Химия и микроорганизмы

Химия и микроорганизмы

Рассказ о таинствах микробных клеток был бы неполным, если бы не содержал сведений, раскрывающих их химические особенности.

Все вещества в природе, входят ли они в состав живых организмов или залегают в глубинах Земли, состоят из основных структурных единиц — атомов различных химических элементов. В результате химического соединения отдельных атомов возникают более крупные единицы— молекулы. Молекула воды, обозначаемая химиками формулой Н₂0, состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Таким образом, вода — это соединение двух элементов, связанных химически в определенных соотношениях. Молекула воды настолько мала, что она невидима даже в электронный микроскоп. Мельчайшие бактерии достигают в диаметре 200 нм, капелька воды такой же величины содержит до 68 000 000 молекул.

Кроме кислорода и водорода, известно еще более 100 химических элементов. Некоторые из них встречаются свободными в природе, другие удалось выделить искусственным путем. Не менее половины всех элементов обнаружили и в клетках микроорганизмов. Из химических элементов, встречающихся в живой природе, помимо водорода и кислорода, очень важную роль играют углерод и азот.

Элементы, постоянно присутствующие в живых организмах, включая и микробы, называют биогенными. О четырех из них мы уже упоминали. К другим, также очень важным биогенным элементам, относятся фосфор, сера, калий, хлор, магний, натрий, кальций. Эти 11 вышеупомянутых элементов мы называем макроэлементами. В весовом отношении они составляют около 99,9 % сухой массы клеток, причем на первые четыре элемента приходится почти 95 %.

В ничтожно малой оставшейся части — 0,1 % сухой массы — представлен целый ряд микроэлементов: железо, медь, марганец, кобальт, бром, йод, фтор, бор, кремний, литий, рубидий, стронций, барий, цинк, ртуть, алюминий, таллий, титан, свинец, мышьяк, селен, никель, ванадий и серебро. В отличие от макроэлементов, входящих в состав клеточного вещества, некоторые микроэлементы имеют лишь характер катализаторов, ускоряющих или замедляющих процессы химических изменений в организме, причем эту роль они выполняют, входя в состав ферментов.

Как видно из таблицы, содержание отдельных элементов в живой природе и в земной коре очень различно. Живые организмы берут из природных запасов только такие количества веществ, которые отвечают их жизненным потребностям. Количественные соотношения биогенных элементов в живых организмах всегда строго поддерживаются на одном и том же уровне.

Химическое изучение веществ живой материи открыло много интересного. Мы узнали, что в клетках организмов встречаются самые разнообразные вещества. Наиболее важными соединениями среди них являются вода, белки, нуклеиновые кислоты, простые и сложные сахара и жиры. Сопоставление содержания перечисленных соединений в живой материи и относительное содержание молекул этих веществ представлены в таблице 2.

Состав молекул отдельных соединений очень различен. Простая молекула воды состоит из трех атомов, тогда как молекулы белков могут содержать 100 000 и более атомов.

Не следует забывать, что атомы элементов, так же как и молекулы, состоящие из этих атомов, крайне малы — во много раз меньше, чем клетки всех известных нам живых организмов. Так, если бы мы увеличили молекулу водорода, состоящую из двух атомов, в 5 000 000 раз, то получили бы шарик диаметром всего около 1 мм. Увеличенная во столько же раз молекула глюкозы (состоящая из 24 атомов) имела бы диаметр 3,5 мм, молекула гемоглобина, окрашивающего кровь в красный цвет, достигала бы 2,75 см, вирус гриппа — 50 см, клетка самой маленькой бактерии — 1 м, клетка дрожжей — 20 м, а красное кровяное тельце человека — до 40 м.

Исследование организмов в природе все больше убеждает нас, что жизнь тесно связана с определенными структурами соединений и что малейшие изменения в строении молекул этих веществ часто имеют важные биологические последствия. Альберт Сент-Дьёрди, выдающийся венгерский биохимик, открывший витамин С, дает следующее определение живой материи: «Живая материя представляет собой своего рода систему из воды и органических соединений, которые, подобно зубчатым колесикам часового механизма, составляют единое целое».

В клетках бактерий содержится 75–90 % воды, остальное составляют прочие соединения. Отчего вода имеет такое огромное значение в жизни микробов? В клетку бактерии не сможет проникнуть мельчайший кристаллик сахара, если он не будет растворен в воде до отдельных молекул. В клетке протекает множество различных химических процессов. Одни сложные вещества разлагаются, другие образуются из более простых соединений; вода же является той необходимой средой, в которой только и могут осуществляться все эти химические реакции.

Гораздо сложнее молекул воды и менее доступны для химического изучения макромолекулы белков. Еще начиная с первой половины прошлого века естествоиспытатели справедливо считали белки одним из главных слагаемых живой природы.

Они играют самые разнообразные роли. Белки являются структурными элементами клеток, а вместе с тем и живого организма в целом. Они исполняют функции биохимических катализаторов, которые обусловливают, направляют и ускоряют почти все химические реакции, происходящие в живой природе. Эту группу белков объединяют под общим названием ферментов. Некоторые белки являются важными регуляторами жизненных процессов в нашем организме, их относят к гормонам.

Макромолекулы белков обеспечивают жизнь, но есть среди них и такие, которые убивают ее. Так, токсины некоторых растений, животных и бактерий в основном представляют собой белки, причем, как мы увидим далее, наиболее ядовитые из них — бактериальные токсины.

Интересны белки и своим химическим строением.

Схема соединения аминокислот в полипептиды, напоминающие по форме альфа-спираль. Атомы химических элементов обозначены буквенными символами: С — углерод; Н — водород; О — кислород; N — азот; R — радикалы, различные у разных аминокислот.

При исследовании химической структуры белков оказалось, что основными структурными единицами их макромолекул являются аминокислоты; это открытие послужило важным шагом на пути к их познанию. Теперь нам известно уже 20 таких структурных единиц.

Итак, первый факт, осветивший нам качественную сущность таинственных белков, заключался в том, что они состоят из отдельных аминокислот.

Дальнейшим шагом были попытки установить количественные соотношения аминокислот в молекулах различных белков. Но достигнутый в этом отношении успех еще не говорил нам о том, как именно связаны между собой аминокислоты. Комбинации их различных сочетаний могут быть чрезвычайно многочисленны!

Из 20 аминокислот может возникнуть такое количество сочетаний, столько отличных друг от друга белковых макромолекул, что на их создание не хватило бы и всей массы нашей планеты. Именно эта многоликость белков и обеспечивает, по-видимому, огромное разнообразие живой природы.

Современной науке оказывается по плечу и более трудная задача — установить характер расположения аминокислот в молекулах белков. В этом направлении первым успехом было раскрытие структуры гормона инсулина. Английский биохимик Ф. Сенджер точно установил распределение аминокислот в молекуле инсулина, выделенного из организма крупного рогатого скота, и доказал, что она состоит из двух равных частей. В каждой из них имеется два пептида — А и В, соответственно содержащих 21 и 30 аминокислотных остатков. Цепи А и В дважды связаны между собой дисульфидами. В настоящее время уже известны структура инсулина, содержащегося в организме человека, и строение некоторых других белков.

Не менее важен для жизни человека и такой белок, как гемоглобин. Без него не мог бы протекать один из основных жизненных процессов — дыхание.

Молекула гемоглобина теперь хорошо изучена. Нам известно, что она содержит 3032 атома углерода, 4816 атомов водорода, 872 атома кислорода, 780 атомов азота, 8 атомов серы и 4 атома железа (всего 9512 атомов различных элементов); мы знаем также точное расположение аминокислот в молекуле гемоглобина, ее так называемую третичную структуру, которая определяет пространственное расположение всех 9512 атомов.

Познание пространственного распределения белковых макромолекул позволит в ближайшем будущем еще глубже понять их разнообразные биологические функции.

В живой природе мы находим и другую группу очень важных макромолекул, привлекающую в последние годы все большее внимание биологической науки. Это нуклеиновые кислоты.

Первые сведения о них получил почти сто лет назад швейцарский биохимик Фридрих Мишер. Из клеточных ядер спермы лосося он выделил вещество, названное им нуклеином, которое, как оказалось, содержало пять биогенных элементов: углерод, водород, кислород, азот и фосфор. Теперь это вещество мы называем нуклеиновой кислотой.

Макромолекулы нуклеиновых кислот могут быть двух типов: дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, и рибонуклеиновая кислота, или РНК[6].

ДНК находится в основном в клеточном ядре (а в малых количествах также в митохондриях и хлоропластах), тогда как РНК встречается и в ядре и в цитоплазме. Этот факт находится в тесной связи с различными функциями нуклеиновых кислот, о которых речь еще впереди.

Узнаем мы также о предназначении и роли ферментов и познакомимся с химическим характером некоторых других соединений, играющих на арене жизни очень важные роли.