Металлы, которые всегда с тобой
Шрифт:
Чрезвычайно сложные исследования, все же продолжавшиеся в течение последующих лет усилиями отважных одиночек, завершились успехом лишь в 1960 году. Именно тогда группа американских учёных во главе с Дж. Карнаханом представила бесспорные доказательства получения активных экстрактов из культур бактерий-азотфиксаторов. По их методу уже можно было воспроизводить препараты, фиксирующие молекулу азота. Это была нитрогеназа. Как удалось установить, нитрогеназа — сложный фермент, состоящий из двух белковых комплексов. Первый из них с молекулярной массой 200 тыс. содержит в качестве активаторов молибден, железо и серу. Второй, молекулярная масса которого гораздо меньше и составляет 50 тыс., имеет в своём составе только железо и серу. Можно считать, что в целом молекула
Как всякие белки, ферменты состоят из очень больших молекул, которые ещё называют макромолекулами. Одной из главных характеристик таких огромных молекул служит масса. Если судить по этому показателю, то нитрогеназа явно чемпион в тяжёлом весе среди ферментов.
Итак, когда про нитрогеназу сегодня многое стало известно, можно ли утверждать, что кончился этот «кошмар для кинетики»? Вряд ли. По-прежнему непросто экспериментировать с капризным ферментом. Прежде всего, исключительно трудно определить соответствие нитроnii.iae препаратов, с которыми работают разные исследо-n;iте-ли. Даже незначительные потери при очистке каждого in се белков могут привести к необратимым изменениям свойств всей системы. Трудность хранения белков усугубляется ещё и тем, что они чрезвычайно быстро окисляются па воздухе.
А если её смоделировать
Целые научные институты, различные лаборатории и исследовательские коллективы были поглощены изучением нитрогеназы, неизбежно распыляясь при этом и где-то повторяя друг друга. Естественно, это не шло на пользу делу. Для того чтобы объединить усилия биохимиков, химиков и физиков, а также для координации их работы в нашей стране в 1976 году Межведомственный совет по молекулярной биологии и молекулярной генетике Академии наук СССР утвердил проект под названием «Нитрогеназа и её модели». В его осуществлении участвуют Институт химической физики, Институт элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова, Институт биохимии им. А. Н. Баха и некоторые другие учреждения Академии наук СССР. Руководителем проекта был назначен доктор химических наук, профессор А. Е. Шилов.
Цель проекта не ограничивается созданием катализаторов для фиксации азота в мягких условиях. Она включает разработку эффективных синтезов других вещёств, например гидразина. Это соединение из двух атомов азота и четырёх атомов водорода представляет собой высококалорийное топливо, при сгорании которого получаются только азот и вода. Таким образом, загрязнения окружающей среды не происходит. Конечно, было бы весьма заманчиво использовать в автомобиле вместо бензина гидразин, но он пока ещё очень дорог.
Несколько лет назад А. Е. Шилов и Г. И. Лихтенштейн предложили сравнительно простую схему действия нитрогеназы. Молекула азота проникает внутрь фермента через щель, соответствующую её размерам, и там активируется электронами восстановителя, которые, словно эстафеты, передаются по цепям молибдено- и железосодержащих центров. Активацию усиливают также и группировки серы. В качестве восстановителя выступает водород, который, в свою очередь, активируется другими ферментами.
Дальнейшие исследования экстракций из различных бактерий привели к открытиям и других железосодержащих ферментов. В начале 60-х годов был выделен фер-редоксин с молекулярной массой 6 тыс. В нем помимо железа роль активных центров играет и сера. Как видим, во всех катализаторах сохраняется принцип множественности компонентов. Интереснейшим свойством ферре-доксина оказалось то, что он имеет наиболее отрицательный потенциал среди природных переносчиков электронов. В 1965 году были открыты ещё два белка, содержащих железо и выполняющих функции переносчиков электронов. Это так называемый парамагнитный белок с молекулярной массой 24 тыс. и рубредоксин, масса которого составляет 6 тыс. В последнее время стали известны и другие железо содержащие белки, функции которых ещё до конца не выяснены.
Вот какая «железная рать» ополчилась против инертной молекулы азота.
Пока
Биологическая фиксация азота вызывала у специалистов не только восхищение, но и немалую досаду от того, что им не удавалось с такой лёгкостью, с какой этот процесс происходит у микроорганизмов, воспроизводить его хотя бы в лаборатории. Ясно было одно: нужно следовать по пути природы. Первым, кто это понял, был, пожалуй, академик А. Н. Бах. Ещё в 1934 году он писал: «...мы надеемся путём теоретического изучения сопряжённого действия биологических окислительно-восстановительных катализаторов, обусловливающего связывание атмосферного азота бактериями, выявить наиболее благоприятные условия для технического синтеза аммиака». Ну чем не химическая бионика? Таким и только таким образом можно было как-то приблизиться к решению одной из насущных проблем человечества — эффективного производства связанного азота. В лаборатории это удалось осуществить ровно через 30 лет.
В 1964 году в Институте элементоорганических соединений АН СССР под руководством доктора химических наук М. Е. Вольпина было сделано сенсационное открытие. В присутствии соединений переходных металлов: титана, ванадия, хрома, молибдена или железа азот активируется и при обычных условиях образует комплексные соединении, |>лслагаемые водой с выделением аммиака. И самым удивительным была не столько сама фиксация неподатли-iMiii лил ной молекулы, сколько то, что многие активные комплексы такого рода были давно', известны химикам. Но существовал некий психологический барьер, преодолён, который часто бывает труднее, чем совершить открытие: Просто никто до этого не ожидал, что молекулы ;i:ioi;i могут прочно «прилипать» к ионам металлов
В дальнейшем советские исследователи показали, что процесс фиксации можно значительно ускорить в присутствии катализаторов. Более того, с помощью все тех же переходных металлов удалось в обычных условиях заставить свободный азот соединяться с органическими вещёствами. Так были получены долгожданные и обнадёживающие результаты.
Дальше — больше. В 1969 году другая группа советских исследователей — на сей раз из Института химической физики поставила совсем уж невероятный эксперимент. Под руководством А. Е. Шилова удалось активировать азот металлокомплексами при температуре... минус 100 °С. Через год группе удалось, наконец, вплотную приблизиться к природной фиксации азота: были открыты системы активации на основе молибдена, и процесс шёл в обычных условиях. Таким образом, как бы. моделировалась работа нитрогеназы.
Возможно, ещё несколько рано торжествовать победу, ибо путь от пробирки до промышленной фиксации азота в мягких условиях не лёгок. Но все-таки будем считать, что главное сделано. Недаром большая группа учёных, руководимых М. Е. Вольпиным и А. Е. Шиловым, в 1982 году была удостоена Государственной премии СССР за цикл работ: «Химическая фиксация молекулярного азота соединениями переходных металлов».
Предвидение Баха сбылось. И кто знает, может быть, уже недалеко время, когда мы станем свидетелями небывалого взлёта индустрии связанного азота, когда совершенно необычные химические заводы будут производить дешёвые минеральные удобрения и когда с улыбкой будут вспоминаться разговоры об азотном голоде на нашей планете.
Разноцветная кровь
Есть ещё один «железный» помощник нитрогеназы, присутствие которого в клубеньках бобовых (а они, как мы знаем, результат симбиоза с азотфиксаторами), на наш взгляд,— одно из удивительных и интереснейших проявлений жизни. Это — гемоглобин. Он придаёт клубенькам красноватую или розовую окраску. Гемоглобин в растении? Такое утверждение ещё не так давно могло вызвать недоумение. Однако в 1939 году японский исследователь X. Кубо обнаружил в клубеньках сои красный пигмент, оказавшийся действительно гемоглобином. В отличие от гемоглобина животного происхождения растительный пигмент назвали леггемоглобином, или легоглобином. Приставка «ле» означает, что он присутствует в бобовых (по-латыни «легуминоза»).