Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Шрифт:
Строго говоря, не все жиры имеют своим основным предназначением производство энергии. Те жиры, что я обсуждал в этой главе, относятся к «простым» жирам, состоящим из глицерина и жирных кислот. Существуют также «сложные» жиры, в состав которых входят еще и фосфатная группа и одна из нескольких азотсодержащих групп. А еще есть такие вещества, как холестерин, обладающие свойствами жиров, но имеющие совершенно другое молекулярное строение.
У этих последних в организме есть особые функции. Из фосфатсодержащих жиров состоит мембрана митохондрий, служащая, как я уже писал, полем деятельности для различных ферментов, катализирующих реакции цикла Кребса и дыхательной цепочки. Что же касается холестерина, то из него состоит большая часть жировой оболочки нервов.
Сложные жиры и холестерин содержат не меньше энергии, чем простые жиры, но их роль в клеточном механизме настолько велика, что их энергозапасы не расходуются даже при крайних стадиях истощения. Я не привожу здесь подробного рассмотрения этих крайне важных веществ только потому, что они не задействованы в процессах энергообмена.
Теперь давайте вернемся к белкам, попадающим после процесса переваривания в организм в виде аминокислот. Перед тем как использовать их для производства полезной энергии, надо сначала убрать из них азот.
В 1773 году французский химик Руэль (учитель Лавуазье) обнаружил в моче азотистое соединение и назвал его, естественно, мочевиной. Когда в начале XIX века химики стали изучать строение белков, мочевина была сразу признана «тем самым» веществом, посредством которого организм избавляется от азотистой составляющей белков.
Формула мочевины —
Ее короткая запись — NH2CONH2. Получилось так, что именно с мочевиной оказались связаны два самых замечательных открытия в биохимии. Она стала первым органическим веществом, которое удалось синтезировать из неорганического материала (см. главу 13), и катализирующий ее распад фермент был кристаллизован первым (см. главу 15).
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.
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:
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).