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 H₂O, 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.

Таблица 1

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.

Таблица 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: C - углерод; H - водород; O - 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!

Фиг. VI. Хромосомы, окрашенные фиолетовой краской в клетках кончика корня

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^*.

^* (Международной биохимической комиссией по терминологии недавно был принят сокращенный химический символ для дезоксирибонуклеиновой кислоты DNA, для рибонуклеиновой - RNA (на основе английских терминов). Из чисто практических соображений мы оставляем прежние символы (ДНК и РНК).)

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.