Металлы, которые всегда с тобой - Терлецкий Давидович

Одним из самых ярких проявлений каталитического свойства железа является процесс синтеза порфиринов. Здесь этот металл, как предполагают, является аутоката-лизатором, то есть вещёством, катализирующим встраивание самое себя в порфириновый комплекс. И вообще на примере железопорфиринов прекрасно прослеживается логика природы при эволюционном отборе биохимически активных вещёств.

Аутокатализ — это, в сущности, химическое название самовоспроизводящегося процесса, то есть свойства, которое, судя по всему, следует считать одним из критериев живого.

Давайте снова посмотрим на порфнрин. Ион металла в нем попадает в крепкие объятия четырёх атомов азота — элемента, который является непременным для биологических катализаторов. Вот как, например, происходит нарастание каталитических свойств трёхвалентного железа. (Вспомним Тенара, который использовал железо для ускорения разложения перекиси водорода.) Если ион этого металла встроить в порфириновый комплекс, то его эффективность возрастает в 1000 раз. Если же такой железосодержащий порфирин включить в белковую молекулу, скажем фермента каталазы, то скорость каталитического разложения перекиси водорода возрастёт ещё в 10 млн. раз. Предполагается, что именно таким путём постепенного усложнения в процессе эволюции природа и ввела железо в состав биокатализаторов.

Но почему именно в этом решающее значение сыграли порфирины? Потому, что эти вещёства могли легко возникнуть в первичной атмосфере нашей планеты. Здесь нам придётся уклониться от основной темы нашего рассказа.

Небольшое отступление об атмосфере

Итак, атмосфера. Автор полагает, что вполне правомерно делает отступление, ибо в конце концов гемоглобин является переносчиком кислорода, который наш организм получает именно из атмосферы.

Дело в том, что привычный нам воздух не всегда был таким, каким мы вдыхаем его сейчас. Напомним: сегодня он состоит из 21 % кислорода, 78 % азота, остальное -инертные газы и углекислый газ. Но воздух сегодня составляет вторичную атмосферу, сформировавшуюся тогда, когда появилась жизнь. Ранее, считают учёные, состав атмосферы был иной: в ней преобладали аммиак, водород, вода, углекислый газ и мётан. Чистый кислород практически отсутствовал. Иными словами, это была смесь газов, которые выходили из земных недр. Кстати, и в наше время эти газы выделяются при извержении вулканов.

Представим себе безжизненную Землю с однообразным пейзажем, с горячей атмосферой и вечным мраком, потому что небо всегда было закрыто плотными облаками. Несколько разнообразили этот мрачный пейзаж сверкание молнии и извержения вулканов. Такую адскую картину, вероятно, можно застать на нашей ближайшей космической соседке — Венере, атмосфера которой большей частью состоит из углекислого газа и разогрета до 500 °. Вероятно, при таких условиях и происходило образование органических вещёств на первобытной Земле, в том числе и порфиринов. Блестящие доказательства этому представили американские учёные Г. Ходгзон и К. Поннамперума. Лет 15 назад они поставили довольно простой эксперимент: смешали аммиак, мётан, воду и водород и пропустили через них электрический разряд. Таким образом имитировались условия первичной атмосферы. В результате исследователи синтезировали порфирин. Для получения больших количеств, или, как говорят специалисты, для увеличения выхода порфирина, применяли в качестве катализатора различные металлы. Оказалось, что наилучшие результата достигаются при добавке железа.

То, что железо заняло место в окошке порфирина,— не случайность. Ионы других, даже наиболее распространённых металлов земной коры не обладают необходимыми свойствами, чтобы претендовать на вакансию. Так, например, соединения алюминия и титана нерастворимы в воде, что затрудняет образование их комплексов с порфиринами.

А натрий, калий и кальций хотя и образуют такие комплексы, но они неустойчивы и быстро разлагаются в воде.

Итак, сначала свободный кислород в атмосфере отсутствовал (или присутствовал в крайне незначительных количествах), и первые обитатели нашей планеты обходились без него. Несколько позднее появились синезелёные водоросли, или, как их ещё называют, цианобактерии, весьма распространённые и сегодня. Эти микроорганизмы, как и зелёные растения, существуют благодаря фотосинтезу. Иными словами, поглощая углекислый газ, воду и солнечную энергию, они поддерживают свою жизнедеятельность, побочным продуктом которой является кислород.

Так вот, эти самые синезелёные съели всю углекислоту первичной атмосферы, но зато насытили её кислородом. Затем произошло следующее. Кислород как активный элемент вступил в реакцию с аммиаком и перевёл его в весьма инертный азот. Вот так за долгое время эволюции и возникла наша азотно-кислородная атмосфера, которая пришлась по вкусу всем тем, кто появился после синезеленых водорослей, в том числе и нам с вами.

Как ни стараются учёные, за пределами нашей планеты пока жизнь не обнаружена. Потому особенно любопытно было бы, как считает ряд специалистов, запустить на Венеру синезеленых пожирателей, чтобы они и там уничтожили всю углекислотную атмосферу и превратили её в подобие нашей.

Снова возникает вопрос: зачем высшим формам жизни понадобился именно кислород? Среди первых существ были не только синезелёные водоросли, но и другие анаэробы — организмы, обходящиеся без кислорода. Свою жизнь они поддерживали (а те, что продержались до наших дней, поддерживают и сегодня) не путём окисления, как мы, а восстановлением, отнимая от своей пищи водород. Типичный процесс такого рода — брожение.

Если затронуть опять же энергетическую сторону вопроса, то получается вот что. При окислении одного моля глюкозы — основного топлива организма выделяется 686 килокалорий тепла, а при сбраживании — всего лишь 50. Таким образом, кпд живого организма повысился круглым счётом в 14 раз!

Имело,значит,смысл бороться за кислород, изобретать хитроумную систему его доставки к месту окисления, всю эту кровь, эритроциты, гемоглобин. ..Так и возникла кислородная круговерть биосферы, закрутилась карусель жизни...

И снова гемоглобин и Шерлок Холмс

Мы говорим: кислород — окислитель. Но союз кислорода и двухвалентного железа в гемоглобине просто невероятное исключение. Здесь никакого окисления не происходит, так как железо сохраняет свою валентность. Недаром английский физиолог, один из основоположников науки о дыхании, Дж. Баркрофт назвал гемоглобин «самым удивительным веществом в мире». Напрашивается такая аналогия: ион двухвалентного железа гемоглобина «берет за руку» молекулу кислорода и «ведёт» её к месту свершения действительного окисления, где и «отпускает».