подробностей будет гораздо больше.

С самого момента зарождения теории атомов стало ясно, что должна существовать какая-то сила, которая удерживает разные атомы в составе одной молекулы. Более того, тот образ, которым эта сила себя проявляет, оказался индивидуальной характеристикой каждого элемента. К примеру, выяснилось, что один атом водорода никогда не может присоединять к себе более одного чужого атома, один атом кислорода — больше двух других атомов, один атом углерода — больше четырех и так далее.

В 1852 году английский химик Эдуард Франкленд предложил назвать эту способность атомов словом «валентность» (от латинского слова, означающего «способность»). То есть валентность водорода — 1, как и фтора, хлора, брома, йода, натрия и калия. Валентность кислорода — 2, и такой же валентностью обладают сера, магний и кальций. Валентность азота — 3, и в эту же группу входят фосфор, мышьяк и алюминий. Валентность углерода и кремния — 4.

Валентность одного и того же элемента не обязательно всегда одна и та же. К примеру, валентность углерода — в принципе 4, но иногда он имеет валентность 2. Валентность азота — вообще 3, но бывает, что и 5. Валентность железа — 2 или 3; золота — 1 или 3; меди и ртути — 1 или 2 и так далее.

В отношении достаточно простых неорганических веществ вопрос о валентностях не влияет на вид уже устоявшихся формул. Так, железо может соединяться с хлором двумя различными способами. Один атом железа может вступать в соединение как с двумя (дихлорид железа, FeCl₂) атомами хлора, так и с тремя (трихлорид железа, FeCl₃). В обоих случаях из формулы понятно, с каким именно соединением мы имеем дело, и видно, что в первом случае валентность железа — 2, а во втором — 3.

Однако при переходе к значительно более сложным органическим соединениям введение понятия валентности произвело жизненно необходимую революцию в деле написания формул. Уже в начале XIX века стало ясно, что традиционная схема для органической химии не годится, потому что выяснилось, что совершенно различные вещества могут иметь один и тот же атомный состав.

Первым это обнаружил, к собственному изумлению, немецкий химик по имени Юстус фон Либиг, выделивший в 1823 году вещество, названное им «гремучим серебром». Фон Либиг установил, что молекула этого вещества состоит из четырех атомов — по одному атому серебра, углерода, азота и кислорода. И оказался в недоумении — дело в том, что вещество точно с таким же атомным составом было на тот момент хорошо известно, носило название «изоцианат серебра» и имело абсолютно другие свойства.

Об этом рассказали Берцелиусу, но он отказывался верить услышанному до тех пор, пока сам не открыл два вещества с одинаковым атомным составом, но разными свойствами. Берцелиус назвал такие «родственные» вещества «изомерами», но природа изомерии, как явления, так и осталась на тот момент загадкой.

Ключом к решению стало введенное Франклендом понятие валентности. В 1859 году немецкий химик Фридрих Август Кекуле первым использовал графическое выражение записи формул с учетом валентности каждого элемента. Вот так выглядели в новой записи формулы таких хорошо известных веществ, как вода (H₂O), метан (СН₄), углекислота (CO₂), аммиак (NH₃) и хлороводород (HCl):