/
Author: Пасынский А.Г.
Tags: физика химия биология термодинамика биофизика биофизическая химия
Year: 1968
Text
А-Г ПЛГ ЛЧСКИЙ
А. Г. ПАСЫНСКИЙ
БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
ИЗДАНИЕ 2-е
Допущено
Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебного пособия
для студентов университетов
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ВЫСШАЯ ШКОЛА»
Москва 1968
Книга посвящена основным физико-химическим процес-
сам жизнедеятельности организма. Разобраны вопросы биохи-
мической термодинамики, теории открытых систем, фермен-
тативного катализа (классификация ферментов, их молеку-
лярный механизм действия и кинетика их действия). Освещены
вопросы электрохимии биохимических процессов, взаимосвязи
биологических структур и биохимических процессов обмена
веществ, а также биологическая роль радикалов и возбуж-
денных состояний (фотосинтез, биолюминесценция, действие
ионизирующих излучений).
Книга написана на основе последних достижений биофи-
зической химии, представляющей в настоящее время интерес
для широкой научной общественности и имеющей большие
перспективы на современном уровне развития науки.
В книге использована отечественная и зарубежная лите-
ратура.
Таблиц 41, иллюстраций 88, библиографий 115.
Пасынский Анатолий Германович
БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Редактор В. С. Капышева
Художественный редактор Э. А. Марков
Технический редактор Н. А. Битюкова
Корректор В. В. Кооюуткина
Т—04807. Сдано в набор 28/IX 1967 г. Подп. к печати 6/1II 1968 г.
Формат 60X90V16. Объем 27 печ. л. Уч.-изд. л. 25,89.
Изд. № Е-159. Тираж 14 000 экз. Заказ 531. Цена 1 р. 11 к.
Тематический план издательства «Высшая школа»
(вузы и техникумы) на 1968 г. Позиция № 140
Москва, К-51, Неглинная ул., д. 29/14,
Издательство «Высшая школа»
Ярославский полиграфкомбинат Главполиграфпрома Комитета по печати при
Совете Министров СССР. Ярославль, ул. Свободы, 97.
2—10 — 2
140 — 68
ПРЕДИСЛОВИ Е
Биофизическая химия — наука о физико-химических основах про-
цессов жизнедеятельности. Она является новой научной дисцип-
линой, развивающейся на стыке биофизики и биохимии, и уже в
настоящее время охватывает обширный круг сложных проблем.
Хотя название — биофизическая химия — уже встречалось в те-
чение последнего десятилетия в заглавиях некоторых монографий и
обзорных изданий, настоящая книга является первым систематичес-
ким учебным руководством по этой дисциплине.
В книге рассматриваются вопросы биохимической термодинами-
ки, теории открытых систем, ферментативного катализа, электрохи-
мии биохимических процессов, взаимосвязи биологических структур
и биохимических процессов и биологической роли радикалов и воз-
бужденных состояний. В книге использована специальная научная
литература.
Книга предназначена для студентов биологических, химических
и физических факультетов университетов, прошедших основной
курс физической химии и специализирующихся в области физико-
химического исследования биологических проблем, а также для пре-
подавателей и научных работников соответствующего профиля; она
может служить учебным руководством при прохождении специаль?
ных курсов биофизической химии или физической биохимии и общих
курсов биофизики.
Рукопись второго (посмертного) издания была подготовлена
старшим научным сотрудником Т. Е. Павловской и доцентом
Р. А. Дулицкой.
При подготовке второго издания текст дополнен новыми данными,
в библиографию включена новая литература, вышедшая за послед?
нее время как у нас, так и за рубежом.
1*
ВВЕДЕНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ и задачи биофизической
химии
Биофизическая химия, или физическая биохимия, изучает физи-
ко-химические основы процессов жизнедеятельности. Как указыва-
ет само название, биофизическую химию можно также назвать био-
логической физико-химией, но подобно тому, как биологическую
химию и биологическую физику принято сокращенно называть био-
химией и биофизикой, целесообразно употреблять название — био-
физическая химия. Ввиду того что биофизическая химия сравнитель-
но новая наука, необходимо уделить обоснованию ее задач и содер-
жания несколько больше места, чем это обычно делается в учебных
руководствах.
Задачей каждой науки является изучение специфических зако-
номерностей рассматриваемой ею формы движения материи; в свою
очередь, именно наличие этих специфических закономерностей слу-
жит объективной предпосылкой существования различных наук.
Подобно другим формам движения материи, биологическая форма
содержит множество градаций или подчиненных субформ движения
материи, изучение которых составляет предмет многочисленных
специальных биологических дисциплин. Закономерности существо-
вания и эволюции сложных биологических коллективов и биологи-
ческих популяций, в их связи со средой (биогеоценоз), составляют,
конечно, специфическую область по сравнению с закономерностями
жизнедеятельности отдельных организмов. В свою очередь, эти по-
следние закономерности будут существенно различаться в зависи-
мости от того, является ли данный организм одноклеточным или
многоклеточным, животным или растительным, взрослым или эмбрио-
нальным, здоровым или больным и т. д. Соответственно, такие обще-
биологические дисциплины, как учение об эволюции, о видообразо-
вании, экология и др. достаточно четко отделяются от различных об-
ластей морфологии и физиологии. Биологическая форма движения,
таким образом, не является единым целым, но обладает значитель-
ной внутренней дифференцировкой, в которой, во всяком случае,
можно выделить проблемы общебиологического и физиологического
уровня. Для того чтобы определить место биофизической химии,
существенно отметить, что, подобно биохимии и биофизике, эта нау-
4
яа изучает процессы жизнедеятельности преимущественно на уров-
не, относящемся к сфере физиологии.
Несмотря на бесконечное разнообразие видов живых организмов,
для жизнедеятельности во всех ее проявлениях наиболее существен-
но и характерно наличие постоянного обмена веществ с окружающей
средой. «Жизнь — это способ существования белковых тел, сущест-
венным моментом которого является постоянный обмен веществ
с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого
обмена веществ прекращается и жизнь»1. Для целостного живого ор-
ганизма обмен веществ — физиологически единый процесс, в кото-
ром неразрывно переплетаются химические превращения веществ,
физические явления и разнообразные физико-химические изменения.
В известной мере часто лишь условно можно выделить различ-
ные стороны этого единого процесса, который в своей совокупности
охватывается и изучается физиологией.
В этом отношении основное внимание в течение ряда десятиле-
тий привлекала химическая сторона процессов обмена веществ;
На этой основе развилась биохимия как наука о химии обмена ве-
ществ. Как известно, биохимия изучает химический состав орга-
низма и химические превращения, происходящие в процессе жиз-
недеятельности человека, животных, растений и микроорганизмов,
а также внутренние связи биохимических превращений в живом
организме с его жизненными функциями. Изучение веществ, входя-
щих в состав организма, является задачей статической биохимии,
которая теснейшим образом связана с органической химией.
Основное содержание современной биохимии составляет изуче-
ние химических превращений этих веществ и соединений, поступаю-
щих в организм из окружающей среды в процессах жизнедеятельнос-
ти, что составляет задачу так называемой динамической биохимии.
Статическая и динамическая биохимия неразрывно связаны между
собой, так как изучение биохимических процессов немыслимо без
изучения веществ, участвующих в этих процессах. В последние
годы все более стало усиливаться изучение связей между биохими-
ческими реакциями и осуществлением разнообразных жизненных
функций; эти вопросы составляют задачу функциональной биохимии,
которая непосредственно соединяет биохимию с физиологией.
Наиболее существенно, однако, что во всех своих исследовани-
ях биохимия интересуется природой химических превращений,
катализаторов этих превращений и промежуточных веществ, пре-
имущественно с точки зрения органико-химического изучения обмена
веществ. Таким образом, биохимия преимущественно исследует чис-
то химический аспект процессов обмена веществ.
В отличие от биохимии, биофизика изучает физические харак-
теристики живых организмов, а также физические явления и зако-
ХФ. Энгельс. Диалектика природы. М., Госполитиздат, 1955,
стр. 244.
5
номерности, лежащие в основе процессов их жизнедеятельности.
Существует огромное количество проблем физики живых организ-
мов, которые могут быть исследованы в известной мере независимо
от происходящих в организме химических превращений, и которые
составляют собственно область биофизики. Например, структура мо-
лекул важнейших биополимеров (белков, нуклеиновых кислот и др.)
и природа действующих в них сил плодотворно исследуются физи-
ческими методами без учета, скажем, ферментативных превращений
этих веществ в организме. При миграции энергии в биологических
структурах, при нервном возбуждении, мышечном сокращении мно-
гие процессы имеют чисто физическую природу. В биомеханике ор-
ганизмы рассматриваются как частный случай машин, статику и
кинематику которых исследуют с точки зрения общих законов меха-
ники; гидродинамика кровообращения, термические, электричес-
кие, акустические или оптические характеристики организма или
его тканей или их изменения в процессах жизнедеятельности могут
в известных пределах рассматриваться независимо от химических
реакций, протекающих в живом организме. При приложении теории
информации к деятельности нервной системы используют способ-
ность нервных клеток находиться либо в невозбужденном, либо в
полностью возбужденном состоянии по принципу «все или ничего»,
что делает их формально подчиняющимися принципу еда — нет» в
формальной логике или принципу двоичного исчисления (0 или 1),
обычно используемого при конструировании электронных счетных
машин. Химизм внутренних реакций в нервной клетке при этом со-
вершенно не учитывается, и в таком виде приложения теории инфор-
мации целиком относятся к области биофизики.
Если биохимия исследует химию процессов обмена веществ, не
входя в анализ одновременно протекающих физических процессов,
и часто вообще без их учета, то биофизика в своих наиболее характер-
ных проблемах, напротив, исследует физические процессы в живых
организмах и физическую сторону процессов обмена веществ, как
правило не учитывая химические реакции, протекающие в живых
системах. Современные курсы биохимии1 и биофизики 2 достаточно
наглядно характеризуют указанные особенности обеих наук. Эти
особенности не являются методологическим недостатком каждой
из этих наук; они являются естественным результатом диффе-
ренцировки научных дисциплин и отражают специфику их подхода
к процессам жизнедеятельности, основанную на объективно сущест-
вующих различиях в химической и физической компонентах фи-
зиологически единых жизненных процессов.
1 Д. Л. Ф е р д м а и. Биохимия. М., Изд-во «Высшая школа», 1966;
В. Л. К р е т о в и ч. Основы биохимии растений. Изд. 3. М., Изд-во
«Высшая школа», 1966; Straub. Biochemie. Budapest, 1960.
2Р. Стей-си, Д. Уильямс [и др.] . Основы биологической и
медицинской физики. М, ИЛ., 1959; В. Байер. Биофизика, М., ИЛ,
1962.
6
Однако именно вследствие неразрывного переплетения и внут-
реннего единства химических и физических явлений в процессах
обмена веществ методы и подходы органической химии и физики
недостаточны для их анализа. По мере проникновения физики и
химии в биологию, все более актуальное значение приобретают'
проблемы взаимосвязи физических и химических процессов в явле-
ниях жизнедеятельности. «Организм, есть, несомненно, еысшее
единство, связывающее в себе в одно целое механику, физику
и химию'»1. '
В классической физике и химии наукой, изучающей их взаимо-
связи, является физическая химия; соответственно этому между
биохимией и биофизикой располагается область самостоятельной
науки, которой и служит биофизическая химия. В литературе иног-
да биофизику рассматривают как науку о физических и физико-хими-
ческих процессах, лежащих в основе жизненных явлений, включая
биофизическую химию в состав биофизики (в этом случае говорят о
биофизике в широком смысле слова). Однако для такого расширения
биофизики нет достаточных оснований. Биофизическую химию столь
же мало можно включать в биофизику, как физическую химию — в
физику; это две самостоятельные науки. Это разделение необходимо
и по практическим соображениям, так как подготовка физиков в об-
ласти физической химии, и физико-химиков в области физики, обыч-
но недостаточно для квалифицированной разработки одними и теми
же лицами физических и физико-химических аспектов биологичес-
ких проблем. По тем же соображениям— принципиальным и практи-
ческим — нельзя полагать, что биофизическая химия может быть
растворена в рамках обычной биохимии. Биохимия, биофизическая
химия и биофизика — это три самостоятельные науки, изучающие
соответственно, химический, физико-химический и физический ас-
пекты физиологических процессов. В процессах обмена веществ ни
один из этих аспектов не является более основным или более важным;
они внутренне неразделимы и могут быть правильно поняты только
при учете их неразрывного взаимодействия. Следует подчеркнуть,
при этом, что даже взятые в целом эти науки не подменяют физиоло-
гию, а лишь создают для нее физико-химический базис.
Между значением биофизической химии и физической химии
имеется принципиальное различие, определяемое качественной спе-
цификой биологических явлений. Физическая химия по существу
теоретическое обобщение всей химии, это наука об общих закономер-
ностях химических равновесий и химических реакций, которую спра-
ведливо "можно определить, как теоретическую химию. Напротив,
биофизическую химию не следует называть теоретической биохимией,
так как в области физиологических процессов такой обобщающей
наукой служит сама физиология. В физической химии мы остаемся
по отношению ко всем другим видам химии в рамках того же типа
1 Ф. Энгельс. Диалектика природы, 1955, стр. 199.
7
движения материи; в биофизической химии ее объект в целом соот-
ветствует более высокому уровню движения материи, определяемому
биологическими закономерностями. В природе этих закономернос-
тей, разумеется нет ничего мистического, непознаваемого или вита-
листического; все дело в том , что физические и химические процессы
протекают в организме в особых, своеобразных условиях, которые
отсутствуют где-либо в неживой природе, и поэтому обладают рядом
специфических закономерностей, подлежащих специальному науч-
ному исследованию.
Эти закономерности, с одной стороны, служат отражением эво-
люционной истории организма, так как все особенности химического
состава, биохимических процессов, биологических структур и стро-
ения организма являются концентрированным выражением условий
приспособления организмов к среде и процессов эволюционного
отбора; с другой стороны, они являются результатом необычайной
сложности и замечательной организованности всей совокупности
реакций, составляющих процессы жизнедеятельности. Естественно,
что переплетение сотен химических реакций в единую сложную сетку
реакций со строго упорядоченной последовательностью этих реакций
в пространстве и во времени, при специфическом распределении био-
логических структур и катализаторов — ферментов, приводит к
ряду качественных особенностей в закономерностях течения хими-
ческих реакций по сравнению с неживыми системами. Среди огром-
ного количества видов нуклеиновых кислот и белков и сопряженных
с ними сложных структированных систем ферментативных реакций,
возможных по физико-химическим соображениям, под влиянием
биологических условий существования и эволюционного отбора ре-
ально осуществляются лишь сравнительно немногие виды живых
систем, организацию которых можно понять только при учете этих
биологических закономерностей. Этим и определяется то обстоятель-
ство, что хотя в организме нет ничего, кроме химических, физико-хи-
мических и физических процессов, их изучение позволяет понять
лишь физико-химические основы жизненных проявлений, не устра-
няя ведущей роли биологических закономерностей; примеры этого
положения неоднократно встретятся в дальнейшем изложении.
Теоретической основой биофизической химии, естественно,
служат биохимическая термодинамика и общая кинетика биохими-
ческих процессов. В первой главе подробно рассмотрено специфи-
ческое видоизменение смысла и роли некоторых основных термоди-
намических понятий (энтропии и др.) в приложении к живым орга-
низмам и показано важное значение, приобретаемое для этих систем
термодинамикой необратимых процессов. Подробно рассмотрены
также термодинамические характеристики важнейших биохимичес-
ких процессов, существенных для энергетики живых организмов/
Фундаментальным свойством живых организмов является их
принадлежность к открытым системам, теория которых рассмотрена
во второй главе. Из-за недостаточного знакомства с этой теорией,
8
многие особенности процессов, вообще присущие открытым системам,
неправильно считались специфическими чертами живых организмов.
Изучение особенностей сложной сетки реакций в открытой системе
позволяет установить подлинно специфические особенности орга-
низмов и на этой основе попытаться подойти к определению жизни.
Во второй главе показана также связь теории открытых систем с
общей теорией систем.
Глава третья посвящена одной из основных проблем биофизи-
ческой химии —механизму и кинетике ферментативного катализа.
Именно ферменты — важнейший фактор, определяющий организа-
цию процессов обмена веществ во времени и направление химических
превращений в организме. Однако проблема ферментативного ката-
лиза в настоящее время, как показано в третьей главе, несомненно,
вышла за рамки обычной биохимии, и уже не может решаться только
ее методами (разумеется, по-прежнему опираясь на биохимию). По-
добно проблеме катализа в классической физической химии, теория
ферментативного катализа — одна из важнейших проблем биофи-
зической химии. Материалы, изложенные во второй и третьей главах,
характеризуют кинетические условия протекания реакций обмена
веществ в организме.
В главе четвертой рассмотрены основные электрохимические про-
цессы в организме, связанные, с одной стороны, с неравномерным
распределением ионов и образованием биоэлектрических потенциа-
лов, и, с другой стороны, с изменением заряда молекул и ионов и
процессами биологического окисления.
В главе пятой рассматривается важнейшая проблема биофизи-
ческой химии — взаимосвязь биологических структур и химических
реакций в организме, на разных уровнях, начиная от молекулярной
гетерогенности протоплазмы и внутриклеточных структур и кончая
осуществлением таких сложных функций, как активный перенос,
мышечное сокращение и нервное возбуждение. Материалы этой главы
как бы обобщают предыдущее изложение и наглядно показывают,
что основные жизненные проявления можно понять только при одно-
временном учете строения биологических структур, ферментативных
реакций, электрохимических процессов, энергетических изменений,
различных явлений переноса, т. е. не только химических или физи-
ческих, но и специальных физико-химических процессов.
Попытки ограничиться чисто химической координацией част-
ных реакций обмена веществ, которые иногда встречаются в лите-
ратуре, без учета кинетических и структурно-физических факторов,
или, напротив, чисто физическими процессами в структурах, несом-
ненно, принципиально недостаточны. Совместный учет перечислен-
ных факторов представляет собою по своему существу центральную
задачу биофизической химии, несмотря на -ее огромные трудности
и возможность лишь ограниченного решения. Естественно, что в
процессе изложения (особенно в гл. 1, 3 и 5) необходимо было доста-
точное место уделить данным из близких областей биохимии и био*
9
физики, как по существу дела, так и в интересах читателей, не про-
ходивших соответствующих специальных курсов. Возможно, что
некоторые выводы, вытекающие из современной теории ферментатив- -
ного катализа, мышечного сокращения и других процессов, протека-
ющих в живых организмах, представят интерес и для стимули-
рования разработки соответствующих технических приложений
(гл. 3—5). Необходимо также подчеркнуть большое значение прин-
ципиальных проблем, выдвигаемых кибернетикой перед биохимией
и применением электронных счетных машин к изучению процессов
обмена веществ (гл. 1, 2, 5).
Наконец, в главе шестой рассмотрены важнейшие процессы фото-
синтеза и радиобиологического действия, связанные с поступлением
в организм свободной энергии в-форме квантов света и ионизирующих
излучений. Эти излучения большой энергии приводят к образованию
в организме высоких концентраций свободных радикалов и сильно
возбужденных молекул, которые вызывают ряд специфических
процессов (в частности, в переносе энергии в организме), которые
отсутствуют при обычных метаболических процессах, связанных с
поглощением организмом питательных веществ. Эта глава как бы
соответствует главам фотохимии и радиационной химии в класси-
ческом курсе физической химии.
Перечисленные проблемы характеризуют основное содержание
биофизической химии. Легко видеть, что основные задачи биофизи-
ческой химии, как и всякой другой науки, не вытекают из применяе-
мых ею экспериментальных методов. Если взять такие важнейшие
методы, как изотопный анализ, электронную микроскопию, спект-
рофотометрию, электронные счетные машины и др., применение кото-
рых составило эпоху в развитии биологии, то можно заметить, что
все они не являются специальным достоянием биохимии или биофи-
зики, но могут применяться в области самых разнообразных наук —
в химии, археологии, микробиологии, судебной медицине и др. Как
уже указывалось, существо вопроса заключается в специфичности
закономерностей, изучаемых данной наукой и, соответственно, в
качественном своеобразии ее проблем, ее подходов и строя идей, по
сравнению с которыми вопрос о применяемых методах имеет под-
чиненное значение.
По своему основному содержанию, биофизическая химия не
отличается принципиально от физической биохимии, что отражено
и в определении, данном в начале настоящего введения (мы считаем
оба названия синонимами), но название «биофизическая химия», как
нам кажется, более отчетливо характеризует место этой науки между
биохимией и.биофизикой.
В книгу не вошел очень важный вопрос о структуре и свойствах
молекул биополимеров (белков, нуклеиновых кислот и др.), вклю-
чая проблему их специфического биосинтеза (редупликации); по
своему объему и значению этот вопрос должен составить содержание
отдельной книги.
10
В настоящее время еще нет общепринятого определения биофизи-
ческой химии и физической биохимии; поэтому, некоторые книги под
этими названиями имеют совершенно иное содержание. Например,
«Физическая биохимия» Булла (1949), как уже было отмечено в
нашем предисловии к русскому переводу этой книги, представляет
собой просто краткий курс обычной физической и коллоидной хи-
мии с примерами из области биологии1; такой же характер имеют
книга Веста (1956) по биофизической химии2 и первая половина
большой монографии Неттера «Теоретическая биохимия» (1959)3.
Двухтомная монография Эдсалла и Уаймена «Биофизическая хи-
мия» (1959) посвящена лишь физико-химии некоторых биохими-
чески важных веществ — белков, воды, крови и др., совершенно
не касаясь процессов обмена веществ (в ней даже не рассматрива-
ются ферменты)4.
В отличие от указанных книг настоящий труд — это попытка
систематически изложить биофизическую химию как науку о физико-
химических закономерностях процессов обмена веществ. Мы на-
деемся, что, несмотря на неизбежные недостатки, данная попытка
систематизации и анализа проблем биофизической химии будет спо-
собствовать тому, чтобы привлечь внимание к изучению этих про-
блем и ускорить их разрешение.
1 Г. Булл. Физическая биохимия. М., ИЛ, 1949.
2 Е. W е s t. Textbook of biophysical chemistry, N.-Y., 1956.
3 H. N e t t e r. Theoretishe Chemie. Springer-Verlag, 1959.
4 J. Edsalla. J. Wyman. Biophysical chemistry. 2 vol. Acad.
Press, 1959.
ГЛАВА 1
биохимическая термодинамика
Процессы обмена веществ в организме создают сложную динами-
ческую сетку сопряженных между собой химических реакций и
превращений многочисленных веществ, входящих в состав орга-
низма. Природа этих веществ и их превращений в процессах обмена
в организме подробно рассматривается в курсах биохимии; они со-
ставляют химическую, материальную основу процессов жизнедея-
тельности. Однако не все бесчисленные, потенциально возможные
химические реакции между веществами организма происходят в
действительности.. Эти реакции подчиняются ряду ограничивающих
условий. Среди них наиболее общее значение имеют термодинами-
ческие критерии, устанавливающие, что в организме могут проте-
кать лишь такие реакции, которые либо сами по себе идут с уменьше-
нием свободной энергии (термодинамического потенциала), либо
сопряжены с другими такими реакциями. Значение термодинамичес-
ких критериев тем более существенно, что материальный и энергети-
ческий обмен представляет собой неразрывное единство; процессы
переноса и превращений веществ неотделимы от одновременных
процессов переноса и превращения энергии и поэтому энергети-
ческие ограничения лимитируют и материальные превращения.
Другие ограничивающие критерии определяются кинетическими и
структурными условиями протекания химических реакций в'орга-
низме; они будут рассмотрены в последующих главах книги.
Действие всех перечисленных факторов в организме подчинено
закономерностям более высокого типа — биологическим законо-
мерностям, вытекающим из необходимости самосохранения и вос-
произведения организма при определенных внешних условиях и
сохранения данного вида организма в процессе эволюции. Именно
эти биологические закономерности развития и функционирования
живого организма определяют в конечном счете замечательную
организацию и строгую закономерность сочетания и чередования
разнообразных и многочисленных реакций обмена веществ, столь
характерные для живого организма.
Следует подчеркнуть, что в основе биологических закономернос-
тей, имеющих место в организме, лежат законы физики и химии,
однако проявление этих законов в организме приобретает ряд ха-
рактерных отличий от их проявления в неживых системах. Напри-
12
мер такое основное понятие термодинамики, как понятие энтро-
пии, существенно видоизменяется в своем значении в отношении
живого организма.
Непосредственное приложение термодинамики неживых систем
к биохимическим процессам неоднократно приводило к ряду серь-
езных ошибок. Термодинамика живых организмов имеет ряд специ-
фических особенностей, изучение которых тесно связано с выяс-
нением наиболее общих и основных характеристик жизни. Все
эти обстоятельства придают биохимической термодинамике большое
теоретическое значение.
В дальнейшем изложении мы вначале рассмотрим некоторые
общие вопросы биохимической термодинамики, связанные с прило-
жением основных законов классической термодинамики и термоди-
намики необратимых процессов к биологическим явлениям, а затем
рассмотрим частную термодинамику наиболее важных биохимичес-
ких процессов.
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ БИОХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ
ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
В наиболее общем виде задача термодинамики — рассмотрение
общих свойств физических систем при равновесии, а также общих
закономерностей, имеющих место при установлении равновесия в
физических системах (Леонтович).
В течение ряда десятилетий общая термодинамика ограничива-
лась изучением взаимоотношения механической и тепловой энергии,
и даже называлась «механической теорией тепла», а задачей техни-
ческой термодинамики и в наше время является приложение общей
термодинамики в указанном смысле слова к тепловым машинам.
Введение химической энергии в термодинамику путем обобщения
понятий о термодинамическом потенциале и характеристических
функциях — заслуга, прежде всего, Гиббса, который таким обра-
зом создал основы химической термодинамики. В соответствии с
этим термодинамика получила определение как наука о взаимоот-
ношениях между тепловой, механической и химической энергией
(Раковский) или вообще как наука об энергии и ее свойствах или
превращениях (Хвольсон, Алексеев).
Для биохимии основное значение имеет химическая термо-
динамика, т. е. учение о взаимоотношениях между химической и
другими формами энергии: тепловой, механической, электрической,
поверхностной и др.
Термодинамика, как общая, так и химическая, зиждется, как
известно, на двух основных началах, каждое из которых служит
обобщением огромного человеческого опыта.
Первое начало, обоснованное Ломоносовым (1744), Гессом (1840),
Мейером, Джоулем (1842) и Гельмгольцем (1847) устанавливает для
13
замкнутой системы необходимость строго количественного соответ-
ствия для взаимного превращения различных форм энергии; таким
образом, общее количество энергии в такой системе всегда должно
оставаться величиной постоянной- и может увеличиваться или умень-
шаться только за счет окружающей среды. Этот закон имеет силу
универсального закона природы как для макросистем, так и для
микросистем, и общепризнано, что он полностью справедлив и по
отношению к живым
Рис. 1. Схема прибора Этуотера:
/, 3 — H2SO4 Для поглощения выдыхаемой влаги; 2 —
натронная известь для поглощения выдыхаемой СО2;
О2 — источник кислорода; С — источник воды, цирку-
лирующей в приборе; В/— насос; Л, Alf Б, В, Г —
термометры; Си и Си2 — двойная медная стенка; В,
Д — изолирующие прослойки воздуха
организмам. Еще Ла-
вуазье и Лаплас
(1780), измеряя коли-
чество тепла и СО2,
выделяемого морской
свинкой в ледяном
калориметре, приш-
ли к выводу, что
окисление вещества
в организме и прямое
сжигание этого ве-
щества вне организ-
ма дают тепловые эф-
фекты близкого по-
рядка. Все последу-
ющие измерения,
проводимые до пос-
леднего времени, с
применением различ-
ных усовершенство-
ванных видов кало-
риметров и точных
измерений газообме-
на, подтвердили этот
основной вывод. До-
статочно точные ис-
следования были про-
ведены, в частности,
Рубнером (1894) и Эту-
отером (1904). Прибор Этуотера представлял собой оборудованную
изолированную камеру (рис. 1), в которой помещался человек. С по-
мощью этого прибора были произведены измерения всего выделяе-
мого человеком тепла, поглощаемого им кислорода из циркулируе-
мого воздуха, выдыхаемого СО2и N2, выделяемой мочи и др.; на осно-
вании полученных данных вычислялся полный баланс метаболизма
белков, жиров и углеводов.
Учитывая, что полное окисление (до СО2 и Н2О) 1 г жиров дает
9,3 ккал, 1 г углеводов — 4,2 ккал и окисление 1 г белков до моче-
вины (как это имеет место в организме) — 4,2 ккал, был получен
14
тепловой баланс, совпадающий с точностью до 1% с энергетически-
ми затратами организма. Этим путем было показано, что пищевые
продукты освобождают в организме такое же количество энергии при
окислении, как и при сжигании их до тех же конечных веществ вне
организма. При работе средней тяжести человек затрачивает около
5 ккал!мин.
Тепловой баланс человека (за сутки)
Приход
Питательные вещества:
56,8 г белка.................. 237 ккал
140 г жира..............1307
79,9 г углеводов.......... 335 »
Расход
Выделенная теплота . . 1374 ккал
Выдыхаемые газы .... 43 »
Кал и моча............... 23 »
Испарение через дыхание 181 »
Испарение через кожу . . 227 »
Различные поправки . . . 11 »
Всего...........1879 ккал
Всего......... 1859 ккал
Необходимо оговорить, однако, что физиологическая ценность
пищевых продуктов отнюдь не определяется только их калорий-
ностью, как полагал Рубнер; например, необходимое количество бел-
ков содержат ряд незаменимых аминокислот (лизин, триптофан,
метионин и др.), без которых организм не может обойтись при син-
тетических процессах. Эта оговорка, разумеется, не изменяет зна-
чения баланса, приведенного выше. Наличие энергетического ба-
ланса для живого организма показало, что он не является источни-
ком новой энергии и, следовательно, полностью подчиняется требо-
ваниям первого начала термодинамики.
ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Второе начало (или второй закон) термодинамики, обоснован-
ное Карно (1824), Клаузиусом (1850), Томсоном (1851), Больцма-
ном (1880) и другими, существенным образом ограничивает возмож-
ность самопроизвольного превращения энергии в замкнутой системе
и устанавливает, что в такой системе могут происходить лишь те
превращения, при которых энтропия системы либо остается посто-
янной (в случае обратимых процессов), либо возрастает — в слу-
чае необратимых процессов; самопроизвольное уменьшение энтро-
пии в такой системе не может иметь места. Увеличение энтропии
является мерой необратимости реальных физических процессов в
изолированной системе. Каждый раз, как в такой системе происхо-
дит какой-либо самопроизвольный процесс, имеет место не только
перераспределение различных форм энергии, но и определенное
увеличение энтропии, которое служит как бы платой, взимаемой при-
родой за каждое использование энергии. Для систем с постоянным
объемом v и внутренней энергией U состояние равновесия определя-
ется максимумом энтропии, т. е. разность энтропии AS конечного
15
и начального состояния системы должна достигнуть наибольшего
положительного значения, которое уже более не изменяется во вре-
мени. Физически это означает, что система в состоянии равновесия
пришла к своему наиболее вероятному состоянию (ур. (3), см. ни-
же). Другой характеристикой равновесия такой системы является
сохранение постоянного во времени значения ее свободной энергии
F(AF=0), но так как
др = д£/ —тдз, (1)
где А(7 — изменение внутренней энергии системы, то при постоянной
внутренней энергии максимальное значение AS при равновесии
соответствует по уравнению (1) минимальному значению свободной
энергии.
Для практически более важных систем, находящихся при по-
стоянном давлении р и температуре Т, состояние равновесия опре-
деляется минимальным значением термодинамического потенциала
AZ:
дг = дя—тдз, (2)
где АД — изменение теплосодержания или энтальпии системы
(AH=At/+pAi>). Величина AZ в биохимической литературе также
называется свободной энергией при постоянном давлении или прос-
то свободной энергией и употребляется наравне с AF — свободной
энергией при постоянном объеме; отчасти это объясняется тем, что
величина изменения объема А о при биохимических реакциях обыч-
но незначительна, вследствие чего член рА и относительно небольшой.
Значение уравнений (1) и (2) для химии заключается в том, что
увеличение энтропии и одновременно идущее убывание свободной
энергии дали точное выражение мало определенному ранее понятию
о химическом сродстве как причине, определяющей направление
протекания самопроизвольного химического процесса. Такой про-
цесс должен происходить в направлении, при котором свободная
энергия системы уменьшается (AZ<0) до тех пор, пока значение
свободной энергии не достигнет минимума.
Величина свободной энергии определяет ту часть изменения об-
щей внутренней энергии или теплосодержания системы, которая
может быть полезно использована для совершения какой-либо ра-
боты (механического движения, химического синтеза, переноса ве-
ществ и др.); напротив, член TAS определяет часть изменения энер-
гии системы, которая не может быть использована для совершения
работы. Изменение теплосодержания системы при реакции прояв-
ляется в тепловом эффекте реакции Q; при этом положительный теп-
ловой эффект реакции соответствует уменьшению теплосодержания
(—ДЯ=+<2)и наоборот, отрицательный тепловой эффект реакции
соответствует увеличению теплосодержания системы. Реакции с
Q>0, как известно, называются экзотермическими, а с Q<0 — эндо-
16
термическими-, соответственно реакции, идущие с уменьшением сво-
бодной энергии, называются экзергоническими, а с увеличением
свободной энергии — эндергоническими. Ниже мы встретимся с мно-
гочисленными примерами подобных реакций.
Переходя к биологическому значению второго начала термоди-
намики, целесообразно отметить, что эта проблема имеет несколько
аспектов.
Первоначальная формулировка Клаузиуса: теплота не может
переходить сама собой (т. е. без каких-либо иных изменений в те-
лах) от более холодного тела к более теплому, имеет тот смысл,
как указывает Леонтович, что невозможно такое устройство, в ре-
зультате действия которого производилась бы положительная ра-
бота только за счет охлаждения одного тела без каких-либо других
изменений в телах. Аналогичную формулировку дает Лоренц, со-
гласно которому невозможно, чтобы единственным результатом ряда
изменений в системе тел являлась потеря некоторым телом А опре-
деленного количества теплоты и превращение ее полностью в рабо-
ту. Это означает также невозможность вечного двигателя второго
рода, совершающего работу только за счет отнятия тепла от окружа-
ющей среды. Вопрос о применимости второго начала к живым ор-
ганизмам, с этой точки зрения, сводится, следовательно, к тому, мо-
жет ли живой организм служить, в указанном смысле слова, источ-
ником вечного двигателя второго рода.
Далее, как указывалось, значение второго начала термодина-
мики состоит в том, что оно дает, по выражению Планка, «необхо-
димый и достаточный критерий» для определения обратимости или
необратимости каждого происходящего в природе физического про-
цесса по энтропии системы и устанавливает направление самопро-
извольных процессов стремлением к увеличению энтропии, вплоть
до достижения ее максимального значения при равновесном состоя-
нии. Возникает поэтому вопрос о роли увеличения энтропии в био-
логических процессах.
Наконец, статистическое обоснование второго начала термоди-
намики, данное работами Больцмана и Смолуховского, связало
увеличение энтропии при реальных физических процессах с так
называемой вероятностью состояния системы:
S = klnw. (3)
То, что мы раньше называли «самопроизвольно протекающие
процессы», оказалось не чем иным, как переходами системы из менее
вероятного в более вероятное состояние, а необратимость реальных
физических процессов — лишь относительно малой вероятностью
их обращения, обусловленной молекулярным строением материи.
Термодинамическая вероятность w какого-либо состояния, напри-
мер заданного распределения молекул, представляет собой очень
большое число (в отличие от математической вероятности, которая
не может превышать единицы) и равняется числу всех возможных
17
перегруппировок молекул, при помощи которых может осуществлять-
ся данное состояние системы. С увеличением числа молекул термо-
динамическая вероятность крайне быстро возрастает. Например>
если в каком-либо сосуде находится всего 2—3 молекулы, то впол-
не возможно, что в данный момент времени все они окажутся в ле-
вой половине сосуда, но при увеличении числа молекул п в данном
объеме количество способов, которыми можно расположить молеку-
лы равномерно в обеих половинах сосуда, быстро возрастает (при-
мерно пропорционально 2Л), и термодинамическая вероятность рав-
номерного распределения молекул становится чрезвычайно высокой.
Например, по подсчетам Смолуховского, самопроизвольное повыше-
ние концентрации кислорода на 1 % выше средней в воздухе может
происходить при числе молекул азота и кислорода, содержащихся
в сферическом объеме воздуха с г=1 • 10~5 см через 10“п сек, г—
=2,5 -10"5 см через 1 сек, г=3-10~5 см через 10е сек, а при г=
= 1 см через 1010 сек. Этот расчет, в то же время, точно устанавлива-
ет область приложимости второго начала термодинамики, ограничи-
вая ее системами из весьма большого количества молекул, система-
ми макроскопическими. К процессам молекулярного порядка, в
частности, к различного рода молекулярным флуктуациям’второй
закон термодинамики непосредственно не приложим. Еще Максвелл
указал, что если вообразить особого «демона», отделяющего у про-
хода между двумя сосудами быстрые молекулы от медленных или
молекулы кислорода от молекул азота, то тогда осуществлялись бы
процессы, связанные с уменьшением энтропии. В связи с этим Гельм-
гольц поставил вопрос, — не могут ли микроорганизмы обладать
способностью выбора, характерной для «демона» Максвелла. Та-
ким образом, статистическое обоснование второго начала и выясне-
ние его неприложимости к системам молекулярных размеров ставит,
с одной стороны, вопрос о возможности использования живыми ор-
ганизмами молекулярных отклонений в сторону уменьшения энтро-
пии, и с другой стороны, о приложимости к биологическим систе-
мам обычной трактовки вопроса о связи энтропии и вероятности
состояния.
Таким образом, приложение второго начала термодинамики к
биологии выдвигает, по крайней мере, следующие вопросы.
1. Может ли живой организм в известной мере функционировать,
как вечный двигатель второго рода, т. е. производить работу толь-
ко за счет теплоты окружающей среды?
2. Играет ли увеличение энтропии определяющую роль в направ-
лении химических процессов обмена в биологических системах?
3. Могут ли живые организмы использовать молекулярные от-
клонения или флуктуации в отношении уменьшения энтропии?
4. Приложима ли к биологическим системам обычная трак-
товка вопроса о связи энтропии и вероятности состояния в смысле
степени его упорядоченности?
На все эти вопросы, по-видимому, следует дать отрицательный
18
ответ. Отрицательный ответ на первый вопрос означает, разумеется,
тем самым утвердительный ответ на вопрос о подчинении живых
организмов второму началу термодинамики. Томсон (лорд Кель-
вин) еще в 1852 г. отметил, что восстановление механической энер-
гии в ее прежнем количестве, без рассеяния, не может быть осущест-
влено при помощи каких бы то ни было процессов с неодушевлен-
ными предметами и, вероятно, также никогда не осуществляется
при помощи организованной материи, как наделенной растительной
жизнью, так и подчиненной воле одушевленного существа.
Таким образом, еще Томсон распространял в целом второе
начало термодинамики на живые организмы. Необходимо отметить,
что прямых экспериментальных данных по этому вопросу (хотя бы
в той мере, как для первого начала) не существует. Поэтому особое
внимание приходится обратить на проверку следствий, вытекаю-
щих из того или иного ответа на поставленный вопрос. Признание
подчинения живых организмов второму началу термодинамики оз-
начает, например, отрицание их способности к активному изби-
рательному накоплению некоторых веществ из среды, без затраты на
это энергии каких-либо иных процессов. Другим важным для био-
химии примером является синтез различных веществ на поверхнос-
тях раздела, когда единственным источником энергии для проведе-
ния процесса иногда принимают, например, адсорбцию, после чего
продукт синтеза десорбируется просто в результате теплового дви-
жения; совершенно ясно, что подобный синтез был бы аналогичен
двигателю второго рода и поэтому мы признаем его невозможным и
считаем, что этот процесс должен быть сопряжен с какими-то други-
ми источниками энергии, что и подтверждается опытом; известна,
например, тесная связь биосинтеза белков с обменом углеводов и
нуклеиновых кислот. Число подобных примеров можно было бы
значительно увеличить, но достаточно отметить, что во всех случаях
второе начало термодинамики служит руководящим принципом для
правильного подхода к явлениям, который всегда подтверждается
опытом.
Если теперь говорить об организме в целом, то совершенно ясно,
что в этом случае должен рассматриваться лишь организм в единстве
со средой, со всеми факторами и условиями его ассимиляции-дисси-
миляции. Лишь такую сложную систему, включающую в себе все
источники питания и энергии, необходимые для функционирова-
ния организма, можно принять в качестве условно изолированной
системы, которую в действительности, однако, следует характеризо-
вать, как систему, находящуюся в изменчивом стационарном сос-
тоянии (теория которого будет рассмотрена в гл. 2).
Допустим теперь, что объем всей системы организм — среда взят
достаточно большим, обеспечивающим возможность достаточно дли-
тельного существования организма, и поставим условно всю систе-
му в условия адиабатической изоляции. Тогда несомненно, что
энтропия такой системы в целом будет возрастать, хотя в различных
19
частях системы, как и вообще при протекании необратимых процес-
сов в неоднородных системах, энтропия будет изменяться неравно-
мерно. Например, в любой паровой машине, включающей нагрева-
тель и холодильник, температура воды в изолированно рассматри-
ваемом паровом котле может «самопроизвольно» повышаться или
длительно поддерживаться на высоком уровне, но в действительнос-
ти это достигается лишь ценой избыточной деградации энергии в
системе в целом. Точно также и местное уменьшение энтропии в
организме, например при осуществлении ряда биохимических син-
тезов, происходит лишь за счет избыточного увеличения энтропии
в других частях организма или в среде, так что энтропия всей систе-
мы организм — среда (из которой организм ни в коем случае нельзя
изолировать) обязательно должна увеличиваться. Наиболее отчет-
ливое уменьшение энтропии, казалось бы происходит в растении в
процессе фотосинтеза, где за счет поглощенных квантов света из
простых веществ — СО2 и Н2О образуются сложные молекулы уг-
леводов, но в действительности этот процесс имеет место лишь за
счет деградации части поглощенной энергии в самом растении (энер-
гетический выход фотосинтеза не превышает 30%) и грандиозного
процесса увеличения энтропии при самом возникновении квантов
света в результате ядерных реакций на Солнце. Ни в одном случае
локальное уменьшение энтропии в живом организме не может быть
единственным результатом процессов в системе организм — среда,
напротив, энтропия всей этой неразрывной, единой системы при
всех изменениях всегда увеличивается, так как изменения живого
организма имеют необратимый характер. И в этом смысле живые
организмы всегда полностью и безусловно подчиняются второму
началу термодинамики.
Перейдем теперь ко второму вопросу — об определяющей роли
изменения энтропии в направлении процессов обмена в живом ор-
ганизме. В некоторых простых системах при незначительном из-
менении внутренней энергии, например, при диффузии газов или
смешении неполярных жидкостей, действительно увеличение энт-
ропии является основной движущей силой процесса, доводящей
его до конца. Однако, уже при смешении полярных веществ, напри-
мер, серной кислоты и воды, роль увеличения энтропии благодаря
большому изменению энтальпии отступает на второй план, и основное
значение для направления процесса приобретает изменение другой,
более сложной функции — свободной энергии или термодинами-
ческого потенциала (уравнения (1), (2). По отношению к живым орга-
низмам изменение энтропии полностью теряет свое значение, как
определяющего фактора в направлении процессов обмена, хотя, ко-
нечно, те или иные изменения энтропии сопровождают все физичес-
кие и химические процессы в организме и в этом смысле остаются
одним из факторов жизнедеятельности организма.
В пределах суммарного увеличения энтропии системы орга-
низм — среда, отвечающего требованиям второго начала термоди-
20
намики, собственное изменение энтропии организма может быть лю-
бым' она может в определенный отрезок времени оставаться посто-
янной, увеличиваться или уменьшаться, безотносительно к общему
направлению процессов обмена. Это объясняется тем, что слаженная
совокупность процессов обмена веществ организма и направление
их изменений имеет целью наилучшее приспособление организма
к условиям его существования и к сохранению в процессе эволюции,
т. е. определяются целиком и полностью биологическими закономер-
ностями, а вовсе не стремлением к увеличению общей энтропии.
Организм, если потребуется для приспособления, может в процессе
эволюционного развития выработать тип обмена веществ с любым
уровнем изменения энтропии, разумеется, за счет поглощения не-
обходимого количества свободной энергии из среды. Поэтому изме-
нение энтропии не может быть движущей силой эволюционного про-
цесса. На этом необходимо остановиться потому, что в литературе
встречаются попытки непосредственного переноса принципа мини-
мальной скорости нарастания энтропии в стационарном состоянии
(см. ниже) на биологические системы, отождествляя скорость воз-
никновения энтропии со скоростью или интенсивностью процессов
обмена веществ (Пригожин). Отсюда делают вывод, что эволюция
развивается в направлении ослабления интенсивности метаболизма
на единицу веса или что старение организмов и такие явления, как
перелеты птиц в теплые края, также определяются стремлением к
понижению скорости нарастания энтропии. Это представление, преж-
де всего, не согласуется с фактическими данными; так, например,
поглощение кислорода на единицу массы, характеризующее интен-
сивность метаболизма, у инфузорий (парамеций) близко к соответ-
ствующим данным для позвоночных (Неттер); оно не может быть
принято и по указанным теоретическим соображениям, так как энт-
ропийные изменения являются принципиально недостаточной ха-
рактеристикой для анализа биохимических процессов. Изменения
энтропии сопровождают все физические и химические процессы в
организме, но не могут иметь регулирующего, определяющего зна-
чения для жизнедеятельности организмов, подчиняющейся биологи-
ческим закономерностям.
В отношении третьего вопроса — о возможности для живых ор-
ганизмов использовать молекулярные отклонения от второго начала
или флуктуации для уменьшения энтропии, как уже указывалось,
Гельмгольц допускал возможность молекулярного отбора микроор-
ганизмами, действующими подобно «демонам» Максвелла. Льюис
также считал, что мельчайшие организмы (микробы, фаги) или мель-
чайшие клетки более сложных организмов способны выбирать нуж-
ные им молекулы или использовать те флуктуации, которые, будучи
незаметными для нас, представляются им грандиозными. Следует,
однако, отметить, что даже мельчайшие клетки содержат огромное
количество молекул (порядка 109—10'0), по отношению к которому
можно полагать, что понятия термического равновесия (температуры,
21
давления и пр.) сохраняют свой смысл; вирусы и фаги содержат
сравнительно немного молекул, но они образуют живую систему
только вместе с клеткой организма, и тем самым, относятся к той же
категории явлений. Никаких данных об отборе организмом «горя-
чих» молекул, флуктуаций нет и, по-видимому, эти процессы явля-
ются мало вероятными.
Вернадский (1926) считал возможным, что организмы произво-
дят отбор атомов определенных изотопов из веществ среды, однако
до сих пор этот процесс установлен только до тяжелого водорода
(дейтерия), довольно заметно отличающегося по своим химическим
свойствам от водорода Н1; для К41 и О18 были получены отрицатель*
ные данные. В процессе фотосинтеза С14О2 ассимилируется медлен-
нее, чем С12Ог(с изотопным эффектом около 11—14%), но это раз-
личие относится к кинетике реакции. Если исключить некоторые
кинетические изотопные эффекты, то успешный опыт многочисленных
работ по применению меченых соединений в биохимии основан,
напротив, на исходной предпосылке, что эти соединения обладают
лишь индикаторными свойствами, т. е. что организм не производит
отбора изотопов и что поведение меченых молекул в организме не
отличается от поведения обычных соединений.
Наибольшую сложность представляет вопрос о связи энтропии
и упорядоченности в применении к биологическим системам. Как
уже указывалось, статистическое истолкование энтропии в работах
Больцмана и Смолуховского позволило установить связь энтропии
и термодинамической вероятности системы, которая для обычных
физико-химических систем действительно является характеристикой
упорядоченности системы (кристалл и раствор, разделение и смеше-
ние двух жидкостей или газов и др.). Когда вещество кристаллизу-
ется из насыщенного раствора, то уменьшение энтропии при
кристаллизации непосредственно связано с образованием упо-
рядоченной кристаллической решетки, причем это уменьшение
энтропии компенсируется увеличением энтропии во внешней среде
в результате выделения теплоты кристаллизации. Во всех случаях
термического равновесия, достигаемого при кристаллизации, раст-
ворении, смешении жидкостей ит. п., изменение энтропии сопровож-
дается изменением упорядоченности системы в результате действия
межмолекулярных сил и теплового движения. Однако далеко не
все изменения упорядоченности системы имеют термодинамическую
природу.
Это замечание необходимо сделать потому, что понятие энтро-
пии, в связи с теорией информации, приобрело в настоящее время
расширенное значение. Информация, передаваемая от одной системы
к другой, например, по радио или непосредственно от одного чело-
века другому, редко бывает совершенно точной и лишенной каких-
либо помех. При наличии помех, например, городского шума или
ветра при разговоре или разрядов при радиопередаче, в информации
появляется некоторая неопределенность, которая уменьшает коли-
22
чество информации. При увеличении силы помехи неопределенность,
возрастает, а количество информации приближается к нулю — ни-
чего понять нельзя. Количественное изучение неопределенности ин-
формации показало, что эта величина формально вполне аналогич-
на энтропии и характеризуется аналогичными уравнениями (Шен-
нон).
Вернемся к некоторой системе молекул и рассмотрим, каким чис-
лом способов распределения молекул можно осуществить данное
состояние системы. Если это состояние представляет собой иде-
альную кристаллическую решетку (без дефектов) или строго вы-
тянутую нить, то, считая все молекулы идентичными, эти состояния
можно осуществить только одним способом; напротив, кристалли-
ческую решетку с дефектами или свернутую нить можно осуществить
очень большим числом способов. Как указывалось, увеличение чис-
ла способов осуществления системы характеризуется увеличением
энтропии, причем системы, осуществляемые только одним способом,
обладают минимальной энтропией. В то же время очевидно, что
степень неопределенности для систем, осуществляемых только од-
ним способом, минимальна, неопределенность в этом случае пол-
ностью отсутствует, тогда как при большом числе способов разме-
щения молекул неопределенность каждого такого размещения воз-
растает. Таким образом, неопределенность, как и энтропия, должна
выражаться функцией, которая при числе способов осуществления
системы k =1 должна обращаться в нуль, а при 1 должна возрас-
тать.
В случае двух систем, например, двух жидкостей а и Ь, в которых
систему а можно осуществить k равновероятными распределения-
ми молекул, а систему Ь— /-распределениями, энтропия системы (gb}
при смешении обеих жидкостей возрастает, так как каждое А-рас-
пределение теперь комбинируется с любым /-распределением, а
все состояние (ab) можно осуществить ^/-распределениями; энтро-
пия двух жидкостей при смешении возрастает:
S(ab) = S(a) + S(b). (4)
Точно так же неопределенность какого-либо исхода (в случае
системы молекул — какого-либо распределения) сложного опыта
(ар), состоящего в одновременном выполнении опыта а, имеющего
k равновероятных исходов (распределений) и опыта р, имеющего
/ равновероятных исходов, будет равна сумме неопределенностей^
характеризующих опыты аир, так как к неопределенности опыта а
добавляется неопределенность опыта р:
Я(а₽) = Я(а) + Я(р). (5>
В обоих случаях:
= + (6>
Уравнения (4), (5), (6) удовлетворяются логарифмической функ-
цией, так как log(^Z) =log /г+log /; кроме того, эта функция удовлет-
воряет и указанному выше условию для одной системы обращения
га
в нуль при k=A и возрастанию при k>\. Так как число klхарак-
теризует термодинамическую вероятность системы w, то уравнения
(4) и (6) непосредственно связываются с уравнением (3):
S = klnw.
В то же время и неопределенность опыта характеризуется инфор-
мационной функцией Шеннона — Винера — Н (а):
—Н (а) = Е р( log р{ , (7)
/=1
где а — группа событий с категориями i и соответствующими ве-
роятностями р( (где i=l, 2,3,... а). Для равновероятных категорий —
Н(о) просто пропорциональна log?, аналогично уравнению (3).
Таким образом, энтропия является мерой неопределенности опы-
та или системы. В частности это относится и к информации, неопре-
деленность которой можно количественно характеризовать инфор-
мационной функцией Я(а). Увеличение информации означает умень-
шение неопределенности и, следовательно, уменьшение энтропии.
В изолированной системе энтропия не может самопроизвольно умень-
шиться, она может лишь остаться постоянной или увеличиться;
точно так же, информация в изолированной системе не может само-
произвольно увеличиться, она может лишь остаться постоянной или
уменьшиться. Энтропия является мерой неопределенности или не-
упорядоченности системы; количество информации в системе есть
мера ее организованности и упорядоченности.
Несмотря на это формальное обобщение понятия энтропии в
теории информации и современной кибернетике, следует подчерк-
нуть глубокое различие физического содержания термодинамичес-
кой энтропии S и «информационной» энтропии Н. Кибернетика
установила формальное сходство в деятельности центральной нерв-
ной системы и различных управляющих устройств, однако доста-
точно очевидно полное различие в механизме функционирования
нервной системы, связанного с действием химических медиаторов
и биоэлектрических потенциалов (см. гл. 5) и в механизме действия
электронно-автоматических машин; разумеется, никто не будет
предполагать общность этих различных механизмов. Точно так же
не следует забывать о совершенном различии неорганизованности
или неупорядоченности системы, являющейся результатом действия
межмолекулярных сил и теплового движения и характеризуемой
термодинамической энтропией S, и неупорядоченности информа-
ции или любых нетермодпнамических систем, характеризуемой ве-
личиной Н. Например, сборка автомашины на конвейере конечно
является повышением упорядоченности (или увеличением информа-
ции) системы по сравнению с набором тысяч деталей, но эта упоря-
доченность не имеет ничего общего с термодинамическими факторами;
она служит в конечном счете, отражением упорядоченности совсем
другого рода — упорядоченности и организованности определен-
24
ных производственных отношений людей. Организованность любого
разумного литературного или музыкального произведения по срав-
нению с хаотическим набором букв или нот можно выразить умень-
шением И, но се нельзя характеризовать уменьшением термодина-
мической энтропии S, она также является отражением упорядочен-
ности высших форм движения.
Неучет качественных различий в природе упорядоченности сис-
тем, обусловленных различными формами движений, — источник
многочисленных ошибок в литературе. Этот вопрос имеет прямое
отношение к основному, интересующему нас вопросу о природе ор-
ганизованности процессов жизнедеятельности и возможности их
характеристики при помощи термодинамической энтропии.
Как уже указывалось нами, ответ на этот вопрос должен быть
определенно отрицательным.
Упорядоченность структур живого организма или слаженность
реакций обмена веществ нельзя рассматривать как результат слу-
чайной комбинации атомов в процессе их теплового движения, —
они являются результатом строго закономерного (отнюдь не в ста-
тистическом смысле слова), обусловленного биологическими законо-
мерностями эволюционного развития организмов, с необходимостью
предписывающего воспроизведение строго определенного типа био-
логических структур и обмена веществ со всеми его структурными
и химическими особенностями.
Например, биосинтез белковой молекулы вовсе не является реа-
лизацией одной из многих миллионов возможностей расположения
аминокислотных остатков. Совокупность структурных и кинети-
ческих условий, существующих при биосинтезе белковой молекулы
(природа и концентрация участвующих в биосинтезе аминокислот,
ферментов, витаминов, нуклеиновых кислот, их пространственное
распределение в клетке и т. д.), короче говоря, тип структур и про-
цессов обмена веществ, свойственный данному организму, опреде-
ляет и все детали строения белковой молекулы (состав, последова-
тельность чередования остатков и т. д.). В той мере, в какой сохра-
няется данный тип структур и процессов обмена веществ, сохраня-
ется и воспроизводство специфического белка.
Подобно тому как упорядоченность сборки автомобилей на
конвейере не определяется термодинамической энтропией, а отра-
жает организованность социальной формы движения (определен-
ных производственных отношений людей), так и упорядоченность
биологических структур или слаженность процессов обмена веществ
отражает организованность биологической формы движения, а не
определяется термодинамической энтропией. В известном смысле,
процессы в организме ближе к упорядоченности конвейера, чем к
хаотической игре молекулярных сил. Разумеется, термодинамичес-
кая энтропия входит необходимым элементом и в биологические,
и в производственные процессы, но ее значение ограничивается
Наложением более высоких форм движения.
25
Энгельс указывает, что одно и то же тело может одновременно ’
участвовать в нескольких формах движения. «Движение в мировом ,
пространстве, механическое движение менее значительных масс на;
отдельных небесных телах, колебания молекул в качестве теплоты
или в качестве электрического или магнитного тока, химическое
разложение и соединение, органическая жизнь — вот те формы
движения, в которых — в одной или в нескольких сразу — нахо-
дится каждый отдельный атом вещества в мире в каждый данный :
момент»1. Тело может принимать участие в механическом движении,
но «это ничуть не мешает его мельчайшим физическим частицам ।
совершать обусловленные его температурой колебания или же ато-
мам его вещества — совершать тот или иной химический процесс»2.
Положение диалектического материализма о том, что высшие формы
движения в определенной мере включают в себя низшие формы
движения, но отнюдь не сводятся к ним, имеет важнейшее значение
для разрешения стоящей перед нами проблемы.
Изменения термодинамической энтропии сопровождают все физи- ;
веские и .химические процессы в организме, но они не определяют ;
ни направления процессов в организме, ни природы упорядоченно-
сти биологических структур и слаженности процессов обмена
веществ.
С этой точки зрения очевидна неправильность попыток, например
Льютса, рассматривать усложнение форм живых организмов, как
процесс, в какой-либо мере связанный или противоречащий возрас-
танию энтропии при самопроизвольном изменении неживых систем.
Не менее ошибочна и точка зрения Шредингера, давшего даже \
определение жизни, как «поглощения или питания отрицательной
энтропией» (отрицательная энтропия — мера упорядоченности).
По Шредингеру, организм поддерживает себя постоянно на высоком 1
уровне упорядоченности, благодаря «непрерывному извлечению |
упорядоченности из окружающей среды» в форме «хорошо упорядо-
ченного состояния материи в пищевых продуктах». Критика этой
известной формулировки Шредингера часто была направлена мимо
существа вопроса. В действительности, поглощая пищевые продук-
ты, животные организмы извлекают из среды вовсе не запас упоря-
доченности, а запас свободной энергии (растения делают то же самое,
поглощая энергию света), расход которой и обеспечивает им процес-
сы жизнедеятельности; энтропийный член, по уравнениям (1) и (2),
является лишь одним из компонентов поглощаемой свободной энер-
гии, Организм начинает процесс пищеварения с полной деградации,
например, белков до аминокислот, из которых он затем самостоя-
тельно создает свои специфические белки; таким образом, погло-
щенная «отрицательная энтропия» сразу же обесценивается. То
обстоятельство, что она не имеет существенного значения для орга-
1 Ф. Энгельс. Анти-Дюринг. Госполитиздат, 1966, стр. 55.
2 Т а м же.
26
а ясно следует из возможности питания организма простой
смесью аминокислот, сахаров и других низкомолекулярных ве-
С еств. «Упорядоченность» процессов жизнедеятельности вообще не
и^оедёляется термодинамической энтропией, а создается организ-
мом за счет расхода поглощенной свободной энергии в соответствии
с задачами, определяемыми биологическими условиями существо-
вания организма. Изменения термодинамической энтропии являются
в этих процессах лишь подчиненной, сопутствующей величиной.
Батлер указывает, что полное окисление молекулы глюкозы
(М=180) до СО2 и воды дает около 700 000 кал!моль, чего достаточна
для построения молекулы в 250—300 остатков (М =30 000), и если
организм синтезирует пептидные связи, то для него уже не может
составить особой трудности уложить полученную цепь сколь угод-
но сложным образом ценой довольно небольшой дополнительной
затраты свободной энергии из продуктов ассимиляции.
Таким образом, и в количественном отношении роль энтропий-
ного фактора в образовании сложных молекул имеет подчиненное
значение.
В итоге, мы приходим к выводу, что живые организмы безуслов-
но подчиняются второму началу термодинамики по таким основ-
ным критериям, как неспособность совершать работу только за счет
теплоты окружающей среды, увеличение энтропии системы орга-
низм — среда, неиспользование молекулярных отклонений от вто-
рого начала, но применение этого закона ограничено закономернос-
тями более высокой биологической формы движения, вследствие чего,,
например, принцип энтропии не является регулирующим в развитии
организмов или в упорядоченности их структуры и слаженности
процессов обмена веществ.
ТЕРМОДИ НАМИ КА Н ЕОБРАТ ИМ Ы X П РОЦЕССОВ
Классическая термодинамика рассматривает общие свойства фи-
зических и химических систем при равновесии или при установле-
нии равновесия. Между тем, биохимия обычно имеет дело не с равно-
весными, а со стационарными системами, в которых состояние
подвижного равновесия в данный момент существования организма
поддерживается постоянным не потому, что свободная энергия на-
ходится в минимуме, а потому, что система непрерывно получает
свободную энергию из среды в количестве, компенсирующем ее
снижение в системе. Живой организм, взятый в его целостности,
представляет собой не изолированную систему, а открытую систему,
теорию которых мы подробно рассмотрим в следующей главе; одна-
ко, уже сейчас необходимо указать на основные различия термоди-
намического равновесия в замкнутых системах, лишенных обмена
веществом со средой, и стационарного состояния в открытых систе-
мах, в которых происходит непрерывный обмен веществом со средой
27
1 дешяг?
В замкнутых системах реакция ограничена количеством налич-
ных реагирующих веществ, и по окончании реакции наступает
равновесное состояние, которое характеризуется постоянством свой-
ств системы во времени. Термодинамическими условиями этого рав-
новесия являются минимальное значение свободной энергии систе-
мы и, напротив, максимальное значение энтропии системы (т. е. пе-
реход ее в наиболее вероятное состояние). В замкнутых системах
самопроизвольно идущие процессы не могут уменьшать энтропию
системы, т. е. переводить ее в менее вероятное состояние; они могут
лишь сохранить ее постоянной или увеличить соответственно при об-
ратимых или необратимых процессах. Изменение энтропии характе-
ризует, таким образом, отсутствие равновесия в системе, и, наобо-
рот, термодинамическое равновесие системы характеризуется посто-
янством энтропии или равенством скорости ее прироста нулю.
В открытой системе непрерывно происходит поступление и уда-
ление вещества, и вместо термодинамического равновесия в ней на-
ступает стационарное состояние, которое характеризуется не отсут-
ствием, а постоянством скорости химических изменений и диффузии
метаболитов в системе. Стационарное состояние и равновесие сход-
ны в том, что система во времени сохраняет свои свойства постоян-
ными, но коренное отличие заключается в том, что при равновесии
изменения свободной энергии вообще не происходит (dZ=0), а в
стационарном состоянии оно происходит непрерывно, но с постоян-
ной скоростью (dZ=const). Аналогично энтропия замкнутой систе-
мы при равновесии достигает максимума, а в открытой системе при
стационарном состоянии энтропия поддерживается постоянной, но
отличающейся от максимума. Стационарное состояние в каждый дан-
ный момент поддерживается постоянным не потому, что свободная
энергия находится в минимуме, как при термодинамическом равно-
весии, а потому, что система непрерывно получает свободную энергию
из среды в количестве, компенсирующем ее изменение в системе.
Наконец, в кинетическом отношении, при наличии химических
реакций в системе, равновесие характеризуется равенством ско-
ростей прямой и обратной реакций, а при стационарном состоянии
скорость реакции в одном направлении закономерно больше, чем
в другом, причем разность скоростей постоянна во времени.
Из данного выше определения термодинамики видно, что она в
своем классическом виде не распространяется на необратимые про-
цессы и открытые системы; поэтому она иногда даже называется
«термостатикой» (по Ван-дер-Ваальсу). Термодинамическая теория
открытых систем, к которым относятся все живые организмы, явля-
ется частью термодинамики необратимых стационарных процессов;
эти вопросы интенсивно разрабатываются в последние десятилетия
(Колосовский, Пригожин, Денбиг, де-Гроот и др.). Следует отметить,
что необратимые стационарные процессы могут происходить и в
замкнутых системах в отношении обмена энергией со средой (напри-
мер, переноса тепла), вследствие чего термодинамика этих процессов
28
имеет более широкое значение, йо в дальнейшем нас будут интересо-
вать стационарные состояния при химических реакциях, которые
могут иметь место лишь в открытых системах. В таких системах
не может быть достигнуто состояние термодинамического равнове-
сия (минимум свободной энергии и максимум энтропии), которое не-
совместимо с жизнью и может осуществиться лишь после смерти ор-
ганизма; в открытой системе происходят различные необратимые
стационарные процессы.
Основной величиной, используемой в термодинамике необра-
тимых процессов для их количественной характеристики, незави-
симо от молекулярных механизмов, является интенсивность про-
дуцирования энтропии или количество прироста энтропии в системе
в единицу времени. В организме оно обусловлено, в основном, хи-
мическими реакциями (в растениях также фотохимическими реак-
циями ) и может быть написано в следующем виде:
dS, v1 .
__L=2jVp>0, (8)
где Ор — скорость реакции и Ар — сродство данной реакции. Ве-
личина Ар, по Донде, равна Ар =—где р. — химические по-
тенциалы, v — стехиометрические коэффициенты реакции для каж-
дого компонента k; в частности, при v=l Др просто равно разности
химических потенциалов данного компонента в двух фазах (тогда
Ар =р.”—p-к называется сродством переноса) или разности р до и
после реакции (тогда Др называется сродством реакции). Эта раз-
ность химических потенциалов может быть названа термодинами-
ческой движущей силой процесса.
Индекс i указывает на процессы, происходящие внутри системы.
Как видно, представляет собой билинейную функцию и пред-
ставляет собой величину полутермодинамическую (по сродству) и
полукинетическую (по скорости).
При термодинамическом равновесии Др =0 иир =0, откуда изме-
нение dSt во времени =0. Если же система не находится в термо-
динамическом равновесии, то скорость химической реакции vp вбли-
зи состояния равновесия принимается пропорциональной падению
свободной энергии Др, играющей, как указывалось, роль термоди-
намической движущей силы процесса:
ve = Lik Л • (9)
где Lik — коэффициент пропорциональности. Область примени-
мости уравнения (9), т. е. пропорциональности между ve и Др на-
зывается областью линейной зависимости. Отметим, что линейные
Уравнения, аналогичные уравнению (9), применяются для процес-
сов диффузии или проницаемости, где количество вещества, пере-
носимое в единицу времени, т. е. скорость переноса, пропорцио-
29
нально градиенту концентрации (закон Фика), для процессов про- :
хождения электрического тока, где сила тока пропорциональна
градиенту электродвижущей силы (закон Ома) и др. •
Если в системе развивается п различных химических реакций, то
скорость общего химического превращения и будет равна сумме
п
^LikA9 (Юнг, 1956). Коэффициенты Lik характеризуют зависимость
k=\
данной f-реакции от любой другой реакции с индексом k (где k
может изменяться от 1 до и) и вообще от любых других процессов
(тепловых, электрических и др.), протекающих одновременно в
системе, если между ними имеется какая-либо взаимосвязь. При
этом константы взаимодействия двух связанных процессов считают-
ся равными между собой (принцип взаимности Онзагера):
Lik = Lki •
(10>
Произведение vp Ар имеет размерность мощности и характери-
зует интенсивность рассеяния свободной энергии, или при постоян-
ной температуре, интенсивность продуцирования или нарастания
энтропии в единице объема системы:
(Н)
Количество продуцируемой энтропии характеризует степень от-
клонения системы от термодинамического равновесия, которого она
достигает при ^=0; для открытых систем всегда >0.
Однако, энтропия открытой системы изменяется не только за
счет нарастания энтропии в результате необратимых процессов, про-
исходящих внутри системы но и за счет обмена энтропией между
системой и окружающей средой (^), в связи с процессами обмена
веществом и энергией, характерными для каждой открытой системы.
Таким образом, для открытых систем полное изменение энтропии:
dS _ dSi dSe
~dt~^’4T + IT'
При одном и том же условии ^>0 член может иметь различ- 1
ный знак. Если член^~>0, или он отрицателен, но по абсолют- ;
dSL * ;
нои величине меньше члена , то очевидно, общее изменение энт- .
ропии открытой системы >0, т. е. общая энтропия такой системы
всегда возрастает.
(12)
30
Если ^<0, то система как бы поглощает из среды отрицатель-
ную энтропию, и если этот член достаточно велик (больше^), то
ds
и общее изменение энтропии системы может быть отрицательным.
В этом случае уровень энтропии системы будет уменьшаться со вре-
менем, несмотря на продуцирование энтропии внутри системы-^->0.
Однако это положение может сохраняться лишь при том условии,
если где-либо во внешней среде происходят сопряженные изменения
с увеличением энтропии, компенсирующим или перекрывающим
dSe v
член 2Г’ это означает лишь, что соответствующая часть внешней
среды также должна быть включена в границы открытой системы.
Другими словами, в этом случае ^>>0. Как уже указывалось, для
живого организма, взятого в его неразрывном единстве с окружаю-
щей средой,общее изменениеэнтропии не может быть отрицательным,
оно может быть лишь положительным или равным нулю (^->0).
„ dSi
В последнем случае продуцирование энтропии в системе как раз
компенсируется оттоком энтропии во внешнюю среду (^) или,
что то же самое, равным поглощением отрицательной энтропии из
dS п
среды, так что полное изменение энтропии во времени — 0.
Такое состояние системы называется стационарным (см. выше), а
dS , п
состояния, при которых =£0 — нестационарными.
Таким образом, при термодинамическом равновесии внутри сис-
темы не происходит необратимых процессов и член =0, а при ста-
ционарном состоянии в системе непрерывно происходят необратимые
процессы о) , но одновременно происходит компенсирующий
отток энтропии во внешнюю среду, так что по уравнению (12) нулю
равно полное изменение энтропии системы = 0, т. е. полная
энтропия системы остается постоянной. Необходимость условия
dSe -
~~аГ<0 для осуществления стационарного состояния показывает,
что в этом состоянии система должна получать из среды меньше
энтропии, чем отводить в среду. Это условие часто интерпретиру-
ется в литературе, как результат поглощения системой из среды
высокоорганизованных питательных веществ, обладающих низкой
энтропией, и отведения в среду веществ в частично дезорганизо-
ванном состоянии (Пригожин и др.); при этом предполагается, что
31
(13)
именно эта дезорганизация поддерживает стационарное состояние
системы. Выше уже рассматривалась ошибочность подобных фор-
мулировок по отношению к живым организмам, «упорядоченность»
и «организованность» которых нельзя характеризовать изменени-
ями термодинамической энтропии. Кроме того, уже указывалось,
что все высокоорганизованные питательные вещества обладают и
высоким уровнем свободной энергии, и что именно деградация сво-
бодной энергии лежит в основе процессов жизнедеятельности, а
не изменение упорядоченности поглощаемых продуктов в качестве
самостоятельного фактора, без учета изменений теплосодержания
системы. По существу, в химической термодинамике необратимых
процессов, очевидно формулируется не интенсивность продуциро-
вания энтропии, а интенсивность деградации свободной энергии.
По аналогии с уравнением (12)
dF _ dFi dFe
dt di "Г dt
dF; ~
при термодинамическом равновесии =0; при стационарном со-
dF * dF
стоянии <0, но =0, так как за счет притока свободной энер-
dF
гии пищевых продуктов или солнечных лучей извне-^>0. Разуме-
ется, при учете уравнений (1) и (2) уравнения (12) и (13) совпадают
idH Л
при постоянстве теплосодержания системы но это условие
всегда следует иметь в виду. Поэтому осуществление стационарного
состояния в живых организмах не следует связывать непосредствен-
но с потерей «организованности» поглощаемых пищевых продуктов.
По мере приближения системы к стационарному состоянию,
член-^р- в уравнениях (8), (11) и (12) остается положительным, но
стремится к своему минимальному значению, не равному, однако,
нулю. Таким образом, в стационарной неравновесной системе ско-
рость возникновения энтропии (или скорость рассеяния свободной
энергии) принимает минимально возможное при данных условиях
положительное значение. Различным стационарным состояниям со-
ответствуют различные конкретные, минимальные при данных усло-
виях, значения-^-. Так как по уравнению (8) член связан со
сродством реакции, то можно формулировать, что сродство системы
при любом абсолютном уровне энтропии всегда меняется таким об-
разом, чтобы уменьшить интенсивность продуцирования энтропии
(Пригожин):
dA? < 0. (14)
Если система почему-либо отклонится от стационарного состоя-
ния, то в силу стремления продуцирования энтропии к минимуму, в
32
ней наступят внутренние изменения, которые будут стремиться при-
близить систему к стационарному состоянию. Это обстоятельство
имеет важное значение для того свойства стационарного состояния,
которое можно назвать аутостабилизацией. Оно представляет собой
'расширение принципа Ле-Шателье, известного в учении о химичес-
ком равновесии. Согласно этому принципу, изменение параметра,
определяющего термодинамическое равновесие системы (например,
температуры или давления), приводит к таким внутренним измене-
ниям в системе, которые по возможности устраняют влияние измене-
ния данного параметра. Например, при повышении температуры
равновесие смещается в сторону реакции, идущей с поглощением
тепла, а при повышении давления — в сторону реакции, идущей
с уменьшением объема; в обоих случаях конечные приросты темпера-
туры или давления будут меньше ожидаемых. В любой обратимой
реакции добавление исходных веществ смещает равновесие в сторону
образования продуктов реакции, т. е. уменьшения концентрации
добавленных веществ; в свою очередь, добавление продуктов реак-
ции действует в противоположном направлении. Вообще принцип
Ле-Шателье является общим принципом смещения химического рав-
новесия. Он может быть не только обобщен на другие случаи ус-
тойчивого равновесия, но и расширен на стационарные состояния
(см. гл. 2). При идущей химической реакции vf >0 и^>0, откуда
по уравнению (8) также член Af >0, но в то же время, по уравнению
(14), tL4p <33. Таким образом, изменение сродства dAf имеет знак,
противоположный знаку величины сродства А р, что является термо-
динамическим обоснованием принципа аутостабилизации.
Кинетическое обоснование принципа аутостабилизации стацио-
нарного состояния будет рассмотрено в следующей главе; заметим
лишь, что эта аутостабилизация вообще характерное свойство хи-
мическйх реакций в открытых системах и, в частности, лежит в
основе проявления принципа обратной связи и гомеостатических
свойств открытых систем и живых организмов. Необходимо также
указать, что принцип минимальной скорости продуцирования энт-
ропии в стационарном состоянии тесно связан с кинетическим прин-
ципом максимальной скорости химических реакций (см. стр. 89).
Наконец, важным результатом термодинамики необратимых про-
цессов служит также установление возможности сопряженной связи
между процессами диффузии и химическими реакциями в открытой
системе, имеющей большое значение для процессов активного пере-
носа; этот вопрос будет подробно рассмотрен в главе 5. Наличие
непосредственного сопряжения между процессами переноса (диф-
фузии) и химическими реакциями в открытой системе показывает,
что стационарное состояние зависит не только от констант скоростей
химических реакций, но в равной мере от коэффициентов переноса
(см. гл. 2 и 5). В применении к живым организмам, тесная связь
констант переноса и химической кинетики отражает неразрывное
2 Заказ № 531 33
единство, которое существует между пространственной и временной
организацией процессов обмена веществ.
С рядом других приложений термодинамики необратимых про-
цессов мы встретимся при рассмотрении кинетики ферментативных
процессов (гл. 3), распределения ионов (гл. 4) и других вопросов.'
Следует, однако, еще раз отметить, что термодинамика необрати-
мых процессов пока охватывает лишь область малых отклонений
от термодинамического равновесия. В пределах этой области она ус-
танавливает обобщенную систему линейных соотношений, подобных
уравнению (9), между изменениями свойств системы (химическими
превращениями или диффузией веществ, переносом тепла, электри-
чества и др.) и действующими силами (градиентами свободной энер-
гии, концентрации, температуры, потенциалов и др.) для ряда од-
новременно происходящих процессов. Пределы применимости ли-
нейных соотношений к процессам переноса тепла и электричества
весьма широки, но, к сожалению, как раз в отношении химических
и диффузионных процессов, по данным Эйринга (1955), эти пределы
ограничены интервалом AZ всего около 0,2 ккал!моль (200 кал!моль).
Между тем для биохимических процессов наиболее характерны пе-
реходы AZ около 1—2 ккал/моль и выше. По-видимому, здесь воз-
никает задача дальнейшего развития термодинамики необратимых
процессов в область нелинейных соотношений.
Если стационарное состояние далеко от термодинамического рав-
новесия, то константы взаимодействия Llk в уравнении (10) уже не
равны константам Lkl, т. е. принцип взаимности нарушается.
В уравнении (9)
г _ dVl „ г _ dVk
дАк kl dAt
Если по уравнению (10) Lik=Lki, то
duL dvk
алГ= dAi ’
(На)
Выполнение уравнения (14а) означает, что dv в уравнении (9) яв-
ляется полным дифференциалом, т. е. система обладает потенциалом;
напротив, нарушение условия взаимности означает, что система не
обладает потенциалом. Тогда вместо прямолинейного (по нормали)
приближения к равновесному состоянию, которое существует при
наличии потенциала, теперь оказывается возможным вращение во-
круг стационарного состояния по спирали или даже по замкнутым
циклическим кривым.
В этом случае, как показал Пригожин, направление вращения
системы вокруг стационарного состояния (или приближения к нему
по спирали) всегда происходит в одном определенном направлении.
Например, если система из трех ферментов
34
изменяет среду при помощи следующих реакций:
С + Z -> 4+ X',
вследствие чего, в конечном результате вещество X превращается
в X', то система вызывает циклическое преобразование веществ,
которое продолжается до тех пор, пока концентрации веществ X,
Y, Z, X' в окружающей среде поддерживаются постоянными.
’ Теория циклических превращений (в частности трикарбоновых
кислот), с точки зрения термодинамики необратимых процессов,
была развита Мицунойя (1959). Поскольку скорость химической
реакции vf в этом случае пропорциональна изменению концентра-
ции за время вращения одного цикла т, уравнение (11) переходит в
dS/_=_c_ у
dt -г ЛР ’
(15)
где член характеризует рассеяние энергии за единицу времени.
В ферментативной реакции коэффициент Lik в уравнении (9) зависит
от ферментативной активности, включая концентрацию фермента и
изменение его удельной активности под влиянием pH ионов металлов,
ингибиторов и других условий среды; это влияние на величину Lik
Мицунойя называет информационной корреляцией. В живом орга-
1 \т / dSl 1
низме величина Llk непрерывно изменяется. Уменьшение 1 по
мере приближения к стационарному состоянию означает, по Мицу-
нойя, замедление скорости вращения цикла или понижение интен-
сивности метаболического превращения.
Подставляя вместо сЕЛр в уравнение (15) разность (AZ—w),
где AZ — разность термодинамического потенциала (свободной энер-
гии) начальных и конечных продуктов реакции, а а; — работа, со-
вершенная при метаболических процессах, Мицунойя получает •
уравнение:
т dSt &Z — w
Т =----------------
dt
(16)
При одном и том же периоде т, разность (AZ—ад) меньше для малых
в этих случаях велико, что означает как бы более высокий
к. п. д. системы. При одной и той же поглощаемой мощности
выходная мощность системы больше для малых Наконец,
при одинаковых AZ и w, понижение означает увеличение т,
что может быть достигнуто, например, увеличением числа стадий
реакций, входящих в цикл, или усложнением цикла. Принимая
эволюционно более высоким тип обмена с меньшим рассеянием энер-
2*
35
гии, т. е. с более низким членом Мицунойя сопоставляет раз-
личные упомянутые критерии — величину к. п. д., выходную мощ-
ность системы и периоды циклов в отношении характеристики со-
вершенства метаболических путей или высоты эволюционного раз-
вития организмов. Дело, однако, не в том, какой из этих критериев
лучше, а в том, что все они непригодны для данной цели. Относи-
тельное совершенство эволюционного уровня, достигнутого данным
видом организмов, определяется не их термодинамическими характе-
ристиками, а полнотой их приспособленности к окружающим усло-
виям и возможностью их выживания и размножения в данной среде.
Оценка эволюционного развития организмов или степени их приспо-
собленности (адаптации) может быть дана только при помощи био-
логических критериев, так как эта проблема определяется не физи-
ко-химическими, а более высокими, биологическими закономер-
ностями.
В данном случае мы еще раз сталкиваемся с характерными ме-
ханистическими ошибками в приложениях термодинамики к биоло-
гическим системам. Для организма совершенно безразлично, ка-
ким к. п. д. обладают его метаболические процессы; важно лишь,
чтобы они обеспечили его сохранение и воспроизведение в данных
условиях существования. Механическая работа совершается челове-
ком или лошадью с к. п. д. всего 20% от энергии поглощаемых пи-
щевых продуктов, и ясно, что не эта достаточно низкая величина
определила высокое эволюционное положение этих организмов.
Поглощение кислорода на единицу массы, которое может служить
мерой интенсивности метаболических процессов, у инфузорий (па-
рамеций) такое же, как и у собаки, и таким образом, положение
Пригожина, Мицунойя и др., что в процессе эволюции происходит
понижение просто не соответствует фактическим данным. Меж-
ду тем Пригожин пытался этой же термодинамической характерис-
тикой определить и такие процессы, как старение организмов, се-
зонные перелеты птиц и т. п. Очевидно, что во всех этих случаях
имеет место необоснованное приложение термодинамических ха-
рактеристик к явлениям более сложного и высокого порядка.
С точки зрения термодинамики можно дать определение жизни,
как одной из форм перепада свободной энергии. При горении тоже
происходит такой перепад, притом количественно одинаковый, но
в этом случае весь запас свободной энергии выделяется сразу, а в
организме он выделяется в многоступенчатом процессе с совершени-
ем различных видов работы (конкретные этапы выделения и исполь-
зования энергии в биохимических процессах будут рассмотрены ни-
же.)
Еще Лавуазье (1795) формулировал, что «жизнь — это химичес-
кая функция». Интенсивность роста энтропии во внешней среде при
деятельности организма, конечно, меньше, чем при простом горений,
36
но этим же свойством обладает и любая машина, в которой часть
выделенной энергии при горении используется для совершения
работы (в паровой машине, двигателе внутреннего сгорания и др.).
Локальное уменьшение энтропии в организме, условно рассматри-
ваемом изолированно от среды, с избытком перекрывается сопряжен-
ным увеличением энтропии в среде.
Термодинамическое исследование биологических процессов име-
ет большое значение для их понимания, но оно не вскрывает качест-
венного своеобразия процессов жизнедеятельности. Это происходит
не потому, что не учитывается молекулярный механизм явлений
(термодинамика принципиально не нуждается в этом и общность ее
положений является главным преимуществом термодинамики), а
потому, что термодинамические параметры в организме (энтропия,
интенсивность ее продуцирования и др.) видоизменяют свое значе-
ние и действуют в условиях,определяемых влиянием более высоких,
биологических закономерностей. В недостаточном учете этого важ-
нейшего обстоятельства, как мы видели, лежит источник ряда су-
щественных ошибок. Наибольшее биологическое значение имеет
термодинамика открытых систем, поскольку открытые системы от-
носительно гораздо ближе к живым организмам, чем замкнутые
системы. Поэтому некоторые принципиальные проблемы, связан-
ные с определением жизни, будут рассмотрены в связи с общей
теорией открытых систем (гл. 2).
ТЕРМОДИНАМИКА ОСНОВНЫХ БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
СВОБОДНЫЕ ЭНЕРГИИ ОБРАЗОВАНИЯ И ГИДРОЛИЗА
Свободная энергия химических реакций по уравнению (1) или
(2) представляет, как указывалось, большой интерес в том отноше-
нии, что она характеризует часть внутренней энергии или теплосо-
держания системы, которая может быть превращена в полезную
работу — механического движения, химического синтеза, переноса
веществ и др. Обычно биохимические реакции протекают при по-
стоянном давлении и температуре; в этих условиях величина совер-
шаемой полезной работы (см. ур. (2)
Л<г1 —Z2. (17)
Если реакция протекает обратимо, эта работа имеет максималь-
ное значение A=Zt—а при необратимых реакциях часть термо-
динамического потенциала Z расходуется непроизводительно (вы-
деление тепла и др.) и работа становится меньше максимально воз-
можной. Значение изменения свободной энергии (термодинамичес-
кого потенциала) процесса позволяет, таким образом, установить
максимальное значение полезной работы, которую можно получить
при совершении данного процесса, что конечно имеет существенное
значение. Кроме того, как указывалось, величина AZ позволяет оп-
37
ределить направление самопроизвольного течения какого-либо хи-
мического процесса, так как оно определяется условием AZ<0 и
будет вообще происходить до тех пор, пока AZ не достигнет своего
минимального значения (условие термодинамического равновесия).
Таким образом, величина AZ по ряду причин представляет большой
интерес.
Для обратимых реакций обычно определяют концентрации (ак-
тивности) исходных веществ и продуктов реакции в состоянии рав-
новесия и затем определяют величину AZ по уравнению изотермы
реакции Вант-Гоффа:
hZ= — RT\nKp = —1370 log Кр, (18)
где Кр — константа равновесия. Величина AZ имеет значение стан-
дартной свободной энергии (термодинамического потенциала) реак-
ции Zo, если все исходные вещества и продукты реакции содержатся
в растворе при 25°С и при активности, равной единице. При других
условиях, для реакции
IZ + mM^ZnN + pP
значения AZ и AZ0 не будут совпадать, причем
у» ,ар
AZ = Mo + RT In _Д_Р_. (19)
-I sjn
aZaM
Если активность a—l, то второй член правой части уравнения
(19) обращается в нуль и AZ=AZ0, но вообще в физиологических
условиях они могут значительно отличаться (иногда на несколько
ккал/моль), что следует иметь в виду при сопоставлении данных
о величине AZ0. Стандартные значения AZ0, определенные по уравне-
нию (18) или другими методами (например, из электродвижущей
силы некоторых обратимых гальванических элементов; см. гл. 4),
в настоящее время установлены для большого числа биохимически
важных соединений и приведены в ряде специальных таблиц (на-
пример, в книге Коробова и Фроста, в справочнике «Biochemisches
Taschenbuch» и др.). Изменение теплосодержания ДЯ находится не-
посредственными калориметрическими измерениями теплового эф-
фекта реакции AQ=(—ДЯ) или по уравнению изобары реакции:
a in к q
dT RT**
(20)
на основании изучения температурной зависимости константы рав-
новесия реакции. Располагая данными о величине AZ и ДЯ, легко
по уравнению (2) вычислить соответствующие изменения энтропии
Д5. Значения ДЯ и AS для реакций образования многих биохимичес-
ки важных соединений обычно также приводятся в таблицах свобод-
ных энергий. Для некоторых важных соединений соответствующие
данные приведены, в табл. 1.
38
Благодаря тому, что изменения теплосодержания, энтропии и
свободной энергии системы суммируются из соответствующих зна-
чений для ее отдельных компонентов, можно, комбинируя подхо-
дящие химические уравнения с известными значениями термодина-
мических характеристик, найти их значения и для искомой реакции.
В табл. 1 приведены термодинамические параметры образования
соединений из элементов, например, для пальмитиновой кислоты
AZ=—80 ккал/моль, однако, учитывая свободные энергии образова-
ния СО2 и Н2О по табл. 1, можно найти AZ0 для реакции сгорания
пальмитиновой кислоты, непосредственно не приведенной в табл. 1:
Таблица 1
Термодинамические характеристики реакций образования некоторых
биохимически важных соединений (при 25° С)
Название вещества AZ0, кал/моль ДЯ0, кал!моль Д$о» энтр. ед.
Формальдегид (г) — 26880 — 28000 — 4,8
Мочевина (тв) — 47250 — 79690 —108,8
Гликокол (тв) — 88580 —126300 —126,5
Аланин (тв) — 88350 —134200 —153,8
Цистеин (тв) — 81600 —127040 —152,4
Яблочная кислота (тв) —211500 —263000 —172,6
Пальмитиновая кислота (тв) .... — 80000 —222000 —
Глюкоза (тв) —217400 —304630 —291,7
Этиловый спирт (ж) — 41750 — 66340 — 82,5
Уксусная кислота (ж) — 94250 —114900 — 76,0
Янтарная кислота (тв) —178700 —224920 —172,6
Аспарагиновая кислота (тв) . . . . —174440 —232310 —194,1
Фумаровая кислота (тв) —156410 —194130 —126,2
Глицил-глицин (тв) —117240 —178120 —204,2
Ксантин (тв) * — 39810 — 90870 —171,3
Мочевая кислота (тв) — 90550 — 14050 —192,9
Аденин (тв) + 71330 + 22690 —163,1
Гуанин (тв) + И060 — 44240 —185,5
Вода (ж) — 56690 — 68317 — 39,0
Двуокись углерода (г) — 94260 — 94052 + 0,7
Кислород бг) 0 0 0
Водород (г) 0 0 0
С15НИСООН+ 23Оа 16СО2+ 16Н2О.
AZ0 = 80000 + 16 (—94260) + 16 (—56690) = —2335 ккал/моль
Соответствующие расчеты можно сделать и для изменения тепло-
содержания системы ЛЯ при заданной частной биохимической реак-
ции, т. е. для вычисления ее теплового эффекта. При наличии дан-
ных табл. 1 для большого числа веществ, можно рассчитать термоди-
намические характеристики самых разнообразных биохимических
превращений; для многих реакций подобные данные приведены,
например, в справочнике «Biochemisches Taschenbuch». Ввиду удоб-
39
ства пользования, применение термодинамических таблиц довольно
распространено в практике биохимических исследований. Необхо-
димо, однако учитывать, что в ряде случаев такие расчеты ограни-
чены недостаточной точностью известных данных. Это особенно про-
является,в тех случаях, когда значения свободной энергии вычисля-
ются как малые разности больших величин, на которых особенно
резко сказываются все ошибки определений. Например, Куостл
для реакции образования аспарагиновой кислоты из фумаровой кис-
лоты и аммиака приводит следующие данные:
фумарат2"+ NH+ ^^аспарагинат2-
—AZ 142,8 18,4 166,0
—AZ=166 —(142,8+ 18,4) = 4,8 ккал/молъ.
Из уравнения видно, что если AZ компонентов определены с
точностью 1% (фактически еще ниже), то ошибка результата может
составить 70—100%. В таких случаях, очевидно, следует соблюдаты
болыпую осторожность. Необходимо также иметь в виду, что для
реакций с —AZ=6—7 ккал/моль и выше (например, для реакции де-
карбоксилирования пировиноградной кислоты) равновесие по урав-
нению (18) смещено настолько, что реакция практически является
необратимой. Реакции с сильным смещением равновесия в одну
сторону нельзя использовать для расчетов изменений свободной,
энергии. Однако, при соблюдении необходимых предосторожностей,
использование термодинамических параметров весьма плодотворно
для изучения многих частных биохимических реакций.
Наиболее существенное значение для биохимии имеют, однако,
не свободные энергии образования соединений (или, что то же са-
мое, энергии образования и разрыва определенных связей), а сво-
бодные энергии реакций переноса атомных группировок между
различными соединениями. Многие биохимические реакции проис-
ходят не путем простого расщепления или присоединения, а путем
переноса атомных групп по типу реакций двойного обмена (см. под-
робно в гл. 3), в котором как бы одновременно происходит разрыв
одних и образование других связей, вследствие чего они происходят
с меньшим суммарным изменением свободной энергии. Таковы много-
численные реакции гидролиза или фосфоролиза, которые представ-
ляют собой перенос части молекулы субстрата на остаток воды или
фосфорной кислоты. Например, реакция гидролиза глицил-глицина
[NH2—CH2-Co4-NH—СН2—СООН + Н2О 2NH2—CH2~COOH
(/) 1 (II)
происходит таким образом, что остаток (1) переносится на гидро-
ксил воды, а водород воды — на остаток (//); общее изменение сво-
бодной энергии этого процесса составляет всего AZ=—3,6 ккал/моль.
Для гидролиза глюкозидной связи крахмала или гликогена эта ве-
40
личина составляет около 4,3 ккал/моль, а для гидролиза эфирной
связи ряда сложных эфиров — 2,5 ккал/моль. Однако имеются сое-
динения, при гидролизе которых выделяется до 10 ккал/моль. Такие
соединения называются макроэргическими. Наиболее важное мак-
роэргическое соединение в организме — аденозинтрифосфорная кис-
лота, или АТФ.
N=C-NH2 п________
I I
НС С—N\ ,, ©НОН О
II И /СН I I II
N— С—N---С—С—С—С—СН2—О—Р—ОН
llll I
н н н н он
аденозинмонофосфорная кислота (мышечная АМФ)
N=C—NH2
НС С—Nk
II В /СН
N—С—N----
ОН ОН О О
II И II
С—С—С—С—СН2—О—Р—ОсоР—он
till I I
н н н н он он
аденозиндифосфорная кислота (АДФ)
N=C—NH2
H<i С—Nk
II II >сн
N—С—N----
(/)
---0—i
он он ООО
III II II в
С—С—С—С—СН2—О—Р—О со Р—О со р—он
н н i он он он
(z/) (III)
аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)
Как видно, АТФ состоит из органического основания аденина (7),
углевода рибозы (II) и трех остатков фосфорной кислоты (III), из
которых пирофосфатные группы являются макроэргическими (эти
связи обозначены значком <*>). Соединение аденина (Г) и рибозы (II)
называется аденозином, а соединение аденозина с первым остатком
фосфорной кислоты — аденозинмонофосфорной кислотой (АМФ) или
адениловой кислотой. Адениловая кислота относится к группе нук-
леотидов, входящих в состав нуклеиновых кислот. Связь Р—О в
адениловой кислоте является обычной сложноэфирной связью с
величиной AZ=—2,5 ккал/моль при гидролизе.
Напротив, гидролиз АТФ идет с переносом отщепляемого край-
него остатка фосфорной кислоты на гидроксил воды и образованием
молекулы ортофосфорной кислоты и соединения, называемого аде-
нозиндифосфорной кислотой (АДФ), причем изменение AZ составля-
ет около 10 ккал/моль. В свою очередь АДФ может гидролизоваться
До адениловой кислоты и ортофосфорной кислоты с выделением близ-
кой энергии. '
41
Стандартное значение AZ0 свободной энергии гидролиза АТФ
определялось неоднократно ив прежних измерениях было завыше-
но до 12—15 ккал!моль. В настоящее время наиболее обоснованным
считают значение — AZ0 около 6,5—8,5 ккал/моль (Бэртон, Владими-
ров), однако при реальных концентрациях компонентов реакции в
организме (ср. ур. 19), значение AZ может быть несколько выше;
в дальнейшем мы будем принимать значение — AZ=8—10 ккал!моль.
Супруги Пульман (1960) показали на основании расчета распре-
деления «-электронов в макроэргических фосфатах, что в них по
+ 4-4-4-
главной цепи —Р—О—Р—О имеется накопление положительных
зарядов, электростатическое отталкивание которых имеет существен-
ное значение для повышения освобождаемого запаса энергии при
гидролизе. Наличие облака отрицательных зарядов вокруг централь-
ной цепи положительных зарядов играет защитную роль и объясня-
ет сочетание высокого AZ со значительной кинетической. устойчи-
востью этих соединений в водной среде.
Свободная энергия, выделяемая при окислительном распаде
питательных веществ, используется различными путями для вы-
полнения разных видов работы в организме, но почти все они про-
ходят через стадию, когда свободная энергия сосредотачивается
в аденозинтрифосфор ной кислоте. АТФ играет роль универсального
источника энергии во всех без исключения живых существах, на-
чиная от простейших организмов и кончая высшими растениями
и животными вплоть до человека.
Помимо АТФ, в организме имеется много других макроэргичес-
ких соединений, с высокими значениями свободной энергии гидро-
лиза или, точнее, термодинамического потенциала переноса групп
(часто просто говорят о «потенциале переноса групп»). Макроэрги-
ческие фосфатные связи, кроме АТФ и АДФ, содержатся и фосфо-
энолпировиноградной кислоте:
ОН
СН2==С—О со р—ОН
I I
соон о
в креатинфосфате:
он
I
NH соР—ОН
HN=c/
N(CH3)CHtCOOH
в дифосфоглицериновой кислоте (содержащей одну простую и одну
макроэргическую фосфатную связь):
42
он о
НО—Р—О—СН4—СНОН—с он
в \ I
О Осо Р—ОН
и
о
и в ряде других соединений (фосфатный остаток часто для сокра-
щения обозначают значком |Р|).
Вторым важнейшим типом связей с высоким потенциалом пере-
носа, помимо фосфатных связей, являются макроэргические тио-
эфирные связи. Основным веществом этого рода служит ацетилко-
фермент А (ацетил-КоА);
CH3COcoS—Ко А.
Кофермент А, подобно АТФ, содержится у всех живых существ
и представляет собой сложное соединение (из остатков аденозина,
тиоэтаноламина, фосфорной кислоты и витамина — пантотеновой
кислоты), заканчивающееся на одном конце группировкой —
NH—СН2—СН2—SH; по месту сульфгидрильной группы и проис-
ходит ацетилирование.
nh8
I N
n/V'S ОНОРО3Н2 ОН ОН СН3ОН
I и—In—с—с—с—сн—сн2о—р—о—р—о—сн2—с—с—со—nh—
¥ 4 A I А А с’н 4
п п I О *-»Нз *1
—СН2—СН2---СО—NH—СН2
сн2
SH
При участии КоА происходит активирование образующейся
в организме уксусной кислоты и распад или биосинтез жирных кис-
лот, лимонной кислоты и стеролов. Величина AZ0 для переноса
ацетильной группы при гидролизе ацетил-КоА составляет AZ0=
=—8,2 ккал/моль; близкие значения имеют AZ0 для пропионил-
КоА, сукцинил-КоА, гептаноил-КоА и др., благодаря чему КоА
является важнейшим ацилирующим агентом в организме.
Таким образом, двумя основными типами переноса групп с вы-
сокими AZ0 являются перенос фосфатных и перенос ацетильных
групп. Необходимо, однако, отметить, что все виды макроэргичес-
ких соединений так или иначе связаны с АТФ. Так, например,
образование ацетил-КоА из простого ацетата и КоА происходит
в присутствии специального фермента при обязательном участии
АТФ, которая при этой реакции отщепляет неорганический пиро-
43
фосфат и переходит в адениловую кислоту (АМФ). Аналогично,
образование всех других макроэргических соединений происходит
за счет расхода соответствующего количества молекул АТФ. В ито-
ге, именно АТФ является наиболее общим и прямым источником
свободной энергии для всех биохимических процессов.
ООО
И I 8
Ад—Риб—О—Р—О—Р—О. Р—О
I I I
ООО
t
< &Е = энергия связи
< между 50—100ккал
4—
ООО
и в в
Ад—Риб—О—Р—О—Р—О—Р—О
I I I
ООО
+Н2о
AZ0 = потенциал
переноса фосфата
(на воду)=
= —7 ккал
2— у
Ад-Риб—О—Р—О—Р—ОН,
О
I 2-
НО—Р—О
О
Необходимо оговорить, что понятие «макроэргическое соедине-
ние» или «макроэргическая связь» не следует смешивать с обычным
понятием энергии связи, под которой в химии понимают величину
затраченной работы, необходимую для разрыва в молекуле связи
между двумя атомами. По отношению к молекуле АТФ или любого
другого аналогичного соединения дело вовсе не заключается в том,
чтобы разорвать связь крайних |Р| и получить из АТФ, которую
можно изобразить как А—|Р| —|Р|—|Р|, переход в А—|Р| —]Р| и
|Р|. На это необходимо было бы затратить большое количество энер-
гии (между 50—100 ккал/моль), и в том смысле АТФ вовсе не обла-
дает каким-то большим запасом энергии, которая только ждет слу-
чая выделиться, подобно энергии взрывчатого вещества; напротив,
44
о
глюкоза
О, Р—О
I
О
ДЕ = энергия связи
между 50—100 ккал
глюкоза-
2—
О
й
О—Р—О
I
О
+н20
AZo = потенциал перено-
са фосфата = —3 ккал
2—
О
И
глюкоза, НО—Р—О
АТФ достаточно стабильное соединение. В действительности, про-
цесс заключается в переносе фосфатной группы на воду с выделени-
ем около 7,0—8,5 ккал/моль и происходит по шкале энергий не вверх,
а вниз, как указано в схеме на стр. 44, и именно этот процесс само-
произвольный.
Аналогично, глюкозо-6-фосфат имеет энергию фосфатной связи
между 50—100 ккал/моль, но при переносе фосфатной группы на
воду в этом случае освобождается лишь около — AZ0=3 ккал/молы,
глюкозо-6-фосфат не является макроэргическим соединением.
Величина AZ0 переноса зависит как от природы переносимой
группы, так и от природы молекулы акцептора. В качестве стан-
дарта обычно принимают молекулу Н2О и поэтому потенциал пере-
носа выражают в виде свободной энергии гидролиза. Из сказан-
ного, однако, следует, что если понимание «макроэргич'еской свя-
зи» просто как богатой энергией связи неправильно, то определение
ее как свободной энерги и гидролиза (что часто встречается в курсах
биохимии) является слишком ограниченным. Наиболее правильной
и общей характеристикой процесса переноса группы является из-
менение термодинамического (или химического) потенциала AZ0 при
переносе одного моля группы молекулы донора к акцептору (обычно
к Н2О, как стандартному акцептору) при стандартных концентраци-
45
ях (Клотц, 1957). Потенциал переноса выражается в килокалориях
на моль переносимой группы.
Понятие потенциала переноса существенно и в том отношении,
что оно наглядно выражает аналогию с электрохимическим потен-
циалом. Как известно, электрохимический потенциал представляет
собой изменение химического потенциала при переносе одного моля
ионов или электронов от донора к молекуле акцептора. Если речь
идет о переносе Н+-ионов, например, от более кислого к более ще-
лочному раствору, то измеряется разность потенциалов, харак-
теризующая значение ДрН или определенное кислотно-щелочное
равновесие. Если речь вдет о переносе электронов, то измеряется
разность потенциалов, характеризующая значение ДЕ или опреде-
ленное окислительно-восстановительное равновесие. В обоих случа-
ях существуют стандартные акцепторы, например, водородный элект-
род при стандартных условиях. Аналогично, перенос фосфатной,
ацетильной, метильной и других групп от донора к акцептору ко-
личественно характеризуется изменением потенциала переноса, ко-
торый может измеряться в ккал!моль или прямо по шкале вольт,
хотя в этом случае отсутствуют соответствующие электроды. С этой
точки зрения, важный процесс сопряженного образования АТФ при
окислительных процессах (окислительное фосфорилирование, см.
ниже) может быть выражен прямым переходом окислительно-восста-
новительного потенциала'В потенциал переноса фосфатной группы в
АТФ (Липманн, 1960). Подобно тому как потенциал электрода Е
относительно окислительно-восстановительной системы, содержащей
окисленную форму в концентрации (ох) и восстановленную — в кон-
центрации (red), равен (см. подробно в гл. 4):
£-£‘+НоеТЙ' (21)
потенциал переноса фосфатной группы (при концентрации неорга-
. нического фосфата 1 моль!л) равен:
АТФ
-AZ = -AZ0 + A'log-^-. (22)
где k и k' — коэффициенты пропорциональности.
Благодаря тому что внутриклеточная концентрация неорга-
нического фосфата составляет не 1 моль, а около 10-2—IO-3 моль!л,
между AZ и AZ0 возникает разность около 2,5 ккал!моль, которая
и приближает значение AZ к 8—10 ккал!моль (см. стр. 42).
Величины потенциалов переноса (включая свободные энергии
гидролиза) могут быть в принципе, разумеется, рассчитаны по таб-
лицам свободных энергий образования соединений, подобных табл. 1,
путем комбинирования соответствующих химических уравнений,
но прямые расчеты обычно затрудняются необходимостью учета
ионизации соединений, гидратации ионов и др. Поэтому более
удобно использование специальных таблиц свободных энергий гид-
46
ролиза.Для некоторых характерных реакций значения потенциа-
лов переноса приведены в табл. 2 (более подробные данные см. в
справочнике «Biochemisches Taschenbuch»).
Таблица 2
Потенциалы переноса некоторых биохимически важных групп
№ п.п. Реакция pH ккал/моль
1 АТФ4- + Н2О -> АДФ3- + HPOf + Н+ 7,5 —8,9
2 Ацетил-КоА + Н2О -> КоА + ацетат + Н+ 7,0 —8,2
3 Аланилглицин + Н2О -► аланин + глицин > — —4,13
4 Лейцилглицин 4 Н2О -> лейцин + глицин — —3,31
5 Креатин + фосфат -> креатинфосфат + Н2О — +7,0
6 Ацетил-КоА + фосфат -> ацетилфосфат + КоА 7,0 +3,0
7 Глюкозо-6-фосфат 4- Н2О -> глюкоза Ч- фосфат 7,0 —3,0
8 Глюкозо-1-фосфат + Н2О -> глюкоза + фосфат 7,0 —4,8
9 Ацетилхолин + Н2О -> СН3СООН + холин 7,0 —3,2
10 АТФ + АМФ 2АДФ ч 7,0 —0,5
Подобно тому, как редокс-потенциалы позволяют судить о тер-
модинамической возможности протекания окислительно-восстано-
вительных реакций, потенциалы переноса определяют термодина-
мическую возможность реакций переноса.
Например, в табл. 2 реакция ацетил-КоА с фосфатом или пере-
ход креатина в креатинфосфат являются несамопроизвольными
(AZ0>0), остальные — самопроизвольными. Однако можно устано-
вить такое сопряжение реакций, когда итоговый процесс будет идти
самопроизвольно даже при наличии несамопроизвольной реакции,
например, при комбинации реакции (1) и (5) в табл. 2, можно осу-
ществить процесс:
АТФ 4- креатин -> АДФ + креатинфосфат,
т. е. осуществить перенос со |Р| с АТФ на креатин.
Напротив, нельзя получить креатинфосфат за счет комбинации
реакций (7) и (5) в табл. 2 , так как итоговое изменение химического
потенциала является положительной величиной (AZo>0). Сочетая
реакции (1) и (2) в табл. 2, можно Вйдеть осуществимость процесса
АТФ+КоА+СН8СООН-> АДФ+ ацетил-КоА+фосфат (суммарное
AZo<0), в котором за счет соединения АТФ с высоким потенциалом
переноса фосфата получается ацетил-КоА — соединение с высоким
потенциалом переноса ацетильной группы. Таким образом, природа
переносимых групп в сопряженных реакциях может быть различной.
Разумеется, сопоставление потенциалов переноса показывает
лишь термодинамическую возможность данной комбинации реакций;
фактическое ее осуществление зависит от ряда других условий — ки-
нетических, структурных и др. Кроме того, надо помнить, что сопо-
47
ставление стандартных значений AZ0 характеризует лишь термодина-
мическую возможность реакции при стандартных условиях — при
одномолярных концентрациях компонентов, pH 7,0 и др./при дру-
гих условиях соотношения AZ (не AZ0!)могут быть иными. В заключе-
ние отметим, что рассмотренные процессы переноса групп имеют
фундаментальное значение в реакциях ферментативного катализа
(см. гл. 3).
ПРОЦЕССЫ РАСПАДА УГЛЕВОДОВ
Распад и окисление углеводов — основной источник энергии в
животном организме — покрывает, например в организме челове-
ка, до 60% энергетических потребностей. Основные этапы распада
и окисления углеводов, однако, общие для всех видов живых орга-
низмов — от микроорганизмов до человека, вследствие чего их
изучение имеет большое значение. Обычно различают два основных
процесса обмена углеводов в организме — анаэробный распад угле-
водов (гликолиз) и аэробный распад (окисление) углеводов.
Гликолиз углеводов. Типичный ход анаэробного распада угле-
водов можно проследить на процессе превращения глюкозы в молоч-
ную кислоту. Суммарная реакция этого превращения выражается
простым уравнением:
С.Н1гОв - 2СН3—СНОН—СООН.
(23)
Однако в результате многочисленных биохимических исследований
было установлено, что этот процесс имеет сложный многоступен-
чатый характер и протекает с участием большого количества фер-
ментов. Подробное описание гликолиза углеводов и других, рас-
смотренных ниже биохимических процессов, содержится в спе-
циальных курсах биохимии; в настоящей главе будут указаны лишь
основные реакции, необходимые для понимания химического су-
щества превращений и связанные с ними изменения свободной энер-
гии; описание большинства ферментов, принимающих участие в
этих реакциях, дано в главе 3.
Первым этапом гликолиза реакция (1) (табл. 3) является превра-
щение глюкозы в глюкозо-6 фосфат:
Т я*—°\”
п н г
он н z|(1)
i>C(3r— CcfoH
н он
+ АТФ
СН2О[Р]
Н С--------
С. ОН
он 9“
н с
с^он
I
он
Это превращение происходит при участии фермента гексоки-
назы, вследствие чего сама реакция называется гексокиназной.
48
\ •
' Общая схема реакций гликолиза
Таблица 3
Схема реакций
AZ0, ккал/моль
Глюкоза
АТФ-| (1)
Г л юкозо -6 -фо сфат
| (2)
Фруктозо-6-фосфат
АТФ| (3)
Фруктозе-1,6-дифосфат
I (4)
2 мол. 3-фосфоглицериновый альдегид
| (5)
2 мол. 1,3-дифосфоглицериновый альдегид
| (6)
2 мол. 1,3-дифосфоглицериновая кислота
2 АТФ | (7)
2 мол.З-фосфоглицериновая кислота
п н 1 <8)
2 мол. 2-фосфоглицериновая кислота
2 мол. фосфоэнол пировиноградная кислота
2 АТФ <- | (10)
2 мол. энолпировиноградная кислота
| (11)
2 мол. пировиноградная кислота
I (12)
2 мол. молочная кислота
— 6,7
+ 0,5
— 5,3
+ 4,6
— 2,4
+ 2,2
— 1,2
— 8,6
—10,6
Всего ...................
—27,5 ккал!моль
Она заключается в переносе одного остатка фосфорной кислоты с
АТФ на глюкозу; одновременно одна молекула АТФ превращается
в АДФ. Изменения AZ0 при гексокиназной и последующих реакци-
ях указаны в табл. 3.
Реакция (2) (табл. 3) заключается в переходе глюкозо-б фосфа-
та в фруктозо-6-фосфат:
сн2о[И
н I
С ОН
он ।
н
(6>сн2оИ
I О>^ (пСНгОп
н
он
С(2)
он
н
Этот переход катализируется ферментом гексозофосфатизомеразой.
Реакция (3) (табл. 3) заключается в повторном фосфорилирова-
нии с затратой второй молекулы АТФ и переходом фруктозо-6-фос-
49
фата в фруктозо-1,6-дифосфат под влиянием фермёнта фосфогексо-
киназы.
В реакции (4) фруктозо-1,6-дифосфат под влиянием фермента
альдолазы симметрично делится на две молекулы триоз (т. е. сое-
динений, содержащих лишь три атома углерода), в данном случае
на две молекулы триозофосфата, называемого 3-фосфоглицериновым
альдегидом (не учитывая побочной реакции образсвания фосфо-
диоксиацетона):
сн2о[р]
2СНОН
I
сно
Далее идет сложная реакция (реакции (5), (6), и (7) в табл. 3) пре-
вращения 3-фосфоглицеринового альдегида в 3-фосфоглицериновую
кислоту, производимого путем отнятия водорода (дегидрирования)
в присутствии пиридиннуклеотидного фермента — дегидроге-
назы (см. гл. 3), промежуточного образования 1,3-дифосфоглице-
риновой кислоты:
CH2O|_PJ
2СНОН
I _
COO |Р|
за счет вовлечения двух молекул неорганического фосфата и, нако-
нец, передачи ]Р| на АДФ в присутствии фермента фосфоферазы
(фосфоглицерокиназы) с образованием двух молекул АТФ и двух
молекул 3-фосфоглицериновой кислоты (учет двух молекул оставлен
для баланса процесса по исходной молекуле глюкозы):
СН2ЬТр] СН2О[Р)
2СНОН +2АДф , 2СНОН +2АТФ
СОО [Р] СООН
50
Реакция (8) заключается в изомеризации 3-фосфоглицериновой
кислоты в 2-фосфоглицериновую кислоту, происходящей в присут-
ствии фермента фосфоглицеромутазы:
СН2ОЩ СН2ОН
2СНОН —»- 2СНО Щ
СООН СООН
Реакция (9) заключается в образовании макроэргической фосфо-
энолпировиноградной кислоты в присутствии фермента энолазы:
СН2ОН сн2
I _ II _
2СНО|Р| -* 2С—О |Р|
СООН СООН
Затем в реакции (10) происходит передача макроэргического фос-
фата на АДФ в присутствии фосфоферазы (или пируваткиназы)
с образованием энолпировиноградной кислоты и АТФ:
СН2 СН2
II г—। + 2АЛФ 'I
2С—00 - л > 2С — ОН+2АТФ
С.ООН СООН
после чего, в реакции (И) энолпировиноградная кислота переходит
в важное соединение—пировиноградную кислоту СН,—СО—СООН
которая, наконец, в реакций (12) под действием фермента лактико-
дегидрогеназы переходит в молочную кислоту:
СН3 СН8
2 io —«-2СНОН
СООН СООН]
Таким образом, внешне простая реакция (23) оказалась прохо-
дящей через 12 промежуточных стадий. Общая схема происходящих
превращений и соответствующих изменений свободной энергии при-
ведена в табл. 3.
Из табл. 3 видно, что в процессе превращения глюкозы в две
молекулы молочной кислоты затрачивается две молекулы АТФ и
вновь образуется четыре молекулы АТФ. Таким образом, в резуль-
тате анаэробного распада глюкозы образуется две молекулы АТФ
на одну молекулу превращенной глюкозы. Общее изменение AZ#
по табл. 3 составляет — 27,5 ккал/моль-,
51
глюкоза + 2АДФ3"+ 2НРО4— —> 2 лактата" + 2АТФ4" +-2НаО,
а в реакции (см. табл. 4):
глюкоза —► 2 лактата" + 2Н+
- (AZ0 = — 50,0 ккал/моль).
Следовательно, образование двух молекул АТФ сопровождается
затратой 23,5 ккал!моль с учетом теплот ионизации и др. Принимая,
как указывалось выше, AZ0=—10 ккал/моль на одну молекулу АТФ,
20
получим к. п. д. процесса гликолиза около • 100=40%. Однако
значение процесса гликолиза заключается не только в полезном ис-
пользовании свободной энергии процесса в форме АТФ, но и в об-
разовании ряда важных промежуточных продуктов обмена.
В частности, уже первая — гексокиназная реакция (1) приводит
к образованию глюкозо-6-фосфата, который не только открывает
путь к дальнейшим стадиям гликолиза, но является важным этапом
на пути окисления углеводов, когда глюкозо-6-фосфат через ряд
этапов образует лишь одну молекулу 3-фосфоглицеринового аль-
дегида (см. табл. 3) и три молекулы СО2. На пути этого превращения
образуются пентозофосфаты (рибозофосфат и др.), которые служат
составной частью таких важных соединений, как нуклеотиды и
нуклеиновые кислоты. Этот процесс, называемый пентозофосфатным
циклом, образует нечто вроде циклического ответвления на прямом
пути гликолиза.
Вторым важным циклом биохимических превращений, связан-
ным с глюкозо-6-фосфатом, является перенос |Р| к атому Сх с обра-
зованием глюкозо-1-фосфата;
н он
Этот процесс происходит в присутствии фермента фосфоглюкомута-
зы. Из глюкозо-1-фосфата под действием фермента фосфорилазы
может образоваться высокомолекулярный полисахарид — глико-
ген, с отщеплением эквимолярного количества неорганического фос-
фата. Гликоген является запасным полисахаридом в животном
организме (в печени, в мышцах и др.). Из гликогена под действием
амилаз может образоваться глюкоза, замыкая цикл
1 I
глюкоза------> глюкозо-6-фосфат-----► глюкозо-1-фосфат
(гликолиз)
52
Равновесие гликоген глюкоза позволяет регулировать со-
держание глюкозы в крови, но в основном распад гликогена идет
по пути обращения указанных стадий, через образование глюкозо-
1-фосфата и глюкозо-6-фосфата, с последующим течением процесса
по схеме табл. 3. Полная последовательность превращений от гли-
когена до молочной кислоты (гликогенолиз) наблюдается, например,
в мышцах.
Из табл. 3 видно, что замкнутые циклы образуются в отноше-
нии двух молекул АТФ, затем 2Н, отнимаемые от 1,3-дифосфоглице-
ринового альдегида (реакция (6) табл. 3) могут расходоваться на
восстановление пировиноградной кислоты до молочной кислоты
(реакция (12) табл. 3) и др. Наличие многочисленных циклических
превращений и ответвлений широко распространенная особенность
биохимических процессов, и в дальнейшем мы столкнемся с рядом
примеров таких превращений; общая теория их будет дана в главе 2.
Одним из наиболее важных, ключевых веществ промежуточного
метаболизма является пировиноградная кислота. Указанный в
табл. 3 путь ее превращения в молочную кислоту является лишь
одним из возможных ее превращений (наблюдаемым в мышцах или
при молочнокислом брожении у бактерий). Другим важным направ-
лением процесса является превращение пировиноградной кислоты
в этиловый спирт (спиртовое брожение), при котором вначале под
действием фермента карбоксилазы образуется ацетальдегид:
СН8—СО-СООН CHSCOH сн8—сн8—он,
а затем под действием фермента алькогольдегидрогеназы происхо-
дит восстановление ацетальдегида до этилового спирта. При дру-
гом пути превращений с участием ацетилкоэнзима А образуется
уксусная кислота СН3СООН (уксуснокислое брожение). Различные
виды микроорганизмов осуществляют образование из пировино-
градной кислоты ряда других продуктов (пропионовой кислоты,
масляной кислоты, бутилового спирта, ацетона и др.) при общности
предыдущих стадий гликолиза; некоторые виды таких брожений
могут происходить одновременно (например, образование бутилово-
го спирта при спиртовом брожении). Изменения свободной энергии
при различных видах анаэробного брожения (для сопоставления их
все можно отнести на 1 г!моль глюкозы) приведены в табл. 4.
При аэробном окислении до конечных продуктов — СО2 и Н2О
продукты превращения пировиноградной кислоты входят в цикл
трикарбоновых кислот (см. ниже). Наконец, надо указать на тесную
связь пировиноградной кислоты с обменом аминокислот, жиров,
углеводов и ряда других веществ.
Аэробный распад (окисление) углеводов. Гликолиз и аэробный
распад углеводов проходят одинаково вплоть до стадии обра-
зования пировиноградной кислоты (см. табл. 3). При наличии пен-
тозофосфатного цикла (см. стр. 52) окислительный распад углево-
53
Таблица 4
Изменения свободной энергии при анаэробных брожениях
(по Кребсу и Корнбергу)
Реакция AZe, ккал/моль (рН7) ।
Глюкоза -> 2 лактат” 4~ 2Н+ Глюкоза-> 2 этиловый спирт 4-2СО2 11/2 глюкоза -► 2 пропионат 4- ацетат" 4~ЗН+4- + со2 + Н2О 3 лактат -> 2 пропионат” + ацетат”+СО2-{-Н2О Глицерин -► пропионат" 4- Н+ + Н2О Глюкоза -► бутират” + Н+ + 2СО2 4- 2Н2 2 глюкоза -► бутиловый спирт + ацетон + + 5СО2 -j- 4 Н2 — 50,0 к — 62,3 ; —113,2 1 — 42,6 1 — 36,4 > — 62,6 м —112,1
дов начинается и раньше — со стадии образования глюкозо-6-фос- I
фата, однако основное значение имеют окислительные превращения |
пировиноградной кислоты. В присутствии кислорода этот вид J
превращений пировиноградной кислоты преобладает над ее превра- д
щением в молочную кислоту, т. е. гликолиз тормозится кислородом л
(эффект Пастера). Это объясняется тем, что окисление пировино- f
градной кислоты энергетически гораздо более выгодный процесс. 1
Переход от пировиноградной кислоты к молочной (табл. 3) дает
—Az лишь 5,3 ккал/моль, а полное окисление пировиноградной кис- |
лоты до СО2 и воды дает около 300 ккал/моль, т. е. в 60 раз больше, <
и даже с включением изменений AZ на предыдущих стадиях глико- f
лиза (от глюкозы до пировиноградной кислоты) различие составит 4
около 20 раз. Естественно, поэтому, что в энергетическом отношении J
аэробный распад углеводов имеет большое значение. Как уже ука- |
зывалось, продукты превращения пировиноградной кислоты про- j
ходят при этом через цикл трикарбоновых кислот (см. стр. 57), i
в результате которого они и подвергаются полному окислению до (
СО2 и воды. Включение в этот цикл проходит двумя путями, из ко- У
торых второй имеет основное значение:
1) через образование щавелевоуксусной кислоты при участии
фермента карбоксилазы:
СЩСОСООН НООС—СН2—СО—СООН; £
2) через промежуточное образование ацетилкоэнзима А:
СН3СО со SKoA v
СН.СОСООН + Ко ASH -* CHSCO со SKo А. ;.
-2Н
Эта реакция имеет сложный характер и протекает с участием |
фермента декарбоксилазы пировиноградной кислоты (катализи- i
рующей удаление СОг) и пиридинового фермента — дегидрогеназы
54
’ 5
(см. гл. 3), катализирующей дегидрирование (т. е. окисление).
В результате этой реакции образуется соединение с макроэргиче-
ской тиолацильной связью — ацетилкоэнзим А. Путем конденсации
двух молекул этого соединения и гидролиза образуется ацетоуксус-
ная кислота
2CHSCO со SKoA СН8СОСН2СООН,
которая служит промежуточным соединением при образовании аце-
тона СН3СОСН3 (после отщепления СОг), бутилового спирта и выс-
ших жирных кислот. Через образование ацетилкоэнзима А обмен
углеводов тесно связан с обменом жиров, так как это же соедине-
ние имеет важное значение при окислительном распаде и синтезе
жирных кислот.
ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
Окислительный распад жирных кислот является вторым по
значению, после распада углеводов, источником энергии в организ-
ме. Процессы окисления жирных кислот обычно локализованы в
митохондриях (гл. 5). Окисление жирных кислот происходит с
карбоксильного конца фрагментами по два атома углерода в каж-
дом, т. е. путем р-окисления (Кнооп). Жирные кислоты образуются
из жиров при действии тканевых ферментов липаз (см. гл. 3).' Распад
жирных кислот начинается с их активации путем реакции с АТФ
и коэнзимом A (KoASH) (реакция (1) в табл. 5).
R—СН2—СН8—СН2—СООН -b'KoASH + АТФ
RCH2—СН2—СН2—СО—SKoA + АМФ + пирофосфат.
В этой реакции одна молекула АТФ дефосфорилируется до аде-
ниловой кислоты (АМФ), образуя другое макроэргическое соедине-
ние — производное ацетилкоэнзима А. Ввиду того, что эта реакция
имеет характер переноса, суммарное изменение свободной энергии
невелико (AZ0=—0>2 ккал/моль-, табл. 5).
Следующая реакция (2) (табл. 5) заключается в дегидрировании
полученной активированной жирной кислоты к а-, ^-положении с
образованием ненасыщенной жирной кислоты:
RCH2-CH2—СН2—СО—SKoA RCH2—СН=СН—СО—SKoA
Эта реакция катализируется ферментом ацилдегидрогеназой из
группы флавиновых ферментов (гл. 3), причем водород переносится
на цитохром-с.
Затем в реакции (3) (табл. 5) происходит присоединение моле-
кулы воды к ненасыщенной жирной кислоте под действием фермента
кротоназы:
RCH2—СН=СН—СО—SKoA -> RCH4— СНОН—СН2—СО—SKoA.
55
После этого происходит окисление (дегидрирование) получен-
ной оксикислоты с переносом водорода на никотинамидадениндинук-
леотид НАД (см. гл. 3):
RCH2—СНОН—СН2—СО—SKoA RCH2—СО—СН2—CO-SKoA.
Наконец, в заключительной стадии (реакции (5) в табл. 5) про-
исходит под влиянием фермента кетотиолазы отщепление 2С-фрагмен-
та в виде ацетилкоэнзима А и образование е новой молекулой коэн-
зима А вновь активированной жирной кислоты, но с укороченной
на два атома углерода цепью:
RCH2—СО—СН2—СО—SKoA- +KoASH _RCH2—СО—SKoA + CHSCO—SKoA.
После этого укороченная жирная кислота вновь подвергается
р-окислению, которое происходит с вовлечением новых молекул
коэнзима А на каждый Сг-фрагмент, но уже без расхода АТФ, кото-
рая затрачивается в количестве одной молекулы на всю молекулу
жирной кислоты, независимо от ее длины. Изменения свободной
энергии AZ0 на различных стадиях отщепления Сг-фрагмента при-
ведены в табл. 5, из которой видно, что общий перепад AZ0 в 11,4
ккал/моль используется мелкими долями в ряде частных реакций.
Это обстоятельство характерно и для других сложных биохимичес-
ких процессов (ср. табл. 3, 6 и др.).
В результате р-окисления жирных кислот образуется значитель-
ное количество молекул ацетилкоэнзима А, соответственно числу
С2-фрагментов.
Таблица 5
Общая схема окисления жирных кислот
Схема реакции az0, ккал/моль
KoASH, АТФ -> RCH2—СН2—СН2—СООН
4 (1) RCH2—СН2—СН2—СО—SKoA —0,2
1 (2) RCH2—СН=СН—СО—SKoA —4,2
1 (3) RCH2—СНОН—СН9—СО—SKoA —0,3
1 (4) RCH2—СО—СН2—СО—SKoA -3,7
KoASH | (5) RCH2CO-SKoA + СН3СО-SKoA —3,0
Всего . ... 9 —И,4
56
Так, например, из одной молекулы пальмитиновой кислоты
образуется восемь С2-фрагментов, т. е. восемь молекул ацетил-
коэнзима А. Как и аэробный распад углеводов, окисление жирных
кислот приводит к образованию ацетилкоэнзима А, который обра-
зует как бы общее русло, в которое сливаются оба основных потока
промежуточного метаболизма.
При течении в обратном направлении реакции табл. 5 приводят
к удлинению цепи (биосинтезу) жирных кислот, причем на конеч-
ной стадии ацетилкоэнзим А с длинной R-цепью реагирует с гли-
церофосфатом или глицерином с образованием нейтральных жиров.
Направление процесса в сторону распада или синтеза жирных кис-
лот в значительной мере зависит от относительного количества аце-
тилкоэнзима А и свободного KoASH. При избытке углеводов соз-
дается избыток ацетилкоэнзима А и недостаток KoASH, что при-
водит к замедлению распада и усилению синтеза жиров; недостаток
углеводов усиливает распад жиров. Взаимосвязь этих двух основных
процессов обмена имеет важное значение для баланса энергетичес-
ких затрат организма.
ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
Ацетилкоэнзим А — важнейший промежуточный продукт мета-
болизма углеводов и жирных кислот. Достаточно указать, что2/8
С-атомов углеводов и все С-атомы жирных кислот (а также прибли-
зительно половина С-атомов аминокислот) проходят через стадию
образования ацетилкоэнзима А. Подсчитано, что при суточной норме
питания человека в 400 г углеводов, 70 г жиров и 100 г белков в орга-
низме человека ежесуточно возникает около 350—400 г уксусной
кислоты, главным образом в виде ацетилкоэнзима А. Обратимость ря-
да реакций его образования способствует взаимодействию различных
видов обмена (жирового, белкового, углеводного) в организме.
С другой стороны, после образования ацетилкоэнзима А значитель-
ная часть его окисляется до СО2 и Н2О, поставляя основную часть
энергии метаболических процессов. Дело в том, что на пути образо-
вания ацетилкоэнзима А используется лишь небольшая часть сво-
бодной энергии питательных веществ. В процессе гликолиза, на
пути от глюкозы до пировиноградной кислоты, расходуется всего
около 5—7% свободной энергии углеводов. Если изменение сво-
бодной энергии при полном окислении глюкозы
► 6СО2 -|“ 6Н2О (ж)
составляет AZ0 =—686 ккал/моль, то на пути от одной молекулы
глюкозы до двух молекул молочной кислоты расходуется лишь
AZ0 =—50 ккал/моль или около 7%, а на пути от одной молекулы
пировиноградной кислоты до одной молекулы ацетилкоэнзима А
AZ0 =—60 ккал/моль, т. е. около 9%. Значительно выше изменение
AZ0 на пути от одной молекулы пальмитиновой кислоты до восьми
57
молекул ацетилкоэнзима А (см. табл. 1 и стр. 39); AZ0=—2335—
—8(—207) =—679 ккал!моль, что составляет около 30% от измене-
ния свободной энергии при полном окислении пальмитиновой кис-
лоты. Остальное количество свободной энергии выделяется именно
на стадии полного окисления ацетилкоэнзима А. Так как ниже будет
показано, что коэнзим A (KoASH) при этом не деградирует, а
отщепляется, то основное значение, следовательно, имеет про-
сто реакция окисления уксусной кислоты:
СНзСООН -► 2СО2 + 2Н4О
с AZ0 =—207 ккал/моль. Легко видеть, что при окислении углеводов
эта реакция дает до 80—85%, а при окислении жирных кислот —
до 70% от общего изменения свободной энергии.
Этот процесс полного окисления активированной уксусной кис-
лоты до СО2 и Н2О как раз и происходит в цикле трикарбоновых
кислот (ЦТК или цикл Кребса), который, таким образом, имеет
основное значение для энергетики организмов.
Замечательно, что цикл Кребса, подобно основным стадиям
гликолиза, имеет универсальное значение для всего биологического
Таблица 6
Общая схема реакций цикла’трикарбоновых кислот
Схема реакции Д20, ккал/моль
Ацетилкоэнзим А Коэнзим А.Х 10) *- Щавелевоуксусная кислота Лимонная кислота Н2О«-| (2) Цисаконитовая кислота Н2О->| (3) Изолимонная кислота Н2О«-2Н<-| (4) Щавелевоянтарная кислота СО2<- | (5) Кетоглутаровая кислота со2+- Н2О 2Н (6) Н2О->| Янтарная кислота Н2О<-2Н<- | (7) Фумаровая кислота Н2О-> 4 (8) Яблочная кислота Н2О <- 2Н 4 (9) -> Щавелевоуксусная кислота ► — 0,2 + 2,0 — 0,4 —52,5 — 9,5 —70,1 —35,7 — 0,9 —44,5
Всего —211,8
58
МИра — простейших, микроорганизмов, растений, насекомых, птиц
и млекопитающих, вплоть до человека. Как и процессы окисления
жирных кислот, цикл Кребса локализован в митохондриях (гл. 5),
которые, таким образом, являются энергетйческим центром живых
клеток.
Суммарная реакция окисления уксусной кислоты связана с вы-
делением большого количества энергии (AZ0 =—207 ккал/моль).
Поэтому, естественно, что она протекает в организме через ряд
промежуточных реакций с участием большого числа различных
ферментов и представляет собой многоступенчатый процесс, подобно
ранее рассмотренным процессам распада углеводов или окисления
жирных кислот. Однако в данном случае цепь промежуточных реак-
ций образуем отчетливый замкнутый цикл, который служит одним
из наиболее характерных примеров важной роли циклических пре-
вращений в биохимических процессах. Цикл Кребса получил на-
звание цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) потому, что ряд веществ,
входящих в цикл, относится к органическим кислотам, содержащим
по три карбоксильные группы, т. е. являются трикарбоновыми кис-
лотами. Фактически, однако, в цикл входит и ряд дикарбоновых
кислот.
Уже реакция (1) (табл. 6) ЦТК представляет собой конденса-
цию ацетилкоэнзима А с щавелевоуксусной кислотой, с образо-
ванием трикарбоновой лимонной кислоты и отщеплением свободного
коэнзима A (KoASH).
соон соон
СН8СО—SKoA 4- сн2 сн2 4- KoASH
со НО—С—СООН
I I
соон сн2-соон
Щавелевоуксусная кислота, входящая в эту реакцию, образуется
либо из пировиноградной кислоты, либо из аминокислоты аспара-
гиновой кислоты путем ее дезаминирования. Таким образом, су-
щественно отметить, что в этом звене ЦТК связывается с обменом
углеводов и аминокислот, помимо связи с обменом жиров по линии
образования ацетилкоэнзима А; связь с обменом аминокислот мож-
но установить в ряде пунктов ЦТК. Указанная реакция образования
лимонной кислоты не могла бы самопроизвольно происходить со
свободной уксусной кислотой, так как в этом случае требовалось
бы положительное изменение свободной энергии, &Z0 =8 ккал/моль,
однако благодаря макроэргической связи в ацетилкоэнзиме А
(Д20=— 8,2 ккал/моль; см. табл. 2) эта реакция идет самопроизволь-
но, хотя и при участии специального фермента.
В следующих реакциях (2) и (3) (табл. 6) лимонная кислота под
влиянием фермента аконитазы превращается в цисаконитовую кис-
лоту, а последняя в изолимонную кислоту:
СООН СООН СООН
сн2 +!?!£._► ^нон
I и I
НО—С—СООН С—СООН НС—СООН
СН2—СООН ён2—СООН СН2—СООН
Затем изолимонная кислота окисляется (путем дегидрирования)
до щавелевоянтарной кислоты (табл. 6, реакция (4) под влиянием
фермента — дегидрогеназы изолимонной кислоты, причем отни-
маемые 2Н в конечном счете окисляются до воды:
СООН СООН
снон > со
НС—СООН НС—СООН
СН2—СООН СН2—СООН
В следующей реакции (5) (табл. 6) под влиянием соответствую-
щего фермента карбоксилазы происходит отщепление СО2 (декар-
боксилирование) щавелевоянтарной кислоты с образованием кето-
глутаровой кислоты, что означает переход в ЦТК от трикарбоно-
вых к дикарбоновым кислотам:
СООН СООН
io io
ni—соон сн2
СН2—СООН СН2—СООН
Затем" происходит сложная реакция (реакция (6) табл. 6) об-
разования из кетоглутаровой кислоты янтарной кислоты с проме-
жуточным включением и отщеплением коэнзима A (KoASH) и учас-
тием целой группы различных ферментов:
СООН СООН
io ~тг in2
in, +Нг° сн2
iH2—соон iooH
При этой реакции (6) отщепляется вторая молекула СОа и обра-
зуется путем окисления 2Н вторая новая молекула Н2О (первая
образована в реакции (4).
В следующей реакции (7) (табл. 6) при участии фермента сукцин-
дегидрогеназы происходит перенос 2Н из янтарной кислоты через
цитохромную систему (гл. 3) на кислород с образованием третьей
молекулы Н2О и переходом янтарной кислоты в фумаровую:
60
соон соон
сн2 _2Н сн
сн2 сн
соон соон
В дальнейшей реакции (8) (табл. 6) фумаровая кислота под влия-
нием фермента фумаразы присоединяет молекулу воды и перехо-
дит в яблочную кислоту:
СООН СООН
сн +НгО сн2
сн снон
соон соон
Наконец, в заключительной реакции (9) (табл. 6) яблочная кис-
лота под действием фермента маликодегидрогеназы теряет 2Н (об-
разующие четвертую новую молекулу воды) и окисляется до щаве-
левоуксусной кислоты, образование которой и замыкает весь цикл
ЦТК (см. реакцию (1), табл. 6):
СООН СООН
I I
CHg ___2н CHg
I --------* I
снон со
соон соон
Общая схема реакций ЦТК с соответствующими изменениями
свободной энергии приведена в табл. 6, из которой видно, что при
каждом обороте цикла происходит вхождение в цикл одной моле-
кулы ацетилкоэнзима А, т. е. активированной уксусной кислоты,
и удаление из него свободного коэнзима А, двух молекул СО2
(в реакциях (5) и (6) и балансовое удаление двух молекул Н2О
(вхождение одной молекулы Н2О в реакции (1) не надо учитывать,
так как она расходуется на гидролиз ацетилкоэнзима А). Таким
образом, при каждом обороте цикла происходит полное окисление
одной молекулы уксусной кислоты.
Замечательно, что из двух молекул СО2, как показано при
помощи изотопной методики, лишьzодна образована из ацетата,
поступившего в цикл, тогда как другая образована из одного из
промежуточных веществ цикла; в свою очередь, второй атом угле-
рода ацетата входит в состав одного из веществ цикла. Таким обра-
зом, при каждом обороте цикла происходит обмен между вещества-
ми цикла — катализаторами и молекулой субстрата — уксусной
кислотой, т. е. понятие катализатора здесь приобретает своеобраз-
ный смысл. Хотя молекулы катализатора регенерируются в прежнем
количестве, их внутренняя природа оказывается измененной.
61
Полное изменение свободной энергии при этом процессе очень ве-
лико (AZ0 =—211,8 ккал/моль-, отклонение от AZ0 =—207 ккал/моль,
указанного на стр. 58, объясняется ошибками отдельных опреде-
лений в табл. 6), но даже на отдельных ^этапах освобождаются зна-
чительные количества энергии, как видно из таблицы, особенно на
окислительных этапах цикла (реакции (4), (6),(7), (9). Следует от-
метить, что эти реакции лежат в основе процессов биологического
окисления или дыхания, которые будут подробно рассмотрены в
главе 4, а соответствующие ферменты (в том числе различные упо-
минавшиеся выше дегидрогеназы) — в главе 3.
Цикл трикарбоновых кислот тесно связан с обменом аминокислот,
не только через ацетилкоэнзим А (см. выше), но также через кето-
глутаровую кислоту, которая может образоваться из глутаминовой
кислоты, гистидина, аргинина и др., через щавелевоуксусную кис-
лоту, которая может образоваться из аспарагиновой кислоты, ти-
розина, фенилаланина и др. Наряду с приведенными выше данными
о взаимосвязи обмена углеводов и жиров, связи ЦТК с обменом бел-
ков и аминокислот характеризуют глубокое переплетение процес-
сов обмена всех основных питательных веществ. Можно еще доба-
вить, что ЦТК и ацетилкоэнзим А тесно связаны с обменом порфири-
нов и стероидов и, в частности, имеют существенное значение для их
биосинтеза.
Многие процессы обмена (например, некоторые стадии глико-
лиза, обмен аминокислот и др.) имеют для энергетики организма
сравнительно подчиненное значение; более существенно их значение
для обеспечения необходимыми веществами различных процессов
биосинтеза. С другой стороны, окисление жирных кислот, аэроб-
ный распад углеводов, цикл трикарбоновых кислот являются ос-
новными источниками энергии организма, хотя разумеется, об-
разуемые в этих процессах промежуточные вещества являются не-
обходимыми и для синтетических процессов. Было бы неправильно
в какой-либо мере противопоставлять материальную и энергетичес-
кую стороны процессов обмена веществ; в действительности, -как
указывалось, они образуют единый, неразделимый процесс. В энер-
гетическом отношении процессы распада питательных веществ в
организме могут быть, по Кребсу и Корнбергу, достаточно отчетливо
разделены на три стадии: 1) распад макромолекул биополимеров до
мономеров — углеводов до гексоз, белков до аминокислот и жиров
до глицерина и жирных кислот, когда освобождается лишь неболь-
шая часть энергии (0,1—0,5%); это, кстати, характеризует и неболь-
шую роль конфигурационной энтропии (стр. 26); 2) превращение
перечисленных мономеров в пировиноградную кислоту, ацетил-
коэнзим А и некоторые другие члены ЦТК, когда освобождается
15—30% энергии и 3) окисление в цикле трикарбоновых кислот,
в котором выделяется до 70—80% энергии.
Однако дело заключается не только в суммарном выделении
энергии, что могло бы удовлетворить потребности организма в теп-
62
лоте. Наиболее существенное значение для организма имеет воз-'
можность использования выделяемой свободной энергии для со-
вершения различных видов работы — механической, осмотической,
электрической и др., но для этого организм имеет лишь один путь —
накопление свободной энергии в соединениях с высоким потенциа-
лом переноса групп, прежде всего в АТФ. Поэтому вопрос о полез-
ном использовании свободной энергии метаболических процессов
сводится прежде всего к вопросу о сопряженном образовании моле-
кул АТФ и аналогичных соединений.
При рассмотрении процессов, гликолиза (стр. 48) уже указы-
валось, что он сопровождается образованием двух молекул АТФ
с полезным выходом (к. п. д.) около 40%. Этот процесс называется
анаэробным фосфорилированием. Для целого ряда других процес-
сов — для окислительных стадий ЦТК (табл, б), окисления жир-
ных кислот (табл. 5), для окисления молочной кислоты и глицерина
до пировиноградной кислоты фосфорилирование осуществляется при
переносе протонов и электронов по цепи окислительных ферментов
от субстрата до молекулярного кислорода; механизм этого процесса
будет подробно рассмотрен в главе 4. Отряжение фосфорилирования
с окислением при участии кислорода называется окислительным,
фосфорилированием. Этот процесс главный источник образования
макроэргических соединений и естественно локализован в мито-
хондриях (гл. 5),т. е. там же, где локализованы процессы окисления
жирных кислот и цикл трикарбоновых кислот. Подсчитано, что на
каждый атом кислорода посредством окислительного фосфорилиро-
вания образуется три макроэргические связи. Так, например, пол-
ное окисление ацетилкоэнзима А (табл. 6), связанное с AZ0=—207
ккал/моль, требует расхода двух молекул О2 или четырех атомов кис-
лорода, что соответствует 12 связям по 10 ккал/моль или всего 120
ккал/моль, (при к. п. д. около 60%). При окислении пальмитино-
вой кислоты (AZ0=— 2335 ккал/моль) образуется до 138 ~ |Р|, что
составляет 100=60%. Фактические обоих случаях вели-
чины к. п. д. несколько ниже, но тем не менее они характеризу-
ют высокую степень полезного использования свободной энергии
метаболических процессов. Способы использования запасенной сво-
бодной энергии АТФ для совершения различных видов работы в
организме тесно связаны с соответствующими биологическими
структурами и будут рассмотрены в главах 4—6.
ХЕМОСИНТЕЗ
Выше мы рассмотрели превращения энергии при распаде пи-
тательных веществ — углеводов, жиров, отчасти белков и окисле-
нии их, в конечном счете до СО2 и воды. Эти процессы уравновеши-
ваются в природе процессами образования органических веществ
путем ассимиляции углекислого газа за счет сопряженного исполь-
63
зования других источников энергии — прежде всего, неисчерпае-
мой энергии солнечного света. Образование органического вещества
в процессе усвоения углекислого газа за счет световой энергии осу-
ществляется в огромных масштабах зелеными растениями — это
процесс фотосинтеза. Фотосинтез как по своему механизму, так и по
биологической роли, имеет настолько фундаментальное значение,
что его необходимо рассмотреть в особой главе (см. гл. 6). Однако
в природе образование органического вещества из углекислого газа,
помимо основного процесса —фотосинтеза, производится в довольно
широком масштабе (но имеющем лишь подчиненное значение по
сравнению с фотосинтезом) рядом микроорганизмов, которые ис-
пользуют для целей биосинтеза сопряженное использование энер-
гии окисления различных неорганических ‘ соединений: аммиака,
азотистой кислоты, сероводорода, серы и других веществ. Эти про-
цессы получили название хемосинтеза и были подробно исследова-
ны Виноградским.
Микроорганизмы, осуществляющие процессы хемосинтеза, не
требуют для своего питания посторонних источников органических
веществ и поэтому называются автотрофными (самостоятельно пи-
тающимися), в отличие от животных организмов и паразитных мик-
роорганизмов, которые должны получать органические вещества
извне (гетеротрофные организмы). К автотрофным организмам от-
носятся также зеленые растения.
Автотрофные бактерии отличаются довольно значительным раз-
нообразием; в то же время они весьма специфичны по природе осу-
ществляемой ими реакции хемосинтеза. Эффективность исполь-
зования свободной энергии при процессах хемосинтеза обычно зна- -
чительно ниже, ч&м при фотосинтезе и гетеротрофном питании.
Нитрифицирующие бактерии Nitrosomonas используют энергию,
освобождающуюся при реакции окисления аммиака до азотистой
кислот^:
2NH3 + ЗО2 = 2HNO2 + 2Н2О + 158 ккал (AZ = —ПЗЗ ккал),
что составляет 79 ккал (AZ=—66,5 ккал) на моль аммиака, причем
для усвоения одной молекулы СО2 (с затратой AZ около 118 ккал)
бактерии должны окислить 35 молекул аммиака, с эффективностью
использования свободной энергии лишь около 5,0 %.
Другой вид нитрифицирующих бактерий Nitrobacter осуществля-
ет ассимиляцию СО2 за счет реакции окисления азотистой кислоты
до нитратов:
2HNO2 + О2 = 2HNO3 + 43,2 ккал (—&Z = 35,0 ккал),
что составляет 21,6 ккал (AZ=—17,5) на моль азотистой кислоты.
В этом случае для усвоения одной молекулы СО2 бактерии окисля-
ют 101 моль азотистой кислоты, с полезным использованием сво-
бодной энергии 7,0 %.
Оба вида нитрифицирующих бактерий биологически тесно свя-
заны между собой и с бактериями и плесневыми грибами, разлага-
64
ющими органические вещества остатков животных и растении с
выделением аммиака.
Имеются железобактерии (Spirophyllum ferrigineum и др.), ко-
торые используют энергию реакции окисления закисного железа:
4FeCO3 + Оа + 6Н2О = 4Fe(OH)3 + 4СОа + 81 ккал
(Д2 = — 40 ккал).
Эти бактерии для получения 1 г клеточного вещества должны об-
разовать до 500 г Fe(OH)3; поэтому они образуют значительные от-
ложения железных руд на дне водоемов. Существуют аналогичные
виды марганцевых бактерий. Эффективность использования сво-
бодной энергии этими бактериями также не превышает 5—8%.
Большую группу хемосинтезирующих бактерий составляют бак-
терии, использующие для своего метаболизма окисление серы и ее
соединений. Бактерии Beggiatoa и Thiothrix производят окисление
сероводорода:
2HaS + О2 = 2НаО + 2S + 65 ккал,
или 32,5 ккал/моль H2S. Образуемая сера выделяется в виде мелких
гранул в клетках и при отсутствии сероводорода окисляется до
H2SO4:
2S + ЗО2 + 2Н2О = 2HaSO4 + 283,6 ккал (AZ = — 237 ккал).
Таким образом, сера в этих бактериях играет роль аналога жи-
ров в животном организме. Бактерии Thiobacillus thioparus окисля-
ют не только H2S, но также тиосульфат и тетратионат, но они от-
кладывают серу вне организма и дальнейшее окисление серы не
имеет существенного значения:
5Na2S2O3 + Н2О + 4Оа = 5Na2SO4 + H2SO4 + 4S + 500 ккал.
Бактерии Thiobacillus denltrificans окисляют серу за счет кислорода
нитратов, выделяя элементарный азот:
6KNOa + 5S + 2СаСО3 = 3K2SO4 + 2CaSO4 + 2СО2 + 3Na
(Д Z = — 660 ккал)
Бактерии Thiobacillus thiooxidans окисляют серу и тиосульфаты до
серной кислоты (сульфатов), без выделения элементарной серы:
2S + ЗО2 + 2HaO=2H2SO4 + 283,6 ккал,
NaaSaOs + 2Оа + Н2О = Na2SO4 + HaSO4 + 211 'ккал>
Окисление серы сопровождается поглощением СОа и неорганичес-
кого фосфата. Замечательно, что эти клетки могут существовать
даже при pH 0,6; оптимальным значением pH, однако, является
3—4. Все перечисленные виды серобактерий обладают эффектив-
ностью использования свободной энергии всего 6—8%.
Более высоким полезным использованием свободной энергии
характеризуются бактерии, окисляющие свободный водород, ис-
3 Заказ № 531
65
пользуя энергию реакции:
2Н2 + О2 = 2Н2О +136 ккал,
(AZ = — 112 ккал).
К числу этих бактерий относятся Bacillus pantothropus, Вас-
pycnoticus и др. Предполагают, что часть водорода окисляется не-
посредственно, а другая часть идет на восстановление СО2 и про-
цессы биосинтеза. Эффективность использования свободной энергии
водородными бактериями достигает 20—26%. Водородные бактерии
могут также развиваться на растворах органических веществ, и
таким образом они как по характеру метаболизма, таки по степени
использования свободной энергии образуют некоторый переход
между автотрофными и гетеротрофными бактериями.
Следует еще упомянуть о бактериях Вас. meihanicus, способных
окислять метан:
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О
(AZ — 195 ккал)
с эффективностью использования свободной энергии также около
25%. В целом, автотрофные бактерии (особенно нитрифицирующие
бактерии, серо-и железобактерии) значительно уступают по эффек-
тивности использования свободной энергии химических реакций
зеленым растениям (при эффективности фотосинтеза около 30%;
см. гл. 6), животным и гетеротрофным бактериям, вследствие чего их
распространение и удельный вес в кругообороте веществ в природе
имеет подчиненное значение.
ГИДРАТАЦИЯ И ДЕНАТУРАЦИЯ БЕЛКОВ
В предыдущих разделах была рассмотрена термодинамика не-
которых основных процессов ассимиляции и диссимиляции в био-
логическом мире. Однако, помимо метаболических процессов су-
щественный интерес могут представлять превращения энергии при
изменении физико-химического состояния основных классов био-
полимеров, которые мы рассмотрим на примере гидратации и дена-
турации белков.
Гидратация белков — важнейший фактор устойчивости их раст-
воров. Гидратация ионизированных групп белка обусловлена ори-
ентацией дипольных молекул воды в электрическом поле иона, а
гидратация полярных групп белка — ориентацией молекул воды в
результате взаимодействия диполей и образования водородных свя-
зей. Благодаря постепенному падению энергии связи растворенного
вещества с растворителем по мере удаления от молекулы растворен-
ного вещества, гидратный слой имеет диффузный характер, но в ос-
новном энергия взаимодействия сосредоточена в первом молекуляр-
ном слое. Поэтому молекулы гидратной воды можно представить в
виде одного слоя вокруг ионизированных и полярных групп белка,
тогда как неполярные участки (например, остатки лейцина) остаются
свободными от воды, т. е. топография гидратного слоя выражается
66
рядом островков на молекуле белка. Количество связанной воды для
различных белков составляет около 0,15—0,35 на 1 г белка. Связан-
ная вода в гидратной оболочке находится в упорядоченном состоя-
нии, что приводит к уменьшению энтропии при гидратации. Термо-
динамические характеристики гидратации для ряда белков были
исследованы Буллом, данные которого приведены в табл. 7.
Таблица 7
Изменения свободной энергии и теплосодержания
при гидратации белков
Белок —AZ, кал/молъ —АН, кал!моль -TAS, кал/моль
Яичный альбумин 892 ' 1570 678
р-лактоглобулин 917 1610 693
Сывороточный альбумин 1034 1450 416
Псевдоглобулин 1109 1830 721
Шелк 7 656 1270 614
Шерсть 975 1950 975
Коллаген 1620 3640 2020
В табл. 7 приведены термодинамические характеристики про-
цесса сорбции водяных паров белками в зоне образования первого
монослоя при 25°С. Сопоставление этих цифр показывает, что энт-
ропийный член — TAS, равный, согласно уравнению (2), AZ—АЯ,
играет в процессе гидратации значительную роль. Кроме того, из
табл. 7 видно, что член AS гидратации всюду имеет отрицательное
значение, что указывает на упорядоченную структуру гидратной
оболочки, в согласии с данными, полученными другими методами.
При дальнейшем оводнении сйстемы (на стадии набухания и раство-
рения белков) изменение свободной энергии превышает изменение
теплосодержания, и энтропия системы начинает возрастать.
Необходимо отметить, что при взаимодействии белков с большими
органическими ионами (вроде метилоранжа или азосульфатиазола),
где реакция имеет характер больше солеобразования, чем соль-
ватации, присоединение сопровождается дегидратацией активной
группы органического иона, причем происходящее при этом увели-
чение энтропии играет существенную р оль в процессе связывания,
например, для системы серумальбуми н — метилоранж при 25°С
AZ =—6411 кал!моль, а ДЯ только — 2100 кал!моль, откуда AS =
=4-14,5 энтр. ед. Это обстоятельство может иметь существенное
значение для взаимодействия белков с различными биохимически
важными соединениями.
Денатурация белков — один из наиболее важных видов струк-
турной перестройки белковых молекул под влиянием нагревания,
изменения состава среды .и ряда других воздействий. Хотя общая
внешняя форма молекул при денатурации изменяется сравнительно
слабо, в молекуле происходит изменение пространственного распо-
3* 67
ложения части звеньев цепи и перегруппировка ряда внутримоле-
кулярных связей (порядка нескольких десятков водородных и ана-
логичных связей), которые сопровождаются заметным изменением
ряда физических, химических и биологических свойств белковых
молекул. При денатурации происходит нарушение упорядоченности
строения нативной, исходной белковой молекулы и некоторое ее
разрыхление, которое составляет около 100 см3 на 1 моль, вследствие
чего денатурация происходит с увеличением энтропии, достигаю-
щей значительной величины (табл. 8)
Таблица 8
Термодинамические характеристики обратимой тепловой
денатурации (при 50° С)
(по Путнаму)
Белок AS, энтр. ед. ДЯ, кал/моль AZ, кал/моль
Трипсин 213 67600 —1270
Ингибитор трипсина (из сои) . . . Химотрипсиноген: 180 57000 — 900
при pH 2,0 ’ . . 316 99600 —1200
при pH 3,0 432 143000 — 247 ' (58,2° С)
Большие положительные изменения ДЯ (табл. 8) означают отри-
цательные тепловые эффекты денатурации, которая, таким образом,
является эндотермическим процессом. Рост теплосодержания объяс-
няется затратой энергии на разрыв ряда внутримолекулярных свя-
зей, число которых можно приближенно определить путем деления
ДЯ на 1500—2000 кал/моль (приближенное значение энергии водо-
родной связи белковой молекулы в водном растворе); полученное
число, порядка нескольких десятков связей, обычно составляет
15—25% общего числа этих связей в белковой молекуле. Большие
положительные значения ДЯ при денатурации белков по уравне-
нию (2) практически компенсируют положительные значения Д5, в
результате чего изменения свободной энергии Д/ приобретают не-
большие отрицательные значения и делают процесс денатурацйи
(при 50°С) самопроизвольным. Равновесие процесса резко смещается
в узком температурном интервале, например, при денатурации химо-
трипсиногена при pH 3,0 константа равновесия возрастает в 100
раз в температурном интервале всего около 5°С; при более низких
температурах равновесие сдвинуто в сторону нативного белка, а при
более высоких температурах — в сторону денатурированного белка.
Большой интерес представляет также изучение термодинамических
характеристик кинетики денатурации белков, так как было показано,
что промежуточное образование активного комплекса (см. гл. 3) так-
же сопровождается значительным ростом энтропии активации
Д5*, при одновременных высоких значениях энергии активации
68
Н*, вследствие чего свободные энергии активации ДР*, опреде-
ляющие абсолютную скорость процесса денатурации, лежат для
большинства белков в сравнительно узком интервале 20 000 —
27000 кал!моль. Величины AF* и абсолютные скорости реакций
при тепловой денатурации яичного альбумина в воде при 70°С и де-
натурации того же белка мочевиной при 0°С (табл. 9) оказываются
весьма близкими, хотя термодинамические характеристики обоих
процессов совершенно различны.
Таблица 9
Термодинамические характеристики денатурации яичного альбумина
Условия денатурации kt сек-1 AF*, ккал/л дя*, ккал/моль Д5*, энтр. ед.
Вода, 70°С; pH 5,0 Мочевина 0,6 г/см3\ pH 5,9 5,110-« 6,7-Ю-8 23,7 19,3 132,1 —6,7 315,7 —96,0
Добавление мочевины как бы снижает температурный порог де-
натурации яичного альбумина на 70°С. При этом значение ДЯ*
уменьшается на 14 ккал/моль (с 132,1 до —6,7 ккал/моль), но это
изменение компенсируется резким уменьшением энтропии AS*
(с 315,7 до—96 энтр. ед.), в результате чего ДГ* изменяется
сравнительно мало. Большой тепловой эффект и резкое уменьше-
ние энтропии при образовании активного комплекса в случае дена-
турации белка мочевиной вполне соответствует изменениям, кото-
рые должны быть при связывании мочевины белком и образовании
упорядоченного сольватного слоя.
ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Ознакомление с превращениями энергии при метаболических
процессах (табл. 3, 5, 6 и др.) показывает характерную особенность
этих превращений, заключающуюся в ступенчатом использовании
свободной энергии питательных веществ. В этом расчленении ис-
пользования свободной энергии заключен глубокий смысл, так как
клетка не могла бы достаточно эффективно использовать слишком
большие количества энергии. Большие значения ДИ означают, что
система далека от термодинамического равновесия, а в таких случа-
ях переход к состоянию равновесия является обычно необратимым,
с низкой величиной полезного использования свободной энергии.
Разделение суммарной величины ДИ на ряд последовательных из-
менений приближает реакции освобождения и переноса энергии к
состоянию обратимого равновесия, что повышает эффективность
использования свободной энергии. Если бы в организме окисление
глюкозы или жирной кислоты происходило в одну стадию, как в
69
калориметре, то одновременное выделение нескольких сотен кило-
калорий не могло быть полезно использовано клеткой и, помимо
низкого к. п. д., привело бы к выделению большого количества теп-
ла и к резкому локальному повышению температуры, что уже само
по себе могло бы привести к гибельным последствиям для клетки.
Поэтому многоступенчатое использование свободной энергии пита-
тельных веществ принципиально необходимо для жизнедеятельности
клетки.
Из материалов настоящей главы видно, что промежуточные
этапы распада питательных веществ, катализирующие их ферменты
и перепады свободной энергии, изучены достаточно обстоятельно.
Однако термодинамические характеристики метаболических про-
цессов еще далеко нельзя считать выясненными. Основанные на
изучении равновесных концентраций реагирующих веществ расче-
ты AZ еще не дают полной картины процесса. Сопутствующие изме-
нения теплосодержания Д/7 и энтропии Д5 на различных стадиях
метаболических процессов изучены еще весьма слабо. Кроме того,
характеристика метаболических процессов, с точки зрения класси-
ческой термодинамики равновесных состояний, принципиально не-
достаточна. Все живые организмы являются открытыми системами
(см. гл. 2) и, поэтому любые метаболические процессы в них долж-
ны рассматриваться не как термодинамические равновесия, а как
стационарные состояния, которые, согласно термодинамике необра-
тимых процессов (см. стр. 29) должны характеризоваться определен-
dS
ными значениями интенсивности продуцирования энтропии .
Но измерения этих величин затрудняются отсутствием не только
необходимых значений изменений энтропии, но и кинетических ха-
рактеристик метаболических реакций (констант скорости частных
реакций окисления жирных кислот, цикла Кребса и др.), которые
еще крайне слабо изучены. Поэтому изложенные выше термодина-
мические характеристики метаболических процессов следует счи-
тать пока лишь первым, еще далеко недостаточным приближением
к термодинамике биохимических процессов, хотя уже достигнутые
успехи, несомненно, значительны.
Универсальным механизмом аккумуляции энергии метаболи-
ческих процессов в клетке является, как указывалось, образование
АТФ и других соединений с высоким потенциалом переноса (аце-
тилкоэнзима А, креатинфосфата и др.). В этом и заключается основ-
ной процесс, определяющий степень полезного использования сво-
бодной энергии питательных веществ и составляющий, в известном
смысле, центральный узел биоэнергетики — превращений энергии
в организмах. На разных стадиях метаболических процессов (гли-
колиз, окислительные процессы) этот коэффициент полезного исполь-
зования свободной энергии составляет от 40 до 60% (см. выше).
Остальная часть энергии расходуется, в конечном счете, на теплоту,
которая хотя и необходима для жизнедеятельности организмов, не
70
учитывается при расчете к. п. д. процессов, подобно тому, как она
не учитывается при характеристике различных машин и двигателей
(например, паровозов или двигателей внутреннего сгорания), где
она также необходима для их функционирования. Роль других фи-
зических процессов, связанных с превращениями и переносом энер-
гии в организме, — возбужденных электронных состояний сложных
молекул, резонансного переноса энергии и полупроводниковых явле-
ний, является существенной в процессах использования внешних из-
лучений большой энергии (см. гл. 6), но для обычных ферментативных
реакций, лежащих в основе всех процессов обмена веществ, ука-
занные физические процессы вряд ли имеют значение (см. гл. 3
и 6).
Однако образование АТФ является для организма лишь эта-
пом на пути использования свободной энергии питательных веществ.
В форме АТФ питательные вещества преобразуются в специальное
горючее, необходимое для работы живых организмов. В последующих
процессах энергия АТФ используется для выполнения этих различ-
ных видов работы организма. При этом для выполнения каждого
вида работы в организме существуют определенные специализиро-
ванные структуры.
Без ознакомления с организацией этих биологических структур
невозможно выяснить пути их функционирования и способы пре-
вращения энергии АТФ в конкретные формы работы организма;
поэтому эти вопросы будут рассмотрены в последующих главах
4—6. Сюда относятся вопросы мышечного сокращения, нервного
возбуждения, образования электрических потенциалов, активного
транспорта веществ, фотосинтеза и мн. др. В этих же главах будут
рассмотрены изменения энергии и энтропии при указанных процес-
сах. Важное значение изменений термодинамических параметров при
ферментативном катализе будет подробно рассмотрено в главе 3.
Наконец, благодаря сопряжению экзергонических реакций с учас-
тием АТФ и окислительных реакций осуществляются эндергоничес-
кие процессы различных химических синтезов в организме, из кото-
рых выше упоминались процессы синтеза гликогена, жирных кис-
лот и др.
Естественно, что все процессы использования АТФ в организме
также не происходят с полным выходом и сопровождаются по-
терями энергии. Поэтому, если образование АТФ происходит с
выходом 40—60%, то итоговое использование свободной энергии
питательных веществ значительно ниже этих цифр. Суммарные
цифры использования химической энергии при развитии организ-
мов, начиная от гриба Aspergillus niger и кончая млекопитающими
(лошадь, корова, овца и др.), если взять отношение теплосодержания
всей накопленной биомассы организма и питательных веществ,
составляет около 31—39%, а выполнение механической работы та-
кими организмами, как человек или лошадь, происходит с общим
полезным выходом лишь около 20—25% .
71
выводы
Живые организмы полностью подчиняются обоим началам тер-
модинамики и, соответственно, они не могут быть источниками веч-
ного двигателя первого или второго рода. Пищевые продукты осво-
бождают в организме такое же количество энергии, как и при сжига-
нии их вне организма до тех же конечных веществ. Организ-
мы не могут совершать работу только за счет теплоты окружающей
среды, в соответствии со вторым началом термодинамики. Процес-
сы жизнедеятельности в системе организм — среда, рассматривае-
мой в ее неразрывном единстве, происходят с общим увеличением
энтропии, как и в других системах с необратимыми процессами.
Локальное уменьшение энтропии в организме, например при осу-
ществлении биохимических синтезов или неравновесного распре-
деления вещества, с избытком перекрывается сопряженным уве-
личением энтропии в других частях организма или в окружающей
среде и не должно считаться противоречащим второму началу. Уве-
личение энтропии не играет определяющей роли в ходе биологичес-
кого обмена веществ, так как направление процессов обмена опре-
деляется приспособлением организма к условиям существования и
действием эволюционного отбора (т. е. биологическими закономер-
ностями). Изменение энтропии или интенсивности ее продуцирова-
ния (величины, используемой в термодинамике необратимых про-
цессов) не является движущей силой онтогенеза или эволюционно-
го процесса. Изменение отрицательной энтропии в организме не
является мерой упорядоченности биологических структур и биохи-
мических процессов. Поглощая питательные вещества, организм
поглощает не отрицательную энтропию или упорядоченность, а
запас свободной энергии; с равным успехом он может питаться «не-
упорядоченной» смесью аминокислот и простых углеводов. Термо-
динамическая энтропия по физическому смыслу отличается от ин-
формационной функции Шеннона, вследствие чего связь между энт-
ропией и неупорядоченностью в биологических системах имеет ог-
раниченное значение. В целом, изменения энтропии сопутствуют
всем процессам жизнедеятельности, но служат принципиально не-
достаточной характеристикой для анализа биологических явлений.
Живые организмы не находятся в термодинамическом равновесии
с окружающей средой, а характеризуются наличием ряда стацио-
нарных состояний и переходов между ними (подробнее см. гл. 2).
В термодинамическом отношении стационарное состояние характери-
зуется постоянным во времени минимальным рассеянием свободной
энергии и постоянной минимальной скоростью продуцирования энт-
ропии внутри системы, в отличие от нулевых значений этих функций
при термодинамическом равновесии в замкнутых системах. Постоян-
ство стационарного состояния поддерживается благодаря непрерыв-
ному поступлению свободной энергии из среды в количестве, компен-
сирующем ее изменение в системе (ур. 13); уравнение (12) характери-
72
зует аналогичный процесс для баланса энтропии. При отклонении
системы от стационарного состояния она стремится вернуться к
нему вследствие стремления интенсивности продуцирования энтро-
пии к минимуму (аутостабилизация стационарного состояния). При
достаточном отклонении стационарного состояния от термодинамиче-
ского равновесия, нарушаются линейные соотношения (в частности,
нарушается ур. (10) Онзагера) и система не обладает потенциалом,
что создает возможность циклических изменений системы вокруг ста-
ционарного состояния. Попытки использования этого или других тер-
модинамических параметров для определения жизни или эволюци-
онного уровня организмов, следует считать принципиально недо-
статочным. В то же время, изменение термодинамических характе-
ристик (изменения свободной энергии, энтальпии, энтропии) био-
химических процессов и их применение в обоснованных пределах,
например, для расчета максимальной работы этих процессов, имеет
весьма существенное значение. Обычно эти расчеты производятся
на основании измерений равновесий биохимических реакций, а также
путем использования термодинамических таблиц для биохимически
важных реагирующих веществ (подобных тем, которые указаны в
табл. 1). В большинстве случаев, однако, вследствие недостатка
точных данных, расчеты ограничиваются вычислением изменения
свободной энергии или термодинамического потенциала AZ биохи-
мических реакций.
Важное значение имеют величины AZ для различных реакций
переноса атомных групп, которые в частном случае переноса на
молекулы воды относятся к реакциям гидролиза. Некоторые вещества
из группы пирофосфатов (АТФ, АДФ), энолфосфатов (фосфоэнол-
пировиноградная кислота), ацилфосфатов (дифосфоглицериновая ки-
слота), аминофосфатов (креатинфосфат) обладают высоким потенциа-
лом переноса фосфатных групп, достигающим при реакции гидро-
лиза AZ=8—10 ккал/моль. Другим важнейшим типом связей с
высоким AZ (около 8 ккал/моль) являются тиоэфирные связи (аце-
тил кофермент А). Соединения с высокими значениями AZ переноса
групп обычно не вполне точно называют макроэргическими соедине-
ниями.
В качестве типичных биохимических процессов рассмотрены хи-
мические превращения и изменения AZ при реакциях гидролиза
(табл. 3), аэробного распада углеводов, окисления жирных кислот
(табл. 5), цикла трикарбоновых кислот (табл. 6) и др., причем под-
черкнуты реакции разветвлений и тесного взаимного сопряжения
различных видов обмена веществ в единую сложную сетку биохими-
ческих реакций в организме. Рассмотрены также основные химичес-
кие процессы и соответствующие AZ и АЯ у хемосинтезирующих
организмов и существенные для организмов процессы гидратации и
денатурации белков (табл. 7—9).
Для метаболических процессов характерно ступенчатое исполь-
зование свободной энергии с малыми перепадами AZ. Основное зна-
73
г
к
чение имеет сопряженное образование макроэргических соединений,
прежде всёго АТФ. Этот процесс идет при анаэробном фосфорилиро-
вании с полезным выходом около 40% и при окислительном фосфо-
рилировании — около 60%. Последующие преобразования энергии
АТФ, играющего роль универсального «горючего» в организме,
в различные виды биохимических синтезов или механической, ос-
мотической, электрической работы, происходят при помощи специа-
лизированных структур (см. гл. 5). Потери на этих стадиях приводят
к конечному полезному использованию энергии питательных ве-
ществ в организме около 20—25%.
ЛИТЕРАТУРА
Брей Дж. и У а й т К. Кинетика и термодинамика биохимических
процессов. ИЛ, 1959.
Владимиров Г. Е., Власова В. Г. [и др.]. Определение сво-
бодной энергии гидролиза АТФ. «Биохимия», 1957, т. 22, № 6.
Вечер А. С. Основы физической биохимии. Минск, Изд-во «Высшая
школа». 1966.
«Горизонты биохимии». Сборник. Под ред. Л. А. Тумермана. М.,
Изд-во «Мир», 1964.
Коробов В. В. и Фрост А. В. Свободные энергий органических
соединений. М., 1949.
Кребс Г. и Корнберг Г. Превращения энергии в живых си-
стемах. ИЛ, 1959.
Пасынский А. Г. Второе начало термодинамики в биологии.
«Биохимия», 1953, т. 18, № 5.
П р и г о ж и н И. Введение в термодинамику необратимых процессов.
М., 1961.
Сент-Дьердьи А. Биоэнергетика. М., 1960.
Фердман Д. Л., Биохимия. М., Изд-во «Высшая школа», 3-е изд.
1966.
«Biochemisches Taschenbuch», Herausg., Н. Rauen, Springer, 1956, S.
1332.
George P. a. R u t m an R. The «High Energy Phosphate Bond
Concept» — Progress in Biophysics, 1960, № 10.
Klotz J. Some principles of energetics in biochemical reactions. N.-Y.
1957.
N e t t e r H. Theoretische Biochemie. Berlin, 1959.
Wilkie R. Thermodynamics and the interpretation of biological heat
measurements «Progress in Biophysics», 1960, № 10.
R a с k e г E. Mechanism in Bioenergetics Acad. Press, N J. 1965.
Toly M. A physico-chemical approach to the denaturation of pro-
teins, In «Molec. Biol. v. 6, 1966, Ed. Horecker B., Kaplan N.
ГЛАВА 2
ОБЩАЯ КИНЕТИКА БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
(теория открытых систем)
Любая ограниченная система в ее отношении к окружающей сре-
де может быть отнесена к числу: 1) открытых систем, если в ней про-
исходит обмен веществом и энергией со средой; 2) закрытых систем,
если обмен ограничен энергией (например, переходом тепла),
но обмен веществом отсутствует, и 3) изолированных, если система
не обменивается со средой ни веществом, ни энергией; последние
два вида систем можно назвать замкнутыми.
Кардинальным свойством живых организмов, лежащим в основе
всех процессов жизнедеятельности, является наличие постоянного
обмена веществом и энергией между ними и окружающей средой.
Поэтому все живые организмы относятся к открытым системам.
В первой главе уже указывалось, что в замкнутых системах реак-
ция ограничена количествам наличных реагирующих веществ, и
по окончании реакции наступает равновесное состояние, которое
характеризуется постоянством свойств системы во времени. В от-
крытой системе непрерывно происходит поступление и удаление
вещества, и вместо равновесия в ней наступает стационарное со-
стояние, которое характеризуется не отсутствием, а постоянством
скорости химических изменений и диффузии метаболитов в систе-
ме. Термодинамические характеристики равновесного и стационар-
ного состояний были разобраны в первой главе при рассмотрении
термодинамики необратимых стационарных процессов; в этой же
главе были подробно рассмотрены термодинамические характерис-
тики ряда важнейших биохимических процессов.
Однако термодинамическая возможность какой-либо реакции
является необходимой, но недостаточной предпосылкой ее действи-
тельного осуществления. Неменьшее значение в этом отношении
имеют кинетические условия ее протекания, которые в организме
зависят, главным образом, от наличия катализаторов — ферментов
и от структурных условий развития реакции. Эти вопросы будут
подробно рассмотрены в главах 3 и 5; в настоящей главе мы рассмот-
рим основные вопросы общей кинетики реакций в организме и дру-
гих открытых системах.
Процессы обмена веществ в живом организме образуют сложную
систему сопряженных химических реакций, координация которых
75
во времени и пространстве специфична для каждого вида организмов.
Очевидно, что общие свойства сопряженных — последовательных
и параллельных — химических реакций в открытых системах пред- ?
ставляют большой интерес для общей теории биохимических про- -
цессов. S
РЕАКЦИИ В ОТКРЫТЫХ СИСТЕМАХ J
При рассмотрении процессов гликолиза, распада жирных кислот, J
цикла трикарбоновых кислот и других биохимических процессов i
(гл. 1) можно было видеть, что эти процессы имеют характер много- |
ступенчатых превращений, которые образуют линейные, разветвлен- |
ные или замкнутые в циклы цепи биохимических реакций. Следует, I
однако, подчеркнуть, что цепи реакций в биологическом обмене 1
веществ принципиально отличаются от простых цепных реакций Л
в химической кинетике. Особенность цепной реакции, например |
образования хлористого водорода: |
Н2+С1->НС1 + Н J
Н + С12 - НС1 + С1 и т. д. |
заключается в осуществлении большого числа коротких циклов эле-
ментарных реакций с участием чередующихся активных центров —
свободных радикалов или атомов, причем начало этой последова- Д
тельности циклов дает некоторая первичная реакция образования <
какой-либо из активных частиц, в данном примере — образования 3
атома хлора или водорода. В конце каждого элементарного цикла Ц
воссоздается такое же число свободных радикалов, какое было в |
начале цикла, что составляет условие развития цепи. Если в конце f
цикла образуется большее число радикалов, чем в начале, то про-
исходит разветвление цепей, число элементарных циклов возрастает
с некоторым коэффициентом размножения (Кт), и скорость процес- 5
са быстро увеличивается. Если, наоборот, в конце цикла число pa- g
дикалов становится меньше, чем вначале, то происходит обрыв J
цепей, и реакция замедляется или вовсе прекращается.
В отличие от цепных реакций (радикального или ионного ме- J1
ханизмов), отдельные звенья биологических цепей представлены не J
свободными радикалами, а стабильными молекулами, превращение *!
которых происходит в громадном большинстве случаев без постоян- К!
ной регенерации одного или нескольких исходных компонентов ;
реакции, а возникающий в результате реакции продукт вступает в
новое, отличное от предшествовавшего ему, химическое превращение.
Поэтому биологические цепи образованы из различных звеньев,
сменяющих друг друга в определенной последовательности различ-
ных реакций, а не представляют собой постоянное повторение одно-
го и того же химического акта, как в радикальных цепных реакциях.
Это может быть показано на примере образования молочной кис-
76
лоты из глюкозы, когда молекула глюкозы последовательно прохо-
дит стадии фосфорилирования, распада на триозы, окисления или
восстановления продуктов и др. (см. табл. 3), давая все новые
вещества на всех стадиях процесса. Разветвление биохимических
превращений также коренным образом отличается от разветвлений
цепных реакций, основанного на увеличении числа возникающих
радикалов и размножении таким образом одинаковых циклов. На-
против, разветвление биологических цепей состоит в возникновении
реакций, идущих в различных направлениях. Так, например, глюко-
зо-6-фосфат (гл. 1, стр. 51) может превращаться как в фруктозо-6-фос-
фат, так и в глюкозо-1-фосфат, а также подвергнуться прямому окис-
лению; пировиноградная кислота может превращаться в щавелево-
уксусную кислоту или в аминокислоту — аланин; фумаровая
кислота (гл. 1, табл. 6) может превратиться в яблочную кислоту или
в аспарагиновую кислоту и т. д. Именно за счет этих разветвлений
осуществляется взаимосвязь различных видов обмена (углеводного,
белкового, жирового и др.) в целостный обмен веществ организма.
Циклы биохимических превращений (см. в гл. 1 пентозофос-
фатный цикл, цикл трикарбоновых кислот и др.) имеют сложный
многоступенчатый характер, в отличие от элементарных циклов
цепных реакций. Наконец, в ферментативных реакциях, которые
составляют громадное большинство химических реакций в организ-
ме, радикальные цепные процессы, по-видимому, не имеют сущест-
венного значения (см. гл. 3). Таким образом, между обычными
цепными реакциями в химической кинетике и цепями биохимичес-
ких превращений в организме существует значительное принци-
пиальное различие, которое следует иметь в виду.
Как уже указывалось, в живых организмах имеют место слож-
ные системы реакций, в которых отдельные реакции сочетаются в
линейные или разветвленные цепи или образуют циклы реакций,
создавая в совокупности сложные сетки химических превращений.
Ниже будут рассмотрены кинетические особенности этих основных
видов биохимических процессов.
ЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ РЕАКЦИЙ
Кинетика изолированных реакций первого или второго порядка
обычно подробно излагается в курсе физической химии, тогда как ки-
нетике цепей реакций редко уделяется достаточное внимание. Поэто-
му целесообразно вначале рассмотреть линейные цепи реакций в зак-
рытых или замкнутых системах. Наиболее простым примером служит
последовательность двух необратимых реакций первого порядка
лЛ-вЛ-с, (1)
идущих, соответственно, с константами скорости и k2. В началь-
ный момент времени концентрация вещества А составляет а0 мо-
77
лей, а веществ В и С равна нулю. К моменту времени t вещество
А частично прореагирует и его концентрация уменьшится до а<а0,
а концентрация веществ В и С будет равна, соответственно, b и с.
Легко видеть, что уравнения скоростей реакций будут следующими:
—k±a — k2b, (3)
de
= (4)
Решение уравнения (2) имеет вид:
а = аое—> (5)
откуда
а0 — а = а0(1 — е-*1*) . (5а)
Так как для замкнутой системы сохраняется материальный ба-
ланс:
о,о = а + б + с, (6)
то уравнение (4) можно записать в следующем виде:
de
—~ = k2(a0 — a — c), (7)
dt
и подставляя в уравнение (7) уравнение (5а), получим:
+ k2c =-- к2ай (1 — е-***) . (8)
di
Решение уравнения (8) имеет следующий вид:
С = а (е"*1' +-Г^ • О)
\ ^2--*2 1
Из уравнений (6), (5) и (9) можно найти выражение для концентра-
ции промежуточного вещества В:
5= ?1Д\-(е~М-е-^)> (Ю)
«2
Как видно, уже для простейшего случая (1) получаются довольно
сложные уравнения. Графически уравнения (5), (10) и (9) изображе-
ны на рис. 2, соответственно на кривых /, // и III.
На рис. 2 видно, что концентрация промежуточного вещества
В (кривая II) проходит через максимум; она сначала увеличивает-
ся, потом постепенно падает. Можно показать, что величина макси-
78
мума В не зависит от абсолютных значений скоростей обеих реакций,
а только от их отношения. При k^kz максимум кривой II лежит
близко к начальной ординате — тем ближе, чем больше отношение
ь „
; скорость суммарной реакции почти целиком определяется ско-
ростью реакции . Если же kt<^k2, то концентрация В будет не-
значительной в ходе реакции (за исключением малого начального
de du
. Таким образом,
суммарной реакции опреде-
Рис. 2. Изменения количеств
веществ во времени в после"
довательной реакции. I—для
исходного вещества А; II —
для промежуточного вещес-
тва В; III — для конечного
продукта С:
по оси абсцисс — время (/)» по
оси ординат—концентрация ве-
щества (С)
промежутка времени) и скорость реакции
при сильно различных kt и k2 скорость
ляется, главным образом, скоростью
наиболее медленной стадии, которая
называется лимитирующей стадией
реакции. В строгом виде это понятие
применимо лишь к простейшим линей-
ным системам реакций; для более
сложных сеток реакций в открытых
системах оно изменяет свой смысл
(см. стр. 90). Если kt и k2 имеют
сравнимые величины, то следует учи-
тывать полные уравнения (5), (9) и
(10), а уравнение (3) характеризует
стационарное состояние реакции.
Уравнения этого вида имеют значе-
ние для кинетики ферментативных
реакций (см. гл. 3).
Интересными особенностями обла-
дает ход кривой III на рис. 2, по-
казывающий наличие перегиба в
скорости образования вещества С
при прохождении кривой II через максимум. При малых значе-
ниях кривая III вначале лежит вблизи оси абсцисс и вещество
С в течение некоторого промежутка времени трудно обнаруживает-
ся. Этот промежуток времени называется скрытым периодом или
периодом индукции образования вещества С, в некоторых случаях
он может доходить до нескольких часов (Раковский). Учет обрати-
мости частных реакций или дальнейшего удлинения цепей реакций
сильно усложняет получающиеся уравнения.
Важным частным случаем является последовательность реакций
первого и нулевого порядка (Брей и Уайт):
лЛ-вЛ-с,
(П)
где k0 — константа скорости реакции нулевого ^порядка (т. е.когда
скорость реакции постоянна при различных концентрациях реаги-
рующего вещества). В этом случае:
79
откуда следует, что
«а .
db
dt
—- k^CL —• Лд ,
—-fe
dt ~k°'
a =
b = a0(i — e~klt) — kat,
c = kJ.
(12)
(13)
Таким образом, концентрация вещества А падает по экспонен-
циальной кривой, концентрация вещества В также изменяется по
центрации тромбина от
времени. Сплошная кри-
вая — вычисленная теоре-
тически; точки — экспери-
ментальные данные:
по оси абсцисс — время (t)
в лшя, по оси ординат — кон-
центрация тромбина (С) в
условн. ед.
кривой с максимумом, а концентрация
вещества С в отличие от уравнения (9)
изменяется просто пропорционально
времени. Характерными примерами ре-
акций (2) служат многие ферментатив-
ные реакции при высоких концентра-
циях субстрата (гл. 3), некоторые ста-
дии всасывания аминокислот в кишеч-
нике, окисление бензилового спирта в
организме до бензойной кислоты (по ре-
акции А ~^~В) с последующей реакци-
ей бензойной кислоты с гликоколом (по
реакции В~^С) и др.
Примером цепи реакций (1) является
превращение протромбина в тромбин и
образование последним комплекса с
антитромбином (Биггс, 1953), причем
концентрация тромбина (вещество В в
уравнении (1) изменяется по кривой рис.
3, в точном соответствии с уравнением
(10) и кривой II на рис. 2.
Переходя к открытым системам,
следует заметить что, помимо ско-
ростей химических реакций, важную роль в определении ско-
ростей происходящих процессов играют в этом случае также про-
цессы диффузии. Обычно скорость диффузии подчиняется закону
Фика, т. е. она пропорциональна изменению концентрации на еди-
dc
ницу расстояния или градиенту концентрации —
dm t de \
---= DS --- ,
dt-\ dx )
(14) .
80
где — скорость прохождения вещества через площадь S, a D —
коэффициент диффузии. Это уравнение относится к тому же типу,
что и уравнение (2) для необратимой реакции первого порядка.
Открытая система может быть построена только на основе про-
цесса диффузии, когда вещество А просто диффундирует из исход-
ного резервуара S внешней среды в конечный резервуар Z через
рассматриваемую систему, отделенную от А и Z мембранами, не
подвергаясь в этой системе химическим изменениям
Л,
5 А
аз а
Z
аг
концентрации as и az положим постоянными, причем а$ >az для обес-
печения диффузионного потока; концентрация а путем перемешива-
ния обеспечивается равномерной во всей системе А. Тогда по урав-
нению (14), при k^DiS и k2=D£ (в частном случае kt можетбыть
, равно А2)
-^=*i(as — a) — k2(a — az), (16)
откуда следует:
„ - k'°s + k"-aZ + L k'aS + kiaZ \ f
”1” ^2 \ ”1” ^2 /
где а© — концентрация в системе А в начальный момент времени.
Если ki и k2 равны нулю (замкнутая система), то концентрация ве-
щества А в системе останется неизмененной (а0). При наличии же
диффузионного потока это положение будет достигнуто только при
/=оо или при (А1+^2)>5, когда экспоненциальный член станет
ничтожно малым. -
Основной интерес представляет простейшая открытая система,
в которой, помимо диффузионных переносов, происходит химичес-
кая реакция В:
(18)
где k0 и kz константы диффузии (или вообще переноса, в том числе
через мембрану); и константы прямой и обратной химической
реакции; S — исходный резервуар, содержащий вещество А с кон- 4
4 Заказ № 531
81
центрацией az\ Z— конечный резервуар, содержащий вещество В
с концентрацией bz. Для каждого из веществ системы скорость из- ’
менения концентрации равна сумме скоростей элементарных про- -
цессов переноса через границы системы и внутреннего химического
превращения частиц. Заметим, что эффект переноса в открытой систе-
ме заключается в непрерывном обновлении реагирующих веществ.
Для наиболее простых условий, когда в системе (18) имеет место
всего одна реакция первого порядка и перенос подчиняется закону
Фика:
da
—= kt (as — a)— k2a + k_,b,
db
-^=kS<bz-b) + k^-k-1b- (19> -
В более общем случае открытая система может содержать ряд
веществ А, В, С... N, между которыми может осуществиться линей-
ная цепь реакций:
k„
S-----,A
*, k, k,
^:В^С ^±D
k-t k_,
kz
-*z.
(20)4
Резервуары S и Z могут быть пространственно отделены друг от
друга, но возможно также (что часто имеет место), что одна и та же
внешняя среда является источником исходного вещества А и конеч-
ным резервуаром для"продукта реакций N. Общее решение для сис-
темы (20) представляет сумму экспоненциальных членов:
а= а+Сие—Х1/+С12е + ... + С1яе я
b = * + С21е~х,< + С22е-Х«' + . .. + С2пе~^
................................................ (21)
л = я+ СЯ1е~х,<+Ся2е—х,< + . . . +Сяяе ” ,
где’Сц, С12... Спп — константы интегрирования и X.,, к,... к8 — кор-
ни уравнений.
Система уравнений (21) дает развитие открытой системы (20)
во времени; для системы (18) аналогичное решение уравнения (19)
дают первые три члена правой части первых двух уравнений (21).
При достаточно продолжительном времени (/=«>) и \>0, система
уравнений (21) переходит в
а = а,
b = b ,
п — п.
(22)
82
Таким образом, а, b ... п это не зависящие от времени значе-
ния концентраций веществ А, В .... N, устанавливающие при до-
статочно большом промежутке времени от начала реакций, т. е.
е что иное, как стационарные концентрации веществ системы (тео-
рия стационарных состояний будет подробно рассмотрена ни-
же). Возможность установления стационарного состояния опреде-
ляется условием реальности и положительности значений Х,-(Х.>0),
которые, в свою очередь, зависят от констант скоростей реакций и
переноса; например, для системы (18) значения X являются корнями
характеристического уравнения:
X* - (*0 + 1ц + kz + k_J X 4- (Mz + kz + kok.j = 0. (22)
Если все значения Хг будут реальными и отрицательными, то
из уравнения (21) видно, что концентрации веществ А, В ... N с
течением времени будут всё более удаляться от а, Ь ... п, т. е. сис-
тема не придет к стационарному состоянию. Наконец, интересным
случаем являются комбинации отрицательных и положительных
значений или мнимые значения различных Хг, когда возможно появ-
ление затухающих или расходящихся колебаний (осцилляций) кон-
центраций веществ системы около значений а, b ... п. При наличии
химических реакций второго порядка в системе уравнения значитель-
но усложняются и теория их еще не исследована.
РАЗВЕТВДЕННЫЕ ЦЕПИ РЕАКЦИЙ
В химических реакциях часто одно и то же вещество может
одновременно реагировать по двум или нескольким направлениям.
Наличие таких параллельно и одновременно происходящих реак-
ций весьма обычно в процессах обмена веществ и выше приводилось
много примерев подобных реакций. В метаболических процессах по-
добные реакции всегда служат путями разветвления реакций обме-
на и в этом смысле они образуют разветвленные цепи химических
превращений, которые, как указывалось, не следует смешивать с
разветвленными цепными реакциями.
Положим (в простейшем случае), что вещество А одновременно
превращается в вещество Вив вещество С по реакциям первого
порядка соответственно с константами fa и k2.
в с
Полная убыль вещества А =—будет равна:
da
— = kxa + = (k^ + Л2) л-
(24)
4*
83
Уравнение (24) аналогично уравнению (2), но при наличии па-
раллельных реакций вместо одной константы скорости получается
сумма двух констант отдельных реакций. Подставляя из уравнения
(24) значение а=аое_(**+*а>/в уравнение
_ь„_ h + k*}t
dt — ^ia — »
получим:
Аналогично:
(25)
(26)
(27)
(28)
Из уравнений (26) и (27) следует важный вывод, что
b k.
с k2
Таким образом, количества веществ, образующихся по каждому
направлению реакции, относятся как константы скоростей этих
реакций; этот вывод еще потребуется нам в дальнейшем. При на-
личии трех параллельных реакций, аналогично
~Н ^2 &3
Ь____k,
с k2
Если одна из параллельных реакций подчиняется нулевому по-
рядку, то можно показать, что преобладающее значение получает
направление реакции, следующей первому порядку. Брэй и Уайт
указали интересный пример, наблюдаемый при исследовании пре-
вращений бензойной кислоты С6Н5СООН. При малых дозах она свя-
зывается с гликоколом NH2—СН2—СООН, образуя гиппуровую кис-
лоту С6Н5—СО—NH—СН2—СООН, или с глюкуроновой кислотой
С5Н9О5—СООН, образуя соответствующий глюкуронид. Обе реак-
ции следуют первому порядку, но константа скорости первого про-
цесса намного больше, чем второго, вследствие чего при малых дозах
бензойной кислоты в моче можно, обнаружить только гиппуровую
кислоту. При повышении дозы бензойной кислоты реакция с глико-
колом становится нулевого порядка,, а образование глюкуронида
остается реакцией первого порядка, и в этом случае почти вся
бензойная кислота выделяется в виде глюкуронида. Эти различия
были обнаружены в опытах на собаках, тогда как у человека эти
различия обнаружены,не .были. В последнем случае вследствие ток-
сичности препарата, исследовали лишь низкие концентрации бензой-
84
ной кислоты. Наблюдаемую разницу в продуктах обмена неправиль-
но объясняли видовыми различиями исследуемых объектов, хотя
в действительности она зависит лищь от условий проведения
реакции.
Некоторые более сложные случаи разветвленных реакций в от-
крытой системе были качественно рассмотрены Перре (1960). По-
ложим, что две цени превращений М—<- Q и Л—* Е связаны реак-
цией промежуточных веществ 0^ С, которые таким образом, явля-
ются точками разветвлений:
^2
Ms+- +M-f--+N+--+O-‘--+P+--»-Q+- -+QZ
Л5<- -+EZ .
(30)
Степень сопряжения обеих цепей реакций зависит от относитель-
ного значения константы скорости реакций ki\ если ki очень мало по
сравнению с константами k2 и k3, то цепи практически останутся
несопряженными; если ki^>k2, то согласно уравнению (28), коли-
чество вещества/ следующего - по пути превращений 0^ P-+Q,
будет очень мало, и цепи реакций приобретут сходящийся характер
(аналогично при легко также видеть, что если соотношение
констант скоростей таково, что можно пренебречь компонентами
М, N по сравнению с А, В (или наоборот), цепи реакций приобре-
тут расходящийся характер.
Положим теперь, что разветвление возникает от одного из про-
межуточных веществD цепи, но что ответвление D—закан-
чивается внутри открытой системы:
4s*"
(31)
Если ограничивающие мембраны системы непроницаемы для X и У,
то боковое ответвление образует закрытую систему внутри откры-
той, причем эта закрытая система будет стремиться к состоянию
псевдоравновесия. При малой величине константы скорости реак-
ции kDx основная цепь превращений А—+Е может достигнуть ста-
ционарного состояния, в то время как боковое ответвление еще дол-
го будет приходить к «равновесию». Если вещества Y или X будут
обладать малой растворимостью, а константы скорости их образо-
вания достаточно велики, то увеличение концентрации Лэ будет
повышать концентрацию Л, В и С, но мало влиять на концентрации
О, £. Тогда нерастворимый компонент X станет играть роль внут-
реннего конечного резервуара для последовательности Л—В—С—D
85
и внутреннего исходного резервуара для реакции D—+E. Очевидно,
могут иметь место многие другие усложнения в разветвленных реак-
циях в открытых системах.
ЦИКЛЫ РЕАКЦИЙ
Чрезвычайно важную роль в процессах обмена веществ играют
различные циклы реакций, многочисленные примеры которых были
приведены в главе 1; наиболее характерным из них является цикл
трикарбоновых кислот. Благодаря этому циклу небольшие коли-
чества лимонной, яблочной и других органических кислот в орга-
низме могут катализировать окисление сотен граммов уксусной кис-
лоты, так как при каждом обороте каждого цикла окисляется одна
молекула уксусной кислоты. При достаточно большом числе обо-
ротов каталитическое действие циклов оказывается весьма эффек-
тивным и в некоторых случаях близким к действию ферментов. По
существу, элементарный каталитический акт при действии фермен-
та также заключается в циклическом повторении заполнения актив-
ного центра фермента молекулой субстрата и в освобождении его
после окончания реакции (подробно см. гл. 3). Однако сейчас для
нас основной интерес представляют большие циклы биохимических
превращений, образованные замкнутыми цепями реакций. В таких
циклах вещество, составляющее некоторое звено цепи, вновь вос-
станавливается иногда после целого ряда превращений. При этом,
число вновь образованных молекул всегда равно числу молекул
данного вещества цикла на предыдущем обороте, т. е. «размноже-
ния» циклов (в смысле цепной теории) не происходит; циклы рабо-
тают на стационарном режиме. Тем не менее все циклы связаны с
необратимыми ответвлениями, и при каждом обороте цикла проис-
ходит необратимое превращение какого-либо вещества; например, в
случае цикла Кребса — окисление одной молекулы уксусной кис-
лоты до СО2 и Н2О (на стр. 61 указывалось на сопутствующие изме-
нения и в молекулах катализаторов цикла). Поэтому в целом про-
цессы обмена веществ, несмотря на наличие циклов, протекают в
одном направлении и имеют необратимый характер; термодинами-
чески это выражается в преобладающем значении затрат свободной
энергии и подчинении биологического обмена веществ термодинами-
ке необратимых процессов.
Соответственно вращение циклов всегда имеет одностороннее на-
правление; в цикле Кребса цепь реакций от щавелевоуксусной кис-
лоты к лимонной и последующим кислотам решительно преоблада-
ет над цепью реакций обратного направления к яблочной кислоте.
Это согласуется и со стационарным характером циклов, так как при
стационарном состоянии скорость реакции в одном направлений
всегда закономерно больше скорости реакции в обратном направле-
нии на определенную постоянную величину. Скорость вращения
циклов зависит от относительных концентраций веществ, составля-
86
i ющих отдельные стадии цикла, и тем больше, чем дальше эти отно-
1 шения находятся от состояния равновесия.
Важным частным случаем циклических цепей реакций служит
наличие в них аутокаталитических стадий, когда продукт реак-
ции влияет ускоряющим образом на одну из предыдущих стадий
цикла, например вещество Y ускоряет реакцию В —+С
(32)
В этом случае вращение цикла BCDXY будет постепенно все
более ускоряться, и режим работы цикла будет нестадионарным.
По мере приближения основной цепи реакций к стационарному со-
стоянию скорость реакции Л—будет увеличиваться, но затем,
при данной концентраций вещества А$ будет достигнута макси-
мальная скорость образования В, допускаемая реакциями Лд —>Л —►
В; в то же время все большее ускорение стадии В—+С за счет уве-
личения концентрации вещества Y будет увеличивать относитель-
ный расход В.
В результате максимальная скорость реакций Л5—>Л—>В бу-
дет осуществлена при мйнимальной концентрации вещества В. Дин
и Хиншелвуд (1955) рассмотрели случаи аутокатализа, когда две ста-
дии реакции взаимно ускоряют друг друга, согласно уравнениям:
= аУ- (33)
dtj п
dt = $х'
Решение уравнения (33) имеет следующий вид:
х=)еА/+4“ (х° ~ "ry°)e~*z’ <з4>
1 / । k \ .7 1 / k \ .1
У "2“ I Уо + — *о ) е+ -у-I */о — — *о 1 ,
где оф=&2. В начальный момент времени при t = 0, х = х0 и У == Уо
для этого момента по уравнению (34):
х = xQ (efeZ + е“/г/) и, следовательно,
(dx \ 1 ..
хо — ke~kt) = 0.
Начальная скорость увеличения вещества X формально равна ну-
лю, что соответствует наличию скрытого периода, или периода ин-
дукции в реакции (в биологии эта фаза часто называется лаг-перио-
дом). Чем длиннее и сложнее цепь реакций, тем больше величина
87
лаг-периода подобных взаимосопряженных реакций; соответственно
закон возрастания концентрации отдельных компонентов в
последующий период весьма сложен. Можно отметить, однако,
что в уравнении (34) вторые члены правой части равенства умень-
шаются с течением времени, и преобладающее значение приобретают
первые члены правой части равенства, которые определяют возраста-
ние концентрации каждого компонента по экспоненциальному зако-
ну. Эта стадия называется логарифмической фазой и имеет важное
значение, например, при росте бактериальных культур.
В стационарных циклах, лишенных аутокаталитических ста-
дий, общая концентрация «катализатора» С? ( в качестве которого
можно рассматривать любое вещество, являющееся участником
цикла) на k стадии цикла должна быть равна сумме молярных кон-
центраций этого вещества в свободном Ck и химически измененном
виде на всех последующих стадиях Х£+1,хй+2 ... хг-ь вплоть до ста-
дий г, на которой вещество вновь восстанавливается в исходной
форме, входя в Ck, и цикл замыкается.
Таким образом:
г—1
Ф*ск + 2 */• (35)
/=*-Н
Анализ значений ху (Хирон, 1955) показал, что уравнение мате-
риального баланса (35) имеет весьма сложный характер и является
нелинейным в отношении Ck.
В биохимических процессах обмена веществ циклы не являются
замкнутыми "или изолированными. Не только вещества, проходя-
щие через цикл и претерпевающие в нем необратимые химические
превращения, связывают циклы с другими реакциями, но и проме-
жуточные вещества могут образовываться не только в ходе цикла,
но и другими путями; например, фумаровая кислота в цикле Креб-
са может получиться не только из янтарной кислоты, входящей в
тот же цикл, но и из аминокислоты — аспарагиновой кислоты. Бла-
годаря этой взаимосвязи, организм может тонко регулировать кон-
центрации катализирующих веществ, входящих в циклы, и тем са-
мым скорости их вращения и интенсивность производимых ими хи-
мических превращений.
СЕТКИ РЕАКЦИЙ
Совокупность линейных, разветвленных и циклических реакций
образует в организме сложную сетку переплетенных строго органи-
зованным образом реакций, которая и лежит в основе процессов об-
мена веществ. Наличие этой сетки обеспечивает взаимосвязь всех
процессов обмена и возможность их тонкого приспособления к
изменяющимся условиям внешней и внутренней среды организма.
В главе 1 было приведено много примеров, показывающих тесное
переплетение обмена углеводов, жиров, белков, органическйх кис-
88
лот, фосфорных соединений и других веществ. Достаточно л апомнить
о процессах гликолиза, пентозофосфатном цикле, многочисленных
ответвлениях от пировиноградной кислоты к конечным продуктам
различных видов брожения, а также к обмену аминокислот (через
аланин и родственные аминокислоты), обмену жиров (через ацетил-
коэнзим А и жирные кислоты) и обмену органических кислот через
цикл Кребса и др. Другие примеры подобных взаимосвязей, напри-
мер, между кетокислотами и аминокислотами, будет рассмотрено в
главе 3.
В организме нет ни одного вещества, которое не входило бы в
состав этой сетки реакций — на линейных отрезках между узлами
сетки, в боковых ответвлениях или на концах сетки, или само не
образовывало бы узлов разветвлений. Однако все эти вещества не-
престанно изменяются. Вся сетка в целом представляет открытую
систему, в которую все время поступают вещества из внешней среды,
претерпевают в ней различные химические превращения и затем
удаляются в виде конечных продуктов обмена во внешнюю среду.
Такая сетка реакций в открытой системе имеет ряд свойств, общее
значение которых далеко выходит за рамки живых организмов и
распространяется на ряд открытых систем другой природы. Прежде
всего необходимо отметить, что в сложной сетке реакций между двумя
стадиями химических превращений обычно может'.уществовать более
одного пути реакций, подобно тому, как при разветвленной сети до-
рог сообщение между двумя центрами может происходить по различ-
ным путям. Наличие альтернативных путей реакций имеет большое
значение, и как известно, широко распространено в процес-
сах обмена веществ в организмах; например, от глюкозо-6-фосфа-
та к 3-фосфоглицериновому альдегиду (гл.1) можно прийти как путем
гликолиза, так и по пути пентозофосфатного цикла. Однако различ-
ные пути реакций, каки различные пути сообщений, обладают раз-
ной эффективностью. Выше (ур. 28,29) уже было показано, что коли-
чества вещества, образующиеся по каждому направлению реакции,
относятся, как константы скоростей этих реакций. При наличии аль-
тернативных путей реакций основное значение приобретает тот путь,
по которому реакция может развиваться с наибольшей скоростью при
данных условиях. Это положение, которое называется принципом
наибольшей скорости реакции (Хиншелвуд), имеет фундаментальное
значение для определения направления химических превращений
в сложных сопряженных системах реакций. Даже в случае простой
открытой системы, состоящей из труб различной длины и диаметра,
соединяющих два резервуара воды, находящихся на разной высоте,
легко видеть, что основная масса воды пойдет по пути, обеспечиваю-
щему наибольший секундный расход воды.
В случае нескольких параллельных химических стационарных
систем, соединяющих общие для них исходные и конечные резерву-
ары (или метаболические фонды), очевидно, что основной поток ве-
щества пройдет через систему, которая по своей структуре, наличию
89
более совершенных и эффективных катализаторов и других причин,
обеспечит наибольшую скорость химических превращений. Хими-
ческая стационарная система, обеспечивающая при данных услови-
ях наибольшую скорость химического процесса (разумеется, в пре-
делах, совместимых с существованием системы), будет в этом смыс-
ле иметь преимущество перед другими параллельными химичес-
кими стационарными системами.
Это положение имеет и важное эволюционное значение. Можно
полагать, что простые химические открытые системы возникли в ис-
тории развития Земли ранее простейших организмов (Опарин, 1957).
Если эволюция организмов прежде всего определяется дарвинов-
ским принципом естественного отбора, тона добиологической стадии
развития именно принцип максимальной скорости реакций мог
обеспечивать преимущество одних открытых систем, обладаю-
щих более совершенными структурами и катализаторами, перед
другими открытыми системами, преобладание таких систем, правда,
при оговоренном выше важном условии, что ускорение реакций
не снижает устойчивости и стабильности систем.
Следующее важное обстоятельство, которое необходимо отметить,
заключается в том, что любое изменение условий протекания реак-
ций, в том числе изменение внешних условий, приводит не к уско-
рению или замедлению какой-либо одной локальной стадии химичес-
ких превращений, а к перераспределению многих или всех кинети-
ческих параметров открытой системы. В простой линейной цепи
реакций может существовать наиболее медленная, лимитирующая
стадия всего процесса (стр. 79); напротив, в сетках химических
реакций ограничение общей скорости процесса не всегда определя-
ется только наиболее медленной стадией отдельной цепи, а зависит
от соотношения ряда констант скоростей реакций (Хиншелвуд).
Это положение можно пояснить следующим примером: при наличии
одной дороги средняя скорость движения будет сильно зависеть от
участка дороги с плохим состоянием пути, но при наличии развет-
вленной сети дорог порча участка одного пути может вообще не
отразиться на средней скорости переброски грузов, если произве-
дено соответствующее перераспределение грузовых потоков по об-
ходным путям. Аналогичным образом в сложной сетке химических
реакций задача достижения максимальной скорости процесса не
сводится только к ускорению одной из стадий превращений, а заклю-
чается в установлении нового, наиболее эффективного при изменив-
шихся условиях соотношения всех кинетических параметров про-
цесса. Жизнедеятельность организма и заключается главным образом
в непрерывном перераспределении скоростей всех частных реак-
ций обмена веществ, обеспечивающем наиболее эффективное при-
способление к изменяющимся условиям среды.
Однако установление новой сетки отношений между кинетичес-
кими параметрами системы при изменении внешних условий не
происходит мгновенно, а требует известного времени (как и при
90
эксплуатации транспортной сети). Достижение оптимальной скоро-
сти процесса может быть даже временно заторможено на известный
период времени за счет работы менее эффективного, но уже дейст-
вующего альтернативного процесса. Например, бактерии при посе-
ве на свежей питательной среде всегда проявляют некоторый скры-
тый период роста (лаг-период), длительность которого сильно изме-
няется при различном составе среды. Дин и Хиншелвуд (1955)
рассматривают адаптацию бактериальных культур к новым суб-
стратам и изменение длительности лаг-фазы именно, как перестрой-
ку ферментативного аппарата клеток и установление нового распре-
деления кинетических констант в сетке биохимических реакций.
Благодаря наличию этой сетки скорости даже тех химических реак-
ций, которые на первый взгляд кажутся независимыми и различными,
оказывают взаимное влияние друг на друга, и всякий фактор, ко-
торый изменяет скорость данной реакции, обязательно будет влиять
и на другие сопряженные реакции. Разумеется, перераспределение
кинетических параметров сетки реакций в организме заключается
не только в изменении эффективной концентрации катализаторов —
ферментов; оно равным образом может заключаться в соответствую-
щем изменении внутриклеточных структур, их проницаемости, в
изменении констант переноса и др.
Для того чтобы количественно оценить поведение сетки химичес-
ких реакций при различных внешних условиях, необходимо знать
возможно полнее дифференциальные уравнения, описывающие част-
ные реакции этой сетки и решить соответствующую систему диффе-
ренциальных уравнений принадлежащих граничных условиях. До
последнего времени решение и даже постановка подобной задачи
для биохимических процессов не представлялись возможными. В свя-
зи с этим большой принципиальный интерес представляет работа
Ченса, Гарфинкеля и др. (1960) по расчету при помощи электронных
счетных машин метаболических процессов в живых клетках, в ка-
честве примера которых были взяты хорошо изученные клетки ас-
цитной опухоли. Предварительно, при помощи биохимических ме-
тодов на этих клетках была подробно изучена кинетика поглощения
кислорода и метаболизма глюкозы, АДФ, АТФ, неорганического
фосфата, а также с помощью спектрофотометрических методов ис-
следованы изменения окислительных ферментов.
На основании полученных данных были определены необхо-
димые параметры для расчетов: константы скоростей реакций, на-
чальные и максимальные концентрации компонентов и стехиометри-
ческие коэффициенты реакций. Несомненно, что эта часть работы
была наиболее трудоемкой. Всего таким путем были исследованы
22 реакции, относящиеся к четырем группам биохимических про-
цессов: фосфорилированию глюкозы, гликолитическому фосфори-
лированию АДФ, окислительному фосфорилированию АДФ и рас-
ходу АТФ. В качестве примера приведем данные, относящиеся к
первой группе реакций, — фосфорилированию глюкозы.
91
Таблица 10
Реакции фосфорилирования глюкозы
№ п.п. Исходные вещества Продукт реакции Константа скорости, моль-1 •сек-'
1 Глюкоза + гексокиназа Комплекс I 3-10’
2 Комплекс I + АТФ цитоплаз- мы АДФ + глюкозо-6-фосфат 4- + свободный фермент НО10
3 Глюкозо-6-фосфат + фосфогек- сокиназа Комплекс II 4- 10го
4 Комплекс II + АТФ цитоплаз- мы Фруктозо-1,6-дифосфат + + АДФ + свободный фер- мент 4 1010
5 Фруктозо-1,6-дифосфат 3-фосфоглицериновый аль- дегид 110s
В табл. 10 реакция (1) (соответствующая реакции (1) табл. 3)
разбита на два этапа — образования комплекса фермента и субстра-
та и основную реакцию; реакции (2) и (3) табл. 3 объединены в
табл. 10 в реакциях (3) и (4) и, наконец, реакция (4) табл. 3 соот-
ветствует в табл. 10 реакции (5). Начальная концентрация глюко-
зы равна нулю (клетки выдерживали на режиме голодания), за-
тем в определенный момент времени глюкозу добавляли до кон-
центрации в среде 3 • 10"3 М; это максимальная концентрация
глюкозы. Концентрация гексокиназы в клетках 1 • 10"5 М, соответ-
ственно концентрация комплекса I изменяется от нуля до 1 • 10-5М.
Концентрация АТФ в цитоплазме вначале составляла 5-10“4 М,
максимальная — 1,5 • 10"3 М (в результате фосфорилирования
АДФ). Концентрация фосфогексокиназы и комплекса II изменялась
таким же образом, как гексокиназы и комплекса I; наконец, кон-
центрация фруктозо-1,6-дифосфата вначале равнялась нулю, мак-
симальная — 1 • 10~3 М. Аналогичным образом исследовались
остальные реакции. Все вещества кодировались тремя буквами (на-
пример, глюкоза — Glu, гексокиназа — Enz) и на основании хи-
мических уравнений составлялись дифференциальные уравнения
по типу уравнений (2)—(4), предполагая,что скорости реакции под-
чиняются закону действующих масс, как и во всех приведенных
выше уравнениях. Все вычислительные операции производились на
электронной счетной машине Унивак-I, которая автоматически вы-
полняла составление дифференциальных уравнений, нормализацию
и другие начальные операции, а также численное интегрирование
всей системы уравнений при помощи разложения в ряд Тэйлора с за-
данной степенью точности. Таким путем можно было рассчитать ки-
нетику изменения концентрации всех начальных, промежуточных
и конечных веществ, охваченных исследованными 22-мя реакциями,,
и сопоставить рассчитанные значения с прямыми эксперименталь-
ными определениями соответствующих веществ в суспензиях жи-
92
вых клеток. Необходимо отметить, что по ряду показателей (кон-
центрация пировиноградной кислоты, фосфата в отношении кон-
центрации глюкозы к поглощенному кислороду и др.) было по-
лучено хорошее совпадение, в то время как по некоторым дру-
гим показателям наблюдались расхождения. Несомненно, что
более детальный охват промежуточных метаболических реакций
позволил бы получить более полное согласие с опытом. В работе
не учитывались многие сопряженные циклы (например, пентозо-
фосфатный цикл и др.), а из реакций, замыкающих линейные
цепи в сетку, учитывались лишь процессы фосфорилирования
АДФ (до АТФ). Тем не менее, эта работа является важным
этапом на пути к количественному расчету совокупности реак-
ций в сложной сетке сопряженных биохимических процессов,
т. е. в конечном счете, к теоретическому расчету физиологиче-
ской реакции организма на основе'биохимических данных.
ТЕОРИЯ СТАЦИОНАРНОГО состояния в открытых
СИСТЕМАХ
Одним из наиболее важных состояний сетки или цепей реакций в
открытой системе является поддерживающееся постоянным во време-
ни динамическое стационарное состояние {«.steady-state»), при котором
для каждого компонента системы все процессы его поступления,
удаления из системы и химического превращения в ней в совокуп-
ности взаимно компенсируют друг друга, вследствие чего концентра-
ции всех компонентов поддерживаются на постоянном уровне.
Таким образом, в системе уравнения (20):
da db de dn ,
dt - dt “ dt ~ “ dt ” °- <36)
Условия установления стационарного состояния уже указывались
вн стр. 83, а его отличия от термодинамического равновесия были
рассмотрены в первой главе (стр. 29—30), в связи стермодинамикой
необратимых стационарных процессов.
В процессе жизнедеятельности организм в целом или его от-
дельные части всегда находятся в стационарном состоянии, или в
процессе перехода от одного стационарного состояния к другому.
Поэтому более подробное изложение этих вопросов представляет
существенный интерес.
Рассмотрим их вначале на примере простейшей гидродинамичес-
кой модели стационарной системы, какой являются сосуды с проте-
кающей жидкостью при поддержании ее уровня (Бертон, 1939).
Сосуд S (рис. 4) играет роль исходного резервуара внешней среды
с постоянным уровнем жидкости, а сосуд Z — роль конечного ре-
зервуара (который является также частью внешней среды).
93
Рис. 4. Гидродинамичес-
кая модель открытой си-
стемы (пояснения в тек-
сте)
Рассматриваемая система состоит из сосудов А и^В, связан-
ных с х«внешней средой» кранами /Со и Kz, которые регулиру-
ют скорости поступления и оттока воды и соответствуют конс-
тантам k0 и kz диффузии веществ. Стационарное состояние до-
стигается при определенных уровнях воды в сосудах А и В,
аналогичных стационарным концентрациям реагирующих веществ
в химической системе. Кран К регулирует скорость перетекания
воды из сосуда Л в сосуд В, которая
аналогична скорости некоторой хи-
мической реакции А^В. Уровень в
сосуде В записывается через попла-
вок на кимографе. При установив-
шемся режиме протекания уровень в
сосуде В будет поддерживаться посто-
янным, как и статический уровень в
простом ведре, но за счет постоянного
рассеяния энергии при протекании.
Если мы изменим поворот кранов /Со
и Kz (скорость диффузии) или К
(скорость химической реакции), то
устансвится новый уровень в сосуде
В, т. е. новое стационарное состояние,
но при этом сразу проявится од-
но ’ > замечательное свойство такой
системы. Так как скорость вытекания воды не является постоянной,
а зависит от гидростатического давления столба жидкости, установ-
ление нового уровня в сосуде В пройдет через некоторый максимум
или минимум (соответственно при увеличении kQ или kz) и затем
стабилизуется на более близком к исходному уровню. Это свойство
некоторой внутренней стабильности стационарной системы будет
всегда проявляться, если существует зависимость скоростей процес-
са от концентрации реагирующих веществ (см. ниже), что имеет ме-
сто в большинстве биохимических систем, или от потенциала, как
в данном случае гидродинамической модели.
Теперь перейдем от гидродинамической модели к наиболее прос-
той химической открытой системе, указанной в схеме (18). Обозна-
чая концентрации веществ Л и В в стационарном состоянии через
а и b и учитывая, согласно уравнению (36), что
da db
~dT = ~dr = (>'
получим из уравнения (19):
- (Jh&S + kz ^z ) ”1“ k^kz а$
а —
^o^z M-i 4“ ^z
— kl (kQas -f- kz bz) + k$kz bz
b =
&0&Z “t~ M-i 4“ ^z
(37)
94
Таким образом, стационарные концентрации зависят от кон-
центраций веществ Л и В во внешней среде (as и bz), констант пере-
носа k0 и kz и констант скоростей реакции kr и k^. Интересно, что
стационарные концентрации не зависят от начальных концентраций
веш.еств А и В в самой системе (они не входят в ур. 37), а зависят от
концентраций этих веществ во внешней среде. В этом проявляется
одно из существенных отличий реакций в открытых и замкнутых
системах; в любой закрытой системе равновесные концентрации реа-
гирующих веществ, очевидно, будут зависеть от исходных концент-
раций (которые всюду входят в ур. (5), (9), (10) и др.), тогда как в
открытой системе не существенно, от какого уровня концентраций
внутри системы начнется реакция, так как за счет обмена веществ с
окружающей средой все равно установится конечное стационарное
состояние на уровне, соответствующем концентрации реагирующих
веществ во внешней среде. Это свойство независимости стационарно-
го состояния от исходных концентраций реагирующих веществ внут-
ри системы иногда называют эквифинальностью. В известном смыс-
ле эквифинальность свойственна и термодинамическому равновесию,
состояние которого не зависит от пути подхода к нему в замкнутых
системах, но в открытых системах оно имеет другой смысл, так как
относится к другому параметру — к начальным концентрациям реа-
гирующих веществ. 4
В замкнутой системе константа равновесия равна отношению кон-
стант скоростей реакций К =^~» и таким образом, необходимо из-
менение кинетических параметров для изменения равновесных кон-
центраций; между тем, из уравнения (37) видно, что в открытых сис-’
темах стационарные концентрации в равной мере могут измениться
путем изменения констант переноса (диффузии, проницаемости),
которые, следовательно, необходимо учитывать наряду с кинети-
ческими параметрами системы. Каждому изменению этих параметров
открытой системы соответствует установление нового ряда стационар-
ных значений концентраций реагирующих веществ. Разделив чис-
литель и знаменатель правой части уравнения (37) на k_v увидим,
что стационарные концентрации а и b зависят как от констант ско-
k
ростей реакций и k.lt так и от константы равновесия К—г1-. Как
«-1
известно, добавление катализатора в равной мере ускоряет kr и
&-J, но не изменяет их отношения. Отсюда следует существенный вы-
вод, что в то время, как в замкнутой системе добавление катализа-
тора ускоряет достижение равновесия, но не изменяет равновесных
концентраций реагирующих веществ, в открытой системе катализа-
тор изменяет не только скорости реакции, но и стационарные кон-
центрации компонентов системы.
На примере гидродинамической модели этот вывод можно пояс-
нить тем, что изменение поворота крана К изменяет не только ско-
рость перетекания воды из сосуда А в сосуд В, но и уровень воды в
95
сосуде В, тогда как в статической системе (простые сообщающиеся
сосуды, соединенные краном) различным поворотом крана можно
изменить лишь скорость установления уровня, но .не положение
уровня. В условиях живой клетки изменение действующей концент-
рации катализаторов-ферментов является важным средством изме-
нения стационарных концентраций веществ в клетке в соответствии
с изменяющимися условиями среды или физиологическими потреб-
ностями организма (см. гл. 3 и 5).
Следующим важным свойством открытых систем является щх спо-
собность к известному самосохранению стационарного состояния
при изменении внешних условий. В известной мере этим свойством
обладает и термодинамическое равновесие в замкнутой системе,
которое, как указывалось на стр. 30, согласно принципу Ле-Ша-
телье, всегда смещается при изменении определяющих его факторов
(температуры, давления, концентрации веществ) таким образом,
чтобы по возможности уменьшить или устранить эффект этого
изменения. Например, для обратимой реакции добавление продук-
тов реакции смещает равновесие в сторону образования исходных
веществ, на что затрачивается некоторое количество добавленных
веществ, и поэтому их концентрация будет меньше и ближе к ис-
ходному равновесию, чем можно было ожидать при отсутствии этого
смещения.
Приложение принципа Ле-Шателье, формулированного первона-
чально для термодинамического равновесия, к стационарному со-
стоянию является естественным расширением этого принципа на
открытые системы. Термодинамическое обоснование аутостабили-
зации стационарного состояния на основе термодинамики необрати-
мых процессов было указано в первой главе. В кинетическом отно-
шении это свойство уже проявлялось при изменении стационарного
состояния в гидродинамической модели, оно характерно также для
всех химических открытых систем, в которых скорости химической
реакции и скорости диффузии зависят от концентрации реагирующих
веществ (за исключением лишь реакций нулевого порядка). Повыше-
ние скорости реакции (например, за счет действия катализатора или
температуры) приводит к повышению концентрации продуктов реак-
ции, но вследствие этого усиливается и их диффузионный перенос из
системы, поэтому новая стационарная концентрация будет ближе
к исходной (разумеется, не совпадая с ней), чем концентрации в
замкнутой системе. Аналогичный * результат будет получен при по-
нижении скорости реакции в открытой системе. Например, если
при действии некоторого стимула возрастает kv то концентрация
вещества А будет падать, а вещества В — возрастать; но при этом
начнет расти скорость притока вещества А, пропорциональная (as —
а), а скорость оттока вещества В, пропорциональная (Ь — bz), так-
жё будет возрастать; в результате , значения а и Ь будут стремиться
сохраниться на первоначальном уровне. После прекращения дейст-
вия стимула^ возвращается к нормальному значению, и ком-
96
пенсирующие процессы действуют в обратном направле-
нии.
Аутостабилизация стационарного состояния в смысле расширен-
ного принципа Ле-Шателье лежит в основе обратной связи, наблю-
даемой во всех открытых системах, в том числе, в живых организмах.
Как известно,, обратной связью называется система автоматическо-
го корректирования, при которой возможные отклонения в корректи-
руемой системе от заданного состояния некоторого равновесия са-
ми вызывают изменения, приводящие к уменьшению этих отклоне-
ний.
Автоматическое корректирование широко применяется в элект-
ронике, кибернетике и других областях техники; простым примером
обратной связи является система терморегулирования в обычном
лабораторном термостате.
В живых организмах имеется много систем обратной связи,
которые имеют большое значение для регуляции метаболических
процессов. Кребс и Корнберг указывают, что ключевыми вещества-
ми регуляции процессов превращения энергии являются неорга-
нический фосфат и АДФ. Концентрации этих веществ повышаются
в результате процессов, связанных с расходованием АТФ, что в
свою очередь, повышает скорость анаэробного и аэробного расщеп-
ления питательных веществ. Однако увеличение скорости этих про-
цессов приводит к уменьшению концентрации АДФ и фосфата, вслед-
ствие усиления окислительного и анаэробного фосфорилирования
(образования АТФ), что сопровождается понижением скорости ды-
хания и брожения. Другая регулирующая система связана с окис-
лением и восстановлением никотинамидадениндинуклеотида (НАД)
(этот процесс подробно рассмотрен в гл. 4).
В первой главе уже указывалось на регуляцию уровня сахара в
крови при помощи сопряженных процессов распада или синтеза
запасного полисахарида — гликогена, где точкой разветвления яв-
ляется глюкозо-6-фосфат; эти процессы регулируются гормоном ин-
сулином, изменяющим проницаемость мышечных и других клеток
для сахара.
Предполагают, что гормональная регуляция вообще связана с
изменением проницаемости клеточных мембран под влиянием не-
больших количеств белковых и стероидных гормонов, секреция кото-
рых связана с регулируемыми процессами по принципу обратной
связи.
Помимо гормональной регуляции, животные организмы обла-
дают совершенным механизмом нервной регуляции; в частности,
было показано, что регулирование мозжечком непроизвольных мы-
шечных движений происходит по принципу обратной связи (Косса).
При участии нервной системы происходит на основе обратной связи
регулирование процессов теплопродукции и дыхания. Так, напри-
мер, повышение содержания СО2 в альвеолах легких усиливает воз-
буждение центров дыхания и интенсивность газообмена, что приво-
97
дит к снижению содержания СО2 в легких'до нормы. Установление
ряда фактов наличия обратной связи в организмах привело даже к
оценке механизма обратной связи как самостоятельной специфичес-
кой характеристики живых организмов. В действительности наличие
обратной связи вытекает из общих свойств открытых систем. Даже
простейшие открытые системы (см. схему (18) и рис. 4) обладают
механизмом обратной связи, основанным на сопряжении констант
скорости химических реакций внутри системы и констант переноса
или обмена с внешней средой, а так как это сопряжение является об-
щим свойством всех химических открытых систем, то естествен-
но, что наличие обратной связи наблюдается и во всех живых орга-
низмах. На высших стадиях эволюционного развития механизм
обратной связи локализуется в специализированных структурах,
подобно функциям движения и возбуждения (см. гл. 5), однако в
простейшем виде обратная связь является свойством, внутренне при-
сущим всем химическим открытым системам.
При изменении внешних условий (состава среды, температуры),
* констант переноса (проницаемости, диффузии) или констант скоро-
стей реакций, как уже указывалось, открытая система переходит ив
одного стационарного состояния в другое. Вследствие динамической
аутостабилизации, различие между прежним и новым стационарным
состояниями всегда меньше того, которое можно было ожидать при
отсутствии этой своеобразной «буферности» системы, но кинетика
перехода между стационарными состояниями может иметь довольно
сложный характер. Изменение открытой системы во времени в общем
виде описывается уравнением (21), из которого следует, что при
реальных и положительных значениях корней уравнений система
с течением времени придет к стационарному состоянию. В стацио-
нарном состоянии для каждого вида частиц соблюдается уравнение
(36), но в процессе перехода условие =0 может соблюдаться лишь
для одного вида частиц, но не для других, или вообще не иметь
места. Тогда система проходит через промежуточное состояние мак-
симума (рис. 5) или минимума прежде, чем она придет к новому ста-
ционарному состоянию. Для простейшей химической открытой сис-
темы (см. ур. 18, 19) можно на основании уравнения (21) написать:
_ -х^, -х2/
а — а = Спе + С12е
&-Ь = С21е“М + С22е-М, (38)
где Хг и Х2 —два корня характеристического уравнения (23).
Значения констант интегрирования Cik определяются из началь-
ных и конечных условий. В частности, для уравнения (38), если раз-
ности концентраций веществ Л и В в обоих стационарных состояни-
ях составляют Да и ДВ, то значения Cik определяются следующими
уравнениями:
98
/'Ll —
С12 = -
C2i = —
/
(kp + — X2) Ад — АЬ
— Х2
(kQ + — X.) Да — k_x Ab
Xt — X2
ki &a 4- (k$ ~F — X,) Д b
Рис. 5. Кривые переходов между стацио-
нарными состояниями. А — при Си — —40;
Б — при Си =5; В — при Си = 20; Г —
при Си = 50:
по оси абсцисс — время (/) в мин, по оси ординат —
разность между концентрациями стационарной (Сд) и
исходной (Со)
kx &a 4~ (kp 4~ — X2) Д6
Xj — X2
При различных значениях Cik и X. можно получить весьма разно-
образные типы изменения концентрации а и ft во времени. Напри-
мер, при произвольно выбранных параметрах Х1==1, Х2=3, Сп+
4-С12=Ю, значения (а — а) изменяются по одной из кривых рис. 5,
в зависимости от ука-
занных на рисунке
значений Сп. Во всех
случаях происходит
переход от более вы-
сокого стационарного
уровня к более низ-
кому, но в кривой А
концентрация прохо-
дит через еще более
низкий промежуточ-
ный уровень, а в кри-
вой Г она сначала
повышается, и лишь
затем начинает сни-
жаться ниже исход-
ного уровня; нако-
нец, кривая Б изо-
бражает простой эк-
споненциал ьный пе-
реход от одного со-
стояния к другому.
Тип кривой А назы-
вается кривыми с
избыточным откло-
нением (в английской
литературе— «overs-
hoots); тип кривой Г,
когда изменение вначале происходит в обратную сторону — кри-
выми с «ложным стартом». Оба типа кривых имеют широкое рас-
пространение. Например, избыточное отклонение наблюдается в
ритме биений изолированного сердца лягушки при изменении со-
става среды, при резком изменении уровня сахара в крови и во
99
многих Других случаях (см. ниже); физиологически оно соответству-
ет явлениям «привыкания» к изменению условий. «Ложный старт»
наблюдается на ранних стадиях мышечного сокращения (см. гл. 5),
при нарушении скорости дыхания клеток кончиков корешков лу-
ка в .результате изменения давления кислорода и др. Разумеется,
физиологические явления несравненно сложнее явлений, кото-
рые можно наблюдать в простых открытых системах, но тем более
замечательна возможность их моделирования в столь простых ус-
ловиях. Как показал Бертон (1939), условием появления избыточно-
го отклонения на кривых перехода служит изменение констант ско-
рости реакций при неравенстве констант переноса А0=У=^гдля данно-
го вещества — условие, которое имеет достаточно общее значение.
Наконец, при определенных условиях возможно также появление
колебательных приближений к стационарному состоянию. При изу-
чении ферментативных реакций в условиях открытой системы нами
совместно с сотрудниками (1956, 1961) экспериментально установле-
но три типа кривых перехода: кривые с избыточным отклонением,
кривые с экспоненциальным переходом и кривые с вырождением
стационарного состояния, в зависимости от степени изменения кине-
тических параметров системы (подробнее см. стр. 190—192).
В целом рассмотрение теории открытых систем приводит к ряду
положений, характеризующих принципиальные особенности этих
систем по сравнению с реакциями в замкнутых системах.
1. Стационарное состояние открытых систем характеризуется
постоянным во времени минимальным рассеянием “свободной энер-
гии и постоянной минимальной скоростью возникновения энтропии
внутри системы в отличие от нулевых значений этих функций
при термодинамическом равновесии в замкнутых системах.
2. В открытой системе могут протекать процессы с уменьшением
энтропии (например, в направлении неравновесного распределения
вещества) за счет их термодинамического сопряжения с процессами
увеличения энтропии в окружающей среде.
3. В открытой системе может существовать неограниченное чис-
ло стационарных состояний в зависимости от внутренних парамет-
ров системы (концентраций компонентов, констант диффузии и
скоростей реакций и др.) и внешних условий (температуры, давления
и др.). Изменение какого-либо из условий стационарного состояния
приводит к перераспределению кинетических и диффузионных пара-
метров системы и установлению нового стационарного состояния,
причем роль констант переноса в открытой системе равноценна роли
кинетических констант.
4. Направление химических превращений в открытой системе
при наличии альтернативных путей реакций определяется прин-
ципом максимальной скорости реакций.
5. Катализаторы в открытой системе влияют не только на ско-
рость реакций, но и на стационарные концентрации реагирующих
веществ.
100
6. При изменении условий стационарного состояния в открытой
системе развиваются процессы, направленные на сохранение свойств
системы (динамическая аутостабилизация или саморегуляция ста-
ционарного состояния).
7. Переходы из одного стационарного состояния в другое в от-
крытой системе происходят в определенных пределах скоростей
реакций не по плавным кривым экспоненциального перехода, а
через промежуточные состояния максимума или минимума (кривые
с избыточным отклоннием или с «ложным стартом»). По мере уве-
личения скоростей реакций система вначале теряет способность к
аутостабилизации стационарного состояния, а затем и вообще к его
поддержанию.
НЕКОТОРЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ
ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ
Первые попытки рассмотрения явлений, наблюдаемых в живых
организмах, с точки зрения теории стационарного состояния были
произведены довольно давно. Так, например, Хилл еще в 1930 г.
рассматривал мембранные явления в организме как стационарное
состояние, а не как термодинамическое равновесие, а Марш (1935}
с этой же точки зрения подходил к вопросам связи дыхания и био-
электрических потенциалов; но эти работы, как и многие после-
дующие, имели лишь эпизодический характер.
При систематическом приложении теории открытых систем к
биологическим явлениям следует, разумеется, прежде всего учесть
принципиальную невозможность замены биологических законо-
мерностей, управляющих поведением живых организмов, закономер-
ностями более низших форм движений, представленных в физических
или химических открытых системах. Помимо этого принципиально-
го положения, следует также учесть современное состояние теории
открытых систем, ограниченной пока наиболее простыми системами,,
тогда как любой живой организм представляет собой сложную сово-
купность многих открытых систем, причем по одним компонентам
системы могут находиться в стационарном состоянии (например,,
уровень сахара или pH в крови), а по другим (например, по уровню
молочной кислоты) — колебаться в широких пределах. Разумеетсяг
поэтому теорию открытых систем не следует рассматривать в качест-
ве биологической теории или считать ключом к решению конкрет-
ных биологических проблем.
Тем не менее необходимо полностью учесть значение того фак-
та, что живые организмы, в основе существования которых лежит
постоянный обмен веществ и энергии со средой, в их неразрывном
единстве со средой, относятся к открытым, й не к замкнутым си-
стемам. Поэтому применение к ним законов классической термодина-
мики равновесий и кинетики реакций в замкнутых системах, гос-
подствовавшее до сих пор в биохимии и приведшее к ряду важных
101
частных результатов, теоретически все же мало оправдано. Несом-
ненно, что приложение теории открытых систем к живым организ-
мам является хотя также неадекватным, но относительно лучшим
приближением к экспериментальным данным, по сравнению с клас-
сической теорией замкнутых систем. Целесообразно поэтому рас-
смотреть вытекающие отсюда выводы.
Прежде всего, в свете теории открытых систем должны быть пе-
ресмотрены некоторые принятые критерии жизни. Эти критерии
исторически создавались в противопоставлении живых организмов
неживым замкнутым системам, что в известной мере затушевывало
истинные специфические отличия живого, тогда как существо дела,
очевидно, заключается в выяснении специфических различий между
живыми организмами (биологическими открытыми системами) и
неживыми, химическими открытыми системами.
Термодинамическая характеристика жизни как одной из форм
понижения свободной энергии (см. гл. 1) является, очевидно, не-
достаточной. Это объясняется тем, что термодинамика не исследу-
ет механизм процессов и, поэтому не может выяснить специфическо-
го своеобразия биологических явлений. Различные попытки тер-
модинамического определения жизни (в виде кажущегося ее
противоречия второму началу термодинамики, поглощения отрица-
тельной энтропии, стремления к минимальной скорости продуци-
рования энтропии или к высокому к. п. д. и др.) были подробно
рассмотрены в первой главе, и, как было показано, все они являют-
ся недостаточно обоснованными. Определение жизни вряд ли вооб-
ще может быть дано в рамках термодинамических критериев.
Исходным при определении жизни положением и в настоящее
время, безусловно, остается классическая формулировка Энгельса,
что «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ
существования состоит по своему существу в постоянном самооб-
новлении химических составных частей этих тел»1. Таким образом,
самообновление признается Энгельсом наиболее существенной чер-
той той формы существования белковых тел, которую мы называем
жизнью. Можно утверждать, однако, что это положение Энгельса
о самообновлении не всегда было до сих пор правильно понято.
Ввиду смешения понятий белковых тел, которым свойствен об-
мен веществ, и индивидуальных белковых веществ не только непра-
вильно пытались свести проявления жизни к различным свойствам
индивидуальных белковых молекул, но и процессы самообновления
белковых тел пытались интерпретировать в смысле, например,
замещения аминокислотных остатков или даже отдельных функ-
циональных групп внутри белковых молекул.
Действительно, при помощи изотопной методики, было уста-
новлено, что в живом’организме белки, углеводы, жиры и даже ми-
неральные вещества костей находятся в состоянии постоянного об-
1 Ф. Энгельс. Анти-Дюринг, 1966, стр 78.
102
мена своими составными частями со средой. Такой обмен является ес-
тественным и неизбежным результатом происходящих в организме
процессов распада — синтеза и прямых процессов изотопного обмена,
но его роль в качестве условия поддержания жизни остается неяс-
ной. При таком узком понимании «самообновления» действительно
трудно объяснить, для чего нужно в белковой молекуле заменять
один остаток, например, лизина на другой остаток лизина, и осо-
бенно, — почему эта подстановка является условием существования
белковых тел, при отсутствии которого они быстро распадаются,
тогда как хорошо известно, что при определенных условиях
белковые вещества именно при отсутствии «самообновлениям
(например, кристаллические белки в насыщенном растворе сульфа-
та аммония, на холоду) могут существовать неопределенно долгое
время.
Между тем из теории открытых систем сразу следует, что непре-
менным условием их существования и сохранения действительно
является постоянное обновление составных частей этих систем. Без
этого обновления, как уже указывалось, невозможен обмен реагиру-
ющих веществ открытой системы со средой. Как только, например,
в гидродинамической модели (см. рис. 4) приостановится поступле-
ние воды, она вытечет из сосудов А и В, и система, очевидно, переста-
нет существовать; то же относится к любой химической системе.
С этой точки зрения, становится понятным и глубокий смысл форму-
лировки Энгельса: «Как только в белковом теле прекращается это
непрерывное превращение составных частей, эта постоянная смена
питания и выделения, — с этого момента само белковое тело пре-
кращает свое существование, оно разлагается, т. е. умирает^.
В свете изложенного понятие «самообновление» в настоящее вре-
мя следует считать составной частью характеристики открытых сис-
тем, неразрывно связанной с их определением.
В биологической литературе часто можно встретить, например,
положение, что характерной для жизни является неразрывная
связь организма со средой. Это положение, конечно, верно, но его
нельзя считать специфической характеристикой живого, так как
существование любой открытой системы как химической, так и гид-
родинамической, невозможно ни на мгновение в отрыве от внешней
среды, и их неразрывная связь входит по существу в условия оп-
ределения открытой системы.
В химических открытых системах могут иметь место и такие
явления, как многоступенчатые превращения одних веществ в дру-
гие, когда продукт реакции на одной стадии служит источником
для последующей реакции (прототип единства внешнего и внутренне-
го), чувствительность и в тоже время известная «сопротивляемость»
химического состояния системы по отношению к изменению внешних
условий (прототип раздражимости) и др. Очевидно, что в живых ор-
1 Ф. Энгельс. Анти-Дюринг, 1966, стр. 79.
ЮЗ
ганизмах эти явления имеют характер сложных физиологических
функций, с которыми не приходится сравнивать простые физико?
химические зависимости в обычных химических открытых сис-
темах.
Однако, если подойти с эволюционной точки зрения и рассмот-
реть простейшие живые тела, стоявшие на грани живого и неживого,
в которых такие сложные функции, как питание, выделение, разд-
ражимость и другие, также были представлены в своем простейшем,
зачаточном виде, то и эти свойства вряд ли могут считаться строги-
ми отличиями живых тел.
Наконец, существование неживых, химических открытых сис-
тем также предполагает наличие определенного соответствия между
внутренней структурой, строением участвующих в них катализато-
ров и природой протекающих химических процессов, без чего эти
'системы не могли бы существовать. Наличие этого соответствия, как,
например, и наличие единства с внешней средой необходимо для
существования любой химической открытой системы, и его также
нельзя считать специфической чертой живых организмов, хотя,
разумеется, степень этого соответствия и приспособленности весьма
отличается для различных открытых систем.
По-видимому, существует одно свойство, которое принципиально
отличает самую простейшую форму жизни от самой сложной хими-
ческой открытой системы, — это способность живого тела (биологи-
ческой открытой системы) к своему сохранению и воспроизведению,
направленность всей сложной сети химических реакций на воспро-
изведение данной системы. Можно построить химическую аппарату-
ру, которая будет неопределенно долго производить какой-либо
продукт из непрерывно поступающих реагирующих веществ, но
нельзя построить химический аппарат, материал которого принимал
бы участие в происходящих в нем химических превращениях посту-
пающих веществ и в результате создавался бы другой подобный
аппарат.
Коренным отличием процессов ассимиляции — диссимиляции в
живом организме от процессов синтеза — разложения в непрерывном
химическом процессе является то, что процессы первого рода при-
водят к образованию из доставленных извне веществ органических
составных частей самого живого тела. В этом смысле биологический
обмен веществ действительно качественно отличается от простого
обмена веществ в неживых телах. В протоплазме бесчисленные част-
ные реакции обмена веществ определенным образом организованы
в пространстве и во времени, связаны между собой в единую целост-
ную систему, причем весь этот порядок направлен к единой цели —
к самообновлению и самосохранению всей системы в целом
(Опарин).
На основании сказанного можно формулировать, по крайней
мере, следующие три основных критерия жизни: 1) наличие белковых
тел; 2) наличие открытой системы и 3) наличие способности к само-
104
воспроизведению. Жизнь — это способная к самовоспроизведению
белковая открытая система. Эта формулировка по существу повто-
ряет классическую формулировку Энгельса, заменяя лишь понятие
«самообновление» более общим и точным понятием «открытая сис-
тема», в которое «самообновление» входит в качестве обязательной,
но частной характеристики; напомним, что во времена Энгельса тео-
рии открытых систем не существовало.
Определение основных критериев жизни имеет не только науч-
но-философское значение, оно необходимо в связи с конкретными
задачами научного исследования. Наука все ближе подходит к ис-
кусственному воспроизведению или моделированию жизненных яв-
лений, и хотя задача искусственного создания живого еще является
отдаленной, необходимо точно определить основные критерии реше-
ния этой задачи в ее наиболёе простом виде. Кроме того, в связи
с успехом космических исследований возникает возможность прямого»
наблюдения различных форм жизни на других планетах, и создает-
ся необходимость определения основных критериев, если не жизни
вообще, то, по крайней мере, форм ж;изни, известных на Земле.
В этом отношении представляется необходимым удовлетворение
всех трех указанных критериев. Можно себе представить довольна
сложнукготкрытую систему на основе белковых тел, в которой про-
исходит много химических реакций, но если такая система лишена
способности самосохранения и самовоспроизведения, она не может
быть живой.
В связи с успехами кибернетики, можно вообще представить
построение самовоспроизводящейся открытой системы на основе
металлов, пластмасс и электронных приборов, но она, несомненно,
не будет построена на основе белковых тел, й поэтому не будет жи-
вой; здесь дело не в формальном различии материала, а в принципи-
альном различии природы связанных с белковыми телами химичес-
ких реакций и молекулярных диффузионных процессов и в том глу-
боком внутреннем переплетении и единстве структур и процессов
и степени их изменчивости, которые решительно лежат вне преде-
лов кибернетических устройств, основанных на физических процес-
сах движения электронов в химически неизменных материалах. На-
конец, вне открытой системы, т. е. поддерживающегося материально-
го обмена со средой, самовоспроизведение белкового тела, очевидно,,
невозможно.
С указанной выше формулировкой интересно сопоставить фор-
мулировку Перре (1952), получившую известное распространение
в литературе, что 'жизнь есть способная к самовоспроизведению-
(буквально — «potentially self-perpetuating» — потенциально само-
увековечивающаяся), открытая система сопряженных органических
реакций, катализируемых ступенчатым и изотермическим образом
сложными и специфическими органическими катализаторами, кото-
рые сами продуцируются системой.
Эта интересная в ряде отношений формулировка все же недоста-
ющ
точно правильная, так как в ней, во-первых, не оговорено ясно,
что речь идет о системе типа белковых тел, т. е. отсутствует основная
характеристика; во-вторых, необходимо отметить, что живым телом
продуцируются не только катализаторы, но вся структура и состав
системы, тогда как именно некоторые части катализаторов-фермен-
тов (витамины, незаменимые аминокислоты) должны быть часто да-
ны извне в готовом виде, по крайней мере, для животного организма.
Наконец, замечание об изотермическом и ступенчатом характере
катализа хотя и существенно, но все же не кажется нам совершенно
необходимым для определения. В то же время положительным в этом
определении является то, что в него введено понятие об открытой
системе сопряженных химических реакций и что из всех обычно упо-
минаемых проявлений жизни выбрано действительно решающее,
специфическое свойство живого — его способность к самовоспро-
изведению; однако эти моменты содержатся и в предложенной
выше формулировке. Эта формулировка, несомненно, имеет лишь
ограниченное значение, так как не учитывает эволюционного разви-
тия организмов и многих существенных проявлений жизни, но
она относится лишь к простейшей форме жизни, к простейшей био-
логической открытой системе.
Для существования белковых тел как открытых систем необхо-
димы прежде всего достаточное разнообразие и, многочисленность
компонентов, участвующих в их образовании, и наличие высокораз-
витой структурированности. Существование белковых тел как тел
процесса, как воспроизводящей себя открытой системы, распадаю-
щейся при отсутствии «самообновления», не могло бы иметь места
на основе одного-двух сколь угодно сложно построенных веществ,
даже таких, как индивидуальные белковые молекулы или молекулы
нуклеиновых кислот. Поэтому необходимо представить себе образо-
вание белковых тел лишь как многокомпонентной системы (в которой
белки и нуклеиновые кислоты, несомненно, играют важнейшую
роль) с весьма сложной сетью сопряженных химических реакций.
Несомненно, что искусственное воспроизведение жизни будет воз-
можно только на уровне белковых систем чрезвычайно сложного
состава.
Наличие высокоразвитой структурированности белковых тел,
гетерогенности их физического строения необходимо также и потому,
что, как уже указывалось в первой главе, всякое полезное исполь-
зование любого вида энергии в виде работы предполагает наличие
пространственного разделения компонентов системы, определенной
ее структурной организации (нагреватель и холодильник в тепловой
машине, разделение электродов в аккумуляторе, разность уровней
воды на гидростанции и др.). Без этого в простом гомогенном раство-
ре освобождающаяся химическая энергия реагирующих веществ
могла бы выделяться лишь в виде тепла и бесполезно рассеивалась
бы в пространстве. Хотя для многоступенчатого (наиболее эффектив-
ного) полезного использования свободной энергии, по-видимому,
106
необходима особо сложная структура, однако вообще любая откры-
тая система, способная совершать работу, может существовать
лишь при наличии пространственного разделения компонентов в
рамках определенных структур. Это условие является термодинами-
ческой необходимостью. Оба приведенных условия необходимы для
построения химической стационарной открытой системы, хотя бы
и на основе белка, и они характеризуют чрезвычайную сложность
этих систем, но они все еще недостаточны для существования биоло-
гической открытой системы — живого организма.
Из многочисленных сложных открытых систем, которые могут
вообще существовать при данной совокупности компонентов и раз-
личных структур, лишь немногие достигают той степени слаженнос-
ти внутренней организации и сбалансированности всех сопряжен-
ных процессов, которые необходимы для самосохранения и воспро-
изведения систем. В отличие от неживых стационарных открытых
систем, в белковых телах, со свойственным им биологическим обме-
ном веществ, уже осуществляется воспроизведение структур и со-
става системы в процессе ее функционирования; разумеется, речь
идет отнюдь не о воспроизведении одного из компонентов системы
(хотя бы белка или нуклеиновой кислоты), но системы в целом.
В этом и заключается качественный скачок от неживых открытых
систем к живым телам, с присущими им биологическими закономер-
ностями.
Наконец, целиком в рамках биологических закономерностей
происходит отбор наиболее совершенно приспособленных к услови-
ям существования типов биологического обмена веществ, т. е. дарви-
новский естественный отбор определенных форм живых организмов.
Очевидно, что число химических открытых систем, удовлетворяю-
щих указанным выше физическим и химическим условиям, может
быть несравненно больше, чем число биологических открытых сис-
тем, способных к самовоспроизведению (живых организмов), а воз-
можное число последних — гораздо больше числа видов организмов,
удовлетворяющих критериям естественного отбора.
Разумеется, естественный отбор наиболее приспособленных жи-
вых организмов отнюдь не означает, что каждый компонент этих
систем также претерпевает свою собственную индивидуальную эво-
люцию. Выдвигаемое иногда представление, что эволюция организ-
мов должна быть основана на эволюции белка, является отраже-
нием все того же упрощенного сведения «белковых тел» к индиви-
дуальным белкам, которое явилось причиной многих других ошибок.
В действительности, например, наиболее сложные известные
нам белки — гемоцианины, эритрокруорины и др. — принадлежат
улиткам, моллюскам и другим беспозвоночным, а такие микроорга-
низмы как пенициллы и актиномицеты, способны продуцировать
антибиотические вещества, по сложности своего строения не уступа-
ющие веществам, образуемым любыми высшими организмами.
Таким образом, дело заключается не в эволюции веществ, имею-
107
щей подчиненное значение, а прежде всего в эволюционном развитии
живых тел, внутренняя организация которых становится всеболее
сложной и дифференцированной и все более совершенно приспособ-
ленной к условиям существования.
В данной выше общей характеристике живых организмов, как
биологических открытых систем, основное внимание было уделено
их отличию от неживых, химических открытых систем. Это было не-
обходимо потому, что живые организмы ранее обычно рассматрива-
лись в их противопоставлении неживым замкнутым системам и поэ-
тому за специфические характеристики живого иногда принимались
такие, например, свойства, как неразрывная связь со средой, связь
внешнего и внутреннего, которые являются общими свойствами всех
открытых систем.
Однако необходимо еще раз подчеркнуть, что мы рассматривали
лишь простейшие формы жизни и что многие другие важные осо-
бенности не были приняты во внимание. Указанные выше критерии
должны рассматриваться лишь как минимально необходимые, но
в то же время и достаточные для определения этих простейших форм
жизни.
Рассмотрим теперь несколько частных, но имеющих 'существен-
ное значение биологических приложений теории открытых систем.
Выше указывалось, что в открытой системе, в отличие от прос-
того равновесия в замкнутой системе, катализатор может изменять
стационарные концентрации реагирующих веществ, т. е. смещать
экспериментально определяемое динамическое «равновесие» про-
цесса. Этот вывод имеет большое значение для теории действия
ферментов в живой клетке (подробнее см. гл. 5).
Важной проблемой является обширная группа вопросов, свя-
занных с неравновесным распределением вещества между организ-
мом и средой; к их числу относится, в частности, вопрос о природе
биоэлектрических потенциалов. В живых телах на внутренних гра-
ницах раздела поддерживаются разности концентраций ионов, часто
не соответствующие доннановскому уравнению и создающие диффу-
зионные разности потенциалов. При наличии стационарного мета-
болического процесса внутри системы может поддерживаться ста-
ционарная разность концентраций ионов на границе раздела и тем
самым — стационарное значение диффузионного потенциала (под-
робнее см. гл. 4).
Общее решение вопроса о неравновесном распределении ве-
ществ, как указывалось в главе 1, дается термодинамикой необрати-
мых процессов. Как и в проблеме биопотенциалов, способность
живых организмов к передвижению веществ против действия осмоти-
ческих сил (различные процессы всасывания, секреции, избира-
тельного поглощения веществ и др.) объясняется наличием сопря-
женных процессов с большим падением свободной энергии (напри-
мер, процессов дыхания), поддерживающих стационарное состояние
в системе (подробнее см. гл. 5).
108
Большое биологическое значение имеют процессы динамической
стабилизации открытых систем и их переходы из одного стационар-
ного состояния в другое. В процессе индивидуального развития ор-
ганизм проходит через непрерывный ряд стационарных состояний,
приспособляясь к изменяющимся условиям среды и подчиняясь
внутренним закономерностям своего развития. Необратимость этого
развития (старение), характерная для биологических открытых сис-
тем, основана как на общей термодинамической необратимости ста-
ционарных процессов, так и на конкретных специфических особен-
ностях белковых тел. Важное значение, вероятно, имеет тот факт,
что в потоке веществ, проходящих через живой организм, или вооб-
ще через открытую систему, неизбежно некоторая часть химических
соединений будет особенно прочно поглощаться или задерживаться
веществами организма и, что особенно опасно, его биокатализатора-
ми-ферментами; постепенное отравление катализаторов наблюдается
во всех непрерывных химических процессах. Подобная блокировка
каталитических и матричных структур приведет к накоплению «оши-
бок» в процессах специфического биосинтеза и также к нарушению
нормального хода процессов жизнедеятельности*
Несомненно, что имеется еще много факторов, препятствующих
неограниченно длительному функционированию химических и био-
логических открытых систем. Таким образом, в жизненных процес-
сах мы всегда имеем дело как со стационарными состояниями, так
и с постоянными переходами между ними, регулируемыми сложными
системами биокаталитической, гормональной и нервной регуляции,
причем все эти изменения, кроме того, имеют общую необратимую
направленность.
Некоторые стационарные состояния тем не менее поддержива-
ются в организме с замечательной степенью устойчивости. Так, на-
пример, у человека и млекопитающих поддерживается постоянство
температуры тела, pH крови, содержания сахара, воды и солей в
крови и др.; такие свойства называются гомеостатическими.
Свойства сложной открытой системы сопряженных химиче-
ских реакций применительно к ряду проблем биохимии микроор-
ганизмов были подробно исследованы Хиншелвудом (1947). Слож-
ность этой сетки реакций определяет необходимость довольно зна-
чительного времени для ее перестройки и установления нового
стационарного состояния в средах с новыми источниками питания.
С этой точки зрения Хиншелвуд в ряде работ исследовал измене-
ние лаг-периода бактериальных клеток при утилизации новых ис-
точников углерода, азота, серы, выработку индуцированной рези-
стентности к лекарственным препаратам (сульфамидам, антибио-
тикам) и др. Перестройка ферментативного аппарата в течение
лаг-периода происходит, по Хиншелвуду, благодаря наличию аль-
тернативных путей реакций таким образом, .что в соответствии с
принципом максимальной скорости реакций, первоначально сла-
бый рост сменяется оптимальной скоростью роста на новой среде
109
в логарифмической фазе роста бактерий. Процессы аутосинтеза,
с точки зрения Хиншелвуда, происходят не путем изолированного
самовоспроизведения клеточных структур, а являются результатом
координированного взаимодействия всех процессов^ происходя-
щих в клетке.
Одним из основных свойств всего живого является возбуди-
мость или раздражимость. В процессе эволюционного развития
способность живых клеток и организмов к возбуждению усложня-
лась и дифференцировалась вплоть до образования специализиро-
ванной нервной ткани, обеспечивающей быстрое распространение
возбуждения и координированную реакцию всего организма на
действие раздражителей. Механизм нервного возбуждения будет
рассмотрен в главе 5; здесь мы укажем лишь на способность био-
логической системы к восприятию действия раздражителя и пере-
ходу в возбужденное состояние, свойственную всем без исключе-
ния живым организмам. Еще Бертон (1939) сопоставил переходы
в открытых системах к новому стационарному состоянию с реак-
цией организма на действие внешних раздражителей. Основываясь
на уравнениях реакций (ур. 19) в открытой системе, он показал
возможность теоретического вывода известного в физиологии за-
кона Вебера — Фехнера о прямолинейной зависимости реакции
организма от логарифма интенсивности действия раздражителя.
В большом числе исследований разных авторов показано на
различных видах животных, растений и микроорганизмов при раз-
нообразных типах воздействий (нагревании, освещении, измене-
нии концентрации СО2 в атмосфере, солей или ферментов в среде,
при наркозе и др.), что во всех случаях наблюдается общий тип из-
менений стационарного состояния, определяемый кривыми на
рис. 5 (особенно часто кривой А и Б), в зависимости от-интенсив-
ности действия раздражителя; этот же тип реакций наблюдается
и для модельных открытых систем (Пасынский и Дечев, 1961).
Возбуждение живых клеток по существу — результат смещения
стационарного состояния открытых систем. Внешне однотипное реа-
гирование живых организмов на различные внешние раздражи-
тели, отмеченное ранее Насоновым, по-видимому, естественное
следствие того, что все рассмотренные объекты относятся к от-
крытым системам.
В наиболее простых открытых системах ход изменения стацио-
нарного состояния мог быть количественно рассчитан из извест-
ных параметров системы (ур. 37). В более сложных системах уве-
личение числа параметров резко увеличивает трудности расчета,
но в этом отношении, несомненно, большие перспективы откры-
вает применение электронных счетных машин. В связи с работой
Ченса и сотрудников уже указывалось, что подобные исследова-
ния принципиально открывают путь к теоретическому расчету
физиологической реакции организма на основе достаточно пол-
ного набора биохимических данных.
ПО
Одним из важных видов внешние воздействий на организмы
является действие ионизирующих излучений, которое подобно
действию других внешних факторов, можно в общем виде формули-
ровать, как такое нарушение стационарного состояния открытой
системы, которое в определенных пределах компенсируется ею, а
яри более значительных воздействиях приводит к невозможности
установления нового стационарного состояния и к деградации
системы. Специфическая особенность биологического действия из-
лучений заключается в том, что первичное поражение в клетке ло-
кализуется лишь в крайне малых объемах буквально молекулярных
размеров. Если пораженные молекулы относятся к уникальным
структурам клетки (хромосомы) или входят в состав ядерной или
клеточной мембраны, это повреждение может вызывать большие
физиологические нарушения в жизни клетки. Повреждение мембран
может существенно нарушить стационарное состояние в клетке
путем изменения ее диффузионных параметров, условий взаимо-
действия ферментов и субстратов и др. С этой точки зрения могут
быть объяснены основные вопросы первичного механизма биологи-
ческого действия радиации (подробнее см. гл. 6).
Таким образом, теория открытых систем, наряду с термодина-^
микой необратимых процессов, имеет основное значение для всего
последующего изложения. Напомним еще раз, что эти теории пока
разработаны для наиболее простых случаев. Термодинамика необ-
ратимых процессов охватывает лишь сравнительно узкую линей-
ную область вблизи состояния равновесия, а теория открытых
систем — лишь системы с очень небольшим числом компонентов.
Поэтому эти теории могут дать лишь некоторые руководящие прин-
ципы подхода и не устраняют необходимости детального исследо-
вания механизма отдельных изучаемых процессов; наконец, эти
теории не должны подменять биологические теории и методы ис-
следования, характеризующие специфические биологические за-
кономерности живых организмов (например, закономерности,
вытекающие из естественного отбора, экологии организмов
и др.).
Критически оценивая пределы применимости теории открытых
систем к биологии и отбрасывая возможные механистические ошиб-
ки в этой области (вроде объяснения Пригожиным и Виамом пере-
лета птиц в теплые края энтропийными факторами), следует все же
учитывать, что неживые открытые системы представляют новую
важную и своеобразную сферу химических систем со своими спе-
цифическими закономерностями, которые представляют большой
интерес для биохимии. Теория открытых систем способна учитывать
свойства биологических систем относительно в гораздо большей
мере, чем теория реакций в замкнутых системах, преимущественно
используемая до сих пор в биохимии. Поэтому, она является важ-
ным шагом вперед в деле создания наиболее адекватного физико-
химического базиса общей биохимии.
111
ОБЩАЯ ТЕОРИЯ СИСТЕМ
Все открытые системы характеризуются наличием материаль-
ного обмена с окружающей средой. Значение этих систем видно из
того, что к ним относятся все живые организмы, все химические
системы с непрерывными процессами, все гидродинамические сис-
темы и др. Однако к этому же классу систем относятся и многие
другие системы совсем иного рода. Например, выше неоднократно
проводилось сопоставление явлений в сетке химических реакций
с процессами, которые характеризуют эксплуатацию транспорт-
ной сети дорог. Действительно, любой транспортный узел с его се-
тью подъездных и маневренных путей можно рассматривать как
открытую систему, в которую непрерывно поступают материаль-
ные грузы, изменяют в ней свою перегруппировку и уходят из нее.
Аналогично, любое промышленное предприятие является откры-
той системой, в которую поступает поток сырья, испытывающего в
ней ряд изменений и переработок и затем выходящего в виде по-
тока товаров и некоторого количества отходов. Сюда же относятся
различные системы энергоснабжения разветвленной сети потре-
бителей — электричеством, теплом или газом, распределение пото-
ка товаров по торговой сети и др. К числу открытых систем отно-
сятся также различные военные формирования, например, диви-
зия с ее службой боевого обеспечения и тыла и др. Наконец, к той
же категории систем относится все народное хозяйство какой-
либо страны по отношению к внешним рынкам, изменение числен-
ности народонаселения~и т. п. Разумеется, биологические открытые
системы имеют специфические отличия от других систем (это ясно
следует из данного на стр. 102 определения жизни), однако общая
для всех перечисленных систем принадлежность к открытым сис-
темам является причиной наличия ряда формально аналогичных
черт в их функционировании, которые могут быть использованы
для практически важных выводов.
Особое значение для всех перечисленных систем имеет установ-
ление в них оптимального режима функционирования. В орга-
низме вся сетка биохимических реакций претерпевает непрерыв-
ные тонкие изменения, в результате которых обеспечивается на-
илучшее приспособление организма к изменяющимся внешним
условиям, причем организм в значительной мере автоматически
находит во всех условиях оптимальный режц^ функционирования.
Эта задача оптимального управления, относящаяся главным обра-
зом к проблемам кибернетики, имеет актуальное значение для всех
перечисленных систем. Она составляет основу линейного програм-
мирования, которое позволяет при заданных условиях из всех
возможных вариантов плана или программы выбрать оптимальный
вариант и получает все возрастающее значение в промышленности,
транспорте, в планировании народного хозяйства и т. д. Эта задача
обычно решается при помощи электронных цифровых машин с
112
программным управлением, которые получают данные, характе-
ризующие состояние системы и внешней среды, рассчитывают воз-
можные варианты поведения системы при изменившихся условиях
и анализируют все найденные решения на основе определенного
критерия, выбирая оптимальный вариант направления процесса.
Подобным критерием может быть наибольшая производительность
процесса, поддержание состояния системы на заданном уровне,
наименьшее время перехода к новому состоянию, наименьшая зат-
рата труда и др. Однако осуществление оптимального программи-
рования требует наличия возможно более полных исходных дан-
ных и детального математического описания процесса. Поэтому
по отношению к процессам обмена веществ в организме требуется
подробное изучение кинетики частных биохимических реакций, с
определением констант скоростей реакций, промежуточных кон-
центраций реагирующих веществ и других параметров. Эти иссле-
дования еще находятся в начальной стадии и поэтому вопросы ли-
нейного программирования по отношению к живым организмам
на основании биохимических данных еще не были исследованы, но
несомненно, что в дальнейшем они приобретут большое значение.
Интересным аналогом сетки химических реакций в открытой
системе является пространственная сетка полимерных молекул.
Если N макромолекул связаны между собой (N—1) поперечными
связями, то все молекулы образуют разветвленную структуру,
подобную разветвленным реакциям; последующие поперечные
связи будут образовывать по отношению к прежним замкнутые
кольца и, таким образом, при числе поперечных связей, превышаю-
щем (N—1), возникает трехмерная -сетка молекул (аналогичное
условие существует для сетки химических реакций). Если прило-
жить определенное напряжение So к такому образцу полимера
при постоянных размерах и объеме образца-, то падение напряжения
со временем t будет происходить по уравнению:
S = 30e \ (40)
внешне аналогичному уравнению (5) для изменения концентрации
вещества при мономолекулярной реакции. Величине т периоду ре-
лаксации в уравнении (40) соответствует обратная величина кон-
станты скорости реакции у в уравнении (5). Напряжение, прило-
женное к одной части образца полимера будет распространяться в
соответствии с распределением периодов релаксации в простран-
ственной сетке макромолекул, подобно тому, как химические прев-
ращения происходят в сетке химических реакций в соответствии е
распределением констант скоростей этих реакций. Аналогичные
соотношения можно указать для прохождения тока в разветвлен-
ной электрической сети, характеризующейся известным распре-
делением сопротивлений и емкостей.
б Закаа № 631 113
Все приведенные данные интересны в том отношении, что они
показывают, каким образом некоторые явления в биологических
открытых системах возникают из совокупности химических и дру-
гих реакций, аналогичных реакциям в неживых открытых систе-
мах, но протекающих в специфических условиях и сочетаниях.
Глубокая аналогия здесь часто возникает не только в отношении
собственно открытых систем, обладающих прямым обменом веще-
ством с окружающей средой, но и в отношении систем, «открытых»
в смысле поступления и переработки информации, т. е. систем
изучаемых кибернетикой. В частности, выше уже указывалось на
общность проблем линейного программирования для ряда от-
крытых систем. Эшби (1958) характеризует кибернетику, как нау-
ку, занимающуюся «изучением причинно-следственных связей,
особенно в тех случаях, когда они представляются длинными цепя-
ми событий, где действие каждой стадии служит, в свою очередь,
причиной на следующей стадии». Очевидно, что при таком подходе
проблемы кибернетики имеют тесную связь с рассмотренной выше
теорией сеток химических реакций в открытых системах. Теория
открытых систем, кибернетика, теория информации, теория линей-
ного программирования — все это близко связанные теории раз-
личного вида систем, объединенных некоторыми общими призна-
ками организации.
Существенно, что во всех случаях рассматриваются сложные
совокупности взаимосвязанных элементов, образующих систему,
независимо от ее физической природы и механизма взаимной связи
составных частей. Это делает возможным создание общей теории
систем (Берталанфи), ставящей своей задачей установление общих
закономерностей в поведении организованных совокупностей пред-
метов, которые в результате коллективного взаимодействия сос-
тавных частей приобретают новые характеристики. Все перечис-
ленные выше системы относятся к такого рода объектам, и вопрос,
следовательно, заключается в выяснении общих существенных
закономерностей этих систем, которые зависят от общего типа
взаимных связей и соединений элементов системы, а не от их кон-
кретной материальной природы. При такой степени общности тео-
рия, конечно, ограничивается в своей практической приложимо-
сти, но зато она обладает определенными методологическими преи-
муществами, позволяя с общей точки зрения подойти к системам
весьма различной природы. Разработка такой общей теории, не-
сомненно, представит в будущем значительный интерес.
ВЫВОДЫ
Все живые организмы относятся к открытым системам, характе-
ризующимся наличием материального обмена с окружающей
средой, который в живых организмах лежит в основе всех процес-
сов жизнедеятельности. Процессы обмена веществ в живом орга-
Г14
низме образуют сложную систему сопряженных химических ре-
акций, что придает большое значение общей теории таких реак-
ций в открытой системе.
Цепи биохимических превращений веществ в организме прин-
ципиально отличаются от обычных цепных реакций в химической
кинетике. В частности, разветвление цепей биохимических реак-
ций заключается не в размножении или увеличении числа одинако-
вых циклов, a в возникновении различных направлений реакций;
цепи биохимических реакций образованы из различных стабиль-
ных молекул, сменяющих друг друга в определенной последова-
тельности превращений и др.
Среди сопряженных химических реакций в открытой системе
можно различать линейные и разветвленные цепи реакций, а также
замкнутые циклы реакций.
Линейные цепи реакций, в простейшем случае комбинации двух
реакций первого порядка, в замкнутой системе выражаются урав-
нениями (2) — (4), а для комбинации реакций первого и нуле-
вого порядка — уравнением (12). В открытой системе эти реакции
усложняются наложением процессов переноса (диффузии, прони-
цаемости) или материального обмена со средой, вследствие чего
для каждого из веществ системы скорость изменения концентрации
равна сумме скоростей элементарных процессов переноса через
границы системы и внутреннего химического превращения частиц.
Если перенос подчиняется закону Фика, то при наличии в системе,
одной реакции первого порядка система характеризуется уравне-
нием (19), а при наличии последовательных реакций первого по-,
рядка — уравнением (21).
Для разветвленных цепей реакций первого порядка количества)
веществ, образующихся по каждому направлению реакций, отно->
сятся как константы скоростей этих реакций (ур. 28—29). При
некоторых ограничениях переноса возможно возникновение зам-,
кнутых систем реакций внутри открытой системы (схема 31).
Большое значение имеют замкнутые цепи биохимических прев-
ращений (циклы реакций), которые всегда сопряжены с не<братимой
реакцией (например, цикл Кребса — с необратимым окислени-
ем уксусной кислоты),* что приводит к некоторому преимуще-
ственному направлению вращения циклов. В организме концент-.
рации промежуточных веществ циклов могут изменяться в резуль-
тате взаимосвязи различных процессов обмена (включения циклов
в общую сетку реакций), что позволяет тонко регулировать ско-
рости вращения циклов и интенсивность производимых ими хими-
ческих превращений. Интересным частным случаем является на-
личие аутокаталитических стадий в циклах реакций (схема 32).
Совокупность линейных, разветвленных и циклических реак-
ций образует в организме сложную сетку сопряженных реакций,,
координация которых во времени и пространстве строго организо-
вана и специфична для каждого вида организмов. Наличие этой
5*
115
сетки реакций обеспечивает взаимосвязь различных процессов об-
мена, возможность альтернативных путей обмена и приводит при
любом изменении условий не к локальному изменению какой-
либо одной стадии химических превращений, а к перераспределе-
нию многих кинетических параметров открытой системы, обес-
печивающему наиболее эффективное приспособление организма
(адаптацию) к новым условиям. Применение электронных счетных
машин открывает путь к количественному расчету сложной сово-
купности биохимических реакций.
Одним из наиболее важных состояний сетки или цепей реак-
ций в открытой системе является стационарное состояние, при ко-
тором концентрации всех компонентов поддерживаются постоян-
ными во времени в результате динамического баланса процессов
переноса и химических превращений. Условия стационарного сос-
тояния для простейшей открытой системы с одной' реакцией пер-
вого порядка выражены уравнением (37). В открытой системе мо-
жет существовать неограниченное число стационарных состояний
в зависимости от внутренних параметров системы (концентраций
компонентов, констант диффузии и скоростей реакций и др.) и
внешних условий (температуры, давления и др.). Изменение ка-
кого-либо из перечисленных условий приводит к переходу системы
в новое стационарное состояние. Катализаторы в открытой системе
влияют не только на скорость реакций, но и на стационарные кон-
центраций реагирующих веществ. При изменении условий ста-
ционарного состояния в открытой системе, развиваются процессы,
направленные на сохранение свойств системы. Это наличие обрат-
ной связи или динамической аутостабилизации стационарного
состояния в открытой системе (и в простейших живых организмах)
основано на сопряжении процессов переноса и химических превра-
щений; на более высоких ступенях эволюции развиваются специ-
альные системы ферментативной, гормональной и нервной регу-
ляции.
Направление химических превращений в открытой системе при
наличии альтернативных путей реакций определяется принципом
максимальной скорости реакций. Переходы из одного стационар-
ного состояния в другое в открытой системе происходит в опреде-
ленных пределах скоростей реакций не по плавным кривым экспо-
ненциального перехода, а через промежуточные состояния макси-
мума или минимума (кривые с избыточным отклонением или
«ложным стартом»). По мере увеличения скоростей реакций система
вначале теряет способность к аутостабилизации стационарного
состояния, а затем и вообще к его поддержанию.
В свете теории открытых систем некоторые основные критерии
жизни должны быть определены как специфические различия
между биологическими открытыми системами (живыми организ-
мами) и химическими открытыми системами. К числу таких крите-
риев относятся способность открытой системы к самовоспроизве-
116
пению и ее функционирование на основе белковых тел. Таким обра-
зом жизнь"— в ее простейшем проявлении — это способная к
самовоспроизведению белковая открытая система. С теорией откры-
тых систем тесно связаны теория биоэлектрических потенциалов,
неравновесного распределения веществ, возбудимости, адаптации,
гомеостатических свойств организмов и др.
Теория открытых систем (объединяющая системы, характери-
зующиеся материальным обменом с окружающей средой) является,
наряду с кибернетикой, теорией информации, теорией линейного
программирования и другими, частью общей теории систем как ор-
ганизованных совокупностей предметов, связанных? между собой
коллективным взаимодействием.
ЛИТЕРАТУРА
Брей Дж. и У а й т К. Кинетика и термодинамика биохимических
процессов. М., ИЛ, 1959.
Опарин А. И. Возникновение жизни на Земле. М., АН СССР, 1957.
Пасынский А. Г. Теория открытых систем и ее значение в био-
химии. «Усп. совр. биол.», 1957, т. 43.
Пасынский А. Г. Некоторые проблемы биохимической киберне-
тики. «Вестник АН СССР », 1962, № 4.
Панченков Г. М. и Лебедев В. П. Химическая кинетика и
катализ. Изд. МГУ, 1961.
Родигин Н. М. и Родигина Э. Н. Последовательные
химические реакции. М., АН СССР, 1960.
Bertalanffy L. Biophysik des Fliessgleichgewicht, 1953.
Burton A. The properties of steady state compared to those of equi-
librium as shown in characteristic biological behavior. «J. Cell. Comp. Phy-
siol. », 1939, vol. 14.
Perret C. A new kinetic model of a growing bacterial population. «J.
general Microbiology», 1960, vol. 22.
ГЛАВА 3
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ
Между веществами, входящими в состав живого организма,
может вообще осуществляться огромное количество самых разно-
образных реакций. Сложная совокупность химических реакций,
фактически входящих в процессы обмена веществ, составляет лишь
небольшую часть потенциально возможных химических превраще-
ний веществ организма. Это объясняется, прежде всего, нали-
чием в организме многочисленных биологических катализаторов —
ферментов, обладающих высокой специфичностью и эффективно-
стью действия, благодаря которым они резко ускоряют лишь не-
которые, вполне определенные превращения данного вещества.
Деятельность ферментов является одним из наиболее важных фак-
торов организации процессов обмена веществ в живом организме,
их специфической слаженности и направленности. Складывающееся
в данном организме распределение скоростей ферментативных прев-
ращений в значительной мере определяет специфическое своеобра-
зие процессов обмена веществ. Поэтому после изучения общей
теории кинетики биохимических процессов ближайшей задачей яв-
ляется изучение проблемы ферментативного катализа.
Ниже будут рассмотрены основные вопросы, связанные с проб-
лемой ферментативного катализа: 1) классификация ферментов,
2) природа и механизм действия ферментов, 3) кинетика действия
ферментов и 4) действие ферментов в открытых системах. Кроме
того, действие ферментов в живой клетке будет рассмотрено в
главе 5.
КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
В настоящее время известно свыше двух тысяч ферментов и чи-
сло обнаруживаемых новых ферментов ежегодно значительно
увеличивается. Сотни ферментов выделены и получены в высоко-
очищенном состоянии и около 150 — в кристаллическом (следует на-
помнить, что первый фермент в кристаллическом состоянии — уреа-
за — был получен Самнером лишь в 1926 г.). Замечательно, что все
известные до сих пор ферменты оказались белковыми веществами.
Однако химическое строение белковых молекул — ферментов —
118
изучено еще слишком недостаточно для того, чтобы классификацию
ферментов можно было построить на основе их химического строе-
ния. Поэтому ферменты классифицируют исключительно по
характеру их действия, т. е. учитывается природа химических прев-
ращений, катализируемых данными ферментами. Эти превраще-
ния, по существу, определяются разрывом и образованием различ-
ных' видов химических связей. Ковалентные связи, как известно,
образуются путем обобществления двух электронов (по одному от
каждого атома), которые, однако, редко принадлежат в равной
мере обоим связанным атомам. При любой химической реакции
происходит смещение электронов или поляризация связей, причем
смещение электронов происходит в сторону действующего реаген-
та, если последний имеет электрофильную (электроноакцепторную)
природу, и в противоположную сторону при действии нуклеофиль-
ного или электронодонорного реагента. К общей классификации
химических реакций в связи с различными формами переноса од-
ного и двух электронов мы вернемся в главе 6 (стр. 332).
Появление электрической асимметрии связи или усиление имею-
щейся асимметрии снижает энергию разрыва связи и облегчает
течение реакции. В органической химии различают три основных
типа химических реакций — замещения, отщепления и присоеди-
нения, среди которых наиболее распространенными являются ре-
акции замещения, идущие по общему типу: ЛВ+С-*ЛС+В. В об-
ласти ферментативных реакций соответственно доминирующее зна-
чение, имеют реакции переноса различных атомных группировок,
по общему типу:
AB + CD^AC + BD ,
при которых одновременно с переносом группы В на остаток D
происходит перенос С на Л; таким образом, эти реакции имеют,
по существу, характер двойного замещения или обмена. Много-
численные реакции гидролиза или фосфоролиза можно рассматри-
вать, как перенос, части В молекулы субстрата на остаток воды
(£>=ОН) или фосфорной кислоты. В настоящее время в биохими-
ческой литературе процессы переноса часто еще отличают от раз-
личных процессов гидролиза, и фосфоролиза, но это различие при-
обретает все более условный характер. Преобладание различных
реакций переноса или двойного обмена в биохимических процессах
объясняется тем, что они происходят с меньшим суммарным изме-
нением свободной энергии, чем простые реакции замещения.
К обширной группе переноса атомных группировок примыкает
важная группа реакций переноса водорода или электрона, состав-
ляющая группу окислительно-восстановительных реакций.
Наконец, среди ферментативных реакций, как и среди реак-
ций органической химии, имеются реакции отщепления и присоеди-
нения, также катализируемые специальными ферментами. Не
только соображения классификации, но и детальное изучение ме-
ханизма реакций, катализируемых ферментами (Кошланд, Диксон,
119
Браунштейн), все более подтверждают внутреннюю близость этих
реакций с реакциями органической химии.
С этой точки зрения, можно установить три основные группы
ферментов: 1) ферменты, катализирующие перенос различных атом-
ных группировок, 2) ферменты окислительно-восстановительного
действия и 3) ферменты расщепления — присоединения.
В настоящее время принята классификация, согласно которой
гидролазы, фосфорилазы, феразы, ферменты расщепления, фер-
менты изомеризации, окислительные ферменты выделяют в осо-
бые классы ферментов, однако мы будем придерживаться указан-
ного выше более общего разделения.
Наименование ферментов (от латинского слова fermentare —
перемешивать, возбуждать) или энзимов (от греческого еп гуте —
в дрожжах, указывающего на первоначальный источник фермен-
тов; слово «энзимы» принято в иностранной литературе) произ-
водятся от названий, вызываемых ферментами реакций (гидролиз,
фосфоролиз и др.) или от названий субстратов — веществ, на ко-
торые оказывают действие ферменты; к этим названиями для обоз-
начения ферментов в большинстве случаев прибавляют окончание
«аза». Ознакомление с классификацией ферментов позволит нам
одновременно познакомиться в основных чертах с конкретным мно-
гообразием ферментативных реакций.
ФЕРМЕНТЫ, КАТАЛИЗИРУЮЩИЕ ПЕРЕНОС РАЗЛИЧНЫХ АТОМНЫХ
ГРУППИРОВОК
К первому основному типу ферментов относятся гидролазы,
фосфорилазы и специальные ферменты переноса, называемые
феразами. Все они катализируют обмен различных атомных груп-
пировок между двумя веществами по общему типу AB+CD&
&AC+BD, причем гидролазы и фосфорилазы катализируют, соот-
ветственно, перенос на остатки молекул воды и фосфорной кислоты.
Кроме того, к этой группе относятся ферменты изомеризации, ката-
лизирующие перенос атомных группировок в пределах одной моле-
кулы. Все эти ферменты имеют широкое распространение и играют
исключительно важную роль в процессах обмена веществ; они ох-
ватывают большинство известных ферментов.
Гидролазы осуществляют гидролиз органических соединений,
т. е. их распад на более простые при участии молекулы воды:
RR'+H2O^ROH+R'H или перенос остатка R на гидроксил воды.
К их числу относятся протеазы, эстеразы, карбогидразы, амидазы.
Протеазы осуществляют разрыв пептидной связи и имеют ос-
новное значение для переваривания белков в организме
RCO-7-NH—R' + Н2О -> R—СО—ОН+ H,N—R'.
120
В зависимости от длины цепи аминокислотного субстрата их разде-
ляют на пептидазы и протеиназы; в частности, дипептидазы расщеп-
ляют только пептидные связи в дипептидах, соседние одновременно
со свободной карбоксильной и со свободной аминогруппой; дру-
гие пептидазы, расщепляющие пептидные связи, соседние только
с одной из этих групп, соответственно называются карбоксипеп-
тидазами или аминопептидазами. Например, в глицил-глицине
H2N—СН2—CCH-NH—СН2—СООН — пептидная связь разрывается
дипептидазой, тогда как в более длинных пептидах — полигли-
цилах связь I разрывается аминопептидазой, а связь II — карбо-
ксипептидазой; оба ввда пептидаз имеются в поджелудочной желе-
зе и в кишечнике.
HaN—сн2—co-Pnh—СН2—СО—NH—сн2—. ..
I
—СО—NH—СН2—СООН
й
Протеиназы способны расщеплять пептидные связи в белковых
молекулах; к их числу относятся важные ферменты: пепсин, трип-
син, химотрипсин и соответствующие их предшественники — эн-
зимогены: пепсиноген, трипсиноген, химотрипсиноген, из кото-
рых ферменты образуются путем аутокаталитического (вызывае-
мого тем же ферментом) процесса отщепления некоторых низкомо-
лекулярных пептидов.
Например, в трипсиногене основное ядро белковой молекулы
Б кончается пептидом Вал-Асп-Асп-Асп-Асп-Лиз-Илей-Б; переход
трипсиногена в трипсин сопровождается отщеплением концевого
тетрапептида Вал-(Асп)4-Лиз, после чего остается молекула трип-
сина Илей-Б, с концевым остатком изолейцином.
По международной классификации ферментов (стр. 136) в
названиях энзимогенов окончание «оген» заменяется на приставку
«пре», например пепсиноген, трипсиноген получают новые назва-
ния — препепсин, претрипсин и т. д.
Эстеразы катализируют реакции расщепления и синтеза слож-
ных эфиров на кислоту и спирт (иногда фенол):
RCOOR' + Н2О^Г RCOOH + R'OH.
К их числу относятся, например, липазы, производящие гидроли-
тическое расщепление и синтез жиров, и фосфатазы, действующие на
сложно-эфирные связи с фосфорной кислотой. Различают кислые,
нейтральные и щелочные фосфатазы, работающие, соответственно,
при pH—3—4, 5—6 и 9; они осуществляют гидролиз и синтез глю-
козо-1-фосфата, глюкозо-6-фосфата и фруктозодифосфата; кислая
фосфатаза из картофельных клубней — апираза — осуществляет
отщепление двух остатков фосфорной кислоты от АТФ, а мышеч-
121
ная аденозинтрифосфатаза (миозин) катализирует отщепление од-
ного остатка фосфорной кислоты от АТФ. К фосфатазам относятся
также рибонуклеаза и дезоксирибонуклеаза, расщепляющие нук-
леиновые кислоты до нуклеотидов, и нуклеотидазы, отщепляющие
остаток фосфорной кислоты от нуклеотида с образованием нуклео-
зидов. Большое значение имеет также холинэстераза, которая ката-
лизирует гидролиз ацетилхолина (1) на холин (II) и уксусную
кислоту:
CH3COOCH2CH2N+ (СН3)3 + Н2О HOCH2CH|N+ (СН3)8 + СНзСООН
Карбогидразы катализируют расщепление простых эфирных или
ацетальных связей:
ROR' +.Н2О ROH + R'OH,
где 7? и R'— остатки моно-, ди-, полисахаридов, a R' может быть
также неуглеводным компонентом со спиртовой или фенольной
группой. Карбогидразы разделяются на олигазы, действующие на
ди- и трисахариды, и полиазы, действующие на полисахариды
(крахмал, гликоген, целлюлозу); это разделение аналогично раз-
делению протеаз на пептидазы и протеиназы. К числу олигаз
принадлежат: сахараза (или инвертаза), мальтаза, галактозидазы,
фруктозидазы; к числу полиаз: а-амилаза, ^-амилаза, целлюлаза
и др. Амилазы гидролизуют крахмал до декстринов и мальтозы;
[3-амилаза расщепляет амилопектин примерно на 54% (до развет-
влений), а амилозу — целиком до мальтозы; декстрины гидроли-
зуются а-амилазой.
Амидазы катализируют расщепление и синтез амидной связи
—СО—NH2; к их числу относятся уреаза (действующая только на
мочевину), аспарагиназа, аргиназа, глутаминаза (действующие на
амиды соответствующих аминокислот).
Фосфорилазы действуют подобно гидролазам, но вместо воды
в их реакциях участвуют молекулы фосфорной кислоты, вследствие
чего продукты реакции представляют собой сложные эфиры фос-
форной кислоты:
ОН ОН
RR' + НО—₽/=О RH + R'-O—р/=О.
ОН ОН
Из фосфорилированных производных при участии фосфори-
лаз можно получить высокомолекулярные органические соеди-
нения. Например, фосфорилаза картофеля и гороха позволяет
получить из глюкозо-1-фосфата полисахарид, подобный природ-
ному крахмалу, фосфорилаза печени — полисахарид, подобный
гликогену, полинуклеотидфосфорилаза, выделенная из микро-
организмов Е. coll и Azotobact. vinelandu, образует из нуклео-
122
зидди(три)фосфатов высокомолекулярные полинуклеотиды, по-
добные РНК;
п (Х-R—Р-Р) (XRP)„ + лР0,
где X — азотистое основание, R — рибоза, Р—Р — дифосфат (пи-
рофосфат) и Ро— ортофосфат. Фосфорилаза, выделенная из бак-
терий Leuconostoc mesenteroid.es, катализирует образование сахара
из глюкозо-1-фосфата и фруктозы. Нуклеозидазы вызывают рас-
щепление нуклеозидов на азотистое основание и рибозо- или де-
зоксирибозо-фосфат.
Ферменты переноса — феразы, как указывалось, катализируют
обмен различных атомных группировок между двумя веществами
(в число которых не входят вода или фосфорная кислота). Обычно
одна из обмениваемых атомных группировок имеет основное зна-
чение в данной реакции и по ней определяется название фермента.
Так, например в реакции взаимодействия АТФ и глюкозы
АТФ + глюкоза АДФ + глюкоза-6-фосфат,
основное значение имеет перенос остатка фосфорной кислоты с
АТФ на глюкозу, а не встречный перенос водорода, и поэтому фер-
мент, катализирующий эту реакцию, относится к классу фосфо-
фераз (в данном случае фермент называется гексокиназой). Таким
образом фосфоферазы переносят макроэргические остатки фосфор-
ной кислоты, например от АТФ на глюкозу, фруктозу, пировино-
градную кислоту и др. Реакции переноса остатка фосфорной ки-
слоты по общему уравнению
R—РО3Н2+ R'OH7± RH + R'O—РО3На
или
R—РО3Н2 + R'NH2 RH + R'NH—РО3Н2
называются реакциями трансфосфорилирования.
Важную группу составляют ферменты аминоферазы, катализи-
рующие перенос аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту;
такие реакции называются реакциями трансаминирования, или
переаминирования (открытые Браунштейном и Крицман в 1937 г.).
Эти реакции происходят между дикарбоновыми аминокислотами
(главным образом глютаминовой и аспарагиновой) и кетокислотами
(щавелевоуксусной, а-кетоглютаровой), например:
СООН
СН2
СН,
СНз
+со
соон
СНз
СН
юон
ООН
’аспарагиновая пировиноградная
кислота
кислота
аланин
СООН
+<1н2
со
соон
щавелевоуксусная
кислота
123
Из уравнения реакции видно, что она не сводится просто к пе-
реносу аминогруппы, а заключается в двойном обмене довольно
сложных атомных группировок. Было выяснено, что в активную
группу аминофераз входит фосфопиродоксаль (фосфорилированное
производное витамина Вв):
— протеид.
самин, содержащий вместо группы
в котором альдегидная группа —С\ может, вступая в комплекс
\Н
с аминокислотой, переходить в соответствующий фосфопиридок-
/°
' группу — CH2NHa
(аминокислота при этом переходит в новую кетокислоту).
По Браунштейну и Шемякину (1953), эта реакция проходит
через промежуточную стадию образования шиффова основания об-
щего типа
При этом происходит перераспределение электронной плотности
изменяющее характер атома Ci и создающее возможность различ-,
ных превращений, которые отсутствуют у исходных аминокислот.
В частности, возможно отщепление атома водорода при Ct (при-
чем в образующемся анионе возникает повышенная электронная
плотность у атомов 1, 3, 5, 7 и 9) и перемещение двойных связей,
которое завершается гидролизом с образованием фосфопиридок-
самина:
C=N C=O + H.N—СН*—.
I I
соон соон
124
фосфопиридоксамин, образуя комплекс с участвующей в реак-
ции кетокислотой, переводит ее в новую аминокислоту, а сам воз-
вращается к фосфопиридоксалевой форме. В зависимости от строе-
ния аминокислот и природы белковых компонентов ферментов раз-
личные ферменты с одной и той же фосфопиридоксалевой группой
вызывают весьма различные превращения аминокислот, например,
в глютаминовой кислоте — декарбоксилирование, переаминиро-
вание, рацемизацию. Для каждой аминокислоты, участвующей в
переаминировании, существует своя аминофераза.
Следующей важной группой фераз являются ферменты, ката-
лизирующие перенос метильных групп или реакции трансметили-
рования. Источником метильных групп в этих реакциях является
,NH2
аминокислота метионин Н,С—S—СН2 — сн, — СН< , в част-
\соон
ности при биосинтезе холина (CH3)3+N—СН2СН2ОН (имеющего
большое значение для жирового обмена и образования ацетилхо-
лина). Не менее важное значение имеют реакции межмолекулярного
переноса сульфгидрильных групп, катализируемые тиолферазамщ
в этих реакциях источниками сульфгидрильных групп служат
аминокислоты:
yNH2
цистеин HS—СН2—СН<
\соон
/NH2
или гомоцистеин HS—СН2—СН2—СН<
Х200Н
(последний является продуктом деметилирования метионина).
В процессах белкового обмена большое значение могут иметь
реакции транспептидации, или йежмолекулярного переноса ами-
нокислотных остатков. Внутриклеточные протеиназы (папаин,
химотрипсин), помимо рассмотренных выше реакций гидролиза —
конденсации, могут также катализировать реакции замещения или
двойного обмена в пептидных цепях, что видно из следующей схе-
мы, в которой левая часть соответствует гидролизу, а правая
часть — обменной реакции:
125
Различие в функции протеиназ в значительной мере зависит от
pH среды: например, для папаина при pH 5 преобладает гидроли-
тическое действие, при рН7-8 — заметно усиливается транспеп-
-тидация.
К этой же группе реакций относятся реакции трансгликозиди-
рования — межмолекулярного переноса остатка моносахарида в уг-
леводах в присутствии ферментов, называемых трансгликозидазами.
Так, например, остаток глюкозы может быть перенесен из саха-
розы, где он находится в соединенйи с фруктозой, на сорбозу, с
образованием нового дисахарида — глюкозо-сорбозида:
сорбоза -f- глкжозофруктозидчЬ глюкозо-1-сорбозид + фруктоза
(сахароза)
Поскольку в этих реакциях одна гликозидная связь заменяет-
ся другой (или выше — одна пептидная связь — другой пептид-
ной связью), суммарное изменение свободной энергии процесса
сравнительно невелико, что облегчает течение реакций.
Интересно заметить, что реакции переноса цепей (транспепти-
дация и др.) аналогичны реакциям обмена цепей при поликонден-
сации полимеров. Например, по Коршаку, в полиамидах при на-
гревании с другими полиамидами реакция обмена цепей может
протекать по одному из следующих уравнений:
а) по концевым группам; тогда она аналогична ацидолизу,
аминолизу, гидролизу и др.:
. . .- [NH (СН2), NHCO (СН2)4 CO]m - [NH (CH2)eNHCO (СН2)4 СО]Я . . .
+ — [NH (СН2)„ NHCO (СН,)4 СО]р — ОН->
— [NH (СН2), NHCO (СН2) , СО]Ш — ОН +
+ ... — [NH (СН2)„ NHCO (СН2)4 СО]р —
— [NH (CH2)e NHCO (СН2)4 СО]Я — . . .
б) за счет взаимодействия средними звеньями цепей (как в ре-
акциях переаминирования, переэтерификации и др.):
...-[ыН(СН2)в NHCO(CH2)4Co]^-j—[nH (СН2)бМНС0(СН2)4С0]р.Л
4. -[cO(CH2)i|CONH(CH2)6NH]fTf-[cO(CH2)4CONH(CH2)6NH]ir..r*-
[nH(CH2)6NHCO(CH2)4Co]|<----[NHlCHjleNHCOtCH^hCoJrif...*
[cO(CH2)4CONH(CH2)6NH]|----[cO(CH2)4CONH(CH2)6NH]n-...
126
Однако при поликонденсации эти реакции обмена цепей про-
исходят лишь при высоких температурах, -тогда как в организме
при участии ферментов они происходят с высокими скоростями
при обычной температуре.
Ферменты изомеризации катализируют перемещение различных
атомных группировок в пределах данной молекулы, по типу
реакции А&С, чем они отличаются от фераз и других ферментов
межмолекулярного переноса. К их числу относятся, например,
изомераза взаимного превращения фосфодиоксиацетона и фосфо-
глицеринового альдегида, фермент фосфоглюкомутаза способ-
ствующий взаимному переходу глюкозо-1-фосфата и глюкозо-6
фосфата и др.
ФЕРМЕНТЫ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ
Ко второму основному типу ферментов относятся ферменты оки-
слительно-восстановительного действия, катализирующие межмо-
лекулярный перенос атомов водорода и перенос электронов. К их
числу относятся различные дегидрогеназы, оксидазы и перокси-
дазы; все они имеют чрезвычайно важное значение.
Дегидрогеназы осуществляют окислительно-восстановитель-
ную реакцию переноса водорода от субстрата АН2 к акцептору В,
ah2+bz±a+bh2,
в процессе которой одновременно происходит окисление субстрата
и восстановление акцептора. Дегидрогеназы разделяются на два
основных класса: анаэробные, передающие водород различным акце-
пторам, кроме О2, и аэробные, передающие водород молекулярному
кислороду О2. К анаэробным ферментам принадлежат первичные
дегидрогеназы или пиридиновые ферменты, у которых в качестве
активной группы или кофермента (см. ниже) выступают никотина-
мидадениндинуклеотид (НАД) или никотинамидадениндинуклео-
тид-фосфат (НАДФ) (см. стр. 128).
Сравнение структурных формул НАД и НАДФ показывает,
что оба вещества отличаются лишь наличием третьего остатка фос-
форной кислоты в НАДФ.
В формулах НАД (см. стр. 128) слева и НАДФ изображены
окисленные формы обоих коферментов: в восстановленной
форме они присоединяют два атома водорода 2Н, причем — О"
остатка фосфорной кислоты переходит в — ОН, а группа —
N+ = СН — переходит в группировку — N — СН =. НАД-де-
гидрогеназы играют важную роль в спиртовом брожении,
молочнокислом брожении, в превращениях углеводов в мышцах.
При участии пиридиновых ферментов происходит окисление (де-
гидрирование) различных органических кислот и спиртов, гексо-
зомонофосфата, глюкозы и др. Для каждого из этих субстратов
127
н
•CONH.
НС сн
н н
Hi
2
zCH-bk
N<f Sc-NH2
C-CO-NHj
rZH-N;
нс CH
HOCH
HOCH о
йе-
о
N N
---CH
I +2H
неон-----1
:он -2Н
:н
о сн2
— Р — О — Р—о
он
CH
-CO-NH,
HC---
HOI
I О
НОСН I
l2
N
сн
н
НС сн
N
не—1
неон
О |
I неон
нс—
HOCH
I О
нос:
сн2
I О
!--CH
о сн8
НС
<!н2
I о
о
О—Р—о —
он
он
Никотинамидадениндинуклеотид
HCOH
О I
I неон
о сна
•— Р—О— Р—о—Р—о
он d- он
Никотинамидадениндинуклеотид-фосфат
н н н он СНа—С—С—С— СН2ОР^О АнОН он \н н н н он сн2—с—с—СН2ОР=О он Ан Ан \>н
СН N N Н3с_с^\с/\с^\со H3C-C^J! С\ Jc\/N окисленная форма ±351 , СН N NH ^2Н н3с-с<Ас/\с/\со белок Н3С—cAJJCk JcvJnH белок СН NH С ' II О восстановленная форма флавинмононуклеотид
существует особый фермент (например, алкргольдегидрогеназа,
сукциндегидрогеназа и др.), специфичность действия которого оп-
ределяется особенностями белка, с которым соединен пиридиновый
кофермент.
Пиридиновые ферменты передают водород, отнятый от окисляе-
мого субстрата аэробным дегидрогеназам, к которым прежде всего
относятся флавопротеидные дегидрогеназы или флавиновые фер-
менты. Коферментом этих дегидрогеназ является соединение рибо-
флавина (витамина В2) с фосфорной кислотой, называемое флавин-
мононуклеотидом; в восстановленной форме два атома водорода 2Н
присоединяются к атомам=М — (стр. 129).
В других флавиновых ферментах в состав активной группы вхо-
дит флавинадениндинуклеотид (ФАД).
В эритроцитах содержится желтый дыхательный фермент
флавопротеидной природы, принимающий участие в окислении
углеводов.
Так, например, водород от гексозомонофосфата переходит
на анаэробную дегидрогеназу, которая передает его флавиновому
желтому ферменту. В конечном счете окисление заканчивается тем,
что водород субстрата передается кислороду воздуха (с образова-
нием воды или перекиси водорода), но флавиновые ферменты мо-
гут передавать водород не сразу молекулярному кислороду, а сна-
чала ферментам еще одной группы — полифенолоксидазной или
цитохромной системам, которые играют, таким образом, промежу-
точную роль в заключительных стадиях биологического оки-
сления (см. гл. 4).
н н н о
I I I II
СН2—С—С —С—СН2- О • Р—
нА Ан -Ан Ан
остаток D- рибита
остаток диметил-
изоаллоксазина
флавинадениндинуклеотид (ФАД)
Оксидазами называют ферменты полифенолоксидазной систе-
мы, для которых акцептором водорода является уже непосредственно
кислород воздуха. В частности, по теории Палладина, важ-
ную роль в дыхании растений играет полифенолоксидаза, при по-
мощи которой водород (первоначально отнятый у окисляемого суб-
страта при участии соответствующей дегидрогеназы) передается на
130
молекулярный кислород через посредство промежуточной системы
«полифенол-хинон». Содержащиеся в растениях полифенолы, уча-
ствующие в процессе дыхания, называются, по Палладину, дыха-
тельными хромогенами, а образующиеся при их окислении соот-
ветствующие хиноны — дыхательными пигментами. К оксидазам
относятся также ферменты тирозиназа, аскорбиноксидаза и пр.
Характерным отличием цитохромных 'ферментов служит то,
что они участвуют в переносе электронов, а не атомов водорода, эти
электроны доносятся до молекулярного кислорода, который яв-
ляется хорошим акцептором электронов (энергия образования
Ог составляет около 1,5 эв), а отрицательный ион кислорода реаги-
рует с протонами Н+ атомов водорода, переносимых через раствор
от окисляемого субстрата.
Известно свыше 10 различных цитохромов, названия которых
отличаются буквами а, Ь, с и др. В состав активной группы цито-
хромов входит группа гемина, содержащая атом железа, обрати-
мое изменение валентности которого и объясняет процесс пере-
носа электронов.
По стандартизованной номенклатуре цитохромы — это гемпро-
теиды, основной биологической функцией которых является пере-
нос электрона и водорода за счет обратимого изменения валент-
ности их гемжелеза. Восстановленные цитохромы, однако, вновь
окисляются молекулярным кислородом только в присутствии осо-
бого фермента — цитохромоксидазы.
гемин цитохрома с
В целом последовательность процессов при биологическом оки-
слении субстрата и передаче его атомов водорода кислороду воз-
131
духа (подробнее см. гл. 4) является хорошим примером цепи фер-
ментативных реакций, характерной для многих биохимических
процессов.
Пероксидазы — ферменты, которые используют вредную для
организма перекись водорода, образующуюся при действии окси-
даз, на окисление полифенолов и ароматических аминов. Перок-
сидаза может также производить окисление при помощи органи-
ческих перекисей, образуемых путем присоединения кислорода
воздуха к различным органическим соединениям. Этот процесс,
согласно перекисной теории Баха, имеет чрезвычайно важное зна-
чение при биологическом окислении. Образующаяся перекись во-
дорода может разлагаться также до Н2О и О2 ферментом ката-
лазой.
ФЕРМЕНТЫ РАСЩЕПЛЕНИЯ-ПРИСОЕДИНЕНИЯ
К третьему основному типу ферментов относятся ферменты рас-
щепления (и присоединения), катализирующие разнообразные ре-
акции расщепления или образования С—С связей, а также отщеп-
ления или присоединения воды и СО2 по общему типу А+В^С.
Например, альдолаза вызывает расщепление общего типа,
Н ОН
R—С—С—R'«tRCH2OH + R'CHO,
I I
OH н
в частности, фруктозодифосфата на фосфодиоксиацетон СН2ОН—
—СО—СН2О |Р| и фосфоглицериновый альдегид СНО—СНОН—
—СН2О ]Р| (где Р — остаток фосфорной кислоты). Отщепление
СО2 от органических кислот и аминокислот производится важной
группой ферментов — карбоксилазами. Например, при участии
различных карбоксилаз происходит также переход от пировино-
градной кислоты к ацетальдегиду (I) или к щавелевоуксусной ки-
слоте (II)
СН СОСООН-~—>-СН3СОН (1)
cn3ujcuun__^С00Н_СН2_С0_С00Н (И)
“Г CO3
Из реакции (II) видно, что при ассимиляции СО2 карбоксилазы
катализируют реакции удлинения углеродных цепей. Ферменты,
участвующие в брожении и дыхании и изменяющие углеродный
скелет молекулы, обозначаются иногда общим названием десмолаз.
В бактериях гнилостного разложения белковых веществ содержат-
ся ферменты, катализирующие отщепление СО2 от аминокислот или
вызывающие их декарбоксилирование по общему уравнению
132
/NH2 СП
R—CH< J^\RCH2NH2,
Vooh
с образованием аминов RCH2NH2 в качестве продуктов реакции.
При этом из диаминомонокарбоновых кислот образуются диа-
мины, обладающие ядовитыми свойствами: кадаверин из лизина,
ZNH2
NH2—(СН®><-СН\соон -*NH2—(СН2)4—ch2nh2 ,
путресцин — из орнитина, гистамин — из гистидина и др. Важное
значение имеет также фермент карбоангидраза, вызывающая рас-
щепление Н2СО3.
Большую группу составляют ферменты, катализирующие при-
соединение или отщепление воды по общему уравнению:
Н Н
R—С—С—R'^R—CH=CR'H+ Н2О
ОН н
Например, переходы между яблочной (I) и фумаровой (II) ки-
слотами
НН Н
I 1 -н2о I
НООС—С—С—СООН—г±НООС—сн=с—СООН
<1нк +Н’°
I II
катализируются ферментом фумаразой, а фермент аконитаза ката-
лизирует переходы того же типа между лимонной (или изолимон-
ной) и аконитовой кислотами.
КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ ПО МУЛЬТИПЛЕТНОЙ
ТЕОРИИ
Интересную попытку классификации ферментов, связанную
с общей теорией катализа, сделал Баландин (1958). Рассматри-
вая ферменты как микрогетерогенные катализаторы и учитывая
малый радиус межмолекулярного взаимодействия, Баландин
включил в индекс реакции лишь те атомы субстрата, которые не-
посредственно участвуют в реакции и образуют промежуточный
активный комплекс М.
Ниже приведен пример дублетного и триплетного индексов:
а с
I I —•- м
в D
дублетный
А—С
— >
- В—D
индекс
133
триплетный индекс
При атомах А, В, С, D могут быть заместители, остающиеся
неизменными в результате реакции и находящиеся поэтому за пре-
делами индекса. Они влияют на длину и энергию связи внутри ин-
декса и тем самым на скорость и константу равновесия реакции;
таким образом, при общих индексах внеиндексные заместители вли-
яют на специфичность реакции. Исходя из природы атомов и свя-
зей в индексе, Баландиным была разработана мультиплетная клас-
сификация ферментных реакций (стр. 135).
Из приведенной классификации видно, что большинство фер-
ментативных реакций имеет дублетный или триплетный индек-
сы, причем разным типам ферментов соответствуют разные индек-
сы. Многие группы ферментов имеют близкие индексы, которые
различаются всего одним атомом (ср. эстеразы, фосфорилазы и др.).
Протеолитические ферменты характеризуются индексом
или полнее
Действительно, легко видеть, что в реакции протеолиза
...—СО — NH — CHR — СО — NH — CHR — ...+НОН-*
—-... — СО — NH — CHR — COOH+H2N — CHR — ...
основное значение имеют подчеркнутые атомы, входящие в индекс,
так что реакция может быть выражена основной схемой, аналогич-
ной схеме дублетного индекса, приведенного на стр. 133
С этой же точки зрения, действие эстераз по реакции RCOOR'-|-
+Н2О—»-RCOOH + R'OH может быть представлено дублетной
схемой:
134
I Эстеразы
14
135
б. Протеолитические
ферменты
(0)= f ? N Н пепсин
11. Нуклеин дезаминазы
гуаназа
Окислительные ферменты:
7 Содержащие Fe
(сложный индекс) цитохром с
13.Десмолазы
12.Различные оксидазы
f ? С О липоксидаза
дегидраза
жирных кислот
8. Содержащие Си
С О II 1 н н тирозиназа
9. Дегидразы
10. Ферменты, восстанав-
ливающие цитохром с
и желтые ферменты
<С—ОХ
Н>
A—BZ
декарбоксилаза
угольная
ангидраза
14. Гидратазы
и мутазы
фумараза
каглиоксаза
Возможные преимущества этой классификации, однако, еще недо-
статочно исследованы.
Браунштейн считает, что протяженность мультиплетного реак-
тивного центра не должна ограничиваться очень малыми расстоя-
ниями и что вопрос о специфичности нельзя связывать только с
пространственным соответствием атомных групп мультиплета и
субстрата. Несомненно, что научная классификация ферментов
должна быть непосредственно связана с правильным пониманием
их природы и механизма действия.
МЕЖДУНАРОДНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ (1961)
В конце 1961 г. Международным биохимическим союзом была
принята стандартизованная классификация ферментов, подготов-
ленная специальной комиссией, в состав которой входили видные
энзимологи различных стран. Ниже приведено краткое изложение
основ предложенной классификации.
Согласно новой классификации, ферменты, разделяются на 6
групп; 1) оксидоредуктазы (окислительно-восстановительного дей-
ствия), 2) трансферазы (катализирующие перенос различных
групп), 3) гидролазы, 4) лиазы (катализирующие присоединение
групп к двойным связям или отрыв этих групп), 5) изомеразы и
6) лигазы — особая группа ферментов, катализирующих соедине-
ние двух молекул, сопряженное с распадом макроэргической свя-
зи в АТФ. В коде ферментов номер группы ставится на первом
месте.
Каждая группа разделяется на подгруппы, характеризующие
основные виды субстратов, на которых осуществляется данный вид
химических превращений; номер подгруппы ставится в коде
ферментов на втором месте. Например, группа гидролаз (кодовый
номер 3) разделяется на подгруппы ферментов, действующих на
сложно-эфирные связи (3.1), на гликозиды (3.2), на простые эфир-
ные связи (3.3), на пептидные связи (3.4), на непептидные С — N-
связи (3.5) и др. Эти подгруппы, в свою очередь, разделяются на
более частные подгруппы, различающиеся природой химических
соединений или акцепторов (в случае оксидоредуктаз), участвую-
щих в данной подгруппе реакций. Номер частных подгрупп указы-
вается на третьем месте в коде ферментов. Например, подгруппа
(3.5) (см. выше) разделяется на частные подгруппы реакций в ли-
нейных амидах (3.5.1), в циклических амидах (3.5.2), в линейных
амидинах (3.5.3), в циклических амидинах (3.5.4) и т. д.
Наконец, все ферменты, относящиеся к данной частной под-
группе, получают порядковый номер согласно принятой в стандарте
их последовательности: этот номер указывается на четвертом месте
кода фермента. Таким образом, каждый фермент характеризуется
постоянной совокупностью четырех цифр; примеры кодов фермен-
тов указаны в таблице 12. Всего в стандартной классификации та-
136
ким путем охарактеризовано около 800 ферментов; полное описа-
ние этой классификации, естественно, выходит за рамки книги.
Некоторые изменения в биохимической терминологии, принятые
в трудах Комиссии (в названиях некоторых ферментов, дыха-
тельных ферментов и др.), оговорены в соответствующих местах
книги.
При сравнении международной классификации ферментов с
классификацией, принятой в настоящей книге, видно, что оксидо-
редуктазы соответствуют ферментам окислительно-восстановитель-
ного действия (см. стр. 127), трансферазы, гидролазы и изомеразы —
соответствуют суммарно группе ферментов переноса (см. стр. 120)
или двойного обмена, лиазы относятся к ферментам расщепления —
присоединения и в особую группу выделены лигазы — специфиче-
ские ферменты — синтетазы. Необходимо отметить, что междуна-
родная классификация ферментов (точнее говоря, катализируемых
ферментами органических химических реакций) не соответст-
вует общепринятой в органической химии классификации реак-
ций1.
Этот разрыв между классификацией обычных органических хи-
мических реакций и, по существу, тех же реакций, но катализи-
руемых ферментами, является, конечно, научным недостатком
международной классификации ферментов. По-видимому, созда-
ние законченной классификации ферментов еще потребует дальней-
шей исследовательской работы.
МОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ
СТРУКТУРА АКТИВНОГО ЦЕНТРА ФЕРМЕНТОВ
Все известные ферменты — вещества белковой природы. Их
выделение, очистка, кристаллизация, методы изучения химического
состава, физико-химических свойств, а также методы их денату-
рации близки к соответствующим методам, применяемым для чис-
тых белковых веществ. Полный аминокислотный состав известен в
настоящее время для большинства кристаллических ферментов
(для некоторых ферментов он приведен в табл. 11).
Гораздо слабее изучена последовательность чередования ами-
нокислотных остатков, которая пока установлена лишь для не-
скольких ферментов (рибонуклеазы, лизоцима, отчасти для неко-
торых протеаз — трипсина, химотрипсина). Физико-химические
свойства некоторых ферментов приведены в табл. 12.
Все известные ферменты могут быть с несомненностью разделе-
ны на два больших класса: 1) чистые белковые ферменты, катали-
1 См. стр. 119 настоящего труда, а также кн.: К. К. Инголь д.
Механизм реакций и строение органических соединений. М., ИЛ, 1959*
Гл. 5.
137
Таблица 11
Аминокислотный состав некоторых ферментов
(в молях аминокислот на 10* а белка)
Аминокислоты Ферменты
Пепсин Химо- трип- синоген Рибо- нукле- аза Альдо- лаза Дегидро- геназа гл ицеро- ал ь дегид а
Аргинин 6 16 30 36 30
Гистидин^ 6 8 27 27 32
Лизин 6 16 71 58 57
Оксилизин — — — — —
Аммиак 93 109 146 65 71
Глутаминовая кислота 82 61 88 78 46
Аспарагиновая кислота 120 85 106 73 93
Глицин 84 71 17 75 81
Аланин — — — 96 76
Валин 61 86 62 63 102
Лейцин 78 79 88 57
Изолейцин 82 43 г 24 60 70
Пролин 44 51 31 50 32
Фенилаланин 38 22 22 14 34
Серин 126 109 114 63 64
Треонин *. 82 96 75 60 58
Тирозин 47 17 44 29 25
Оксипролин — — » — —
Триптофан 12 27 — И 10
Цистеин 6 И 5 . —
Цистин (1/2) . ' 12 27 13 8 7
Метионин 12 8 30 8 8
Свободные основные группы 18 79 128 121 119
Свободные кислотные группы 109 57 48 86 68
Общее число аминокислот I 914 892 897 I 892
Общий выход азота, % 1 99,2 97,7 1 98,7 100 | 100
тические свойства которых обусловлены только строением самой
белковой молекулы (пепсин, трипсин, химотрипсин, уреаза, па-
паин и ряд других) и 2) сложные ферменты, состоящие из белка
и небелкового компонента, в состав которого входят, например,
нуклеотиды, гемины, атомы металлов и др. (к такого рода фермен-
там относятся обычно ферменты окислительно-восстановительного
действия). Небелковые компоненты сложных ферментов называют
простетическими группами, а их белковый компонент иногда на-
зывают апоферментом.
Важно отметить, что в состав простетических групп многих
сложных ферментов входят производные витаминов. Например,
как указывалось, фосфорилированное производное витамина В2
входит в состав флавиновых ферментов, производное витамина Вв
(фосфопиридоксаль) — в состав аминофераз, витамин Bi (тиа-
мин) — в состав карбоксилаз, амид никотиновой кислоты (вита-
138
Таблица 12
Физико-химические свойства некоторых ферментов
Фермент Код фер- мента по междуна- родной классифик. Молеку- лярный вес Коэфф, диффу- зии д смг/се/с-107 Изо- элек- трич. точка Опти-’ мум актив- ности pH
рибонуклеаза 2.7>.16 12700 — 9,45 —
Лизоцим 3.2.1.17 17000 10,2 10,5 —
Химотрипсин В, 3.4.4.6 22500 10,2 8,1 7,8
Трипсин 3.4.4.4 23800 9,5 10,4 7,8
Карбоангидраза 4.2.1.1 30000 9,0 5,3 —
Карбоксипептидаза 3.4.2.1 34400 8,68 6,0 7,7— —8,3
Пепсин 3.4.4.1 34500 9,0 2,9 2—4
Пероксидаза (из хрена) 1.11.1.7 40000 7,05 — —
Инвертаза 3.2.1.26 50000 — — 6,8
а-амилаза (из солода) 3.2.1.1 59000 — — 7,5
Алкогольдегидрогеназа 1.1.1.1 73000 6,5 — 7,6
Гексокиназа (из дрожжей) . . . 2.7.1.1 96600 2,9 — —
р-амилаза 3.2.1.2 152000 5,77 4,7 5,0
Альдолаза (из печени) 4.1.2.7 160000 4,29 — —
фумараза 4.2.1.2 204000 4,05 — — ' »
Каталаза . . . ’ 1.11.1.6 232000 4,1 — •
Фосфорилаза 2.4.i.i 340— —400000 3,2—3,8 5,8 —
Уреаза 3.5.1.5 480000 3,46 5,0 7,0
Ацетилхолинэстераза 3.1.1.7 3000000 — — —
мин РР) — в состав пиридйннуклеотидных ферментов, комплекс
биотин'—фермент участвует в активации СО2 при карбоксилиро-
вании и др. Зелинский еще в 1922 г. указал на то, что «связь между
ферментами и витаминами, возможно, и выражается в том, что по-
следние необходимы кац строительный материал для первых».
Этой ролью витаминов в значительной мере объясняется их выдаю-
щееся значение в жизни организмов, несмотря на малые вводимые
в организм количества.
Прочность связи между простетической группой и белком в
сложных ферментах может быть весьма различной: в одних фермен-
тах она является весьма прочной, в других — простетическая
группа может быть легко отделена (например, уже при простом
диализе). Легко диссоциирующие простетические группы сложных
(или двухкомпонентных) ферментов называют коферментами-, к
числу коферментов относятся, например, НАД и НАДФ
(стр. 128—129),
При потере простетических групп, например, в результате диа-
лиза, ферменты теряют свою активность. Однако не следует ду-
мать, что каталитическая активность сложных ферментов опреде-
ляется простетической группой, а значение белковой молекулы
заключается лишь в роли ее пассивного носителя. Напротив*
13»
выше приводились примеры для дегидрогеназ, аминофераз и других
ферментов, когда при одной и той же простетической группе спе-
цифичность действия ферментов определялась лишь различием в
Природе белкового компонента фермента. Белковый компонент
также сильно влияет на эффективность действия сложных фер-
ментов.
Естественно, что в простых ферментах, состоящих из чистых бел-
ковых молекул, каталитическая активность определяется толь-
ко химическим строением и пространственной укладкой самой
полипептидной цепи. Интересно, что во всех случаях как в про-
стых, так и в сложных ферментах, в каталитическом акте прини-
мает непосредственное участие не вся белковая молекула в целом,
а лишь определенные ее участки, получившие название активного
центра фермента.
В простых ферментах активный центр непосредственно обра-
зуется определенной группировкой аминокислотных остатков в
спиральной цепи белковой молекулы, а в сложных ферментах он
образуется простетической группой и некоторыми прилегающими
к ней аминокислотными остатками (см. ниже). Размеры активного
центра несомненно больше «мультиплетного центра» по Балан-
дину (стр. 135), но гораздо меньше размеров самой белковой моле-
кулы.
В опытах с рибонуклеазой (Анфинсен) было показано, что можно
последовательно отщепить свыше 20 аминокислотных остатков с
N-конца и трех остатков с С-конца (соответственно при помощи
аминопептидазы и карбоксипептидазы), всего около 20% остатков,
без изменения ферментативной активности, а в опытах на папаи-
йе (Смит) тот же результат был получен при отщеплении 120 ами-
нокислотных остатков из общего числа 180, т. е. при отщеплении
70% состава белковой молекулы. При действии ферментативных
ядов было показано, что достаточно связывания одной сравнитель-
но небольшой молекулы диизопропилфторфосфата молекулой трип-
сина, химотрипсина, холинэстеразы или 3—4 атомов Ag большой
молекулой уреазы (М=480000) для инактивации фермента. Для
сложных ферментов размеры простетических групп во много раз
меньше размеров белковой молекулы.
В молекулах ферментов не только размеры активного центра
значительно меньше, чем белковой молекулы, но и число этих цен-
тров на молекуле очень невелико (в среднем, 1 центр приходится
на М=30000—80000, см. табл. 13).
Тем не менее, ферменты обладают высокой активностью, неиз-
меримо превосходящей эффективность действия технических ката-
лизаторов. Естественно, поэтому, что вопрос о природе действия
активных центров ферментов представляет очень большой интерес.
Как и при неферментативном катализе (гетерогенном или го-
могенном), начальной стадией действия любого фермента является
образование в той или иной форме промежуточного соединения с
140
Таблица 13
Число активных центров на молекуле фермента
(по Лайдлеру)
Фермент Молекуляр- ный вес Число активных центров на молекуле Молекуляр- ный вес на 1 активный центр
а-химотрипсин 22000—27000 1 25000
Трипсин 17000—20000 1 17000—20000
Карбоксипептидаза 34400 -1 34400
Холинэстераза 2-3-10® 20—100 30000—80000
Уреаза Глицеральдегид-З-фосфатдегидроге- 480000 3—4 140000
наза 120000 2 60000
Алкогольдегидрогеназа (дрожжевая) 150000 4 37500
молекулой субстрата. Подобные соединения между ферментом и
субстратом отличаются крайней неустойчивостью и резким разли-
чием в размерах молекул обоих компонентов, что сильно затруд-
Рис. 6. Кинетика реакции катала-
зы с перекисью водорода:
по оси абсцисс — время (О в сек, по оси
ординат — концентрация комплекса [CJ
Рис. 7. Титрование лактико-
дегидрогеназы (ЛД) НАД - Н.
/ — 6,1 мкмоль ЛД; II — 3,1
мкмоль ЛД; III — ЛД отсут-
ствует:
по оси абсцисс— концентрация (С)НАД-
Н мкмоль, по оси ординат —изменение
оптической плотности (ДЕ) на 1 см
няет исследование^ однако для ряда систем удалось преодолеть эти
затруднения и доказать образование фермент-субстратных ком-
плексов.
141
В частности, используя методику проточных жидкостей и вы-
сокочувствительного спектрофотометрирования, Ченс экспери-
ментально доказал образование эквимолекулярных комплексов
каталазы с перекисью водорода (1 молекула Н2О2 на атом железа
каталазы), а также прохождение кинетики этой реакции через три
стадии: быстрого образования комплекса, его стационарного под-
держания и распада при
исчерпании субстрата
(рис. 6, а, б, в).
Кейлин исследовал
комплекс пероксидазы с
Н2О2, который также име-
ет эквимолекулярный сос-
тав. Спектр пероксидазы
имеет 4 полосы; при 645,
583, 548 и 498 ммк, а
спектр комплекса лишь 2
полосы — при 561 и 530,5
ммк. Ченс и Нейландс
измеряли изменение опти-
ческой плотности в инте-
рвале 328—353 ммк при
добавлении большого из-
бытка субстрата к разве-
денному ферменту, когда
достигалось насыщение
фермента, а входящее в
комплекс количество субс-
по оси абсцисс — длина волны в ммк, по оси орди-
нат—изменение оптической плотности (ДЕ) на 1 см
трата составляло лишь
малую долю общего количества.
На рис. 7 приведен пример изменения оптической плотности
при добавлении восстановленного никотинамидадениндинуклеотида
к лактикодегидрогеназе; следует обратить внимание, что предель-
ное изменение оптической плотности составляло всего около 0,01.
При соединении восстановленного НАД с алкогольдегидрогеназой
(АД) (Теорелл) полоса поглощения кофермента смещается от
340 ммк до 328 ммк (рис. 8), причем состав комплекса соответствует
АД — (НАД)2. Из этих и ряда других примеров видно реальное
образование промежуточных фермент-субстратных комплексов.
Силы, определяющие взаимодействие между молекулой суб-
страта и активным центром фермента, могут иметь весьма разнооб-
разный характер. В частности, это могут быть химические кова-
лентные связи при образовании промежуточных ацил-ферментов
из фермента FH и субстрата RCOX (Нейрат)
RCOX + FH-^RCOF + НХ
с последующей реакцией
142
RCOF + H2O->-RCOOH + FH,
приводящей к освобождению фермента. Подобная реакция была
подробно изучена для разложения протеазами сложного эфира
л-нитрофенилацетата. Аналогично образуется промежуточный
тиоловый эфир (Смит) при реакции SH-группы фермента папаина
FSH с карбонильным С-атомом амидной, пептидной или сложно-
эфирной связи:
О О
II II
FSH + R—С—NHR' ->FS—С—R + H2NR'.
Важное значение в ряде ферментативных процессов имеют коор-
динационные связи между ферментами и различными органиче-
скими молекулами при участии атомов таких металлов, как медь,
железо, кобальт, марганец, магний, цинк и другие, которые играют
роль активаторов ферментов. Ферменты, содержащие гемин, дей-
ствуют путем изменения валентности железа: в цитохромах и цито-
хромоксидазе атом железа передает электроны от более отрицатель-
ных к более положительным окислительно-восстановительным
системам.
При соединении фермента с субстратом часто образуются внут-
рикомплексные (клешнеобразные) соединения металла с полярной
группой субстрата, что характерно, например, для действия пеп-
тидаз (Смит):
В результате электронного притяжения со стороны металла
происходит перераспределение электронов (что проявляется в ано-
мальном усилении окраски Со2+ в комплексе) и ослабление связи
между углеродом и азотом в чувствительной к действию фермента
пептидной связи. Активация металлами, однако, далеко не всегда
означает образование внутрикомплексного соединения.
Большую роль играют также электростатические связи, напри-
мер, между положительно заряженным центром субстрата и отри-
143
цательно заряженной карбоксильной группой фермента, что на-
блюдается, например, в холинэстеразе (см. рис. 11). Заряд или - ’
дипольный момент молекулы субстрата может, по Кирквуду, вызы-
вать флуктуации в распределении подвижных зарядов в белковой ;
молекуле фермента и появление дополнительной поляризации или ’
дополнительных сил притяжения между активным центром и моле-
кулой субстрата.
Наконец, для образования фермент-субстратных комплексов
большое значение имеют также водородные связи и вацдервааль-
совы силы. При достаточно близком соответствии структуры обоих
компонентов комплекса в месте их контакта суммарная величина
взаимодействия, обусловленного этими связями, может быть зна-
чительно больше энергии теплового движения, что способствует
сохранению необходимой устойчивости комплекса в процессе ка-
талитического превращения. Ниже будут приведены многочислен-
ные примеры проявления различных сил в ферментативных про-
цессах.
Как уже упоминалось, помимо простетических групп или ко-
ферментов и атомов различных металлов, в состав активных цент-
ров ферментов входят боковые группы некоторых аминокислотных
остатков, находящихся в определенном взаимном пространствен-
ном расположении. В простых ферментах пространственная груп-
пировка этих аминокислотных остатков сама по себе определяет ;
структуру активного центра и каталитическую активность фермен-
та, а в сложных ферментах она существенно влияет на специфич-
ность и эффективность действия небелковых компонентов. Среди j
этих аминокислотных остатков наибольшее значение имеют SH- ’
группы цистеина, ОН-группы серина, имидазольное кольцо ги- >
стидина, меньшее значение — индольная группа триптофана, кар-
боксильные группы дикарбоновых аминокислот и др.
Сульфгидрильные группы цистеина являются наиболее реак-
ционноспособными группами белков; они способны к различным
реакциям окисления (до дисульфидов, сульфоксидов и др.), алки-
лирования, ацилирования, образования меркаптидов, тиолэфи-
ров, принимают участие в водородных связях и др. Поэтому не
удивительно, что они являются существенными для активности
ряда ферментов — папаина, амилазы, альдолазы, аденозинтрифос-
фатазы (миозина), ряда дегидрогеназ, растительных ферментов и ка-
тепсинов, ксантиноксидазы, для активности важного кофермента —
коэнзима А и др. Кроме того, они играют важную роль в окисли-
тельно-восстановительном равновесии, переносе фосфорных групп
и реакциях с металлами, а дисульфидные поперечные связи между
полипептидными цепями необходимы для сохранения нативной
структуры некоторых ферментов (например, рибонуклеазы) и j
белковых гормонов (инсулина). Разрыв этих связей или, напротив, j
изменение нативных SH-групп в результате одной из перечислен- I
ных реакций или действия так называемых тиоловых ядов (моно- |
144
йодуксусной кислоты, парахлормеркурибензоата и др.) приводит
к потере активности фермента.
Гидроксильные группы серина являются существенным элемен-
том активных центров ряда важных ферментов фосфорилазного и
эстеразного действия: холинэстеразы, гексокиназы, фосфоглюко-
мутазы, фосфорилазы печени и мышц, а также трипсина и химот-
рипсина (которые являются не только протеазами, но и эстераза-
ми). Гидроксильные группы серина образуют довольно прочные во-
дородные связи и, главное, способны легко фосфорилироваться
(они способны и к другим реакциям ацилирования), что объясняет
их участие в реакциях переноса фосфорных групп. Действитель-
но, при анализе перечисленных ферментов оказалось, что остатки
фосфорной кислоты всегда присоединяются к ОН-группам серина.
Последовательность аминокислотных остатков в непосредственной
близости от фосфорилируемого остатка серина оказалась одинако-
вой в различных исследованных ферментах (табл. 14, где Р — ос-
таток фосфорной кислоты).
Таблица 14
Аминокислотный состав и последовательность остатков
в активных центрах ферментов
(по Коэну)
Фермент Остатки в активных центрах
Р
Химотрипсин Гли-Асп-Сер-Гли-Про-Лей nh2 р
Трипсин Асп-Сер-Цис-Глю-Гли-Гли-Асп-Сер- Гли-Про-Вал-Цис-Сер-Гли-Лиз Р
Псевдохолинэстераза . . Фен-Гли-Глю-Сер-Ала Р
Тромбин Фосфоглюкомут . . . . Асп-Сер-Гли Асп-Сер-Гли-Глю-Ала-Вал Р
Из табл. 14 видно, что остаток серина всегда находится в цепи
между остатками гликокола и дикарбоновой аминокислоты, и, по-
видимому, близость соседней карбоксильной группы увеличивает
подвижность водорода в ОН-группе серина. Однако интересно, что
наиболее существенным оказалось влияние остатка гистидина
6 Заказ № 531 145
(см. ниже), хотя в таблице он даже не встречается в цепи вблизи /
остатка серина. Это объясняется, очевидно, тем, что остатки ги-"
стидина и серина находятся на разных витках полипептидной спи-
рали, пространственно сближенных между собою. Это обстоятель-
ство характеризует значение вторичной и третичной структуры белка
для построения активного центра фермента.
По Нейрату, активация трипсиногена трипсином объясняется
именно тем, что при отщеплении концевого гексапептида происхо-
дит изменение структуры, приводящее к сближению остатков ги-
стидина и серина. Необходимостью пространственного сближения
этих остатков для активации ОН-серина, вероятно, объясняется и
тот факт, что из 20—30 остатков серина, обычно содержащихся в
белковой молекуле, лишь один входит в состав активного центра
и обладает высокой реакционной способностью. При реакции фер-
ментов (трипсина, химотрипсина и др.) с диизопропилфторфосфа-
том (ДПФФ) связывается по остатку серина только одна молекула
этого ферментного яда с образованием стабильного, устойчивого к
ж F-P (ОС3Н7)2
гидролизу, эфира у но этого оказывается достаточно
О
для полной инактивации фермента, что также характеризует уча-
стие лишь одного остатка серина в активном центре; другие остатки
серина в белке и простые серилпептиды не реагируют с ДПФФ.
Диалкилфгорфосфаты и некоторые другие аналогичные фосфорор-
ганические соединения являются нейротоксинами, в связи с их
способностью к инактивации необходимого для функционирования
центральной нервной системы фермента — холинэстеразы; они
являются также сильными инсектицидами.
Существенное значение остатков гистидина объясняется свой-
ствами его имидазольного кольца
R—С ......СН/ (3)
(5) (4)
где в имидазоле R=H, а в гистидине
/NH2
R=—СН,—сн<
ХСООН
Имидазольные группировки входят в активные центры холин-
эстеразы и других ферментов этой группы, фумаразы, рибонук-
леазы, трипсина, химотрипсина, оксидазы Z-аминокислот и др.
Атом N3 в имидазоле способен присоединять протон, комплекси-
роваться с металлами или органическими катионами, участвовать
в образовании водородной связи, присоединять положительные
заряды дипольных молекул и образовывать промежуточные четвер-
тичные N-соединения. Взаимодействие я-электронов имидазоль-
146
ного кольца с внутренними неспаренными d-электронами ионов
металлов (Со, Си, Fe, Мп, Zn) приводит к образованию координаци-
онных связей, которые по своей силе примерно равны двойным свя-
зям. Плотность «-электронов и реакционная способность в любом
месте конъюгированных связей имидазольного кольца сильно за-
висит от близости электрон-донорных или акцепторных групп
(например, от природы заместителей у С2); соответственно могут
изменяться перечисленные реакции N8 имидазола. Например, кон-
станта диссоциации незамещенного имидазола соответствует рК
6,95, а в производных она может изменяться от рК 4,18 до 7,52,
что сопровождается изменением зависимости степени ионизации
от pH, условий образования водородных связей и др. Участие
водородных связей между имидазолами и гидроксильными группа-
ми углеводов предполагается, в частности, в действии карбогидраз.
Однако наиболее существенное значение имеют процессы ацили-
рования и фосфорилирования имидазола с образованием неустой-
чивых N-ацил и N-фосфорилпроизводных в качестве промежуточ-
ной стадии действия ряда ферментов. Интересно, что эти процессы
происходят со смещением электронов по имидазольному кольцу от
N3 через С2 до Nj, где отталкивается протон, вследствие чего струк-
тура (I) переходит во (II)
HN----СН N=r—СН
KD (2)4 (1) (2)Х
I (3)N + R+«± (3)NR + Н+,
(5) (4) / (5) (4)/
НС--.. CHZ HC=—HCZ
(I) (П)
где R+, например, остаток бензоила; как указывалось, ход процесса
сильно зависит от природы заместителя у С2. При возможности
взаимодействия имидазола гистидина и ОН-серина, ацилгруппы с
N3 имидазола легко переходят на ОН-группы, где они образуют
более прочные производные; благодаря этому кооперативному эф-
фекту ацилирование ОН-групп серина облегчается в соседстве с
остатками гистидина (см. выше).
Таким образом, мы рассмотрели основные компоненты активно-
го центра: простетические группы (коферменты), атомы различных
металлов, боковые группы некоторых аминокислотных остатков
белка (цистеина,- серина, гистидина). Необходимо еще раз под-
черкнуть, что строение активного центра в целом непосредственно
связано с вторичной и третичной структурой белковой молекулы.
Компоненты активного центра фермента нельзя представлять
себе последовательно расположенными на некотором отрезке ос-
новной полипептидной цепи. Как уже указывалось, в пределах пер-
вичной структуры, вблизи остатка серина гистидин вообще отсут-
ствует (табл'. 14), хотя он входит в состав активного центра. Оче-
видно, активный центр построен из компонентов, удаленных между
собой по первичной цепи, но пространственно сближенных благо-
6*
147
даря специфическому типу свертывания белковой молекулы
(рис. 9).
Эта схема объясняет следующие основные факты; а) потерю ак-
тивности при денатурации фермента в результате раздвижения
компонентов а и b (число компонентов может быть и больше двух)
активного центра А фермента и возможность восстановления ак-
тивности при обращении денатурации; б) способность денатуриро-
ванных ферментов к связыванию субстратов (по изолированным
точкам а, Ь) без их каталитического превращения; в) стабилизую-
щее действие субстрата, связывающего витки спирали, против
Рис. 9. Расположение '
активного центра в пе-
птидной цепи (поясне-
ния в тексте)
Рис. 10. Схема строения ак-
тивного центра ацетилхолинэ-
стеразы:
1 — эстеразный центр, 2 — ани-
онный центр
денатурации фермента (например, в случае фосфатазы, аконита-
зы, d-аминоонсидазы и др.). /
В дальнейшем мы увидим, что эта схема позволяет понять и
многие другие основные свойства ферментов. i
К сожалению, детальное строение активного центра ферментов
еще очень мало известно. В одном из наиболее изученных в этом
отношении ферментов—ацетилхолинэстеразе — активный центр
состоит (по Вильсону, 1955) из двух компонентов (рис. 10), на од-
ном из которых идет основной процесс гидролиза эфирной связи,
а на другом — связывание положительно заряженной группы
субстрата; расстояние между компонентами активного центра
составляет 7Д. В ходе реакции молекула субстрата — ацетилхо-
лина — располагается своей ацетильной группой около эстераз- *
ного центра, а основным атомом азота — против анионного уча- ‘
стка активного центра (рис. 11, /), фермент ацетилируется, а затем
уже ацилэнзим (см. рис. 11, III) распадается на свободный фермент,
холин и уксусную кислоту (рис. 11, IV). Промежуточное образова- i
ние ацилэнзима доказывается, между прочим, наличием изотопного
обмена между Н2О18 и СН3СООН в присутствии фермента FH,
по-видимому, по следующему механизму:
FH + НООССНз FCOCH8 + Н2О
Как видно из рис. 10—11, в состав эстеразного участка активного -
центра входят остатки гистидина и серина. Анионные участки оп-
ределяются, по-видимому, свободными карбоксильными группами
148
дикарбоновых аминокислотных остатков и расположены симмет-
рично по обе стороны эстеразного участка, так как сильное подав-
ление активности фермента достигается кураре, содержащим две
° + НО—CH2CH2N+(CH3)3
сн3—с + hoch2ch2n+(ch3)3 н + •
+нго
1П IV
Рис» 11. Механизм реакции ацетилхолина на активном цен-
тре фермента. I — начальное состояние; II — промежуточный
комплекс; III — ацил-фермент; IV — конечное состояние
четвертичные аммонийные группы на расстоянии 13—15А» стиль-
бамидином
содержащим в кислом растворе две катионные аммонийные группы
на расстоянии 14А и другими курареподобными веществами. Из
рис. 12 видно, что механизм их действия заключается в прикрытии
эстеразного участка активного центра.
В химотрипсине (по Хартлею, 1959) активный центр включает
остатки гистидина и серина, расположенные на разных витках ос-
новной В-цепи (в состав которой входит 80% аминокислотных ос-
татков); взаимное расположение этих витков с обеих сторон ак-
тивного центра скреплено дисульфидными связями.
т Гис ~у
I = I
_ \ С®р /
В-цепь
фрагмент активного центра
химотрипсина
149
Примыкающие к концам В-цепи A-цепь (из 13 остатков) и С-цепь
(из 50 остатков) лишены ферментативной активности. Кроме ука-
занных аминокислот, в состав активного центра химотрипсина
входит свободная аминогруппа одной из основных аминокислот.
Одним из наиболее простых субстратов для этого фермента,
с хорошо изученной кинетикой разложения, является метиловый
эфир гидрокоричной
кислоты СвНьСН2СН2
СООСН3. Вначале меж-
ду ферментом и субст-
ратом образуется комп-
лекс за счет водород-
ных связей и вандерва-
альсовых сил (со сво-
бодной энергией связы-
вания — 3,2 ккал/моль),
затем группа с рК 7,2
(соответствующая ос-
татку гистидина) воздей-
ствует на карбонильный
О-атом.
Рис. 12. Действие ингибитора на активный
центр ацетилхолинэстеразы
С-атом, а группа с NH3+— на спиртовый
R—С О—СН
I । '
! N NH*;
фермент
Одновременное воздействие этих двух групп приводит к перерас-
пределению электронов в молекуле эфира и к последующему его
распаду на спирт и кислоту. Наличие протона у азота имидазола
также соответствует промежуточной стадии ацилированного фер-
мента, как и в холинэстеразе.
В инвертазе в состав активного центра входят имидазол гисти-
дина и карбоксильная группа одной из дикарбоновых кислот; по-
следняя входит также в активный центр пепсина. В флавиновом
ферменте — желтом ферменте — присоединение простетической
группы к белку происходит (по Теореллу и Нигаарду) с участием
гидроксила тиоозина и аминогруппы лизина
150
Несмотря на крайнюю ограниченность имеющихся данных,
можно, по-видимому, установить основной факт, что активный
центр ферментов не только состоит из нескольких участков (не ме-
нее двух, но возможно и больше) в определенном пространствен-
ном расположении, но что эти участки имеют различную поляр-
ную или ионную природу (например, в холинэстеразе положи-
тельный заряд в эстеразном и отрицательный заряд в анионном
участках). Это характеризует бифункциональную (или полифункцио-
нальную) природу активного центра фермента, которая, по-види-
мому, составляет существенную особенность его строения.
Необходимо отметить, что Эйлер при изучении взаимодействия
инвертазы с тростниковым сахаром еще в 1924 г. пришел к общему
представлению, что расщепление ферментом способного к гидро-
лизу субстрата обусловливается двумя центрами связи или двумя
центрами реакции активной молекулы (так называемая теория
двойного сродства Эйлера и Иозефсона), в данном случае по глю-
козе и фруктозе, но в этих и многих последующих работах еще не
были формулированы важные положения о пространственном раз-
мещении и различной полярной природе центров связи, которые
выяснены лишь за последние годы.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АКТИВНОГО
КОМПЛЕКСА
Существенные новые сведения о механизме ферментативных про-
цессов дало приложение к ним теории абсолютных скоростей ре-
акции. Согласно этой теории, любая химическая реакция прохо-
дит через стадию образования активного комплекса (или переход-
ное состояние), при котором реагирующие атомы исходных и конеч-
151
ных веществ энергетически эквивалентно связаны между собою
с установлением динамического равновесия:
AB + CD
исходные
вещества
А..В
С..Ь
AC + BD
активный
комплекс
(переходное
состояние)
продукты
реакции
Перегруппировка реагирующих атомов при образовании актив-
ного комплекса требует затраты определенной энергии активации
ЛЯ* и сопровождается изменением энтропии AS*; в результате
происходит изменение свободной энергии активации АГ*:
АГ* = АЯ* — 7 AS*
(1)
где звездочкой отмечены члены, относящиеся к переходному сбстоя-
нию. Удельная скорость химической реакции К определяется урав-
нением:
к = ЛД е , (2)
h
где k — константа Больцмана, h — постоянная Планка и R —
газовая постоянная. Подставляя (1) в (2), получаем:
AS* АН* '
К = е R е ЛГ . (3)
Сопоставляя уравнение (3) с известным уравнением Аррениуса
Е
„ А кт ,л.
К = Ле , (4)
где А — стерический фактор и Е — энергия активации (актива-
ционный барьер) реакции, можно видеть, что член А непосред-
ственно связан с энтропией активации реакции:
AS*
А = е R , (4а)
h
а член ДЯ* — с энергией активации Е (точнее АН*=Е—RT^E).
Из кривой зависимости 1п К от у- можно по уравнению (3) отдель-
но определить значения АН* (или Е) и ДЗ* данной химической реак-
ции.
В табл. 15 и 16 приведены значения энергий и энтропии актива-
ции (Е и ДЗ*) для ряда изученных ферментных систем, отдельно для
стадий образования и распада активного фермент-субстратного
комплекса (значения кинетических констант k2K и k2, см. стр. 172).
152
Из табл. 15 видно, что значения Е (или АЯ*), отличающиеся от Е
примерно на 0,6 ккал/моль) колеблются в широких пределах — от
1,2 до 23 ккал/моль, а значения энтропии активации AS* изменя-
ются даже по знаку. Разности значений, соответственно, Е и AS*
в табл. 15 и 16 характеризуют равновесные значения теплового эф-
фекта и энтропии образования фермент-субстратного комплекса.
Таблица 15
Образование комплекса фермент-субстрат
(по Лайдлеру)
Фермент Субстрат ГС pH k2K моль-'Х X сект1 Е AS*
Пепсин Карбобензокси-1-глюта- мил-1-тирозин . . . 31,6 4,0 0,57 23,1 14,1
Пепсин Карбобензокси-1-глюта- мил-1-тирозин (этило- вый эфир) . . . * . 31,6 4,0 0,79 20,2 2,6
Трипсин Химотрипсиноген . . 19,6 7,5 2900 16,3 8,5
Химотрипсин Метиловый эфир гидро- коричной кислоты , 25,0 7,8 6,66 11,5 —23,2
Химотрипсин Метил-dl-а-хлор-р-фе- нилпропионат . .- . 25,0 7,8 Н,2 4,0 6,9 —33,0
Химотрипсин Метил-сЬр-фениллактат 25,0 7,8 3,1 —47,2
Химотрипсин Метил-1 -Р-фениллактат 25,0 7,8 138 3,8 —38,5
Химотрипсин Бензоил-1-тирозин (эти- ловый эфир) .... 25,0 7,8 19500 0,8 —38,5
Химотрипсин Бензоил-1 -тирозинамид 25,0 7,8 14,9 3,7 —43,0
Карбоксипеп- тидаза Карбобензоксиг л ицил-1 - триптофан 25,0 7,5 17444 9,9 — 8,5
Карбоксипеп- тидаза Карбобензоксиг лици л-1- фенилаланин .... 25,0 7,5 27900 9,6 — 8,5
Карбоксипеп- тидаза Карбобензоксиглицил-1- лейцин 25,0 7,5 3920 11,0 — 7,5
Уреаза Мочевина 20,8 7,1 5,0-106 6,8 — 6,8
Миозин АТФ 25,0 7,0 8,2-10® 21,0 41,0
Каталаза Н2О2 25,0 — — 1,2 —
Значения энтропии активации AS* определяются суммировани-
ем структурных изменений, происходящих при образовании актив-
ного комплекса из реагирующих веществ («разрыхление» комплек-
са соответствует росту AS*, а «сжатие» комплекса — уменьшению
AS*) и изменений, происходящих в сольватации молекул при об-
разовании комплекса, так как освобождение молекул воды со-
провождается ростом AS*, а связывание — уменьшением AS*.
Количественно изменение объема активного комплекса Ао* опре-
деляется из опытов по влиянию давления на скорость реакции, так
как, согласно теории абсолютных скоростей реакций
/ д in k \ Ди*
= —RT- (5)
153
Таблица 16
Распад комплекса фермент-субстрат
(по Лайдлеру)
Фермент Субстрат ГС pH (сек-1) Е AS*
Пепсин Ка рбобензокси -1 -гл ютами л - 1-тирозин 31,6 4,0 0,00108 20,7 - 6,5
Пепсин Карбобензокси-1-глютамил- 1-тирозин (этиловый эфир) 31,6 4,0 0,00141 17,2 14,9 —21,8
Трипсин Бензоил-Ьаргининамид . . 25,5 7,8 7,5 270 — 8,2
Трипсин Стурин 24,5 13100 11,8 — 6,7
Трипсин Бензоил-1-аргинин (эфир) 25,0 8,0 26,7 11,2 —16,5
Химотрипсин Метиловый эфир гидроко- ричной кислоты .... 25,0 7,8 0,026 16,8 —11,8
Химотрипсин Метил-dl-а-хлорфенилпро- пионат 25,0 7,8 0,135 15,4 —13,2
Химотрипсин Метил-1-р-фен и лл акта т . . 25,0 7,8 1,38 11,1 —23,4
Химотрипсин Ацетил-1-тирозин (этило- вый эфир) 25,0 7,8 193,0 11,5 —10,7
Химотрипсин Бензоил-1-тирозин (этило- вый эфир) ....... 25,0 7,8 78,0 9,2 —21,4
Химотрипсин Бензоил-1-фенилаланин (этиловый эфир) .... 25,0 7,8 37,4 12,5 —11,0
Химотрипсин Бензоил-тирозил-глицил- амид 25,0 7,5 37,0 11,5 —19,8
Химотрипсин Бензоил-1-тирозинамид . . 25,0 7,8 0,625 14,6 —13,0
Карбоксипеп- тидаза Карбобензокс иг л ицил-1 - триптофан 25,0 7,5 89 9,9 —19,8
Карбоксипеп- тидаза Карбобензоксиглицил-1- фенилаланин 25,0 7,5 181 9,6 —18,5
Карбоксипеп- тидаза Карбобензоксиглицйл-1- лейцин 25,0 7,5 106 8,6 —20,0 — 8,0
Аденозинтри- АТФ 25,0 7,0 104 13,0
фосфатаза У реаза Мочевина ........ 20,8 7,1 20000 9,7 — 7,2
Наличие отличающихся от нуля До* и AS* означает, что активный
центр фермента и молекула субстрата в ходе реакции не остаются
неизменными по занимаемому объему, а претерпевают некоторые
структурные изменения, приводящие к «разрыхлению» или «сжа-
тию» комплекса.
Одновременно происходит изменение полярности связей и за-
рядов в комплексе. Образование комплекса часто сопровождается
нейтрализацией зарядов или изменением полярности комплекса с
соответствующими изменениями в количестве связанного раство-
рителя и в величине AS*. Количественно этот фактор учитывается
в опытах по влиянию изменения состава растворителя (или диэ-
лектрической постоянной среды, например, путем добавления
метилового спирта) на скорость реакции. Сочетая эти измерения с
154
опытами по уравнению (5), удалось в ряде случаев расчленить
суммарное изменение ДЗ* при ферментативной реакции на струк-
турную и сольватационную компоненты и получить этим путем де-
тальные термодинамические характеристики процесса.
Например, для важной системы миозин — АТФ (в 0,6 М КС1+
4-0,001 М СаС12, 25е С, pH 7,0) было показано, что при образовании
активного комплекса ASi*=41 энтр. ед. (см. табл. 15), кото-
рые разделяютя на компоненту + 10, обусловленную «разрыхле-
нием» активного комплекса (До1*=23 см3/моль) и компоненту +31,
обусловленную освобождением молекул воды при взаимной
нейтрализации отрицательных зарядов АТФ и положительных
зарядов миозина при образовании активного комплекса. Изме-
нение Д32*=—8,0 (табл. 16) при распаде активного комплекса
расчленяется на структурную компоненту — 14 и сольватацион-
ную (связанную с разделением зарядов)+6 энтр. ед. В итоге
равновесное связывание АТФ миозином при указанных условиях
характеризуется величинами Д/7=Д/Л*— ДН2*=8,0 ккал/моль
и ДЗ=Д51*— Д32*=+49 энтр. ед., т. е. оно является эндотер-
мическим (тепловой эффект реакции AQ=—ДЯ) и сопровождается
заметным разрыхлением структуры активного центра или дегид-
ратацией (ДЗ>0).
Аналогично, для системы химотрипсин — метиловый эфир гид-
рокоричной кислоты (табл. 15 и 16) было показано, что роль струк-
турного разрыхления в Д31* составляет +15 энтр. ед. (при об-
щей величине Д34*=—23,2), а в Д32—1-8 энтр. ед. (при 32*=—
—11,8); остальное приходится на изменение ДЗ*, обусловленное
взаимодействием зарядов фермента и субстрата и изменением вели-
чины гидратации при образовании и распаде активного комплекса.
Равновесные значения для этой системы составляют по табл. 15
и 16. ДЯ=11,5—16,8=—5,3 ккал/моль и Д3=23,2—(—11,8)=
=—11,4 энтр. ед.-, таким образом, равновесное связывание суб-
страта в данной системе сопровождается положительным тепловым
эффектом и сжатием структуры или повышением связывания раство-
рителя (ДЗ<0). Равновесные значения для ряда других систем мо-
гут быть также рассчитаны по табл. 15 и 16.
СПЕЦИФИЧНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ
Дальнейшее углубление наших сведений о структуре активного
центра и механизме ферментативного катализа дает изучение
специфичности действия ферментов. Специфичность действия яв-
ляется одним из наиболее главных свойств ферментов, так как она
в значительной мере определяет координацию длинного ряда хи-
мических превращений в процессах обмена веществ. Благодаря
своей высокой специфичности ферменты выбирают из ряда термо-
динамически возможных химических реакций лишь некоторые ре-
акции и, тем самым, служат не только ускорителями биохимиче-
155
ских превращений, но и определяют часто общее направление ме-
таболических процессов. Обычно различают несколько видов спе-
цифичности ферментов.
В некоторых системах имеют значение как тип изменяемой свя-
зи в субстрате, так и химическая структура обоих компонентов или
группировок, образующих связь; например, уреаза разлагает толь-
ко мочевину, но не производные мочевины, а сукциндегидрогеназа
действует только на янтарную кислоту; в этом случае говорят об
абсолютной специфичности фермента. В других системах важен
тип связи и химическая структура лишь одного из компонентов,
образующих эту связь, тогда как природа другого компонента
данной связи может изменяться; в этом случае говорят о груп-
повой специфичности фермента, который вызывает однотипное
превращение в гомологичном ряду субстратов, но с различными
скоростями. Например, если принять скорость разложения под
действием карбоксипептидазы дипептида — карбобензоксиглицил-
фенилаланина за 100, то для других дипептидов получим следую-
щие данные:
Карбобензоксиглицил-тирозин ........................ 46
Карбобензоксиглицил-лейцин ......................... 20
Карбобензоксиглицил-изолейцин......................... 4
Карбобензоксиглицил-аланин .................. .... 0,3
Карбобензоксиглицил-глицин ....................’ . 0,004
Аналогично, р-глюкозидаза может расщеплять производные
глюкозы с различными R:
СН2ОН
с . о
I I
н он
со следующими относительными скоростями:
R = СН3...........0,034
R = CeH6 ....... 0,33
R = CeH4(CH3) „ , . .4,3
R = CeH4(CHO) . . . . 8,6
Если же фермент действует специфично только по отношению
к типу химической связи, но допускает изменения природы обоих
компонентов этой связи, то специфичность фермента называется
относительной-, таким действием, например, обладают некоторые
156
липазы, хотя липазы панкреатического экстракта действуют пре-
имущественно на глицериновые эфиры жирных кислот (жиры).
При детальном изучении специфичности протеолитических фер-
ментов оказалось, однако, что она может значительно изменяться
в зависимости от природы исследуемого субстрата. Действие этих
ферментов на низкомолекулярные субстраты обладает более высо-
кой специфичностью, чем на белки и высшие пептиды. Например,
пепсин гидролизует в низших синтетических пептидах связи, обра-
зованные ароматическими аминокислотами тирозином или фени-
лаланином и дикарбоновыми аминокислотами со свободной карбок-
сильной группой, тогда как в ^-кортикотропине он гидролизует
связи Лей-Ала, Фен-Про, в инсулине — Лей-Вал, Фен-Вал, Глю-
Гис и вообще в белках — различные связи неполярных, аромати-
ческих, дикарбоновых, оксиаминокислот и др. Специфичность
химотрипсина при гидролизе пептидных связей в белках также го-
раздо слабее, чем в низкомолекулярных синтетических субстра-
тах. Химотрипсин может даже гидролизовать другие типы связей,
помимо пептидной, но при условии постоянства части структуры
субстрата около данной связи (табл. 17).
Таблица 17
Типы связей, гидролизуемых химотрипсином
(по Нейрату)
Название Тип структуры
Пептиды . . .
Эфиры . . . ,
Амиды . . . .
Гидроксамиды .
Гидразиды . .
-С-С- . .
RjCONH - CHR2 - СО 4-NH
RjCONH - CHR2 — СО -hOR2
RjCONH - CHR2 — CO - NH2
RjCONH —CH R2 — CO 4-NHOH
RjCONH - CHR2 - CO -?NHNH2
C6H4OH— CH2—CH2- CO4- CH2 —COOC2H5
Сравнительно наибольшим постоянством специфичности по от-
ношению к различным субстратам обладает трипсин. Это различие
в степени специфичности ферментов не удивительно, если учесть
описанные выше условия образования промежуточного активного
комплекса при действии ферментов. Взаимодействие между актив-
ным центром фермента и реагирующей частью молекулы субстрата
может несколько видоизменять исходные структуры или вызы-
вать перераспределение электронных плотностей в молекуле суб-
157
страта. Гибкость цепей, величина возможных энтропийных изме-
нений при образовании активного комплекса (AS*), разнообразие
электронных структур в высокомолекулярных субстратах могут
быть значительно больше, чем в низкомолекулярных, что может
привести к более широкому изменению специфичности в зависи-
мости от конкретных условий действия фермента. Это не уменьшает,
однако, значения специфичности действия ферментов, которая ос-
тается неизмеримо более высокой, чем каких-либо иных типов
катализаторов.
Особое значение имеет оптическая или стереохимическая спе-
цифичность фермента. Например, Z-аргиназа разлагает Z-аргинин
на Z-орнитин и мочевину, но не действует на d-аргинин. Лактикоде-
гидрогеназа мышц может дегидрировать только Z(+)-, но не d(—)-
молочную кислоту с образованием пировиноградной кислоты, и
обратно, из неактивной пировиноградной кислоты она образует
только Z-молочную кислоту. Другим известным примером служит
d- и Z-специфичность оксидаз аминокислот.
Оптическая или стереохимическая активность также может
быть абсолютной или относительной; например, карбоксипептида-
за, расщепляющая карбобензокси-глицил7-фенилаланин совсем
не действует на субстрат с d-фенилаланином: с другой стороны,
эстераза свиной печени разлагает метиловый эфир Z-миндальной
кислоты лишь вдвое быстрее, чем его d-изомер.
Стереохимическая специфичность ферментов способствует из-
бирательному протеканию реакций с участием веществ строго
определенной природы. Например, для НАД было установле-
но, что реакция переноса дейтерия при посредстве дегидрогеназ
идет лишь с одной стороны плоскости никотинамидного кольца (I),
тогда как конфигурация (II) неактивна.
H^D D^H
\r \r
(I) (II)
Вестхеймер, Веннесланд и другие нашли, в частности, что пе-
ренос дейтерия при восстановлении пировиноградной кислоты до
молочной кислоты в присутствии мышечной лактикодегидрогеназы
также идет лишь с одной стороны никотинамидного кольца моно-
дейтеровосстановленной формы НАД (I). В свою очередь, при
восстановлении НАДФ в присутствии алкогольдегидрогеназы и
CH3CD2OH образуется форма (I); таким образом, оба фермента об-
ладают однородной стереоспецифичностью, что обеспечивает наи-
более эффективный направленный перенос водорода в цепи реакций.
Изучение стереохимических изменений в субстрате (т. е. измене-
158
ний стереохимической конфигурации) при ферментативной реак-
ции является одним из важных методов исследования ее меха-
низма.
Стереохимическая специфичность ферментов представляет
также большой интерес для выяснения сложной природы активных
центров. Бергман и Фрутон еще в 1941 г. указали, что при стерео-
химической специфичности субстрат должен присоединяться к
ферменту по крайней мере в трех точках (теория полиаффинности).
Ri
Например, оптический энантиоморф может стереохими-
Rs I R«
Rs
чески специфично присоединиться к поверхности фермента только
при трех точках контакта (рис. 13), так как при двух точках при-
Рис. 13. Стереохимическое присоединение субстрата -
к активному центру фермента:
вверху — присоединение в трех точках, внизу — в двух .
точках
соединения (например, без точки б) к молекуле фермента могли бы
присоединиться обе энантиоморфные структуры
Ri
I
и
R2 I Ri
R3
/С\
R2 I R4
3
1
159
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ И НЕФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ
Отличительные особенности ферментативного катализа могут
быть с наибольшей отчетливостью выяснены при его сопоставле-
нии с обычным, неферментативным катализом. Интересно, что дан-
ные о структуре активного центра фермента, его размерах и про-
странственном строении сближают ферменты с гетерогенными ката-
лизаторами, тем более, что реакции происходят на поверхности мо-
лекулы фермента; с другой стороны, почти все химические реакции,
катализируемые ферментами, имеют аналогии в реакциях гомоген-
ного катализа, происходящих в растворах. Это объясняется тем,
что хотя молекулы ферментов, как и других растворимых белков,
не имеют в водной среде физической поверхности раздела, боль-
шинство процессов связывания ионов, молекул органических
веществ или растворителя белками, полиэлектролитами и многими
коллоидными частицами не зависит от наличия поверхности раз-
дела, а определяется лишь присутствием достаточного числ$ ак-
тивных групп на поверхности макромолекул. Происхождение
этих групп — путем адсорбции из раствора или изменения группи-
ровок, входящих в состав самой макромолекулы, — не имеет зна-
чения. Для теории действия фермента безразлично, образован ли
его активный центр путем, например, адсорбции кофермента из
раствора или отщепления пептида от самой молекулы белка. В це-
лом теория ферментативного катализа в равной мере использует
результаты теории гетерогенного и гомогенного катализа.
На основании изучения механизма ряда' реакций (с примене-
нием изотопов и другими методами) Кошланд и Штейн установили
два правила: 1) при прочих равных условиях при действии фер-
мента в субстрате всегда разрывается та же относительно более
слабая связь, что и при неферментативной реакции, т. е. если в
соединении R—О—R' связь R—О при неферментативном гид-
ролизе разрывается легче, чем связь О—R', то и при действии
фермента разрывается та же связь R—О; 2) при прочих равных
условиях в присутствии фермента разрывается связь, по отноше-
нию к которой специфичность фермента выше, т. е. если в соединении
R—О—R' фермент допускает более широкие структурные изме-
нения R', чем R, то рвется связь R—О (например, инвертаза более
специфична к остатку фруктозы, чем глюкозы и, соответственно, в
молекуле сахарозы рвется связь глюкозо—О-рфруктозид).
Как уже указывалось, с химической точки зрения, многие
органические реакции в растворе (замещения, присоединения,
этерификации и гидролиза, перегруппировки, окисления-восста-
новления и др.) происходят при условии поляризации реагирующих
связей и требуют участия электроноакцепторных (электрофиль-
ных) и электронодонорных (нуклеофильных) групп. Электро-
фильными называются все группировки, присоединяющие элект-
160
&
пон или отдающие протон; поэтому они по обобщенной теории
Бренстедта являются кислотами (в этом смысле кислотными яв-
ляются группа Г4Нз+-или NH+-rpynna гистидина.) Напротив,
нуклеофильными называются все группировки, присоединяющие
протон или отщепляющие электрон; они в широком смысле слова
являются основаниями (например, СОО’- группа белка, с этой
точки зрения, является основной). Поэтому кислотно-щелочной
катализ имеет особенно широкое значение, причем не только Н+-
и ОН“-ионы, но и многие другие кислотные и основные молекулы
и группы (в указанном смысле слова) способны катализировать
реакции, происходящие с поляризацией реагирующих связей.
При кислотном гидролизе сложного эфира RCOOR' происхо-
дит переход протона (Н+ или, точнее Н3О+) на спиртовой атом
кислорода и одновременно ОН” из воды на карбонильный С-атом:
О О'-
Il I
R—С—OR' R—С+ О—R'
Н—О Н Н—О Й
Н О+ Н.6+
Н^Н Н^Н
О
II
R-C O-R'
О Н
/ Н—О+
При щелочном гидролизе источником ОН” служат ионы до-
бавленного основания, а протон переходит из молекулы воды,
которая является обязательным участником реакции. В обоих
случаях под влиянием одновременного действия кислоты и основа-
ния (Н+ - и ОН”- ионов) происходит сильная поляризация или
даже полная ионизация карбонильной группы, которая приводит к
расщеплению эфира на кислоту и спирт. Однако молекула воды
можетвлишь в слабой мере служить источником Н+- или ОН”-
ионов, дополнительных к ионам катализатора; более того, в го-
могенном водном растворе вообще нельзя получить одновременно
высокие концентрации кислоты и основания, необходимые для
эффективного катализа. Однако это условие можно осуществить,
если применить амфотерные вещества, содержащие одновременно
кислотные и основные группировки на таком расстоянии, которое
соответствует размерам реагирующих групп субстрата. Свен и
Броун нашли, например, что мутаротация тетраметилглюкозы
необычайно ускоряется в присутствии бифункционального ка-
тализатора 2-оксипиридина
N
. Интересно, что это веще-
ство действует в 7000 раз
сильнее, чем простая смесь экви-
161
он
валентных количеств фенола
V
пиридина
. С этой
точки зрения, амфотерная природа молекул ферментов и нали-
чие в них разнообразных кислотных и основных группировок
на различных, но вполне определенных расстояниях между собою»
создает большие возможности сильных поляризующих воздей-
ствий на реагирующие группы определенных субстратов, значи-
тельно превышающие действие других известных реагентов, осо-
бенно если учесть возможность флуктуаций электрических заря-
дов в белковой молекуле. Это обстоятельство в значительной мере
объясняет высокую эффективность и специфичность действия фер-
ментов.
В табл. 18 наглядно сопоставлены константы скорости реак-
ций К и термодинамические характеристики А и Е по уравнению
(4) для ряда реакций при ферментативном и неферментативном
катализе.
Из табл. 18 видно, что для одного и того же субстрата констан-
ты скорости гидролиза в присутствии ферментов могут возрастать
в огромной степени — в 107— 109 и даже в 1013 раз. Интересно,
что причины такого увеличения скоростей ферментативных реак-
ций для разных систем могут быть различными. Так, например,
ускорение разложения перекиси водорода каталазой объясняется
преимущественно снижением теплоты активации Е, тогда как член
А, связанный по уравнению (4а) с энтропией активации AS*, из-
меняется сравнительно слабо; ускорение разложения мочевины уреа-
зой по сравнению с кислотным гидролизом зависит как от сниже-
ния Е, так и от изменения А, а ускорение разложения АТФ мио-
зином (в 1012 раз!) происходит без снижения активационного
барьера только за счет изменения энтропии активации. Последний
случай представляет особый интерес, так как ранее считалось, что
каталитическое действие ферментов объясняется только снижением
энергии активации. Из теории абсолютных скоростей реакций сле-
дует, что огромное ускорение реакций ферментами имеет более
сложную природу и может объясняться изменением как теплоты
активации Е(^&Н*), так и энтропии активации AS* или даже
только AS* при образовании активного комплекса.
Интересно, что при изучении ферментных моделей, например,
каталитического действия различных комплексов меди на окис-
ление пирогаллола кислородом (модель оксидазного действия),
Николаев также нашел изменение не только теплоты активации,
но и энтропии активации AS*, причем изменение AS* для разных
комплексов составляло от +6,57 до —9,15, т. е. реакция могла
происходить с образованием более «рыхлого» или более «сжатого»
162
Таблица 18
Сравнение кинетических и термодинамических констант при ферментативных
р и неферментативных реакциях
(по Лайдлеру)
Субстрат Катализатор ГС К, моль-'х X сек-' А Е, ккал! моль
Гидролиз пептидов
Глицил-глицин Н3о+ 54,4 1,11-10-6 8,8-107 20,9
Карбобензоксиглицил-1- фенилаланин Карбоксипеп- тидаза 25,0 2,8 -104 3,5-1011 9,6
К а рбобензокси-1 -глютамил - Пепсин 31,6 0,79 2,2-1014 20,2
1-тирозин Гидролиз амидов
Бензамид н3о+ 52,0 2,4.10"® 8,5-10-® 1,3 J010 23,3
Бензамид ОН- 53,0 2,8-107 18,7
Бензоил-1-тирозинамид Химотрипсин 25,0 14,9 6,8-103 3,7
Гидролиз сложных эфиров
Этилбензоат н3о+ 100,0 9,010-6 2,9-107 5,3-109 19,6
Этилбензоат он- 25,0 5,5-10-4 17,7
Бензоил-1-тирозин (этило- Химотрипсин 25,0 1,95-104 7,5-104 0,8
вый эфир)
Метиловый эфир гидроко- Химотрипсин 25,0 6,7 8,4-107 9,6
ричной кислоты Гидролиз мочевины
Мочевина н3о+ 62,0 20,8 7,4-10~7 1,8-1010 24,6
Мочевина Уреаза 5,0-10® 1,7-1013 6,8
Гидролиз АТФ
АТФ н3о+ 40,0 4,7-10-6 2,35-109 21,2
АТФ Миозин 25,0 8,2-Ю6 1,64-Ю22 21,1
Разложение Н2О2
н2о2 . Fe3+ 22,0 56,0 Ч,78109 10,1
Н2О2 Каталаза 22,0 3,5-10® 6,38-Ю3 1,7
Н2О2 Платина — — —— Н,7
Н2О2 J- — — — 13,5
Н2О2 Без катализа- тора — —* — 17—18
активного комплекса. Однако ферментные модели имеют, несом-
ненно, сравнительно ограниченное значение, так как для модели
каталазного действия (разложения Н2О2 комплексами меди)
Николаев нашел постоянство £, что не согласуется с данными
табл. 18 для природной каталазы. Метод ферментных моделей при
гомогенном катализе особенно детально разрабатывался Лан-
генбеком.
Ускорение реакций ферментами объяснялось некоторыми авто-
рами образованием ферментами цепных реакций в растворе с уча-
стием свободных радикалов.
Наличие свободных радикалов или неспаренных электронов
в лиофилизованных ферментных системах (т. е. высушенных в
163
высоком вакууме при низкой температуре) было показано Ком-
монером и др при помощи метода электронного парамагнитного
резонанса. Однако, как указывает Лайдлер, нет оснований считать,
что при ферментативной реакции образуются свободно-радикальные
цепи в растворе. Например, окислительные ферменты обладают
специфичностью как по отношению к восстанавливаемой, так и к
окисляемой молекулам, тогда как свободные радикалы в растворе
(даже если бы их иницирование было специфичным) не обладают
специфичностью по отношению к объекту своего действия.
Для ряда дегидрогеназ было показано, что перенос атома во-
дорода или дейтерия является прямым процессом, происходящим
без обмена с молекулами растворителя, что было бы невозможно
при наличии цепной реакции в растворе. Наконец, следует учиты-
вать, что наличие свободных радикалов в растворе должно приводить
к быстрой инактивации ферментов в процессе реакции, чего факти-
чески не наблюдается. Это не исключает возможности промежуточ-
ного образования свободных валентностей в самих молекулах, на-
пример, окислительных ферментов в ходе реакции, но такие свя-
занные радикалы не инициируют цепные процессы в растворе,
требующие передачи радикала. Таким образом, участие свободно-
радикальных цепных реакций в действии ферментов следует счи-
тать маловероятным.
Белковые молекулы ферментов вряд ли также участвуют в ка-
тализе путем полупроводниковой проводимости или других спе-
циальных электронных состояний (см. гл. 6). Достаточно указать,
что энергии активации ферментативных реакций (см. табл. 15,
16, 17) в несколько раз ниже энергий возбуждения белков, состав-
ляющих, по данным Элея, 65—70 ккал/моль. По Ламри (1959),
белки в процессе катализа остаются в своем основном электронном
состоянии.
Подводя некоторые итоги, можно формулировать, что в основе
современных представлений о механизме действия ферментов ле-
жит концепция согласованного каталитического воздействия двух
или нескольких групп различной природы, образующих в своем
определенном пространственном расположении активный центр
фермента, способный оказывать сильное поляризующее влияние на
реагирующие связи субстрата. Ферментативная реакция проходит
через стадию образования комплекса между активным центром
фермента и молекулой субстрата, причем ускорение реакции опре-
деляется изменением как энергии, так и энтропии активации обра-
зования переходного активного комплекса. Изменение энтропии
активации реакции количественно характеризует способность ак-
тивного центра фермента и реагирующих групп субстрата к некото-
рой взаимной структурной адаптации, но не изменяет решающего
значения соответствия исходных структур и устойчйвости строения
активного центра для сохранения активности и специфичности
действия ферментов. Нарушение взаимного пространственного
164
расположения компонентов активного центра при денатурации
приводит к инактивации фермента.
Г Необходимость амфотерной природы группировок активного
центра в сочетании с устойчивостью их специфического простран-
ственного расположения для поляризации реагирующих связей
объясняет то обстоятельство, почему все ферменты относятся к
белковым веществам; легко видеть, что в других классах биополи-
меров эти условия отсутствуют. Образование одной и той же про-
стетической группой на различных белках ферментов с различной
специфичностью объясняется тем, что природа аминокислотных
остатков, входящих в активный центр, и расстояние между ними
и простетической группой или, другими словами, структура ак-
тивного центра оказываются разными. Эта сложная структура
активного центра объясняет, по-видимому, и малое число актив-
ных центров (примерно 1 на 250—500 аминокислотных остатков;
см. табл. 13) в белковой молекуле, ввиду малой вероятности опре-
деленного пространственного сочетания разнородных групп при
свертывании полипептидной цепи. Как уже указывалось в главе 1,
строение молекулы белка целиком обусловлено биологической
ролью белка и закреплено в процессе эволюции организмов.
В химическом составе и строении молекулы белка сконцентри-
рованы и заключены все те условия, которые необходимы для наи-
лучшего осуществления биологических функций белка. Наличное
количество активных центров в молекулах ферментов (см. табл. 13)
является удовлетворяющим потребностям организма и несомненно
могло быть увеличено в случае необходимости в процессе эволю-
ционного отбора путем изменения типа свертывания полипептид-
ной цепи; поэтому роль остатка белковой молекулы в ферменте не
следует считать атавистической или излишней, как иногда пола-
гают в литературе, ее скорее следует считать богатым потенциаль-
ным фондом эволюционных изменений.
Наконец, изложенная концепция делает вполне понятным дей-
ствие . многих ферментов на твердых поверхностях («solid-state
enzymology-») — на бактериальной мембране, на поверхности мито-
хондрий и др., а не только в растворенном состоянии. В целом,
она позволяет понять все основные вопросы, связанные с ролью
белковой молекулы в ферментативном катализе. По-видимому,
основным затруднением в создании технических катализаторов,
приближающихся по эффективности и специфичности к действию
ферментов, является именно трудность искусственного получения
активных центров из кислых и основных группировок, расположен-
ных на строго определенных расстояниях между собою и в то же
время способных к известной структурной адаптации к молекулам
субстрата.
В свое время Фишер сравнивал соотношение фермента и суб-
страта, как ключа и замка, подчеркивая этой аналогией роль стро-
гого структурного соответствия для ферментативной реакции.
165
Лайдлер справедливо указывает, что эта аналогия, с одной сто-
роны, может быть углублена в настоящее время, поскольку выяс-
нено основное значение структуры активного центра молекулы
(структура остатка молекулы, как и рукоятка ключа, имеет вто-
ростепенное значение) и его стереоспецифичность (зеркальная
форма ключа не работает); с другой стороны, эта аналогия должна
быть ограничена, поскольку ключ отнюдь не может адаптироваться
при работе к форме замка, его специфичность имеет лишь геомет-
рический характер (аналогия роли электростатических факторов
специфичности отсутствует) и т. д.
Разумеется, всякая аналогия может иметь лишь ограниченный
характер. Целесообразно, однако, подчеркнуть на основании всего
изложенного материала глубокое различие между простым обра-
зованием фермент-субстратного комплекса и осуществлением ка-
талитического превращения (или, пользуясь аналогией Фишера,
между вставлением ключа и его результативным поворотом в зам-
ке). Для связывания субстрата достаточно его взаимодействия с
одним из компонентов активного центра, тогда как для фермента-
тивного превращения необходима определенная пространствен-
ная ориентация и взаимодействие молекулы субстрата со всей
сложной структурой активного центра .нативной молекулы фер-
мента. Эти результаты имеют важное значение и для теории ки-
нетики действия ферментов.
КИНЕТИКА ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ
Образование фермент-субстратного комплекса, доказанное в
настоящее время прямыми экспериментальными данными, лежит в
основе не только механизма действия ферментов, но и кинетики
их действия. Действительно, научная теория действия ферментов
должна объяснить как молекулярный механизм ферментативных
процессов, так и кинетику действия ферментов, тем боле.е, что
именно повышение скорости реакции наиболее существенная черта
действия ферментов. В дальнейшем будут рассмотрены основные
уравнения кинетики действия ферментов и их зависимость от ряда
основных параметров, влияющих на скорость ферментативной
реакции.
ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ КИНЕТИКИ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ
Если концентрацию фермента поддерживать постоянной, а на-
чальную концентрацию субстрата изменять в достаточно широких
пределах, то изменение начальной скорости реакции (выраженное
в виде количества вещества, превращенного в единицу времени)
выражается кривой на рис. 14, вначале линейной, а затем достигаю-
щей постоянного максимального значения. Таким образом, реак-
166
d s
ция первого порядка при низких концентрациях субстрата—=
=kFS переходит при более высоких концентрациях субстрата
в реакцию нулевого порядка —=kF. В то же время скорость
реакции остается пропорциональной концентрации фермента. Эта
линейная зависимость между концентрацией фермента и начальной
скоростью реакции была установлена для подавляющего большин-
ства исследованных систем (в качестве примера на рис. 15 изобра-
Рис. 14. Зависимость
скорости ферментативной
реакции от концентрации
субстрата (на примере
гидролиза сахарозы) в
(условн. ед.):
по оси абсцисс — концентра-
ция сахарозы (С), по оси ор-
динат — скорость реакции (о)
Рис. 15. Зависимость скорости фермен-
тативной реакции от концентрации фер-
мента (на примере инвертазы) (в усло-
вн. ед.):
по оси абсцисс — концентрация фермента (С), по оси
ординат — скорость реакции (V)
жены данные для инвертазы); лишь в некоторых случаях, при на-
личии ингибиторов или активаторов, наблюдались отклонения.
В дальнейшем мы будем всюду предполагать наличие линейной за-
висимости от концентрации фермента.
Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата,
подобная кривой на рис. 14, была установлена для действия ин-
вертазы Анри и Броуном еще в 1902 г. и еще тогда объяснена Анри
на основе предположения об образовании промежуточного фер-
мент-субстратного комплекса.
Математическая теория вопроса была впервые разработана
Михаэлисом и Ментеном в 1913 г. Принимая, что фермент F и суб-
страт S образуют промежуточный комплекс FS, который затем рас-
падается на свободный фермент и продукты реакции ESf, можно
написать:
fej ^*2 /г\
F + S^±FS—s-F + SS,-, (6)
k-x
167
где kt и k_i— константы скорости прямой реакции образования
комплекса FS и обратной реакции его диссоциации на исходные
вещества и k2— константа скорости распада комплекса FS при
ферментативной реакции (всюду по реакциям первого порядка).
Обычно выражают молярную концентрацию свободного фер-
мента через [(F) — (FS)], концентрацию комплекса — (FS) и кон-
центрацию свободного субстрата — (S), так как молярная кон-
центрация субстрата всегда гораздо больше, чем фермента (S>F)
и в выражении (S — FS) можно пренебречь вторым членом. Тогда
константа диссоциации К комплекса равна
(FS)
[(F)-(FS)](S)-*•
Скорость реакции v определяется скоростью распада комплекса
V = k2 (FS). (8)
Подставляя в уравнение (8) из уравнения (7)
(FS)^-^,
~K+S
получим
&2 (?) (S)
v = _1|_М . (9)
-к +S
Максимальная скорость реакции Vmax достигается при такой кон-
центрации субстрата, при которой весь фермент входит в реакцию,
т. е. при (F)=(FS): Vm3x = k2(FS) = k2(F). (10)
Подставляя уравнение (10) в уравнение (9), получим:
Утах (3) . 1. 1 - • (П) X + <s>
Отношение по Михаэлису заменяется обратной величиной
которая называется константой Михаэлиса и является
характеристической константой в химии ферментов. Тогда:
Утах (S) ,1ОЧ p-KOT + (S)’ (12) k2(F)(S) V~ -Km + S ’ (12а)
168
Уравнение (12) является основным уравнением Михаэлиса —
Ментена. При т. е. константа Михаэлиса
численно равна концентрации субстрата, при которой скорость
реакции достигает половины максимального значения; размер-
F !МОЛЬ\
ность Кт, как и концентрации субстрата I——j.
Из приведенного вывода видно, что уравнение Михаэлиса —
Ментена основано на допущении истинного термодинамическго
равновесия между исходными веществами (F) и (S) и комплексом
(FS), откуда следует уравнение (7) и возможность непосредствен-
ной связи Кт с истинной константой диссоциации комплекса
(FS). Этим же допущением объясняется совпадение основного
уравнения (12) Михаэлиса — Ментена с уравнением адсорбцион-
ной изотермы Лангмюра, связывающим величину адсорбции Г
с концентрацией растворенного вещества с:
где Гтах. — максимальная величина адсорбции и а — отношение
скоростей десорбции и адсорбции (аналогично отношению распада
и образования комплекса FS). Оба уравнения (12) и (13) графиче-
ски выражаются одинаковыми кривыми (подобными кривой на
рис. 14). Из уравнения (12) видно, что при малых S(/Cm^>S) скорость
реакции подчиняется уравнению реакции первого порядка, а
при больших S(Km<^S) — реакции нулевого порядка; аналогично
при малых с<^а величина адсорбции в уравнении (13) пропорцио-
нальна концентрации ( г= -^а— с = kcj, а при высоких с>а ве-
личина адсорбции стремится к предельному значению Ггаах •
Уравнение Лангмюра характеризует состояние термодинами-
ческого равновесия при равенстве скоростей адсорбции и десорбции
(или конденсации и испарения) на адсорбенте; аналогично, урав-
нение Михаэлиса — Ментена предполагает наличие термодинами-
ческого равновесия при связывании и диссоциации субстрата на
ферменте. Однако легко видеть, что эта аналогия не может быть
полной, поскольку в замкнутой системе адсорбционное равновесие
может существовать неопределенно долгое время, а ферментатив-
ная реакция быстро заканчивается при исчерпании субстрата. По
существу, образование и распад комплекса FS при постоянстве
его концентрации следует рассматривать не как термодинамиче-
ское равновесие, а как стационарное состояние, т. е. более адек-
ватной является трактовка этой проблемы методами термодина-
мики необратимых процессов. Такой подход к реакциям
уравнения (6) был впервые развит Бриггсом и Холдейном
(1925).
169
Полагая скорость образования комплекса FS:
^TL = k1[(F)-(FS)](S),
а суммарную скорость распада FS на исходные вещества и продук-
ты реакции:
(И) 1
(FS)+k2(FS),
можно для стационарного состояния, при котором
^ = 0
dt и’
(15)
(16)
написать:
Ъ [(F) - (FS)] (S) - k.i (FS) - k2 (FS) = 0.
(17) J
Из уравнения (17) следует, выделяя (FS) и учитывая уравнение
(8), что
A2(F)(S)
V = -------------
(18)
(19)
Из сравнения уравнений (18) и (12) видно, что /Ст
„ k2 -|-
Кт~ Ai
уже не является просто обратной величиной истинной константы ]
диссоциации /С в уравнении (7), где величина Кт при- 1
1 1 1
ближается к лишь при условии k.i^kz,. Таким образом, рав-
новесная трактовка проблемы в теории Михаэлиса — Ментена (
оправдывается в том случае, когда константа скорости k2 прямой ]
реакции распада комплекса (FS) на продукты реакции в уравнении ]
(8) значительно меньше константы скорости диссоциации J
комплекса (FS) на исходные вещества; в этом случае действительно ]
преобладает термодинамическое равновесие (F)+(S)^(FS),. однако d
не оно является наиболее характерным для ферментативной ре-
акции. Если же принять преобладающим процесс распада комплекса .*
(FS) на продукты реакции, т. е. положить, напротив, J
то мы получим из уравнения (18) новое уравнение:
k2(F)(S)
v =
(20)
ki)
(A2\
j^l уже не имеет отношения к термодина-
мической константе диссоциации К комплекса (FS) по уравнению
170
(7). В отличие от уравнения (12) уравнение (20) соответствует ста-
ционарной трактовке процесса, но без учета обратной реакции
(определяемой константой Л_х); в остальном уравнение (20), как
и уравнение (12), удовлетворяет ходу кривой на рис. 14: при малых
оно Дзет линейную зависимость v от (S), а при высоких
Дзет реакцию нулевого порядка.
1 1
Если в уравнении (12) Михаэлиса — Ментена Кт=-^ , то при
стационарной трактовке, по уравнению (19) К.т =
1
К
где К:
К = (21)
I 1
отмечено черточкой для отличия от истинной константы диссоциа-
ции К.
Практически устанавливают зависимость скорости реакции от
концентрации субстрата подобно рис. 14, и находят Vmax при усло-
виях, когда концентрация субстрата велика и применимо уравне-
ние (10). Выражая Vmax в моль/мин, можно отнести ее к числу мил-
лиграммов белка (или белкового N) в данном препарате фермента;
в этом случае kz характеризует «удельную активность» препарата
, / моль \
фермента I------1, которая по мере повышения чистоты препарата
\мин М2]
будет иметь все более высокие значения.
По стандартизованной номенклатуре (см. стр. 136) количество
фермента, катализирующее превращение 1 мкмоль субстрата в
1 мин, называется единицей фермента. Если фермент применен
в виде чистого кристаллического препарата, что является наиболее
правильным и необходимым в кинетических опытах, то его содер-
жание также может быть выражено в молях, и тогда kz (в сек-1
или мин"1) является характеристической константой данной си-
стемы фермент-субстрат, при заданной температуре, pH и других
условиях. Значения kz (в сект1) для ряда систем приведены в табл.
16; умножая их на 60, получаем количество молей субстрата,
переработанных при данных внешних условиях за 1 мин на 1 моль
фермента (табл. 19). Эту величину применяют под названием мо-
лекулярной активности фермента, но можно пользоваться непо-
средственно величиной kz. Для сравнения различных ферментов
необходимо значение молекулярной активности, или kz относить
к одному активному центру фермента.
Как указывалось на стр. 168, определение концентрации суб-
страта; при которой скорость реакции о = позволяет опреде-
лить численное значение константы Михаэлиса Кт (в моль!л} со-
гласно уравнениям (12), (18), (19). Удобный и более точный способ
171
Таблица 19
Молекулярная активность некоторых ферментов
(в моль субстрата на 1 моль фермента в 1 мин)
Фермент
Молекуляр-
ная
активность
Миокиназа....................................
Фумараза ........................... . . . .
Уреаза ......................................
Каталаза ....................................
Гексокиназа (30°С, pH 7,5) ..................
Фосфоглюкомутаза (30°С, pH 7,5)..............
Альдолаза (30°С, pH 7,6) ....................
Триозофосфатизомераза (38°С, pH 7,2) . . . . s
Лактикодегидрогеназа (25°С, pH 8,6) ........
Энолаза (20°С, pH 7,34)......................
Ацетилхолинэстераза (25°С, pH 7,0)...........
10000
100000
460000
2,5—5- 10е
13000
16800
2000
10е
28900
9000
740000
определения Кт был разработан Лайнуивером и Берком (1934).
Они применили уравнение (12) в обратной форме:
1 Г 1 ] 1
v ~ Vmax(S) ~ Vmax [SJ+ Vmax W
1 1
Откладывая — противполучаем прямую линию, наклон ко-
Кт 1
торой равен -.у , а отрезок на оси ординат , откуда легко
V max ” max
найти Кт и Vmax (рис. 16). По величине Кт можно вычислить
скорость реакции v в процентах от максимальной скорости Vmax
для любой концентрации субстрата. Значения Кт лежат в очень
широких пределах, например, для мальтазы — мальтозы Кт —
=2,1-10-1, для инвертазы — сахарозы — К.т =2,8 • 10“2, для
фосфатазы — глицерофосфата — 3- 10~3, для лактикодегидроге*
назы — пировиноградной кислоты равно 3,5 -10“5, а вообще они
могут изменяться от 1 до 10-8. Обратные значения Кт, равные Д'
по уравнению (21), приведены для ряда систем в_табл. 15 в виде
произведений k2K, из которых легко вычислить К, так как значе-
ния kz отдельно приведены в табл. 16. Из уравнения (18) легко
вычислить, что при малых концентрациях субстрата, когда скорость
реакции подчиняется уравнению реакции первого порядка v —
=k2K(F)(S), откуда следует значение члена k2K', он соответствует
константе скорости реакции К в уравнении Аррениуса (уравне-
ния 1, 4), значения которой для ряда систем приведены в табл. 18.
При условии k-i^>kz величина Кт характеризует диссоциацию фер-
мент-субстратного комплекса (FS) или меру сродства фермента и
172
субстрата; при малых К.т фермент сильно связывает субстрат,
а при больших Кт— слабо.
Уравнение (18) и (20) выведено для стационарного режима
реакции, когда выполняется уравнение (16); для нестационарных
условий, когда левая часть уравнения (17) не равна нулю, воп-
рос еще остается неисследованным даже для этого простого слу-
чая. Однако и для стационарных условий необходимо дальнейшее
развитие теории.
Как уравнение (12), так и уравнения (18), (20) выведены для
наиболее простого случая,
плекс (FS) по уравнению
(6) получается непосред-
ственно путем соединения
исходных веществ: фер-
мента (F) и субстрата (S)
в отношении 1:1. Выте-
кающая из анализа моле-
кулярного механизма дей-
ствия фермента (см. выше)
необходимость различия
простого адсорбционного
комплекса (FS) и катали-
тически активного комп-
лекса, который мы обоз-
начим (FS)*, не учитыва-
ется в уравнении (12) Ми-
хаэлиса — Ментена и
уравнениях (18), (20)
Бриггса — Холдейна. В
когда каталитически активный ком-
Рис. 16. Расчет Кт и Vmax по Лайнуи-
веру —Берку:
по оси абсцисс — величина обратная концентра-
ции субстрата по оси ординат — величи-
на обратная скорости I — |
\ о )
этих уравнениях предпо-
лагается совпадение (FS) и
(FS)*, которое может наблюдаться в наиболее простых случаях
адсорбционного катализа, но вообще не является характерным для
ферментативных реакций. Графически уравнения (12), (18) и (20)
выражаются кривой на рис. 14, но во многих ферментативных реак-
циях кривая зависимости и от (S) не ограничивается достиже-
нием максимальной скорости V max > а после некоторго максимума
начинает падать при дальнейшем увеличении концентрации суб-
страта (S). Таков, например, ход кривой скорости разложения мо-
чевины в присутствии уреазы при различных концентрациях
мочевины (рис. 17), а для разложения карбобензоксиглицил-/-
триптофана в присутствии карбоксипептидазы (рис. 18) откло-
нения от уравнения (12) Михаэлиса — Ментена имеют еще более
сложный характер. Таким образом, кинетические данные также
указывают на недостаточность простой схемы ферментативной
реакции по уравнению (6).
173
Афанасьев (1949) предположил, что активный комплекс (FS)* 1
имеет строение F2S, т. е. отличается от неактивного комплекса FS
участием второй молекулы фермента. Таким образом, вместо урав- •
нения (6) он предположил последовательность реакций: - ;
kt < ;
F + s —>FS->
a b х
-> f2s -> 2F + s sz. ':
У
Пользуясь также стационарной трактовкой (но без учета об-
ратных реакций диссоциации комплексов для упрощения урав- * \
нений), он получил систему уравнений: ~
dx t t ‘
-тг = krab — k2ax, (23) <
dy
dt ~
k2ax — k3y,
v = k3y1 1
где a, b, x, у — молярные концентрации веществ. Для стационар-
ных условий -^=-^-=0 и учитывая, что общая концентрация я
фермента равна (а+х+2у), получается для скорости v фермента-
тивной реакции: 1
v = *8----------!---- (24) I
V + 2S J
Уравнение (24) интересно тем, что в его числителе появляется /
отрицательный член —(S)2, который объясняет прохождение
скорости реакции через максимум
при возрастании S (см. рис. 17)»
Афанасьев показал в ряде
работ, что уравнение (24)
описывает большой экспери-
ментальный материал и яв-
ляется более широким, чем
Рис. 17. Зависимость скорости
ферментативного гидролиза мо-
чевины от концентрации суб- <
страта: й
по оси абсцисс — концентрация субст- Т
- рата в жоль/л. по оси ординат — ско- >
С рость гидролиза
174
простые уравнения (12), (18), (20). Однако предположение об
участии второй молекулы фермента в образовании активного ком-
плекса F2&, по-видимому, излишне. Совокупность данных о моле-
кулярном механизме ферментативных процессов с несомненностью
указывает на сложную структуру активного центра фермента, в
состав которого входят два или несколько участков. Если предста-
вить себе участки активного центра действующими более или менее
независимо один от другого, можно принять, что то, что считалось
Рис. 18. Зависимость скорости фер-
ментативного гидролиза карбобензо-
ксиглицил - Z - триптофана от кон-
центрации субстрата; пунктирная
линия соответствует уравнению Ми-
хаэлиса — Ментена:
по оси абсцисс — концентрация субстрата в
моль!л, по оси ординат — скорость реакции v
Рис. 19. Схемы активного ком-
плекса по различным тео-
риям (пояснения в тексте)
Афанасьевым двумя молекулами ферментов, представляет в дей-
ствительности два участка активного центра на одной и той же
молекуле фермента, входящих в активный комплекс (обозначим
это число п=2, тогда в уравнениях (12), (18), (20) п=1). Таким
образом, структуру активного комплекса вместо схемы Михаэлиса
(рис. 19, а) или Афанасьева (рис. 19, б) можно выразить рис. 19, в
в соответствии с изложенными в предыдущем разделе современными
данными о строении активного центра. При этом уравнения (23),
(24) полностью сохраняют свою силу, поскольку они нё зависят от
принимаемой модели белка и символ F может означать как число
молекул, так и число участков активного центра, входящих в ак-
тивный комплекс. Аналогичный подход используется в электрохи-
мии белков, когда наблюдаемые явления количественно выражают
через молярные концентрации независимых ионогенных групп,
хотя бы и расположенных на одной молекуле.
Другое объяснение кривых с максимумом было дано Лайдлером
и Хоаром (1950), которые предположили наличие конкурентного
175
замещения на части активных центров фермента молекул воды и
субстрата. Если частичное замещение молекулами воды необходимо
для реакции (например, при гидролизе мочевины на уреазе), то
вытеснение воды молекулами субстрата при повышении его концен-
трации будет приводить к постепенному торможению реакции. Это
предположение можно выразить схемой на рис. 19, г. При равновес-
ной трактовке и наличии двух видов центров с константами kr
и k7., оно приводит к уравнению:
_ k^FyaS)
v- + ' (25)
Уравнение (25) правильно передает кривую на рис. 17, так как
оно дает прямую зависимость от (<$) при низкой концентрации суб-
страта, когда знаменатель обращается в единицу (ktS и fe2S^l),
и обратную зависимость от (S) при высокой концентрации суб-
страта (когда kiS и й25^>1); положение максимума соответствует
условию
6тах~ ‘
Однако схема рис. 19, б является недостаточной для тех фермен-
тативных реакций, когда в образовании активного комплекса
принимают участие три и более участков активного центра (на-
пример, для стереохимически специфичных реакций), так как одно-
временное участие трех и более независимых молекул в каталити-
ческом акте вряд ли возможны. В то же время по схеме рис. 19, в
легко представить для случая п=3 постепенное расположение
одной молекулы субстрата на трех участках одного активного
центра:
kt k2 k3 ki
F + S ->FS -+F2S ->F3S ->3F + SSz, ' (26)
a b x у z
где активный комплекс F3S, a FS и F2S — неактивный. Для ста-
ционарных условий, аналогично уравнению (23):
dx . t
—&• = kiab — k2ax = 0,
dy
= k2ax — ksay — 0,
dz
-- k3ay — kiz = 0,
V = kjZ.
Учитывая, что общая концентрация фермента F=a+x+2y+
+3zt получим для скорости v ферментативной реакции:
176
V= ki
(OCT-(£+£)*
(27)
Сопоставляя уравнение (20) для п=1, уравнение (24) для п=2
и уравнение (27) для л=3, можно написать общее уравнение ки-
нетики ферментативных процессов, протекающих вообще на т
участках активного центра (Пасынский, 1955):
Л kt
<f)<s)-S»7S!
V = km+1----?------------ (28)
-Z'S+L. I ~c
При выводе уравнения (28), как и предыдущих частных урав-
нений, не учитываются обратные реакции: при их учете число
констант в уравнении увеличивается до (2п-Н), например, при
п=1 в уравнение (18) входит три константы klf k_i и k^, соответ-
ственно в уравнение (24) при п=2 должно войти пять констант,
в уравнение (27) при л=3 — семь констант и т. д. Правда, введение
дополнительных констант позволяет более гибко выразить неко-
торые тонкие детали экспериментальных процессов, однако сле-
дует учесть, что при увеличении числа констант в уравнении, тре-
бования к точности экспериментальных данных, необходимых
для расчета этих констант, необычайно возрастают. Практически
экспериментатор при определении величин F, S и v ограничен
точностью не более 1%, что уже в простейшем случае расчета по
уравнению (12):
*те = (пГ--1)з,
дает точность порядка 5—10%, так как при определении ошибок
разности даже малые ошибки в числах, входящих в вычисления,
могут повлечь за собою большую относительную ошибку резуль-
тата. Эта ошибка значительно возрастает в уравнениях (24), (27),
когда для расчета констант необходимо решать системы нелиней-
ных уравнений, содержшцих много разностных и квадратичных
членов; в этих условиях ошибки в определении констант легко
могут достичь 50—100%. Поэтому при описании кинетики фермен-
тативных реакций в настоящее время пользуются, главным об-
разом, наиболее простыми уравнениями (12), (18), (20), выведен-
ными для п=1. Более сложные уравнения могут потребоваться для
количественных расчетов лишь при значительном повышении
точности экспериментальных данных. Однако это обстоятельство
не уменьшает принципиального значения уравнений (24), (25),
(27), (28), выведенных для л>1. Они показывают, что концепция.
7 Заказ № 631 177 f
бифункционального или полифункциоцального катализа, которая
лежит в основе современной молекулярной теории действия фер-
ментов, позволяет также получить правильное обобщенное урав-
нение кинетики ферментативного процесса и приводит, в целом,
„ к достаточно законченной теории ферментативного катализа, хотя
значительное количество частных вопросов еще требует дальней-
шей разработки.
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА КИНЕТИКУ ДЕЙСТВИЯ
ФЕРМЕНТОВ
Изменение состава среды
В предыдущем разделе была рассмотрена наиболее простая
система, состоящая из фермента и одного субстрата, однако даже
в этом случае общая теория имеет довольно сложный характер и
остается еще до конца не исследованной. При наличии третьего
компонента в системе (в том числе второго субстрата, кофермента,
ингибитора, активатора и пр.) теория еще более усложняется и
может быть изложена лишь для самых простых случаев.
Если ферментативная рёакция происходит с участием двух
различных субстратов или субстрата и кофермента, то уравнение
(12) Михаэлиса — Ментена и аналогичные уравнения соблюдаются
в отношении одного из веществ при постоянной концентарции
другого, причем величина Кт или изменяется с концентрацией
этого другого компонента. Например, при реакции фермента
триптофаназы с коферментом фосфопиридоксалем и субстратом
триптофаном при малых концентрациях кофермента количество
активного фермента и, следовательно, скорость реакции пропор-
циональны концентрации кофермента, а при более высоких
концентрациях наблюдается эффект насыщения, т. е. по обоим компо-
нента*^ происходит наложение кривых, подобных рис. 14. В боль*
шинствё случаев этого типа два реагирующих вещества присоеди-
няются к ферменту, вероятно, на соседних местах (подобно рис.
1$, г), образуя третичный комплекс. Олберти считает, что при нали-
чии двух идентичных центров на молекуле фермента кинетические
параметры одного центра изменяются при соединении второго
Центра с субстратом, это предположение соответствует учету взаи-
модействия центров в теории адсорбции, вызывающего отклонения
от простой изотермы Лангмюра (см. уравнение 13). В случае дей-
ствия пероксидазы, катализирующей окисление субстрата пере-
кисью водорода, возможно, что комплекс FS образуется с одной
реагирующей молекулой, и лишь затем происходит реакция со
второй молекулой.
; Если два вещества S и / могут связываться на одном и том же
Центре фермента, но комплекс FI неактивный, то наличие веще-
178'
ства I подавляет реакцию с субстратом'S (/ является-ингибитором
реакций). Этот важный случай, при котором образуются активный
комплекс FS и неактивный FI, но не образуется третичном» комплек-
са FSJ, называется конкурентным торможением ферментативной
активности. В этом случае вместо уравнения (6), существует бол^е
сложное уравнение (6а): г
F + S^fS^F+ySf, > (6а)
ki
F + Iz&FI,
k-i
для которого,, кроме стационарного состояния для (FS), определя-
емого уравнением :(17), существует равновесное состояние для
kt
£ (F)(1) = KAF)(I). _ (29)
Различие состояний для (FS) и (FI) объясняется тем, что ком-
плекс FS может разлагаться дальше, по первой строчке уравне-
ния (6а), а комплекс FI является неактивным и может лишь дис-
социировать на исходные вещества. Общая концентрация фермента
(F)w==(F)+(FS)-\-(Fl)-, подставляя (по уравнению (17) при малых
S) (FS)=K(F)(S) и (FF) по уравнению (29), получим:
(F)o = (F)[l + K(S) + K/(/)], (30)
откуда для скорости реакции:
v = k2(FS) = ---^K(FMS)--------.(31)
1 + K(S) + KZ(7)
Пользуясь методом Лайнуивера — Берка (уравнение (22) построе-
ния графика у против , можно из уравнения (31) получить:
1 _ 1 * I 1+5г(/) ' 1
v MF)0 + fe2K(F)0 ’ 3 •
(32)
Уравнение (32) представляет уравнение прямой линии (рис. 20),
отрезок которой на ординате равен . =iz~~> а наклон равен:
/0 Утах
Кт
k2K (F)o Утах
[1 + МО1.
Так как Кт можно определить из опыта без ингибитора 7, то легко*
йайти kv Из сравнения рис. 16 и 20 видно, что влияние конкурент^
ного ингибитора заключается в увеличении наклона линии на мнб-и
житель [1+&.(/)] без изменения точки пересечения оси ордййат
р-— (рис. 20); обратно, построение кривых, удовлетворяющих3
7*
К7Й
рис. 20, позволяет судить о действии вещества I по типу конкурент-
ного торможения. Степень конкурентного .угнетения зависит от
отношения концентраций субстрата S и ингибитора /; при доста-
фенилаланином; // — фенилаце-
татом; III — гидрокоричной ки-
слотой; IV — без ингибитора;
по оси абсцисс — величина обратная
концентрации субстрата по оси
ординат — величина, обратная скорое -
точно высокой концентрации
субстрата S^> /достигается та же
максимальная скорость, что и
в отсутствии ингибитора. Кон-
курентными ингибиторами час-
то служат продукты самой
ферментативной реакции; на-
пример, глюкоза или фруктоза—
конкурентные ингибиторы при
действии инвертазы на сахаро-
зу. Важное значение имеет за-
мещение природных субстратов
некоторых ферментов структур-
ными аналогами этих субстра-
тов, вызывающими конкурент-
ное торможение основной ре-
акции (принцип антиметаболи-
тов Вудса). Например, сульфа-
ниламид (I) обладает бактерио-
статическим действием благо-
даря конкурентному подавле-
нию использования естествен-
ного фактора роста бактерий
— п-аминобензойной кислоты
(II), структурно аналогичной
сульфаниламиду:
^/^СООН
II
Принцип антиметаболитов, несмотря на ряд ограничений, ока-
зался полезным при изыскании различных химиотерапевтических
веществ.
При образовании третичного комплекса FSI, т. е. при одно-
временном соединении фермента F с веществами S и / возможно,
что оба вида комплексов FI и FSI являются неактивными; этот слу-
чай называется неконкурентным торможением.
. При учете равновесных состояний для всех трех видов комплек-
сов: .
180
(FS) = k (F)(S),
(FI) = <>; (F)(1),
(FS/) = ^(FS)(/), . (33)
можно показать, что общая концентрация фермента:
(F)0 = (F) + (FS) + (FI) + (FSI) = (F) [1 + k (S) + kt (I) + kk\ (S) (/)] ,
откуда для скорости реакции:
v = b lF ___________ktK(F)o(S)
\ + k(S) + ki(i) + k'lk(S)(i) • ( У
По методу Лайнуивера — Берка, из уравнения (34) получается
1 i + k'i(l) 1 + ^(1) 1
V ~ k2(F)0 + Л2/<(Г)о ' S ’ (35)
т. е. в этом случае, в отличие от уравнения (32), не только наклон
линии, но и отрезок на ординате изменяются при изменении кон-
центрации ингибитора / (рис. 21). Проводя опыты без ингибитора
7, определяют описанным выше образом константы &2’ и /С, а из-
меряя зависимость наклона линии или отрезка на ординате от
концентрации ингибитора, определяют значение kt (условно счи-
тают ki=k^. Сравнение рис. 20 и рис. 21 наглядно характеризует
различие кинетических кривых при конкурентном и неконкурент-
ном торможении.
Примерами неконкурентного торможения является действие
ионов тяжелых металлов (Hg, Ag), отравление гемоглобина или
цитохромоксидазы окисью углерода, инактивация сукциноксидазы
AsCl3 и др. При неконкурентном торможении даже при высокой
концентрации субстрата максимальная скорость реакции меньше,
чем в отсутствии ингибитора, так как угнетение этого типа за-
ключается по существу в прочном соединении части активных цен-
тров фермента с ингибитором или в частичном отравлении фермента.
Изучение действия различных ингибиторов и ферментных ядов
имеет большое значение для выяснения структуры активных цен-
тров и механизма действия ферментов.
При неконкурентном торможении третичный комплекс FSI
не активен, или, во всяком случае, менее активен, чем комплекс
FS. Если, напротив, присоединение третьего вещества А приводит
к образованию третичного комплекса FSA с более высокой ката-
литической активностью, чем комплекса FS, то вещество А на-
зывают активатором фермента. Одним из примеров активации
ферментов при образовании третичного комплекса является упо-
минавшееся выше участие коферментов в ферментативной реакции;
в этом случае третье вещество не блокирует активные центры, а
само принимает участие в их образовании.
Важное значение имеют случаи, когда третьим компонентом
системы (помимо фермента и субстрата) являются ионы металлов
181
или водородные ионы, они могут оказывать как активирующее, так
и тормозящее действие на ферментативные реакции.
Примеры активирующего и тормозящего действия ионов метал-
лов на ферменты приводились (стр. 153, 181). В основном, особенно
для ионов тяжелых металлов, их действие обусловлено участием в
образовании активного комплекса или, напротив, отравлении неко-
торых участков активных центров (в частности, SH-групп). Роль
ионов металлов может быть различной в зависимости от. их влия-
ния на прочность связи фермента с молекулой субстрата или на
Рис. 21. Неконкурентное тормо-
жение окисью углерода (на при-
зере фиксации азота у Azotoba-
cter). I — без СО; //—0,2% СО;
/// — 0,3% СО; IV—0,5% СО:
по оси абсцисс — обратное давление N2,
по оси ординат — обратная величина X
Рис. 22. Активность лейцина-
минопептидазы в зависимости
от концентрации ионов мар-
ганца. Кривая — вычисленная
теоретически; точки — экспери-
ментальные данные:
по оси абсцисс — log концентрации ио-
нов марганца, по оси ординат — актив-
ность лейцинаминопептидазы
активацию субстрата в промежуточном активном комплексе; в
этом вопросе вновь проявляется указанное выше различие между
стадиями образования простого комплекса FS и активного ком-
плекса (FS)*. В некоторых простых случаях, например, для лей-
цинаминопептидазы и ряда дипептидаз можно установить количе-
ственную зависимость между активностью фермента и концентра-
цией ионов металла в предположении, что каждый ион соединен
с! одним активным центром фермента по закону действующих масс
(рис. 22). Интересную группу явлений образует различие в действии
182 1
таких близких ионов, как Na+ и К+» например для холинэстеразы
ион -Na+ активирующий, а К+-^- угнетающий фактор, в других слу*
чаях наблюдается обратное соотношение; по-видимому, эти эф*
фектьГ основаны на тонких структурных различиях в строении не*
которых участков активных центров.
Еще более -широкое значение для ферментативной активности
имеют водородные ионы (pH). Благодаря зависимости степени дис*
социации ионогенных групп белков-ферментов от pH среды, изме-
нение pH должно приводить к изменению связывания субстрата
ферментом, если только в состав активного центра входит ионо-
Рис. 23. Изменение рКт в зависимости от pH для некото-
рых ферментов. I — уреаза; // — карбоксинептидаза;
III — холинэстераза; IV — аргиназа; V — фосфатаза; VI
— ксантиноксидаза:
по оси абсцисс — pH ферментов, по оси ординат — изменение показа-
теля константы Михаэлиса
генная группа. Одновременно происходит изменение константы
Михаэлиса Кт (рис. 23) и, тем самым, скорости ферментативной
реакции.
Анализ кривых титрования и констант диссоциации ибногенных
групп для ряда кристаллических ферментов показал наличие групп
с рК в интервале 7,0—8,0, характерными для имидазольного кольца
гистидина. При титровании фермент-субстратных комплексов
ионизация основной группы часто уже не могла быть эксперименталь-
на
но установлена благодаря ее участию в связывании субстрата
(например, для системы уреаза — мочевина, р-амилаза — амилоза,
инвертаза — сахароза, ацетилхолинэстераза — ацетилхолин и др.).
Одновременно с этим рК кислой группы фермента остается постоян-
ным (например, для системы инвертаза — сахароза, где рКв ос-
тается равным 6,6) или изменяется (например, для холинэстеразы
рКй смещается от 7,7 до 6,2); во втором случае кислотная группа
либо непосредственно принимает участие в связывании субстрата,
либо ее константа
Рис. 24. Зависимость ферментативной актив-
ности от pH. I — пепсин; II — карбоксила-
за; III —амилаза; IV — аргиназа:
пр оси абсцисс — pH раствора, по оси ординат — ак-
тивность (в процентах от максимальной)
диссоциации косвен-
-но изменяется под
влиянием связыва-
ния субстрата на
соседней основной
группе активного
центра фермента;
тогда, в свою оче-
редь, ее ионизация
будет влиять на сте-
пень связывания суб-
страта. Почти во всех
изученных случаях,
независимо от при-
роды фермент-субст-
ратного комплекса,
было установлено,
что, скорости фер-
ментативной реак-
ции в зависимости от
pH проходят через
максимум. Кривые
зависимости фермен-
тативной активности от pH охватывают иногда лишь узкий интервал
рН(рис. 24), а в других случаях, например, для каталазы—несколь-
ко единиц pH. Положение pH-оптимума (см. табл. 12) зависит от
природы субстрата, состава буферного раствора и не является
истинной константой. Прохождение кривых активность — pH че-
рез достаточно резкий максимум указывает, что в образовании
активного комплекса FHS принимают участие как кислые, так и
основные группировки. В активный центр могут входить по край-
ней мере, две ионогенные группы (как было детально изучено,
например, для фумаразы), которые принимают непосредственное
участие в переносе протона при ферментативной реакции. В слишком
кислых растворах заняты протонами обе группы активного центра,
с образованием неактивного комплекса FH%S, а в более щелочных
растворах они обе свободны от протонов (образуется неактивный ком-
плекс FS); в результате активный комплекс FHS образуется лишь
184
в ограниченной области pH. Таким образом, и в этом вопросе прояв-
ляется различие в свойствах простого и каталитически активного
комплексов фермента и субстрата.
Помимо влияния на ионогенные группы фермента, смещение pH
может изменять также степень ионизации молекул субстрата. На-
пример, пептид, гидролизуемый пептидазой, должен иногда иметь
незаряженную а-аминогруппу для соединения с ферментом, что
будет зависеть от pH среды. Диссоциация субстрата влияет как на
характер кривой зависимости активности от pH, так и на положе-
ние рН-оптимума.
Наконец, следует учитывать влияние pH на устойчивость фер-
ментов как белковых молекул, способных вообще к кислотно-ще-
лочной денатурации. Поэтому при определении зависимости фер-
ментативной активности от pH необходимо принимать во внимание
интервал pH, в котором сохраняется физико-химическая стабиль-
ность молекул ферментов. Кислотно-щелочная денатурация может
приводить к необратимым изменениям в активности ферментов.
Влияние температуры
После состава среды температура является наиболее важным
внешним фактором, влияющим на ферментативную активность.
Из уравнений (3), (4) следует,что уже небольшие изменения темпе-
ратуры сильно изменяют скорость реакций. Для многих химических
реакций достаточно повышения температуры на 10° С для удвоения
скорости реакции. Отношение констант скоростей химической реак-
ции при температурах Т и (Т+Ю) иногда выражается величиной
= численное значение Qlo часто лежит в пределах 2,0 —
т
—2,5. В биологической литературе значения Qlo определяли даже
для ряда физиологических процессов — биения сердца, стрекота-
ния кузнечиков, свечения люминесцирующих бактерий и др.,
являющихся сложной совокупностью многих химических реакций.
В этих условиях становится неясным, к какой реакции относятся
величины кт +ю и кт, не говоря уже о том, что одновременно прояв-
ляется действие температуры на физические процессы (диффузию,
вязкость); в результате Qlo теряет ^.определенный теоретический
смысл. Даже для индивидуальных химических реакций необходимо
учитывать, что Qlo не является константой; из уравнения (4) сле-
дует, что Qlo зависит от температуры:
10£
In Qio = • (36)
Например, при £=12,9, Qlo при 17° С равно 2,1, а при 37° С —
1,91. Теоретически более правильно характеризовать температур-
ную зависимость скоростей индивидуальных химических реакций
(в том числе, катализируемых ферментами) их энергиями акти-
185
вации Е. Для физиологических процессов расчеты значений Е,
как и Qlo, имеют лишь смыл эмпирических характеристик.
Определение значений Е и А ферментативных реакций по урав-
нению Аррениуса (4) получило важное значение для выяснения
механизма действия ферментов. Как и в области обычной химиче-
ской кинетики, ряд реакций удалось хорошо объяснить с точки
зрения теории столкновений, интерпретируя в уравнении (4)
величину А как- число столкновений между субстратом ифермён-
_______________Е, -
том, а член е RT как долю эффективных соударений. Например,
Мельвин-Юз рассчитал этим путем абсолютную скорость реакции
гидролиза сахарозы
инвертазой в хоро-
шем согласии с
опытом. Однако для
других реакций,
например для окис-
ления цитохрома
перекисью водорода
в присутствии перо-
ксидазы, были по-
лучены значитель-
ные расхождения.
Наиболее существен-
ные результаты да-
ло приложение сов-
ременной теории аб-
солютных скоростей
реакций (Эйринг,
Лайдлер и др.), что.
позволило выяснить
значение энергии и
энтропии активации
ДЯ* и Д5* (уравне-
ния 1—3) при образо-
вании промежуточно-
го активного комп-
по оси абсцисс — величина, обратная температуре
i • 10е, по оси ординат — ход скорости выделения
О2 (мм9/мин)
лекса. Соответствую-
щие данные для ряда ферментных систем были приведены в табл. 15,
16 и 18; они показывают, что огромное ускорение реакций в при-
сутствии ферментов объясняется не только снижением активаци-
онного барьера как предполагалось ранее, но также ролью энтро-
пийного фактора или комбинацией обеих величин. На стр. 151—155
было показано, что эта теория позволила значительно углубить
наши представления о механизме действия ферментов.
При определении температурного коэффициента ферментатив-
ной реакции концентрацию субстрата подбирают соответствующей
186
нулевому порядку суммарной реакции, что дает более характер-
ные значения. При измерениях в сравнительно широком интервале
температур кривые обычно проходят через максимум, называемый
температурным оптимумом действия ферментов для; многих фер-
ментов он лежит около 37° С. Появление максимума результат
того, что на ускоряющее действие повышения температуры на хими-
ческие реакции накладывается инактивирующее действие нагре-
вания на ферменты, имеющие белковую природу.
Сложное влияние температуры на скорость ферментативной
реакции видно из рис. 25 для разложения Н2О2 каталазой (Сай-
зер): значение Е равно 4200 кал (по более новым данным, 1700 —
2000 кал) в температурной области, в которой скорость распада
Н2О2 увеличивается, и 5100 кал в области уменьшения скорости
распада. В этих условиях температурный оптимум равен 53° С,
но учитывая его зависимость от двух эффектов, каждый из которых
сильно зависит от условий измерения, pH, наличия примесей; от
концентрации фермента, субстрата, буфера и др., следует считать
положение температурного оптимума довольно условной величиной.
Влияние давления
Изучение зависимости скорости ферментативной реакции от
давления, как следует из уравнения (5), позволяет количественно
характеризовать изменение объема ДУ* при образовании актив-
ного комплекса из исходных веществ, что придает этим измере-
ниям большой интерес. Отрицательный знак в правой части урав-
нения (5) показывает, что если константа скорости реакции растет
с повышением давления,, то образование активного комплекса про-
исходит с уменьшением объема (ДУ*<0) и, наоборот, если актив-
ный комплекс образуется с увеличением объема (ДУ*>0), кон-
станта скорости реакции будет уменьшаться при повышении дав-
ления. Общее изменение ДУ* определяется суммированием из-
менения объема ДУЬ при переходе от исходных веществ — фер-
мента F и субстрата S.— к простому комплексу FS и изменения
объема ДУ2 при переходе от комплекса FS к активному состоянию
(FS)*: ДУ*=ДУ1+ДУ2. В этом вопросе, как и в предыдущих
разделах, вновь проявляется принципиальное различие между
образованием простого адсорбционного комплекса (FS) и катали-
тически активного комплекса (FS)*. При высоких концентрациях
субстрата основное значение имеет переход (FS) в (FS)*, когда
величина ДУ* практически совпадает с ДУ2. Исследования Бент-
хауза по гидролизу крахмала амилазой (при давлении до 1500 атм),
Лайдлера и Бирделла — по гидролизу АТФ миозином и др. пока-
зали, что при этих условиях величина ДУ2 в большинстве изучен-
ных систем является отрицательной. Например, для системы мио-
зин-АТФ ДУ2 составляет около — 30 см3/моль, для системы инвер-
таза — сахароза ДУ2=—8 см3/моль и др. При низких концентра-
187
циях субстрата экспериментально определяются суммарные зна-
чения ДУ*, которые могут быть положительными (например,
для системы пепсин — желатина ДV*=22 см3/моль, миозин —
АТФ ДУ*=8—23 смЧмоль, в зависимости от концентрации КС1
и др.) или отрицательными (например, для системы химотрипсин —
казеин Д7*=—13,8 см3/моль). Значение величин ДУ* заключает-
ся в том, что они характеризуют структурные изменения и факти-
ческую глубину структурной адаптации при образовании активного
комплекса в ходе ферментативной реакции. Необходимо подчерк-
нуть, что эти небольшие структурные изменения никоим образом
не нарушают основных принципов объяснения высокой специфич-
ности действия ферментов и устойчивой структуры активного цен-
тра; в этом отношении величины ДУ* играют лишь роль поправоч-
ных членов.
В сочетании с данными по энтропии активации AS*, которые
могут быть определены из измерений температурной зависимости
скорости ферментативных реакций, величины ДУ* позволяют рас-
членить влияние структурных изменений и изменений в полярности
или в связывании растворителя при образовании активного ком-
плекса (FS)* на скорость ферментативной реакции и тем самым
углубляют наши сведения о механизме действия ферментов.
При изучении действия давления необходимо учитывать, ра-
зумеется, как и при изучении действия температуры, pH и раз-
личных факторов среды, возможность денатурации ферментов при
высоких давлениях и необратимых изменений в активности фер-
ментов.
ДЕЙСТВИЕ ФЕРМЕНТОВ В ОТКРЫТЫХ СИСТЕМАХ
Вся рассмотренная до сих пор теория ферментативного катализа
относилась к замкнутым системам, в которых отсутствует наиболее
характерный признак жизни — постоянный обмен веществ с ок-
ружающей средой. В замкнутых системах концентрации реаги-
рующих веществ и скорость реакции непрерывно изменяются во
времени до окончания процесса. Поэтому при изучении кинетики
ферментативных реакций в замкнутых системах обычно ограничи-
ваются определением начальной скорости реакции при небольшой
глубине химического превращения; стационарное состояние, упо-
минавшееся на стр. 170, относилось лишь к элементарному катали-
тическому акту на молекуле фермента, а не к концентрациям ком-
понентов системы.
Между тем, ферментативные реакции в любой клетке живого
тела происходят в условиях постоянной диффузии метаболитов в
клетку и переноса продуктов реакции из клетки в окружающую
среду, т. е. в условиях открытой системы (см. гл. 2). В отличие
от реакций; в замкнутых системах, в-открытой системе могут уста-
новиться стационарные концентрации компонентов системы, ко-
188
торые за счет непрерывного обмена со средой могут динамически
поддерживаться в течение любого желательного промежутка вре-
мени; поэтому «начальные» условия действия ферментов могут
быть в открытой системе произвольно растянуты во времени.
Следующим существенным отличием является то обстоятель-
ство, что, как и все катализаторы, ферменты в замкнутой системе
влияют лишь на скорость установления равновесия, но не изме-
Рис. 26. Изменение стационарной концентрации
аскорбиновой кислоты а при ее ферментативном
окислении в условиях открытой системы (пояснения
в тексте):
по оси абсцисс— время (О в лсик, по оси ординат —стационар*
ная концентрация аскорбиновой кислоты (а)
няют равновесных концентраций компонентов системы; между тем,
в открытой системе они влияют как на скорость реакций, так и на
стационарные концентрации реагирующих веществ (см. гл. 2).
Эти положения были показаны в работах Пасынского и Блохиной
по ферментативному окислению аскорбиновой кислоты (при дей-
ствии Н2О2 в присутствии пероксидазы) в условиях открытой сис-
темы, и в аналогичной работе Пасынского и Вировец по разложе-
нию мочевины уреазой; к сожалению, других работ по этому вопросу
в литературе нет.
В первой работе была использована следующая методика: -че-
рез небольшой цилиндр, затянутый с одного конца целлофановой
мембраной, протекал 1,2-процентный раствор аскорбиновой кис-
лоты и 0,2-процентный раствор перекиси водорода; снаружи мем1
брана омывалась проточной дистиллированной водой; постоянный
приток аскорбиновой кислоты составлял 10г5 г/сек, диффузионный
перенос через мембрану в проточную воду — 2 • КГ6 г!сек, окисле-
ние в сосуде — 3 • 10-® г!сек, т. е. в данной системе к. п. д. состав-
лял около 30%. Для этой системы уравнение (37) главы 2 значи-
тельно упрощается, так как Z=0 (перенос из системы происходит
в чистую воду) и ^_г=0 (реакция окисления аскорбиновой кислоты
189
является необратимой); в. результате оно переходит в уравнение:
<? =--------------------------Ц-S, (37)
где а — стационарная концентрация аскорбиновой кислоты, k —
константа скорости химической реакции окисления, — константа
притока и S — концентрация поступающей аскорбиновой кислоты.
Вначале в отсутствие фермента устанавливается стационарная
концентрация АВ (рис. 26, /), которую можно поддерживать в
течение произвольного промежутка времени, затем в точке Б вно-
сился фермент, и система, после промежуточного минимума БВГ
(теория которого была рассмотрена на стр. 98—99), переходила
к новому стационарному состоянию ГД. Из ур. (37) видно, что уста-
новление этого состояния зависит о'т определенного соотношения
кинетических и диффузионных параметров системы и начальной
концентрации компонентов. При изменении любого из этих па-
раметров система переходит из одного стационарного состояния
в другое. Действительно, можно было показать значительную
подвижность открытой системы по отношению к изменению ско-
рости реакции (которое достигалось изменением количества фер-
мента, нагреванием или охлаждением системы, повторным добав-
лением фермента (см. рис. 26, //), комбинацией действия фермента
и температуры), к изменению концентрации компонентов и к из-
менению диффузионного переноса компонентов из системы (до-
стигавшемуся изменением площади мембраны. Таким образом,
уже простая ферментативная реакция в проточных условиях про-
являет основные особенности реакций в открытых системах: воз-
можность установления стационарного состояния, влияние ка-
тализатора на стационарные. концентрации, способность системы
к динамической стабилизации стационарного состояния, которые
отсутствуют в реакциях в замкнутых системах (см. гл. 2).
Интересно отметить, что последнее свойство сохраняется лишь в
определенных пределах изменений открытых систем. При слишком
значительном ускорении химической реакции добавлением боль-
ших количеств фермента или диффузионного переноса через мем-
брану, при повышении температуры более чем на 10° С или охлаж-
дении на 5?С, способность системы к компенсирующим измене-
ниям ослабевает, и переход стационарных состояний происходит
по кривой III (рис. 26), а в дальнейшем вообще нарушается воз-
можность установления стационарного состояния.
На основании уравнения (37) можно определить количествен-
ные пределы изменений кинетических параметров системы, сов-
местимые с сохранением ею стабилизованных стационарных со-
стояний (типа кривой /, рис. 26); оказалось, что в среднем испытан-
ная модельная система допускает увеличение скорости фермента-
тивной реакции лишь на 10—12%. При повышении концентрации
190
компонентов системы гили увеличении площади .мембраны, т. е,
при общем-повышении интенсивности химических: превращений
диффузионного переноса, переход от кривой I к кривой III рис. 26
происходит при более значительных изменениях скорости ферр
ментативной: реакции («порог выносливости» системы увеличи-
вается).
При разложении мочевины в присутствии уреазы в условиях
открытой системы осуществляются лишь кривые II и III рис. 26,
тогда как кривая I (рис. 26) отсутствует. Это различие объясня-
ется’ тем, что разложение мочевины происходит до СО2 и NHS>
вследствие чего раствор представляет,собой, в основном, однокомг
понентную систему; поэтому, вместо системы уравнений (37) гла-
вы 2 в данном случае, осуществляется лишь одно линейное уравне-
ние, которое не дает условий экстремальных переходов, а харак-
теризует только установление стационарного состояния. Начиная
с двухкомпонентных систем (например, .аскорбиновая—дегидро;
аскорбиновая кислоты) создаются' возможности переходов по типу
кривой I рис. 26. В живой клетке при наличии множества взаимо?
связанных компонентов могут осуществляться весьма сложные
переходы между различными стационарными состояниями.
Однако в живой клетке существует еще одно фундаментальное
свойство, отличающее ее не только от замкнутых систем, но и от
простых открытых систем — она может тонким образом изменять
активность или концентрацию ферментов, в зависимости от своего
физиологического состояния. Выше уже указывалось, что фермен-
ты — чрезвычайно изменчивые катализаторы, активность , кото?
рых может в широких пределах варьировать при действии > раз?
личных веществ—ингибиторов, активаторов, кофермецтов, ;,вит
таминов^ ионов металлов, водородных ионов и др.
Все эти изменения легко могут происходить в живой клетке^
однако в ней может изменяться и абсолютное количество ферментов
путем регулировки процессов распада и биосинтеза молекул фер?
ментов. Не менее важно, что ферменты в живой клетке действуют
при наличии сложных внутренних структур, и их влияние на ста-
ционарные концентрации веществ, помимо перечисленных факто-
ров, тонко регулируется также динамикой структур. и процессов
проницаемости и диффузии в клетке. Различные компоненты фер>
ментных систем иногда пространственно разделены в клетке и
регуляция структурных условий их взаимодействия имеет, суще;
ственное значение для хода ферментативных превращений в клетке»
Наконец, в живой клетке может широко изменяться связывание
ферментов на внутренних структурах и поверхностях. раздела в
клетке,, что также приводит к изменению действующей’ концент-
рации фермента. В ряде работ Института биохимии им. А. Н. Баха
АН СССР было показано, что смещение адсорбционного равновесия
ферментов в живой клетке имеет чрезвычайно важное значение
для многих физиологических процессов. Таковы основные факторы,
191
определяющие характерные особенности действия ферментов в
живой клетке. Ввиду их тесной связи с ролью внутриклеточных
структур вопросы действия ферментов в живой клетке будут
рассмотрены в пятой главе, специально посвященной взаимодей-
ствию биологических структур и биохимических процессов.
ВЫВОДЫ
Ферменты — белки, катализирующие определенные химические
реакции, входящие в процессы обмена веществ, отличаются чрез-
вычайно высокой эффективностью и специфичностью своего дей-
ствия. Большинство известных ферментов катализирует перенос
различных атомных группировок между разными молекулами
(гидролазы, протеазы, пептидазы, эстеразы, амидазы и др., фос-
форилазы и различные феразы) и в пределах одной молекулы (фер-
менты изомеризации). Значительное число ферментов катализи-
рует межмолекулярный перенос водорода и перенос электронов
(ферменты окислительно-восстановительного действия — дегид -
дрогеназы, оксидазы, пероксидазы и др.), Кроме того, имеются
ферменты, катализирующие реакции расщепления — присоеди-
нения.
По своему составу ферменты разделяются на простые ферменты,
состоящие только из молекул белка, и сложные ферменты, состоя-
щие из белка (апофермента) и небелкового компонента (простети-
ческие группы, коферменты); в состав простетических групп часто
входят производные витаминов. Каталитическое действие фермен-
тов определяется, главным образом, частью молекулы — актив-
ным центром; в среднем, один центр приходится на 250—500 ами-
нокислотных остатков. Активный центр простых ферментов опре-
деляется специфической пространственной группировкой несколь-
ких аминокислотных остатков, из которых основное значение име-
ют остатки цистеина, серина, гистидина и др.; в сложных ферментах
в состав активных центров входят, кроме того, коферменты, просте-
тические группы, атомы металлов. Компоненты активного центра
могут быть удалены между собой по первичной цепи, но простран-
ственно сближены благодаря специфическому типу свертывания
белковой молекулы. Природа компонентов активного центра и их
взаимное расположение определяют специфичность действия фер-
ментов; нарушение пространственного строения активного центра
при денатурации приводит к инактивации фермента.
' Действие всех ферментов проходит через стадию образования
промежуточного соединения с молекулой субстрата, которое про-
исходит при участии различных сил — ковалентных, координа-
ционных, электростатических, водородных и других связей. Обра-
зования простого адсорбционного комплекса FS между ферментом
и субстратом, как правило, недостаточно для осуществления реак-
ции. При каталитической реакции комплекс FS переходит в актив-
i
192
ное состояние (FS)* с соответствующим изменением энергии ак-
тивации Е (ЛЯ*) и энтропии активации AS* в результате пере-
группировки реагирующих атомов и изменения поляризации
реагирующих связей; численные значения £ и AS* для ряда фер-
ментативных реакций приведены в табл. 15, 16, 18.
Эти данные показывают, что высокая эффективность действия
ферментов (ускорение реакций до 10*—10м раз) объясняется не
только снижением активационного барьера, но часто одновремен-
ным изменением энтропийного фактора или даже только послед-
ним. Свободно радикальные цепи или полупроводниковые явления
не имеют, по-видимому, существенного значения в ферментатив-
ном катализе. Ферменты отличаются высокой специфичностью дей-
ствия — абсолютной, групповой или относительной; большое зна-
чение имеет также стереохимическая специфичность ферментов.
Сильное поляризующее влияние ферментов на реагирующие
связи субстратов в значительной мере определяется амфотерной
природой белковых, молекул и возможностью флуктуаций их за-
рядов; существенно, что эти условия отсутствуют в других клас-
сах биополимеров. Согласованное воздействие двух или нескольких
групп различной природы в составе активного центра фермента
на поляризацию определенных связей субстрата лежит в основе
каталитического действия ферментов: ферменты являются бифунк-
циональными или полифункциональными катализаторами.
Эта же концепция лежит в основе теории кинетики действия
ферментов. При различных способах трактовки проблемы, как
равновесного или стационарного состояния, теория приводит при
числе компонентов активного центра п = 1 к уравнениям Миха-
элиса— Ментена (ур. 12) или Бриггса — Холдейна (ур. 18); при
п = 2 к уравнению (24) или (25); при п = 3 и более — к уравне-
ниям (27) и (28); в большинстве задач теория, однако, не является
строгой. Содержащиеся в уравнениях (12) и (18) кинетические
константы k2 и Кт определяются уравнениями (8) и (19); числен-
ные значения для ряда систем приведены в табл. 15 и 16. Величина
Кт, или константа Михаэлиса, является существенной характе-
ристикой фермент-субстратных комплексов. На скорость фермен-
тативной реакции влияют ингибиторы (ур. 31 и 34), активаторы,
ионы металлов, водородные ионы, температура (ур. 2—4), давле-
ние (ур. 5) и др; активность ферментов может изменяться поэтому
в широких пределах, что имеет большое физиологическое значе-
ние. В открытых системах (включая живые клетки) ферменты влияют
не только на скорость реакций, но и на стационарные концентра-
ции реагирующих веществ, определяя само стационарное состоя-
ние системы. В живых клетках изменение не только активности
ферментов, но также их действующей концентрации и структурных
условий взаимодействия с субстратом позволяет чрезвычайно
тонко изменять стационарные состояния в соответствии с физиоло-
гическим состоянием клетки.
193
ЛИТЕРАТУРА л .
Афанасьев П. В. О природе ферментативной активности. «Биохи-
мия». 1949, т. 14.
«Белки», т. III, ч. 2. Под ред. Г. Нейрата и К- Бэйли. М.,‘ ИЛ., 1959.
«Белки, их специфические свойства», Киев, Изд-во АН УССР, 1955.
Брей Дж. и Уайт К. Кинетика ц термодинамика биохимических
процессов. М., ИЛ, 1959.
Бреслер С. Е. Введение в молекулярную биологию. Изд. 2-е.
М., Изд-во «Наука», 1966.
Диксон М. иУэббЕ. Ферменты. М., ИЛ, 1961.
Классификация и номенклатура ферментов ИЛ, 1962.
Кретович В. Л. Введение в энзимологию. Изд-во «Наука», 1967,.
К ретов и ч В. Л. Современные представления о природе и механизме
действия ферментов. «Изв. АН СССР», сер. биологич., 1961, № 3.
Нэйландс Дж. и ШтумпфП. Очерки по химии ферментов;
М., ИЛ, 1958.
Николаев Л. А. Биокатализаторы и их модели. «Высшая школа»,
М, 1964.
«Молекулы и жизнь», Сборник. М., Изд-во «Мир», 1966.
«Ферменты». Сборник. М., Изд-во «Наука», 1964.
Яковлев В. А. Кинетика ферментативного катализа. М., Изд-во
«Наука». 1965.
Механизм и кинетика ферментативного катализа. Сборник. Под р'ед.
А. Ё. Браунштейна и В. А. Яковлева. М., Изд-во «Наука»,
1964.
Уэбб Л. Ингибиторы ферментов и метаболизм. М., Изд-во «Мир»,
1966.
L a i d 1 е г К- The Chemical4 Kinetics of Enzyme Action Oxford, 1958.
«Report of the Commission on Enzymes of the International Union of Bioche-
mistry». Pergamon Press, 1961.
«The Enzymes». Ed. P. В о у e r, H. L а г d у а. К. М у г b а с к». Ас.
Press, 1959.
«The Mechanism of Enzyme Action». Ed. B. G 1 a s s a Me. E Ir о у
W. Baltimore, 1954.
«The Physical Chemistry of Enzymes». Disc. Faraday Society, № 20, 1956.
ГЛАВА 4
ЭЛЕКТРОХИМИЯ БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Электрохимические явления играют чрезвычайно важную роль
в процессах жизнедеятельности, так как все процессы обмена ве-
ществ тесно связаны с ионами неорганических электролитов или
органических веществ. Особо важное значение имеют электрохи-
мические свойства нервных и мышечных клеток, проявляющиеся
в биоэлектрических потенциалах, а также разнообразные оки-
слительные процессы, включая процессы дыхания, являющиеся
основным источником энергии в организме. Среди электрохимиче-
ских процессов в организме можно выделить две основные группы:
1) процессы, связанные с переносом ионов (без изменения их за-
рядов) и образованием биоэлектрических потенциалов, и 2) про-
цессы, связанные с межмолекулярным переносом электронов и
возникновением окислительно-восстановительных потенциалов,
включая процессы биологического окисления. Кроме того, можно
указать на важную роль электрохимических процессов в фермен-
тативном катализе (рассмотренную в гл. 3), в фотосинтезе (гл. 6)
и других явлениях.
ПЕРЕНОС ИОНОВ И БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ
НЕРАВНОМЕРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИОНОВ И ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ
Одной из наиболее характерных особенностей живых клеток
является значительное различие между концентрацией и составом
ионов во внутренней части клетки и в окружающей среде. Отноше-
ние внутренней концентрации ионов к внешней может изменяться
в клетках различных видов в весьма широких пределах (табл. 20).
Для большинства клеток, особенно для клеток нервных и мы-
шечных тканей, характерна высокая внутренняя концентрация
ионов калия й низкая концентрация ионов натрия и хлора.. Так,
например, в сердечной мышце крысы содержится внутри 140 ммоль
К+-ионов и лишь 13 ммоль Ь]а+-ионов на 1 кг внутриклеточной
воды; в портняжной мышце лягушки, соответственно 125 ммоль
К+-ионов и 15 ммоль Ыа+-ионов и др. Напротив, во внешней среде
этих клеток содержится большой избыток ионов натрия, например,
195
Таблица 2(X t
Величины отношений внутренней концентрации ионов к внешней
для различных клеток
(по данным Остергаута и Ходжкина)
Вид клеток Отношение концентраций
Na+ К+ С1-
Valonia macrophysa 0,18 41,6 1,03
Valonia ventricosa 0,07 48,0 1,05
Halycystis Ost 1,12 0,53 1,04
Nitella clavaia (центральная вакуоль) .... 46,1 1065 100,5
Chara ceratophylla 2,4 63 3,1
Аксон Loligo (свежий) 0,11 41 0,074
Аксон Loligo (через 3 ч) 0,24 36 0,15
Аксон Sepia 0,17 33 —
Нерв лягушки (свежий) 0,31 44 —
Портняжная мышца лягушки 0,12 1,2 0,01
Сердечная мышца крысы 0,087 52 —-
для сердечной мышцы крысы 150 ммоль Ыа+-ионов и 2,7 ммоль ?
К+-ионов, для портняжной мышцы лягушки — 120 ммоль Na+-
ионов и 2,5 ммоль Кононов и др. Таким образом, наблюдается рез- J
ко неравномерное распределение ионов. Указанное содержание '
катионов лишь частично компенсируется неорганическими анио-
нами (Cl“, HPOt) и баланс ионов, необходимый для электроней-
тральности, восполняется различными органическими аниона-
ми. К их числу относятся анионы аспарагиновой кислоты
—СН2—СООН, уксусной кислоты, пировиноградной
кислоты СН8—СО—СООН, молочной кислоты СН3—СНОН—
—СООН, фумаровой кислоты' СООН—СН =СН—СООН, янтарной
кислоты СООН—СН2—СН2—СООН, изетионовой (2-оксиэтансуль-
фоновой) кислоты SO3H—СН2—СН2ОН, глутаминовой кислоты
СООИ/СН-СН,—СН2—СООН, аланина СООН/СН- СН3, та-
урина SO3H—СНг—СН2—NH2 и др.
В качестве примера приведем баланс ионов в протоплазме ак-
сона (в аксоплазме, см. гл. 5) нерва краба Carcinus и кальмара
(табл. 21); выбор этих объектов объясняется аномально
большими размерами аксонов (в частности, у кальмара до 1 м
длиной и сечением до 2 лии), что облегчает их исследование.
Основной интерес среди перечисленных ионов представляет
распределение ионов Na+ и К+ между клеткой и средой. Оно не
является всегда заданным и при изменении концентрации этих
ионов во внешней среде содержание их внутри клетки изменяется, „
причем существенно отметить, что в определенных пределах эти
196
Таблица 21
Баланс катионов и анионов в аксоплазме нерва
(в мгэкв на 1 кг влажного веса)
Аксон Аксон
Катионы краб Caret- nus каль- мар Анионы краб Carei- nus каль- мар
Ыа+ к+ Mg2+ Са2+ Органические ка- тионы .... 152 260 23 13 65 344 20 7 84 С1- НРО’" SO’"4 нсо7 Кетокислоты Молочная кислота Аспарагиновая кислота . ♦. . Изетионовая кислота .... Глутаминовая кислота . . . Фумаровая кислота Янтарная кислота Другие кислоты 145 45 9 9 14 13 138 35 40 170 75 220 10 5 30
Всего .... 448 520 Всего 448 410
изменения полностью обратимы. Тем не менее, при обычных фи-
зиологических условиях указанные в табл. 20 отношения сохра-
няются достаточно постоянными. Таким образом, эти отношения
являются результатом динамического равновесия между клеткой
и окружающей средой. При помощи радиоактивных изотопов
Na+- и К+-ионов были прямыми методами измерены скорости пере-
движения ионов в обоих направлениях и найдено, что при пере-
счете на 1 см2 поверхности клеточной оболочки они составляют
для разных клеток в состоянии покоя от 10“н до 5-Ю"11 моль!сек
(табл. 22).
Таблица 22
Ионные потоки через оболочки клеток в состоянии покоя
(в 10~12 моль/см2 • сек)
(по Флойду)
Клетки Na+ к+
внутрь | наружу внутрь наружу
Аксон Sepia 61 31 17 58
Аксон краба Carcinus 19 22
Портняжная мышца лягушки .... 13 16 7 5
Брюшная мышца лягушки — 5 10 10
Из табл. 22 видно, что для большинства изученных систем
(кроме аксона Sepia, см. ниже) можно было приближенно показать
197
наличие>стационарного состояния, при котором скорость поступ-
ления данного иона внутрь клетки Ri равна скорости потока ионов
того же вида из клетки во внешнюю среду /?2-
Такют образом, в клетке содержатся, с одной стороны, недиф-
фундирующие ионы белков, фосфолипидов, анионов аминокислот и
др. и, с другой стороны, свободно диффундирующие ионы калия и
натрия. Это положение создает предпосылки для наличия донна-
новского равновесия, которое всегда возникает при взаимодействии
коллоидов с ионами электролитов при условии ограничения сво-
бодной > диффузии коллоидных частиц. Важно отметить, что это
ограничение может быть достигнуто различными способами, на-
пример, благодаря наличию полупроницаемой мембраны или
в результате образования геля или оседающей суспензии — во
всех случаях, когда реагирующее с ионами электролитов вещество
чем-либо ограничено в своей свободной диффузии по всему объему,
имеет место неравномерное распределение противоположного по
знаку иона электролита (эффект Доннана). Положим, что коллоид
R в результате поглощения некоторого количества НС1 образовал
недиффундируемые частицы RH+, входящие в состав геля и от-
деленные мембраной от внешнего раствора электролита, с СГ
ионами в качестве компенсирующих ионов R+HC1—*R Н++СГ\
Если всего поглощено молей НС1, то концентрация RH+ и С1"
также равна с4. Добавим к раствору нейтральный электролит с
одним общим ионом, например КС1 (при концентрации с2\ и рас-
смотрим его распределение в объеме. Казалось бы, что концентра-
ция КС1 по обе стороны мембраны должна быть одинаковой, но
это не так. Положим, что во внутреннюю жидкость, или в гель,
перешло х молей КС1. Тогда концентрация каждого компонента
по обе стороны мембраны (или снаружи и внутри геля) будет
равна
R+ (?! К+ с2 — х
, С1~ с, 4- х С1~ с2 — х
К+ х
Из термодинамики известно, что при равновесии произведение
концентраций диффундирующих ионов по обе стороны мембраны
должно быть одинаковым:
(K+)z-(С1“)/= (К+)о (СГ")о»
х(СгЛ-х) = (с2 — х)2, (1)
откуда - ~.
4
';i , х~ d + 2c2 •
Из уравнения (2) следует, что при ct =0 х— у (т. е. при отсут-
ствии недиффундируюдих коллоидных ионов распределение
КС1 было бы равномерным), но при с^с^, х.будет-очень мало, т. е.
198
в этом случае свободно диффундируемый электролит все же не
сможет проникнуть внутрь мембраны и распределение по обе сто*
роны мембраны будет неодинаковым. В табл. 23 по ур. (2) рассчи-
тано распределение КС1 длй различных отношений —.
Таблица 23
Доннановское распределение КС1
Белок КС1 Ci .% прошедшего
0,01 1,0 0,01 49,7
0,1 1,0 0,1 47,6
1,0 1,0 1,0 33,0
1,0 0,1 10,0 8,3
1,0 ’ 0,01 100,0 1,0
Из табл. 23 видно, что при —=0,01 КС1 распределится ’при-
С2
мерно поровну (49,7%), тогда при как — =1 распределение уже за-
с2
метно отклонится от равномерного. В клетках при обычном со-
держании белка в протоплазме 10—20% составляет 1—2
ммоль/л (считая молекулярный вес белка около 105), а содержание
КС1 во внешней жидкости (см. выше) около 2,5 ммоль/л, т. е. —
с2
близко к 0,4—1,0, что по табл. 23 должно соответствовать замет-
ному отклонению в распределении КС1, который будет преиму-
щественно накапливаться во внешней среде при положительном
заряде частиц R* и во внутренней среде — при наличии анионов
R". Действительно, Бойл и Конвей показали, что распределение
К+-и С1"-ионов в мышечных клетках, содержащих недиффундй-
руемые анионы белков, гексозсфосфатов, креатинфосфата, АТФ
и др., хорошо согласуется величинами, которые можно вычислить
на основании доннановского распределения по уравнению (1) и (2),
причем они нашли, что отношение г активностей внутри клетки
(а;) и снаружи (aQ) равно:
_ (Ok i) _ (Ocib _
Г (a*)o ^ci) i ~
(3)
Однако следует сразу отметить, что доннановский эффект не
является единственным фактором, определяющим неравномерное
распределение ионов в клетке. Легко видеть, что распределение
ионов натрия, которое является обратным ионам калия, не может
объясняться доннановским эффектом. Действительно, в живой*
клетке, помимо доннановского распределения, важное значений
199
имеет активный перенос ионов и других веществ против градиента*
концентрации или химического потенциала; этот перенос, механизм
которого подробно рассмотрен в пятой главе, происходит с затра-
той свободной энергии метаболических процессов и может поэтому
приводить к термодинамически аномальным величинам распреде-
ления. Кроме того, в живом организме доннановское распределе-
ние часто не имеет характера простого термодинамического равно-..
весия следующего уравнению (2), а является стационарным со-
стоянием, соответствующим природе живых клеток как открытых
систем (см. гл. 2). В результате этого распределение ионов в орга-
низме может заметно отличаться от условий доннановского рас-
пределения. Так, например, состав ионов во внутриглазной или
спинномозговой жидкости не находится в доннановском равнове-
сии с плазмой и при их диализе друг против друга до достижения
полного равновесия наблюдаются изменения (правда, небольшие) в
величине г (табл. 24).
' Таблица 24
Изменение величин rNa и гс1 после диализа внутриглазной
жидкости против плазмы крови
(по Дау сону)
Вид животного Ион До диализа После диализа
Кошка Na 0,965 0,935
Cl 1,06 1,03 -
Собака Na 0,965 0,945
Cl 1,10 1,02
Состав желудочного сока еще более резко отличается от уль-
трафильтрата плазмы крови. Эти отклонения объясняются дейст-
вием сил секреции и других видов активного переноса при обра-
зовании данной жидкости.
Неравномерное распределение ионов, обусловленное как дон-
нановским эффектом, так и активным переносом и другими метабо-
лическими процессами, служит причиной появления разности
потенциалов между внутренней частью клетки и внешней средой,
которая для клеток, находящихся в состоянии покоя, и получила
название потенциала покоя. Величина этой разности потенциалов
Е в простейшем случае определяется уравнением Нернста:
Е =
RT а1
nF 1п а, •
(4)
где а, и а2— активности данного иона во внутренней и внешней жид-
костях (при термодинамическом равновесии отношение —
равно
200
для всех ионов данной системы), п — валентность иона, R —
газовая постоянная и F — число Фарадея; при у =10 величина
Е по уравнению' (4) должна составлять при п=1 около 58—59 мв,
в зависимости от температуры (обычно T=298°/Q. Эксперимен-
тально измерения потенциала покоя производятся при помощи
микроэлектродов, вводимых внутрь клетки, величина которых
иногда составляет около 0,5 мк\ второй электрод помещается в
межклеточной или во внешней жидкости. Иногда потенциал покоя
в литературе называют током покоя, но это выражение неправиль-
но. Величина потенциала покоя для большинства клеток лежит
в пределах 60—90 мв (табл. 25), причем положительный знак рас-
положен снаружи; к величинам потенциала действия в табл. 25
мы вернемся ниже.
Таблица 25
Величины потенциалов различных клеток
(по Флойду)
Ткань
Потенциал
покоя,
мв
Потенциал
действия,
мв
Аксон Loti go........................
Аксон Sepia...........~..............
Аксон Carcinus.......................
Мякотные нервные волокна лягушки
Поперечнополосатые мышечные волокна
лягушки..............................
Сердечное мышечное волокно лягушки .
» » » собаки . .
» » » козленка .
Клетки водорослей Nitella............
61
62
82
, 71
88
70
90
94
100—120
96
122
134
116
119
90
121
135
Было найдено, что измеренная величина потенциала покоя
в некоторых случаях хорошо согласуется с вычисленным по урав-
нению (4) значением. Например, Шоу, Симон и Джонстон (1956)
при измерениях на портняжной мышце лягушки нашли, что вели-
чина потенциала покоя Е =87,4 ± 0,4 мв (среднее из 491 определе-
ний) совпадала с вычисленным по уравнению (4) для распределения
ионов калия, но для индивидуальных мышц наблюдались заметные
отклонения. Кроме того, эта корреляция нарушалась при широком
изменении внутренней концентрации К+-ионов путем микроинъ-
екции электролита, по-видимому, вследствие вторичных физиоло-
гических изменений. Грундфест (1955) также не нашел простого
соответствия между величиной потенциала покоя и изменением
концентрации ионов в аксоне кальмара путем микроинъекции; срав-
нительно лучшие результаты он получил при более высоких кон-
центрациях КО, когда наблюдалось известное подавление нор-
мального метаболизма клетки. Из данных Ходжкина и Кейнеса
201
(табл. 26) видно, что измеренные для ряда хорошо изученных
тканей величины потенциала покоя лежат несомненно ниже вы-
численных по уравнению (4) для отношений
* Ко
Таблица 26
Отношение концентраций ионов и потенциалы покоя для различных
тканей
_ - Отношение концен- а> траций —- ао Потенциал покоя, мв . -4
Ткань, Na+ ' к+. С1- изме- ренный вычислен- ный для — ЦО . УР-0) ;
Аксон Loligo........................
Аксон Sepia.........................
Аксон Carcinus.......................
Мышца лягушки.......................
1:9 19:1 1:14 61 91
1:10 21:1 — 62 89
1:10 34:1 1:21 82 85
1:7 48:1 1:64 ~88 * “98
- - - К- ' Na “ Cl _____-
Из табл. 26 видно также, что отношения не Рав’
ны между собой; это еще раз указывает, что распределение ионов
в живых тканях не соответствует термодинамическому равно-
весию и что потенциалы покоя, следовательно, не определяются :
просто доннановским распределением и уравнением Нернста. Тем ;
не менее, из табл. 26 видно, что для ионов калия различие в по-
тенциалах покоя не очень велико — в некоторых случаях всего
10 мв, когда оно может быть объяснено ошибками измерений (ве-
личинами диффузионных потенциалов и др.). По-видимому, для %
ионов калия доннановское распределение все же является основ-
ным определяющим фактором, менее справедливо это для СГ-ио-
нов и совсем иное положение существует для ионов натрия. Ни-
же будет показано, что этот вывод подтверждается также рядом
других данных.
В частности, данные табл. 26 можно сопоставить с данными
табл. 22 о динамике переноса ионов через оболочки клеток в со-
стоянии покоя. Если перенос данного иона зависит только от сил д
диффузии и электрического поля, то, согласно Уссингу
пР 1
^Г = е . <5)
где R2 — ионные потоки соответственно внутрь клетки и из
клетки во внешнюю среду, Е — фактический или измеряемый по-
тенциал покоя, Ео— равновесный потенциал по уравнению (4),
остальные обозначения являются прежними. Для аксона Sepia
202
разность (Е—Eq) в табл. 26 составляет 27 мв, откуда вычисленное
отношение —• для ионов калия должно равняться 0,34, а факта-
2 17
чески, по данным табл. 22, оно составляет gg =0,3. Для аксона
Carcinus (Е—Ео) по табл. 26 равно всего 3 мв, и по уравнению (5)
р 19
0^0,9, а фактически по данным табл. 22 получено: =0,86;
аналогичные данные наблюдаются для мышц лягушки. При ра-
венстве Е=Е0 ионные потоки в обе стороны должны быть равны.
(/?1=Т?2)> т. е. равновесный потенциал, как и следовало ожидать,
соответствует отсутствию результирующего переноса ионов или
равенству переноса в обоих направлениях. Таким образом, пере-
нос ионов калия с достаточной точностью описывается простыми
уравнениями (4) и (5),- Напротив, для ионов натрия отношение
D
экспериментально определенных величин ^-отличается от вычис-
ленных по уравнениям (4), (5) в 25—100 раз, откуда ясно следует,
что перенос Ыа+-ионов не определяется только силами диффузии
и разностью электрических потенциалов и что передвижение этих
ионой в основном зависит от процессов активного переноса;
Причины, столь различного поведения ионов калия и натрия
нельзя выяснить только путем измерений разности потенциалов,
которые характеризуют определенное распределение активностей
ионов, независимо от обусловливающего это распределение ме-
ханизма. Как уже указывалось, данное-значение потенциала Мо-
жет характеризовать распределение катионов между двумя раст-
ворами, из которых один содержит анионы с ограниченной под-
вижностью, независимо от того, вызвано ли это ограничение на-
личием полупроницаемой мембраны, разделяющей оба раствора,
или участием этих анионов в составе геля, граничащего со вторым
раствором без специальной мембраны. В обоих случаях измеряе-
мая разность потенциалов, соответствующая доннановскому рав-
новесию, называется мембранным потенциалом. Реально надо учи-
тывать, что обмен веществ и, в частности, перенос ионов между
внутренней частью клетки и окружающей средой происходит
через пограничный слой клетки, свойства которого существенно
отличаются от свойств объема клетки. В большинстве случаев
этот граничный слой именно представляет клеточную или плаз-
менную мембрану со сложной внутренней структурой, которая
будет подробно рассмотрена в главе 5. В нервных и мышечных
клетках, в эритроцитах и др. наличие этих мембран установлено
и их молекулярная структура в настоящее время исследована
прямыми электронно-микроскопическими методами. Поэтому есте-
ственно полагать, что в распределении ионов между клеткой и
средой свойства клеточных мембран должны иметь во всяком слу-
чае „существенное значение..
203
Эта точка зрения подкрепляется рядом данных, показывающих,
что ионы калия внутри клетки в значительной мере находятся в
свободном состоянии. Так, например, Ходжкин и Кейнес (1953)
локально вводили К42 в гигантский аксон кальмара Sepia (тол-
щиной 150 мк) путем соприкосновения участка нервного волокна
с каплей радиоактивного раствора. Проникновение К42 внутрь
аксона происходило чрезвычайно медленно, в течение нескольких
часов, что, по-видимому, объясняется необходимостью преодоле-
ния поверхностного барьера, но затем, после проникновения К42
внутрь аксоплазмы, оказалось, что скорость его диффузии в аксо-
плазме вдоль волокна, а также скорость передвижения к катоду
в приложенном продольном электрическом поле лишь немногим
меньше, чем в свободном водном растворе. Электрическая подвиж-
ность К42 в мышечном волокне лягушки (Гаррис, 1954) также ока-
залась близкой к подвижности в водном растворе. Было найдено,
что скачок потенциала, измеряемый в виде потенциала покоя,
локализован в тонком поверхностном слое (толщиной около 1 мк)
мышечного или нервного волокна; напротив, продольное переме-
щение электрода внутри гигантского аксона кальмара даже на нес-
колько сантиметров не изменяло величины потенциала.
Таким образом, распределение Кононов между клеткой и
средой можно приближенно уподобить распределению ионов между
двумя растворами, разделенными между собой мембраной. Как
было показано, накопление значительных количеств К+-ионов
внутри клетки объясняется при этом преимущественным значе-
нием доннановского распределения.
Согласно другой точке зрения, представленной в литературе,
накопление калия в клетке объясняется преимущественно тем,
что калий находится в нативной протоплазме примерно на 80—
90% в связанном состоянии (сорбционная теория Насонова —
Трошина). При измерении потенциала покоя, протоплазма повреж-
дается в результате введения микроэлектрода и это повреждение
служит причиной появления разности потенциалов. Потенциал
покоя, согласно этой теории, не существует в нормальной, интакт-
ной клетке и возникает лишь в момент повреждения; поэтому этот
потенциал даже называется потенциалом повреждения (в физи-
ологической литературе встречаются также названия демарка-
ционный потенциал, или альтерационный потенциал, т. е. потен-
циал изменения). Следует отметить, что механизм массового пе-
рехода К+-ионов из связанного в свободное состояние, с распадом
белково-ионного комплекса при повреждении, остается неясным,
тем более, что именно по этой теории при повреждении происходит
обратимая денатурация белков протоплазмы, а денатурация обы-
чно сопровождается повышением связывания. Кроме того, ана-
лиз состава протоплазмы (см. стр. 256) показывает, что на 100 мо-
лекул электролитов приходится лишь 1 молекула белка, которая
способна связать не более 5 К+-ионоц, и 2—3 молекулы фосфоли-
204
пидов, связывающих по одному К+-иону, если к этому прибавить
небольшое количество РНК, то в целом связывание К+-ионов в
протоплазме вряд ли может превышать 10—15%; более значитель-
ному количеству К+-ионов просто негде связываться. Предполо-
жение о том, что это связывание объясняется особыми фазовыми
свойствами протоплазмы, также вызывает возражение (стр. 256).
Наконец, можно указать на существующую в литературе тре-
тью теорию, которая объясняет потенциал покоя свойствами мо-
лекул полиэлектролитов в клетке (Курелла, 1960). Изучение ти-
пичных полиэлектролитов в растворе, например полиакриловой
л, —сн2—сн—сн2—сн—
кислоты (Уолл, 1950) | | , показало,
СООН соон
что при полной нейтрализации, т. е. при полном переходе СООН-
групп в ионную форму СОО- может происходить в интенсивном
поле плотно расположенных отрицательных зарядов значительная
электростатическая инактивация' малых катионов, коэффициенты
активности которых могут падать до 0,3—0,5. При полной иониза-
ции СОО--групп до 60% Ма+-ионов (опыты проводились с полиа-
крилатом натрия) связывается с молекулами полиэлектролита
настолько прочно, что переносится вместе с ними в электрическом
поле к аноду. Однако даже в растворах этих полиэлектролитов,
при степени ионизации СООН-групп около 10—20% прочно свя-
зывалось лишь 10—15% Ыа+-ионов. Молекулы белков при физио-
логических значениях pH далеки от полной диссоциации ионоген-
ных групп; кроме того, плотность расположения одноименных
зарядов в них в несколько раз меньше, чем в типичных полиэлектро-
литах (одна СООН-группа в белках приходится на 7—8 амино-
кислотных остатков). Поэтому условия электрохимического рав-
новесия вокруг белковых молекул далеки от гелей типичных
полиэлектролитов.
Возможно, что вблизи молекул РНК (входящих в состав мито-
хондрий и микросом), содержащих по одному остатку фосфорной
кислоты в каждом нуклеотидном звене цепи, и около упорядочен-
ных слоев фосфолипидов (лецитина и др.) некоторое количество
катионов может находиться в электростатически инактивирован-
ном (связанном) состоянии. Количественно этот вопрос не исследо-
вался, но можно полагать, что указанное взаимодействие является
одним из факторов, определяющих наличие некоторого количества
связанных К+-ионов в клетке.
Наличие в клетке и в растворах полиэлектролитов катионов
с различной прочностью связи следует также из измерений кинети-
ки обмена катионов на радиоактивные изотопы или кинетики экст-
рагирования катионов из клетки, но эти кинетические измерения
не являются достаточно пригодными для характеристики термоди-
намически равновесного связывания ионов.
Опыты Курелла и др. авторов подтверждают, что потенциал
покоя существует в нативной клетке, а не возникает в результате
205
повреждения, однако предполагаемый и^ механизм поглощения К+-
ионов клеткой за счет способности полиэлектролитов к избиратель-
ной сорбции определенных катионов вызывает сомнения.
По-видимому, наиболее Обоснованной и количественно разра-
ботанной остается мембранная теория биоэлектрических потен-
циалов. Разумеется, речь идет не о старых теориях, сводивших
все процессы к статической избирательной проницаемости фиксиро-
ванных мембран. Выяснение сложной молекулярной структуры
мембран и локализации в них ряда ферментов позволяет понять
активное участие мембран в переносе ионов. Благодаря возмож-
ности заметного изменения свойств двухмерных пленочных струк-
тур под действием ничтожных количеств различных веществ (гор-
монов, химических медиаторов нервного возбуждения и др.) мем-
браны, несомненно, являются одним из наиболее эффективных
механизмов регулирования внутриклеточных процессов. Наряду
с этим, внутреннее содержимое клетки, разумеется, не является
пассивной средой для регулирующего действия мембран, хотя
такое упрощенное представление иногда используется в литера-
туре для критики мембранной теории. Перенос ионов и образова-
ние биоэлектрических потенциалов, конечно, тесно связаны с внут-
риклеточными процессами обмена веществ.
Распределение К+-ионов между клеткой и средой, как было
Показано, в основном результат доннановского эффекта, однако,
для Ма+-ионов преимущественное значение должны иметь про-,
цессы активного переноса. Был сделан ряд попыток выяснить
причины различного поведения этих ионов, но ни в одной из те-,
ррий это различие не получило достаточного объяснения. Возмож-
но, что некоторое значение имеет тот факт, что растворимость
калиевых солей обычно ниже, чем натриевых, причем различие,
часто достигает 10 раз. Затем следует отметить, что объем гидра-
тированного Na+-HOHa (2060А3), по данным Реми, втрое прево-
сходит объем гидратированного К+-иона (630А), что может заметно
сказываться на проницаемости мембраны для этих ионов.
Паолони (1960) обратил внимание на существенное различие
в электронной структуре ионов натрия и калия: в Ыа+-ионе
(Is2 2s2 2р6) свободны орбиты 3s и Зр, вследствие чего занятие 3d-
орбит мало вероятно, тогда как в К+-ионе (Is2 2s2 2pe 3s23pe) ор-
биты 3s и Зр заняты, но имеется пять свободных Sd-орбит, по ко-,
торым возможно образование ряда менее прочных связей.
Наконец, имеется ряд важных ферментов (фосфофераза пиро-
виноградной кислоты, фосфофруктокиназа, альдегиддегидрогеназа,
система активации ацетата и др.), которые активируются ионами
калия, но подавляются ионами натрия (Глинн, 1956), вследствие
чего отбор ионов калия может представлять физиологическое пре-
имущество для клетки.
Значение всех этих факторов в конечном равновесии ионов
натрия и калия остается неясным, но во всяком случае несомненно,
?0б
что внутри клетки преимущественно накапливаются именно К+-
ионы, тогда как №+-ионы активно удаляются из клетки в окру-
жающую среду. Динамическое равновесие ионных потоков было
приведено в табл. 22, из которой видно, что представление об
избирательной проницаемости клеточных мембран лишь для К+-
ионов является неправильным и чТо мембраны допускают также
прохождение №+-ионов по обоим направлениям. При этом потоки
Г4а+-ионов внутрь клетки и К+-ионов наружу происходят в соот-
ветствии с градиентами концентрации, перенос К+-ионов внутрь
клетки определяется в основном доннановским распределением
и, наконец, поток Иа+-ионов наружу определяется, очевидно, ак-
тивным переносом клётки. Этот активный механизм удаления Na+-
ионов из клетки часто называют в литературе «натриевым насосом».
Механизм действия натриевого насоса также остается недоста-
точно выясненным. Одной из вероятных гипотез является предпо-
ложение о роли окислительно-восстановительных процессов в ак-
тивном выделении Ыа+-ионов из клетки. Эта гипотеза «окисли-
тельно-восстановительного насоса» (Конвей, 1950; Хогбен, 1953)
является развитием теории активного выделения (секреции) со-
ляной кислоты. Например, при образовании желудочного сока
сдвиг в концентрации НС1 составляет около 6 единиц pH, что соот-.
ветствует необходимости затраты энергии свыше 8 ккал/моль.
Предполагают, что этот процесс связан с обратимым окислительно-
восстановительным переходом Fe3+ ^Fe2+ при участии окислитель-
ных ферментов по общей схеме:
ХН + Fe8+ X + Fe2+ + Н+.
Для того чтобы удовлетворять указанному энергетическому пе-
реходу (ок. 8 ккал/моль), вещество ХН должно лежать по шкале
редокс-потенциалов на 0,36 в ниже системы Fe3+ ^Fe2+; этому
условию удовлетворяет большинство окислительных ферментов.
Аналогичная схема предполагается для переноса №+-ионов,
хотя в этом случае она менее конкретизирована. Опыты Конвея
207
показали, что активный перенос Ыа+-ионов из клетки подавляется
0,002 М цианидом, отравляющим дыхательные процессы/а также
при отсутствии кислорода (в условиях аноксии) и при понижен-
ной температуре 0—3°С, замедляющей метаболические цроцессы,
хотя пассивное поступление Ыа+-ионов в клетку по градиенту кон-
центрации при этом мало-изменяется. Добавление 2,4<динитро-
фенола, нарушающего связь между окислением и фосфорилирова-
нием, сравнительно слабо действовало на перенос Na+-nojjOB, т. е.
окислительное фосфорилирование и макроэргические свдаи АТФ
как будто не участвуют непосредственно в данном процессе. По
данным Конвея, перенос №+-ионов примерно на 60% обусловлен
окислительно-восстановительными процессами и примерно на
40% — анаэробными процессами (гликолиза и др.). ОДнако по
данным ряда других авторов (Ходжкин и Кейнес, Крлдуэлл),
опыты с микроинъекцией АТФ в большие аксоны кальмара под-
тверждают участие АТФ в активном переносе ионов.
Еще более определенной стала казаться роль АТФ как энергети-
ческого источника для транспорта ионов после открытия Скоу
(1954), показавшего, что в мембранной фракции нервных клеток
имеется АТФ-аза, активируемая ионами Na+ и К* (Na+-K+-
АТФ-аза). Ряд свойств этой ферментной системы, обнаруженной
впоследствии в большом числе органов и тканей с интенсивным
обменом ионов (почки, эритроциты, мочевой пузырь, солевая
железа птиц, электрический орган угря и т. п.) доказывал ее не-
посредственное участие в переносе ионов; к этим свойствам отно-
сится нахождение Na+ - К+ - АТФ-азы в мембранной фракции
клеток, активация ее одновалентными катионами, угнетение сер-
дечными глюкозидами (оуабаин, строфантины), останавливающими
перенос ионов, возможность регулирования активности путем
изменения соотношений между Na+ и К+ и пр.
Все эти свойства Na+ - К+ - АТФ-азы достаточно определенно
говорили о том, что она не только непосредственно связана с транс-
портом ионов, но и служит составной частью аппарата переноса.
Механизм действия Na+ - К+ - АТФ-азы не расшифрован
полностью, но установлено, что эта ферментная система представ-
ляет собой совокупность нескольких ферментов, действующих
последовательно и приводящих в результате к расщеплению АТФ
и одновременно — переносу Na+ изнутри наружу клетки, а К* -
в обратном направлении. Первым этапом действия Na+ - К* -
АТФ-азы является перенос фосфорильной группы с АТФ на какой-
то белок или липопротеин мембранной фракции; этот киназный
процесс активируется ионами Na+ и происходит на внутренней
стороне мембраны. Далее К+ вытесняет Na+ из центров связыва-
ния и, наконец, следует дефосфорилирование фосфопротеина (или
дипофосфопротеина), активируемое ионами К+.
В такой схеме, доказанной экспериментально для нервной (Ах-
мед, Джуда) и почечной ткани (Чарнок, Пост, Сен и др.), перенос
208
Na+ и К*, сопровождаемый гидролизом АТФ, представляет собой
совокупность киназной, ионообменной и фосфатазной стадий:
АТФ + белок + Na+ Na+ - белок - Р -J- АДФ
Na+ - белок - Р + К+ К* - белок - Р -f- Na+
К+ - белок - Р -> белок + К° + Р
Неясным в схеме остается вопрос о механизме создания строго
направленных токов катионов (Na+— наружу, а К+— внутрь).
Для объяснения этого был выдвинут ряд гипотез, изложенных в
появившихся обзорах, посвященных Na+ - К+ - АТФ-азе.
В целом, благодаря наличию ионных потоков в обоих направ-
лениях между клеткой и средой (табл. 22) и участию активного
переноса простое уравнение (4) является недостаточным и вместо
него следует применить обобщенное уравнение Гольдмана для
неравновесной системы с тонкой мембраной:
р _ RT Г РК* ( gK*)i + PNa+ ( aNa+)f + PC1- ( аС1~)о 1
nFln^ Рк+(ак+)о + PNa+(aNa+)o+ ^Cl-(aCl-)j
где (ах )t и (ах )0— активности соответствующих ионов во внутрен-
ней и внешней жидкостях, a Pr+, ₽Na+ и Pci—коэффициенты про-
ницаемости мембраны для ионов К+, Na+ и СГ. Если мембрана
проницаема только для одного вида ионов (например, только Для
Кононов, тогда Рна+=Рс1-=0), уравнение (6) переходит в урав-
нение (4). Необходимо иметь в виду, однако, что интерпретация
величин Рх как коэффициентов проницаемости является в извест-
ной мере формальной; изменение Рх может быть результатом не
только изменения свойств мембраны, но также например, актив-
ного переноса, образования комплекса между данным ионом и
добавленным веществом и др. По данным Ходжкина и Катца
(1949), зависимость между внешней концентрацией калия и потен-
циалом покоя для аксона Loligo хорошо выражается уравнением (6)
при значениях Рк+: PNa+: Рсг=1 : 0,04 : 0,45; при более высоких
концентрациях калия более точное соответствие (ур. 6) и экс-
периментальных данных получалось при Рк+: PNa+: Рс\~—
= 1 : 0,025 : 0,3. Наличие отличной от нуля проницаемости мем-
браны для ионов натрия приводит, по мнению Глинна (1960) и
Ходжкина (1958), к наличию сопряжения между переносом К+-
\а+-ионов по принципу «ионообменной диффузии» и сохранения
электронейтральности растворов.
Более существенное значение, однако, имеет связь активного
переноса натрия и потенциала покоя с обменом веществ в клетке.
Выше уже приводились данные о необходимости кислорода для
переноса натрия и об ослаблении этого переноса ингибиторами
окислительных процессов, а одновременное подавление анаэроб-
8 Заказ № 531 20Й
ных гликолитических процессов (например, действием иодуксус-
ной кислотой) приводит к полному исчезновению потенциала покоя.
По данным Кейнеса (1949), перенос одного эквивалента №+-ионов
из аксона Sepia во внешнюю среду при имеющихся концентра-
циях Ма+-ионов требует затраты энергии 0,049 кал/ч на 1 г ак-
соплазмы, что составляет лишь около 6—16% (в среднем 10%)
основного обмена аксона, однако эта цифра может создать не сов-
сем правильное представление. Если отнести работу удаления
Na+-HOHOB к свободной энергии непосредственно сопряженных
процессов (окислительно-восстановительным циклам, распаду
АТФ и др.), то окажется, что по отношению к полезно используе-
мой энергии клетки активный перенос натрия составляет более
значительную величину. По данным Уссинга, механизм удаления
натрия в мышечных тканях должен обладать эффективностью от
10 до 40% в зависимости от условий процесса. В покоящемся нерве
лягушки отношение удаленного натрия к поглощенному кислороду
(Na
""О^составляет около 2,2.
НАРУШЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОВ И ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ
Все живые клетки при действии различных раздражителей —
химических медиаторов нервного возбуждения (см. гл. 5), электри-
ческого тока, нагревания, механического воздействия и др. спо-
собны переходить в возбужденное состояние. Опыт показывает, что
возбужденный участок становится электроотрицательным по от-
ношению к покоящемуся, что сразу указывает на наличие перерас-
пределения ионов в возбужденном участке. При возбуждении оно
имеет временный характер и по окончании возбуждения в клетке
обычно вновь восстанавливается первоначальное распределение
ионов (и соответствующий потенциал покоя). Особенно отчетливо
эти явления проявляются на нервном и мышечном волокнах, где
они определяют такие важные процессы, как распространение
нервного импульса или мышечного сокращения по волокну. Од-
нако наблюдаемые процессы имеют достаточно общее значение.
При возбуждении клеток происходит резкое падение их элект-
рического сопротивления. Так, например, по данным Коула и
Кертиса (1938), электрическое сопротивление крупных раститель-
ных клеток Nitella при возбуждении падает от 100 000 до 500 ом/см\
а для гигантского нервного волокна кальмара — от 1000 до
25 ом!см?\ в то же время емкость оболочек клеток, которая яв-
ляется косвенной мерой их толщины и диэлектрических свойств,
уменьшалась для Nitella всего на 15% (в состоянии покоя она равна
примерно 1 мкф/см?), а для волокна кальмара лишь на 2%. В ми-
елиновых нервных волокнах позвоночных, покрытых в значи-
тельной своей части изолирующим миелиновым слоем, эти изме-
нения электрических характеристик, конечно, не столь велики.
810
Наблюдаемые изменения, очевидно, относятся только к клеточным
оболочкам, так как сопротивление протоплазмы нервных волокон
(аксоплазмы) при возбуждении практически изменяется очень
мало.
В старых теориях (Бернштейн, 1912) предполагалось, что при
возбуждении происходит деполяризация мембраны, которая ста-
новится хорошо проницаемой для всех ионов, вследствие чего
происходит выравнивание ионных градиентов и постепенное па-
Рис. 27. Потенциал действия оди-
ночного нервного волокна кальмара
(пояснения в тексте)
Рис. 28. Зависимость мембранно-
го потенциала от внешней концен-
трации Na+ - ионов:
по оси абсцисс — концентрация Na*-ионов
ммоль!л, по оси ординат — потенциал в мв
дение разности потенциалов до нуля. Разность потенциалов при
возбуждении клетки получила название потенциала действия;
таким образом, согласно теории Бернштейна, потенциал действия
не мог быть больше потенциала покоя клетки.
В действительности оказалось, что мембранный потенциал при
возбуждении не просто падает до нуля; он продолжает изменяться
дальше и достигает значительной обратной величины. Так, напри-
мер, на рис. 27, где показано изменение мембранного потенциала
при возбуждении нервного волокна кальмара, видно, что в состо-
янии покоя внутренняя сторона клеточной оболочки имеет отри-
цательный знак, а потенциал покоя равен —45 мв, тогда как при
возбуждении мембранный потенциал становится равным +40 мв,
а внутренняя сторона становится положительной, т. е. не при-
ходит к нулю, а изменяет свой знак. Таким образом, полное значе-
ние потенциала действия составляет 85 мв, что значительно пре-
вышает величину потенциала покоя (45 мв). Аналогичные резуль-
таты были получены для ряда других нервных и мышечных волокон,
что можно видеть из табл. 25, где потенциалы действия всюду значи-
8*
211
тельно превышают потенциалы покоя; разность обеих величин
характеризует величину перезарядки мембранного потенциала,
при которой внутренняя часть мембраны становится положитель-
ной, а наружная— отрицательной. Это изменение знака заряда
нельзя объяснить только изменением в распределении ионов ка-
лия, так как, согласно уравнению (4), увеличение а?+ (внутренней
концентрации К+-ионов) могло бы привести лишь к увеличению
потенциала Е того же знака, а уменьшение aF+ (при обычном
Я1>в2 для Кононов) — к уменьшению Е того же знака; анало-
гичное положение имеет место для СГ-ионов. Но градиент ионов
натрия противоположен градиенту ионов калия (для Ыа+-ионов
обычно ai<a2) и поэтому по уравнению (4) обратный знак мем-
бранного потенциала можно получить в том случае, если мембрана
при возбуждении клетки временно ведет себя в качестве Na+-
электрода. Из уравнения (6) видно, что это возможно, если вели-
чина проницаемости мембраны для Ыа+-ионов Риа+ в момент воз-
буждения станет гораздо больше, чем Рц+и Per; тогда уравнение
(6) перейдет в уравнение
р _ In ( aNa+)i
Е~ nF (°Na+)o
(7)
в котором а£<а0 и, следовательно, Е<0. В результате этого вре-
менного обращения потенциала суммарная амплитуда возбужда-
емого потенциала действия достигает 100—130 мв и значительно
превышает величину потенциала покоя. Эта идея была выдвинута :
Ходжкиным и Катцем (1949) и составляет существо так называемой .
натриевой теории потенциала действия. Для количественного со- <
ответствия наблюдаемым экспериментальным данным необходимо J
было, чтобы соотношение проницаемостей Pt составляло Р^+: ;
PNa+ • Pci- = 1 • 20 : 0,45. Если сравнить его с аналогичным со- j
отношением для потенциала покоя< (стр. 209) Р%+ : Рыа+ • Pci- = •
== 1 : 0,04 : 0,45, то видно, что относительное увеличение Риа+ *
при возбуждении должно составить 20 : 0,04 = 500 раз. При ука- '
занных значениях Р£ величина потенциала покоя для аксона
Loligo, вычисленная по уравнению (6), должна составлять 60 мв, ?
а мембранного потенциала при возбуждении составлять — 38 мв\
суммарная величина потенциала действия должна составлять
98 мв. Из табл. 25 легко видеть, что обе цифры хорошо совпадают
с экспериментальными значениями.
Из уравнения (6) следует, что при малых Риа+ потенциал покоя >
должен лишь незначительно зависеть от внешней концентрации j
Ма+-ионов, тогда как превышение потенциала действия, благодаря J
резкому возрастанию Рха+ должно заметно изменяться при измене- |
нии внешней концентрации Ма+-ионов, приближаясь к поведению 1
натриевого электрода. Оба вывода подтверждаются эксперимен- f
тальными данными, как видно из рис. 28, на котором кривая I |
212 ’ 1
соответствует изменению потенциала покоя, а кривая II — мем-
бранному потенциалу при возбуждении (т. е. разности между
потенциалом действия и потенциалом покоя) при различной
внешней концентрации Ма+-ионов, причем наклон кривой II
как раз составляет 58 мв на 10-кратное изменение концентрации.
Соответственно, в опытах Ходжкина и Кейнеса (1956) было пока-
зано, что и при изменении внутренней концентрации Ыа+-ионов
при помощи микроинъекции в аксон кальмара изменение мембран-
ного потенциала при возбуждении следует указанной зависимости.
Все эти зависимости наблюдаются, однако, лишь при определенном
интервале изменений концентрации.
Увеличение Риа+ должно означать усиление потоков №+-ионов
между клеткой и окружающей средой. Прямые опыты Кейнеса
(1951), проведенные при помощи радиоактивных изотопов Na24 и
К42, действительно показали, что при раздражении нервного
волокна Sepia переменным электрическим током перенос Na+-
ионов внутрь аксона возрос от 61 пикомоля (1 пикомоль = 10"12М)
в 1 сек. через 1 см2 в состоянии покоя до 1100 пикомолей, а перенос
из аксона в окружающую среду — от 33 до 720 дикомолей. Одно-
временное увеличение переноса №+-ионов в обоих направлениях
позволяет исключить предположение об инактивации «натриевого
насоса» при возбуждении, так как в этом случае перенос Na+-
ионов наружу должен был бы уменьшиться, а не возрасти; по-
этому, по-видимому, при возбуждении действительно происходит
повышение проницаемости мембраны для Ма+-ионов. Однако опыты
Кейнеса показали, что одновременно возрастает и интенсивность
обоих потоков К+-ионов, хотя и в меньшей мере (внутрь волокна —
в 3,3 раза, а наружу — в 9,1 раза). Таким образом, проницаемость
мембраны при возбуждении возрастает для обоих ионов — натрия
и калия, но преимущественно для ионов натрия. Этот результат,
конечно, не согласуется с теорией Бернштейна (1912), не учиты-
вавшей возможности дифференцированного изменения проницае-
мости для разных ионов, но он отличается и от натриевой теории
Ходжкина и Катца (1949), относящей все изменение проницаемости
только к Рыа+; истинные изменения имеют промежуточный ха-
рактер.
В окончательном балансе наблюдается избыточный приток
ионов натрия внутрь и утечка ионов калия наружу. Определение
суммарных потоков ионов через одиночное нервное волокно после
большого количества импульсов позволило пересчитать величину
ионных потоков на 1 импульс. Замечательно, при что этом было
получено хорошее количественное соответствие между количеством
поступающих ионов натрия и уходящих ионов калия (табл. 27),
указывающее на полную компенсацию поступающих и уходящих
зарядов. Доказательство этого баланса для столь малых переносов
ионов является хорошим примером тонкости и точности современ-
ных биофизических методов исследования.
213
Следует отметить, что измеренные интенсивности ионных пото-
ков оказались в довольно близком соответствии с электрическими
характеристиками нервных волокон. В аксоне кальмара измене-
ние мембранного потенциала составляет от 60 мв до —40 мв, т. е.
всего 100 мв, а измеренная емкость мембраны около 1,5 мкф/см2*,
отсюда следует, что общая величина прошедшего количества
электричества должна составлять 150-10“12 кулонов/сл2, что соот-
ветствует переходу 1,6-10“12 М. Если учесть, что приток Ыа+-ионов
продолжается и во время падения потенциала действия, то можно
считать, что этот результат находится в хорошем согласии с дан-
ными табл. 27.
Таблица 27
Суммарный ионный обмен в нервных волокнах
при возбуждении (в 10~12 моль/см1 на 1 импульс)
(по Флойду)
Объект Приток Na+- ионов Утечка К+-ИОНОВ
Аксон Carcinus 2,5
Аксон Sepia 3,7 4,3
Аксон Sepia 3,8 3,6
Аксон Loligo forbesi 3,5 3,0
Аксон Loligo peali 4,5 —
Однако если бы дело ограничивалось простой взаимной компен-
сацией переносимых зарядов, то изменения величины и даже знака
мембранного потенциала не могло бы происходить. Поэтому
чрезвычайно существенно, что хотя потоки ионов натрия и калия
суммарно балансируют друг друга, во времени они не совпадают
между собой, т. е. кинетика обоих процессов различна. Ионный
поток вначале направлен внутрь клетки засчет преимущественного
переноса ионов натрия, тогда как компенсирующий поток ионов
калия наружу несколько запаздывает. Именно это обстоятельство
приводит к тому, что наружная поверхность клеточной мембраны
на короткое время обедняется положительными ионами и приоб-
ретает избыточный отрицательный заряд по отношению к невоз-
бужденной части мембраны (рис. 29); напротив, внутренняя часть
клетки получает в это время избыточный положительный заряд.
Эти явления и объясняют перезарядку мембранного потенциала.
Период преимущественного переноса Ма+-ионов внутрь клетки и
одновременно нарастания потенциала действия очень невелик и
составляет всего 0,001—0,002 сек. Затем следует более длительный
процесс компенсирующего переноса Кононов, который приводит
214
Рис. 29. Схема возникновения потенциала действия
мв
Рис. 30. Анализ мембранного тока аксона Loligo при-
прохождении одной волны потенциала действия (по-
яснения в тексте)
215
не только к падению потенциала действия, но и к длительному
небольшому «следовому» потенциалу. На рис. 30 приведены кри-
вые изменений мембранного тока аксона Loligo при прохождении
одной волны потенциала действия. На рис. 30, Б даны кривые
ионных токов, перенесенных ионами натрия и калия; как видно,
кривая для №+-ионов имеет максимум, смещенный относительно
кривой для К+-ионов в сторону более начальных промежутков
времени. Результирующая кривая суммарного ионного переноса
изображена на рис. 30, Б пунктирной линией; ей соответствует
кривая изменения потенциала действия V на кривой А, рис. 30,
Рис. 31. Кривые изменения проводимости и потенциала действия (пояс-
нения в тексте)
которая проходит через максимум примерно через 0,001 сек, затем
падает до нуля и переходит в область небольшого «следового» по-
тенциала. Теоретический анализ, произведенный Ходжкиным и
Хаксли (1952), проводимости gNa и g^ (рис. 31), обусловленной
ионами натрия и калия, суммарной проводимости мембраны g
и изменения потенциала действия (при известной емкости мембра-
ны) привел к кривой v на рис. 31, хорошо совпадающей с экспери-
ментальной кривой Л, рис. 30.
Это неравномерное изменение потоков ионов натрия и калия
приводит не только к перезарядке мембранного потенциала и
превышению суммарной амплитуды потенциала действия над
потенциалом покоя; оно лежит также в основе распространения
возбуждения по нервному или мышечному волокну и является, та-
ким образом, одним из центральных вопросов теории биоэлек-
трических потенциалов.
Как уже указывалось, именно преимущественный перенос Na+-
ионов внутрь клетки в первый период возбуждения приводит к от-
рицательному заряду возбужденного наружного участка мембраны
216
относительно невозбужденного участка (см. рис. 29). Однако это
обстоятельство, естественно, приводит к появлению местного тока
(который называется током действия), направленного вдоль по-
верхности волокна от невозбужденного участка к возбужденному
(теория локальных токов); внутри клетки ток течет в обратном
направлении (рис. 32). Благодаря току действия между невозбуж-
денным участком и возбужденным начинается снижение мембран-
ного потенциала на невозбужденном участке мембраны.
Необходимо учитывать, что при толщине мембраны около 100А
каждое изменение мембранного потенциала на 10 мв соответствует
изменению напряженности электрического поля на 10000 в/см',
поэтому значение этого фактора нельзя недооценивать. Такое
изменение внутреннего
электрического поля
приводит к заметному
нарушению поляриза-
ции мембраны и, по-ви-
димому, к нарушению
упорядоченности ее
строения.
При понижении мем-
бранного потенциала
всего на несколько
милливольт (подпоро-
говая реакция) избыточ-
ного потока Ма+-ионов
еще не наблюдается, но
А
после некоторого крити-
ческого понижения мем-
бранной разности по-
тенциалов (обычно на 10
Рис. 32. Схема распространения тока
действия. А — В — различные стадии
распространения нервного возбуждения
30 мв) поток Ма+-ионов внутрь клетки начинает быстро возрастать;
это, в свою очередь, приводит к более быстрому понижению мем-
бранного потенциала и увеличению проницаемости мембраны для
Ма+-ионов и весь процесс идет с самоускорением, достигая в тече-
ние 1—2 мсек предельного значения потенциала действия, близ-
кого к равновесному- значению для ионов натрия, после чего он
начинает компенсироваться запаздывающим переносом ионов калия
наружу. Именно благодаря этому резкому нарастанию скорости
ионных потоков в узком интервале значений мембранного потен-
циала происходит реакция нервной или мышечной клетки по
принципу «все или ничего».
Под влиянием тока действия волна возбуждения быстро рас-
пространяется вдоль волокна приблизительно с постоянной ско-
ростью, достигающей в некоторых случаях 100 м/сек (см. гл. 5)
и без затухания (бездекрементное проведение), потому что в каждом
участке мембраны она поддерживается независимыми ионными
217
потоками, перпендикулярными к направлению распространения
возбуждения (см. рис. 29). Отсюда ясен физиологический смысл
неодновременного изменения ионных потоков для Na+- и Кононов,
так как именно это обстоятельство лежит в основе физиологически
важнейшей функции распространения возбуждения.
Существенно отметить, что возбуждение клетки может быть
вызвано не только прямым действием электрического импульса. Де-
поляризация или изменение проницаемости мембраны может быть
достигнуто также рядом других воздействий: тепловой денатура-
цией участка мембраны, его механическим раздавливанием, дей-
ствием некоторых химических веществ и др. Во всех случаях изме-
нение ионного распределения в одном участке клеточной оболочки
приведет к возникновению местного тока действия, при помощи
которого затем возбуждение распространится по всему волокну.
Из перечисленных факторов особое значение имеет действие
некоторых химических веществ в организме — так называемых хи-
мических медиаторов нервного возбуждения: ацетилхолина, норад-
реналина и др. Их действие, по-видимому, основано на изменении
поверхностных свойств и проницаемости двухмерных клеточных
мембран на нервных синапсах, для чего достаточно ничтожных ко-
личеств этих химических веществ. Тот факт, что одна молекула
ацетилхолина может влиять на распределение 500—1000 ионов
натрия или калия (см. гл. 5), ясно показывает высокую эффектив-
ность мембранного механизма регулирования внутриклеточных
процессов, вряд ли достижимую другим путем, и уподобляющую
мембраны наиболее чувствительным электромеханическим реле
в современных автоматических устройствах.
Согласно общей ионной теории возбуждения Лазарева, выдви-
нутой им еще в 1916 г., все внешние воздействия вызывают воз-
буждение клеток лишь путем ионного сдвига, вызываемого ими
в клетках, а окончания органов чувств и центры восприятия (ко-
торые все содержат мембранные структуры) являются лишь при-
борами для превращения различных видов энергии в измененное
распределение ионов.
Хотя ионы натрия и калия имеют основное значение в динамике
биоэлектрических потенциалов, многие другие ионы также могут
оказывать на них влияние. В нервном волокне и мышцах лягушки
введенные ионы лития ведут себя при возбуждении почти иден-
тично ионам натрия; напротив, ионы рубидия и цезия прибли-
жаются по своему поведению (в аксоне Sepia) к ионам калия.
Заметное влияние оказывают ионы кальция, возможно потому, что
их связывание на мембране изменяет проницаемость мембраны для
других ионов; по-видимому, изменение ионной проницаемости
мембраны может быть также вызвано ионами тетраэтил аммония.
Некоторые данные указывают на возможность изменения прони-
цаемости мембраны при возбуждении ионами стронция и бария,
но эти ионы не имеют физиологического значения. Поток ионов
218
хлора в мышце лягушки близок по своей величине к потоку ионов
калия, но они, по-видимому, не играют самостоятельной роли в
процессе возбуждения. Из схемы, приведенной на стр. 207, видно,
что окислительно-восстановительные циклы могут влиять также
на распределение Н+- и ОН"-ионов.
Важный вопрос о причинах различной кинетики переноса ионов
натрия и калия остается еще невыясненным, но возможно, что он
связан с различиями в электронной структуре этих ионов, так как
наличие в Купонах, свободных активных Зд!-орбит, отсутству-
ющих в №+-ионах, может способствовать замедлению проникно-
вения Кононов через мембраны. Поток ионов натрия внутрь
волокна при возбуждении может быть задержан, если к мембране •
приложено компенсирующее напряжение V, так, например, при
нормальной концентрации ионов натрия эта задержка достига-
лась при v = 105 мв, а при концентрации, уменьшенной в 10 раз,—
при v = 56 мв. Это обстоятельство, вытекающее также из уравнения
(5), указывает на зависимость ионных потоков от потенциала на
мембране и объясняет влияние других ионов (см. выше) на процесс
возбуждения.
Изменение распределения ионов в момент возбуждения основа-
но на использовании ионных градиентов или разностей химических
потенциалов ионов по обе стороны мембраны, созданных в клетке
за счет свободной энергии метаболических процессов на стадии
покоя; стимуляция и распространение тока действия происходят
за очень короткое время (порядка 1—2 мсек) и играют лишь роль
спускного механизма по отношению к накопленной разности хи-
мических потенциалов ионов. Вслед за прохождением импульса
начинается восстановление возбужденной клетки с расходом энер-
гии обмена веществ; эти биохимические процессы для мышечной
и нервной клеток подробно рассмотрены в главе 5.
В электрохимическом отношении после взаимной компенсации
притока ионов натрия внутрь и утечки ионов калия наружу депо-
ляризующее напряжение на мембране снимается и проницаемость
мембраны возвращается к исходным значениям, возможно, вслед-
ствие упругих свойств мембраны. Распределение ионов калия и
хлора приходит в приближенное соответствие с доннановским
эффектом, и за счет энергии метаболических процессов ионы натрия
вновь активно удаляются во внешнюю среду (было показано, что
по окончании цикла возбуждения концентрация креатинфосфата
в клетке падает). Таким образом, восстанавливается прежнее
неравномерное распределение ионов, в котором непосредственно
запасается свободная энергия клетки для совершения электриче-
ской работы. Любое нарушение этого распределения ионов приве-
дет к возникновению разности потенциалов, отличающихся от
потенциала покоя.
В частности, было показано, что механическое растяжение
сердечной и скелетной мышцы лягушки изменяет их потенциал
219
покоя, а также найдена разность потенциалов между денатуриро-
ванным и нативным участками нити миозина, между сокращенным
в растворе АТФ и несокращенными участками нити актомиозина,
между растянутым и нерастянутым участками нити миозина или
полоски желатины (Мужеев, 1956). Во всех случаях менее упоря-
доченная структура была электроотрицательной по отношению
к более упорядоченной структуре (с разностью потенциалов до
350 мкв), независимо от того, каким путем достигалось нарушение
упорядоченности структуры. Аналогичная закономерность ранее
была установлена для ряда белковых волокон и найлона в виде
смещения их изоэлектрической точки при деформации. Смещение
в кислую сторону означает повышение положительного заряда,
а смещение в щелочную сторону— уменьшение положительного
заряда или увеличение отрицательного заряда. Гаррис и Сукн
нашли, что при переходе от неориентированного найлона к ори-
ентированному его изоточка смещается с pH 3,9 до pH 2,8; по
Михайлову, сваривание коллагена, т. е. переход его к неупорядо-
ченной структуре, сопровождается смещением изоточки с pH
6,3 до pH 8,0. Пасынский и Блохина нашли, что изоточка растя-
нутой шерсти лежит при pH 5,29, обычной шерсти при 5,5, а со-
кращенной — при pH 5,8. Таким образом, при растяжении поли-
пептидных цепей всегда происходит смещение изоточки в кислую
сторону, а при свертывании цепей в щелочную сторону, в соответ-
ствии с приведенными выше данными для миозина и мышц.
Это смещение изоточки объясняется, по-видимому, неравно-
мерным изменением взаимодействия ионогенных групп при дефор-
мации молекулярных цепей. Растяжение цепей должно сопровож-
даться, в среднем, увеличением расстояния между ионогенными
группами СОО" и NH3+ и окружающими их полярными (например,
гидроксильными) группами, а свертывание цепей — некоторым
сближением этих групп.
Так как энергии взаимодействия групп СОО“ и NH3+ с другими
полярными группами различны, то деформация молекулярных
цепей будет неодинаковым образом сказываться на константах
диссоциации различных ионогенных групп. Например, известно,-
что энергии водородных связей с атомами кислорода больше, чем
с атомами азота (по данным Клотца, энергии для связей ОН...
"ООС и OH...NH3+составляют, соответственно, 6 и 2,5 ккал/моль),
вследствие чего растяжение молекулярных цепей должно в боль-
шей мере «освобождать» карбоксильные группы, т. е. относительно
усиливать их константы диссоциации, по сравнению с амино-
группами, что и приводит к сдвигу изоточки в кислую сторону.
При свертывании молекулярных цепей известное сближение
ионогенных и полярных групп должно, наоборот, в большей мере
«инактивировать» карбоксильные группы, что приводит к сдвигу
изоточки в щелочную сторону или к более отрицательному заряду
поверхности. Таким образом, структурные изменения белковых
220
веществ и тканей тесно связаны с изменениями электрохимиче-
ского равновесия.
Легко видеть, что хотя в этом случае изменения потенциалов
происходят при отсутствии мембран, их не следует противопостав-
лять между собою. В обоих случаях по разным причинам происхо-
дит пространственное перераспределение ионов, которое и лежит
в основе возникновения измененного потенциала, соответствую-
щего для биологических тканей потенциалу действия.
По Крейну, асимметричное распределение зарядов, приводящее
к возникновению разности потенциалов, может, помимо рассмот-
ренных случаев, наблюдаться в организме также на границе раз-
дела фаз (фазовые и электрокинетические потенциалы) и в окисли-
тельно-восстановительных системах. Потенциалы на границе раз-
дела фаз, по-видимому, имеют подчиненное значение.
Электрокинетические потенциалы имеют значение для устой-
чивости суспензии бактериальных клеток и эритроцитов; обычно
поверхность этих частиц несет отрицательный заряд, в значитель-
ной мере обусловленный ионогенными группами фосфолипидов,
входящих в состав клеточных оболочек. Границы раздела между
водной средой и строго неполярными фазами обладают высокими
значениями свободной энергии и в чистом виде являются нестаби-
льными; как известно из коллоидной химии, на таких границах
раздела всегда происходит адсорбция ионов или молекул с обра-
зованием переходного слоя, сглаживающего различие полярно-
стей. Клеточные оболочки и мембраны внутриклеточных структур
не являются чистыми фазовыми границами раздела; они всегда
имеют смешанный липопротеидный состав (см. гл. 5) с одновре-
менным участием многих полярных и неполярных групп, а в состав
липидного компонента также входят фосфолипиды и другие ионо-
генные вещества. Поэтому, в конечном счете, для возникновения
биоэлектрических потенциалов основное значение имеют потен-
циалы, обусловленные неравномерным распределением ионов.
Как уже указывалось, биоэлектрические потенциалы действия
обеспечивают важнейшую физиологическую функцию распростра-
нения и передачи возбуждения. Благодаря непосредственной свя-
зи биопотенциалов с метаболическими процессами и физиологи-
ческим состоянием клеток они являются чувствительным и точно
измеримым показателем физиологических изменений в клетках при
различных процессах возбуждения, непрерывно сопровождающих
все явления жизнедеятельности. Изучение биотоков сердца в
электрокардиографии и биотоков мозга в электроэнцефалографии
имеет, как известно, чрезвычайно большое значение в физиологии
и медицине. Наконец, для некоторых видов организмов (элект-
рических рыб и др.), способных путем последовательного соеди-
нения большого количества специализированных клеток создавать
разности потенциалов до 450 в, биоэлектрические потенциалы яв-
ляются основным средством нападения и защиты.
221
ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ
И БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ
ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ
Наряду с переносом и распределением ионов без изменения
их зарядов, в биохимических процессах огромную роль играет
перенос электронов между различными молекулами или ионами с
изменением их заряда, лежащий в основе окислительно-восстано-
вительных превращений и возникновения окислительно-восстано-
вительных потенциалов. Во многих случаях окисление соединения
заключается в прибавлении к нему кислорода (например, при
окислении альдегида 2RCHO+O2 «*2RCOOH) или в отнятии от
него водорода (например, при окислении спирта СН 3СН2ОН —
—2Н ч^СН3СНО); напротив, восстановление соединения заключает-
ся в присоединении к нему водорода или в отнятии от него кис-
лорода. Однако легко видеть, что во всех случаях окисления сое-
динения происходит потеря им электрона, а во всех случаях вос-
становления — приобретение электрона. Например, окисление
Fe2+ до Fe3+, которое имеет место, в частности, в железосодержа-
щих ферментах цитохроме и цитохромоксидазе, может быть про-
ведено путем:
а) потери электрона (например в пиридине);
Fe2+ Fe3+ + э, (8)
б) присоединения кислорода (в водной среде):
2Fe2+ + О2 + Н2О 2Fe3+ + 2ОН~, (9)
где }
2ОН- = О2 + Н2О + 2э (10)
и в) отщепления водорода (также при участии молекулы воды);
Fe2+ + Н2О -► Fe3+ + ОН- + Н2, (11)
где ОН" + на -* Н2О + э. (12)
Подставляя уравнение (12) в (11) и уравнение (10) в (9), получим
во всех случаях основное уравнение (8). Таким образом, окисли-
телем в общем виде является соединение, способное, подобно
кислороду, присоединять электроны (быть акцептором электронов),
а восстановителем — соединение, способное, подобно водороду,
отдавать электроны (быть донором электронов). Чем выше акцеп-
торные или донорные свойства соединения, тем соответственно
сильнее его окислительная или восстановительная способность.
222
Поскольку отдача и присоединение электронов всегда происходят
одновременно, процессы межмолекулярной передачи электронов
называются окислительно-восстановительными реакциями.
Любая окислительно-восстановительная система, или редокс-
система, характеризуется определенным соотношением актив-
ностей окисленной и восстановленной формы (окисл- или
\bocct. red)
При высоких отношениях система стремится функциониро-
\red)
вать преимущественно как окислитель или акцептор электронов,
а при низких I ) — преимущественно как восстановитель,
\red)
или донор электронов. При погружении электрода из химически
инертного вещества (платины, золота и др.), на котором, следова-
тельно, могут происходить только переходы электронов в эти
растворы, он приобретает, соответственно, положительный (при
отдаче электронов) или отрицательный (при поглощении элект-
ронов) потенциал, называемый окислительно-восстановительным
потенциалом, или редокс-потенциалом.
Величину редокс-потенциала системы можно определить потен-
циометрическим методом, измеряя электродвижущую силу цепи, со-
ставленной из данного электрода и подходящего электрода сравне-
ния (водородного или каломельного). Измеренный в данной систе-
ме редокс-потенциал Е (в вольтах) связан с отношением ( —J
\redj
уравнением:
£ = £»_| nF 1п(тйг) • (13>
где п — число переходящих электронов, a F — число Фарадея
(96 500 кулонов или 23 063 кал!моль). При 30°С и п=2 уравнение
(13) имеет вид (при переходе к десятичным логарифмам);
E = E0+O,03 1og (И)
Из уравнения (13) и (14) видно, что при равном содержании
окисленной и восстановленной форм данного соединения в раст-
воре, т. е. при = 1, Е = Ео. Величина Ео называется стан-
\redj
дартным цкислительно-восстановительным потенциалом. Она
количественно характеризует способность редокс-системы функ-
ционировать в качестве окислителя или восстановителя, так как
система с более высоким (положительным) Ео может быть окисли-
телем по отношению к системе с более низким Ео. Например,
если для системы МЕ0 = 0,35, а для системы NE0 — 0,175 в, то
в состоянии равновесия, т. е. при равенстве измеряемых потенциа-
лов Е, получим по уравнению (13):
223
f> ТЙ1 I RT n 17g. RT In (Nox)
°,360+ np 1п(Л1ле</) -0,175+ nF In {Nred}
ИЛИ
Д£о = 0,350 - 0,175 = 0,175 = In
(JV л у • \ «...
—vi----vf---- =л, т. e. константе равновесия.
Мох'1* red /
(15)
Следовательно:
ДЕ0 = ^-1пК. (16)
С другой стороны, изменение термодинамического потенциала при
реакции
4Z = —ЯТ1пК. (17)
Из уравнения (16) и (17) следует, что
Д2 = —п£Д£0. (18)
В главе 1 указывалось на возможность определения AZ по
уравнению (17) и при помощи соответствующих термодинамических
таблиц; уравнение (18) дает третий практически удобный способ
вычисления AZ на основании измерений величины Ей соответствую-
щих окислительно-восстановительных систем. В свою очередь,
изменения термодинамического потенциала AZ могут быть по урав-
нению (18) удобно выражены в изменениях редокс-потенциала
А£о, что будет использовано в дальнейшем. При независимом из-
мерении оба метода определения AZ дают обычно хорошо совпа-
дающие значения; например, для реакции обратимого окисления
янтарной кислоты до фумаровой кислоты (гл. 1), катализируемой
ферментом сукциндегидрогеназой Д£о = 0,437 в, что по уравнению
(18) при п = 2 и F = 23 063 кал!моль соответствует AZ = —20 157
кал!моль, тогда как расчет AZ по таблицам дает AZ = —20 460
кал!моль.
При ДЕо>0, как в приведенном выше примере, где А£о =
=0,175 в, AZ<0 по уравнению (18), что характеризует возможность
/ ох \ / ох \
самопроизвольного течения процесса I j —1 в сторону
повышения последнего отношения, т. е. в сторону окисления сис-
темы N с более низким значением £0.
Помимо потенциометрического метода измерения величин Е
и Ео, часто используют колориметрический метод, наблюдая из-
менение окраски специальных редокс-индикаторов в испытуемом
растворе. Обычно в восстановленном состоянии эти индикаторы
бесцветны, а в окисленном обладают определенной окраской, при-
чем для каждого индикатора зона перехода связана с характерной
для него величиной Ео (табл. 28). Этот метод часто применяется
224
Таблица 28
Стандартные потенциалы Ео (ПРИ pH 7,0) некоторых
редокс-индикаторов, в
Название индикатора
2,6-дих лорфен ол индофенол ..............
Толуиленовый синий........................
Тионин....................................
Крезиловый синий .................... . . .
Метиленовый синий.........................
Индигокармин .............................
Нильский синий............................
Крезиловый фиолетовый.....................
Янусгрюн.........*........................
(при pH
7,0) в
+0,217
+0,115
+0,062
+0,032
+0,011
—0,125
—0,142
—0,173
—0,258
для измерений редокс-потенциала в живых клетках, для чего при-
меняют так называемые витальные редокс-индикаторы, не нару-
шающие нормальной жизнедеятельности клетки, и определяют
индикатор с наиболее близкой зоной перехода.
Из уравнений (9) и (11) видно, что окислительно-восстанови-
тельная реакция перехода электрона происходит с одновременным
смещением кислотно-щелочного равновесия (в связи с образовани-
ем ОН“-ионов). Это справедливо для большинства биохимических
окислительно-восстановительных реакций, которые обычно про-
исходят с переносом 2Н-атомов, или двух электронов и двух Н+-
ионов, поскольку атом водорода диссоциирует на протон и элект-
рон:
+ н2 = н++э. (19)
Для наличия окислительно-восстановительной реакции основ-
ное значение имеет межмолекулярный переход электронов, тогда
как равновесие по отношению к Н+-ионам зависит от pH среды и
поэтому одновременный переход Н+-ионов в том же направле-
нии (т. е. осуществление реакции в форме переноса Н-атомов)
не является обязательным. Например, существо процесса окисле-
ния гидрохинона (I) до хинона (II) заключается в потере двух
электронов
(20)
225
При щелочных pH (pH 9—10) гидрохинон будет находиться в
форме (1а), при кислых pH — в форме (I), при нейтральных pH — в
промежуточном состоянии диссоциации; независимо от этого, реак-
ция окисления его до хинона (II) будет заключаться в потере двух
электронов. Реакция является обратимой и при своем восстановле-
нии хинон приобретает два электрона (например, от двух Ре2+-ионов)
и в кислом растворе соединяется с двумя Н+-ионами из среды, вновь
образуя гидрохинон (I). Аналогичные реакции будут неоднократ-
но встречаться ниже при изучении биологического окисления.
Для окислительно-восстановительных реакций с участием
Н+-ионов вместо уравнения (13) справедливо уравнение:
Е=Е„ + In I" (Н+). (21)
Из уравнения (21) видно, что Е = Ео при [_££] = 1 и (Н+)=
\redj
= 1, т. е. при pH = 0. Обычно, однако, биохимические систе-
мы характеризуют величиной Е^, в которую включают член за-
висимости от pH:
£о = £° + -Т~ 1п[н+1- (22>
Таким образом, уравнение (13) принимает вид
» . ВТ . ! ох \
+ (23)
При сравнении различных окислительно-восстановительных
систем при равных pH сопоставление значений Af'o имеет тот же
смысл, что и сопоставление Д£о. Обычно сравнение биохимических
систем проводят при pH 7,0 и 30°С; при этих условиях потенциал
водородного электрода, по отношению к которому проводят изме-
рение £, отличается от потенциала водородного электрода при
pH =й 0 на 7 X 0,060 = 0,420 в, т. е. равен —0,420 в. По отношению
к этому значению потенциал кислородного электрода равен
+0,810 в. Между этими пределами, составляющими всего 1,23 в,
заключены редокс-потенциалы всех биохимических окислитель-
но-восстановительных систем, лежащих в основе процессов жизне-
деятельности (табл. 29 и рис. 33)
1 В табл. 29 для ряда систем указаны лишь исходные вещества и число
электронов, переходящих при окислительно-восстановительном процессе.
Таким образом, ДЕ0 рибофлавина ( ±2э) сокращенно обозначает ДЕ0 ре-
докс-системы, в которой J представляет собой отношение окисленной и
восстановленной форм рибофлавина, отличающихся на 2э и содержащихся
226
Перенапряжение кислорода
-----------1атм
7*0,7-.
>* —' — _
г+Оф — адреналин
: — пирокатехин
: +^:—цитохром а
-. — цитохром с
’-+0,2^
аскорбиновая кислота
сукцинат фумарат-------- 0 -
: : —---цитохром Ь
: : — фОСфОрибОфЛОйин -,
-Г...........'...
гермидин ,
----- иижлигьлл* Л)
____-белок
-флабинадениндиниклеотид
у - белок
малат оксалоацетат
лактат пирубагп^i
спирт ^уксусный альдегид- "
р - оксибутират :
^ацетоацетат- L
: рибофлавин
~-0ф-
(рерредоксин
ксантин мочевая кислота
гипоксантин
ксантин
Перенапряжение бодорода
1 ат м
Рис. 33. Окислительно-восстановительные потен-
циалы Ео некоторых биохимических систем
Общий скачок между водородным и кислородным электродами
соответствует изменению термодинамического потенциала (сво-
бодной энергии) при основной реакции окисления водорода до во-
ды (переноса 2Н+ и 2 э или 2Н-атомов на атом кислорода). Благо-
даря наличию ряда биохимических окислительно-восстановитель-
ных систем, приведенных в табл. 29, создается возможность
осуществления этого скачка через ряд промежуточных этапов,
лежащих в основе процессов биологического окисления.
Сопоставление значений ДЕ'О из табл. 29 для различных ре-
докс-систем в равновесии при равных концентрациях позволяет
в системе при таких активных концентрациях (активностях), что отношение
= * или сами активности каждой формы равны единице. В этом же
смысле употребляются значения ДЕ0 других упоминаемых веществ.
227
Таблица 29
Значения редокс-потенциалов АЕо (при pH 7,0 и 30°С)
некоторых биохимических систем
Название системы , в
Водородный электрод (Н2ч±2Н++2 э) .....
Ферредоксин (± 2э) — pH = 7,0.............
Никотинамидадениндинуклеотиды — НАД и
НАДФ(±2э)...............................
Пероксидаза (из хрена) (pH 7,3)...........
Рибофлавин (+ 2 э)........................
Лактат — пируват (±2 5)...................
Гемин (± э) ..............................
Цитохром в (± э)..........................
Флавиннуклеотид (в желтом ферменте) (±2 э) .
Пиоцианин (±2 э)..........................
Сукцинат-фумарат ( + 2 э) ................
Метиленовый синий (± 2 э).................
Миоглобин-метмиоглобин (± э)..............
Глутатион (±2 э) .........................
Коэнзим Q (убихинон) (± э)................
Аскорбиновая кислота (pH 4,6) (±2 э) . . . .
Гемоглобин-метгемоглобин (± э)............
Цитохром с (± э)..........................
Цитохром а (± э)..........................
Адреналин.................................
Цитохромоксидаза .........................
Кислородный электрод I О2 + 2Н+ + 2 Зч±Н2О
—0.420
—0,41
—0,282
—0,271
—0,208
—0,186
—0,114
—0,040
—0,060
—0,034
—0,020
+0,011
+0,046
+0,060
+0,122
+0,139
+0,152
+0,260
+0,290
+0,380
+0,550
+0,810
рассчитатьио уравнению (23) равновесные концентрации компонен-
тов смеси. Например, при смешении систем сукцинат-фумарат
(E'q == —0,020 в) и метиленовым синим (мс) с его бесцветной восста-
новленной формой мсН2 (Е'о = +0,011 в) из уравнения (23) сле-
дует, что при равновесии
RT , (фумарат) RT , [ мс \
2F log (сукцинат) ~ 2F 1оЦ мсН2)- °’031’
откуда отношение концентраций в изолированной равновесной
смеси должно составлять | Фумарат j_/мсНи __ Следует от-
\сукцинат/ \ мс /
метить, однако, что такие сопоставления можно делать лишь
для обратимых систем, в которых одно и то же значение Е может
быть получено для данного отношения |^-| при приближении
к нему с обеих сторон, т. е. как путем окисления избытка восста-
новленной формы, так и путем восстановления избытка окислен-
ной формы. Установление равновесия иногда может происходить
228
чрезвычайно медленно (например, для системы цистеин-цистин)
и требует участия катализаторов или других редокс-систем,
влияющих на кинетику процесса. В живой клетке возможность
установления равновесия в значительной мере зависит от роли
биологических структур, степени насыщения кислородом и др.;
поэтому в различных участках клетки могут существовать различ-
ные окислительно-восстановительные условия. Наконец, следует
учитывать, что в клетке в целом вместо термодинамического рав-
новесия (которое, однако, не исключается для ряда частных ре-
акций) существует стационарное состояние (см. гл. 1 и 2), ус-
ловия которого могут значитель-
но отклоняться от равновесия за
счет свободной энергии сопря-
женных химических реакций.
Как указывалось, в большин-
стве биохимических окислитель-
но-восстановительных реакций
происходит переход двух электро-
нов (в табл. 29 отмечено ±2э).
Однако Михаэлис (1938) показал,
что этот переход обычно осущест-
вляется в виде двух последовате-
льных одноэлектронных перехо-
дов. Например, в приведенном
примере с окислением гидрохи-
нона (ур. 20) между I (или 1а) и
II существует промежуточная ста-
дия полухинона (или семихинона)
региба , кривой указывают на
наличие двух одноэлектронных
переходов):
по оси абсцисс — количество хинона
в си8, по оси ординат — изменение
редокс- потенциала в мв
Важно отметить, что проме-
жуточный полухинон свободный
радикал (отмечено в формуле точкой); в случае окисления гидро-
хинона эта стадия соответствует образованию хингидрона. Нали-
чие последовательных одноэлектронных переходов может быть
показано при помощи метода потенциометрического титрования
(рис. 34); кроме того, полухиноны в качестве свободных ради-
калов, обладают неспаренным электроном и вследствие этого
парамагнитными свойствами (гл. 6); наконец, они характеризуются
сильным поглощением света, вследствие чего они часто являются
интенсивно окрашенными соединениями. Наличие полухинонов
229
было установлено при реакциях окисления и восстановления рибо-
флавина (витамина В2), пиоцианина, тетрафенилпарафениленди-
амина и ряда красителей; в ряде других случаев они являются мало-
стабильными промежуточными соединениями с короткой продол-
жительностью жизни. Наличие промежуточных одноэлектронных
переходов имеет большое значение в реакциях биологического
окисления. Это обстоятельство является одной из основных причин
наличия локальных свободных радикалов в метаболизирующих
тканях, где они могут быть установлены методом электронного па-
рамагнитного резонанса (Коммонер); как указывалось на стр. 164,
это не означает наличия в них цепных свободно-радикальных реак-
ций.
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ И ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
Биологическое окисление—основной источник энергии во всех
живых организмах; нарушение процессов биологического окисле-
ния обычно приводит организмы к быстрой гибели. Окислительные
превращения охватывают все виды питательных веществ — угле-
воды, аминокислоты, • жирные кислоты; при этом одновременно с -
выделением энергии образуется большое количество промежуточ-
ных веществ, входящих в различные реакции биосинтеза. Про-
цессы биологического окисления имеют многоступенчатый харак-
тер, что способствует эффективному использованию выделяемой
энергии; замечательно, что эти процессы происходят с достаточной
быстротой при сравнительно низких температурах организма.
Это объясняется участием ряда ферментов (так называемых окис-
лительных, или дыхательных ферментов) в осуществлении сложной
цепи реакций биологического окисления. В настоящее время
удалось с достаточной полнотой выяснить природу многих окис-
лительно-восстановительных систем и ферментов, принимающих
участие в процессах биологического окисления, хотя механизм
их действия остается еще далеко не выясненным.
В главе 3 уже были описаны некоторые ферменты окислитель-
но-восстановительного действия и указано, что в типичном про-
цессе биологического окисления происходит перенос водорода
(а на стадии цитохромов — перенос электронов) по цепочке, на-
чинающейся от молекулы субстрата через пиридиновые дегидроге-
назы (рис. 35), с переходом кодегидразы I или II (стр. 127—128)
из Ко в КоН2, затем через флавиновые ферменты с соответствую-
щим переходом флавиновых коферментов (стр. 129—130) в восстанов-
ленное состояние и, наконец, через цитохромную систему (стр.
130) на кислород с образованием молекулы воды. Теперь необ-
ходимо эту общую схему детализировать и сопоставить ее с рас-
смотренными выше данными о термодинамических окислительно-
восстановительных потенциалах с тем, чтобы выяснить внутрен-
230
ний механизм наблюдаемой последовательности процессов био-
логического окисления.
Если по табл. 29 сопоставить значения Ео начальных звеньев
цепи биологического окисления: водородного электрода, пири-
диннуклеотидов и флавиннуклеотидов, то последовательность Ео
составит:—0,420 в,—0,282 в и — 0,060 в, с переходами, соответст-
венно в 0,14 и 0,22 в. В реальных биохимических процессах вместо
молекулярного водорода обычно принимают участие различные
субстраты, которые характеризуются различными значениями
нормальных редокс-потенциалов Ео- Реакции дегидрирования этих
субстратов катализируются различными ферментами — пиридино-
Рис. 35. Схема основного процесса биологического окисления
еыми дегидрогеназами, обладающими одинаковыми коферментами
НАД или НАДФ, но различными белками, в связи с чем их специ-
фичность и редокс-потенциалы также резко отличаются (табл. 30).
Из табл. 30 видно, что, например, окисление глюкозо-6-фосфата
в 6-фосфоглюконовую кислоту катализируется дегидрогеназой
с Ео=—0,43 в, вследствие чего переходы Ео близки к данным табл.
29 для водородного электрода, но для ряда других субстратов это
не так.
Реакция окисления изолимонной кислоты в щавелевоянтарную
(см. табл. 6, реакция 4) происходит под влиянием дегидрогеназы
изолимонной кислоты с Ео =—0,30 в реакция превращения 3-
фосфоглицеринового альдегида в 3-фосфоглицериновую кислоту
(см. табл. 3, реакции 5—7) при Е'о=—0,28 в реакция окисления
молочной кислоты до пировиноградной (см. табл. 3, реакция 12)
при участии лактикодегидрогеназы при Ео——0,18 е, а реакция
перехода яблочной кислоты в щавелевоуксусную (см. табл. 6,
реакция 9) с участием маликодегидрогеназы при Ео=—0,10 в
(значения Ео всюду даны по табл. 30). Таким образом, величина
скачка в значениях Ео при переносе водорода на флавиновые
ферменты (для желтого флавинового фермента по табл. 29 Ео=
=—0,06 в) может быть весьма различной. Для реакции окисления
231
Таблица 30
Пиридиннуклеотидные дегидрогеназы
(по Очоа)
Система Е'-» Просте- тическая группа Нахождение ферментов
Глутаминовая кислота кетоглу- Дрожжи, бактерии,
таровая кислота —0,03 НАД или
Яблочная кислота щавелевоук- сусная кислота —0,10 НАДФ НАД животные ткани Бактерии, растения, животные ткани
Этиловый спирт ацетальдегид . —0,16 НАД Дрожжи, бактерии
Молочная кислота пировино- градная кислота —0,18 НАД Бактерии, животные ткани
3-фосфоглицер. альдегид + фос- Дрожжи, животные тка- ни
фат ч± 1,3-дифосфог лидер иновая кислота —0,28 НАД
Р-оксимасляная кислота ацето-
уксусная кислота —0,29 НАД Животные ткани
Изолимонная кислота щавеле- воянтарная кислота —0,30 НАДФ Дрожжи, растительные и животные ткани
Глюкозо-6-фосфат 6- фосфоглю- НАДФ Дрожжи, эритроциты
коновая кислота —0,43
Глюкоза глюконовая кислота . —0,45 НАД Животные ткани
янтарной кислоты до фумаровой (см. табл. 6, реакция 7) Ео=—0,020а
(см. табл. 29) или, по некоторым данным, даже +0,015 а, и в этом
случае реакция сразу идет при участии сукциндегидрогеназы —
фермента флавиновой группы, минуя стадию пиридиновых деги-
дрогеназ.
Различные пиридиновые дегидрогеназы находятся в равнове-
сии с растворенной частью кофермента НАД или НАДФ вследствие
чего возникает возможность сопряжения различных ферментных
систем. Реакция дегидрирования происходит путем прямого пере-
носа атома от субстрата на окисленную форму НАД на поверхности
фермента — специфической дегидрогеназы, причем НАД перехо-
дит в восстановленную форму НАД-Н2. Перенос водорода от НАД-На
на молекулу акцептора происходит столь же прямым и специфи-
ческим образом на поверхности фермента, однако благодаря рав-
новесию с НАД-Н2 в растворе часть кофермента может переходить
на другую дегидрогеназу, вследствие чего лабильный водород
может быть перенесен на другую ферментную систему. Перечислен-
ные выше окислительно-восстановительные системы с различными
Ео, расположенными ступенчатым образом, могут играть роль про-
межуточных систем в переносе водорода, уменьшая скачки в ве-
личине Ео. Создается сопряжение ряда ферментных систем, в
НАД-Н2
котором регулирующую роль играет соотношение дд • в раст-
232
воре. В зависимости от величины этого соотношения, активности
различных дегидрогеназ и наличия соответствующих субстратов
последовательность реакций биологического окисления может
значительно изменяться.
Пиридиновые дегидрогеназы не передают водород непосредст-
венно на О2; это одновременно означает, что сами они не окисляют-
ся молекулярным кислородом. Передача ими водорода на различ-
ные субстраты происходит без участия кислорода и составляет
существо процессов анаэробного окисления. В процессах спирто-
вого брожения, молочнокислого брожения и др. (см. гл. 1) окисле-
ние ограничивается анаэробной стадией, но в большинстве случаев
анаэробное окисление лишь начальная стадия превращений суб-
страта, за которой следуют процессы аэробного окисления. Цепь
реакций аэробного окисления развивается при последовательном
участии флавиновых ферментов и цитохромной системы фермен-
тов.
Подобно пиридиновым дегидрогеназам, флавиновые ферменты
также образуют целую группу ферментов с различными значениями
Ео (табл. 31).
Таблица 31
Окислительно-восстановительные потенциалы некоторых
флавинов и флавопротеидов
(по Малеру)
Соединение Eq в
Рибофлавин ................................
Флавиннуклеотиды (ФМН и ФАД)...............
Желтый фермент ............................
Сукциндегидрогеназа........................
Ксантиноксидаза............................
Диафораза..................................
Дегидрогеназа бутирил-кофермента А.........
—0,186
—0,180
—0,060
—0,020
—0,350
+0,011
+0,187
Из табл. 31 видно, что нормальный редокс-потенциал флаво-
протеида — желтого фермента (ср. табл. 29 и рис. 33) на 120 мв
выше потенциала свободных флавиннуклеотидов. В состав ряда
флавиновых ферментов входят металлы: Fe в сукциндегидрогеназе
и НАД-Н2 — дегидрогеназе, Мо в ксантиноксидазе и альдегидо-
ксидазе, Си в дегидрогеназе бутирил кофермента А и др. Благо-
даря образованию внутрикомплексных (клешневидных) соедине-
ний между флавиннуклеотидами с одной стороны, и белками и
металлами, с другой стороны, при образовании флавопротеидов
233
происходит значительное изменение электронной структуры и
смещение £'о, достигающие 0,53 в (табл. 31). Ввиду того, что об-
щая величина этого смещения очень велика, в области действия
флавиновых ферментов также существуют промежуточные си-
стемы, создающие возможность переноса водорода с более посте-
пенным изменением Е'о, например, упомянутая выше сукцинде-
гидрогеназа (Е'о = —0,020 в), а также диафораза (Е'о = +0,011
в), глутатионредуктаза, способствующая восстановлению окислен-
ного глутатиона (Е'о = +0,060 в) и др. Система окисленный глу-
татион — восстановленный глутатион (Е'о = +0,080 в) имеет,
по-видимому, существенное значение для состояния SH-rpynn
активных центров ряда дегидрогеназ, которые являются необхо-
димыми для активности этих ферментов.
Флавиновые ферменты, подобно пирвдиновым дегидрогеназам,
находятся в равновесии с растворенной частью кофермента — фла-
виннуклеотидами (ФМН или ФАД), что также создает возможность
сопряжения различных флавиновых ферментных систем между со-
бой. В этом случае регулирующим фактором является соотношение
восстановленной и окисленной форм флавиннуклеотидов в растворе
(подобно соотношению Для пиридиновых дегидрогеназ).
Возможно, что именно в этом заключается смысл наличия в составе
пиридиновых и флавиновых ферментов легко отщепляемых ко-
ферментов — простетических групп, т.е. двухкомпонентной при-
роды этих ферментов. Если бы активные центры этих ферментов
были прочно связаны с белками ферментов или прямо входили в
состав белковых молекул, подобно активным центрам протеаз,
то такого сопряжения однородной группы ферментов, необходимого
для плавной передачи атомов водорода, не могло бы иметь места.
Так как восстановленный НАД, янтарная кислота (важный ком-
понент цикла трикарбоновых кислот), а также жирные кислоты
окисляются при помощи флавиновых ферментов, то все эти вещества
как бы конкурируют при биологическом окислении за флаво-
протеид. Основная роль флавиновых ферментов, как указывалось,
заключается в передаче водорода от пиридиновых дегидрогеназ
на цитохромную систему, но фактически эта реакция может не
происходить в одну стадию, и конкретная цепь реакций биологиче-
ского окисления на этом этапе также может иметь, в зависимости
от состава среды и активности различных ферментов, довольно
сложный ступенчатый характер.
Одним из важных промежуточных веществ на пути от флаво-
протеидов к цитохромной системе является кофермент Q, или
убихинон (Крейн, 1956), содержащийся в липопротеидной части
митохондрий клеток. Кофермент Q имеет промежуточное значение
Е'о = +0,122 в (см. табл. 29) между флавопротеидами и цитохро-
мами. Он относится к группе хинонов и имеет следующее
строение:
234
о
с
СН3О—С<р>С—СН3 9Нз
СН3О—сОс—' (СН2 — СН=С—СН2)Л н,
с
о
где п изменяется от 6 до 10. Благодаря длинной углеводородной
боковой цепи он растворим в липидах, а благодаря хинонной при-
роде он может проходить циклы восстановления и окисления через
промежуточную стадию семихинонов, в согласии с теорией Михаэ-
лиса о ступенчатой передаче электронов. Как будет показано ни-
же, участие кофермента Q значительно облегчает дальнейшую пе-
редачу электронов по одному на цитохромную систему.
Важным ответвлением от основного пути биологического окис-
ления (от флавиновых ферментов на цитохромную систему и
затем на кислород) является возможность прямой передачи элек-
тронов от флавопротеидов на молекулярный кислород. Правда,
эта реакция происходит лишь с небольшой скоростью и при бо-
лее высоком парциальном давлении О2 в среде, однако она до-
статочно заметна. Благодаря переносу двух электронов с флаво-
протеида на молекулярный кислород, она приводит к образованию
перекиси водорода: ФП—Н2+О2->ФП + Н2О2.
Перекись водорода либо используется для целей окисления
при участии ферментов — пероксидаз, либо разлагается на воду
и кислород под действием фермента — каталазы. Этот путь исполь-
зования кислорода поглощает обычно около 5—7% кислорода, но
в некоторых случаях эта цифра может быть выше.
Возможность прямой передачи электронов от флавопротеи-
дов на кислород означает, что флавиннуклеотиды, в отличие от
НАД, могут непосредственно окисляться молекулярным кислоро-
дом, т. е. они обладают способностью к аутоокисляемости.
Причины этого существенного различия были в значительной
мере выяснены в результате квантомеханических расчетов, про-
изведенных супругами Пульман (1960) по методу молекулярных
орбит с применением электронных счетных машин. Они показали,
что подвижные ^-электроны на высшей заполненной орбите НАД-Н2
являются связывающими (то же имеет место для окисленных
форм НАД и ФМН, а также для их аналогов НАДФ и ФАД) и
только для восстановленных флавиновых нуклеотидов ФМН-Н2
и ФАД-Н2 они являются разрыхляющими и устойчиво заполняют
эти высшие орбиты лишь в возбужденном состоянии молекулы.
Вследствие этого, занятие ^-электроном данной орбиты в основ-
ном состоянии молекулы приводит к нестабильности, проявляю-
щейся в стремлении удалить электрон с этой орбиты, что означает
235
особенно легкую окисляемость данного соединения. Это свойство
является присущим из перечисленных коферментов только восста-
новленным формам флавиннуклеотидов.
Ферменты, способные переносить электроны на молекулярный
кислород, называются оксидазами, поэтому некоторые флавопро-
теиды, способные производить окисление непосредственно при
помощи молекулярного кислорода, называются флавиновыми окси-
дазами. К их числу относятся ксантиноксидаза, оксидазы некото-
рых аминокислот и др. Однако основной путь биологического окис-
ления после прохождения стадий пиридиновых дегидрогеназ и
флавиновых ферментов заключается не в прямом переходе к кис-
лороду, а в прохождении еще одной важнейшей промежуточной
системы — цитохромной системы с цитохромоксидазой, при по-
мощи которой и заканчивается путь электронов к кислороду. Из
табл. 29 видно, что, переходя к цитохромной системе, мы перехо-
дим по шкале редокс-потенциалов от уровня Е'о = 0,060 для флави-
новых ферментов через коэнзим Q (£'0=+0,122 в) к уровню
Е'о = +0,26—0,29 в.
Для животных организмов переход через цитохромную систе-
му имеет основное значение; на этот путь биологического окис-
ления приходится до 90% потребляемого в организме кислорода.
В растениях существенное значение имеет также другая — поли-
фенолоксидазная система, а в некоторых случаях — аскорбинок-
сидазная. Соотношение цитохромной, полифенолоксидазной и аско-
рбиноксидазной систем в заключительной стадии окисления разли-
чается, в зависимости от вида растений, стадии развития и
физиологического состояния организма.
Как уже указывалось, ферменты цитохромной системы — ци-
тохромы (открытые Кейлиным в 1925 г.) — служат переносчи-
ками электронов, а не атомов водорода. Цитохромы являются же-
лезопорфириновыми ферментами, содержащими геминовую груп-
пировку. Действие цитохромов основано на обратимом изменении
валентности атома железа Fe3+ ^Fe2+, входящего в состав гем-
группы; координационные связи железа в цитохроме полностью
насыщены, и поэтому белок цитохрома не может присоединять
О2, вследствие чего цитохромы не являются аутооксидабельными
(возможно, за исключением стоящего особняком цитохрома в).
Напротив, например, в гемоглобине, служащем для транспорта
О2 в организме, атом железа всегда остается в состоянии Fe2+, а
обратимое присоединение О2 определяется слабой связью с же-
лезом (в гемоглобине две координационные связи железа остаются
свободными) и гистидиновым остатком белка-глобина, но без
изменения валентности железа. Благодаря указанному выше об-
стоятельству цитохромы могут передавать лишь по одному элек-
трону, а Н+-ионы передаются через окружающую среду (см. рис. 35).
Одноэлектронные переходы от флавиновых ферментов облег-
чаются, как указывалось, промежуточным участием хинона —
236
коэнзима Q, способного проходить через стадию семихинона.
В настоящее время известно большое количество цитохромов
(свыше 10), отличающихся своими полосами поглощения и обозна-
чаемых различными буквами; а, а3, в, с, и др. Спектры погло-
щения восстановленных и окисленных форм цитохромов также
заметно отличаются между собой (см. например, рис. 36 для ци-
тохрома с), что позволяет
непосредственно следить
за их состоянием в клетке
при помощи оптических
методов (Ченс и др.).
Замечательной особен-
ностью цитохромной сис-
темы является образова-
ние цитохромами строго
упорядоченных структур-
ных последовательностей
или ансамблей, входящих
в состав митохондрий.
Ввиду того, что этот воп-
рос тесно связан со струк-
турой самих митохондрий,
мы еще раз вернемся к
нему в главе 5; в настоя-
щей .главе, как и для пре-
дыдущих стадий биологи-
ческого окисления, вопрос
будет рассмотрен преиму-
Рис. 36. Спектры поглощения цито-
хрома с; сплошная линия — восстанов-
ленный, пунктирная —окисленный:
по оси абсцисс — длина волны в ммк, по оси
ординат—коэффициент поглощения
щественно в связи с пере-
мещением электронов по
шкале редокс-потенциалов.
Грин ввел понятие об
электронно-транспортной
системе или частице
ЭТЧ («electron transport particle, ЕТР»), охватывающей
упорядоченную последовательность флавопротеидов (связанных
с пиридиновыми дегидрогеназами to или с янтарной кислотой fs),
коэнзима Q, цитохромов в, clt с, а и а3, а также атомов железа (не
входящих в гем-группы) и меди (в составе цитохромоксидазы)
fD\
^Fe—Ь—Q—с —с—а—а3 Си->02.
{sZ
Молекулярное соотношение компонентов в одной ЭТЧ (из ми-
тохондрий сердца быка) приведено в табл. 32; кроме указанных
компонентов, в состав ЭТЧ входит до 30% липвдов.
237
Таблица 32
Состав электронно-транспортной частицы
______________(по Грину)_______________________
Число
молекул
Компонент или
атомов
Флавопротеид fD................................. 1
Флавопротеид fs ................................ 1
рР 27
ге........................................... 1К
Коэнзим Q . , . ............................... 2
Цитохром b..................................... п
Цитохром с..................................... 4
Цитохром а..................................... л
Си.............................................. 6
Количество ЭТЧ в одной митохондрии очень велико (до двух
тысяч). В митохондриях они являются продолжением системы
цикла трикарбоновых кислот и системы пиридиновых дегидрогеназ.
При фрагментации митохондрий действием ультразвуковых волн
и обработкой детергентами, желчными кислотами, низшими спир- |
тами и другими веществами удается произвести значительную ]
очистку и отделение ЭТЧ.
Механизм переноса электронов по цепи ЭТЧ еще не вполне
ясен. Несмотря на упорядоченность структуры ЭТЧ, отдельные ее
компоненты обладают известной подвижностью относительно друг
друга; по Грину, компоненты ЭТЧ не имеют гибридизированных
электронных орбит или полос полупроводниковой проводимости,
но их взаимодействие отнюдь не сводится и к случайным соударе-
ниям. Возможно, что в переносе электронов в ЭТЧ играют роль
негеминовые атомы железа, наличие липидной среды, подвижность
молекул коэнзима Q, вращательная подвижность белковых моле-
кул ЭТЧ и другие факторы.
Цитохромы а и с не передают электроны непосредственно мо-
лекулярному кислороду и, как указывалось, они не являются
аутоокисляемыми. Заключительная стадия переноса электронов
на О2 осуществляется последним ферментом ЭТЧ и одновременно
всей окислительной цепи — цитохромоксидазой; этот же фермент *
обеспечивает и обратное окисление восстановленных цитохромов. |
Цитохромоксидаза представляет собой фермент-цитохром а3, 1
содержащий также медь в простетической группе или соединенный з
с Си-ферментом. Цитохромоксидаза, в отличие от цитохромов, I
имеет заполненными лишь 4 из 6 координационных связей железа,
и поэтому она может присоединять кислород и способна к ауто-
окислению; кроме того, она соединяется также с СО. С другой 4
стороны, в отличие от гемоглобина, она способна к изменению
валентности атомов железа и меди. Присоединение HCN к цито-
238
хромоксидазе приводит к образованию прочных металлцианид-
ных комплексов, в которых атомы Fe и Си уже неспособны к изме-
нению валентности, что обрывает цепь передачи электронов. На
этом основано резко ядовитое действие HCN. Именно при помощи
этой реакции ингибирования окисления было установлено домини-
рующее значение цитохромной системы в дыхании животных (до
90%), так как остаточное, или цианрезистентное, дыхание, иду-
щее по другим путям окисления — через флавиннуклеотиды и дру-
гие соединения — составляло лишь около 10% исходного (в рас-
тительных организмах, как указывалось, остаточное дыхание зна-
чительно выше).
Присоединение молекулы О2 к цитохромоксидазе не является
пассивным, а сопровождается активацией кислорода. После
присоединения электрона к кислороду, находящемуся в адсорби-
рованном или связанном состоянии (с энергией присоединения
электрона около 1,5 эв) и образования молекулярного иона О2",
по-видимому, происходит разрыв молекулы и переход к адсорбиро-
ванным атомам кислорода О", которые соединяются с Н+-ионами,
переносимыми через среду, с образованием Н2О — конечного
продукта окисления. Наличие в этом ряде превращений кисло-
рода первоначальной формы, сохраняющей еще молекулярную
структуру кислорода — своеобразной поверхностной перекиси,
соответствует известной теории Баха о роли перекисей в процессе
окисления; с другой стороны, активация атомов водорода субстра-
та и их перенос в начальных реакциях дегидрирования соответ-
ствуют известным теориям Палладина и Виланда. Таким обра-
зом, современная теория биологического окисления учитывает
активацию как водорода, так и кислорода с участием, однако, мно-
гочисленных промежуточных переносчиков водорода и электронов.
Разрыв между нормальными редокс-потенциалами кислорода
(Е'ь = +0,81 в) и цитохромов (E'Q = +0,26—0,29 в) на заключи-
тельных стадиях окисления остается еще весьма большим. Учиты-
вая, однако, что потенциал цитохромоксидазы имеет промежуточное
значение £'о=+О,55О в (см. табл. 29), можно полагать, что раз-
ность Д£'о=0,81—0,55=0,26 в затрачивается как раз на актива-
цию О2 при его присоединении к молекуле цитохромоксидазы.
Таким образом, центральной реакцией в цепи биологического
окисления является образование Н2О путем переноса водорода
субстратов на молекулярный кислород. Ход этой реакции был
прослежен нами по всей шкале окислительно-восстановительных
потенциалов.
Однако известно, что при дыхании вместо поглощаемого О2
выделяется не только Н2О, но и СО2. Каково же происхождение
углекислого газа и каким путем он образуется при дыхании?
Оказывается, что этот продукт образуется в организме не путем
окисления углерода, а совсем другим путем — в результате де-
карбоксилирования органических кислот, т. е. отщепления из них
239
С02 под действием ферментов карбоксилаз. Этот процесс неодно-
кратно встречался при окислении цикла трикарбоновых кислот —
при реакциях превращения щавелевоянтарной кислоты в кетоглу-
таровую, и последней — в янтарную (см. табл. 6, реакции 5 и 6);
кроме того, он имеет место при превращении пировиноградной
кислоты в ацетальдегид или в ацетилкофермент. А. Так как кето-
кислоты образуются при окислении различных питательных
веществ, то создается связь между поглощением О2 и выделением
СО2. Баланс процесса полного окисления, например, гексоз выра-
жается уравнением:
СвН12Ов + 6Оа -> 6НгО + 6СО2 + 686 ккал/моль. (24)
Отношение молярных количеств выделенного СО2 и поглощен-
ного О2 называется дыхательным коэффициентом (ДК). Из уравне-
ния (24) видно, что для гексоз ДК=1; при окислении более бо-
гатых кислородом органических кислот — щавелевой, винной и др.
ДК>1, при окислении бедных кислородом жирных кислот ДК<1.
Кроме того, ДК изменяется в зависимости от температуры, физио-
логического состояния организма и др. Вследствие расходования
субстрата, дыхание сопровождается уменьшением веса, выделе-
нием теплоты, поглощением О2 и выделением влаги и СО2.
Некоторыми особенностями Отличается и окисление ненасы-
щенных жирных кислот, которое также начинается прй помощи
флавинового фермента — ацилдегидразы (см. табл. 5, реакция 2).
Окисление линолевой, линоленовой и арахидоновой кислот в при-
сутствии фермента — липоксидазы, способной активировать моле-
кулярный кислород, отличается образованием гидроперекисей
окисляемого субстрата по типу
—СН—СН=СН—
ООН
Ранее предполагалось, что этот процесс идет по цепному меха-
низму, но в настоящее время это предположение считается сомни-
тельным (Михлин). Эта система, по-видимому, может иметь значе-
ние для индуцированного окисления полифенолов, аминокислот,
аскорбиновой кислоты и каротиноидов.
Если учесть все приведенные данные о многочисленности воз-
можных реакций окисления на стадиях действия пиридиновых
дегидрогеназ, флавиновых ферментов и заключительных оксидаз,
то следует отметить, что в зависимости от концентрации фермен-
тов и реагирующих веществ, f структурных условий протекания
реакций и физиологического состояния клеток, конкретные пути
биологического окисления, число и природа осуществляемых
этапов окисления, могут обладать исключительным разнообразием,
хотя основной ход процесса заключается в ряде последовательных
перепадов по шкале окислительно-восстановительных потенциалов
240
(от более низких к более высоким значениям Е'о). На рис. 37 сле-
ва наглядно изображены перепады свободной энергии в ходе био-
логического окисления (выраженные в кал1моль) (относительно
правой части рис. 37 см. стр. 373).
Однако значение биологического окисления заключается не
только в том, что оно дает основное количество энергии для жиз-
недеятельности организма; важнейшая сторона дела заключается
в том, что эта освобождаемая энергия одновременно локализуется
АГ=
-57.310
ш/мопь
на Hi
50.260 -
11.060 -
39.220 -
21.920 -
11.000 -
Рис. 37. Схема изменений свободной энергии в процессе биологического'
окисления (пояснения в тексте)
в организме в форме макроэргических связей, при помощи кото-
рых организм уже и совершает все виды полезной работы.
Небольшая часть макроэргических связей образуется на стадии
гликолиза; этот процесс называется анаэробным субстратным,
фосфорилированием. В первой главе (табл. 3) было показано, что»
в ходе превращения глюкозы в пировиноградную кислоту обра-
зуется две новые молекулы АТФ. Механизм их образования
заключается в промежуточном образовании богатых энергией
кислотных ангидридов (ацилмеркаптана с участием SH-группы
фермента — дегидразы 3-фосфоглицеринового альдегида, и ангид-
9 Заказ № 531
24k
рида 2-фосфоглицериновой кислоты; см. табл. 3, реакции 5—7 и
9—10) с заключительным переносом фосфата на АДФ. Скорость
этих реакций зависит, поэтому, от концентрации АДФ и фосфата.
Еще в одном случае образование АТФ проходит через промежу-
точную стадию образования ангидрида — ацилмеркаптана — при
окислительном декарбоксилировании кетоглутаровой кислоты (см.
табл, б, реакция 6) по суммарной реакции:
кетоглутаровая кислота +АДФ+фосфат +НАД -► янтарная
кислота +СО24-НАД-Н24-АТФ.
субстрат
Рис. 38. Схема связи дыхательной цепи с окислительным
фосфор илированием
В этой сложной реакции принимают участие тиаминпирофос-
фат, коэнзим A (KoASH) и витамин — липоевая кислота:
,(СН2)4—СООН
S----сн<
| >сн2
S----сн/
Богатый энергией ацилмеркаптан образуется между янтарной
кислотой и восстановленной липоевой кислотой (сукциниллипое-
вая кислота); после ряда превращений макроэргическая связь до-
ходит до АДФ, образуя АТФ.
За исключением этих случаев образования молекул АТФ с
участием промежуточных ангидридов, образование макроэрги-
ческих соединений связано главным образом (на 90%) с описанной
выше цепью реакций аэробного окисления и происходит по сущест-
венно иному механизму. При полном аэробном окислении 1 моле-
кулы глюкозы образуется до 38 макроэргических связей, что дает
38*10
полезный выход около 68^-^55%. Этот процесс аэробного окис-
ления, сопряженного с образованием макроэргических фосфатов,
как указывалось в первой главе, называется окислительным фос-
форилированием (Энгельгардт, 1930; Белицер и Цыбакова 1939;
Калькар, Ченс, Слейтер и мн. др.). Окислительное фосфорилиро-
242
вание наиболее важная форма полезного использования энергии
биологического окисления.
Для количественной характеристики эффективности окисли-
тельного фосфорилирования Белицер ввел отношение — числа
эквивалентов эстерифицированного фосфата к числу атомов пог-
р
лощенного кислорода. Обычно -^->1, например, для реакции
р
окисления а-кетоглутаровой кислоты до янтарной—~3—4, для
р
реакции окисления янтарной кислоты до фумаровой -^-^2, для
р
реакции окисления НАД-Н2 до НАД -Q-—3 и т. п. Как видно,
из рис. 37, общее изменение свободной энергии при окислении
НАД-Н2 по уравнению: НАД-Н2 + 1/2 О2 = НАД++ Н2О со-
ставляет около 50 ккал/моль-, эта величина вычисляется также по
ур. (18) при п = 2 и Д Е'о — 0,81 — ( — 0,28) = 1,09 в. На этом
пути образуется в основном три макроэргических фосфата, главным
образом на этапах НАД — флавиновые нуклеотиды, флавиновые
нуклеотиды — цитохром с и цитохром с — кислород. На первых
двух этапах по табл. 29 Д£'о = 0,25 в, что при п = 2 соответ-
ствует AZ = 12 ккал/моль-, на третьем этапе AZ > 12 ккал/моль.
Таким образом, термодинамически эти три этапа удовлетворяют
возможности образования макроэргической связи с AZ — 8 — 10
ккал/моль. С другой стороны, выше было показано, что цепь реак-
ций биологического окисления несомненно насчитывает не три, а
гораздо большее число промежуточных этапов, откуда, очевидно,
следует, что не все эти этапы непосредственно связаны с окис-
лительным фосфорилированием. Механизм фиксации энергии
окислительных процессов в пирофосфатных связях АТФ остается
еще неясным. Одна из возможных схем с участием промежуточных
переносчиков X, Y, /(возможно, образующих фосфорилированные
производные ферментов) изображена, по Ленингеру, на рис. 38;
в заключительной стадии эта схема предполагает наличие перено-
са фосфата на АДФ.
Основное значение в окислительном фосфорилировании не-
сомненно имеет его тесная связь с переносом электронов по дыха-
тельной цепи. При окислительном фосфорилировании происходит
взаимопревращение окислительно-восстановительного потенциала
и энергии макроэргической связи в АТФ, которую также можно
выразить по уравнению (18) в виде потенциала. По Липманну
(1960), можно в уравнение AZ0 = —RT In К подставить К =
= и получить следующее уравнение (при 30°):
AZ = AZ,-1400 log -(ддо) + 1400 log (Ф) - 1400 log (1 + -§
(24а)
9* 243
где Ка=10"6’5 константа диссоциации АТФ. При pH 6,5—7,0 пос-
ледний член в правой части уравнения (24а) имеет лишь поправоч-
ное значение. Отношение играет в уравнении (24 а) такую
I ох \
же роль, как отношение! ) в уравнениях для редокс-потенциала
(ур. 13, 21). В клетке в некоторых случаях отношение
— 1, т. е. клетка является хорошо забуференной в отношении
потенциала переноса фосфатной группы; в этом случае второй
член правой части уравнения (24а) близок к нулю и величина сво-
бодной энергии AZ сильно зависит от концентрации фосфата (Ф).
Для молекулы АТФ, как показал Сент-Дьердьи на молекуляр-
ной модели, характерна возможность образования свернутой кон-
фигурации, при которой электроны с фосфатов могут переходить
через ион Mg2+ на нуклеиновое основание—аденин. Если затем
электроны могут перейти на фермент АТФ-азного действия, на-
пример, на SH-группы фермента, то электростатическое отталкива-
4“ 4- + +
ние избыточных положительных зарядов в цепи — Р—О—Р—О—
(см. стр. 42) приобретает преобладающее значение и приведет к
облегчению гидролитического распада АТФ.
Напротив, если существует возможность переноса электронов
с некоторого участка окислительной цепи на АДФ через аденин и
ион Mg2+ (участие Mg2+-HOHOB является обязательным при окис-
лительном фосфорилировании), то облегчается Образование устой-
чивой конфигурации, включающей неорганический фосфат, т. е.
образование молекулы АТФ.
С этой точки зрения, механизм образования АТФ при окис-
лительном фосфорилировании является обращением ферментатив-
ного расщепления АТФ. Все дело заключается в направлении пере-
носа электронов между АТФ и ферментом: при расщеплении пере-
нос происходит в направлении АТФ-азы, а при образовании
АТФ — от окислительной цепи к молекуле АТФ. Ввиду наличия
+ 4- 4- 4~
избытка положительных зарядов в цепи —Р—О—Р—О—, отток
компенсирующих электронов делает молекулу АТФ в этой части
нестабильной, а приток электронов, напротив, стабилизует пиро-
фосфатный конец молекулы и делает возможным образование АТФ.
Возможно, что ни АДФ, ни фосфат отдельно не являются проме-
жуточными носителями макроэргической связи и что последняя
возникает за счет перетекания электронов лишь в момент образо-
вания молекулы АТФ в замкнутом контуре.
Наличие обратимого переноса электронов между АТФ и окис-
лительной цепью в настоящее время является установленным фак-
том. Согласно Ченсу (1961), состояние динамического равновесия
дыхательных переносчиков (т. е. звеньев цепи биологического
окисления) и направление переноса электронов в дыхательной
244
цепи в значительной мере зависят от указанного выше соотноше-
ния При избытке АДФ и фосфата происходит усиленное окис-
ление пиридиннуклеотидов и активация переноса электронов
по направлению от субстрата к кислороду; напротив, при из-
бытке АТФ происходит смещение элактронов в обратном направ-
лении, что сопровождается восстановлением пиридиннуклеотидов,
подобно обратному направлению реакций в гальванической цепи
при действии избыточного поляризующего напряжения. В целом
создается динамическое равновесие (Ченс):
восстановленный цитохром 4- НАД++АТФ цитохром +
+ НАД-Н2 + АДФ + Ф. (25)
В более общем виде это равновесие можно записать следующим
образом (Слейтер, Ленингер):
ВН2+А+АТФ^=В4-АН2+АДФ + Ф. (26)
Эти уравнения наглядно характеризуют наличие обратимого
переноса электронов между АТФ и звеньями окислительной цепи,
лежащего в основе процессов окислительного фосфорилирования.
На участках дыхательной цепи вплоть до цитохрома с (E'Q=
=+0,26 в) образование АТФ происходит с интервалами ДЕ'О около
0,25 в; между тем, на участке цитохром с—О2 разность ДЕ'О состав-
ляет 0,81—0,26=0,55 в, а образуется лишь 1 молекула АТФ. Если
на ее образование также достаточно ДЕ'0^ 0,25 в, то крайнее зна-
чение Е'о должно было составить 0,26+0,25—0,5 в. Возможно, что
именно это значение близко к Е'о цитохромоксидазы (см. табл. 29)
и тогда отсутствие образования АТФ в интервале Е'о 0,5—0,8 в
может объясняться тем, что дыхательная цепь фактически закан-
чивается при Е'о~0,50—0,55 в. По оценке Липманна (1946), «ре-
докс-потенциал» фосфатной системы составляет Е'о=О,45 в. Эта
цифра близка к указанному порогу дыхательной цепи и означает,
что приток электронов от дыхательных переносчиков, необходи-
мый для образования АТФ, может действительно наблюдаться
при всех более низких значениях Е'о, тогда как при Е'о>0,55 з
мог бы наблюдаться лишь обратный перенос электронов, препят-
ствующий образованию АТФ.
Окислительное фосфорилирование происходит в митохондриях,
причем его можно наблюдать и на фрагментах митохондрий, но
более крупных, чем частицы ЭТЧ. Таким образом, в структуре
митохондрий находятся в упорядоченном состоянии ферменты
цикла трикарбоновых кислот, окисления жирных кислот, перено-
са электронов и окислительного фосфорилирования.
Существуют особые ингибиторы окислительного фосфорилиро-
вания, которые прекращают этот процесс, не затрагивая основ-
ной дыхательной цепи (разобщающие яды). Одним из важных спе-
цифических ингибиторов окислительного фосфорилирования яв-
245
ляется 2,4-динитрофенол (ДНФ), который разобщает дыхание от
фосфорилирования, вызывая, как предполагают, гидролиз первич-
ного не фосфорилированного промежуточного макроэрга оки-
слительного фосфорилирования, что приводит также к стимуля-
ции АТФ-азы митохондрий. Очевидно, что все эти обстоятельства
будут резко нарушать процессы образования АТФ. Разобщение
процессов окисления и фосфорилирования может быть также вы-
звано действием ультразвуковых волн, ультрафиолетовых и рент-
геновских лучей, некоторых антибиотиков и др. В некоторых
случаях разобщение может быть результатом ускорения взаимо-
действия АТФ-азы митохондрий и субстрата (АТФ) путем измене-
ния структуры и проницаемости митохондриальных мембран,
например, при действии гормона тироксина или дигитонина,
которые влияют на набухание митохондрий; разобщающее дейст-
вие рентгеновских лучей также может объясняться повреждением
митохондриальных мембран (см. гл. 6).
Разобщение окислительного фосфорилирования, при котором
процессы биологического окисления происходят без сопряжения
с фосфорилированием, приводит к более значительному переходу
освобождающейся энергии в теплоту, вызывая повышение тем-
пературы организма (Нейфах, Скулачев). Это выключение фосфо-
рилирования может быть необходимым, например, для предохра-
нения тела от чрезмерного охлаждения. Таким образом,, наличие
несопряженного окисления несомненно является физиологически
полезным фактором, хотя оно не учитывается при расчете эффектив-
но используемой энергии в организме; аналогично, различные
двигатели требуют для своего обогрева и нормальной работы зат-
раты некоторого количества теплоты, но их к. п. д. оценивается
только по полезной работе.
Соотношение процессов простого окисления и окислительного
фосфорилирования, как уже указывалось, в значительной мере
зависит от отношения • При усилении расхода АТФ
увеличивается накопление АДФ и фосфата, являющихся субст-
ратами окислительного фосфорилирования; вследствие этого
процесс окислительного фосфорилирования происходит более
интенсивно, что приводит к понижению концентрации АДФ и
фосфата. Однако эти вещества необходимы для протекания реак-
ции дегидрирования триозофосфатов (см. табл. 3), и поэтому
понижение концентрации АДФ и Ф приводит к торможению про-
цесса анаэробного гликолиза.
В первой главе уже указывалось, что дыхание угнетает про-
цессы брожения (эффект Пастера); по-видимому, этот результат
объясняется не только большей энергетической выгодностью дыха-
ния для организма, но и прямым регулирующим действием отноше-
ния —дтф— (Линен, Джонсон). Разумеется, в конечном счете.
246
соотношение процессов дыхания и брожения, а также аэробного
окисления и окислительного фосфорилирования определяются
физиологическими потребностями организма, для которого ды-
хание — важнейшее условие осуществления всех его жизненных
функций.
ВЫВОДЫ
Электрохимические явления играют важную роль в жизнедея-
тельности, ввиду тесной связи процессов обмена веществ с пере-
носом различных заряженных молекул и ионов или с изменением
их заряда. В живых клетках поддерживается значительное разли-
чие между концентрацией и составом ионов внутри клетки и в
окружающей среде (см. табл. 20). Эти различия не являются тер-
модинамически равновесными, а представляют собой результат
стационарного состояния неравномерных потоков некоторых ионов
внутрь и наружу клетки (см. табл. 22). Обычно внутри клетки
K+>Na+, а в окружающей среде K+<Na+. Перенос №+-ионов
внутрь клетки и К+-ионов наружу происходит в соответствии
с градиентами концентрации, перенос К+-ибнов внутрь клетки
в основном определяется доннановским распределением, а поток
Ма+-ионов наружу — активным переносом клетки; перенос Na+-
ионов из клетки тесно связан с окислительно-восстановительными
процессами и гликолизом, поглощая от 10 до 40% энергии.
Процессы переноса ионов лежат в основе образования био-
электрических потенциалов. Для клеток, находящихся в состоя-
нии покоя, указанное стационарное распределение ионов являет-
ся источником разности потенциалов между внутренней частью
клетки и средой (обычно в пределах 60—90 мв с отрицательным
знаком внутри), называемой потенциалом покоя. Величина по-
тенциала покоя определяется уравнением (6), в которое входят
коэффициенты проницаемости мембран для различных ионов.
При действии различных раздражителей — электрического то-
ка, различных химических веществ, нагревания, механического
воздействия — клетки переходят в возбужденное состояние, кото-
рое сопровождается изменением распределения ионов и возникно-
вением потенциала действия. Величина потенциала действия сос-
тавляет 100—130 мв, она выше потенциала покоя (см. табл. 25) и с
обратным знаком. Проницаемость клеточной оболочки возрастает
как для Na+, так и для К+-ионов, но для Ыа+-ионов более значи-
тельно. В результате происходит усиление притока Ыа+-ионов
внутрь и компенсирующий перенос К+-ионов наружу (см. табл.
27); наблюдаемые изменения переноса хорошо согласуются с из-
менением электрических параметров клетки. Кинетика изменения
переноса обоих ионов различна (компенсирующий перенос Ко-
ионов запаздывает) и хотя это различие продолжается всего
0,001—0,002 сек, оно приводит к перезарядке мембранного потен-
247
циала. В наружной части клетки создается кратковременный
избыток отрицательных зарядов и меиеду невозбужденным и воз-
бужденным участками возникает местный ток действия (с отри-
цательным знаком на возбужденном участке). Благодаря этому
снижается мембранный потенциал на невозбужденном участке
клетки, что приводит к изменению в нем ионных потоков и рас-
пространению этим путем возбуждения вдоль клетки. Затем ком-
пенсирующий перенос К+-ионов приводит к падению потенциа-
ла действия и вслед за прохождением импульса происходит восста-
новление первоначального распределения ионов за счет энергии
метаболических процессов.
Изменение заряда различных молекул и ионов (перенос меж-
ду ними электронов) лежит в основе окислительно-восстановитель-
ных превращений и процессов биологического окисления. Окисли-
телем в общем виде является соединение, способное присоединять
электроны, а восстановителем — отдавать электроны. Чем выше
эти акцепторные или донорные свойства соединения, тем соот-
ветственно сильнее его окислительная или восстановительная
способность, количественно характеризуемая величиной окисли-
тельно-восстановительного потенциала Ео (ур. 13, 14, 21). Изме-
нение Ео непосредственно связано с изменением термодинамиче-
ского потенциала (свободной энергией) системы AZ (ур. 18).
Величины Ео для ряда биохимически важных1 систем приведены в
табл. 29. В большинстве биохимических систем окислительно-вос-
становительные превращения происходят путем перехода двух
электронов, но ступенчатым образом с промежуточным образова-
нием свободных радикалов-семихинонов (однако без свободно-ра-
дикальных цепных реакций).
Биологическое окисление — основной источник энергии в
живом организме — в типичном процессе происходит путем пере-
носа водорода от молекулы субстрата через пиридиновые дегидро-
геназы и флавиновые ферменты и затем в виде переноса электронов
через цитохромную систему на кислород с образованием молеку-
лы воды. Этому процессу соответствует переход по шкале окисли-
тельно-восстановительных потенциалов (см. табл. 29) от —0,420 в
до +0,81 в, всего на 1,23 в, что равно AZ образования воды (около
56 ккал/моль). Изменение AZ на участке между субстратами и фла-
виновыми ферментами происходит без участия кислорода и сос-
тавляет существо процессов анаэробного окисления. Благодаря
участию ряда промежуточных пиридиннуклеотидных или фла-
виновных ферментов (см. табл. 30 и 31), находящихся в равновесии
с растворенной частью коферментов, конкретные пути биологи-
ческого окисления (переходов водорода) могут быть весьма раз-
личными; отношение окисленных и восстановленных форм кофер-
ментов в растворе играет регулирующую роль на этих стадиях
биологического окисления. Восстановленные формы флавиновых
нуклеотидов отличаются способностью к прямому окислению мо-
248
лекулярным кислородом, вследствие наличия в их электронной
структуре неустойчивых разрыхляющих электронов, легко пере-
ходящих на кислород; при этом образуется перекись водорода,
которая затем используется на окисление с участием пероксидаз
или разлагается с участием каталазы. На этом пути потребляется
5—7% поглощаемого в тканях кислорода.
Основное количество кислорода (в животном организме — до
90%) потребляется в процессе аэробного окисления при участии
цитохромной системы (Е'о = 4-0,26—0,29 в) и цитохромоксидазы
(£'о около 4-0,5 в). Флавопротеиды, промежуточный коэнзим Q
(Е'о=4-О,122 в) и цитохромы образуют упорядоченные структурные
последовательности в составе митохондрий, называемые электрон-
нотранспортными частицами ЭТЧ. В растениях, кроме цитохром-
ной системы, существенное значение имеют также полифенолокси-
дазная и аскорбиноксидазная системы.
Образование НгО путем переноса водородов субстрата на моле-
кулярный кислород является центральной реакцией биологиче-
ского окисления. Образование СО2 является результатом фермента-
тивного декарбоксилирования некоторых органических кислот.
Отношение молекулярных количеств выделенного СО2 и поглощен-
ного О2 называется дыхательным коэффициентом ДК, величина
которого находится в зависимости от природы субстрата; для гек-
соз ДК = 1.
Энергия процессов биологического окисления частично выде-
ляется в форме теплоты, а в значительной части (до 50—60%)
используется на образование макроэргических связей, при помо-
щи которых организм совершает все виды полезной работы. Мак-
роэргические связи частично образуются на стадии гликолиза
(анаэробное субстратное фосфорилирование), но главным обра-
зом при аэробном окислении, в процессе окислительного фосфо-
рилирования, тесно связанного с переносом электронов по дыха-
тельной цепи. При окислительном фосфорилировании происходит
взаимопревращение окислительно-восстановительного потенциала
и энергии макроэргической связи в АТФ, причем в зависимости
от отношения А^ФфФ обратимый перенос электронов между АТФ
и окислительной цепью может иметь различное направление.
При избытке АДФ и фосфата происходит усиление переноса
электронов от субстрата к кислороду, при избытке АТФ — в об-
ратном направлении; соответственно, приток электронов из окисли-
тельной цепи способствует образованию АТФ, а отток электро-
нов в окислительную цепь — распаду АТФ. Окислительное фосфо-
рилирование происходит в митохондриях, причем его можно на-
блюдать и во фрагментах митохондрий (но более крупных, чем
ЭТЧ). При помощи ряда химических веществ и физических воздей-
ствий сопряжение окислительного фосфорилирования с перено-
сом электронов по дыхательной цепи может быть нарушено, что
249
приводит к увеличению количества освобождаемой теплоты. Со-
отношение процессов аэробного окисления и окислительного
фосфорилирования регулируется соотношением • д^ф и, в конеч-
ном счете, физилогическими потребностями организма.
ЛИТЕРАТУРА
Гизе А. Физиология клетки. М., ИЛ, 1959.
Джеймс В. Дыхание растений. М., ИЛ, 1956.
Косовер Э. Молекулярная биохимия. М., Изд-во «Мир», 1964.
Либерман Е. А. и ЧайлахянЛ. М. О природе потенциала
действия. «Биофизика», 1959, т. 4.
М и х л и н Д. М. Биохимия клеточного дыхания. М., АН СССР, 1960.
Насонов Д. Н. Местная реакция протоплазмы и распространяющее-
ся возбуждение. М., АН СССР, 1959.
ПюльманБ. иПюльманА. Квантовая биохимия. М., Изд-во
«Мир», 1965.
Пюльман Б. Электронная биохимия. М., Изд-во «Мир», 1966.
Федоров М. В. Основы современной теории дыхания микроорга-
низмов. «Изв. АН СССР», сер. биолог., 1957, № 1.
ФлойдУ. Электрохимия клеток нервов и мышц. Сб. «Некоторые про-
блемы современной электрохимии». М., ИЛ, 1957.
В а у 1 i s s L. Principles of General Physiology, vol. 2, 1959.
С r a n e E. Bioelectric Potentials, their maintenance and function. «Pro-
gress in Biophysics», 1950, v. 1.
Electrochemistry in Biology and Medicine Ed. Th. Shedlovsky.
1955.
Fruton J. a. Si mmond S. General Biochemistry, 1960.
Green D. Electron Transport and oxydative Phosphorylation. «Advan-
ces in Enzymology», 1959, v. 21.
Juda J. D., Ahmed K. Biol. Rev. 1964, v. 39 p. 160.
N e t t e r H. Theoretische Biochemie Springer-Ver lag, 1959.
S с о w J. S. Progress in Biophysic a Molec. Biol. 1964, v. 14, p. 131.
ГЛАВА 5
БИОЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ И ПРОЦЕССЫ
ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
Строгая упорядоченность химических процессов в живом ор-
ганизме, составляющих в своей совокупности и взаимосвязи про-
цессы обмена веществ, основана не только на соотношении ско-
ростей регулируемых ферментами реакций. В не меньшей мере она
определяется высокой структурной организованностью всех час-
тей живого организма. По мере усовершенствования средств ис-
следования — усовершенствования световой микроскопии, развития
электронной микроскопии, рентгеновского анализа, техники уль-
тратонких срезов и других, стало очевидным, что замечательная
структурная организация характеризует не только внешнюю
формул или микроскопически видимые части тканей и клеток, но
и’распространяется вплоть до молекулярного уровня их строения.
Слаженность процессов обмена веществ в живом организме имеет
пространственно-временной характер; это означает, что течение
биохимических процессов зависит не только от наличия-соответ-
ствующих ферментов, но и непосредственно определяется струк-
турами организма.
Значение биологических структур для живого организма зак-
лючается в том, что они обеспечивают следующее.
1. Пространственное отделение живого организма от внеш-
ней среды (форму организма), без чего было бы невозможно суще-
ствование живого организма как самостоятельного целого.
2. Внутреннюю организацию живого организма, обеспечива-
ющую выполнение специализированными органами и тканями
различных функций, необходимых для жизнедеятельности (воз-
буждения, движения, пищеварения и др.).
3. Полезное использование энергии в форме механической,
осмотической, электрической, химической и др. работы, кото-
рое возможно только при наличии специализированных структур;
без них энергия биохимических процессов'приводила бы лишь к
бесполезному выделению и рассеянию теплоты.
4. Регулирование ферментативных процессов путем измене-
ния условий взаимодействия ферментов и субстратов, изменения
действующих концентраций ферментов, обеспечения определен-
251
ных пространственных условии протекания и последовательности
чередования химических реакций в организме.
5. Взаимозависимость биологических структур и биохимичес-
ких процессов. Если в условиях эксперимента в химической ап-
паратуре «структуры» остаются независимыми от выполняемых
функций (аппаратуру даже стремятся сделать из нержавеющей ста-
ли, пластмасс и других инертных материалов), то в живом орга-
низме структуры, регулирующие ход биохимических процессов,
в свою очередь сами создаются и порождаются этими процессами
и обладают способностью тонкой изменчивости в зависимости от
условий протекания реакций. В живом организме дело обстоит
так же, как если бы в химической аппаратуре размеры отдельных
конструкций, диаметры трубопроводов, ширина кранов и др.
все время изменялись в соответствии с требованиями оптимального
хода процесса и, кроме того, материалы аппаратуры непрерыв-
но изменялись и воссоздавались в ходе химических превращений.
,При нарушении или прекращении процессов обмена обычно
наблюдается быстрый распад биологических структур. Это обстоя-
тельство, однако, не означает неравновесности биологических
структур, так как в организме имеется много гидролитических
ферментов, деструктивное действие которых как раз проявляется
при нарушении нормального метаболизма. Возможно, что биоло-
гические структуры сами по себе не требуют затраты энергии
на их поддержание, а образуются самопроизвольно, подобно то-
му, как самопроизвольно протекают процессы застудневания раз-
личных полимеров в растворах. При изменении условий среды они
претерпевают изменения, которые могут иметь обратимый или
необратимый характер.
Следует также указать на возможное техническое значение
изучения биологических структур в их взаимосвязи с процессами
обмена веществ в организме. Прямое превращение химической
энергии в механическую работу, осуществляемое в мышцах, ука-
зывает на возможность создания принципиально новых видов
машин, которые могут представить технический интерес; не мень-
шее техническое значение имеет изучение нервной проводимости,
образования электрических потенциалов, избирательного концент-
рирования веществ из внешней среды, механизмов обратной связи
между структурной организацией и обменными процессами и др.
Изучение удивительной упорядоченности строения биологи-
ческих структур вплоть до молекулярного уровня также может
привести к технически интересным результатам. Усовершенство-
вание ряда синтетических полимеров по существу часто идет по
пути приближения их строения к строению биополимеров. Напри-
мер, получение изотактических полимеров (полистирола, поли-
пропилена) со стереометрически упорядоченным расположением
звеньев цепи явилось важным этапом в химии и технологии поли-
меров; между тем, изотактические полимеры по существу лишь
252
моделируют стереоспецифическое строение важнейших биопо-
лимеров.
Аналогично, многие ценные полимеры были получены методом
прививки (привитые или графтполимеры) коротких цепей различ-
ной природы к основной однородной цепи, что приближает их строе-
ние к типу строения сложных полипептидных цепей.
Таким образом, технология в настоящее время уже не огра-
ничивается получением простых полимеров, образованных повто-
рением одних и тех же звеньев в случайной пространственной ори-
ентации, а стремится к получению полимеров более сложной и
упорядоченной природы. В этом отношении изучение принципов
построения биополимеров может дать ряд руководящих указаний.
При усложнении синтетических полимеров возникают проблемы
их структурных изменений, аналогичных ранее известным явлени-
ям денатурации белков и нуклеиновых кислот.- Возможно, что изу-
чение сложных полимолекулярных биологических структур с их
высокой упорядоченностью укладки молекул также позволит по-
дойти к получению новых ценных видов технических материалов.
К сожалению, механизм образования в организме упорядочен-
ных биологических структур еще очень слабо изучен, несмотря
на большой интерес этой проблемы.
Во многих биологических структурах, как будет показано
ниже, молекулы одинаковых или различных полимеров находятся
в строго упорядоченном взаимном расположении.
Одним из факторов этой взаимной ориентации макромоле-
кул могла быть кристаллизация, но биологические структуры
(мембраны, мышечные волокна и др.), согласно прямым рентге-
новским данным, не имеют кристаллического характера. Исследо-
вания технических полимерных материалов показали, Что высокая
степень взаимной ориентации в расположении полимерных цепей
может осуществляться без кристаллизации полимеров и связанных
с ней фазовых переходов (Каргин), но в этих материалах геомет-
рический порядок часто достигается действием внешних механи-
ческих усилий при вытяжке или течении. В биологических струк-
турах основным источником возникновения порядка являются
силы межмолекулярного взаимодействия (вандерваальсовы силы,
водородные связи) и морфологические условия биосинтеза полимер-
ных цепей.
В этом отношении наиболее существенное значение могут
иметь, по-видимому, водородные связи между цепями и условия
их биосинтеза на границах раздела фаз. Для кристаллов ряда
аминокислот и дипептидов методами рентгеноструктурного анали-
за было показано, что молекулы в них упакованы в строго опре-
деленном пространственном расположении, для которого особое
значение имеет направляющее действие межмолекулярных водо-
родных связей (Корей). С этой точки зрения, удалось объяснить
наличие слоев в глицине (рис. 39), трехмерной решетки в аланине
253
(рис. 40), гексагональных слоев в кристаллах ацетамида и возмож-
но, что этот фактор играет важную роль и в определении взаимно-
го расположения белковых молекул.
Вторым важным фактором может являться упорядоченное рас-
положение монослоев белков или липопротеидов на поверхностях
раздела. В монослоях белков гидрофобные группировки преиму-
Рис. 39. Вид кристалла глицина параллельно
с-оси. Показаны одинарные и двойные слои моле-
кул глицина, соединенных водородными связями;
о
цифры — межатомные расстояния (в А)
щественно (хотя и не полностью) направлены в сторону неполяр-
ной фазы, а гидрофильные группировки — в сторону водной фазы;
такой же асимметричный характер имеют слои липопротеидов.
Парная ассоциация таких слоев приводит к весьма распростра-
ненной в биологических системах структуре (см. ниже), в которой
два ориентированных молекулярных слоя липоида заключены
между двумя слоями белка. Необходимость максимального насы-
щения межмолекулярных связей является причиной значительной
упорядоченности укладки молекул в подобных структурах, как
было показано в модельных опытах Даниэлян, Гольдакра и др.
254
Третьим важным фактором упорядоченности могут быть специ*
фические морфологические условия биосинтеза. Например, обра^
зование волокон (фиброгенез) в организме часто проходит через
стадию линейной агрегации однородных глобулярных молекул;
строго упорядоченное расположение молекул в миелиновой обо-
лочке нерва является результатом последовательного наложения
ряда оболочек шванновских клеток и др.
Разумеется, что указанные факторы лишь частично характе-
ризуют возможный механизм образования упорядоченных биоло-
гических структур и
дальнейшие исследо-
вания несомненно
выявят гораздо более
сложную картину.
Не представляет-
ся возможным, ко-
нечно, рассмотреть
все типы биологичес-
ких структур, свя-
занные с биохимичес-
кими процессами в
организме. В даль-
нейшем изложении
мы ограничимся не-
сколькими примера-
ми наиболее харак-
терных типов струк-
тур, включая гетеро-
генное строение про-
топлазмы, клеточные
органоиды и мембра-
ны и сложные струк-
туры мышечного и
нервного волокон.
Эта последователь-
ность структур соот-
Рис. 40. Наклонная проекция кристалла ала-
нина
ветствует и эволюци-
онному развитию организмов от наиболее простых к высшим формам
организмов. Эти структуры могут быть разделены на два основных
типа — мембранные структуры и волокнистые структуры, которые
могут различным образом сочетаться в тканях органов (например,
в мышцах, нервах и др.). Интересно, что функции, выполняемые
каждым данным элементом биологической структуры, отличаются
чрезвычайно высокой специализацией; поэтому в тех случаях,
когда функция имеет сложную природу, биологически единичная
структура, выполняющая эту функцию (например, миофибрилла
при мышечном сокращении), отличается и высокой сложностью
255
морфологической организации. По мере развития эволюции диф-
ференциация структур и специализация их функций приобретают
все более законченный характер.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕТЕРОГЕННОСТЬ ПРОТОПЛАЗМЫ
В состав протоплазмы входит много различных веществ — бел-
ков, углеводов, липоидов, органических кислот, витаминов, элек-
тролитов и других, обладающих различной растворимостью в во-
де. В среднем протоплазма содержит 75—85% воды, 10—20%
белка, 2—3% липидов, 1% углеводов и около 1% солей и других
веществ; при пересчете на молекулярные соотношения это означа-
ет, что на 105 молекул воды приходится примерно 500—600 моле-
кул неорганических веществ, 5—6 молекул белков, 50—60 молекул
липидов и около 100 молекул других органических веществ (Гизе).
Так как максимальное количество прочно связанной воды по
известным данным составляет для солей типа NaCl 5—6 моле-
кул (в молекулах воды на молекулу вещества), для белков типа
серумальбумина — около 1000, для липидов типа лецитинов —
около 10 и столько же для органических веществ типа аминокислот,
глюкозы, или яблочной кислоты, то легко видеть, что количест-
во связанной воды в протоплазме указанного состава вряд ли
превышает 12—15%. Аналогичный результат получается при
экспериментальном определении связанной воды термодинами-
ческими (равновесными) методами, например, при измерении
упругости пара над мышечной тканью (Хилл). Таким образом,
большая часть воды протоплазмы находится в свободном состоя-
нии, хотя в цитоплазматических структурах (см. стр. 261) положе-
ние может быть иным.
Многие вещества в протоплазме находятся в истинно раство-
ренном состоянии, в форме молекулярного раствора, но ряд пло-
хо растворимых веществ образует включения коллоидных разме-
ров, подобные частицам эмульсий.
Растворенная, внешне однородная часть протоплазмы, отде-
ляемая при центрифугировании, называется гиалоплазмой. Гиало-
плазма является разбавленным тиксотропным гелем и не образует
фазы в термодинамическом смысле слова. Как известно из совре-
менного учения о полимерах, растворы полимеров и гели полиме-
ров в растворителе являются однофазными системами. На молеку-
лярном уровне гиалоплазма содержит нечто вроде сетки макро-
молекул, иногда называемой эндоплазматической сетью. Схемати-
чески строение протоплазмы показано на рис. 41, из которого
видно переплетение полипептидных или полинуклеотидных цепей
(их правильнее было бы изобразить в спиралевидной форме), и
наличие включений жировых капель и стабилизованных биомолеку-
лярными липоидными слоями частиц эмульсий. Таким образом,
протоплазма в целом образует коллоидную систему. Подобные сис-
256
темы образуются и при различных случаях коацервации (Бун-
генберг-де-Ионг), основанной на переходе от полного смешения
к взаимной ограниченной растворимости компонентов раствора.
Рис. 41. Схема молекулярной неоднородности протоп-
лазмы. Нитевидные частицы — полипептидные цепи;
палочкообразные частицы — липиды; Ш —частицы
жиров; о — молекулы воды
Так, например, коацерваты с расслоением в капельно-жидкой
форме (или в виде двух слоев) образуются из водных растворов
желатины при добавлении гуммиарабика, спирта или сернокисло-
го натрия, из растворов белка и нуклеиновых кислот, из растворов
двух белков с сильно различными положениями изоэлектрических
точек, когда белки обладают разными зарядами, из растворов
257
белков и солей жирных кислот и др. Во всех этих случаях раст-
воримость компонентов системы уменьшается в смеси.
Морфологически протоплазма имеет микрокоацерватное строе-
ние и многие биологи непосредственно рассматривают протоплаз-
му живых клеток как систему сложных коацерватов. По ряду фи-
зико-химических свойств (по вязкости, отношению к нейтральным
солям, изменению pH и температуры, поведению в электрическом
поле и др.) протоплазма действительно сходна с коацерватами.
Важное значение имеет также способность обеих систем к
избирательному поглощению веществ из среды; благодаря тому, что
некоторые вещества могут растворяться в каплях липидов или
в частицах •• эмульсий, их общее поглощение протоплазмой или
коацерватами становится выше, чем в гомогенном водном раст-
воре. Это явление повышенной растворимости в коллоидных сис-
темах называется солюбилизацией. Основное различие между
протоплазмой и коацерватами, однако, заключается в том, что
коацерваты образуются в результате взаимно ограниченной раст-
воримости компонентов и представляют собой термодинамически
равновесную систему, тогда как протоплазма содержит в себе ста-
билизованные коллоидные частицы или включения и принципиа-
льно не является равновесной системой. Тем не менее, по внешней
морфологической организации и ряду физико-химических свойств
протоплазма и коацерваты имеют много сходного. Согласно Опа-
рину, коацервация имела большое значение для пространственно-
го отделения и организации коллоидных веществ в истории воз-
никновения жизни на Земле.
Благодаря своему микрокоацерватному строению, протоплазма
характеризуется наличием большого количества молекулярных
поверхностей раздела. Эти поверхностные слои являются местом
адсорбции или неравномерного распределения концентрации ряда
растворенных поверхностноактивных веществ, особенно имеющих
асимметричное строение, при котором одна часть молекулы имеет
более полярное строение, чем другая. Например, в фосфолипидах,
липопротеидах, в некоторых белках имеется неравномерное рас-
пределение полярных (или ионных) и неполярных группировок.
Для таких молекул энергетически более выгодным является их
расположение в поверхностях раздела, когда эти различные груп-
пировки могут одновременно погружаться в различные фазы.
При достаточной концентрации адсорбированных молекул в по-
верхностном слое достигается определенная взаимная ориента-
ция молекул, которая может даже приводить к образованию «мо-
лекулярного частокола» из вертикально расположенных молекул
(рис. 42). Такой молекулярный слой с полярными группами, об-
ращенными в воду, и углеводородными цепями, обращенными в
наружную неполярную фазу, может стабилизировать каплю во-
ды в масле. Если на этот ориентированный слой нанести второй
молекулярный слой, в котором наружу будут уже обращены по-
258
лярные группы, а углеводородные цепи будут взаимодействовать
между собой, то такой бимолекулярный слой адсорбированных
веществ (например, липидов) сможет разделить различные участ-
ки водного раствора (см. рис. 41, внизу). К числу веществ, способ-
ных создавать структурированные поверхностные слои, относятся
также белковые вещества и некоторые протеиды — липопротеи-
ды, нуклеопротеиды и др. В результате весь объем протоплазмы
оказывается разделенным на множество участков с различными
значениями pH, окислительно-восстановительного потенциала, с
различными концентрациями растворенных веществ, с различной
оводненностью и др. Ориентированное расположение ионизиро-
ванных или дипольных молекул в поверхностных слоях приводит
также к возникновению скачка потенциала, который для диполь-
АГ’ А гстпи COS 6
ных молекул равен ДЕ =4 —, где — число диполь-
Рис. 42. Ориентированное расположение
адсорбированных молекул в поверхност-
ном слое
ных молекул на 1 см2, у. — дипольный момент, 0 — угол между
направлением диполя и перпендикуляром к поверхности раздела
и Е — диэлектрическая постоянная. Наличие зарядов в поверхно-
стях раздела может приводить к местным изменениям pH, которые,
по данным Шпека (1933),
могут отличаться на 1—2
единицы в кислую сторону
от средних значений pH в
объеме протоплазмы. Это
обстоятельство может, на-
пример, сильно изменять
активность ферментов в
поверхностях раздела.
Не менее' важное зна-
чение для протекания
биохимических реакций
в протоплазме имеет возможность растекания различных не
растворимых веществ в поверхностях раздела. Физические при
чины растекания заключаются в том, что силы молекулярного при-
тяжения в растекаемом веществе меньше, чем силы молекулярного
притяжения с пограничными жидкостями (но последних сил еще
недостаточно для растворения). Наиболее отчетливо это явление
наблюдается на границе раздела жидкостей или твердых тел
с воздухом. Интересно, что скорость растекания в поверхности
раздела может достигать значительной величины 20—60 см/сек,
в сотни раз превосходящую скорость диффузии в растворе. При
наличии в протоплазме разнообразных поверхностей раздела это
обстоятельство может иметь значение для передвижения веществ
в протоплазме одновременно по различным направлениям, хотя ко-
личественно этот вопрос еще не исследовался. Для ряда твердых
поверхностей была, однако, экспериментально доказана возмож-
ность подвижности адсорбированных молекул в поверхностном слое.
259
Наконец, следует отметить, что молекулярные поверхност-
ные слои отличаются лабильностью и могут легко изменяться "при
изменении состава среды. Особый интерес представляет воз-
можность перевертывания или переориентации молекул в поверх-
ности раздела под влиянием, например, накопления липидов в
водной фазе. Подобные явления наблюдались Лангмюром, а также
Пчелиным. В частности, Пчелин показал, что поверхность 10-про-
центного геля желатины, застудневающего в контакте с водой,
является гидрофильной, а застудневающего в контакте с бензо-
лом — гидрофобной. Это объясняется тем, что в первом случае
наружу обращены преимущественно полярные группы, а во втором
случае — неполярные группы молекул желатины. Даже после
окончания застудневания, при соприкосновении поверхности с
несмачивающей ее жидкостью, эта поверхность через некоторое
время начинает ею смачиваться в результате изменения ориента-
ции молекул в поверхностном слое. Эти изменения молекулярных
структур, в свою очередь, должны приводить к изменениям в ходе
метаболических процессов.
Ориентация и плотность упаковки молекул в поверхностях
раздела влияют на их доступность для реагирующих молекул и
тем самым на скорость реакции между ними. Не менее существенно
значение проницаемости молекулярных поверхностей раздела для
регулирования взаимодействия между ферментами и субстратами,
разделенными этими поверхностями раздела. Исследования распре-
деления ферментов в живой клетке показали, что в объеме про-
топлазмы находится большинство гидролитических ферментов.
Благодаря гетерогенному строению протоплазмы они часто отде-
лены от субстратов и их деятельность тонко регулируется в соответ-
ствии с физиологическими потребностями клетки; при отмирании
клетки гидролитические процессы становятся доминирующими.
Многие вещества могут проникать из объема протоплазмы в по-
верхностные слои в процессе комплексообразования; например,
дигитонин проникает в пленку холестерина, образуя плотную плен-
ку эквимолекулярного комплекса с удвоенной площадью. Эти яв-
ления имеют специфический характер и изменяют проницаемость
поверхностей раздела. Таким образом, высокая гетерогенность
строения протоплазмы на молекулярном уровне имеет большое
физиологическое значение.
Имеются чрезвычайно простые организмы, например, синезе-
леные водоросли Nostoc, лишенные ядра и хлоропластов, у кото-
рых внутренние поверхности раздела в протоплазме (цитомембра-
ны) являются по существу основным типом структур, однако уже
на ранних стадиях эволюционного процесса в клетке выделяются
специализированные структуры — клеточные органоиды; напри-
мер, клетки зеленых водорослей Nitella содержат структурно обо-
собленные митохондрии, характерные для клеток более высших
организмов.
260
ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ И ДЕЙСТВИЕ
ФЕРМЕНТОВ В ЖИВОЙ КЛЕТКЕ
Цитоплазма всех клеток содержит различные специализирован-
ные структуры, к числу которых относятся митохондрии, микро-
сомы, пластиды (в растительных клетках), некоторые секреторные
гранулы и др. Они могут быть выделены из гомогенатов клеток
различных растительных и животных тканей, полученных в ги-
пертоническом фосфатном буфере с добавлением сахарозы, путем-
дифференциального центрифугирования этих гомогенатов. ,Ядра
клеток (имеющие размер около 6 мк), отдельные сохранившиеся
клетки и другие крупные фрагменты отделяются при центрифуги-
ровании в течение 5—10 мин при 600—700 g; митохондрии, имею-
щие форму вытянутых телец, размером 0,3—0,5 мкх1—2 мк, от-
деляются при центрифугировании в течение 30 мин при 10 000 —
15 000 g (примерно в этих условиях отделяются и пластиды имею-
щие размер 3—6 мк)-, более мелкие гранулы с высоким содержа-
нием РНК — микросомы (размером 0,06—0,25 мк) отделяются
при центрифугировании в течение 1 ч при 100 000 g и, наконец, в
последнем центрифугате остаются растворимые белки, ферменты-
и низкомолекулярные вещества цитоплазмы.
Химический. состав различных цитоплазматических структур
(в процентах от сухого веса) приведен в табл. 33.
Таблица 33^
Химический состав структурных элементов клетки
(в процентах) (по Сисакяну)
Структурные элементы Белки Липиды Нуклеи- новые ки- слоты
Животные клетки
Ядра . . . . 47—72 10—46 26—44
Митохондрии - . . . - 65—70 25—30 0,5
Микросомы . 32—61 36—51 2,6—17
Растительные клетки
Пластиды . . 41—55 18—37 0,3—3,5<
Митохондрии 38—45 25—38 0,6—6,5-
Микросомы . 22—40 48—56 0,8—1,0
Колебания в химическом составе структурных элементов цито-
плазмы весьма велики, хотя обращает на себя внимание высокое
содержание липидов, большей частью в форме фосфолипидов (до-
30—40% от сухого веса). ДНК клеток почти целиком сосредоточена
в ядре, а РНК преимущественно содержится в микросомах. Со-
держание воды в митохондриях обычно составляет около 70%.
26k
Более детальная картина структурных элементов цитоплазмы
была получена путем изучения ультратонких срезов (до 150А) при
помощи электронной микроскопии. Этим путем была установлена
сложная внутренняя структура митохондрий. Они оказались ок-
руженными мембраной, отделяющей их от протоплазмы, и, кроме
Рис. 43. Схема внутреннего строения митохондрий (пояс-
нения в тексте)
того, разделенными складками мембраны на ряд отсеков или камер
(рис. 43, А, Б, В и Г — в разрезе) с поперечным сечением в 200—
300 А- Внутренняя и внешняя мембраны митохондрий одинаковы,
с толщиной около 160 А (рис. 43, Д); на рис. 44 показан вид мито-
562
хондрии в электронном микроскопе. На рис. 43, Е схематически
изображено упорядоченное расположение молекул липидов и бел-
ков в мембране, которое сходно с липопротеидными слоями в
протоплазме (см. рис. 41). Весьма важно отметить, что этот тип
структуры оказался общим для митохондрий из клеток млекопи-
тающих, амфибий, моллюсков и растений и является, таким обра-
зом, общим для всего
органического мира.
В растительных
клетках ряд функций
митохондрий выполняют
пластиды. К их числу
относятся хлоропласты,
содержащие хлорофилл,
хромопласты, содержа-
щие пигменты, обуслов-
ливающие окраску цвет-
ков и плодов, и лейко-
пласты, в которых про-
исходит накопление за-
пасных веществ (зерен
крахмала и др.). Плас-
тиды, как и митохонд-
рии, выделяют путем
дробного центрифугиро-
вания. Путем длитель-
ной обработки пластид
этиловым ' спиртом из
них удаляют липоиды
и затем отделяют стро-
му, состоящую преиму-
щественно из белковых
веществ. При электрон-
номикроскопическом
Рис. 44. Электронномикроскопическая
фотография митохондрии (длина 2 мк)
наблюдении также видно, что хлоропласты окружены внешней
мембраной и содержат ряд внутренних мембран (каждая толщиной
около 130 А). Из рис. 45 видно, что такие мембраны состоят из двух
единичных мембран (по 65—70 А), образованных слоями белков и
липоидов; особенностью хлоропластов является наличие в них
также слоев хлорофилла (толщиною около 5—6 А) и каротиноидов.
В микросомах клеток печени мышей было обнаружено два типа
частиц: большие частицы (собственно микросомы) размером более
130 ммк и малые частицы гранулярного типа размером 15 — 20ммк,
состоящие из рибонуклеопротеидов (гранулы Палада). Подобные
же частицы РНП содержатся на мембранах, заполняющих объем,
клеток печени или поджелудочной железы, секретирующих бел-
ки (рис. 46); они имеют вид плотных гранул, размером около 14 мк,
263
что соответствует молекулярному весу в 4—5 млн. Основная часть
РНК клеток входит в эти гранулярные частицы, содержащие при-
мерно по 50% РНК и белка и тесно связанные с процессами би-
осинтеза белка.
Чрезвычайно интересные результаты дало изучение распределе-
ния ферментов в различных фракциях гомогенатов и микрогисто-
химические исследования тонких срезов клеток при помощи раз-
Рис. 45. Схема внутреннего строения хлоропластов:
1,5 — белок, 2 хлорофилл, 3 — каротиноиды, 4 — фосфоли-
пиды, 5 —единичная мембрана
личных цветных реакций, изменяющихся при действии фермен-
тов. Эти методы позволили выяснить локализацию многих фер-
ментов в цитоплазматических структурах и показать, что они яв-
ляются организованными системами ферментов.
В частности, в ядерной фракции клеток печени крыс (наиболее
подробно исследованных) были найдены ферменты нуклеотидного
-обмена аденозин-5-фосфатаза, аденозиндезаминаза, НАД-нуклео-
зидаза и др. В митохондриях были найдены рибонуклеаза, дезок-
сирибонуклеаза, АТФ-аза, дегидрогеназы янтарной, лимонной,
изолимонной и глютаминовой кислот, различные цитохромы и
-флавопротеины, цитохромоксидаза, холиноксидаза и мн. др.
В целом в митохондриях оказались локализованными фермент-
ные системы, обеспечивающие основные окислительные процессы:
•окислительное фосфорилирование, окисление жирных кислот,
цикл трикарбоновых кислот (циклофоразная система, по Грину;
стр. 246, цитохромная система. С митохондриями также тесно
264
Рис. 46. Схема внутреннего строения ткани поджелудочной железы. Кружками выделены
области последовательного увеличения:
g — ^мбраны, б — рибосомные частицы, а — часть островков, а — внутримитохрндриальные м^мбран^г
«связаны процессы обмена аминокислот, липидов, биосинтез фосш
>фолипидов, мочевины и др. Таким образом, митохондрии являются
важным метаболическим центром клетки.
В микросомах были найдены различные эстеразы — ацетилхо-
линэстераза, холинэстераза, щелочная фосфатаза, аденозинтри-
фосфатаза, глюкозо-6-фосфатаза и др. Кроме того, как указыва-
лось, в микросомах содержатся частицы РНП, имеющие важное
значение в процессах синтеза белка в животной клетке; с другой
стороны, микросомы бедны гидролитическими ферментами. Нако-
нец, в надосадочной жидкости были найдены растворимые фермен-
ты, связанные с гликолитическими процессами: гексозодифосфа-
таза, . глюкокиназа,
кетогексокиназа, фос-
фоглюкомутаза, аль-
долаза, а также нук-
леозидфосфорилаза,
лейцинаминопептида-
за и др.
В пластидах рас-
тительных клеток
были найдены раз-
личные окислитель-
ные ферменты, деги-
Рис. 47. Зависимость активности инверта- дрогеназы, гидрола-
зы в растворе от продолжительности автолиза: зы и эстеразы (табл,
по оси абсцисс — время в часах, по оси ординат —ак- 34). В ХЛОрОПЛЭСТЭХ
тивность инвертазы в условн. ед. ПрОИСХОДИТ СИНТвЗ
пептидов, фосфолипи-
дов, а также синтез и окисление жирных кислот; специфичным
для хлоропластов являются процессы фотосинтеза: фотолиза воды,
фотосинтетического фосфорилирования и связывания СО2. В лейко-
пластах происходит образование крахмала.
Многие из перечисленных ферментов находятся в прочно свя-
занном состоянии на структурах пластид. По данным Сисакяна
и его сотрудников, эту связь можно нарушить продолжительным
автолизом, действием гипертонических растворов, изменением
pH и температуры. Деструкция пластид сопровождается перехо-
дом большей части связанных ферментов в свободное состояние.
Например, в процессе автолиза хлоропластов активность инверта-
зы в растворе возрастает почти втрое (рис. 47).
Интересно, что гликолитические ферменты относятся обычно к
вымываемым или растворимым ферментам, тогда как ферменты,
участвующие в переносе электронов и в сопряженных процессах
•окислительного фосфорилирования, образуют организованные
системы ферментов, прочно связанные с мембранами митохондрий.
При этом отдельные переносчики электронов, или компоненты ци-
тохромной системы, содержатся в мембране в эквимолярных от-
266
ношениях, образуя «ансамбли» ферментов примерно из шести
тесно примыкающих друг к другу молекул (рис. 48); к ним примы-
кает несколько вспомогательных ферментов, необходимых для
процессов сопряжения. Масса одной такой группы ферментов
(вместе с сопутствующими белками и липидами) составляет около
7-10"7г.
Расчеты, основанные на определении содержания цитохрома с
по спектрам поглощения, показывают, что в мембране всего одной
митохондрии клетки
печени крысы содер-
жится несколько тысяч
таких групп ферментов
при общем содержании
активных участков до
20% от вещества мемб-
раны. Таким образом,
мембраны митохондрий
(как и других клеточ-
ных структур) отнюдь
не являются пассивны-
ми поверхностями раз-
дела; они содержат
большое количество ор-
ганизованных групп
ферментов, имеющих
важное значение для
метаболизма клетки.
В процессах глико-
лиза или превращений
трикарбоновых кислот
ферменты взаимодей-
ствуют с рядом низ-
комолекулярных про-
межуточных продуктов,
Рис. 48. Группы дыхательных ферментов к
митохондриальной мембране:
1 — линии фрагментации, 2 — повторяющиеся струк-
турные единицы, 3 — сетка липопротеидов, 4 — ды-
хательные ансамбли, 5 — поперечное сечение
передача которых от одного фермента к
другому происходит путем диффузии в растворе. Поэтому для гли-
колитических ферментов нет необходимости в строгой фиксации их
пространственного взаимного расположения и они могут осуществ-
лять свои функции в растворе, в виде растворимых ферментов.
Как уже указывалось цепь гликолитических превращений углеводов
можно вообще осуществить в бесклеточном гомогенном растворе
ферментов. В отличие от этих процессов, перенос электронов-
происходит путем прямого контакта молекул ферментов цитохром-
ной системы, так как низкая скорость диффузии белковых молекул
в растворе (по сравнению с молекулами простых углеводов или
аминокислот) не могла бы обеспечить необходимой скорости
процесса дыхания. Отсюда возникает преимущество твердого-
фиксированного расположения дыхательных ферментов на мемб-
267
Таблица 34
Наличие ферментов в различных пластидах
(по Сисакяну)
Вид пластид
Ферменты
хлоро-
плас-
ты
хро-
мо-
пласты
лейко-
плас-
ты
Пероксидаза...................
Полифенолоксидаза ............
Цитохромоксидаза..............
Фосфорилаза...................
Инвертаза.....................
Амилаза.......................
Протеаза .....................
Дегидрогеназы ................
Каталаза .....................
Карбоангидраза ...............
Хлорофиллаза..................
Фосфоглюкомутаза..............
+
+
+
+
+
+
+
+
ране с образованием непрерывной последовательности белковых
молекул.
В подобных «твердых» системах ферментов и белковых молекул
возникают новые возможности передачи электрона и миграции
энергии непосредственно через эти молекулы или при участии
ближайшего слоя упорядоченных молекул воды (см. гл. 6). Не
исключена возможность вращательной подвижности адсорбиро-
ванных белковых молекул на мембране, способствующая сближе-
нию гем-групп между собой. Кроме того, все дыхательные фер-
менты обладают характерными спектрами флуоресценции, которая
также может играть важную роль в передаче энергии вдоль цепи
переносчиков. Несомненно, что наличие «твердых» рядов фермент-
ных белков на цитоплазматических структурах является принци-
пиально важной особенностью действия ферментов в живых клет-
ках.
Следует учитывать, что действие ферментов, адсорбированных
на цитоплазматических структурах, может существенно отличать-
ся от их действия в растворе. Ввиду заряженности внутриклеточ-
ных мембран и поверхностей раздела, концентрации Н+-ионов (pH)
и анионов у поверхностей заметно изменяется по сравнению с объ-
емной концентрацией. По данным Даниэлли, это различие pH для.
поверхностей митохондрий и клеточных мембран может составлять
ют 0,3 до 2,0 единиц pH (в более кислую сторону). Подобное сме-
щение pH и концентрации других ионов должно оказывать замет-
ное влияние на кинетику действия ферментов. Еще более сущест-
венное значение для активности адсорбированных ферментов может
иметь ограничение скорости ферментативной реакции процес-
сами диффузии субстрата по направлению к структуре или про-
268
ферментами несомненно, что
Рис. 49. Изменение включения
гликокола (/) и дыхания (//) при
нарушении структуры протоплас-
тов Microc. lysodeicticus в при-
сутствии различных концентраций
сахарозы:
по оси абсцисс — концентрация саха-
розы моль/л, по оси ординат —
шлп/мин на 10 мг сухого веса fl? и
мкл О2/30 мин на 10 мг сухого ве-
са (II)
процессов дыхания (рис. 49,
дуктов реакции от структуры, а также перемещение молекул фер-
ментов внутри митохондрий и других клеточных структур. Все
теории кинетики действия ферментов не учитывали до сих пор зна-
чения диффузионных процессов, так как в этих теориях рассмат-
ривались лишь процессы в гомогенных растворах, характеризую-
щихся свободным перемещением молекул ферментов и субстратов.
Для систем с адсорбированным
теории кинетики действия фер-
ментов должны быть сущест-
венно изменены, что до сих пор
еше не было сделано.
Повреждение клеточных
структур приводит к наруше-
нию координированного проте-
кания сопряженных фермента-
тивных процессов. Например, в
опытах Опарина, Гельман и
Жуковой нарушение целостнос-
ти бактериальных клеток вы-
зывалось воздействием лизоци-
ма на бактерии Micrococcus lyso-
deicticus в присутствии различ-
ных концентраций сахарозы (от
0,24 до 0,84 М), что позволяло
получить фрагменты клеток
— протопласты — с различной
степенью разрушения струк-
туры (которая контролирова-
лась при помощи снимков
в электронном микроскопе).
Было выяснено, что одновре-
менно происходит торможение
кривая II) и биосинтеза белков (рис. 49 кривая /); последний
процесс контролировался по включению меченого гликокола в бел-
ки протопластов. Из рис. 49 видно, что изменение обоих процессов
происходит по различным кривым при нарушении структуры про-
топластов.
Ферментативные функции структурных элементов клетки тесно
связаны с условиями среды и с физиологическим состоянием орга-
низма. Исследования Опарина, Курсанова, Сисакяна, Рубина и
др., проведенные в Институте биохимии им. А. Н. Баха АН СССР,
показали, что живая клетка может тонко регулировать соотноше-
ние процессов ассимиляции — диссимиляции, изменяя эффектив-
ное количество действующих ферментов путем связывания фер-
ментов или их десорбции протоплазменными структурами. Коли-
чественные определения активности ферментов в живых тканях
высших растений производились путем всасывания под разреже-
269
нием (вакууминфильтрации по Курсанову) субстратов или про-
дуктов ферментативной реакции в этой ткани.
Например, для изучения действия инвертазы в листе в него
вводился раствор сахарозы или смеси глюкозы и фруктозы и оп-
ределялась стационарная концентрация сахарозы в листе, кото-
рая оказывалась в обоих случаях одинаковой, но зависящей от
действующей концентрации фермента. Аналогичным образом ис-
следовалась активность протеаз, фосфатаз, окислительно-восстано-
вительных ферментов и
Рис. 50. Суточные изменения гидролиза
(пунктирная линия) и синтеза (сплошная
линия) сахарозы в листьях сахарной свеклы:
по оси абсцисс — время (t) в часах, по оси ординат—
концентрация сахарозы к (условн. ед.)
др. При применении
этого и других методов
оказалось, что в тече-
ние всего жизненного
цикла растения в от-
дельных его органах
ферменты испытывают
определенные ритмы сво-
ей активности, которые
состоят в суточных, се-
зонных, возрастных и
стадийных изменениях
стационарных состояний
(Опарин).
Например, в ходе
вегетации сахарной све-
клы и картофеля ак-
тивность ферментов в пластидах листьев падает, а в корнях и
клубнях возрастает, тогда как при хранении корней свеклы и клуб-
ней картофеля активность ферментов в лейкопластах снижается.
При отсутствии освещения (в условиях этиолирования) происходит
сильное обеднение пластид ферментами, а при освещении наблю-
дается резкое повышение ферментативной активности пластид
.(Сисакян). Суточные изменения синтеза и гидролиза сахарозы в
листьях сахарной свеклы показаны на рис. 50, из которого вид-
но, что от утра к полудню происходит преобладание процессов син-
теза, а к вечеру — усиление гидролиза (повышение действующей
концентрации гидролитических ферментов). Температурный оп-
тимум ферментативного синтеза крахмала в клубнях картофеля
в ночные часы лежит в области более низких температур, чем в
дневные часы, а в осенние месяцы — ниже, чем в летние (Рубин).
Все эти данные, характеризующие особенности поведения фер-
ментов в живых клетках, имеют большое не только теоретическое,
но и практическое значение.
Как указывалось в главе 2, возможность смещения стационар-
ных состояний при изменении действующей концентрации катали-
заторов — ферментов непосредственно следует из теории открытых
систем и в этом отношении все приведенные выше данные являются
270
подтверждением этой теории. Однако изменение активности фер-
ментов в живой клетке достигается не только изменением моляр-
ной концентрации эффективно действующих ферментов; оно вклю-
чает в себя и другие возможные механизмы изменения скорости
ферментативных реакций. В частности, важное значение имеет
изменение пространственного разделения ферментов и субстратов.
Достаточно указать, например, что техническая ферментация
листьев чая основана на окислении танинов ферментом полифено-
локсидазой, находящимся в том же листе, но начинающим реаги-
ровать с субстратом лишь после операции скручивания листа,
когда в результате механического повреждения целостность тка-
ней нарушается и фермент приходит в соприкосновение с субстра-
том. Значение пространственного фактора в другой связи подчер-
кивалось еще Гофмейстером (1901) и Палладиным (1910).
Наконец, в третьей главе были указаны многочисленные воз-
можности изменения ферментативной активности путем изменения
удельной каталитической активности или константы активности к2
ферментов в результате метаболических сдвигов pH, окислительно-
восстановительных условий среды, концентрации естественных
активаторов или ингибиторов и ряда других факторов, влияющих
на функционирование активных центров ферментов.
Все эти данные характеризуют глубокую связь между деятель-
ностью ферментов в живой клетке, физиологическим состоянием
организма и условиями внешней среды. Они показывают, что ход
ферментативной реакции в живой клетке может существенно от-
личаться от хода реакции при работе с изолированными препарата-
ми ферментов. Изменяя количество действующего катализатора
и условия его контакта с субстратом, а также путем тонких вариа-
ций в структуре катализатора, организм обладает такими воз-
можностями регулирования процессов обмена и химических прев-
ращений веществ, которые пока далеко превосходят возможности
регулирования обычных химико-технологических процессов.
Клеточные мембраны и перенос веществ
В предыдущих разделах были приведены многочисленные при-
меры структур мембранного типа в молекулярных плоскостях
раздела в протоплазме и в цитоплазматических органеллах — ми-
тохондриях, микросомах, пластидах и др. Основным элементом мем-
бранных структур являются два монослоя белковых молекул с
общей толщиной около 25 А. между которыми расположен бимо-
лекулярный слой липоидов (55А); таким образом, общая толщина
«элементарной» мембраны составляет около 70—80А- Подоб-
ные структуры встречаются во всех клетках растительных и живот-
ных организмов, притом начиная от цитоплазмы амеб и вплоть
до нервных клеток высших животных и человека. Они служат
примером замечательной общности организации некоторых типо-
271
вых полимакромолекулярных структур, лежащих в основе важ-
нейших биологических структур на всех ступенях эволюционного
развития. Во всем комплексе свойств, определяющих роль биоло-
гических структур в процессах жизнедеятельности, мембранные
структуры имеют первостепенное значение.
Необходимо подчеркнуть, в частности, что именно структуры
мембранного типа ограничивают клетки и отделяют их от соседних
клеток и окружающей среды (не касаясь даже клеток специальных
покровных и опорных тканей). Поэтому перенос всех веществ из
среды в клетку или из клетки в окружающую среду может происхо-
дить лишь при непосредственном участии клеточных мембран.
Именно наличие материального переноса веществ, обусловленного
жизнедеятельностью клетки, принципиально определяет любую
живую клетку или организм как открытую систему (см. гл. 2) и
лежит в основе самого ее существования.
Мембранные структуры, непосредственно связанные с перено-
сом веществ, могут достигать в живом организме огромного раз-
вития. Достаточно указать, что общая поверхность стенок крове-
носных сосудов в организме человека достигает, по Крогу, 6300 м2,
не считая слизистых оболочек внутренних органов, оболочек
эритроцитов, клеточных ядер и органелл и других клеточных
мембран. Общая поверхность мембранных структур различного
вида может достигать десятков тысяч квадратных метров. Ясно,
что при такой величине поверхности мембранные структуры не мо-
гут не иметь важнейшего значения для процесса переносов веществ.
Для оболочек эритроцитов, бактерий, дрожжевых клеток и др.
при помощи техники ультратонких срезов и электронной микрос-
копии при больших увеличениях (Сьестранд, 1957; Палад, 1956)
было непосредственно показано наличие элементарных мембран
указанного выше типа. Оболочка эритроцитов содержит белок —
строматин, липоиды и фосфолипиды (холестерин, лецитин, кефа-
лин), а также сложные полисахариды, определяющие группы
крови, и различные ферменты — щелочную фосфатазу, фосфокина-
зу и др. На основании определения содержания липидов в оболоч-
ках эритроцитов Гортер и Грендель еще в 1925 г. пришли к прави-
льному представлению о строении оболочек, так как этих липи-
дов по подсчету как раз хватало на образование бимолекулярного
слоя.
Измерения электрических характеристик (импеданса) эритро-
цитов показывают, что при пересчете на мембрану она должна об-
ладать высоким электрическим сопротивлением и статической
емкостью порядка 1 мкф/см2 (фактически в пределах 0,6—1,5
мкф/см2), что хорошо соответствует свойствам бимолекулярного
липоидного слоя (Фрике, 1925). При данной емкости С по формуле
плоского конденсатора С = можно рассчитать, что толщина
слоя диэлектрика d должна составлять 55 А при диэлектрической
272
постоянной около 6,0. В отношении молекул белка, примыкаю-
щих к липоидному слою, предполагают, что первый монослой на-
ходится в денатурированном или растянутом состоянии, а второй
или последующие слои образованы нативными глобулярными мо-
лекулами.
Некоторые свойства клеточных мембран действительно напоми-
нают просто свойства тонкой неводной фазы, разделяющей две вод-
ные фазы; например, проницаемость клеток для различных не-
электролитов приблизительно пропорциональна их растворимости
в масле. Она возрастает, по Овертону (1895), с удлинением угле-
водородной цепи или с увеличением числа алкильных групп и
падает при введении полярных групп (гидроксильных, карбок-
сильных, аминогрупп), обращенных к воде. Модель бимолекуляр-
ного липоидного слоя несомненно является весьма упрощенной, но
для многих органических молекул она количественно отвечает ч
переноса (Даниэлли). По Эйрингу (1949),
наблюдаемой скорости
мембрана между дву-
мя водными фазами
оказывает три вида
сопротивления пере-
носу молекул: два
— на переходе от
воды к мембране и
от мембраны к воде
(рис. 51, |1а и и
третье — в самой
мембране (рис. 51 pj.
В клеточной мемб-
ране толщиной около
50—70 А, существен-
ное значение имеют все'
Рис. 51. Схема энергетических барьеров при
переносе молекул через мембраны
три вида сопротивлений, а в обычных толстых
искусственных мембранах — только сопротивление внутри мемб-
раны. Для перехода молекулы из воды в мембрану надо вырвать
эту молекулу из воды, для чего надо разорвать водородные связи,
образуемые ею с водой, а также образовать подходящее отверстие
в липоидной фазе; на это требуется энергия активации ра. Пере-
ход через липоидную фазу требует п молекулярных перескоков
с активационным барьером и, наконец, переход во вторую
водную фазу требует преодоления барьера (сюда входит обра-
зование водородных связей с водой, поэтому
Было показано, в том числе для природных объектов (расти-
тельные клетки, яйца морского ежа), что для полярных молекул,
образующих более трех Н-связей с водой, основное значение имеет
величина тогда как для неполярных молекул, имеющих более
7 СН2-групп (алифатические амины), основное значение имеет
энергия выхода из мембраны (в этом случае Наконец,,
для многих молекул промежуточного типа (пропиловый спирт,
10 Заказ № 531 27а
этиленгликоль и др.) скорость диффузии лимитируется передви-
жением через саму мембрану.
Суммарно перенос веществ через мембрану может быть выражен
уравнением:
n = PS(a0-az К, (1)
где п — число молей данного вещества, переносимых за время
t (сек) через площадь мембраны S (сл(2) при разности концентрации
или активности (моль/см2) по обе стороны мембраны (а0—az). Ве-
личина Р называется константой проницаемости; она имеет раз-
мерность (см/сек). т. е. линейной скорости. Для искусственных
мембран Р является постоянной величиной, но для живых клеток
она зависит от многих физиологических факторов.
Уравнение (1) показывает, что перенос вещества пропорциона-
лен градиенту активностей или химического потенциала (для
ионов — градиенту электрохимического потенциала). Поэтому
такой перенос вещества называют переносом по градиенту кон-
центрации.
' В зависимости от температурного коэффициента переноса, он
может быть разделен на два основных вида. Если температурная
зависимость переноса вещества близка к температурному коэффи-
циенту диффузии в свободном растворе (Q10°^l,3—1,4), то перенос
называется простым; такова, например, диффузия пропилового
спирта в эритроциты. В этом случае природа пропилового спир-
та, как вещества промежуточной полярности, определяет основное
значение барьеров (см. рис. 51), близких к барьерам молеку-
лярных перескоков при диффузии в чистой воде. Однако для мно-
гих других веществ перенос через мембрану требует преодоления
заметных барьеров благодаря необходимости одновременного
разрыва нескольких межмолекулярных связей. Этот «коопера-
тивный» эффект приводит к значительной температурной зави-
симости, вследствие чего значение Qlo° может достигать 2—4.
Интересно, что эта величина близка или даже превосходит Qi0°
при химических реакциях. Поэтому установление для какого-
либо процесса в живых клетках подобного температурного ко-
эффициента отнюдь не должно считаться доказательством наличия
соответствующей химической реакции; оно в равной мере может
быть результатом изменений в явлениях переноса. В этом обстоя-
тельстве вновь проявляется характерное для открытых систем
переплетение констант переноса и химических реакций. Процес-
сы переноса веществ, идущие по градиенту концентрации, но с тем-
пературным коэффициентом Q10°>2, называются активационной
диффузией, т. е. требующей преодоления значительных актива-
ционных барьеров (свыше 8—10 ккал/моль)*. их не следует смеши-
вать с процессами активного переноса, идущими против грациента
концентрации (см. стр. 276).
Исследования кинетики переноса веществ в живые клетки по-
274
казали, что некоторые биохимически важные вещества проникают
значительно быстрее, чем следовало ожидать для простой или акти-
вационной диффузии, через бимолекулярный липоидный слой.
К их числу относятся такие биохимические важные вещества, как
сахара, аминокислоты, глицерин, вода, мочевина и др. Например,
по данным Даниэлли, глюкоза проходит в эритроциты со скоростью
почти в 1000 раз более высокой, чем можно было ожидать по меха-
низму простой диффузии; в то же время уже метил глюкоза не об-
ладает этой способностью. Это явление избирательной проницае-
мости в высокой мере характерно для всех биологических мембран
живых клеток. Проницаемость живых клеток, как указывалось,
сильно зависит от их физиологического состояния. Она увеличи-
вается при возрастании интенсивности дыхания, а ферментативные
яды (азид натрия, NaF, KCN) снижают скорость поглощения фос-
фатов и использования аминокислот для синтеза белков, что может
быть прослежено при помощи соответствующих изотопных мето-
дов. Интересно, что перенос веществ по механизму простой или
активационной диффузии не подавляется ферментными ядами;
это обстоятельство может быть использовано для выяснения ме-
ханизма переноса. Действие ионизирующих излучений, нагрева-
ния, электрического импульса повышает проницаемость клеток
и тканей, а гибель клетки всегда сопровождается необратимым
увеличением проницаемости, причем одновременно утрачивается
и избирательный характер проницаемости. Таким Образом, -оче-
видна непосредственная связь избирательной проницаемости и
переноса веществ живой клеткой из окружающей среды с метабо-
лическими процессами в клетке.
Следует отметить,--однако, что не во всех случаях аномально
быстрый перенос веществ в живую клетку может быть объяснен
процессами обмена веществ в клетке, так как аномально высокой
скоростью диффузии обладают и такие чуждые, клетке вещества,
как метиловый спирт и формамид. По-видимому, строение клеточ-
ных мембран сложнее, чем «элементарной» мембранной структуры;
в частности, предполагается наличие в мембранах некоторого ко-
личества пор или канальцев (с радиусом около 4—8А), нарушаю-
щих непрерывность двухмерного липоидного слоя и образованных
белковыми веществами. В этих, порах возможно образование во-
дородных связей с проникающими веществами, что значительно
облегчает их прохождение через мембрану; было показано, что
перенос таких веществ тормозится при добавлении других ве-
ществ, способных конкурировать за водородные связи (напри-
мер, аномально быстрый перенос глицерина подавляется глико-
лями по механизму конкурентного торможения). Перенос через
поры зависит от размеров и структуры веществ; кроме того, нали-
чие фиксированных зарядов на стенках пор влияет на прохождение
ионов и делает мембраны электрохимически активными. Напри-
мер, для такой модели, как коллодийная мембрана, несущая отри-
10*
275
цательные заряды, было показано, что при размере пор 9,7 ммк
число переноса СГ-ионов составляет 0,42 вместо 0,504 в свободном
растворе, а при размере пор 9 А — всего 0,20 (Григоров); это из-
менение числа переноса в мембране является мерой ее электрохи-
мической активности. В настоящее время получены искусственные
мембраны, обладающие предельной избирательной проницаемо-
стью в отношении ионов, т. е. пропускающие только ионы одного
знака. Такие мембраны используются для электрометрического
определения активности различных ионов (Са, РО4 и др.) в био-
химических системах, которые трудно измерить другими мето-
дами.
Все эти обстоятельства следует учитывать при анализе явле-
ний избирательной проницаемости для того, чтобы правильно выде-
лить процессы активного переноса, специфически обусловленные
обменом веществ в живой клетке. Решающим критерием этих
процессов является наличие переноса против градиента концент:
рации, т. е. от низшей концентрации к высшей; такой активный
перенос всегда является одновременна избирательным переносом,
так как клетка поглощает этим путем из окружающей среды толь-
ко те вещества, которые необходимы для ее жизнедеятельности.
Разумеется, клетка не всегда пользуется переносом против
градиента концентрации; например, при нормальном физиологи-
ческом возбуждении нервной или мышечной клетки (см. ниже)
перенос ионов Na+ и К+ происходит по. градиенту концентрации.
Однако этот перенос в период отдыха клетки также сменяется пе-
реносом против градиента концентрации, который является наи-
более важным видом переноса основных метаболических веществ;
потому что именно эти вещества обычно содержатся в клетке в
более высокой концентрации, чем в среде.
Выяснение механизма переноса веществ живой клеткой из ок-
ружающей среды против градиента концентрации или химическо-
го потенциала представляет большой интерес. Очевидно, актив-
ный перенос не может объясняться простыми процессами диффузии
или осмоса и требует затраты энергии за счет метаболических
процессов для совершения работы против градиента химического
потенциала. Теория активного переноса тесно связана с термоди-
намикой необратимых процессов и общей теорией открытых сис-
тем. Из термодинамики стационарных процессов следует, что за
счет необратимых химических реакций при наличии сопряжен-
ных процессов диффузии в системе может существовать длитель-
ное неравновесное распределение вещества, причем разность
концентраций такого вещества в системе и среде должна зави-
сеть от скорости химических реакций в системе. Пригожин тео-
ретически рассмотрел открытую систему, в которую поступает
компонент М из внешней среды и химически превращается в ней
в компонент N, который затем возвращается во внешнюю среду;
если потребление М, кроме того, может быть сопряжено с перено-
276
сом компонента О (хотя бы и не принимающего непосредственного
участия в реакции М. -+N) из среды в систему, то общий положи-
тельный прирост энтропии всей системы равен:
dsz / dnM dnN dnQ \
J/ =4сим.-^хим.+уДи“2Р + +^0 J/ J > 0, (2)
где ЛХим. иухим.—сродство и скорость химической реакции (см.
стр. 29), а члены, заключенные в скобку, характеризуют явления
переноса, с соответствующими для каждого компонента значения-
ми сродства переноса А и интенсивности переноса Величины
А и для трех компонентов М, N и О, или 1, 2, 3 связаны между
собой через соответствующие коэффициенты взаимосвязи Lt (см.
стр. 30); при этом, например,
~ % (^22^33 ^12^23 ^23 + ^13^22) УХИМ* (3)
При наличии химической реакции М -+N, ухим.>Ои, следова-
тельно, знак Ам зависит от алгебраической суммы членов, заклю-
ченных в скобку; эта сумма может быть положительной или отри-
цательной. При Дм >О перенос идет «по сродству переноса», т. е. по
градиенту, но при Дм <0 передвижение реагирующего компонен-
та будет происходить «против сродства переноса», т. е. против
градиента концентрации, за счет сопряжения с другими членами
уравнения (2), прежде всего за счет химического члена (Дхим. ^ХИм.)-
В отношении компонента М такой перенос при Дм <0 происходит
с уменьшением энтропии, но общее изменение энтропии всей сис-
темы, по уравнению (2), будет всегда положительным. Аналогич-
ные соображения могут быть применены к переносу какого-либо
другого вещества О, не входящего непосредственно в реакцию
M-+N.
Кинетическая теория активного переноса была выдвинута
Афанасьевым (1953), предположившим наличие в цепи живых кле-
ток градиента интенсивности биосинтетических процессов, в виде
градиента макроэргических фосфатов Е или ферментативной ак-
тивности, приводящему к градиенту стационарных концентраций
компонентов открытой системы в различных клетках.
В элементарном ферментативном цикле, в частности превраще-
ний сахаров и моносахаридов, сахароза S распадается на моноса-
хариды F и G, последние превращаются в фосфорные эфиры D
(под действием макроэргических фосфатов £*), которые с другой
молекулой моносахарида G образуют вновь сахарозу.
277
где кь к2, ks — константы скорости реакций и/4, F2, F3 — концент-
рации ферментов соответствующих реакций. В стационарных усло-
виях
dS
-37- = k3F3GD — k^S = 0,
dF
= ViS —k2F2E = 0; S + F + D = Л,
(4) J
' где А — сумма всех сахаров (процесс протекает без изменения 2
общей молярной концентрации). При решении этой системы урав- 7?
нений можно показать, что отношение концентраций сахарозы к j
моносах аридам: , g
S__________hf3GE
F+G - ZfiftG+fifJ- ’
(5)
с - 4
где / — kF. Из уравнения (5) видно, что при Е = 0 = 0 или
S = 0, т. е. при отсутствии поставки энергии вся сахароза распа-
дется до моносахаридов, а при Е постоянном и fifaG^ftfzE от-
ношение Е будет также постоянной (стационарной)
величиной, что обычно действительно и наблюдается в клетках. Л
Увеличение Е приводит к повышению уровня сахара. 1
При наличии градиента Е положим, что в соседних клетках 3
Ei < Е2, тогда теоретически следует, что стационарная концен- Ж
трация моносахарида G тоже будет неодинаковой, а именно: Gi> <
> G2. При наличии диффузии между клетками Gt начнет падать, J
a G2 — повышаться, т. е. в первой клетке произойдет уменьшение Ж
концентрации сахара, а во второй — увеличение; вторая клетка >
как бы синтезировала сахар за счет первой. Если цепь живых
клеток находится в стационарном состоянии с нарастающим от Й
периферии к центру ткани значениями Е, то в этой цепи должна Ж
происходить передвижка сахаров в глубь ткани в сторону больших J
значений Е, хотя бы этот перенос происходил против градиента Ц
концентраций. При этом передвигаться могут лишь такие вещест- "ч
ва, которые могут быть метаболитами. 'Я
При обратном направлении градиента Е, направленном от Я
живой системы в окружающую среду, данное вещество должно 1
выводиться из системы в среду. Этот процесс, возможно, лежит в <1
278 £
основе деятельности различных секреторных желез. Исходя из этих '
представлений, прямое доказательство наличия градиента макро-
эргических фосфатов Е (или других аналогичных градиентов) в
цепи живых клеток представляло бы большой интерес.
Разумеется, что теорию активного переноса нельзя построить
только на основе учёта роли внутриклеточных метаболических про-
цессов, игнорируя роль и свойства мембран в этом пе-
реносе. В настоящее время достаточно хорошо установлены пря-
мыми электронномикроскопическими методами наличие и тонкая
структура многих типичных клеточных мембран, общая поверх-
ность которых в организме человека достигает десятков тысяч ква-
дратных метров. Полагать их свойства безразличными и игнориро-
вать их роль в переносе было бы в такой же мере неправильно, как
и допускать обратную ошибку (которая делалась в старых теориях),
что перенос веществ в живую клетку определяется только задан-
ными свойствами полупроницаемых клеточных мембран, облада-
ющих постоянными механическими и физико-химическими свой-
ствами. В действительности, клеточная мембрана является струк-
турой, активно принимающей участие в ряде биохимических про-
цессов, и, в свою очередь, изменяющей под их влиянием свою
проницаемость. Взаимосвязь этих процессов можно показать на
нескольких сравнительно более изученных примерах.
При помощи измерений с фазово-контрастным микроскопом бы-
ло показано, что проницаемость мембраны митохондрий зависит
от концентраций АТФ, магния, неорганического фосфата в среде;
интересно, что она сильно изменяется при действии малых концен-
траций тироцдного гормона, вызывающего быстрое набухание
и повышение проницаемости мембраны для сахара и других малых
молекул. Оказалось, что мембрана способна к ритмическому на-
буханию и сокращению и обладает пластичностью формы. Добав-
ление АТФ к митохондриям сердца вызывает их быстрое сокраще-
ние с отделением воды; возможно, что подобные процессы имеют
значение и в деятельности почек. Интересно, что проницаемость
и степень сокращения митохондриальной мембраны зависит также
от степени окисления дыхательных ферментов, присутствующих
в мембране. Так, тироксин и неорганический фосфат вызывают по-
вышение проницаемости мембраны лишь в том случае, если ука-
занные ферменты находятся в полнбстью окисленном состоянии;
если же они находятся в полностью восстановленном состоянии,
то эти вещества не влияют на проницаемость мембраны. В этом
факте находит свое непосредственное выражение связь проницае-
мости с окислительными процессами, отмеченная ранее для зави-
симости поглощения веществ от интенсивности дыхания.
Таким образом, группировки или ансамбли дыхательных фер-
ментов в мембране митохондрий не только являются местом реак-
ций окислительного фосфорилирования, но и контролируют в
известной мере скорость поступления необходимых матаболитов
279
и удаления продуктов реакций (Н2О, АТФ и др.). Мембраны по
существу являются ферментными механохимическими системами,
что создает известную общность явлений переноса с сократитель-
ными процессами (Даниэлли).
Сложное строение имеет также оболочка дрожжевой клетки,
которая содержит ферменты (фосфатазы, инвертазу), имеет барье-
ры проницаемости, центры связывания катионов и др. Наличие
фосфатазы на поверхности клетки доказывается тем, что клетка
способна гидролизовать меченые Р32 фосфатные соединения в среде
без появления метки во внутриклеточном фосфате. Дрожжевая
клетка непроницаема для анионов; такие органические кислоты,
как пировиноградная и молочная, легко проникают и окисляются
в клетке, но при более высоких pH в среде они переходят в ионную
форму и уже не могут проникнуть в клетку; при поглощении или
отдаче К+-ионов баланс ионов всегда поддерживается компенси-
рующим переносом Н+-ионов, но не переносом анионов. Барьеры
проницаемости для белков, одно- и двувалентных катионов различ-
ны, так как изучение их распределения в объеме клетки показы-
вает, что белки задерживаются непосредственно на внешнем слое,
а двувалентные катионы — во внешнем объеме, составляющем
около 10% объема клетки. Активный характер переноса К+- и Н+-
ионов виден из того, что оба переноса происходят против гради-
ента активностей; например, поглощение К+-ионов и отдача Н+-
ионов происходят из 10~4 М концентраций в среде, хотя внутри
клетки концентрации К+-ионов составляет 0,2 М, а Н+-ионов
10"6 М (явления распределения ионов между клеткой и средой и
роли мембран в этих процессах были подробно рассмотрены в
гл. 4). Ротштейн (1956) изображает структуру оболочки дрожжевой
клетки в виде многослойной сложно дифференцированной струк-
туры, со специализированными функциями в каждом слое
(рис. 52).
Для клеточной мембраны бактерий золотистого стафилококка
было показано, что она содержит до 90% общей активности фосфа-
тазы и сукциндегидрогеназы и 90% фермента — цитохрома (по-
следний определяется по оптическому поглощению при 425 ммк).
Для мембраны нервного волокна было показано значение аце-
тилхолина для ее проницаемости, регулируемой ферментной сис-
темой холинацетилаза—ацетилхолинэстераза (см. стр. 319). В част-
ности, было установлено, что действие одной молекулы ацетил-
холина на несколько миллисекунд изменяет условия прохождения
500—1000 ионов Na+ в клетку. Этот результат совершенно нельзя
было бы объяснить, если бы действие ацетилхолина заключалось
в каком-либо объемном эффекте, например, в изменении сорбцион-
ных свойств протоплазмы; напротив, он естественно объясняется
локальным изменением структуры бимолекулярной мембраны при
действии молекулы ацетилхолина, которая затем быстро гидроли-
зуется под действием фермента ацетилхолинэстеразы.
280
Таким образом, клеточные мембраны, как и мембраны цитоплаз-
матических структур, непосредственно связаны с деятельностью
ряда ферментов. Это создает возможность тесной взаимозависи-
мости между их ролью в биохимических процессах и изменениями
их проницаемости и структуры.
Локализация некоторых ферментов в мембране или в прилегаю-
щем к ней слое протоплазмы позволяет в принципе объяснить
бнутренияя часть
Рис. 52-. Схема функциональной структуры оболочки дрож-
жевой клетки
и явления активного переноса. Вещество А из внешней среды мо-
жет в самой мембране или в прилегающем к ней слое перейти в
результате ферментативной реакции в какое-либо производное
АР (например, глюкоза в глюкозофосфат при участии АТФ и
фермента гексокиназы), неспособное к обратному прохождению
через мембрану в среду (Драбкин, 1948, Уссинг, 1956). В резуль-
тате вещество А исчезает с внутренней стороны мембраны и про-
должает поступать из внешней среды по градиенту концентрации
или химического потенциала; с другой стороны, вещество ДР,
находясь около мембраны при более высокой концентрации, диф-
281
фундирует в глубь клетки также по градиенту концентрации; там/
оно ассимилируется, превращается в другое производное или',
вновь переходит в А (например, глюкозофосфат в глюкозу под u
действием фосфатазы), которое может пройти через другую мем- '
брану и т. д. Таким образом, активный перенос не означает, 'что
вещество А в неизменном состоянии переносится против гради-
ента его концентрации; возможно, что энергия метаболических
процессе в как раз затрачивается на такие химические превраще-
ния Л, при которых на каждом этапе переноса движение проис-
ходит по градиенту концентрации данного производного А, но
суммарный баланс процесса переноса А (сахаров, аминокислот -
и др.) соответствует передвижению против градиента концентра-
ции. Например, перемещение сахара из листьев в корень свеклы,
примерно от концентрации 0,4% к 15%, т. е. против градиента кон-
центрации, происходит, по данным Курсанова и сотрудников (1949),
через промежуточную стадию фосфорилирования, причем в ли- ;
стьях свеклы (как и ряда других растений) было обнаружено вы-
сокое содержание гексозомонофосфатов.
Перенос вещества против градиента концентрации широко осу-
ществляется и в технике, в различных методах экстрагирования,
но при этом всегда используется различная растворимость перено- :
симого вещества в соседних фазах, удовлетворяющая достаточно
высоким коэффициентам распределения.
Однако применение подобных представлений к активному
переносу в живой клетке (что иногда встречается в литературе), '
когда этот перенос рассматривают просто как результат опреде-
ленного распределения веществ между водной средой и протоплаз-
мой клетки, играющей роль особой «фазы», является несомненно
чрезмерным упрощением. Иногда отмечается значение образова-
ния недиссоциированных соединений в клетке или «солюбилиза-
ции» для процесса переноса против градиента концентраций, но
и эти явления измененной растворимости вряд ли имеют сущест-
венное значение. Несомненно, что проблема активного переноса
не сводится к измененным условиям растворимости веществ. Более
вероятным, по-видимому, является прямое химическое изменение
переносимых веществ с затратой макроэргических связей (напри-
мер, с образованием фосфорилированных производных) и возник-
новением ряда концентрационных градиентов на клеточных мем-
бранах и внутриклеточных структурах или непосредственное
вовлечение переносимых веществ в метаболические циклы.
Высокие скорости передвижения веществ (до 1—2 м/ч), во мно-
го раз превосходящие обычные скорости диффузионного переноса,
могут обеспечиваться внутриклеточными гидродинамическими дви-
жениями протоплазмы, переносом по молекулярным поверхно-
стям раздела и др. Активный избирательный перенос за счет энер-
гии метаболических процессов весьма характерен для живых
организмов; он прекращается с прекращением жизнедеятельно-
282
сти. Общий баланс процессов переноса всегда связан с потерей
свободной энергии и повышением энтропии системы по уравне-
нию (2).
Хотя молекулярный механизм активного переноса еще остается
невыясненным, несомненно, что структура и свойства клеточных
мембран в их взаимосвязи с биохимическими процессами имеют
важнейшее значение для осуществления всех явлений переноса
веществ в живой клетке.
МЫШЕЧНОЕ СОКРАЩЕНИЕ
Мышечное сокращение представляет собой одно из наиболее
сложных физиологических явлений, в котором в единый ком-
плекс сплетается влияние нервного импульса, гистологической
структуры мышц, молекулярного строения мышечных белков,
их ферментативных свойств, биохимических реакций, электро-
химических изменений и ряда тепловых и физико-механических
процессов.
Значение изучения этого явления определяется тем, что мы-
шечное сокращение лежит в основе функции движения — одного
из основных проявлений жизнедеятельности; кроме того, мышеч-
ные реакции играют важную роль в тепловом балансе организма
и в поддержании необходимой температуры тела. Наконец, зна-
чение проблемы мышечного сокращения заключается в том, что
изучение механизма прямого превращения химической энергии
в механическую работу, без промежуточного превращения в тепло-
вую или электрическую энергию, представляет большой техни-
ческий интерес, открывая перспективы создания нового типа дви-
гательных устройств.
Все.эти обстоятельства привлекали внимание большого числа
исследователей в течение многих десятилетий к проблеме мышечно-
го сокращения. Однако, ввиду крайней сложности проблемы, раз-
личные ее аспекты разрабатывались в значительной мере изоли-
рованно и, несмотря на огромное количество исследований, мно-
гие существенные вопросы остаются еще неясными.
В предыдущих разделах было характеризовано строение, широ-
кое распространение и значение мембранных структур в организме.
Для процессов мышечного сокращения наиболее существенное
значение имеет другой основной тип биологических структур —
волокнистые структуры. В наиболее отчетливой форме эти структу-
ры представлены в клетках скелетных поперечнополосатых мышц,
обеспечивающих механическое движение; им посвящено наибольшее
количество исследований. Необходимо, однако, указать на боль-
шое значение «гладких» мышц внутренних органов, протал-
кивающих их содержимое, сердечной мышцы, периодическое сокра-
щение которой определяет кровообращение и др.
283
ТОНКАЯ СТРУКТУРА МЫШЦ
Макроскопическая мышца скелетной мускулатуры позвоночных
(рис. 53, Л) состоит из нескольких тысяч параллельных мышечных
волокон, заключенных в общую оболочку; на концах такая мышца
переходит в сухожилия, прикрепляющие ее к костям скелета.
Мышечное волокно (рис. 53, 5), в свою очередь, образовано
пучком параллельных мышечных фибрилл (миофибрилл), причем
весь пучок обтянут мембраной коллагенового типа — сарколем-
мой; к каждому мышечному волокну присоединено окончание нерв-
ного волокна. Мышечное волокно имеет толщину от 10 до 100 мк
и длину до 1—2 см', оно способно к сокращению под влиянием нерв-
ного импульса и является как бы биологической единицей или
функциональным элементом сократительной системы. Число мы-
шечных волокон, возбуждаемых в целой мышце, может изменяться
в зависимости от характера нервного импульса организма, что по-
зволяет тонко регулировать работу мышцы.
При микроскопическом наблюдении мышечные волокна скелет-
ной мускулатуры обнаруживают правильное чередование темных
и светлых полос, приводящее к характерной поперечной поло-
сатости, определяющей название этой группы мышц. Поперечная
полосатость определяется точным соответствием взаимного рас-
положения миофибрилл, которые также обладают чередующимися
темными и светлыми полосами.
В мышечном волокне содержится много ядер вытянутой формы,
располагающихся вблизи сарколеммы, и большое количество гра-
нулярных тел — саркосом, находящихся между миофибриллами
(рис. 53, В). Саркосомы по существу являются митохондриями мы-
шечных клеток, которые содержат основные окислительно-восста-
новительные и фосфорилирующие ферменты; они являются цент-
рами образования макроэргических фосфатов, прежде всего АТФ.
Миофибриллы, саркосомы и ядра погружены в протоплазму
мышечных волокон — в саркоплазму, белки которой составляют
около 20% белков волокон. В саркоплазме содержится миоальбу-
мин и ряд растворимых ферментов — фосфоглюкомутаза, фосфо-
рилаза, креатинфосфокиназа, альдолаза (миоген А) и др. Из
саркоплазмы к миофибриллам непосредственно подходят вещества,
необходимые для сокращения, а в обратном направлении поступают
вещества, являющиеся продуктами сократительного акта.
В саркоплазме находятся также жировые включения, играющие
роль запасного субстрата для окисления и получения энергии; они
особенно многочисленны у птиц и рыб перед периодом миграций.
Наконец, сарколемма мышечных волокон представляет собой
особый тип мембранных структур в виде тонких коллагеновых ни-
тей, обтягивающей мышечное волокно; с внешней стороны сарко-
лемма имеет более плотное строение, чем с внутренней. Толщина
сарколемму составляет около 25 ммк. Через сарколемму происхо-
284
дит обмен веществ между мышечным волокном и окружающей
средой; путем растяжения и сжатия петель сети сарколеммы ее
деформация следует за деформацией мышечного волокна.
Рис 53. Схема тонкой структуры мышцы. Прямо-
угольниками выделены области последовательного
увеличения (пояснения в тексте)
Миофибриллы имеют толщину около 0,5—2 мк (рис. 53, Г) и со-
стоят из нескольких сотен протофибрилл или нитей, каждая из
которых, в свою очередь, состоит из пучка цепей белковых молекул,
285
расположенных строго упорядоченным образом (рис. 53, Е). Миофиб-
риллы являются основным белковым компонентом мышечной
ткани. В мышце всего содержится около 20% белка (остальное
приходится на воду и растворенные низкомолекулярные веще-
ства), из них около 1/5 части содержится в саркоплазме и около
2/3 — в миофибриллах; при этом именно в миофибриллах сосре-
доточены сократительные белки мышцы.
Как указывалось, в миофибриллах наблюдается правильное
чередование темных и светлых полос. Более темные или опти-
чески плотные полосы обладают двойным лучепреломлением
и являются, следовательно, анизотропными (Л-полосы на рис.
53, Д); более светлые полосы являются изотропными (/-полосы).
Длина Л-полос составляет около 1,5 мк, а /-полос — около
0,8 мк. В средней части Л-полос наблюдаются более светлые
//-зоны, а /-полосы делятся узкой плотной Z-линией. Таким об-
разом, в миофибриллах наблюдается следующая повторяющаяся
последовательность линий и полос: Л-полоса (с //-зоной в центре),
/-полоса, разделенная Z-линией, затем вновь Л-полоса и т. д.
Отрезок миофибрилл между Z-линиями (рис. 53, Д) называется
саркомером^ его длина составляет в среднем 2,3 мк. Миофиб-
риллы, лишены каких-либо мембран и находятся в непосред-
ственном контакте с саркоплазмой.
Применение электронной микроскопии к ультратонким срезам
мышечных волокон (Хаксли и Хансон, 1953) показало, что мио-
фибриллы образованы двумя типами протофибрилл (рис. 53, Е):
более толстыми—диаметром в 100 А и длиною 1,5 мк и более
тонкими — диаметром в 40—50 А и длййою 2 мк. Взаимное рас-
положение этих двух типов протофибрилл объясняет происхож-
дение поперечной полосатости мышечных волокон. Из рис. 53, Д
и Е видно, что протофибриллы частично перекрывают друг друга,
и в результате плотные Л-полосы видны в зонах наложения тол-
стых и тонких нитей, светлые /-полосы соответствуют наложе-
нию только тонких^ а //-зоны — наложению только толстых
нитей. Узкая полоса плотного вещества, разделяющего пополам
тонкие нити, отвечает Z-линии; возможно, что юна образует нечто
вроде поперечной мембраны, соединяющей миофибриллы с сар-
колеммой мышечного волокна. На рис. 54 показан снимок (по
Хаксли) в электронном микроскопе ультратонкого среза (около
150 А), содержащего в некоторых местах лишь один слой нитей;
на снимке ясно видно чередование толстых и тонких нитей. В ра-
ботах многих других авторов исследовались более толстые срезы
(в 600—1000 А), Для которых получение определенных резуль-
татов затруднялось, вследствие наложения нескольких слоев
протофибрилл. Поэтому лишь в последние годы удалось уста-
новить достаточно ясную картину тонкого строения мышечных
волокон, что имело большое значение для выяснения механизма
мышечного сокращения
286
Замечательная упорядоченность взаимного расположения тол-
стых и тонких протофибрилл проявляется и на поперечных срезах
(рис. 55), где ясно видна правильная гексагональная упаковка
нитей в мышце крыла насекомого, при которой каждая тонкая
нить лежит посредине между двумя толстыми. В мышцах поз-
Рис. 54. Электронномикроскопическая фотография ультратонкого
среза (около 150 А) мышечной ткани
Рис. 55. Гексагональная,
упаковка протофибрилл в
мышце крыла насекомого
(электронномикроскопичес-
кая фотография)
воночных упаковка волокон несколько иная, при которой каждая
тонкая нить лежит симметрично относительно трех толстых нитей;
на продольном срезе это соответствует расположению двух тонких
нитей между толстыми (рис. 56). Рас-
стояние между двумя тонкими нитями
составляет 200—300 А; в эти проме-
жутки проникают растворенные ве-
щества и ферменты саркоплазмы, чем
обеспечивается более тесный контакт
между саркоплазмой и миофибриллами.
Важной особенностью строения
миофибрилл, по Хаксли, является
наличие видимых на снимках (при уве-
личении до 600 тыс. раз) поперечных
мостиков между толстыми и тонкими
протофибриллами. Каждый мостик
исходит от толстой нити с интервалом,
примерно в 60—70 А, причем расположение соседних мостиков
образует между собой угол в 60°. Таким образом, расположение
мостиков образует спираль, витки которой повторяются через
каждые 6 мостиков или через каждые 400 А вдоль толстой нити.'
Эти мостики соединяют толстую нить с каждой из шести соседних
тонких нитей один раз через каждые 400 А- В мышцах насекомых
мостики повторяются через 250 А- Мостики, подобно самим про-
тофибриллам, имеют белковую природу, так как они исчезают
при обработке пепсином.
287
Следует отметить, что методом рентгеноструктурного анализа
(под малыми углами) на скелетных мышцах позвоночных- ранее
также были установлены большие периоды повторяемости —
около 400 А, которые, возможно, соответствуют периоду повто-
ряемости мостиков между протофибриллами.
Л
Рис. 56. Схема и электронномикроскопическая
фотография тонкой структуры мышечного волокна
позвоночных
МЫШЕЧНЫЕ БЕЛКИ
Если физиологической единицей мышечного сокращения яв-
ляется мышечное волокно, то основным структурным носителем
сократительной активности мышцы несомненно являются мио-
фибриллы. Как указывалось, именно в миофибриллах сосредото-
чены сократительные белки мышцы, которые составляют около
80% белков миофибрилл; из них основное значение имеют два
белка — миозин и актин, меньшее значение имеют тропомиозин
(около 4% белков) и некоторые другие белки. Некоторые моле-
кулярные характеристики мышечных белков приведены в табл. 35;
подробнее они будут рассмотрены ниже.
Миозин составляет главную часть плотных Л-полос миофиб-
рилл; количественно он составляет около 60% белков миофиб-
рилл. Локализация миозина в Л-полосах доказывается тем, что
они исчезают после обработки мышечных волокон 0,54 М раст-
вором КС1 с 0,01 М пирофосфатом натрия при pH 6,5 или неко-
торыми другими растворами, позволяющими экстрагировать мио-
зин. Частицы миозина, по-видимому, являются продуктами ассо-
циации, так как в растворах мочевины они распадаются до молекул
сМ = 165000, хотя опыты проводились в условиях, исключающих
288
разрыв пептидных связей. Частицы с М = 165 000 имеют вытянутую
форму; соотношение длины и поперечного диаметра в них состав-
ляет около 30—40. В обычных солевых растворах молекулярный
вес миозина, по различным данным, равен 420000—850000; в по-
следнее время принимают около 560000. Такие частицы имеют
длину около 1600—2300 А и диаметр около 23 А, т. е. они являются
сильно вытянутыми частицами с соотношением полуосей около
100. Благодаря наличию вытянутых частиц растворы миозина
обладают значительным двойным лучепреломлением при тече-
нии, которое соответствует частицам с длиной от 870 А Д° 3170А
в зависимости от состава среды и условий измерения; в частности,
в растворах 5 М гуанидина молекулярный вес миозина составляет
200000. Эти различия также характеризуют агрегационные из-
менения в молекулах миозина.
Таблица 35
Молекулярные характеристики мышечных белков
Белок Молеку- лярный вес, тыс. Длина моле- кул, о А Отноше- ние осей, в/а Со- держ. а-спи- ралей, % АТФ- азная актив- ность
Миозин 450 1600 50 45 +
Я-меромиозин . . 230—330 400 15—20 45 +
L-меромиозин 96—140 550 30—40 74 —
L-меромиозин, фракция I 110—120 — 30—40 100 —
Актин 57—74 290 12 — —
Тропомиозин ’. 53 385 25 94 —
При ферментативном расщеплении под действием трипсина
химотрипсина, субтилизина, чистый миозин может быть разделен
на два компонента — меромиозина, которые отличаются по своим
свойствам, но в совокупности обладают свойствами исходного
миозина. Более легкий компонент — L -меромиозин обладает
молекулярным весом 96 000, длиной частиц около 450 А и отноше-
нием полуосей частиц около 26. Более тяжелый компонент —
Н-меромиозин — имеет молекулярный вес 230 000, длину частиц
около 400—430 А и отношение полуосей около 15. Хотя эти дан-
ные несколько изменяются в зависимости от условий получения,
примерно в молекуле миозина содержится две частицы L-мероми-
озина и одна частица Я-меромиозина, связанные между собою
пептидными связями. Возможно, что частицы меромиозинов со-
стоят из еще меньших частиц белка —протомиозина (с М~20 000).
Благодаря форме своих молекул миозин относится к типичным
фибриллярным белкам. Полипептидные цепи миозина в растворах
имеют примерно наполовину форму а- спиралей, а в остальной
части их форма менее упорядочена; в L-меромиозине содержание
а-спиралей составляет около 75%. Электронномикроскопические
289
снимки и рентгеноструктурный анализ указывают на наличие
миозине и в L-меромиозине периода повторяемости по оси 400— /
420 А, который соответствует периоду повторяемости в миофиб-
риллах и, возможно, связан с образованием поперечных мостиков \
(см. выше).
Важным свойством миозина является его способность расщеп-
ления аденозинтрифосфорной кислоты АТФ; механизм этого .
ферментативного процесса подробно рассматривался в главе 3.
Очищенный миозин отщепляет от АТФ только одну концевую
фосфатную группу:
АТФ + Н2О -> АДФ + Н3РО4,
но благодаря обычной примеси фермента- миокиназы частично ;
может происходить реакция 2АДФ АМФ + АТФ. Помимо
АТФ, миозин способен также расщеплять другие нуклеозидтри-
фосфаты, например, инозинтрифосфат (ИТФ), гуанозинтрифосфат
(ГТФ), но содержание их в мышцах составляет всего 1—2% от 7
АТФ. Миозин не расщепляет АДФ. Несмотря на многие попытки,
даже при самой высокой очистке миозина не удалось отделить от
него фактор расщепления АТФ и таким образом была установлена
идентичность миозина и фермента аденозинтрифосфатазы. Это
замечательное соединение в миозине сократительных и фермен-
тативных свойств было впервые установлено Энгельгардтом и -
Любимовой в 1939 г.
Интересно, что из двух меромиозинов лишь Я-меромиозин
обладает аденозинтрифосфатазной активностью; L-меромиозин не
расщепляет АТФ. Поэтому в цепи миозина аденозинтрифосфа-
тазная или АТФ-азная активность распределена не равномерно,
а локализована лишь в определенных участках. Существенное
значение для АТФ-азной активности имеют SH-группы миозина;
эти же SH-группы участвуют во взаимодействии миозина с ак-
тином (см. ниже). Химическая модификация SH-групп (путем
замещения атома водорода на алкильную группу или атом ме-
талла) приводит к одновременному подавлению этих процессов.
Ферментативная активность чистого миозина усиливается ионами
Са2+ и ослабляется ионами Mg2+, однако в комплексе миозина и
актина Mg2+ производит активирующее действие.
Способность именно АТФ (но не АДФ) к ферментативному от-
щеплению концевой фосфатной группы^ была объяснена Сент-
Дьердьи на молекулярной модели АТФ тем, что только в АТФ
существует возможность такого изгибания молекулы, при котором
фосфатный и пуриновый концы молекулы могут сближаться с
образованием кольца между концевой разрываемой связью
Р — О — Р и пуринами (рис. 57). Атомы Mg и Са, соединяя 2NH2;
пуринов и 20“ фосфатов, могут образовать мост, через который
электроны от 20’ фосфатов могут переходить к пуринам с их сис-
темой конъюгированных двойных связей; при этом прочность связи
290
р__О—Р уменьшается, и она легко подвергается гидролитиче-
скому расщеплению.
В АДФ эти условия отсутствуют и отщепление концевой груп-
пы затруднено. Перенос электронов от АТФ к миозину с проме-
жуточным образованием свободных радикалов был подтвержден
^методом электронного пара-
магнитного резонанса (ЭПР)
(Каюшин и др., 1961).
Ввиду того что расщеп-
ление АТФ сопровождается
освобождением довольно зна-
чительного количества энер-
гии, этой ферментативной
реакции миозина несомненно
принадлежит весьма важная
роль в энергетике мышечно-
го сокращения.
Скорость накопления не-
органического фосфата в ре-
зультате расщепления АТФ
в работающей мышце сос-
тавляет 10-4—10’3 моль!мин
на 1 г мышечной ткани, что
примерно соответствует удель-
ной ферментативной актив-
ности миозина. С другой
стороны, по данным Бэйли,
Сент-Дьердьи, отщепление в
1 сек 0,3 мг Р или 10’5 моль!сек,
которое отвечает выделению
0,12 кал!сек на 1 г мыш-
Рис. 57. Молекулярная модель АТФ в
вытянутом (вверху) и свернутом (вни-
зу) состоянии
291
цы, близко соответствует фактической скорости выделения
тепла в мышце при длительном (тетаническом) сокращении.
Количественное соответствие этих процессов характеризует
основное значение ферментативной реакции миозина в энерге-
тике мышечного сокращения, хотя внутренний механизм взаимо-
связи этих процессов остается еще неясным.
Вторым основным белком миофибрилл является актин, выде-
ленный впервые Штраубом (1942). Актин составляет около 20%
белков миофибрилл. Молекулярный вес актина составляет, по
различным данным, 60 000—70 000, но эта величина характеризует
мономерную форму глобулярного актина (Г-актина). При участии
ионов Mg и адениннуклеотидов эти первичные частицы образуют
димерные частицы Г-актина с молекулярным весом около 140000.
Димерные частицы Г-актина легко могут ассоциировать между
собою с образованием высоковязкого фибриллярного Ф-актина.
При диализе раствора и при pH выше 6,0 преобладают димеры
Г-актина, но уже при добавлении небольших количеств солей
и при pH ниже 6,0 преобладают процессы агрегации с образо-
ванием Ф-актина. Эта легкость изменения агрегации частиц в
зависимости от небольших изменений в солевом составе среды
является характерной особенностью актина.
Препараты актина всегда содержат прочно связанные нуклео-
тиды АТФ и АДФ в количествах, примерно соответствующих
1 молю на 60000—75 000 а актина (т. е. на 1 моль первичных ча-
стиц). Димеризация частиц Г-актина сопровождается переходом
содержавшейся в нем АТФ в АДФ, причем на 1 моль отщеплен-
ного фосфата приходится около 60000 а актина (Моммертс). До-
бавленная к раствору актина свободная АТФ не расщепляется
при димеризации. Таким образом, актин не обладает АТФ-азной
активностью.
Соединение глобулярных частиц актина в длинные тонкие нити
Ф-актина, толщиной около 40 Д, хорошо видно на электронномик-
роскопических снимках. Сопоставление структуры этих нитей со
строением светлых /-полос миофибрилл, а также изменение /-по-
лос при экстрагировании актина из мышц, показало, что тонкие
нити /-полос состоят именно из актина, по-видимому, в более
агрегированной форме, чем в обычных растворах Ф-актина. Та-
ким образом, два основных белка миофибрилл — миозин и актин —
соответственно локализованы в них в двух различных, простран-
ственно разделенных структурах — в А-полосах и в /-полосах,
составляющих основные элементы строения миофибрилл.
Между этими двумя белками, в соответствии со структурой,
обнаруживаемой на электронномикроскопических снимках, мо-
жет происходить соединение с образованием комплекса, назы-
ваемого актомиозином. Именно этот комплекс в значительной
мере определяет замечательные сократительные свойства мышеч-
ных волокон.
292
Вязкость простой смеси растворов актина и миозина значи-
тельно превышает сумму вязкостей обоих растворов, а при ионной
силе выше 0,3 растворы обладают аномальной вязкостью (зави-
симостью величины вязкости от скорости течения раствора),
что обычно характеризует наличие в растворе межмолекулярных
структур. Наиболее резко образование комплекса актомиозина
мм
§30-
§
*20-
1
I ю-
АТФ
AMtpKClPOjKCl
АТФ
КС1 Ад АТФ
Рис. 58. Изменения растяжения нити миозина в
присутствии различных веществ (при одинаковой
нагрузке)
6
Рис. 59. Схема взаимодействия акти-
на и миозина. А — в покоящейся
мышце; Б — в сокращенной мышце;
1 — миозин, 2 — актин
проявляется при отношении миозина к актину 2,5 : 1, которое
близко соответствует их относительному содержанию в миофиб-
риллах (60% : 20% или 3 : 1).
Актомиозиновый комплекс способен обратимо диссоциировать
на актин и миозин при действии АТФ в присутствии небольших
концентраций солей. При этом происходит падение вязкости
растворов актомиозина, а также уменьшение двойного лучепре-
ломления при течении и ослаблении мутности растворов/ При
действии АТФ на актомио-
зиновые нити происходит
самопроизвольное сокраще-
ние свободных нитей, а под
нагрузкой они легче растя-
гиваются; эти эффекты тем
резче выражены, чем выше
ориентация молекул в ни-
тях.
В упоминавшихся выше
опытах Энгельгардта и Лю-
бимовой (1939) было уста-
новлено специфическое вли-
яние АТФ на повышение
способности нити из мышеч-
ных белков (по существу,
актомиозиновой нити) к
растяжению под действием
определенной нагрузки; дей-
293
ствие АТФ было значительно сильнее, чем других испытан-
ных соединений (рис. 58). Одновременно происходит фер-
ментативное расщепление АТФ, с отделением концевой фос-
фатной группы в виде неорганического фосфата. Поэтому коли-
чество АТФ в растворе уменьшается и вязкость постепенно вновь
начинает возрастать благодаря регенерации актомиозинового
комплекса; при поддержани постоянной концентрации АТФ
вязкость остается низкой.
Как уже указывалось, соединение миозина с актином проис-
ходит при участии тех же SH-групп миозина, которые определяют
и его АТФ-азную активность. По Тсао (1953) и Перри (1956),
с SH-группами миозина реагируют прочно связанные остатки АДФ
в димерных частицах актина. При этом связь частиц в димере
разрывается и миозин через Mg и АДФ связывается с мономером
актина (а не с его димерной или полимерной формой). АТФ в
качестве субстрата фермента миозина обладает наибольшим
сродством к активному центру миозина; поэтому АТФ вытесняет
актин или его нуклеотид с активного центра и разрывает связь
миозина с мономерными частицами актина, что приводит к дис-
социации актомиозина, а освобождающиеся частицы актина вновь
образуют димеры (рис. 59). Образование поперечных связей между
миозином и актином (рис. 59, Д) и их распад под влиянием АТФ
(рис. 59, Б) лежит в основе изменения механических свойств акто-
миозина. При этом нить миозина остается структурно целостной,
а в нити актина связи между частицами разрываются и образуются
вновь. Эти процессы в значительной мере зависят от скорости
гидролиза АТФ. Существенно, что уже небольшие изменения
ионной силы раствора или отношения концентрации АТФ к Mg
могут резко изменить скорость гидролиза АТФ. Например, пони-
жение концентрации MgCl2 с 0,0075 М до 0,005 М уменьшает ско-
рость расщепления 0,0075 М АТФ миофибриллами в пять раз.
Это обстоятельство имеет большое значение в динамике процессов
мышечного сокращения.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЫШЕЧНОГО
СОКРАЩЕНИЯ
Феноменология мышечного сокращения
При раздражении мышцы вначале, в течение очень короткого
времени (около 0,0015 сек), называемого латентным периодом,
не наблюдается никаких изменений. Затем, в течение примерно
еще 0,0015 сек, происходит короткое расслабление мышцы (ла-
тентное расслабление) и уже после этого начинает развиваться
нормальное сокращение мышцы.
При искусственной деформации мышцы и различных модели-
рующих систем • (от экстрагированной глицерином мышцы до
294
Рис. 60. Кривая зависимости укоро-
чения мышцы от времени при изото-
ническом сокращении:
по оси абсцисс — время (/) в сек, по оси ор-
динат—укорочение мышцы в процентах от
максимального
нитей из чистых мышечных белков) в лабораторных условиях,
как и при испытании физико-механических свойств полимерных
материалов, различают два основных типа деформации. Первый
тип деформации называется изотоническим; в этом случае измеряют
сокращение длины мышцы при постоянном напряжении (рис. 60).
Второй тип деформации называется изометрическим; в этом слу-
чае измеряют нарастание
напряжения мышцы при
постоянной, фиксированной
длине. Эти два типа дефор-
мации в известной мере вос-
производятся и в организме,
так как мышцы, поддержи-
вающие положение тела, со-
кращаются преимущественно
изометрически, а мышцы,
поднимающие груз,— преи-
мущественно изотонически,
но они являются крайними
видами сокращения, кото-
рые при фактических дефор-
мациях несколько налагают-
ся друг на друга.
Из рис. 60 видно, что пол-
ное развитие изотонического
сокращения происходит при-
мерно за 0,04 сек, причем в
ходит неравномерно. Скорость изотонического сокращения
при степени сокращения а,:
dci
= — (6>
течение этого времени оно проис-
где a»—полное сокращение, а В — постоянная, зависящая от
нагрузки. При малых нагрузках В больше и сокращение про-
исходит быстрее, чем при больших нагрузках. Хилл эмпирически
установил уравнение, связывающее напряжение в мышце Р со
da ,
скоростью ее сокращения v
(-T’+i)('F+1)'=const’ (7>
где а и b — константы. Из уравнения (7) следует, что при изото-
ническом процессе скорость сокращения уменьшается по гипер-
боле с ростом нагрузки. Уравнение (7) называют основным урав-
нением сокращения мышцы.
После развития полного сокращения оно начинает умень*
шаться (см. рис. 60), но если достаточно часто повторять раздра-
295
жение мышцы, то одиночные сокращения сливаются в некоторое
длительно поддерживаемое состояние сокращения. Такое состоя-
ние мышцы называется тетанусом, а сокращение — тетаниче-
ским.
В большинстве случаев сокращение мышцы может доходить до
25—30% начальной длины, но при очень быстрых деформациях
(например, у насекомых) сокращение составляет лишь 5%. При
изометрическом сокращении максимальное напряжение в мышце
может составлять до 3 кг на 1 см2 поперечного сечения мышцы.
Термодинамика мышечного сокращения
Сокращение мышцы (после латентного периода) сопровожда-
ется выделением небольшого количества тепла, которое состав-
ляет около^О,003 кал на 1 г мышцы. Тщательные измерения теп-
лообразования при мышечном сокращении были произведены Хил-
лом (1929 г. и позднее). Он показал, что при каждом раздражении
мышцы выделяется, прежде всего, постоянная по своей величине
теплота активации А, и затем — теплота сокращения а&1, про-
порциональная величине абсолютного сокращения AZ. Теплота
сокращения равна примерно 350 г-см на 1 см2 поперечного се-
чения и на 1 см сокращения длины мышцы. При изометрическом
сокращении, разумеется, AZ = 0 и выделяется только теплота ак-
тивации А. Соответственно, при тетаническом сокращении вы-
деляется лишь тепло поддержания сокращения, равное сумме
теплот активаций при последовательных раздражениях.
Общее количество выделенной теплоты Н равно:
Н == А -}- аД/, (8)
где а — постоянная. Интересно, что величина Н (следовательно,
и теплота сокращения aAZ) не зависит от величины нагрузки на
мышцу или от скорости сокращения, а линейно зависит только
от абсолютной величины сокращения AZ (эффект Фенна, 1924);
объяснение этого эффекта будет дано ниже.
Если мышца производит работу W = РЫ, где Р — нагрузка,
то общее изменение внутренней энергии при сокращении Е =
+ W
или
Е = А+ (Р + (9)
Отношение определяет к. п. д. мышцы:
РД/
71 “ Л+(Р+а) Д/ • (,0)
По данным Хилла, равно около 40%, однако эта величина ха-
рактеризует отношение произведенной работы к общему изме-
296
нению внутренней энергии мышцы и поэтому не учитывает за-
траты энергии на образование макроэргических соединений (АТФ
и др.), являющиеся источником энергии мышцы. Если величину W
отнести к общему количеству энергии, поглощенному организмом
в виде пищевых продуктов, то, как указывалось на стр. 71, ве-
личина т] составляет лишь около 20%.
Из уравнения (9) следует, что скорость изменения энергии
мышцы при сокращении пропорциональна скорости сокращения:
dE д/
~dT = ^ + «)“дГ==(^+«)^ (Н)
Велиш и Грюнинг (1942) измерили соотношение W, Н и Е
при различной степени растяжения мышцы Л4. sartorius и пока-
зали, что термоэластические свойства мышцы при малых растя-
жениях соответствуют каучукоподобным, а при больших растя-
жениях — нормальным упругим телам; точка перехода лежит
при степени растяжения около 35%. Деформация мышцы в пре-
делах от сокращения в 35% до растяжения в 65% является
обратимой, что допускает применение некоторых термодинамиче-
ских расчетов; в частности, Велиш и Грюнинг рассчитали сле-
дующие значения АЕ — кН + А1Г из экспериментальных зна-
чений для выделенной теплоты кН и для затраченной на растяже-
ние работы Д№ (табл. 36).-
Таблица 36
Термодинамические характеристики растяжения мышцы
Af. sartorius
Область растяжения, % Д W, кал А Н, кал Д Е, кал
15—20 20—45 45—75 —3,5 —27,1 —66,0 +4,7 +7,6 —16,0 + 1,2 — 19,5 —82,0
Таким образом, при малых растяжениях происходит повы-
шение температуры мышцы (кН > 0), что соответствует высоко-
эластическому (каучукоподобному) поведению мышцы; при бо-
льших растяжениях наблюдаются нормальные упругие свойства
(ДЯ < 0).
По уравнению Виганда — Снайдера общее ’ напряжение F,
развиваемое в деформируемом образце, является суммой двух
членов: Fu — обусловленного изменением внутренней энергии
/ dF \
образца при деформации, и Fs = Т , обусловленного
\ /р,^
297
температурную зависимость напряжения
энтропийными изменениями:
/ dU \ ' I dF \
F = F и + = (“эГ )Р' т + Т \дТ)Р' t •
Таким образом, измеряя общее напряжение в образце (F) и
QF \ ,
) (обе величины при
заданном удлинении I и постоянном внешнем давлении р), можно
рассчитать члены Fu и Fs , входящие в уравнение (12). Пасынским
и Блохиной (1950) было показано, что для мышцы М. sartorius
задней ноги крысы в 0,25-процентном растворе АТФ, в темпера-
турном интервале 15—40°С, доля энтропийного члена Fs в дефор-
мации мышцы, рассчитанная по уравнению (12), составляет 35—
40%. Уилки (1959) также было показано, что роль энтропийного
члена составляет около 40%. Эти данные показывают неправиль-
ность прежних представлений (Астбюри и др.), объяснявших
мышечное сокращение только энергетическими изменениями.
Очевидно, при мышечной деформации происходит как изменение
энергии взаимодействия между молекулярными цепями сокра-
тительных структур, так и изменения в упорядоченности этих
структур или в их взаимодействии с веществами среды, что и
проявляется в изменении энтропийного фактора. Природа этих
изменений может быть установлена путем изучения структурных
и биохимических изменений при мышечном сокращении.
Изменения тонкой структуры при сокращении
Тонкая структура мышечных волокон уже была рассмотре-
на ранее; теперь представляет интерес выяснить ее изменения
при мышечном сокращении. Прямые измерения при помощи
фазово-контрастной и интерференционной микроскопии на изо-
лированных миофибриллах и живых мышечных волокнах при-
вели Хаксли и Хансона к установлению фундаментального факта,
что в широком интервале деформаций как при сокращении, так
и при растяжении мышцы, длина плотных А-полос остается по-
стоянной (на рис. 61 длина A-полос всюду равна 1,5 мк, несмотря
на изменение длины саркомера S от 60% до 120% нормальной
длины). Напротив, одновременно с изменением длины саркомера
(т. е. длины мышцы) изменяется длина светлых /-полос; например,
на рис. 61 при изменении S от 80 до 120%, длина /-полос изменяется
ют 0,3 до Г,3 мк. Светлая //-зона в А-полосе также изменяется (см.
рис. 61), но замечательно, что до тех пор, пока она существует,
расстояние от конца одной //-зоны через Z-линию до начала бли-
жайшей /f-зоны (а это расстояние равно длине тонких нитей в
миофибриллах) также остается постоянным. Если вспомнить,
что плотные А-полосы состоят из миозина, а тонкие нити — из
актина, то можно заключить, что нити миозина остаются постоян-
298
ними во всей практически существенной области деформаций мыш-
цы, а нити актина — примерно в области деформаций ±20%.
Эти результаты можно объяснить только тем, что при сокращении
мышцы, по крайней мере до 20%, оба ряда нитей (миозина и ак-
тина) просто передвигаются друг относительно друга, без внутрен-
ней деформации каждого вида нитей.
Надо учесть, что до получения этих данных процесссы мышеч-
ного сокращения интерпретировались как раз в обратном смысле —
на основе деформации изолированных молекулярных цепей, пу-
тем механического перенесения данных о деформации полимеров^
без учета сложной структуры
мышечных волокон. Этот пример J A J
наглядно показывает все значение
глубокого изучения строения био-
логических структур для правиль-
ного понимания их функциониро-
вания.
При более значительном сок-
ращении наблюдается появление
новых поперечных полос, так
называемых полос сокращения.
Они, по-видимому, являются ре-
зультатом перекрывания или сжа-
тия встречающихся тонких нитей
миофибрилл, а затем и толстых
нитей, которые вследствие этого
также укорачиваются (см. рис.
61). Как указывает Хаксли, появ-
ление полос сокращения следует
считать результатом, а не причи-
ной процесса сокращения. Таким
образом, при мышечном сокраще-
1 1 ~н ' 1
% I -1 ! J— I 5 2,8 МК
1201 | А 1,5 мк
I 17 1,3 мк
5 1,8 мк
А 1,5 мк
3 0,5 мк
Рис. 61. Изменение структурных
параметров мышечного волокна
при его растяжении и сокраще-
нии
60
5 1,4 мк
нии вначале происходит вдви-
гание нитей актина в Л-полосы,
затем укорочение (или перекры-
вание) нитей актина и, наконец,
при сильном сокращении, укоро-
чение нитей миозина.
Необходимо указать, что в ря-
де других работ (Ходжа, Спиро
и др.)- наблюдаемые изменения тонкой структуры объясняются
прямым перераспределением вещества миофибрилл, с переходом
белковых молекул из Л-полос или из /-полос, однако такие про-
цессы перегруппировки молекул должны требовать значительных
периодов времени, вряд ли совместимых с малыми периодами
релаксации при быстрой деформации поперечнополосатых мышц
(например, у насекомых). Возможно, что при медленном сокра-
299
щении гладких мышц преобладает фактическая деформация струк-
турных элементов мышцы (Франк), однако схема Хаксли, по-
видимому, является наиболее обоснованной для характерных
типов сокращения скелетной мускулатуры.
Малое взаимодействие участков цепей актина и миозина,
разделенных значительными расстояниями, при гибкости самих
цепей, и определяет каучукоподобное поведение мышц при срав-
нительно малых деформациях (до 25—35%), включая аномаль-
ные термоэластические свойства. Естественно также появление
свойств нормального упругого тела при более значительных рас-
тяжениях (см. табл. 36), когда гибкость цепей снижена. Редко
расположенные поперечные мостики между нитями миозина и
актина обеспечивают связь между ними и гелеобразную структуру
всей миофибриллы, сохраняя в то же время достаточно большое
расстояние между цепями и их слабое взаимодействие. Если бы
цепи близко прилегали друг к другу по всей своей длине, то вслед-
ствие огромного внутреннего трения быстрое растяжение и сокра-
щение цепей было бы невозможным. Не менее важно, что такая
структура препятствовала бы быстрому протеканию биохимиче-
ских процессов между цепями мышечных белков и средой, которые
являются источником энергии мышечного сокращения. .
Биохимические изменения при мышечном сокращении
При первоначальных биохимических исследованиях мышц
(Флетчер и Гопкинс, 1907) было установлено, что в работающей
мышце происходит накопление молочной кислоты, содержание
которой при отдыхе мышцы вновь уменьшается. По теории Мейер-
гофа — Хилла (1926, 1930), источником энергии мышечного со-
кращения является процесс гликолитического образования мо-
лочной кислоты из гликогена — запасного углевода мышц. В мыш-
це содержание гликогена составляет около 1% (от 0,2 до 2%).
При работе мышцы содержание гликогена, действительно, быстро
падает, и образуется эквивалентное количество молочной кислоты
(из одного глюкозного остатка гликогена — 2 молекулы молочной
кислоты). Так как этот процесс идет с выделением около 16 ккал
на 1 моль молочной кислоты, предполагалось, что эта энергия и
является источником мышечного сокращения. При аэробном
окислении молочной кислоты во время отдыха мышцы около х/5
молочной кислоты полностью окисляется до СО2 и Н2О, а около
4/б вновь переходит в гликоген (цикл Мейергофа). Оказалось, од-
нако, что отравление ферментов гликолиза монойодуксусной'
кислотой (Лундсгаард, 1930) не устраняет способности мышцы к
сокращению, причем в этом случае совершение работы мышцы
происходит без образования в ней молочной кислоты. Это об*
стоятельство привело к отказу от теории Мейергофа — Хилла,
так как оказалось, что хотя в работающей мышце происходит
300
накопление молочной кислоты, но этот процесс не явлется источ-
ником энергии мышечного сокращения.
Дальнейшие исследования показали, что основное значение
для мышечного сокращения имеют фосфорные соединения, содер-
жащиеся в мышцах, прежде всего, аденозинтрифосфорная кислота
(АТФ, стр. 41) и креатинфосфорная кислота
/ОН
HN~P=O H2N
I 44011 I
C=NH-------> C=NH
N—CH3 N—CH3+H3PO4
CH2 ch2
I I
соон COOH
креатинфосфорная кислота креатин
При работе мышцы происходит распад АТФ с образованием
АДФ и распад креатинфосфорной кислоты с образованием креа-
тина и освобождением остатка фосфорной кислоты; у многих
беспозвоночных роль креатинфосфорной кислоты играет арги-
нинфосфорная кислота. Работа мышцы при отсутствии процессов
гликолиза (например, в отравленной монойодуксусной кислотой
мышце) происходит именно за счет энергии распада этих двух
фосфорных соединений. Содержание креатинфосфата в мышце
составляет около 0,5% от общего веса мышцы, а АТФ — около
0,3%, однако ведущее значение имеет гидролиз АТФ.
Дело в том, что распад креатинфосфорной кислоты не проис-
ходит непосредственно, а также проходит сопряженно с гидроли-
зом АТФ. Вначале под действием фермента креатинфосфоферазы
происходит перенос макроэргического фосфата с аминофосфатной
/ОН
группировки — N ~ Р=О креатинфосфорной кислоты на АДФ
\он
с образованием АТФ и креатина, а затем уже АТФ под действием
АТФ-азы гидролизуется до АДФ и фосфорной кислоты. Суммар-
ный баланс реакции соответствует написанному выше уравнению
распада креатинфосфорной кислоты на креатин и фосфорную
кислоту, но эта реакция не идет путем прямого гидролиза.
Обратный процесс образования креатинфосфорной кислоты проис-
ходит путем переноса остатка фосфорной кислоты, с АТФ на креа-
тин при участии фермента креатинфосфоферазы, а не путем прямого
обращения реакции гидролиза. Таким образом использование
макроэргических связей креатинфосфорной кислоты идет через
АТФ.
301
С другой стороны, известно, что как гликолиз гликогена до
молочной кислоты, так и аэробное окисление молочной кислоты
сопровождаются образованием АТФ (см. гл. 1). Таким образом,
и эти источники энергии используются мышцей через стадию АТФ,
которая оказывается основным веществом, непосредственно опре-
деляющим мышечную работу.
По схеме Фердмана (1960), ферментативные процессы в мышце
обеспечивают следующие источники энергии для работы мышцы:
анаэробно
гликоген------> молочная-----;
кислота I
креатинфосфорная ф
кислота------>креатин-> АТФ->
t
аэробно
молочная кислота
другие -> СО2 + Н2О--------
работа мышцы,
синтез
гликогена,
креатинфосфорной
кислоты и др.
органические
соединения
В начальный период мышца работает за счет запасов АТФГ
гликогена и креатинфосфорной кислоты, но затем в ней накап-
ливаются продукты их распада (включая мрлочную кислоту),
что физиологически проявляется в утомлении мышцы. Дальнейшая
работа мышцы зависит от аэробных процессов использования пи-
тательных веществ, поступающих в мышцы из крови, быстроты
удаления продуктов распада (например, молочной кислоты —
из мышцы в кровь) и ресинтеза АТФ, гликогена и креатинфос-
форной кислоты. Эти процессы происходят при активном участии
саркосом мышечных клеток. Поэтому содержание всех этих ве-
ществ в мышце является стационарным состоянием, характерным
для открытых систем и зависящим от динамического соотношения
процессов распада и синтеза в клетке и обмена с окружающей
средой. При правильном чередовании стадий работы и отдыха
стационарные концентрации веществ в мышце (в том числе АТФ)
могут поддерживаться довольно постоянными в течение длитель-
ного времени, без проявления признаков утомления мышцы.
Например, мышца лягушки может легко давать до 12 000 одиноч-
ных сокращений, а мышцы птиц при длительных перелетах про-
изводят десятки тысяч сокращений. Естественно, что биохими-
ческие изменения в мышце в организме могут существенно отли-
чаться от изменений в изолированной мышце.
Как указывалось, основной реакцией, являющейся непосред-
ственным источником энергии мышечного сокращения, является /
реакция перехода АТФ в АДФ путем гидролитического расщеп- |
ления:
АТФ + Н2О -> АДФ + Н3РО4..
Именно эта реакция катализируется одним из основных мы-
шечных белков — миозином (или его компонентом Н-меромиози-
302 4
ном), что непосредственно связывает между собой биохимические
превращения и сократительную активность мышцы.
Превращения АТФ в мышце не ограничиваются отщеплением
концевого фосфата и переходом в АДФ, хотя эта реакция имеет
основное значение. При участии фермента миокиназы может про-
исходить реакция дисмутации АДФ (2АДФ & АМФ + АТФ),
затрагивающая второй фосфатный остаток, а адениловая кислота
АМФ под действием фермента дезаминазы может распадаться с
отщеплением аммиака. Таким образом, в мышцах может про-
исходить более глубокий распад и ресинтез АТФ, затрагивающий
ряд группировок этой важной молекулы. Учитывая роль сарко-
плазмы и мышечных митохондрий — саркосом в ресинтезе АТФ,
предполагают, что значительная часть АТФ равномерно распре-
делена в саркоплазме, откуда она свободно вступает во взаимо-
действие с миофибриллами.
ВЗАИМОСВЯЗЬ ПРОЦЕССОВ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ
После рассмотрения структурных элементов и частных про-
цессов при мышечном сокращении целесообразно рассмотреть
эти процессы в их взаимосвязи и попытаться представить общий
ход явлений при мышечном сокращении. Эта задача является
затруднительной, ввиду невыясненности ряда существенных во-
просов и неполноты данных, однако эта попытка является необхо-
димой хотя бы в предварительной форме для целостной физико-
химической интерпретации сокращения мышечного волокна, как
биологической единицы сократительного механизма.
Мышечное сокращение возбуждается нервным импульсом, пере-
даваемым от нервных окончаний на мышечных волокнах (о меха-
низме нервного импульса см. гл. 4, стр. 311 — 325). На моторной
пластинке нервного окончания выделяется небольшое количество
ацетилхолина (CH3)3N(OH) —СН? — СН2ОСОСН3, который быст-
ро расщепляется ферментом ацетйлхолинэстеразой, содержащимся
около нервной пластинки (действие этого фермента предупреждает
излишнее возбуждение мышцы). Продолжительность этой стадии
примерно соответствует латентной стадии — около 0,003 сек,
и дальнейшее развитие сокращения мышечного волокна происхо-
дит полностью уже независимо от этой стадии.
В одной моторной пластинке волокна портняжной мышцы,
по Нахмансону, может быть расщеплено до 1012 молекул ацетил-
холина в 1 сек, или около 3-10® молекул за 0,003 сек; следова-
тельно, фактически может выделиться и не большее количество
ацетилхолина. Для мышечного волокна диаметром 50 мк и дли-
ною 1 см поверхность составляет 0,015 см2 или 1,5-1014 А2 и масса
около 10-4 г. Так как масса ЗЛО9 молекул ацетилхолина (при
М = 149) составляет лишь 7,5 10“13 г, то весовое отношение выде-
ленного ацетилхолина и мышечного волокна должно быть ниже
зоз
10“8. Эта величина настолько мала, что вряд ли можно объяснить
действие выделенного ацетилхолина какими-либо объемными
соотношениями. Наиболее эффективным представляется воздей-
ствие ацетилхолина на поверхностную оболочку мышечного во-
локна, так как в этом случае выделенное количество ацетилхоли-
на может занять в виде монослоя поверхность около 1,2 1011 А2
(при площади одной молекулы 40 А2), что составляет около 10"3
поверхности мышечного волокна. Изменение поляризации или
проницаемости оболочки мышечного волокна на этом небольшом
участке волокна автоматически включает следующую, электрохи-
мическую стадию сокращения, общая длительность которой со-
ставляет около 0,01 сек. В течение этого периода по мышечному
волокну, по обе стороны от моторной пластинки или от точки
стимуляции, распространяется потенциал действия, который при-
водит к деполяризации соседних участков мембраны и быстро
охватывает все мышечное волокно. В основе этого процесса лежит
неравномерное распределение ионов в мышечном волокне по от-
ношению к окружающей среде, которое уже подробно рассматри-
валось в главе 4. Явления переноса ионов при возбуждении мышцы
и распространения потенциала действия в мышечном волокне
сходны с соответствующими явлениями в нервном волокне, но
происходят медленнее, со скоростью 1—2 м/сек, что при длине мы-
шечного волокна до 1—2 см и приводит к длительности этой ста-
дии до 0,01 сек.
Первичное инициирование возбуждения мышечного волокна
может быть вызвано не только нервным импульсом, но и действием
электрического тока, тепла, света, давления и различных хими-
ческих веществ. Во всех случаях важно вызвать первичную де-
поляризацию или нарушение структуры мембраны, которая при-
водит к появлению тока действия и распространению возбуждения
по мышечному волокну. Однако при нервном импульсе воз-
буждение вызывается ничтожно малыми химическими воздейст-
виями и длительность его тонко регулируется. В гладкой муску-
латуре иннервация меньше, чем в скелетной мышце; поэтому
гладкая мускулатура возбуждается труднее и латентный период
в ней составляет до 0,02—0,04 сек.
Значение электрохимической стадии (обмена ионов между
мышечным волокном и средой, появления потенциала действия)
заключается не только в быстром распространении возбуждения
по всему мышечному волокну, но и в изменении состава и кон-
центрации ионов внутри волокна. Это изменение ионной среды
непосредственно связано с биохимическими процессами в мы-
шечном волокне, в частности с ферментативным расщеплением
АТФ, скорость которого сильно зависит от ряда ионов, в част-
ности, от ионов Mg2+e В мышце нормально содержится 0,105 М
калия, 0,012 М магния и 0,006 М кальция (считая в мышце 77%
воды). При возбуждении мышцы происходит перенос К+-ионов
304
из мышцы в кровь и замена его эквивалентным количеством Na+-
ионов; одновременно изменяется соотношение ионов Mg2+ и Са2\
Эти изменения, отражаясь на скорости ферментативных превра-
щений и агрегационном состоянии мышечных белков, образуют
непосредственный переход к основной, сократительной стадии
мышечного сокращения.
До этого момента в размерах мышечного волокна не проис-
ходило видимых изменений. В течение предыдущих процессов
(суммарно, несколько более 0,01 сек) сокращение не происходит и
наблюдается лишь выделение теплоты активации, постоянной
для каждого возбуждения мышцы, так как оно не зависит от пос-
ледующей работы мышцы и определяется, очевидно, лишь процес-
сами смещения ионного равновесия. Электрострикционными яв-
лениями при ионном обмене, по-видимому, объясняется и короткое
промежуточное состояние латентного
расслабления и небольшое изменение
объема (на 0,005%, эффект Эрнста)
при мышечном сокращении; с точки
зрения теории открытых систем, воз-
можно, что это явление связано с «лож-
ным стартом» (см. гл. 2), возникающим
при переходе между стационарными
состояниями.
Основным результатом наиболее
важной, сократительной стадии мы-
шечного сокращения является фер-
ментативное расщепление АТФ (и
креатинфосфата) с накоплением неор-
ганического фосфата, и сокращение
мышечного волокна. Внутренняя связь
этих двух процессов, имеющая основ-
ное значение для всей проблемы, и мо-
лекулярный механизм собственно сокра-
щения остаются до сих пор недоста-
точно выясненными.
-соо-
-NH2
-COQ-
-С0(Г
Существует множество теорий, пыта-
ющихся объяснить мышечное сокра- „олипептидной^Тпи
щение на основе свойств индивидуальных при изменении заряда (по
молекулярных цепей сократительных Мейеру)
мышечных белков. Так, Мейер (1929)
объяснял мышечное сокращение деформацией пептидных цепей
при изменении электростатического взаимодействия расположен-
ных на них зарядов, например, в результате локального смещения
pH (рис. 62). Это представление в более усовершенствованной
форме было развито Кирквудом и Риземаном (1948), которые пред-
положили, что источником изменения плотности зарядов на цепях
миозина является образование фосфорилированных производных
11 Заказ Ns 531
305
оксиаминокислот (серина, треонина) при помощи АТФ й их де-
фосфорилирования; они количественно рассчитали модуль упру-
гости нитей миозина, но этот расчет содержит слишком много
условных допущений. Энгельгардт (1947) предположил, что ос-
новное значение имеет линейная агрегация молекул миозина,
приводящая к эластическому растяжению сарколеммы: деза-
грегация миозина при действии АТФ приводит к сокращению
мышцы. По Сент-Дьердьи (1956) сокращение вызывается перегруп-
пировкой молекул протомиозинов в результате дезагрегации
самих молекул миозина при действии АТФ и изменения структуры
водных оболочек. Френкель (1938) объяснял сокращение обратимой
«вулканизацией» молекул миозина, Астбюри — переходом - мио-
зина от структуры типа ^-кератина к свернутой a-форме и т. д.
Все эти теории оказались не удовлетворяющими реальной картине
сложного строения мышечного волокна на молекулярном уровне,
вскрытой работами Хаксли и др. Несмотря на внешнее сходство
ряда свойств мышц с каучукоподобными материалами (включая
аномальный термоэластический эффект, близкие значения моду-
лей упругости, возможность меделирования хемомеханического
эффекта на гелях полиэлектролитов и др.) поучительно отметить,
•что деформация реальных мышечных волокон оказалась основан-
ной совсем на других принципах, чем технических полимерных
материалов.
На основании изложенных выше данных о тонкой структуре
мышечных волокон и ее изменении при мышечном сокращении,
Хаксли пришел к принципиально новому представлению о меха-
низме этого сокращения как результате взаимного продольного
перемещения двух наборов нитей (толстых и тонких нитей), со-
храняющих в определенных пределах деформации свои линейные
размеры; таким образом, какого-либо свертывания или развер-
тывания самих нитей не происходит. Перемещение тонких нитей
актина относительно толстых нитей миозина происходит, по Хак-
сли, при помощи поперечных мостиков, проходящих между двумя
рядами нитей. При действии АТФ происходит разрыв этих попе-
речных связей, причем расщепление одной молекулы АТФ при-
водит к отрыву одного поперечного мостика, который мо-
жет затем присоединиться к следующей активной группе нити
актина и вызвать ее новое перемещение на определенный
отрезок.
Конкретный механизм этих последовательных реакций при-
соединения и отщепления не уточнялся Хаксли, но эта попытка
•была сделана Вебером (1958), который предположил, что на нити
миозина имеется периодическая линейная последовательность
нескольких функциональных групп: SH-группы, фенольной
и спиртовой ОН-групп (например, остатков цистеина, тирози-
на и серина), способных реагировать с кислотной группой
актина.
306
кислотная группа
+н2о
кислотная группа
SH ОН О SH ОН
SH ОН ОН SH он
Если эта кислотная группа активирована переносом макроэр-
гического фосфата от АТФ (около 8—10 ккал/моль), то благодаря
различной энергии гидролиза тиолэфирной связи с SH-группой
(8 ккал/моль) и сложноэфирных связей с последующими ОН-груп-
пами (около 2—3 ккал/моль) происходит постепенное перемещение
места связи с соответствующим перепадом энергии. Концевая
эфирная связь гидролизуется (см. схему, фиг. V, VI), а освобо-
дившаяся кислотная группа актина вновь активируется за счет
ферментативного расщепления одной молекулы АТФ. Прсле этого
последовательность реакций возобновляется, причем активиро-
ванная группа актина оказывается ближе к SH-группе следующего
периода, чем к первой SH-группе. Таким образом, расщепление
одной молекулы АТФ приводит к определенному продольному
смещению, составляющему около 130 А- При расходе около
8 ккал/моль на смещение в 130 А можно вычислить, что максималь-
ное напряжение, развиваемое мышцей, должно составлять около
3 кг/см2, что близко к опытным данным. Для объяснения наблю-
даемой скорости освобождения энергии в скелетной мышце указан-
ный процесс должен происходить около 50—100 раз в 1 сек, что
хорошо согласуется с ферментативной активностью миозина (около
100 молекул АТФ в 1 сек на 1 молекулу миозина с М = 6*105).
Напряжение, возникающее в мышце, зависит от числа попе-
речных связей, существующих в данный момент между нитями
актина и миозина; это число, в свою очередь, зависит от нагрузки
мышцы. Поэтому количество энергии, освобождающейся при
данной величине сокращения, увеличивается с увеличением на-
грузки; кроме того, выделяемая теплота сокращения также долж-
11*
307
на быть пропорциональна величине сокращения (ур. 8, 9). Так
как эти энергетические изменения не зависят от общей длины
мышцы, а лишь от абсолютной величины перемещения А/ двух
рядов нитей друг относительно друга, то из изложенной схемы
ясно, почему в уравнения (8), (9) входит не относительная, а аб-
солютная величина деформации.
При каждом сокращении мышца могла бы выделять^ постоян-
ное количество энергии, различным образом распределяя его
между теплотой и работой, однако мы видим, что в действитель-
Рис. 63. Схема мышечного сокращения (по Подольскому)
(пояснения, в тексте)
ности она регулирует количество освобождаемой энергии и, сле-
довательно, интенсивность химической реакции, в соответствии
с выполняемой работой и величиной деформации.
Если быстрота деформации превосходит скорость образования
поперечных связей, то число мостиков должно уменьшаться;
действительно, напряжение в мышце при большой скорости со-
кращения падает. Поперечные связи расщепляются АТФ и по-
этому в отсутствии АТФ они остаются фиксированными, что объяс-
няет явление посмертного окоченения — ригора. Наконец, ме-
ханизм взаимного перемещения двух рядов нитей в определенных
пределах без их собственной деформации объясняет постоянство
больших периодов идентичности, около 400 Д, при мышечном
сокращении.
Несмотря на удовлетворительное объяснение большинства
основных фактов и закономерностей, относящихся к мышечному
сокращению, и ее соответствие известным структурным данным,
в изложенной схеме остается недостаточно ясным основной во-
прос — о конкретном механизме перехода энергии расщепления
АТФ в механическое движение, что отмечает и сам Хаксли в ча-
стности, в схеме Вебера (стр. 306) мало обоснованным является
предположение о строгом линейном чередовании функциональ-
ных групп в цепи миозина. Несомненно, также, что предположение
о полном постоянстве линейных размеров молекулярных нитей
при мышечном сокращении является приближенным.
308
Одной из интересных концепций, развивающих представление
Хаксли, является схема Подольского (рис. 63) (1959). Подольский
предположил, что тонкие нити актина являются центрами связы-
вания переменного количества отрицательных зарядов АТФ,
а толстые нити миозина являются носителями центров АТФ-азной
активности. Фактическое число связанных молекул АТФ и, тем
самым, напряжение в тонких нитях актина, вызываемое электро-
статическим отталкиванием одноименных зарядов, зависит от
соотношения процессов связывания АТФ и ферментативного
расщепления АТФ. Деформация нитей актина передается на Z-
мембраны и через них на сарколемму мышечных волокон, причем
в средней зоне саркомера относительное смещение нитей равно
нулю (г = 0), а по обе стороны оно возрастает до предельной ве-
личины (г = 1). Если вспомнить, что актин содержит прочно свя-
занные адениннуклеотиды и что димеризация Г-актина связана
с переходом связанного АТФ в АДФ, то предположение Подоль-
ского является вероятным. Наличие обратного процесса рефосфори-
лирования связанной АДФ в АТФ при деполимеризации актина,
образующего замыкающее звено в изложенной цепи реакций,
также, по-видимому, имеет место (Барани, 1959; Хаяси, 1962).
Возможно, что поперечные мостики, выходящие из нитей миозина,
связаны с Я-меромиозином и несут на себе центры ферментативной
активности; такое устройство обеспечивало бы тесный контакт
фермента и субстрата (АТФ на актине) без сближения нитей по
всей их длине, что чрезмерно увеличило бы энергии взаимодей-
ствия и препятствовало эластической деформации; фактическое
же осуществление ферментативной реакции, несмотря на наличие
структурных условий, зависит от ионного состава среды.
Детальная картина процесса сокращения остается еще не-
выясненной, но основная идея электростатической деформации
нитей актина, регулируемой ферментативным воздействием нитей
миозина (которая, в свою очередь, зависит от изменения ионного
состава среды, инициируемого нервным импульсом), представляет-
ся нам весьма правдоподобной1. Каждая часть мышечного
волокна— мембрана, нити миозина, нити актина, нервная пластин-
ка и другие — несет на молекулярном уровне строго специализиро-
ванную функцию, которые сливаются в единую функцию мышеч-
ного сокращения лишь на уровне биологически единичного объек-
та — мышечного волокна.
В указанной схеме получают свою рациональную интерпре-
тацию в измененном виде некоторые прежние теории мышечного
сокращения (Кирквуда—Риземана, Френкеля, Энгельгардта); в
то же время она делает излишними предположения о перегруппи-
1 Интересно отметить, что Томсон—Кельвин еще в 1852 году писал:
«Тело живого работает не как термодинамическая машина; представляется
очень вероятным, что химические силы производят внешнюю механическую
работу через посредство электричества».
309
ровке молекул (например, по Сент-Дьердьи), трудно совместимые
с малыми периодами релаксации при мышечном сокращений.
Наконец, можно показать, что эта схема удовлетворительно со-
гласуется с количественными данными о биохимических и тепловых
изменениях в мышце при сокращении.
Как уже указывалось, единичное мышечное сокращение со-
провождается выделением тепла около 0,003 кал на 1 г. При энер-
гии расщепления АТФ около 104 кал!моль этот тепловой эффект
соответствует химическому превращению 3-10"7 моля или 1,8-1017
молекул АТФ на 1 г мышцы. В 1 г влажной мышцы содержится
около 0,04 г актина или 4-Ю17 мономерных молекул актина (при
М ~ 6-104), т. е. 2 -1017 димерных частиц актина, что хорошо совпа-
дает с рассчитанным числом молекул АТФ и известными данными
о строении димеров актина (см. рис. 59).
С другой стороны один прперечный мостик (предполагаемый
ферментативный центр) миозина приходится на 400—420 А Дан-
ной нити актина, что примерно также отвечает размерам димерной
частицы актина. Наконец, число поперечных мостиков, по струк-
турным данным Хаксли (5-1016 в 1 г мышцы), примерно равно числу
молекул миозина (1017 в 1 г мышцы при М = 6-105), а скорость
выделения* тепла и накопления неорганического фосфата, как
указывалось, хорошо согласуется с известными данными о фермен-
тативной активности миозина. Приближенное количественное
соответствие всех перечисленных данных позволяет предполагать,
что механизм основной, сократительной стадии мышечного со-
кращения в настоящее время близок к своему выяснению.
Длительность сократительной стадии составляет около 0,04 сек
(например, для икроножной мышцы лягушки), а с учетом латент-
ной стадии и распространения тока действия — около 0,05 сек с
момента возбуждения мышцы; заключительная стадия расслабле-
ния мышцы длится также около 0,05 сек и таким образом полный
цикл деформации мышцы продолжается около 0,1 сек.
В течение стадии расслабления развиваются процессы аэроб-
ного окисления молочной кислоты и других органических соеди-
нений, удаления продуктов распада в кровь и ресинтеза АТФ,
креатинфосфата и гликогена. В результате этих процессов в мышце
накапливается запас макроэргических фосфатов и питательных
веществ и восстанавливается неравновесное распределение ионов
между мышечной клеткой и окружающей средой; одновременно,
по-видимому, происходит возвращение длины нитей к исходной
величине — под действием накопления зарядов на нитях актина
(по схеме Подольского) и других факторов, одним из которых
может быть действие мышц — антагонистов. Фактически неко-
торая часть мышечных волокон всегда находится в состоянии
сокращения, что обеспечивает поддержание мышечного тонуса,
.необходимого для сохранения положения тела.
Как уже указывалось, цикл деформации мышцы составляет
310
около 0,1 сек; поэтому, если частота раздражения мышцы лежит
в близких пределах (рис. 64, /), то величина сокращения может
заметно изменяться во времени. По мере повышения частоты
раздражений амплитуда деформации уменьшается (рис. 64, /У,
III), а при частоте раздражений около 115 в 1 сек (рис. 64, IV),
когда успевают проходить лишь латентные стадии возбуждения,
Рис. 64. Зависимость амплитуды деформации икро-
ножной мышцы от частоты раздражения. / — 19 в
1 сек; II — 23,5 в 1 сек; III — 35 в 1 сек; IV — 115 в 1 сек.
по оси абсцисс — время в мсек, по оси ординат — напряжение мыш-
цы (в условн. ед.)
развивается состояние длительного постоянного сокращения—тета-
нуса. Эти данные количественно согласуются с указанными выше
скоростями различных стадий мышечного сокращения.
НЕРВНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ
Движение и возбудимость относятся к основным проявлениям
жизнедеятельности. В простейших организмах обе функции —
подвижность и возбудимость связаны практически с одними и
теми же биологическими структурами и являются по существу
неотделимыми, но в процессе эволюции, оставаясь внутренне
связанными, они все более дифференцировались в различных
специализированных структурах, которые достигают своего выс-
шего развития, соответственно, в скелетной мускулатуре и нервной
системе. Развитие головного мозга человека явилось высшей сту-
пенью эволюционного процесса.
Нервная система имеет основное значение в регулировании
процессов обмена веществ в организме и в их координации между
собою. Через нервную систему; осуществляется весь поток инфор-
311
мации из внешней среды, переработка ее в организме и выработка
необходимых ответных реакций, без чего было бы невозможно
существование организма. Таким образом, именно деятельность
нервной системы является важнейшим фактором в интеграции
всей жизнедеятельности организма как единого целого и в обеспе-
чении его неразрывной связи с окружающей средой.
Естественно, что структура и биохимические процессы в нерв-
ной ткани отличаются необычайной сложностью. Поэтому они
сравнительно еще недостаточно изучены, несмотря на большое
внимание, уделяемое этой проблеме. Как указывал Павлов: «На-
стоящую теорию нервных явлений даст нам только изучение фи-
зико-химического процесса, происходящего в нервной ткани».
ТОНКАЯ СТРУКТУРА НЕРВНЫХ КЛЕТОК
Морфологической и физиологической единицей нервной си-
стемы является нервная клетка — нейрон (рис. 65), которая со-
стоит из тела клетки с короткими отростками — дендритами,
Рис. 65. Схема строения миелинизированного нейрона:
/ — дендриты, 2 — тело клетки, 3 — аксон, 4 — волокно, 5 —
перехват Ранвье, 6 — миелиновый слой, 7 — окончания во-
локна
длинного отростка — аксона (или нервного волокна) и нервных
окончаний.
Тело нервной клетки отличается весьма разнообразной формой
(рис. 66). Размер тела нервной клетки составляет от 1 до 50 мк
(в среднем, около 30 мк), а вес — около 10“8 г. Хотя объем тела
клетки в 100—1000 раз меньше объема аксона, тело клетки яв-
ляется наиболее важной частью нейрона, так как именно она
входит в состав серого вещества коры головного мозга и серого
вещества спинного мозга.
Химический состав (средние данные) мозга млекопитающих
(сравнительно с мышцами) указан в табл. 37; различные отделы
мозга имеют несколько различный состав.
312
Белки составляют около 40% сухого остатка мозга, причем в
них содержится фибриллярные белки (нейрофибриллы). Харак-
терной особенностью является высокое содержание липидов,
особенно фосфолипидов (лецитина, кефалина, сфингомиелина,
фосфатидилэтаноламина и др.), холестерина и др.
В образовании комплексов между фосфолипидами и белками,
по-видимому, существенную роль играют ионы кальция. Большое
количество липидов ранее
отмечалось нами во внут-
риклеточных структурах—
митохондриях, микросо-
мах, содержащих много
ограничивающих и внут-
ренних мембран. Действи-
тельно, в теле нервной
клетки при электронноми-
кроскопическом наблюде-
нии также отмечаются
дифференцированные внут-
ренние структуры типа
митохондрий с рядом ог-
раничивающих мембран,
и наличие рибосом —
богатых РНК частиц,
подобных микросомам.
Эти структуры несом-
ненно связаны с интенсивным синтезом белка, происходя-
щим в теле нервной клетки, из которой цитоплазма непре-
рывно поступает в аксон. Количество митохондрий в клеточных
телах гораздо больше, чем в аксонах. Если учесть, что объ-
ем аксона в сотни раз превосходит объем тела клетки, та
необходимость интенсивного биосинтеза белка в теле нервной
клетки для поддержания нормального функционирования и реге-
нерации нейрона (в частности при повреждении) является вполне
очевидной; ниже будет показано, что мозговая ткань соответст-
венно отличается и чрезвычайно высоким потреблением кислорода.
От тела нервной клетки отходит ряд отростков — дендритов
(см. рис. 65). При помощи дендритов осуществляется передача
возбуждения и функциональная связь клеточных тел нейронов,
причем, однако, без прямого протоплазматического соединения
их между собою (см. синапсы, на стр. 317).
Наиболее длинный отросток — аксон, или нервное волокно, —
соединяет тело клетки с иннервируемым органом и служит для
передачи возбуждения. Аксоны, соединяющие полушария голов-
ного мозга и различные отделы центральной нервной системы
между собою, образуют белое вещество мозга. Анатомически диф-
ференцируемые нервные стволы и периферические нервы состоят
313
Таблица 37
Химический состав мозга и мышц (средние данные)
(по Мак-Ильвейну)
Вещество Скелет- ные мыш- цы» % Весь мозг, %
Вода 75 77—78
Белки 18—20 8
Липиды: простые жиры 1 1
холестерин 1 2—3
фосфатиды 2 5—6
цереброзиды 1 2
Углеводы 1 1
Растворимые органические вещества . . . 3—5 2
Неорганические соли 1 1
из большого количества независимых аксонов с различным физио-
логическим назначением; например, в состав блуждающего нерва
входит пучок аксонов, исходящих из различных клеточных тел
и регулирующих, соответственно, деятельность сердца, мышц,
пищеварительных желез и др.
В нервном стволе позвоночных обычно различают толстые
Л-волокна (с диаметром до 20 мк), средние В-волокна (около 3 мк)
и более тонкие С-волокна (около 1 мк). Длина нервных волокон
составляет несколько сантиметров или дециметров, однако у не-
которых беспозвоночных (кальмары, осьминоги) имеются гигант-
ские аксоны, диаметром до 1 мм и длиною до 0,8—1,0 м; такие
нервные волокна очень удобны для экспериментального изучения
и являются частым объектом исследования.
На рис. 67 показано внутреннее строение аксонов. Нервное
волокно состоит из центрального канала (или осевого цилиндра),
заполненного аксоплазмой, и ряда оболочек. В аксоплазме про-
ходят длинные нити (диаметром 100—200 А) фибриллярных бел-
ков (рис. 67, Б) с молекулярным весом порядка 2 млн. В толстых
волокнах число нитей составляет тысячи, но в тончайших волок-
нах центральной нервной системы их могут быть единицы.
В аксоплазме содержатся также ионы электролитов (К+, Na+
и др.), некоторые пептиды и различные аминокислоты, в частности,
довольно значительное количество производных цистеиновой кис-
лоты (ее амида, таурина, изетионовой кислоты).
В наиболее организованном нервном волокне позвоночных
аксоплазма окружена изолирующей миелиновой оболочкой (рис.
67, В) липидной природы; осевой цилиндр нервных волокон бес-
позвоночных покрыт, вместо миелина, несколькими тонкими слоя-
ми коллагеновых волокон. Снаружи миелиновой оболочки рас-
положены так называемые шванновские клетки и, наконец, все
нервное волокно покрыто оболочками из соединительной ткани —
314
неврилеммой и др. (рис. 67, В). В целом, получается структура,
напоминающая коаксиальный кабель, в которой соединительная
ткань составляет около 60%, миелин — около 30% и аксоплазма —
лишь 10%. Существенно отметить, что миелиновая оболочка не
является сплошным слоем; хотя она покрывает до 99% поверх-
ности осевого цилиндра, в ней имеются небольшие перерывы,
так называемые перехваты Ранвье (рис. 65, 67, В, В), длиною
Рис. 67. Схема внутреннего строения аксона. А — про-
дольный разрез нервного волокна с двумя перехватами Ран-
вье, в которых аксон имеет сужение, между ними снаружи
аксона расположено ядро шванновской клетки; Б — уве-
личенное сечение нервного волокна; В — увеличенное изоб-
ражение участка аксона с перехватом Ранвье; схематический
продольный разрез аксона, обозначенного буквой А:
7 — осевой цилиндр, имеющий сужения у перехватов Ранвье, 2 — миели-
новая оболочка, 3 — шванновская клетка, охватывающая миелиновую
оболочку, 4 — ядро шванновской клетки, 5 — неврилемма, окружающая
шванновскую клетку и аксон (она также сужена у перехватов), 6 — эн-
доневральная оболочка, являющаяся наружным чехлом волокна, 7 — пе-
рехват Ранвье
в несколько микронов и шириною в несколько сот ангстремов,
через которые аксоплазма соединяется с неврилеммой.
Электронномикроскопические исследования (Сьестранд, Фер-
нандез-Моран) установили замечательную правильность молеку-
лярного строения миелиновой оболочки нерва. Фернандез-Моран
(1957) на ультратонких срезах (до 50 Д) при увеличениях, дове-
денных до 1 млн. раз, получил снимки (рис. 68), на которых от-
четливо видно чередование молекулярных цепей белков и липои-
дов, периодичность которых была также установлена методами
рентгенографии живого нерва под малыми углами (см. рис. 68
слева).
В миелиновой оболочке нерва мы вновь встречаемся с основным
типом мембранных структур, состоящим из бимолекулярного слоя
липидов, заключенного между монослоями белковых молекул,
315
общей толщиной около 70—80 А («единичная мембрана»), которая
характерна для внутриклеточных структур и клеточных мембран.
Период в 176 А на рис. 68 образован двумя слоями таких мембран
(с включением прослоек воды между белками), последовательно
наложенных друг на друга, вследствие чего образуются удвоенные
слои белковых молекул, между которыми располагаются бимоле -
Рис. 68. Молекулярное строение миелиновой обо-
лочки нерва
кулярные слои липидов (светлые полосы); благодаря ориентиро-
ванному строению миелиновый слой обладает сильным двойным
лучепреломлением.
По Герену, такое строение миелиновой оболочки объясняется
тем, что она образуется шванновскими клетками, последовательно
огибающими осевой цилиндр аксона (рис. 69), после чего цито-
плазма шванновских клеток выжимается и наложение остающихся
мембран создает характерную структуру миелинового слоя. Эта
концепция интересна тем, что она наглядно объясняет возможное
происхождение высокой молекулярной упорядоченности в про-
цессе биосинтеза одного из основных типов биологических мем-
бранных структур. В месте соприкосновения мембран различных
шванновских клеток, которые не сливаются между собой, и возни-
кают промежутки или перехваты Ранвье.
Аксоны вегетативной нервной системы, иннервирующей раз-
личные внутренние органы и /ткани, тянутся до нервных узлов
(ганглиев), из которых исходит пучок из 20—30 морфологически
самостоятельных послеузловых (постганглионарных) нейронов к
316
соответствующим органам; поэтому возбуждение предузлового
(преганглионарного) нейрона приводит к возбуждению сразу целой
группы тканей. Однако иннервация скелетной мускулатуры" всегда
однонейронная (без промежуточных узлов). Строение нервных
окончаний, соединяющих нерв с мышцей или нервные клетки
между собою, отличаются рядом характерных особенностей.
Нервные окончания (см. рис. 65) никогда не имеют прямого
протоплазматического соединения. Они покрыты на конце непре-
Рис. 69. Схема образования миелиновой оболочки
нерва в процессе биосинтеза (I—IV — последова-
тельные стадии)
рывной мембраной толщиной около 50 А и образуют небольшие
утолщения в виде бляшек размером около 2 мк (встречаются до
10 мк), внутри которых содержится митохондрии и большое коли-
чество пузырьков, размером 0,02—0,05 мк. Между бляшкой и
мембраной, воспринимающей клетки, находится узкая щель шири-
ной около 200 А- В совокупности это устройство называется си-
напсом (по Шеррингтону), который, таким образом, состоит из
синаптической бляшки, синаптической мембраны и синаптической
щели между ними (рис. 70). Поверхность одного синаптического
контакта составляет около 12 лис* (Луфт, 1956), а число синапти-
ческих контактов в нейроне может доходить до нескольких тысяч.
31
Переход возбуждения через синапс от одного нерва к другому
нерву или к мышечному волокну происходит при участии некото-
рых химических веществ, выделяемых на синаптических бляшках
и действующих на поглощающие центры (рецепторы) в синапти-
ческой мембране. Время диффузии через синаптическую щель
составляет всего около 1 мксек и, таким образом, передача осу-
ществляется с достаточной быстротой.
Благодаря указанному механизму синаптической передачи она
имеет односторонний характер (только от бляшек к мембранам)
бляшка
о о о о
о о о О о
синаптическая
ООО
О О О О
ООО С> О о о о о о
О ОООООООО
оооооооооо
диффузионный /,
барьер ///?
синаптическая мембрана
Рис. 70. Схема строения синапса
и возбуждение передается либо от мозга к периферии (центробеж-
ные или эфферентные нервные волокна), либо в обратном направ-
лении (центростремительные или афферентные волокна), хотя
нервные волокна сами по себе могут проводить возбуждение в
обоих направлениях. В дальнейшем мы ограничимся эфферентными
нервными волокнами.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ В НЕРВНЫХ
КЛЕТКАХ
Возникновение возбуждения в нервной клетке удобно рас-
смотреть, начиная с синаптической передачи. Она происходит
при помощи различных химических веществ, специфичных для
различных видов нейронов и отличающихся по своей природе
и связанными с ними ферментными системами.
Одним из основных веществ этого рода является ацетилхолин
(CH3)+3N(OH)-—СН2СН2—ОСОСНз, с которым связана деятельность
так называемых парасимпатических нейронов и предузловых ней-
ронов симпатической системы (отделы вегетативной нервной си-
стемы). Нейромышечные соединения, приводящие к возбуждению
и сокращению мышечного волокна, как указывалось выше, так же
действуют при участии ацетилхолина. Синтез ацетилхолина путем
ацетилирования холина происходит при участии фермента холин-
318
ацетилазы, АТФ и коэнзима А с образованием в качестве проме-
жуточных веществ аденилацетата и ацетилкоэнзима А:
1) АТФ+ацетат^аденилацетат+Р—Р;
2) аденилацетат+КоА^ацетил-КоА+адениловая кислота;
3) ацетил—КоА+холин^ацетилхолин+КоА
СН3С—S—Ко А+ (СН3)3КСН2СН2ОНчЬ
О
чЬ (CH8)3NCH2-CH2-O-C-CH3+HS-KoA.
II
О
Холинацетилаза непосредственно катализирует реакцию (3),
которая заключается в переносе ацетильной группы с коэнзима А
на холин. Синтез ацетилхолина происходит в период отдыха нерв-
ного волокна; точное место этого синтеза еще не установлено.
Предполагается, что ацетилхолин до момента импульса находится
в связанном состоянии в митохондриях или, возможно, заполняет
пузырьки в нервном окончании (см. рис. 70). При возбуждении
ацетилхолин освобождается (возможно, из лопнувших пузырьков,
которые всегда наблюдаются на электронномикроскопических
фотографиях) и переходит через синаптическую щель на рецепто-
ры. Выход ацетилхолина зависит от содержания кальция и магния
в омывающей жидкости. Было установлено, что выход ацетилхо-
лина происходит небольшими порциями, иногда всего по несколь-
ку тысяч молекул в каждом выбросе, что также соответствует
механизму его выхода из синаптических пузырьков. Общее коли-
чество ацетилхолина, выделяемое при возбуждении одного ней-
рона, ничтожно мало и составляет менее 10"1в молей ацетилхолина
на импульс.
Механизм действия ацетилхолина на воспринимающую клетку
остается не вполне выясненным. Непосредственным результатом
его действия является резкое изменение в распределении ионов
между клеткой и средой, которое выражается в возникновении
тока действия, примерно через 10"3 сек после возбужения (см.
гл. 4). Действующее количество ацетилхолина настолько мало,
что невозможно предположить его прямое взаимодействие со всей
массой протоплазмы воспринимающей клетки. Как уже указыва-
лось, 1 молекула ацетилхолина влияет на прохождение 500—
1000 Na-ионов, что вряд ли можно объяснить какими-либо объем-
ными эффектами. Наиболее обоснованно, как и в отношении мы-
шечного волокна, предположение, что ацетилхолин изменяет про-
ницаемость субсинаптической мембраны, т. е. поверхностной обо-
лочки воспринимающей клетки, вызывая локальное нарушение
ее структуры. При величине площади молекулы ацетилхолина
30—50 А2 и расходе ацетилхолина около 10-14 моль!'смЧимпульс
за 10"3 сек (период передачи возбуждения) может быть покрыто
около 103 мкг (Нахмансон). Изменение свойств мембраны на таком
319
участке вполне может объяснить указанное влияние ацетилхо-
лина на перенос ионов электролитов (напомним, что на 1 импульс
переносится около 4-Ю”12 г-же Na+ на 1 см2; см. табл. 27).
Последующее распространение возбуждения происходит уже
при участии тока действия. Изменение электрических свойств
мембраны при нервном возбуждении подробно исследовалось пря-
мыми методами (см. стр. 218). Конкретный механизм действия
ацетилхолина на структуру мембраны может заключаться, на-
пример. в изменении конфигурации молекул белков рецептора
Размеры гидратированных ионов
Вг~ СГ К* NO^ SCN' НСО~ CH3COO~SO^'H2PO~НР0^'~
1111111111
— тормозной синапс --возбуждающий синапс-Л
Рис. 71. Изменение эффективного диаметра пор мембра- >
ны при действии возбуждающего и тормозящего импуль- j
са (по Экклсу); для сравнения приведены относительные
размеры гидратированных ионов f
- tv
при связывании ацетилхолина (по Нахмансону), в блокировке
адсорбционных центров мембраны (Эйринг) или в прямом измене- *
нии эффективного диаметра пор мембраны (Экклс) и их поверх- :
ностных свойств в результате образования мономолекулярного |
адсорбционного слоя. J
С этой последней точки зрения, можно объяснить не только Ij
возбуждающие, но и тормозящие эффекты действия нервного им-
пульса (рис. 71) по сравнению с нормальным состоянием воспри-
нимающей клетки. Коштоянц и сотр. в ряде работ убедительно
показали также влияние ацетилхолина на активацию или осво-
бождение SH-групп белков сердечной мышцы.
Действие ацетилхолина при нервном импульсе быстро блоки-
руется при участии фермента ацетилхолинэстеразы, который гид-
ролизует ацетилхолин на холин и уксусную кислоту. Это позво-
ляет клетке устранить источник возбуждения и перейти к периоду
восстановления. Сложная ферментная система холинацетилаза —
ацетилхолин — ацетилхолинэстераза позволяет, в целом, тонко
регулировать процессы синтеза и разложения ацетилхолина в
соответствии с потребностями клетки. Ацетилхолинэстераза со- ।
320
держится в различных частях нервных клеток, особенно концент-
рируясь в области синаптических контактов.
Ацетил холинэстераза является мощным ферментом с молеку-
лярной активностью около 2 • 107/лш« (т. е. 1 молекула фермента
может разложить до 2-Ю7 молекул ацетилхолина за 1 мин); мо-
лекулярный вес составляет около 3 млн. Количество ацетилхолин-
эстеразы, содержащееся в 1 г свежей ткани мозга млекопитаю-
щих, способно разложить в 1 ч 80—100 мг ацетилхолина, в перифе-
рических нервах — 10—30 мг, в нервных узлах (ганглиях) —
150—200 мг; у некоторых видов электрических рыб эта цифра
доходит до 2—3 г. В различных участках мозга человека эта вели-
чина колеблется от 30 до 300 мг, т. е. на 1 г мозга разлагается
1017—10 18 молекул ацетилхолина в 1 сек. Молекулярный механизм
ферментативного разложения ацетилхолина и строение активного
центра фермента рассматривались на стр. 149—150; там же ука-
зывалось на причины отравляющего действия кураре и анало-
гичных веществ, блокирующих мионевральные контакты.
Интересно, что некоторые вещества, структурно сходные с
ацетилхолином (например, эзерин, простигмин), являются кон-
курентными ингибиторами ацетилхолина (см. гл. 3), а вещества
с общей формулой
RO О RO О
Y ил„ Y
R(/X /X
где Х= F, CN; R=CH3; OR = OC2H5, ОС3Н7,
типа диизопропилфторфосфата (ДПФФ), зарина, табуна и др.,
образующие прочные фосфорилированные производные в эстераз-
ном центре фермента, являются нейротоксическими веществами
(нервными ядами).
Эти данные дополнительно подтверждают роль связанной с
ацетилхолином ферментной системы в нервном возбуждении.
Действие других химических веществ, принимающих непо-
средственное участие в нервном возбуждении (нейрогуморальных
веществ), изучено слабее, чем ацетилхолиновой системы. Инте-
ресно, что все эти вещества оказываются производными амино-
кислот, метаболизм которых, таким образом, имеет чрезвычайно
большое значение в регуляции нервной деятельности. Так, на-
пример, в послеузловых (постганглиональных) нейронах симпа-
тической нервной системы роль ацетилхолина играют норадрена-
лин и адреналин — производные тирозина:
СН —CH2-7-NHR,
I
он
321
где R=H— норадреналин, R=CH3— адреналин. Оба вещества
главные компоненты симпатина, действующего в синапсах симпа
тической нервной системы. Содержание норадреналина в симпати-
ческих ганглиях составляет около 3-10“8 моль!г, в некоторых
областях мозга 5—6- 10"9 моль!г. Роль ацетилхолинэстеразы в
данном случае играет фермент аминооксидаза (место действия фер-
мента указано пунктирной линией), содержание которого выше
в тех участках мозга, которые сравнительно бедны холинэсте-
разой.
По данным Утевского, существенное значение имеет хиноидное
окисление адреналина. Адреналиноподобные соединения относятся
к веществам гормональной природы; в частности, гормон адрена-
лин вырабатывается надпочечниками. Механизм действия адрена-
лина, как и других гормонов, еще не изучен, но есть указания,
что он также связан с изменением проницаемости клеточных мем-
бран.
Важное значение имеют производные триптофана — трипта-
мин и, особенно, серотонин (5-окситриптамин), образующийся
путем ферментативного декарбоксилирования 5-окситриптофана
СН
НО—'с—С—СН2—СН2—NH2
I II II
НС С СН
ч /\/
СН NH
серотонин
Серотонин служит передатчиком нервного возбуждения в цент-
ральных синапсах стволовой части головного мозга позвоночных
и нарушение его обмена приводит к ряду шизофренических рас-
стройств. Разложение серотонина также осуществляется амино-
оксидазами.
Производные глутаминовой кислоты — ^-оминомасляная и
^•амино^оксимасляная кислоты оказывают тормозящее действие
в синапсах головного мозга и обладают сильным противосудорож-
ным действием. Если учесть, что и холин по существу является
производным аминокислоты серина, то роль метаболизма амино-
кислот в нервном возбуждении приобретает основное значение.
При любом способе возникновения или синаптической передачи
возбуждения в нервной клетке дальнейшее распространение воз-
буждения по нервному волокну тесно связано с электрохимиче-
скими явлениями, подробно рассмотренными в главе 4. Поэтому
напомним лишь, что распространение нервного возбуждения обус-
ловлено прохождением волны тока действия, являющейся резуль-
татом измененных условий переноса ионов (главным образом Na+-
и К+-ионов) между нервной клеткой и окружающей средой через
322
мембрану. Структура и проницаемость мембраны изменяются вна-
чале под влиянием специфического химического вещества, а затем,
на последующих отрезках нейрона, под влиянием тока действия.
Таким образом, ацетилхолин и другие аналогичные вещества
играют роль пускового механизма.
Обычно для возбуждения клетки достаточно понижения потен-
циала покоя, имеющего нормальную величину около 60—90 мв,
на 10—30 мв; при толщине мембраны около 100 А такое изменение
потенциала равносильно действию на мембрану напряжения в
10000—ЗООООв/cjw, что, естественно, должно приводить к значи-
тельному нарушению структуры. Раз возникнув, нервный импульс
быстро охватывает всю клетку; напротив, если первичное раздра-
жение не привело к возникновению тока действия, например,
если первичное нарушение структуры мембраны быстро восста-
новлено, то клетка вовсе не возбуждается. Если раздражение
клетки с самого начала вызывается электрическим током, то легко
количественно определить минимальное (пороговое) напряжение,
необходимое для возбуждения нейрона. Более низкие, подпорого-
вые раздражения совсем не вызывают возбуждения, а более силь-
ные надпороговые раздражения, независимо от их интенсивности
вызывают развитие полного возбуждения нейрона. Эта особен-
ность возбуждения нервных клеток по принципу «все или ничего»,
формально выражаемая двоичным исчислением (использующим толь-
ко две цифры 1 и 0), имеет большое значение для моделирования
физиологии нервной деятельности в кибернетике.
Установлена закономерность, что пороговое раздражение г
равно произведению напряжения тока Е на корень квадратный
из времени его действия t (г=ЕУ t). Обычно ток действия в 5—
7 раз превышает пороговое раздражение.
В миелинизированном нервном волокне ток действия проходит
между перехватами Ранвье, причем возбужденный участок сна-
ружи волокна является отрицательным по отношению к невоз-
бужденному. Наличие миелиновых оболочек препятствует перехо-
ду возбуждения одних.нервных волокон на другие, что особенно
существенно для пучков волокон (в периферических нервах и др.).
Скорость распространения нервного импульса изменяется в
широких пределах — в миелинизированных волокнах позвоноч-
ных она составляет 50—80 м/сек (иногда достигая 100 м/сек), а в
лишенных миелина нервах беспозвоночных — ниже 1 м/сек. В бо-
лее толстых нервных волокнах скорость проведения импульса выше
(рис. 72). Продолжительность прохождения импульса между двумя
перехватами Ранвье (около 1—2 мм) составляет всего около 0,001 —
0,002 сек. Именно в перехватах Ранвье, где аксоплазма через
неврилемму контактирует с омывающей жидкостью, происходит
изменение переноса ионов и генерация на мембране импульса
электрического тока (около 100—120 мв), который является внеш-
ним проявлением основного электрохимического процесса — пе-
323
рераспределения ионов при изменении проницаемости
мембраны.
Как по своей природе, так и по скорости распространения
нервный импульс не имеет ничего общего с электромагнитной
волной или движением электронов по «зонам проводимости» в
полупроводниковых структурах. Скорости распространения токов
действия вполне достаточны для организма, которому, очевидно,
нет необходимости прибегать к полупроводниковым и другим
механизмам электронной подвижности даже в тех случаях, когда
Рис. 72. Зависимость скорости проведения возбуждения от
толщины нервного волокна:
по оси абсцисс — диаметр нервного волокна вж, по оси ординат — скорость
проведения возбуждения в м/сек
задача специально заключается, казалось бы, в передаче электри-
ческого импульса; тем меньше оснований ожидать действия этих
механизмов в других случаях передачи энергии при нормальной
деятельности организма (см. гл. 6).
По данным Франка и сотр., прохождение возбуждения по нерв-
ному волокну сопровождается распространением упругой волны
по поверхности волокна, изменением вязкоэластических свойств
волокна и его светорассеяния; возможно, что эта упругая волна
является результатом быстрого локального нарушения структуры
мембраны при возбуждении или сопутствующих электрострик-
ционных эффектов. Эти данные интересны тем, что они характери-
зуют тесную внутреннюю связь явлений возбудимости и подвиж-
ности даже в высокоспециализированной нервной ткани. Следует
отметить попутно слабую изученность роли высокомолекулярных
324
компонентов нервных клеток и аксонов (например, белков, нейро-
фибрилл, фосфорилированных липопротеидов) в процессе нерв-
ного возбуждения. Как уже указывалось в главе 4, они могут
иметь существенное значение в качестве высокомолекулярных по-
лиэлектролитов для распределения ионов между нервной клеткой
и средой; кроме того, они могут принимать участие и в распростра-
нении упругой волны при возбуждении.
Из сказанного выше можно как будто сделать вывод, что воз-
никновение и распространение нервного импульса определяется
двумя основными механизмами: участием химических веществ в
синаптических передачах и токов действия между ними.
Действительно, следует указать, что существуют две основные-
теории нервного возбуждения — физическая, считающая основ-
ным фактором действие электрической волны (в том числе и на
синаптических передачах), и химическая, придающая основное-
значение действию нейрогуморальных веществ и связанных с ними
ферментных систем. При этом в обоих случаях принимается изме-
нение проницаемости мембран и распределения ионов между клет-
кой и средой, но различие заключается в предполагаемых причи-
нах этих изменений.
В настоящее время наиболее обоснованной для синапсов сле-
дует считать химическую, или, вернее, биохимическую концеп-
цию, и изложение вопроса было дано нами с этой точки зрения „
НахмансЪн (1960) считает, однако, что ацетилхолин является не-
только синаптическим передатчиком, но что ферментная система
ацетилхолина является существенной и для внутриклеточной про-
водимости по нервному волокну; с другой стороны, Фуршпан
и Поттер (1957) предполагают, что синаптическая передача также
имеет электрическую природу, т. е. что мембраны обладают одно-
сторонней проводимостью. Вопрос еще остается невыясненным,,
но наличие- существенных различий в механизме синаптической
передачи и проводимости по волокну, по-видимому, действительно
имеет место. Возможно, что химический механизм синаптической
передачи обеспечивает одностороннюю направленность передачи
возбуждения, так как токи действия вообще могут распространять-
ся по нервному волокну в обоих направлениях; с другой стороны г
механизм проведения импульса при помощи токов действия обес-
печивает необходимую быстроту распространения возбуждения^
которая не могла быть обеспечена чисто химическим путем.
МЕТАБОЛИЗМ НЕРВНОЙ КЛЕТКИ И ВОЗБУЖДЕНИЕ
Подобно другим клеткам организма нервные клетки связаны
постоянным обменом веществ со средой (с омывающими жидкос-
тями) и их состояние в покое и при возбуждении является стацио-
нарным состоянием (см. гл. 1—2), которое поддерживается на
325-
'том или ином уровне в зависимости от хода метаболических про-
цессов. За счет свободной энергии окислительных процессов в
нервной клетке поддерживается неравновесное распределение ио-
нов между клеткой и средой, которое приближается к термодина-
мически равновесному в период возбуждения и вновь удаляется
от него в период восстановления (рефрактерный период). Так
как цикл возбуждения и восстановления нейрона происходит без
совершения механической работы (в отличие от аналогичного
процесса для мышечной клетки), то падение свободной энергии
проявляется преимущественно в осмотической работе переноса
ионов и отчасти в выделении тепла. Тепловой эффект возбуждения
нерва очень мал и в течение долгого времени его не удавалось
измерить, пока Хилл (1958) не показал, что при прохождении
одного импульса за несколько миллисекунд выделяется 8—
10 мккал на 1 г нервной ткани; затем Стечение 0,2—0,3 селе происхо-
дит поглощение 6—8 мккал в результате некоторых биохимиче-
ских процессов и, таким образом, суммарный тепловой эффект за
это короткое время составляет всего 2 мккал на 1 импульс на 1 г
нервной ткани (что соответствует повышению температуры лишь
на 2- 10~б градуса). Хилл указал, что если отнести эту величину
не ко всей массе нервного волокна, а только к его поверхностному
мембранному слою (толщиной около 50 А), то тепловой эффект
составит уже 2,8- 10~3 кал!импульс!г, что близко к тепловому
эффекту мышечного сокращения (3- 10'3 кал!г).
Нервная клетка, как указывалось на стр. 313, характеризуется
чрезвычайно интенсивным метаболизмом и высоким потреблением
кислорода. По расчетам Владимирова, мозг человека в целом
потребляет 30—50 мл кислорода в 1 мин, т. е. больше, чем совер-
шающая большую механическую работу мышца сердца. Поэтому
мозговая деятельность требует чрезвычайно интенсивного крово-
снабжения и крайне чувствительна к недостатку кислорода. Основ-
ное значение в потреблении кислорода имеет процесс окисления
глюкозы, которая поступает в мозг также из кровяного русла.
В мозгу происходит гликолиз углеводов и их полное аэробное
«окисление (дыхательный коэффициент головного мозга равен 1,
а периферических нервов около 0,8—0,85), сопряженное с про-
цессами окислительного фосфорилирования. Соответственно, в моз-
гу установлено наличие ферментов анаэробного гликолиза —
гексокиназы, фосфоглюкомутазы и др. (Палладии и сотр.), цикла
трикарбоновых кислот и цитохромной цепи, включая цитохромо-
ксидазу. Развитая система внутриклеточных структур типа ми-
тохондрий (в нервной клетке насчитывается свыше 105 митохонд-
рий, с богатыми липидами мембранами) и частиц рибосом, богатых
РНК, обеспечивает интенсивные процессы окислительного фос-
форилирования и биосинтеза белка.
Работы Палладина, Владимирова и сотрудников показали,
что цикл возбуждения мозговой ткани сопровождается усилением
326
окисления углеводов, накоплением молочной и пировиноградной
кислот, повышением обмена фосфокреатина, АТФ, фосфолипидов,
увеличением содержания неорганического фосфата, изменением со-
держания аммиака и др. Выше уже указывалось на значение обмена
ряда аминокислот для деятельности центральной нервной системы;
кроме того, следует указать на большое значение ряда витаминов —
тиамина, никотиновой кислоты, Вв, В12 и др.
Полезное использование свободной энергии окислительных про-
цессов в нервной ткани, как и в других органах, происходит преи-
мущественно при участии фосфорилированных соединений, прежде
всего фосфокреатина и АТФ. В теле нервной клетки содержится
около 4 мкмоль фосфокреатина на 1 г мозга (всего креатина со-
держится 7—8 мкмоль/г), являющегося источником фосфорилиро-
вания адениннуклеотидов мозга, содержащихся в количестве около-
4 мкмоль фосфора на 1 г; в мозгу содержится также фермент аде-
возинтрифосфатаза.
Как и при мышечном сокращении, уровень АТФ при нервном
возбуждении поддерживается постоянным за счет расхода и вос-
становления фосфокреатина (Мак-Ильвейн). По данным Нахман-
сона, при возбуждении органов электрической рыбы Electrophorus
electricus (1500—1800 разрядов за 2—5 мин) изменение содержания
фосфокреатина соответствовало освобождению 62 мккал (в пере-
счете на 1 импульс и на 1 а ткани) и, кроме того, произошло на-
копление молочной кислоты, соответствующее освобождению-
78 мккал\ общее количество освобожденной энергии составило
140 мккал (в том же пересчете), а общий выход электрической
энергии — 47 мккал (из них в виде внешнего разряда 8 мккал)
Таким образом, в данном случае около 1/3 (47/140) энергии исполь-
зуется для переноса ионов, лежащего в основе электрического-
разряда, причем по отношению к фосфорилированным соединениям,
эта величина составляет около 75%. Значительная часть энергии
расходуется также на постоянный синтез аксоплазмы, в течение
всей жизни нейрона медленно стекающей в аксон в виде жидкого*
геля (со скоростью около 1 мм!день). Выделение тепла, как легко-
видеть, составляет несколько процентов от освобождающейся
энергии (суммарный тепловой эффект 2 мккал — всего-
1,5%).
Наконец, следует '’отметить, что энергия разложения ацетил-
холина — возбудителя нервного импульса, составляет лишь нич-
тожную часть энергетического баланса. При расходе ацетилхо-
лина 10-14 моль!см2 на 1 импульс, величине поверхности 1 г нерва
около 1600 см2 и свободной энергии гидролиза ацетилхолина AF0 =
=—3200 кал/моль, тепловой эффект этого процесса должен со-
ставить всего 0,05 мккал (в пересчете на 1 импульс и на 1 г ткани)
или 0,03% от энергии метаболических процессов при нервном
возбуждении, что ясно характеризует пусковое значение разло-
жения ацетилхолина. Осмотическая работа поддержания неравно-
327
ъесного распределения ионов и биосинтез аксоплазмы являются
основными путями потребления энергии метаболических про-
цессов в нервной клетке.
ВЫВОДЫ
Биологические структуры неотделимы от процессов жизнедея-
тельности. Значение биологических структур определяется тем,
что они обеспечивают: внешнюю форму и внутреннюю организа-
цию живого существа, полезное использование энергии метабо-
лических процессов в различных видах работы и регулирование
хода метаболических (ферментативных) процессов, которые, в свою
очередь, определяют сохранение и функционирование биологи-
ческих структур. Важными факторами образования упорядочен-
ных биологических структур в организме являются морфологиче-
ские условия биосинтеза (например, при образовании миелино-
вой оболочки нерва), направляющее действие межмолекулярных
«сил (особенно, водородных связей), ориентация молекул на -внут-
ренних поверхностях раздела. Биологические структуры могут
быть разделены на два основных типа — мембранные и волокнис-
тые, представленные в организме в различных сочетаниях.
Уже в протоплазме (гиалоплазме) можно отметить наличие
внутренней сетки макромолекул в виде разбавленного тиксотроп-
ного геля и большого количества молекулярных поверхностей
раздела (наряду со многими включениями коллоидных размеров).
Юднако типичным элементом мембранных структур является би-
молекулярный слой ориентированных молекул липидов, заклю-
ченный между двумя мономолекулярными слоями белков, общей
толщиной около 80 А- Замечательно, что такая «элементарная»
или «единичная» мембрана является общей для цитоплазматических
структур и клеточных мембран любых растительных и животных
клеток на всех ступенях эволюционного развития. Важная осо-
бенность цитоплазматических структур (митохондрий, микросом,
лластид, секреторных гранул и др). — наличие в них организо-
ванных групп ферментов, благодаря чему они имеют большое
значение для метаболизма клеток; в частности, митохондрии яв-
ляются центрами окислительных процессов и образования макро-
эргических соединений, микросомы (содержащие частицы РНК) —
центрами биосинтеза белка, хлоропласты — центрами фото-
синтеза и др. Наличие тесной связи ферментов и структур вызыва-
ет ряд особенностей в действии ферментов в живой клетке благодаря
различным физиологически обусловленным изменениям в проч-
ности связи ферментов, в действующей концентрации ферментов
:на структурах и в растворе, в пространственных условиях взаимо-
действия фермента и субстрата, в удельной каталитической актив-
ности ферментов, в локальных значениях pH и концентрации
веществ и др.
328
Клеточные мембраны принимают непосредственное участие в?
осуществлении материального обмена веществ между клеткой и
средой — основного проявления жизнедеятельности. Перенос ряда,
веществ в клетку происходит по градиенту концентрации, однако,
основное значение имеет избирательный перенос необходимых для,
метаболизма веществ против градиента концентрации, идущий,
с затратой энергии метаболических процессов (активный перенос).
Несмотря на локальное уменьшение энтропии, активный пе-
ренос всегда сопровождается общим увеличением энтропии всей
системы. Активный перенос не просто результат различной раст-
воримости веществ в клетке и среде; энергия метаболических про-
цессов затрачивается, по-видимому, на образование химических
(например, фосфорилированных) производных переносимого ве-
щества и их дальнейшее изменение в процессе обмена, вследствие*
чего на пути от среды в глубь клетки возникает ряд переносов
по градиенту концентрации, хотя общий результат процесса соот-
ветствует переносу исходного вещества против градиента концент-
рации.
К числу основных проявлений жизнедеятельности относятся
также возбудимость и подвижность. Оставаясь по существу не-
разрывно связанными, они в процессе эволюции все более диффе-
ренцируются в специализированных структурах мышечной и нерв-
ной ткани.
Функциональным элементом мышечного движения является
мышечное волокно, снабженное нервным окончанием. Мышечное*
волокно содержит, помимо необходимых метаболитов и внутри-
клеточных структур, сложную систему пространственно разде-
ленных, ориентированных нитей миозина и актина, с локализа-
цией ферментативной активности в миозине или в его компоненте —
//-меромиозине. Разрыв связей между обоими видами нитей про-
исходит в результате реакции ферментативного разложения АТФ
миозином, скорость которой зависит от состава и концентрации
электролитов в среде; в свою очередь, ионный состав среды из-
меняется в результате нарушения структуры и проницаемости
внешней мембраны мышечного волокна при нервном импульсе*
или ином раздражении. Таким образом, создается, последователь-
ность стадий: нервный импульс — изменения в распределении
ионов и возникновение тока действия — ферментативная реакция
и собственно сокращение мышцы, — заключительная стадия вос-
становления, с общей длительностью до 0,1 сек (в скелетных мыш-
цах млекопитающих). Предполагается, что в основе деформации
лежит изменение числа зарядов (АТФ) на нитях актина, регули-
руемое ферментативным воздействием нитей миозина. Показано,,
что в определенных пределах деформации изменение размеров
мышечного волокна происходит путем продольного перемещения
нитей актина между нитями миозина, с сохранением линейных
размеров каждого вида нитей; этот механизм совершенно отлича-
329*
стся от механизма деформации технических полимерных материа-
лов. Количественное соответствие между глубиной расщепления
АТФ, числом молекул актина и миозина в мышечном, волокне,
удельной ферментативной активности миозина, величиной напря-
жения при сокращении и тепловым эффектом работы мышцы,
наряду с установлением тонкой структуры мышц прямыми мето-
дами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа
характеризуют значительные успехи, достигнутые в выяснении
истинного механизма мышечного сокращения.
Для метаболизма нервной клетки существенно, что тело нерв-
ной клетки (входящей в состав серого вещества мозга) должно
«обеспечивать биосинтез протоплазмы для нервных волокон — аксо-
нов, объем которых в сотни раз превосходит объем клетки; кроме
того, метаболизм нервной клетки поддерживает неравновесное
распределение ионов между клеткой и средой (эти два вида актив-
ности поглощают почти всю энергию метаболических процессов
клетки).
Тело нервной клетки насыщено мембранными структурами и
содержит мало запасных питательных веществ; соответственно,
метаболизм нервной клетки характеризуется высокой интенсив-
ностью непрерывного потребления кислорода и глюкозы из тока
крови. Передача возбуждения между нервными клетками произ-
водится через синапсы (специальное устройство которых обеспе-
чивает одностороннюю передачу возбуждения) при помощи ряда
специфических химических веществ: ацетилхолина, норадренали-
на, серотонина, 7-аминомасляной кислоты7 др., образование и
разложение которых регулируется специальными ферментными
системами. Действие ацетилхолина (и, по-видимому, других ве-
ществ) приводит к локальному нарушению структуры и проницае-
мости синаптических мембран, что сопровождается изменением
распределения ионов между клеткой и средой; подсчитано, что
1 молекула ацетилхолина изменяет условия прохождения 500—
1000 ионов Na+. При этом тепловой эффект разложения ацетил-
холина составляет всего 0,03% от энергии метаболических про-
цессов, что ясно характеризует пусковой механизм его действия.
Измененное распределение ионов приводит к возникновению тока
действия, который инициирует дальнейшее распространение воз-
буждения по нервному волокну — без затухания и с высокой
скоростью (до 100 м/сек), вполне обеспечивающей потребности
организма.
В целом, для биологических структур характерны: высокая
специализация действия каждого элемента структуры, вследствие
чего выполнение физиологической функции обеспечивается лишь
в рамках сложных многокомпонентных структур; тесная связь
с ферментами, вплоть до прямого вхождения ферментов в состав
структур, что в наибольшей мере обеспечивает их влияние на ход
и координацию метаболических процессов; подвижная взаимо-
330
связь изменений структур и химических процессов. Деятельность
всех биологических структур тесно связана с физиологическим
состоянием -организма и условиями окружающей среды. Нарушение
целостности биологических структур ведет к нарушению коорди-
нации процессов обмена или ж их прекращению.
ЛИТЕРАТУРА
Афанасьев П. В. О некоторых вопросах теории биохимических
процессов. «Усп. соврем, биолог.», 1952, т. 34.
«Биохимия нервной системы», Сб. статей. Киев, Изд-во АН УССР, 1954>
Б р а ш е Ж- Биохимическая цитология. М., ИЛ, 1960.
Волькенштейн М. В. Молекулы и жизнь, М., Изд-во «Наука»,.
1965.
Г и з е А. Физиология клетки. М., ИЛ, 1959.
Мак-Ильвейн Г. Биохимия и центральная нервная система^
ИЛ, 1962.
Молекулы и клетки. Изд-во «Мир», М., 1967.
ПасынскийА. Г. Коллоидная химия. М., 2 изд. Изд-во «Высшая шко-
ла», 1963.
Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов..
1961.
ПюльманБ. Электронная биохимия. М., Изд-во «Наука», 1966.
Рубинштейн Д. Л. Общая физиология. М., Медгиз, 1947.
«Структура и функция клетки». Сборник. М., Изд-во «Мир», 1964.
«Современные проблемы биохимии». Сб. статей (статьи С. Перри, Г. Ве-
бер аи др.). М., ИЛ, 1957.
«Современные проблемы биофизики». Сб. статей, т. 2 (статьи № 36—40„
43, 45, 46, 49—51, 54, 56). М., ИЛ, 1961.
Сисакян Н. М. Ферментативные свойства протоплазменных струк-
тур. М., АН СССР, 1952.
ТрошинА. С. Проблема клеточной проницаемости. М., АН СССР,.
1956.
Ф р а н к Г. М. Физико-химические и структурные основы биологиче-
ских процессов. «Вестник АН СССР», 1958, № 3.
Ф р а н к М. В книге «Молекулы и клетка». Механизм мышечного*
сокращения. Изд-во «Мир», 1967.
Э к к л с Г. Физиология нервных клеток. М., ИЛ, 1960.
Biological membrans Recent Progress. Anual of the New Jork Acad Sci.
137, Art 2, 1966.
Engstrom A. a. Finean J. Biological UUrastructure, 1958.
Huxley H. The Contraction of Muscle. «Scientific American»,.
1958, 199, 67.
«Membrane Phenomena». Discussions of the Faraday Society, 1956, № 2k
Molecular Biology. Ed. D. Nachmansohn, 1960.
Nachmansohn D. Chemical and Molecular Basis of Nerve Acti-
vity, N. Y. 1952, p. 232.
N e t t e r H. Theoretische Biochemie. Berlin, 1952.
«Physiology of the Cell Membrane». J. General Physiology», 1960, 43„
№. 5.
Schneider W. Mitochondrial Metabolism. «Advances in Enzymology»
1959, 21.
ГЛАВА 6
РАДИКАЛЫ И ВОЗБУЖДЕННЫЕ СОСТОЯНИЯ
В БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
Все метаболические процессы,'* рассмотренные в предыдущих
главах, основывались на свободной энергии поглощаемых орга-
низмом питательных веществ. Происходящие при этом химические
реакции, в том числе образование активных комплексов при фер-
ментативных реакциях или образование макроэргических соедине-
ний, обычно характеризуются энергиями, не превышающими до-
лей электрон-вольта (1 эв =23,06 ккал/моль). Поэтому сопровождаю-
щие их возбуждения электронных оболочек по существу сводятся
.лишь к некоторым нарушениям (возмущениям) основных электрон-
ных орбит, но не приводят к квантованным переходам электронов
на более высокие энергетические уровни, требующим энергии
«около 3 эв и выше. Лишь при некоторых особых условиях в орга-
низме создается возможность возникновения возбуждённых элект-
ронных состояний, в которых электроны достигают электронных
уровней около 3 эв; эти явления лежат в основе процессов биолюми-
несценции.
Однако питательные вещества не единственная форма, в кото-
рой свободная энергия может поступать в организм. При действии
квантов света или ионизирующих излучений большой энергии
в организме могут возникать возбужденные.электронные состояния
молекул, которые по своему количественному содержанию и энер-
гии могут во много раз превосходить указанный выше метаболи-
ческий уровень. В отношении одних видов излучений — квантов
видимого света — живые организмы (растения и некоторые микро-
организмы) эволюционно выработали специальные структуры и *
биохимические механизмы для их полезного использования, со-
ставляющего основу фотосинтеза — важнейшего процесса биосин-
теза на Земле, от которого, по выражению Тимирязева, «в конечной
инстанции зависят все проявления жизни на нашей планете».
Для других видов излучений ионизирующей радиации —
живые организмы не располагают эволюционной адаптацией и
поэтому действие этих излучений приводит преимущественно к
нарушению нормальной жизнедеятельности; однако необходимо
учитывать, что ионизирующие излучения приобретают в настоя-
.332 '
щее время все более актуальное биологическое значение и их дей-
ствие требует тщательного изучения.
Ионизирующая и световая радиация вызывают в организме
появление большого количества свободных радикалов, которые
оказывают значительное влияние на ход метаболических процес-
сов. При использовании свободной энергии питательных веществ
основным источником свободных радикалов в организме являются
одноэлектронные переносы в большинстве окислительно-восста-
новительных реакций. Стационарная концентрация этих радика-
лов, измеренная по методу электронного парамагнитного резо-
нанса, составляет 109—4010 на 1 г влажной метаболизирующей
ткани (Коммонер, 1954). При действии ионизирующих излучений
она возрастает на несколько порядков, причем в своем огромном
большинстве эти радикалы не могут быть полезно использованы
организмом.
Таким образом, световая и ионизирующая радиация создают
в организме высокие концентрации свободных радикалов и
сильно возбужденных молекул, которые приводят к целому ряду
важных и своеобразных процессов, изучение которых составляет
задачу специальных дисциплин — фотобиологии и радиационной
биологии; возникающие при этом проблемы, разумеется, будут
рассмотрены ниже лишь в соответствии с рамками настоящей
книги. Мы рассмотрим в дальнейшем основные биологические
процессы, при которых особую роль играют свободные радикалы
и сильно возбужденные электронные состояния (примерно, с уров-
нем энергии от 40 ккал/моль и выше): фотосинтез, биолюминесцен-
цию и действие ионизирующих излучений.
К этому кругу процессов относятся также действие ультра-
фиолетовых лучей, действие видимого света в присутствии сенси-
билизирующих красителей (фотодинамический эффект) и других
лучей, однако в этих процессах не возникает принципиально новых
явлений.
Для фотобиологии и радиационной биологии в целом, важное
значение имеет проблема переносами миграции энергии, которая
в случае действия радиации приобретает существенно иной вид,
чем в ранее рассмотренных метаболических процессах. Ввиду
основного значения этой проблемы для всей энергетики организ-
мов, необходимо специально обсудить ее в настоящей главе.
ПЕРЕНОС ЭНЕРГИИ В БИОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
ДИФФУЗИОННЫЙ ПЕРЕНОС МАКРОЭРГИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ
Основной формой аккумуляции и полезного использования
свободной энергии в организме является образование АТФ и дру-
гих макроэргических соединений, с высоким потенциалом пере-
носа групп (см. гл. 1). При осуществлении мышечной работы,
ззз
активного транспорта веществ, возникновения биоэлектрических
потенциалов и других процессов, рассмотренных в главах 4 и 5,
перенос макроэргических соединений от места их образования в
митохондриях к центрам потребления в нитях актомиозина или
в клеточных мембранах происходит путем диффузии через водную
среду. Другим важным примером является диффузионный перенос
дыхательных коферментов через водный раствор между различными
пиридиновыми и флавиновыми дегидрогеназами (см. гл. 4). Ввиду
малой протяженности этих переносов, измеряемых десятками или
сотнями ангстремов, этот способ передачи энергии достаточно
эффективно удовлетворяет физиологическим потребностям клетки.
Так, по формуле Эйнштейна
где х2 — среднее квадратичное смещение за время t частицы с
коэффициентом диффузии D, видно, что при обычных значениях
Z)~10”7 —10"6 см2/сек смещение частицы, соответственно на 30—
100 А происходит всего за 0,001 сек. Поскольку в форме макро-
эргических молекул локализуется до 50—60% свободной энергии
питательных веществ, а снабжение этими молекулами происходит
путем диффузии, очевидно, что диффузионные перемещения играют
весьма важную роль в процессах переноса энергии внутри клетки.
ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНОВ И ЗОНЫ ПРОВОДИМОСТИ
При рассмотрении процессов биологического окисления по-
мимо диффузионного переноса дыхательных коферментов нам уже
встречался другой вид переноса энергии, а именно перенос электро-
нов по дыхательной цепи, с компенсирующим перемещением про-
тона в водной среде. В этом случае перенос электронов происходит
по определенной структуре, представляющей собой линейную по-
следовательность компонентов электронно-транспортной частицы
ЭТЧ. Хотя механизм этого переноса электронов, как уже указы-
валось в главе 4, остается недостаточно выясненным, существен-
ную роль должно играть наличие избытка негеминовых атомов
железа, возможность вращательного броуновского движения, спо-
собствующего сближению гем-групп цитохромов, диффузионные
перемещения коэнзима Q в липидной среде и др.
Биологическая роль переноса электронов по дыхательной цепи
очень велика, так как именно на этой стадии происходит образо-
вание большей части АТФ в процессе окислительного фосфорили-
рования. Другим важным примером межмолекулярного переноса
электронов являются многочисленные окислительно-восстанови-
тельные реакции в организме, также рассмотренные в главе 4.
Характерной особенностью перечисленных процессов является то
334
обстоятельство, что в них происходит перенос локализованных
электронов, связанных с определенными, индивидуальными час-
тицами или молекулами.
Совсем иной характер имеет перенос электронов в проводниках
и полупроводниках, так как в этом случае речь идет о движении
обобществленных, делокализованных электронов по так называе-
мым зонам проводимости. Возможность осуществления такого рода
переноса электронов в биологических структурах требует специаль-
ного рассмотрения.
В проводниках электроны не связаны с определенными ато-
мами и составляют единый обобществленный фонд электронов,
способных перемещаться под влиянием любой приложенной разно-
сти потенциалов. К
основной энергетиче-
ской зоне валентных
электронов в про-
воднике непосредст-
венно примыкает ши-
рокая зона свободных
уровней (рис. 73, Д),
на которые электро-
ны легко переходят
при переносе элект-
рического тока. Эта
зона свободных уров-
ней и называется зо-
ной проводимости.
В отличие от про-
водников, в полупро-
водниках (см. рис.
А б В
Рис. 73. Расположение энергетических зон в
твердом теле. А — проводник, Б — полу-
проводник; В — изолятор:
1 — основная зона, 2 — запретная зона, 3 — зона про-
водимости
73), и изоляторах (см. рис. 73, В) основная зона и зона свободных
уровней разделены энергетической зоной ДЕ, называемой за-
претной полосой. Для того чтобы электроны, могли перейти из
основной зоны в зону проводимости, необходимо затратить энер-
гию Д Е на преодоление запретной полосы. Различие между по-
лупроводниками и изоляторами заключается в том, что в полупро-
водниках величина ДЕ составляет 1,0—1,5 эв и ниже, а в изоля-
торах она превышает эту величину и составляет обычно несколько
электронвольт. Количество электронов, которые могут самопро-
извольно, в процессе теплового движения, попасть в зону прово-
димости ничтожно мало (оно подчиняется больцмановскому рас-
пределению) и поэтому полупроводники, и особенно изоляторы,
обладают весьма низкой собственной проводимостью. Однако при
достаточно сильном нагревании или при действии квантов света
с достаточно большой энергией йм>ДЕ или ионизирующих излу-
чений, электроны могут получить значительное количество энер-
гии, которое позволит им преодолеть барьер ДЕ. В этом случае
гз
Рис. 74. Примесные уровни в по-
лупроводнике:
/ — основная зона, /а — вакантные места
(«дырки»), 2 т-зона проьодимости, 2а —
свободные электроны, 3—p-тип примесных
уровней (акцепторные примеси), 4 — n-im
примесных уровней (донорные примеси)
произойдет повышение проводимости, которое соответственно на-
зывается термопроводимостью или фотопроводимостью.
При переходе электронов в зону проводимости, в нижней,
ранее заполненной валентной зоне освобождается равное коли-
чество свободных, или вакантных, электронных уровней (назы-
ваемых также «дырками»). Эти вакантные уровни в основной зоне
могут заполняться другими, соседними электронами той же зоны,
что создает возможность передвижения «дырок» или дырочной
проводимости. Передвижение «дырок» эквивалентно перемещению
положительных зарядов, но
его следует отличать от ион-
ной проводимости, при ко-
торой происходит перемеще-
ние самих ионов; при дыроч-
ной проводимости ионы оста-
ются на месте, а перемеща-
ются лишь вакантные места
электронов. В отличие от ды-
рочной проводимости передви-
жение электронов в зоне про-
водимости называется элек-
тронной ПрОЕСДЕМССТЬЮ.
Проводимость полупровод-
ников сильно зависит даже от
незначительных количеств
примесей, так как примеси
создают дополнительные
энергетические уровни. Ес-
ли энергетические уровни
электронов примесей находятся вблизи зоны проводимости (рис. 74),
то этим электронам для перехода в зону проводимости достаточно
энергии ДЕь которая гораздо меньше барьера ДЕ. Поскольку
такие примеси могут поставлять электроны в зону проводимости
полупроводника, они называются донорнымщ легко видеть, что
они сообщают полупроводнику электронную или п-проводимость
(и—от слова negative — отрицательный). Если же электронные
уровни примесей расположены вблизи основной зоны, то электрон
из основной зоны может легче перейти на уровень примеси (уровень
захвата), чем в зону проводимости (ДЕ2<Д£; см. рис. 74). Такие
примеси называются акцепторными^ в этом случае проводимость
полупроводника будет определяться, главным образом, перемеще-
нием вакантных уровней в основной зоне, т. е. она будет дырочной
или р-проводимостью (р — от слова positive — положительный).
Необходимо отметить, что все изложенные представления сле-
дует понимать не в геометрическом, но лишь в энергетическом
смысле. Зоны проводимости не отделены геометрически от основ-
ной зоны, а «дырки» не представляют собой геометрически свобод-
336
ных мест в структуре твердого тела, которые могут быть, напри-
мер, результатом несовершенства кристаллической решетки. В дей-
ствительности электроны всех зон распределены во всем объеме
твердого тела, а вакантные места возникают лишь в его энергети-
ческом спектре; то же относится к расположению уровней приме-
сей.
Описанные свойства полупроводников наиболее отчетливо про-
являются в кристаллических телах, но проявление полупровод-
никовых свойств по существу не требует наличия «дальнего
порядка», т. е. правильной периодичности, свойственной кристал-
лическим решеткам. Свойства полупроводников (как кристалли-
ческих, так и аморфных) определяются характером межатомных
или междумолекулярных взаимодействий в данном теле и вытекаю-
щими отсюда квантовыми состояниями электронов (Иоффе). Поэто-
му встречающиеся иногда в литературе замечания о возможности
зон проводимости лишь в кристаллических телах являются не
вполне правильными; решение этого вопроса должно основываться
не на кристалличности структуры, а на прямых эксперименталь-
ных данных, о величине запретнрй зоны ДЕ, ширине полосы про-
водимости, наличии фотопроводимости и др.
С этой же точки зрения следует подходить и к вопросу о полу-
проводниковых свойствах биологических структур; они безусловно
не являются кристаллическими, но основное значение имеет экспе-
риментальное определение перечисленных параметров. Для бел-
ков измерения ДЕ энергии возбуждения, произведенные Элеем,
показали, что ДЕ составляет для глобина 2,97 эв, для гемоглоби-
на 2,75 эв и для полиглицина 3,12 эв; таким образом, чистые белки
следует рассматривать, как электрические изоляторы; это под-
тверждается и ничтожной удельной проводимостью белков, состав-
ляющей 10‘12—10-13 ом~Чсм.
Белки, однако, как и другие изоляторы могут обладать фото-
проводимостью, при условии возбуждения достаточно сильными
квантами лучистой энергии или действием ионизирующих излу-
чений, а также обладать примесной проводимостью. Для ДНК
ДЕ =2,30—2,45 эв; соответствующие данные для хлорофилла и
его аналогов будут описаны ниже, в разделе о фотосинтезе. При
ферментативных реакциях, в деятельности цитохромной системы,
при проведении токов действия или нервного импульса полупро-
водниковые явления, т. е. проведение электронов по зонам про-
водимости, по-видимому, не имеют места;
РЕЗОНАНСНЫЙ ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
В явлениях полупроводниковой проводимости возбуждение
электронов основной зоны приводило к разделению электронов,
переходящих в зону проводимости, и «дырок», остающихся в ос-
новной зоне, т. е. к диссоциации электронного возбуждения на
12 Заказ № 531
337
дискретные, хотя и обобществленные заряды. Однако поглощен-
ная энергия может передаваться в форме электронного возбуждения
без раздеЛения зарядов, т. е. без отделения электрона. Эта форма
миграции энергии имеет большое значение в процессе фотосинте-
за. Иногда под миграцией энергии понимают именно перенос кванта
энергии эЛектР0НН0Г0 возбуждения от места поглощения к другому
центру, удаленному на достаточно большое, по сравнению с меж-
атомным, расстояние, без излучения, растраты на тепловые коле-
бания и бе3 кинетического соударения донора и акцептора энергии
(Теренин, Владимиров и Конев); однако в настоящей главе про-
преем прпеноса энергии в биохимических системах рассматривают-
?Гв широком аспекте.
Движение электронного возбуждения без разделения зарядов
(экситона П° Френкелю, 1931) или в форме передвижения в одном
направлении электрона и «дырки», не влияет на проводимость
вещества. Оно может происходить в твердых телах до тех пор,
пока не вСтРетятся благоприятные условия для разделения заря-
дов (например, при участии уровней атома примеси) или пока
не произойдет отдача поглощенной энергии в форме тепла или
света и воссоединения возбужденного электрона и вакантного
уровня пр51 их одновременном передвижении.
Ввиду'Г°го что электронное состояние молекулы всегда свя-
зано с ее колебательными степенями свободы, необходимо, чтобы
передвижение экситона возможно более слабо изменяло колебания
атомов решетки, иначе энергия возбуждения будет быстро теряться
в форме теплоты. Это условие предполагает высокую жесткость
основной кристаллической структуры, подобную кристаллам по-
лициклических ароматических углеводородов; напротив, в алифати-
ческих цейях тепловое рассеяние несомненно достигает значитель-
ной величины- Для биологических структур, не обладающих жест-
костью конденсированных циклов, экситонный механизм переноса
энергии я]злястся маловероятным.
Основное значение имеет, по-видимому, другой тип переноса
энергии электронного возбуждения — путем его резонансной пе-
редачи. Для его пояснения, как и при рассмотрении свойств полу-
провод'ников> необходимо начать с некоторых основных понятий,
но более близких на этот раз не к физике твердого тела, а к фото-
химии сложных органических молекул.
При поглощении кванта лучистой энергии молекула, как уже
указывалось, переходит в возбужденное состояние, в котором
электроны атомных групп, поглотивших энергию, переходят на
более высокие энергетические уровни (рис. 75, Л). Энергии кван-
тов света различной длины волны приведены в табл. 38.
Продолжительность жизни такого возбужденного состояния
обычно не превышает 10~9—10-8 сек. За это время энергия воз-
буждения затрачивается на совершение некоторой химической
реакции, растрачивается в форме тепловых колебаний или же
338
Таблица 38
Энергии квантов света различной длины волны
Вид света Длина волны, ммк Энергия квантов, ккал!моль
Красный 750—650 37,8—43,6
Оранжевый 650—590 43,6—48,0
Желтый 590—575 48,0—49,3
Зеленый 575—490 49,3—57,8
Синий 490—455 57,8—62,3
Фиолетовый 455—395 62,3—71,8
Ультрафиолетовый . . . менее 280 >90
обратно выделяется в форме излучения (см. рис. 75, В). Этот пос-
ледний процесс называется флуоресценцией.
Согласно правилу Стокса свет, испускаемый при флуоресцен-
ции, обладает большей длиной волны по сравнению с поглощен-
ным светом, вызывающим флуоресценцию. Поэтому в спектральных
£
Рис. 75. Синглетный и триплетный
возбужденные уровни. S — основной
уровень; S* — синглетный возбужден-
ный уровень; Т — триплетный воз-
бужденный уровень; А — возбужде-
ние; В — флуоресценция
Рис. 76. Соотношение полос
поглощения / (Л) и флуорес-
ценции (В); а — область пе-
рекрытия:
по оси абсцисс — длина волны,
по оси ординат — коэффициент
оптической плотности
кривых (рис. 76) поглощения света (Л) и флуоресценции (В) максимум
флуоресценции лежит в области более длинных волн, а кривые,
хотя в той или иной мере (и часто довольно близко) перекрывают
друг друга (а), не совпадают между собой.
Переходы электронов при возбуждении и флуоресценции (см.
рис. 75, Л и В) происходят без изменения спинов электронов и
поэтому имеют характер простых синглетных переходов. Однако
в некоторых случаях возбуждение электрона сопровождается из-
менением его спина и переходом на триплетные уровни (см. рис.
75, Т). Ввиду необходимости затраты энергии на обращение спина,
12*
339
триплетные уровни расположены ниже возбужденных синглетных
уровней, но ввиду их «запрещенного» характера (вероятность
триплетного перехода примерно в 106 раз меньше, чем синглетного),
обратные переходы из триплетного уровня, имеющего метаста-
бильный характер, в основное состояние молекулы происходят
гораздо медленнее, чем синглетные переходы. Поэтому длительность
жизни триплетного состояния составляет от 10“3 сек до нескольких
секунд, в течение которых свечение молекулы может наблюдаться
даже после прекращения облучения (такое длительное послесве-
чение ранее называлось фосфоресценцией).
При изменении спина возбужденного электрона в молекуле
появляется два неспаренных электрона — первый электрон пары
и второй с измененным спином, который теперь одинаков со спи-
ном первого электрона. Так как соединение с неспаренным элект-
роном является радикалом, то молекула в триплетном состоянии
становится бирадикалом, однако следует отметить, что понятия
триплета и бирадикала не во всех случаях совпадают между собой.1
Молекулы, находящиеся в возбужденном состоянии, обладают
обычно более высокой химической реакционной способностью.
Это объясняется, по Риду, следующими обстоятельствами. При
возбуждении происходит нарушение взаимной компенсации спи-
нов возбужденного электрона и второго электрона пары; поэтому
если к возбужденной молекуле приближается молекула с неспа-
ренным электроном или другая возбужденная молекула, то при
достаточном сближении между ними легче образуется связь. Затем
возбужденный электрон легче оторвать от молекулы при действии
электрофильного реагента (электроноакцепторной молекулы); в
связи с этим возбужденная молекула изменяет свои кислотноос-
новные свойства, например, возбужденный р-нафтол становится
более сильной кислотой (рКа изменяется 3,1 до 2,8). Так как время
жизни флуоресценции составляет около 10"9 сек, а продолжитель-
ность времени между соударениями молекул — около 10"12 сек,
то за время возбужденного состояния может произойти до 103
соударений с более высокой вероятностью химической реакции.
В частности, весьма облегчаются реакции с молекулярным кисло-
родом, который в своем основном состоянии является триплетом
и легко образует связи с неспаренными электронами возбужден-
ных молекул; вследствие этого, ускоряются реакции окисления
(фотосенсибилизированное окисление).
Разумеется, при осуществлении химической реакции возбуж-
денная молекула перестает флуоресцировать; происходит тушение
флуоресценции. Одновременно с ослаблением интенсивности флу-
оресценции уменьшается длительность возбужденного состояния т
1 Обычно к триплетам относят молекулы с сильным взаимодействием
обоих неспаренных электронов, а к бирадикалам — молекулы со слабым
взаимодействием этих электронов.
340
и падает выход флуоресценции (отношение излучаемой энергии
к поглощаемой); экспериментальное определение этих величин,
производимое при помощи специальных приборов — флуоромет-
ров, тауметров и других, позволяет количественно характеризо-
вать процесс тушения флуоресценции.
Тушение флуоресценции может быть обусловлено не только
химической реакцией возбужденной молекулы, но также тепловым
рассеянием возбуждения и передачей энергии возбуждения другим
соседним молекулам; последний процесс представляет особый ин-
терес в связи с проблемой переноса энергии.
Каждая возбужденная молекула по существу является элект-
ронным осциллятором, в котором электрон совершает колебания
определенной частоты.
Если максимум полосы испускания света (флуоресценции) мо-
лекулы А и максимум полосы поглощения света молекулы В,
расположены таким образом, что уровень электронной энергии
молекулы В совпадает или лежит несколько ниже уровня энергии
квантов флуоресценции молекулы Д(йул>Лув), то обе молекулы
могут находиться в резонансе и в молекуле В могут быть возбуж-
дены электронные колебания той же частоты. Вследствие резо-
нанса обеих осциллирующих электронных систем, электронная энер-
гия возбуждения А может быть почти целиком передана молекуле В
также в виде электронной энергии. В результате, при возбуждении
смеси частиц А и В светом, поглощаемым только частицами Д,
но не частицами В, наблюдается флуоресценция, свойственная
как возбужденным частицам Д*, так и возбужденным частицам В*
т. е. флуоресценция В* возбуждается за счет энергии света, пер-
вично поглощаемой молекулами Д; при этом одновременно про-
исходит ослабление или тушение флуоресценции А и уменьшение
длительности его возбужденного состояния. Это явление называ-
ется сенсибилизированной флуоресценцией. Разумеется, в такой
системе связанных осцилляторов энергия электронного возбужде-
ния может многократно переходить от одной молекулы к другой:
Л* + В->Л + В*-*Л*+В->Л + В*->т. Д.Ч
Сенсибилизированную флуоресценцию не следует представлять
таким образом, что сначала вещество А флуоресцирует, а затем
свет этой флуоресценции поглощается веществом В, которое по-
этому тоже начинает флуоресцировать. Этот процесс вторичного
поглощения в системе принципиально отличается от прямой резо-
нансной передачи энергии в системе связанных осцилляторов.
За время жизни возбужденного состояния Д*~10“9 сек резонанс-
ный обмен энергией по написанной схеме может происходить сотни
раз, тогда как вторичное поглощение могло бы иметь место лишь
341
после этого времени; эффективность обоих процессов также резко
отличается.
Явление резонансной передачи энергии может иметь место на
расстояниях длины волны света, испускаемого осциллятором, и во
много раз превышающих линейные размеры молекул. Сенсибили-
зированная флуоресценция была экспериментально показана Га-
ланиным (1951) и Ферстером (1949) на ряде смесей красителей и
ароматических углеводородов. Квантово-механическая теория ре-
зонансного или индуктивного переноса энергии была развита
Перреном (1927), Вавиловым (1943) и Ферстером (1946).
Было установлено, что перенос энергии в форме электромаг-
нитной взаимной индуктивной связи осуществляется при условии,
что полоса флуоресценции донора энергии А перекрывается с
полосой поглощения акцептора энергии В и что расстояние между
молекулами этих веществ не превышает 100 А. Так как в иден-
тичных молекулах (А —В) максимумы спектров поглощения и
флуоресценции не совпадают между собой (рис. 76), то при соот-
ветствующем подборе различных веществ А и В можно достичь
более близкого совпадения обеих кривых и более полного тушения
флуоресценции А в смеси Д+В, чем при эквивалентном повышении
концентрации одного вещества А.
В то же время условие близкого расположения полосы флуо-
ресценции А и полосы поглощения В означает, что между полосами
поглощения обоих веществ должно быть определенное различие:
энергия возбуждения В должна быть меньше, чем энергия возбуж-
дения A , а максимум поглощения В должен лежать в более длинно-
волновой области.
Например, резонансная передача энергии (сенсибилизированная
флуоресценция) была установлена для ароматических амино-
кислот, входящих в состав белков и разделенных в них расстояния-
ми около 10—16 А, в последовательности фенилаланин — ти-
розин — триптофан, соответствующей последовательности их мак-
симумов поглощения, 260, 275 и 280 ммк (Владимиров, 1957).
В ряде работ было показано, что при освещении белка ультра-
фиолетовым светом энергия, поглощенная ароматическими ами-
нокислотными остатками белка, может передаваться резонансным
путем к другим участкам молекулы и вызывать в них, например»
отщепление СО от гем-группы в миоглобине (Бюхер и Каспере,
1947), флуоресценцию химически присоединенного к белку кра-
сителя (Шор и Парди, 1956), флуоресценцию хромофорных групп
в фикоцианине (Баннистер, 1954) и др.
В работе Вебера и Тиля (1959) было показано, что в белках»
содержащих гем-группы (в гемопротеидах — миоглобине, гемо-
глобине, каталазе, цитохроме с, пероксидазе), выход флуорес-
ценции остатков триптофана увеличивается в десятки раз после
отщепления гема. Это объясняется тем, что энергия, передавав-
шаяся на гем-группу (поглощающую в области флуоресценции
342
тирозина — триптофана 305—345 ммк), где она переходила в
теплоту, при отсутствии акцепторной гем-группы освобождалась
в форме свечения. После отщепления гем-группы усиливалась
также флуоресценция присоединенного к белку красителя. Полу-
ченные экспериментальные данные можно было сопоставить с
теоретической формулой Ферстера, согласно которой критическое
расстояние резонансной передачи энергии возбуждения между
молекулами А и В равно:
Яо =
2лп
1/—
Г 8
(2)
где —средняя длина волны между максимумом флуоресценции
А и максимумом поглощения В, п — показатель преломления
среды, 7]0 — максимальный выход флуоресценции А в отсутствии
В, v— продолжительность жизни возбужденного состояния Л*
и Av — мера перекрывания полосы флуоресценции А и полосы
поглощения В. Величина определяет расстояние, при котором
вероятность акта переноса энергии на В (и тушения флуоресцен-
ции Д) становится одинаковой с вероятностью собственной флуорес-
ценции А. С увеличением расстояния R между молекулами А и В
(R>R0) вероятность переноса энергии резко убывает. Расчеты /?0
для последовательности фенилаланин — тирозин — триптофан да-
ли 12—16 А, а для переноса на гем-группу или флуоресцирующий
краситель для различных систем от 20 до 60 А (например, для
системы миоглобин — СО-гем 31—37 А), в хорошем согласии с
известными экспериментальными данными о размерах белковых
молекул. В целом, при соблюдении указанных условий перекры-
вания полосы флуоресценции донора энергии А и полосы погло-
щения акцептора В и расстояния между ними менее 100 А, что
имеет достаточно общее значение для белков и некоторых биоло-
гических структур, индуктивный или резонансный механизм пе-
редачи энергии может иметь весьма существенное значение. В част-
ности, как будет показано ниже, этот механизм играет важную
роль при миграции энергии при фотосинтезе.
Важной особенностью резонансного переноса энергии является
то обстоятельство, что он не требует наличия упорядоченной струк-
туры; было показано, что даже денатурация не приводит к умень-
шению эффективности индуктивного переноса энергии. Необхо-
димо лишь располагать достаточной концентрацией компонентов
с подходящими уровнями электронного возбуждения. Так как
концентрации ароматических аминокислот в белках и пигментов
в фотосинтетических структурах достаточно высоки, то первичное
возбуждение их электронных уровней всегда сопровождается ре-
зонансным переносом энергии, имеющим существенное значение
Для ряда процессов в фотобиологии и радиационной биологии.
С другой стороны, этот механизм не допускает переноса энергии
меньшей, чем уровни электронного возбуждения системы. Поэтому
343
при нормальных метаболических процессах с изменениями энер-
гии менее 10—12 ккал/моль резонансный перенос энергии не может
иметь^существенного значения.
КОМПЛЕКСЫ ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА
Помимо рассмотренных выше путей переноса энергии на рас-
стоянии, во много раз превышающие межатомные расстояния^
существуют важные формы переноса энергии при контакте моле-
кул, отличающиеся, однако, от окислительно-восстановительных
переходов электронов; впрочем, при определенных условиях они
также приводят к возможности дальней миграции энергии. Не
касаясь тривиальных случаев передачи кинетической энергии при
соударениях молекул или различных проявлений межмолеку-
лярных сил взаимодействия, происходящих на уровне энергии
менее 0,1 эв, рассмотрим энергетически более существенные формы,
переноса энергии при заметном перекрывании орбит молекул А
и В. Особое значение имеет взаимодействие наиболее высокой
заполненной орбиты мо-
лекулы А, являющейся
донором (так как ей.
свойственна отдача элект-
рона), и наиболее низкой
незаполненной орбиты мо-
лекулы В, являющейся
акцептором (так как ей
свойственно присоединение
электрона) (рис. 77, 7).
Это донорно-акцеп-
торное взаимодействие
Рис. 77. Схема перехода электрона в
комплексах переноса заряда. А — молеку-
ла донора; В — молекула акцептора;
1 — исходное состояние; II—после обра-
зования комплекса (по Сент-Дьердьи)
зависит от соотношения
потенциала ионизации IP молекулы донора и электронного
сродства ЕА молекулы акцептора. Если величина IP донора не-
велика, а сродство ЕА акцептора значительно, то при малой раз-
ности (IP—ЕА) возможен самопроизвольный переход электрона
от Л кВ (см. рис. 77, 77). В этом состоянии между молекулой Аг
имеющей избыточный положительный заряд, и молекулой В, имею-
щей избыточный отрицательный заряд, возникает кулоновское
электростатическое притяжение и обе молекулы остаются связан-
ными между собой, образуя так называемый комплекс переноса,
заряда («charge transfer complex»).
Квантово-механическая теория этих переносов была развита
Мулликеном (1950). Возбуждение молекулы А, например, в ре-
зультате предшествующего поглощения кванта света, может зна-
чительно способствовать образованию этого комплекса:
А* + В (А*В) (А+В’).
344
Отличительной особенностью комплекса переноса заряда яв-
ляется то обстоятельство, что он образуется путем переноса лишь
одного электрона. При окислительно-восстановительных реакциях
органических веществ всегда происходит межмолекулярный пере-
нос двух электронов, и хотя промежуточные стадии заключаются
в одноэлектронных переносах, процесс заканчивается образова-
нием независимых стабильных молекул, отличающихся между
собой йа два электрона или на два атома водорода. В комплексах
переноса заряда происходит перенос лишь одного электрона, и
если бы молекулы А и В разошлись между собой, то они образовали
бы не две стабильные молекулы, а два свободных ион-радикала.
Молекулы А и В в комплексе не реагируют с электродами и не
образуют окислительно-восстановительной цепи. Образование комп-
лекса переноса заряда часто сопровождается появлением новой
полосы поглощения, чем этот комплекс отличается от водородной
связи, при которой не происходит переноса электрона; водородные
связи относятся к силам межмолекулярного взаимодействия, а
комплексы переноса зарядов ближе к химическому взаимодействию.
Комплексы переноса заряда обладают рядом интересных свойств,
рассмотренных Сент-Дьердьи (1961). Они обладают реакционной
способностью, промежуточной между насыщенными молекулами
и свободными радикалами, так как молекула А с электронной
вакансией (см. рис. 77, II) становится теперь хорошим акцептором,
а молекула В, с электроном на возбужденном уровне — хорошим
донором электронов. Поэтому, если электронная вакансия в А
замещена, например, электроном посторонней молекулы, то моле-
кулы А и В освобождаются от электростатического притяжения
и избыточный электрон в В может спуститься на возбужденные
уровни других молекул, при условии возможности перекрытия
орбит и соответствующих значений разности (IP—ЕА). При нали-
чии упорядоченных систем молекул электрон в них может пройти
этим путем несколько молекулярных диаметров (т. е. осуществить
миграцию энергии):
Лф" Л| Л2Л3. ..ЛЛ
Ло л^ Л2 Л3...Лл
AoAiA^A^ ...Ап и т. д.
При переносе электрона (см. рис. 77, II) нарушается компен-
сация антипараллельных спинов пары электронов в Д, вследствие
чего комплексы переноса заряда приобретают парамагнитные
свойства. По данным Кайнера (1951) в комплексе переноса заряда
может перейти в неспаренное состояние до 40% электронов. По-
видимому, благоприятные условия для образования комплексов
переноса заряда представляют параллельно расположенные плос-
кости пуриновых и пиримидиновых оснований в молекулах нук-
леиновых кислот (Рид, 1957).
345
Если комплекс переноса заряда ограничен молекулами (Л В),
но к молекуле А поступила энергия путем резонансного переноса
электронного возбуждения, то в комплексе (Д*В), как уже указы-
валось, облегчается перенос свободного неспаренного электрона
на молекулу В. При этом, молекула В отнюдь не является «ло-
вушкой» для электрона, пришедшего, например, по зоне проводи-
мости; комплекс (Л*В) является лишь местом диссоциации элект-
ронного возбуждения на дискретные заряды. Этот процесс, по-
видимому, имеет большое значение в механизме фотосинтеза.
Сопоставляя, в целом, относительное значение различных путей
переноса энергии для энергетики организма, можно примерно
установить следующую градацию (в порядке убывания): 1) диффу-
зионные переносы, 2) резонансный перенос, 3) комплексы пере-
носа заряда и 4) зоны проводимости (последние приобретают особое
значение при действии ионизирующих излучений).
ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНОВ И ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Выяснение природы комплексов переноса заряда позволяет
систематизировать основные типы переноса электронов и, тем
самым, основные типы химических реакций (имея в виду преиму-
щественно биохимические реакции) по числу переносимых элект-
ронов и степени их локализации (табл. 39). Хотя этот вопрос вы-
ходит за рамки настоящей главы, его обсуждение необходимо, так
как он тесно связан с ранее рассмотренными в главах 1, 3 и 4 ти-
пами биохимических реакций и их общей классификацией.
Поскольку химическая ковалентная связь определяется парой
электронов с противоположными спинами, то при любой химиче-
ской реакция, происходящей с перераспределением этих связей,
в каждой локализованной двухэлектронной связи могут, очевидно,
переноситься только либо один, либо два электрона.' Полный
перенос одного электрона с одного атома или молекулы на другую
означает образование свободных радикалов, если реакция проис-
ходит между двумя органическими молекулами, или образование
ионов в случае перехода электрона между неорганическими ионами
(Na+ и Cl“, Fe3+ и Fe2+) в ионных или гетерополярных соединениях.
В обоих случаях перешедший электрон полностью локализует-
ся около одного из атомов и продукты реакции могут быть кинети-
чески индивидуальными частицами. Комплексы переноса заряда
соответствуют такому переносу одного электрона, когда локали-
зация электрона у одного из атомов не является столь полной
(в этом смысле их можно было бы назвать комплексами смещения
заряда), а продукты реакции (Л+В~) остаются связанными между
собой.
Большинство реакций, рассмотренных в главах 1, 3 и 4 отно-
сятся к реакциям с переносом двух электронов. Как уже указы-
валось в гл. 4, полный перенос двух электронов (или двух атомов
346
Таблица 39
Основные типы переноса электронов и химических реакций
Число пе- реносимых электро- нов Локализация электронов Тип химической реакции
1 Полная Частичная Образование свободных радикалов и ионов Образование комплексов переноса заряда
2 Полная Частичная Окислительно.-восстановительные реакции Образование ковалентных и коор- динационных связей. Кислотно- основные реакции
водорода) с образованием стабильных молекул двух независимых
веществ составляет существо окислительно-восстановительных
реакций. Наконец, реакции с участием двух электронов, которые,
однако, являются в той или иной мере обобществленными в двух
атомах и поэтому не локализованы у одного из них, лежат, как
известно, в основе образования химических ковалентных связей,
с участием s- и р-электронов, или координационных связей, с
участием внутренних неспаренных d-электронов. К этому же типу
реакций относятся и кислотно-основные реакции, согласно элект-
ронной теории кислот и оснований Льюиса (1923).
Подобно тому, как окислители не ограничивают веществами,
содержащими кислород, а определяют их по способности к при-
обретению электрона, т. е. по их электроноакцепторным свойст-
вам, так и кислоты, по Льюису, не ограничивают веществами,
содержащими водород и способными отдавать Н+-ионы, а опреде-
ляют по их электроноакцепторным свойствам. Кислоты и основа-
ния представляют собой донорно-акцепторную пару, которая в
реакции нейтрализации создает координационную связь Н++ОН~ ->
->Н2О, или схематически:
н*+:о:н-1-> н:Ь:Н.
В этой реакции основание ОН“ дает свою долю, а кислота Н+
получает свою долю в паре электронов, определяющей связь Н—ОН
в молекуле воды, при этом, как видно, основание играет роль
донора, а кислота — акцептора электрона.
Из сказанного видно, что кислотно-основные и окислительно-
восстановительные реакциии тесно связаны между собой. Как кис-
лоты, так и окислители относятся к электрофильным или электро-
ноакцепторным соединениям, приобретающим электроны в ходе реак-
347
ции; различие заключается в том, что окислитель полностью отнимает
электроны, отдаваемые восстановителем (например, 2Ag++Cu->
->2Ag+Cu2+), а кислота лишь получает свою долю в обладании
электронной парой при реакции нейтрализации.
Соответственно, основания, как и восстановители, относятся к
электронодонорным соединениям, отдающим электроны в ходе
реакции; в данном случае различие заключается в том, что восста-
новитель полностью уступает электроны окислителю, а основание
предоставляет кислоте лишь долю в обладании парой электронов.
Таким образом, приведенные в табл. 39 типы электронных перехо-
дов действительно охватывают основные типы химических реакций,
происходящих с участием локализованных двухэлектронных связей.
В отличие от химических реакций, все виды взаимодействий, при
которых вообще не происходит полного или частичного переноса
электрона, а имеет место лишь некоторая поляризация электронного
облака, остающегося локализованным около данного атома, относят-
ся к физическим силам взаимодействия (водородные связи и ван-
дерваальсовы силы, включая дипол ь-дипольные, ион дипольные
и дисперсионные взаимодействия).
,В главе 3 указывалось, что все ферментативные реакции, т. е.
по существу все реакции, изучаемые в биохимии и определяющие
основные процессы жизнедеятельности, могут быть" разделены на
три группы: реакции переноса различных атомных группировок,
окислительно-восстановительные реакции и реакции расщепления-
присоединения. Все эти реакции теперь могут быть определены в
рамках более общей классификации, приведенной в табл. 39. Как
уже упоминалось, все они происходят с переносом двух электро-
нов: а) окислительно-восстановительные — с полной их локали-
зацией и б) реакции переноса групп и расщепления — присоеди-
нения, основанные на образовании и разрыве различных ковалент-
ных связей — с некоторым обобществлением электронов в двух
атомах. Реакции, относящиеся к первой половине табл. 39 и свя-
занные с переходомодного электрона, происходят без участия
ферментов. Возможно, что по этой причине они до сих пор не изу-
чались в биохимии, однако они также относятся к химическим
реакциям и имеют существенное значение для процессов жизнедея-
тельности, в частности, для процессов переноса энергии в организ-
ме и биологического окисления; кроме того, в дальнейшем будет
показана их важная роль в процессах фотосинтеза и при действии
ионизирующих излучений.
ФОТОСИНТЕЗ
Суммарное уравнение. фотосинтеза обычно выражают в виде
реакции превращения углекислого газа и воды в гексозу:
6СО2 + 6Н2О С6н12ов + 6О2 (3>
348
но это уравнение, как и большинство суммарных уравнений в био-
химии, не выражает основных особенностей процесса.
Внешне оно является обращением суммарного уравнения пол-
ного окисления глюкозы, т. е. обращением процесса дыхания,
подробно рассмотренного в главах 1 и 4. Однако процесс, описан-
ный уравнением (3), вовсе не повторяет в обратном порядку все
стадии окисления углеводов, а имеет глубоко своеобразный ха-
рактер, обусловленный тем, что он происходит за счет энергии
солнечного света. Существо процесса фотосинтеза заключается в
переходе поглощенной лучистой энергии в химическую энергию
сложных органических молекул.
Ассимиляция СО2 с образованием сложных органических ве-
ществ, необходимых для жизнедеятельности клеток, осуществля-
ется многими видами бактерий за счет различных химических
реакций окисления; эти процессы, называемые хемосинтезом (см.
гл. 1), принципиально отличаются по источнику энергии и меха-
низму ее использования от фотосинтеза. Однако и фотосинтети-
ческие процессы, происходящие за счет энергии солнечного света,
не всегда происходят по уравнению (3). Имеется много видов
бактерий (например, пурпурных бактерий и зеленых сульфобак-
терий), которые фотохимически превращают СО2 в углеводы, но
вместо воды они используют HaS или Н2 и, поэтому, не выделяют
свободного молекулярного кислорода; таким образом бактериаль-
ный^ фотосинтез является анаэробным процессом.
В наиболее общем виде суммарное уравнение фотосинтеза можно
записать следующим образом:
nCO2 + 2nH2 X -> (СН2О)„ + пН2О + 2пХ, (4)'
где X может быть кислородом, серой или даже отсутствовать (в слу-
чае использования На). Если X кислород и п=6, то уравнение (4)
совпадает с уравнением (3).
В том виде, в каком процесс фотосинтеза записан в уравнении
(3), он осуществляется зелеными растениями и водорослями и пред-
ставляет собой высшую форму фотосинтеза, имеющую наибольшее
биологическое значение1.
Поэтому в дальнейшем мы преимущественно рассмотрим меха-
низм поглощения и использования лучистой энергии при фотосин-
тезе зеленых растений.
СТРУКТУРНЫЕ ОСНОВЫ ФОТОСИНТЕЗА
Как и все физиологические функции, фотосинтез осуществляет-
ся при помощи специализированных биологических структур,
в данном случае хлоропластов. Хлоропласты являются одним из
1 Подсчитано, что этим путем ежегодно на Земле связывается около
1,5-1011 т углерода и выделяется в атмосферу 4- 10й т кислорода, созда-
вая в ней весь свободный кислород; интересно, что на долю зеленых расте-
ний на суше Земли приходится лишь 10% из этого количества, а 90% — на
долю микроскопических зеленых водорослей в океанах и морях.
349
видов пластид (см. стр. 263). В одной клетке зеленого листа со-
держится 20—100 хлоропластов, которые обычно имеют пластин-
чатую форму, длиной 5—10 мк и диаметром 0,5—2 мк.
Хлоропласты относятся к ламеллярному или мембранному типу
структур; внутреннее строение и суммарный состав хлоропластов
Рис. 78. Ламеллярная структура гранулярных
хлоропластов (электронномикроскопическая фото-
графия): а — гранулы
<
был описан в главе 5. Хлоропласты содержат ряд пигментных
слоев и способны полностью осуществлять процесс фотосинтеза.
В бактериях имеются распределенные по протоплазме много-
численные частицы — хроматофоры, размером по 300—600 А» ко-
торые содержат в себе хлорофилл и другие вещества, необходимые
для фотосинтеза; в одном хроматофоре содержится около 600 мо-
лекул хлорофилла.
Пигментный слой хлоропластов образован рядом веществ,
среди которых основное значение имеет хлорофилл. Хлорофилл в
хлоропластах концентрируется в гранулах, размером около 0,1 мк-,
в каждом хлоропласте содержится 40—60 гранул, с ламеллами
между ними (рис. 78). В более молодых клетках растений и в во-
дорослях содержатся ламеллярные хлоропласты без гранул. Струк-
тура молекулы хлорофилла приведена ниже (жирной линией вы-
делена возможная система распределения электронного возбужде-
ния в порфириновом ядре молекулы.)
350
сн2 (CHO-b)
СН СНо
I н I
о
I
II С2оН39
В нее входит порфириновое ядро (I), иначе называемое хлори-
ном, состоящее из четырех соединенных СН-мостиками остатков
пиррола, которые связаны двумя основными и двумя координаци-
онными связями с центральным атомом магния; кроме того, в мо-
лекулу хлорофилла входит длинный остаток высокомолекулярного
непредельного спирта фитола (II). Существует не менее пяти типов
хлорофилла. Сине-зеленый хлорофилл а содержит метильную груп-
пу в 3-положении, а желто-зеленый хлорофилл Ь вместо нее содер-
жит формильный остаток — CHCL' В коричневых и красных водо-
рослях вместо хлорофилла b предполагают наличие с и d хлоро-
филлов.
В бактериохлорофилле связь (3—4) гидрирована, а вместо
винильной группы в 2-положении находится ацильная группа
—СОСН3. Предшественник хлорофилла в процессе биосинтеза —
протохлорофилл отличается от хлорофилла а тем, что связь (7—8)
в нем двойная (ненасыщенная). Относительное содержание хло-
рофилла а и хлорофилла b в хлоропластах составляет примерно
7 : 3. Различные типы хлорофиллов отличаются между собой свои-
ми спектрами поглощения (рис. 79) и флуоресценции; из рис. 79
видно, что хлорофилл не поглощает зеленых лучей, чем и объясня-
ется его окраска.
Молекулы хлорофиллов обладают резко асимметричным строе-
нием. Порфириновое ядро (см. структурную формулу хлорофилла)
351
имеет вид плоскости, размером примерно 15x15 А и толщиной
около 4 А, содержащую полярные группы и, поэтому, обладающую
гидрофильными свойствами, тогда как фитольный остаток, длиной
15—20 А» с чисто гидрофобными свойствами, выходит из одного
угла плоскости в виде длинной изогнутой цепи. Таким образом,
расположение монослоя молекул хлорофилла в хлоропласте (см.
рис. 45) между оводненным белковым слоем и липидным слоем,
Рис. 79. Спектры поглощения хлорофил-
лов. Сплошная линия — хлорофилл а,
пунктирная линия — хлорофилл в;
по оси абсцисс — длина волны X ммк; по оси орди-
нат — коэффициент поглощения
которое является харак-
терным для структуры
хлоропластов, полностью
соответствует особеннос-
тям молекулярного строе-
ния хлорофилла.
Общее количество хло-
рофилла, приходящееся на
один хлоропласт различ-
ных видов растений, ко-
леблется в очень широких
пределах — от 7 • IO"14 до
3,4- КГ® г; это означает,
при молекулярном весе
хлорофилла а равном 892
и хлорофилла b равном
906, что, например, в од-
ном хлоропласте зеленой
водоросли Euglena gracilis
при 10"12 г хлорофилла со-
держится до 1 млрд, его
молекул.
Однако, если отнести
количество хлорофилла
к общей площади плас-
тинок в хлоропласте (Томас,'. 1956), то оказывается, что во
всех случаях на молекулу хлорофилла приходится около 250 —
350 А- Если учесть, что площадь порфиринового ядра молекулы
хлорофилла составляет 15X15=225—250 А2, то станет очевидным
важный факт, что молекулы хлорофилла действительно заполняют
в виде достаточно плотного мономолекулярного слоя пространство
между липидным и белковым слоями в хлоропласте. При средней
концентрации хлорофилла в хлоропласте около 0,01 моль, и в
гранулах — 0,1 моль, среднее расстояние между двумя соседними
молекулами пигмента в гранулах составляет менее 10 А- Это
обстоятельство имеет существенное значение для передачи энергии
в слое хлорофилла; кроме того, благодаря наличию в порфирино-
вом ядре замкнутой системы двойных сопряженных связей, в нем
возможно равномерное распределение энергии электронного воз-
буждения.
352
Искусственным путем можно получить монослои хлорофилла с
более плотной упаковкой молекул. Например, для монослоя чистого
кристаллического хлорофилла площадь на молекулу составляет
всего 75 А2, а для аморфного хлорофилла — 106 А2- Предполагают,
что порфириновые плоскости в этих слоях расположены наклонно
(как на рис. 45); по Кальвину, это расположение является энерге-
тически более выгодным, так как дает более тесное взаимодействие
•к-электронов порфириновых колец и меньшее отталкивание их
Н-атомов.
Интересно сопоставить с различными формами упаковки моле-
кул хлорофилла его максимумы поглощения. В молекулярном
растворе (например, в ацетоне) длинноволновой максимум погло-
щения, как видно из рис. 79, лежит при 660—662 ммк, в коллоид-
ном растворе и в аморфных слоях хлорофилла этот максимум
лежит при 675—678 лш/с, в кристаллических тонких слоях — при
735 ммк, а в трехмерных кристаллах — при 740 ммк.
Если сопоставить с этими цифрами максимум поглощения хло-
рофилла в живых клетках (около 675—680 лиик), то можно сделать
вывод,, что хлорофилл в хлоропластах не находится в кристалли-
ческом состоянии, а образует, по-видимому, аморфные монослои,
связанные межмолекулярнымй или более прочными связями с бел-
ковым и липидным слоями. Аморфное состояние монослоев хлоро-
филла в хлоропластах было подтверждено также исследованиями
других оптических свойств — дихроизма и двойного лучепрелом-
ления. Таким образом, расположение порфириновых плоскостей
в пигментном слое является достаточно плотным, но не строго
упорядоченным и отдельные молекулы хлорофилла в монослое
могут быть повернуты друг относительно друга. В то же время
хлоропласты в целом имеют упорядоченную слоистую структуру, а
не состоят просто из белков, липоидов и пигментов, случайно пере-
мешанных между собой.
Хлорофилл (особенно хлорофилл а) является основным видом
фотосинтетических пигментов. Кроме него, в хлоропластах со-
держатся другие пигменты, которые обычно называют вспомога-
тельными; к их числу относятся каротиноиды и фикобилины.
Каротиноиды составляют группу желтых пигментов зеленых
растений, поглощающих в зеленой и синей областях спектра;
они придают желтую окраску осенним листьям после разрушения
хлорофилла. К каротиноидам принадлежат оранжевые а- и 0-ка-
ротины С40Н8в (из которых основное значение имеет 0-каротин)
и желтые ксантофиллы С4оН84(ОН)2, являющиеся окисленными ка-
ротинами.
Максимумы поглощения 0-каротина и ксантофилла лежат, соот-
ветственно, при 482 и 452 ммк, т. е. в той области, в которой хло-
рофилл не поглощает; каротиноиды не флуоресцируют. Характер-
ной особенностью строения каротиноидов является наличие длин-
ной цепи сопряженных двойных связей между двумя кольцами
353
H3C^CH3 ( H3c CHS
C CH3 CHS CHS CH8 Y
H2C C— CH = CH— C=CH—CH=CH—C=CH—CH=CH—CH=C—CH=CH—CH=C—CH==CH-cY;H,
I II II I
H2C C c CH2
c CH3 Hg(fY
H* » H2
3-каротин
H3C CH8
C CH3 CHg CHg
H2C/'c—CH= CH —C=CH-CH=C H — C=CH—CH=CH—CH=C—CH=CH-CH=
HgC CHg
c
сн=сн-сн ch2
с OH
CHg
H
2
ксантофилл
н
(в p-каротине 11 двойных связей). Они обладают гидрофобной
природой и, по-видимому, расположены в виде столбиков высотой
20—25 А между фитольными цепями хлорофилла (как показано
на рис. 45). Одна молекула каротиноида приходится примерно
на 3 молекулы хлорофилла (в бактериях — на 2 молекулы бактерио-
хлорофилла). Предполагают, что каротиноиды принимают участие
в фотосинтезе, а также защищают хлорофилл от фотоокисления.
Фикобилины содержат хромофорные группы, прочно связан-
ные с белками. К числу этих пигментов относятся фикоэритрин (с
максимумами поглощения при 500 и 565—570 ммк) и фикоцианин —
окисленный фикоэритрин (с максимумом поглощения около 615—
620 ммк). Они содержатся в красных и синезеленых водорослях
и принимают эффективное участие в поглощении и использовании
света. Фикобилины, по-видимому, расположены в белковом слое
хлоропластов, но вряд ли образуют в них обособленные структур-
ные единицы.
Следует отметить, что во всех трех классах пигментов наблю-
дается определенное соотношение восстановленных и окисленных
форм: хлорофилл а — хлорофилл Ь, каротин — ксантофилл, фико-
эритрин — фикоцианин, которое, по Красновскому, вероятно, свя-
зано с окислительно-восстановительными условиями в хлоро-
пластах.
Помимо пигментов, основными компонентами хлоропластов,
как указывалось, являются липоидные вещества и белки. Липоиды
составляют до 35—40% от сухого веса хлоропластов.
Наряду с неионными липидами, важное значение имеют фосфо-
липиды, например дифосфатидилглицерин и сульфолипиды:
ОО- 0 0"
II / II /
Н2С—О—Р—О—СН2—СНОН—СН,—О—Р—осн,
I I
НС—OCOR ROC—О—СН
Н,<!;—OCOR' roc—о—сн,
дифосфатидилглицерин
н,с—so^
}_______
К ОН ^>—о—сн,
нс—о—со—спн„
он н,<!;—о—со—С17н„
сульфо липид
Эти соединения обращены своими отрицательно заряженными
кислотными группировками в сторону оводненных белков хлоро-
пластов (в_ероятно, они связаны с положительными зарядами бел-
355
ковых молекул), а углеводородными остатками — в сторону фи-
тольных цепей хлорофилла и каротиноидов. Такое расположение
соответствует энергетически выгодным условиям однородной по-
лярности и слоистому строению хлоропластов. Хотя функции
липоидной фазы в фотосинтезе остаются мало изученными, можно
полагать, что чрезвычайно высокое содержание липидов в хлоро-
пластах и митохондриях, вероятно, связано с общими для этих
структур процессами переноса электронов.
Белки составляют около 50% от сухого веса хлоропластов;
они содержат большое количество ферментов (табл. 34), необходимых,
главным образом, для осуществления темновых стадий фотосинтеза.
В хлоропластах и бактериальных хроматофорах всегда содер-
жатся гемпротеиды цитохромной группы; к ним относятся, глав-
ным образом, цитохром /(с Е'о=+0,365 в) и цитохром Ь9 (с Ео =
=—0,07 в). Относительное их содержание невелико — примерно 1
молекула на 300—400 молекул хлорофилла (Камен), но подобно
другим цитохромам они, вероятно, играют важную роль в процессе
межмолекулярной передачи электронов. Это предположение под-
крепляется наличием в хлоропластах хинонов — витамина К, ко-
энзима Q и др., являющихся необходимыми звеньями в передаче
электрона по окислительной цепи. Конечные цитохромы (типа а&
или цитохромоксидазы) не были обнаружены в хлоропластах
и возможно, что роль цитохромоксидазы в данном случае играет
сам хлорофилл. В этой связи интересно открытие методом диф-
ференциальной спектрофотометрии в длинноволновой области по-
глощения хлорофилла компонента с максимумом поглощения при
700—705 ммк и обладающего редокс-потенциалом Eq=+0,41—
—0,45 в, более высоким, чем у цитохрома (Кок, 1961). Содержание
этого пигмента, П-700 близко к содержанию цитохромов и его
функция может быть аналогична функции цитохромоксидазы.
ПЕРВИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ФОТОСИНТЕЗЕ
Исходным процессом фотосинтеза является, конечно, погло-
щение света хлорофиллом. Наличие двух максимумов поглощения
в видимой области спектра (см. рис. 79) характеризует наличие
в хлорофилле двух уровней электронного возбуждения, из которых
один, вероятно, связан с возбуждением делокализованных элект-
ронов в системе сопряженных двойных связей, а другой — с воз-
буждением неспаренных электронов атомов N и О в порфири-
новом ядре. Длинноволновый максимум поглощения для хлоро-
филла а лежит при 680 ммк, что соответствует кванту красного
света с энергией около 40 ккал/моль (табл. 38). В результате погло-
щения света хлорофилл переходит в возбужденное синглетное
состояние S* (см. рис. 75). При обратном переходе от возбужден-
ного к основному состоянию хлорофилл флуоресцирует, причем
в чистом молекулярном растворе хлорофилла выделяется в виде
-356
флуоресценции 30—35% поглощенной световой энергии (выход
флуоресценции составляет 30—35%). Длительность жизни т этого
возбужденного состояния хлорофилла составляет для хлорофилла
а всего около 5 • 10“® сек, а для хлорофилла Ь 3,5-10-9 сек.
Если молекула хлорофилла сопряжена с другими молекулами
и создается возможность передачи им поглощенной энергии или
ее использования для фотохимической реакции, то естественно,
что в форме флуоресценции выделяется меньшее количество энер-
гии, т. е. происходит тушение флуоресценции; одновременно умень-
шается длительность пребывания молекулы в возбужденном со-
стоянии. Действительно, в живом листе выход флуоресценции со-
ставляет всего 3% (в некоторых условиях 6 — 10%), а величина -с
для хлорофилла падает до 1,6-10“® сек (Рабинович).
Другой формой превращения поглощенной световой энергии
является образование возбужденного триплетного состояния (рис.
75, Т) с уровнем энергии примерно на 7% ниже синглетного (ввиду
необходимости затраты энергии на обращение спина электрона).
Прямой переход от Т к S практически отсутствует , а переход от
Т на£* (откуда был бы возможен переход otS* на<$) требует затра-
ты энергии и является маловероятным. Поэтому длительность
жизни т триплетного состояния больше, чем синглетного, и состав-
ляет от 10-3 до нескольких секунд. Триплетное состояние не флу-
оресцирует, а проявляется в слабом послесвечении. Взаимодей-
ствие двух молекул в триплетном состоянии гораздо слабее, чем
в синглетном, и хотя триплеты несомненно образуются при воз-
буждении хлорофилла, их роль в фотосинтезе остается неясной;
ранее ее считали значительной, но в настоящее время Толлин
(1959) и другие считают ее небольшой.
Значительное количество поглощенной хлорофиллом световой
энергии (не менее 25%) теряется в форме теплоты, ввиду тесной
связи возбужденных электронных уровней с колебательными сте-
пенями свободы сложных органических молекул. Затем следует
упомянуть о возможности необратимых химических изменений
молекул пигментов листа при поглощении и превращении световой
энергии, что может быть причиной хемолюминесценции хлорофил-
ла, например, красного свечения при окислении хлорофилла
(Стрелер).
Наконец, остается основное превращение поглощенной свето-
вой энергии, которое представляет наибольший интерес — это
осуществление фотохимической реакции.
Оказывается, что далеко не каждая молекула хлорофилла или
другого пигмента, поглотившая свет и сохранившая за вычетом
всех перечисленных потерь достаточное количество энергии для
фотохимической реакции, является фактическим центром такой
реакции. На основании кинетических измерений и ряда других
данных было установлено, что фотохимическая активность, т. е.
непосредственная связь с фотохимической реакцией, осуществляет-
357
ся лишь примерно одной молекулой цз 200—250 молекул хлоро-
филла. Могло бы создаться неправильное представление, что ос-
новная масса хлорофилла является фотохимически неактивной
или играет в листе роль запасного вещества, как иногда предпола-
галось в литературе.
В действительности такое положение является необходимым
следствием квантовой природы действующего света. Поглощение
света данной молекулой хлорофилла не происходит непрерывным
потоком; кванты света, падающие подобно каплям дождя, погло-
щаются все время разными молекулами хлорофилла.
По данным Рабиновича, даже на прямом солнечном свете каж-
дая молекула хлорофилла поглощает квант света всего один раз'
за 0,1 сек, а при менее благоприятных условиях — гораздо реже.
Между тем, скорость последующих ферментативных реакций яв-
ляется чрезвычайно высокой. Если бы в этих условиях каждая
молекула хлорофилла была самостоятельным центром фотохими-
ческой реакции, связанным с необходимыми вспомогательными
ферментами, то такое устройство было бы столь же нецелесообраз-
но, как если бы каждый участок крыши, на который попадает
отдельная капля дождя, был оборудован самостоятельным водо-
стоком. В листе для подобного устройства просто не хватило бы
места, не говоря уже о том, что оно могло бы использоваться лишь
незначительную часть времени.
Напротив, соединение большой группы (200—250) молекул
хлорофилла с одним центром фотохимической реакции обеспечива-
ет его непрерывную работу, подобно тому, как присоединение одно-
го водостока к достаточно значительной поверхности крыши позво-
ляет получить из отдельных капель непрерывный поток воды.
Ясно, что при этом вся масса молекул хлорофилла активно участ-
вует в полезном процессе, хотя она связана лишь с одним центром
превращения поглощенной лучистой энергии в химическую.
Возможность объединения большой группы молекул хлорофил-
ла для обслуживания одного центра фотохимической активности
как раз обеспечивается рассмотренным выше механизмом резонанс-
ного или индуктивного переноса энергии. Эффективность этого
механизма в пигментном слое хлоропластов обеспечивается плот-
ным расположением молекул хлорофилла и других пигментов
(значительно менее 50 А) и близостью их спектров поглощения и
флуоресценции (табл. 40).
В табл. 40 приведены лишь длинноволновые максимумы пиг-
ментов, расположенных в порядке увеличения длин волн. При
указанной в таблице близости максимумов перекрытие полос флуо-
ресценции и поглощения последовательных пигментов очень зна-
чительно, однако реальная последовательность резонансного пе-
реноса энергии, конечно, зависит от наличия данных пигментов
в организме. Перенос энергии между отдельными молекулами
в пигментном слое происходит с высокой эффективностью; напри-
358
Таблица 40
Максимумы поглощения и флуоресценции (в ммк)
фото синтетических пигментов в организме
Пигмент Максимум поглощения Максимум флуоресцен- ции
Р-каротин 482 не флуоресц.
Фикоэритрин 565 575
Фикоцианин 620 655
Хлорофилл с 620 —
Хлорофилл b 650 665; 720
Хлорофилл а 675—680 686; 730;815
Пигмент П-700 696—700 720
Бактериохлорофилл 890 910—920
мер, в водорослях и фотосинтетических бактериях, по данным
Дюизенса, перенос от хлорофилла b к хлорофиллу а происходит
с эффективностью около 96%, от фикоэритрина к фикоцианину —
более 80%, от фикоцианина к хлорофиллу а — около 90%, между
различными близкими бактериохлорофиллами (с максимумами пог-
лощения 850—900 ммк) — около 100%, от каротиноидов к бакте-
риохлорофиллу — около 40%.
В зеленых растениях основное значение имеет перенос энергии
внутри группы хлорофиллов. Перенос энергии при этом происхо-
дит преимущественно в направлении квантов с меньшей энергией
(длинноволновых), так как часть энергии по пути растрачивается
в виде тепла и обратный перенос становится невозможным. В ко-
нечном счете, поглощенная энергия сообщается пигменту с наи-
более длинноволновой полосой поглощения — хлорофиллу а или
даже пигменту П-700, а в бактериях — бактериохлорофиллу.
Таким образом, в зеленом листе к центру фотохимической реакции
подводится энергия, поглощенная не только большой группой
молекул хлорофилла а, но и других видов хлорофилла, что рас-
ширяет область используемой световой энергии; впрочем при
специальных условиях освещения фотосинтез может происходить
только за счет энергии, поглощенной хлорофиллом а.
Когда поглощенная световая энергия достигает молекулы хло-
рофилла а или пигмента П-700, непосредственно связанной с под-
ходящим акцептором электрона, в этом месте, по-видимому, со-
здается комплекс переноса заряда и возникает разделение электрон-
ного возбуждения на заряды, в результате которого электрон
передается акцептору, а положительный заряд остается на хло-
рофилле. Акцепторами электронов могут служить хиноны пластид
(пластохиноны), подобные коэнзиму Q; они содержатся в пласти-
дах в количестве около одной молекулы хинона на 400 молекул
хлорофилла.
359
Другими акцепторами электронов могут быть никотинамиддину-
клеотидфосфат (НАДФ), витамин-липоевая кислота и некоторые
другие вещества, которые, по-видимому, сосредоточены в липоидной
фазе хлоропластов. При таком переносе заряда возбужденный хло-
рофилл, потерявший электрон, остается в окисленном состоянии,
а второй компонент комплекса восстанавливается (например, НАДФ
переходит в восстановленную форму НАДФ-Н2).
В недавних работах Арнона с сотрудниками показано, что ко-
нечным акцептором электрона в цепи переноса является ферредо- •
ксин, который обладает наиболее высоким отрицательным окис-
лительно-восстановительным потенциалом среди соединений уча-
ствующих в фотосинтетическом переносе электрона. Восстановлен-
ный ферродоксин окисляется пиридиннуклеотидами.
Другой важный процесс — перенос заряда между хлорофил-
лом и ' гемпротеидами —цитохромами, которые являются обя-
зательной составной частью всех фотосинтетических структур;
их относительное содержание также составляет около 1 молекулы
на 300—400 молекул хлорофилла.
Фотовозбуждение хлорофилла в комплексе хлорофилл — гем
приводит, напротив, к переносу электрона от гема к хлорофиллу.
Этот процесс, независимо от температуры, происходит с квантовым
выходом около 1,0 (Камен) и несомненно является первичной
реакцией между этими веществами. В данном случае возбужден-
ный хлорофилл, получивший электрон, переходит в восстанов-
ленное состояние, а гем оказывается в окисленном состоянии.
Этот процесс облегчается не только тесной пространственной бли-
зостью обоих компонентов, но и их структурным сходством, по-
скольку как хлорофилл, так и гем относятся к группе внутрикомп-
лексных (хелатных) металлтетрапирролов с тем отличием, что
в хлорофилл входит атом магния, а в гем — атом железа с перемен-
ной валентностью (Fe2+ и Fe3+).
Установление аналогии строения хлорофилла и гема (в гемо,-,
глобине) Ненцким и Мархлевским в конце 19 в. явилось замеча-
тельным достижением отечественной биохимии, однако в литера-
туре оно обычно рассматривалось лишь как важное доказательство
общности эволюционного происхожения растений и животных.
В настоящее время очевидно, что наличие этого сходства строения
представляет интерес не только с точки зрения эволюционной,
но и является необходимым для функционирования самого фото-
синтетического аппарата.
Ввиду того, что гем-протеиды сосредоточены в воднобелковой
фазе, а хиноны — в липоидной фазе хлоропластов, в этих реакци-
ях происходит пространственное разделение восстановленных и
окисленных при непосредственном участии фотовозбужденного хло-
рофилла веществ по обе стороны пигментного слоя. Это разделе-
ние веществ имеет решающее значение для процесса фотосинтеза.
Если бы подобные реакции происходили с молекулами хлорофил
360
ла в обычном гомогенном растворе, то продукты реакции могли
бы сразу рекомбинировать между собой и накопленная разность
химических потенциалов восстановленных и окисленных веществ
просто выделялась в форме тепла. Лишь благодаря специализи-
рованной структуре хлоропластов создается возможность полез-
ного использования накопленной свободной энергии для ряда
последующих химических превращений.
Помимо изложенной теории возникновения разделенных заря-
дов путем резонансного переноса поглощенной световой энергий
по молекулам пигментного слоя и образования комплексов пере-
носа заряда (Рабинович, Камен), в литературе большое внимание
уделяется другому механизму, основанному на предположении о
наличии в хлорофилле «зон проводимости» (Арнольд, Кальвин).
С этой точки зрения предполагается, что в двухмерном ламел-
лярном слое пигментов акт поглощения квантов света непосред-
ственно приводит к разделению зарядов, с переходом электронов;
в зоны проводимости и возникновением «дырок» в хлорофилле
(для тепловой проводимости хлорофиллов ДЕ составляет всего
около 1,12—1,44 эв) (Розенберг, 1961). Миграция электронов па
зонам проводимости приводит их к центрам фотохимических реакций,,
а дырочная проводимость хлорофилла способствует восста-
новлению его исходного состояния за счет электронов, поступив-
ших, например, из гем-групщ (согласно первой теории восстановлен
ние исходного состояния хлорофилла достигается путем ряда меж-
молекулярных, окислительно-восстановительных переносов элект-
ронов в плоскости монослоя между хлорофиллом, получивший
электрон, и хлорофиллом, потерявшим электрон). Независимое пе--
редвижение электронов и дырок создает возможность раздельного»
протекания окислительных и восстановительных процессов.
Арнольд и сотр. (1957) показали, что при освещении сухих
пленок хлоропластов в них действительно появляется проводи-*,
мость (фотопроводимость), а при последующем нагревании хлоро-
Пластов, после их облучения, они проявляют красное свечение.
Это можно было бы объяснить возникновением свободных электро^
нов в хлоропластах при освещении, которые попадают в ловушки
и запасают в них часть поглощенной световой энергии; при нагре-
вании электроны освобождаются из ловушек и рекомбинируют с-
дырками, давая явление «высвечивания». Однако Тумерман (1961),
показал, что высвечивание в данном с,лучае не связано со структур
рой хлоропластов и их полупроводниковыми свойствами, а явля-
ется результатом химических реакций гидроперекисей, образую-.
щихся в хлоропластах при освещении и нагревании, т. е. резуль-
татом особой реакции термохемолюминесценции.
Теренин и Евстигнеев (1951), а также Теренин и Путцейка
(1959, 1961) подробно исследовали фотопроводимость и образова-
ние разности потенциалов при освещении (фотогальванический
эффект) в пленках кристаллических пигментов — хлорофилла,
361.
гемина, фталоцианина, толщиной 0,2—0,3 мм. Они нашли доволь-
но слабую фотопроводимость и наличие дырочной проводимости
в хлорофилле, но пришли к выводу, что зоны проводимости, ейли и
существуют, являются очень узкими и вряд ли их можно рассмат-
ривать как обобществленные электронные уровни большой сово-
купности молекул, что, собственно, необходимо для существования
зон проводимости. При переходе возбужденных уровней индиви-
дуальных молекул в общую зону проводимости в конденсирован-
ной фазе всегда происходит изменение узкой полосы поглощения
молекул в более широкую и сильно смещенную полосу поглощения
кристалла, как целого. Между тем, полоса поглощения хлорофилла
в хлоропластах лишь незначительно шире полос поглощения моле-
кул хлорофилла в растворе, и смещена в длинноволновую сторону
всего на 10—15 ммк. Поэтому более правильно считать, что в дан-
ном случае существует система связанных и взаимовлияющих, но
самостоятельных электронных оболочек. Это делает уподобление
пигментного слоя хлоропласта совокупности молекул с резонанс-
ным переносом энергии между ними физически более обоснован-
ным, чем его уподобление твердому телу с зонами проводимо-
сти.
Необходимо заметить, что по обоим механизмам промежуточ-
ной стадией является образование при участии возбужденных мо-
лекул хлорофилла неспаренных электронов, т. е. возникновение
свободных радикалов, которые по первой теории создаются на
стадии комплексов переноса зарядов, а по второй — на стадии
перехода электрона в зону проводимости. Наличие неспаренных
электронов в освещенных листьях, водорослях, фотосинтетических
бактериях и изолированных хлоропластах было экспериментально
показано при помощи измерений электронного парамагнитного ре-
зонанса (ЭПР) (Коммонер, 1954; Кальвин, 1956); описание метода
и техники измерений ЭПР дано в книге Инграма (1961).
Квантовый выход образования неспаренных электронов в хло-
ропластах колеблется при различных условиях измерений в ши-
роких пределах — от 0,03 до 1,0. Интенсивность сигнала ЭПР
возрастает при освещении как при 25° С, так и при —150° С (Каль-
вин); таким образом, образование свободных радикалов при осве-
щении хлоропластов не обусловлено ферментативными реакциями.
Выход неспаренных электронов составляет, примерно, 1 электрон
на 100—500 молекул хлорофилла, в соответствии с приведенными
выше данными о соотношении числа центров фотохимической
реакции и числа молекул хлорофилла.
Отдача и получение электрона возбужденными молекулами
хлорофилла сопряжены с окислением или восстановлением хло-
рофилла, который, таким образом, не ограничивается передачей
энергии к реагирующим молекулам, а принимает непосредственное
участие в первичных фотохимических реакциях. Эта идея об обра-
тимых окислительно-восстановительных превращениях хлорофил-
362
1 А*
ла впервые была высказана Тимирязевым еще в конце 19 в., но
экспериментально она была доказана лишь в последние годы.
Обратимое фотохимическое окисление хлорофилла Fe3+ ионами
было осуществлено Рабиновичем и Вейссом в 1937 г., а хиноном —
Линшитцем в 1952 г., ог нако, в целом этот процесс еще мало
изучен.
Обратимое фотовосстановление хлорофилла было подробно ис-
следовано в ряде работ Красновского, Евстигнеева и сотр. (1948—
1966 гг.). Красновский в 1948 г. показал возможность обратимого
восстановления хлорофилла при освещении в присутствии аскор-
биновой кислоты (реакция Красновского). Затем было показано,
что при освещении растворов хлорофилла а и хлорофилла b в пи-
ридине и в других органических растворителях в присутствии не
только аскорбиновой кислоты, но также других восстановителей —
фенилгидразина, цистеина, происходит образование фотовосста-
новленного хлорофилла с максимумом поглощения около 523 ммк.
Эта реакция была также осуществлена с бактериохлорофиллом,
протохлорофиллом, Mg-фталоцианином и с другими производными
хлорофилла, но не с каротиноидами или фикобилинами. При вы-
ключении света происходит обратная реакция (особенно в при-
сутствии кислорода и других окислителей) с регенерацией хло-
рофилла. Этот цикл можно повторять многократно, хотя при этом
постепенно накапливается некоторое количество химически изме-
ненного хлорофилла.
Основной Цветовой стадией процесса фотовосстановления хло-
рофилла является перенос одного электрона от донора электронов
(аскорбиновой кислоты и др.) на хлорофилл. При этом возникают
свободные радикалы, что доказывается появлением сигналов ЭПР
при освещении и их исчезновением после выключения света (Крас-
новский и сотр.). Одновременно эти радикалы являются также
ионами, так как на этой стадии наблюдается повышение электро-
проводности и появление частиц, изменяющих потенциал электро-
дов (Евстигнеев и Гаврилова). Таким образом, первичную фото-
стадию процесса можно охарактеризовать уравнением:
’Х + АН^'Х~+-АН+, (5)
где X — хлорофилл, АН2 — восстановитель, точки — знак ра-
дикалов. Вслед за переносом электрона происходит перенос про-
тона при участии молекул растворителя (эта стадия не требует
участия света):
•Х~+\4Я+-> ’Х-+ АН' + #+->ХН' + АН'. (6>
Вследствие переноса протонов через среду реакция фотовос-
становления хлорофилла зависит от pH среды, а с дейтерирован-
ными производными происходит медленнее.
Наконец, взаимодействие двух радикалов ХН* и АН' (которое
также может происходить в темноте) приводит к образованию
36$
валентно насыщенных соединений — фотовосстановленного хлоро-
филла и окисленного донора электронов:
ХН* + АН- ХН2 -р А. (7)
Фотовосстановленный при участии аскорбиновой кислоты
(Е'о = +0,05 в) хлорофилл ХН2 может осуществить при освещении
восстановление рибофлавина (Е'о=—0,22 в), сафранина Т(£,,о=
=—0,3 в) и пиридиннуклеотидов (Е,о==—0,32 в), что можно просле-
дить по изменениям спектров поглощения этих веществ (Краснов-
ский и Брин); при выключении света эти реакции идут обратно.
Обозначая акцепторы водорода через В, можно написать:
ХН2 + В -> X + ВН2. (8)
Таким образом, суммарно уравнения (5—8) можно выразить
следующим уравнением:
АН2 + В+Х -*А + ВН2 + Х, (9)
где X — хлорофилл в конце процесса остается в неизменном
состоянии и играет роль фотосенсибилизатора реакции
АН2+В-*ВН2 + А, (10)
в которой происходит перенос 2Н с АН2 на В с увеличением сво-
бодной энергии на +0,05—(—0,32)=0,37 в или на AZ=2x23'X
X 0,37= 17 ккал/моль за счет поглощенной хлорофиллом световой
энергии. Разумеется, этот результат относится лишь к исследован-
ным модельным системам и поэтому охватывает лишь часть шкалы
редокс-потенциалов (или свободной энергии) в 1,2 в, преодоление
которой совершается при участии фотовозбужденного хлорофилла
в живом листе.
Как уже указывалось, пространственное разделение восстанов-
леных и окисленных при непосредственном участии фотовозбуж-
денного хлорофилла веществ имеет ключевое значение для про-
цессов фотосинтеза. Появление в водной, среде, всегда содержащей
некоторое количество Н^- и ОН~-ионов, пространственно разде-
ленных центров, являющихся донорами и акцепторами электро-
нов, имеет такое же значение, как погружение в водный раствор
электродов аккумулятора, из которых один (катод) является до-
нором электронов, а второй (анод) — их акцептором. Водородные
ионы, получая электрон, переходят в Н-атомы, способные пере-
вести, например, пиридиннуклеотиды в их восстановленные
формы, например НАДФ в НАДФ-Н2. Напротив, гидроксильные
ионы, отдавая электрон, переходят в ОН-радикалы, рекомбинация
которых дает воду и молекулярный кислород: ч
-2е 1
2ОН-—>2ОН Н2О + -у Оа. (11)
364
Из уравнения (11) видно, что молекулярный кислород обра-
зуется из воды. При помощи изотопных методов было эксперимен-
тально доказано, что при фотосинтезе весь выделяемый кислород
действительно происходит из воды. Так, например, в воде Н2О18
весь кислород О18 был найден при фотосинтезе в свободном моле-
кулярном кислороде (Виноградов и Тейсс, 1941), а при работе
с СО218 и Н2О18 выделяемый О2 содержит лишь обычный О18, тогда
как О18 входит только в состав органических соединений (Рубен,
1941).
Установление этого факта имело существенное значение для
теории фотосинтеза, так как ранее в течение более 100 лет (при-
мерно, до работ ван-Ниля, 1930) предполагалось, что молекуляр-
ный кислород образуется путем светового разложения или фото-
лиза СО2. Однако выделение О2 из воды тоже не является резуль-
татом прямого фотолиза воды по типу реакции Н — ОН; по су-
ществу, оно является своеобразным фотоэлектролизом воды, при
котором- источником свободных разделенных зарядов являются
фотокомплексы переноса зарядов.
Хилл (1937) показал, что разложение воды и выделение моле-
кулярного кислорода можно осуществить при освещении суспен-
зии изолированных хлоропластов и даже отмытых от сопутству-
ющих ферментов хлоропластов, потерявших способность к проведе-
нию всего процесса фотосинтеза (реакция Хилла). Образование
О2 усиливается при добавлении к суспензии хлоропластов Рег-
ионов, хинона и других окислителей:
2Fe8++H2O---—-----> 2Fe2+ + 2Н+ + 4-О2. (12)
хлоропласты z
Эверсалл и Волькен (1958) показали, что реакцию Хилла можно
осуществить даже на дигитониновых экстрактах из хлороплас-
тов, содержащих частицы всего из нескольких десятков молекул
хлорофилла, причем происходит фотовосстановление окислитель-
ных реагентов и выделение молекулярного кислорода. Таким
образом, важнейшая частная реакция фотосинтеза, ведущая
к выделению молекулярного кислорода, не требует участия фер-
ментов (в согласии с описанным выше механизмом) и может про-
исходить в сравнительно простых структурах.
Второй основной реакцией, как указывалось, является восста-
новление никотинамиддинуклеотидов с образованием НАД-Н2 и
НАДФ-Н2. Арнон (1951) показал, что процесс этот можно наблю-
дать в изолированных хлоропластах на свету.
Эти вещества обладают высоким восстановительным потен-
циалом (£'0=—0,32 в) и именно они обеспечивают восстановление
СО2 до углеводов (или, в другом важнейшем процессе, — фикса-
ции азота — восстановление азота до аммиака).
Однако для осуществления этого процесса недостаточно вос-
становленных никотинамиддинуклеотидов, дающих водород для вос-
365
становления СО2, необходимо еще наличие АТФ — основного ис-
точника энергии при реакциях биосинтеза.
Оказалось, что при наличии НАД-Н2 (или НАДФ-Н2) и АТФ
восстановление СО2 до углеводов могут осуществить многие виды
клеток, в том числе даже клетки, вообще лишенные фотосинтети-
ческой активности (например, клетки печени); более того, восста-
новление СО2, хотя и с небольшим выходом, может быть произве-
дено в темноте в присутствии НАД-Н2 и АТФ, выделенных из
животных клеток. Общее уравнение процесса, по Арнону, имеет
следующий вид:
СО2 + 2НАД-На + п АТФ -> (C6Hi2O6) + 2НАД + п АДФ + пФ. (13)
Эта суммарная реакция фактически состоит из ряда промежуточ-
ных реакций, которые будут описаны ниже.
Вопрос о происхожении АТФ в реакции (13) имеет, очевидно,
большое значение для выяснения механизма фотосинтеза. В главе
4 было подробно рассмотрено образовние АТФ при окислительном
фосфорилировании в митохондриях животных и растительных
клеток, однако специализированные фотосинтетические клетки со-
держат лишь сравнительно небольшое количество митохондрий,
которое не могло бы обеспечить процесс фотосинтеза необходимым
количеством АТФ. Арнон (1954) выяснил фундаментальный факт,
что в фотосинтетических структурах АТФ образуется не путем
окислительного фосфорилирования, а независимым путем. Он по-
казал, что в изолированных хлоропластах на свету, в присутствии
окисленного НАДФ из АДФ и неорганического фосфата Ф может
образоваться АТФ:
свет
2НАДФ + 2Н2О + 2АДФ + 2Ф-------------->2НАДФ-Н2+О2 +2АТФ. (14)
хлоропласты
366
Френкель также нашел, что экстракты из фотосинтетических
бактерий Rhodospirillum rubrum (не содержащие живых клеток,
но содержащие бактериальные хроматофоры) на свету могут об-
разовывать АТФ из АДФ и неорганического фосфата, но в бакте-
риях О2 переходит в воду. Таким образом, общей для всех фото-
синтетических организмов является способность к образованию
на свету АТФ из АДФ, которое получило название фотосинтети-
ческого фосфорилирования.
Механизм образования АТФ на молекулярном уровне из АДФ
и' неорганического фосфата при фотосинтетическом фосфорили-
ровании можно предполагать аналогичным образованию АТФ при
окислительном фосфорилировании, но в то время, как при окис-
лительном фосфорилировании приток электронов происходит из
дыхательной цепи, при фотосинтетическом фосфорилировании при-
ток электронов является результатом фотовозбуждения хлорофил-
ла и образования комплексов переноса заряда.
Окислительное фосфорилирование и фотосинтетическое фос-
форилирование составляют два основных канала, по которым в
живых организмах создается накопление фонда свободной энергии
в форме макроэргических соединений.
Общая схема, по Ариону, рассмотренных до сих пор первичных
процессов при фотосинтезе приведена выше.
В этой схеме не все стадии еще являются строго доказанными,
но в целом ее можно считать, по-видимому, достаточно правильной.
Из схемы видно, что фотовозбужденный хлорофилл, с одной сто-
роны, является донором электронов, восстанавливая при участии
атомов водорода из воды НАДФ до НАДФ-Н2, а с другой стороны,
акцептором электронов, которые от ОН_-ионов воды через цито-
хром возвращаются на хлорофилл или расходуются на образование
АТФ; ОН“-ионы после потери электронов и рекомбинации ОН
дают молекулярный кислород. При передаче электрона от цито-
хрома к хлорофиллу происходит фотоокисление цитохрома (пе-
реход в нем Fe2+ в Fe3+), которое экспериментально наблюдал
Ченс.
Изучение цепи фотосинтетического переноса за последние годы
привело к обоснованию представления о двух фотохимических
стадиях этого процесса, в которых участвуют разные формы хло-
рофилла. Согласно этим представлениям I фотореакция заключа-
ется в фотопереносе электрона от цитохромной системы к ферре-
доксину, восстановленная форма которого в свою очередь передает
электрон пиридиннуклеотидам. В этой реакции участвуют длинно-
волновые формы хлорофилла а.
II фотореакция заключается в переносе электрона от молекулы
воды к цитохромам или пластохинонам; в этой реакции участвует
хлорофилл в и «коротковолновые» формы хлорофилла а.
Таким образом, если первичные фотофизические процессы при
фотосинтезе заключаются в поглощении и переносе энергии кван-
367
тов света, то первичные фотохимические процессы заключаются,
прежде всего, в образовании трех веществ (выделенных в правой
-части схемы): молекулярного кислорода, восстановленных нико-
тинамиддинуклеотидов и АТФ. Именно в реакциях образова-
ния этих Трех веществ происходит, па существу, превращение
лучистой энергии в химическую, составляющее основу про-
цесса фотосинтеза.. Последующие реакции ассимиляции СО2
относятся ко вторичным реакциям, хотя наряду с выделением
молекулярного кислорода образование углеводов из СО2 явля-
ется важнейшим материальным результатом всего процесса
фотосинтеза.
АССИМИЛЯЦИЯ УГЛЕКИСЛОТЫ И ЭНЕРГЕТИКА
ФОТОСИНТЕЗА
В течение долгого времени ассимиляция углекислоты была
синонимом фотосинтеза, пока Виноградский (1880) не открыл
процесс хемосинтеза — темновой ассимиляции СО2 бактериями
без участия хлорофилла и без выделения кислорода. Затем было
установлено, что в хлоропластах при фотосинтезе образуются не
только углеводы, но также белки и другие вещества неуглеводной
природы. Поэтому к фотосинтезу можно отнести не только ассими-
ляцию СО2, но вообще синтез клеточных веществ за счет химической
энергии, получаемой при фотохимических реакциях. Наиболее
характерным продуктом начальных биохимических превращений
является образование углеводов — триоз или триозофосфатов, из
которых затем обычными путями образуются полисахариды, белки
и жиры.
Эти реакции подробно -рассматриваются в курсах биохимии
и мы лишь кратко остановимся на этапе превращений от углекис-
лоты до триозофосфатов. Эти превращения были исследованы
Кальвином и его сотрудниками, преимущественно в опытах, про-
веденных на одноклеточных зеленых водорослях — хлореллах,
Клетки выращивались в присутствии изотопных соединений —
в атмосфере С14О2 и при наличии в водной среде КН2Р32О4. Через
различные короткие промежутки времени клетки убивались ки-
пящим спиртом и экстрагировались водно-спиртовыми растворами;
затем экстракты анализировались методами двухмерной хромато-
графии на бумаге и радиоавтографии, и изучалось распределение
изотопной метки в различных промежуточных органических сое-
динениях, возникающих по ходу процесса фотосинтеза. Оказалось,
что путь углерода при фотосинтезе тесно связан с пентозофосфат-
ным циклом при распаде углеводов, являясь в известной мере
его обращением. Одним из веществ этого цикла является рибулозо-
5-фосфат, который при реакции с АТФ в присутствии фермента
фосфорибулокиназы образует рибулозо-1,5-дифосфат:
368
сн^он
I
со
Н(!он
неон
I
СН2О|р|
рибулозо -5-фосфат
4-АТФ
СН2О|Р|
СО
I
-НСОН+АДФ
H<ioH
I
СН2О|Р|
рибулозо -1,5- дифосфат
(15)
где |Р| —знак остатка фосфорной кислоты. Именно рибулозоди-
фосфат осуществляет включение СО2 в присутствии специфической
карбоксилазы (типа карбоксидисмутазы), с образованием двух
молекул фосфоглицериновой кислоты (ФГК) (известной нам по
процессам углеводного обмена; см. гл. 1):
сн2о|р|
со
неон +со2
неон
I
СН2О|Р|
рибулозодифосфат
+Н2О
сн2о|р|
2НСОН
СООН
фосфо глицериновая кислота
(16)
В этой важной реакции кетогруппа восстанавливается до вто-
ричного спирта, а вторичная спиртовая группа окисляется до
карбоксильной, т. е. происходит дисмутация. Реакции образова-
ния рибулозодифосфата и ФГК специфичны для фотосинтези-
рующих клеток и, в отличие от остальных реакций, не встречают-
ся в других типах клеток.
Затем ФГК путем реакции с НАДФ-Н2 в присутствии фермента
триозофосфатдегидрогеназы образует 3-фосфоглицериновый аль-
дегид (ФГА):
СН2О|Р| СН2О|Р|
неон 4- надф-н2 -НСОН +НАДФ
соон сон
(17)
Дальнейший путь от ФГА до крахмала виден из следующей
схемы, повторяющей в обратном порядке известные реакции гли-
колиза (см. гл. 1); в скобках указаны соответствующие ферменты.
13 Заказ № 531
369
ФГА
ФГА
| (триозофосфатизомераза)
фосфодиокс иацетон
| (альдолаза)
фруктозо-1,6-дифосфат
I (фосфатаза)
фруктозо-6-фосфат
| (гексозофосфатизомераза)
глюкозо-6-фосфат
Ф (фосфоглюкомутаза)
г люкозо-1 -фосфат
| (фосфорилаза)
крахмал
С другой стороны, из ФГА, фосфодиоксиацетона и фруктозо-
фосфата путем ряда ферментативных превращений, соответствую-
щих обращению пентозофосфатного цикла, вновь образуется ри-
булозодифосфат, являющийся акцептором СО2. Получается ’Цик-
лический процесс (цикл Кальвина,) который является еще одним
примером важного значения циклов реакций в живых организмах
(см. гл. 2). Через цикл Кальвина проходит свыше 80% углерода,
ассимилируемого при фотосинтезе.
В целом на фиксацию 1 молекулы СО2 необходимо затратить
3 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДФ-Н2 (или НАД-Н2). Ракер
(1955) показал, что в присутствии достаточного количества АТФ
и НАД-Н2, каталитических количеств рибулозодифосфата и на-
бора необходимых индивидуальных ферментов (свыше 10) можно
в искусственных условиях, в темноте, получать превращение
подводимой СО2 в гексозодифосфат, хотя, конечно, с невысокой
эффективностью по сравнению с зеленым листом.
Помимо углеводов, при фотосинтезе образуются органические
кислоты, различные аминокислоты, белки и липиды (последние
две группы веществ образуются через несколько минут после
цачала освещения, а остальные еще раньше). Синтез белка проис-
ходит в хлоропластах из СО2 и свободных аминокислот, синтез
липидов, вероятно, происходит при участии фосфатидилглицери-
на (см. стр. 355) и других производных липидов в хлоро-
пластах.
Эффективность ассимиляции СО2 при фотосинтезе может быть
оценена по квантовому выходу процесса. Эта величина, как из-
вестно, определяет число химически измененных молекул на 1 квант
поглощенной световой энергии. Многочисленные измерения кван-
тового выхода фотосинтеза показали, что для превращения 1 мо-
лекулы СО2 в углеводы необходимо затратить 8—12 квантов крас-
ного света, с энергией каждого кванта около 40 к.кал1 моль',
в среднем можно принять, что расход энергии равен 10
квантам.
370
Таким образом, квантовый выход фотосинтеза составляет около
0,1. Эту величину можно объяснить примерно следующим образом.
Условия образования комплексов переноса заряда таковы, что
одному кванту поглощенной световой энергии соответствует один
одноэлектронный перенос. Из приведенной схемы (см. стр. 366)
видно, что разложение 1 молекулы Н2О связано с двумя одноэлект-
ронными переносами (соответственно для разрядки Н+-и ОН"-ионов),
происходящими при участии фотовозбужденного хлорофилла. По-
этому на разложение 1 молекулы Н2О расходуется 2 кванта крас-
ного света, или около 80 ккал/моль, из которых собственно на раз-
ложение тратится около 57 ккал/моль (свободная энергия образо-
вания воды AZ0=56,6 ккал/моль), а остальная энергия — около
30% тратится на флуоресценцию, тепловое рассеяние и другие по-
тери. Для восстановления атомов кислорода СО2 до типичной для
углеводов структуры — СНОН— необходимо на 2 атома кислоро-
да затратить 4Н-атома, выделяемых из 4-х молекул воды, что свя-
зано с затратой 8 квантов; с другой стороны, одновременное вы-
деление 1 молекулы О2 происходит из 4 ОН~-> 2Н2О+О2, что
также требует затраты тех же 8 квантов. Эти соображения объяс-
няют и причины совпадения квантового выхода реакции Хилла
(выделения молекулярного кислорода) и квантового выхода ас-
симиляции СО2 при фотосинтезе.
При ассимиляции 6 молекул СО2 до углевода образуется гек-
соза с ДЯ=672 ккал/моль. Свободная энергия этого процесса сос-
тавляет AZ=686 ккал/моль, откуда по термодинамическому урав-
нению М=&Н—T&S следует, что энтропийный член TAS=—14
ккал/моль. Таким образом, при образовании гексозы из СО2 проис-
ходит уменьшение энтропии, что, естественно, отвечает процессу
образования более сложного соединения из более простого. При
пересчете на 1 моль СО2 эти цифры соответствуют AZ= 114,7 и
ДЯ=112 ккал/моль и если на ассимиляцию 1 моля СО2 требуется
8 квантов красного света по 40 ккал/моль, то легко видеть что эф-
112
фективность фотосинтеза составляет 100=35%; при пере-
счете на среднее значение 10 квантов, эффективность фотосинте-
за составляет 30% . При этом следует учесть, что зеленый лист
использует для целей фотосинтеза всего около 1% падающей на
него солнечной энергии (остальная энергия расходуется на испаре-
ние). Эти цифры не очень велики и можно полагать, что при ис-
кусственном осуществлении преобразования световой энергии в
химическую в дальнейшем удастся достичь более высоких значе-
ний. Однако благодаря огромным масштабам фотосинтеза в при-
роде даже при указанной эффективности и малом использовании
падающей солнечной энергии общая продуктивность фотосинтеза
в настоящее время в сотни раз превышает все производство чело-
веком*энергии и питательных веществ и является подлинной ос-
новой существования жизни на Земле.
13*
371
БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
Существо биолюминесценции заключается в переходе химиче-
ской энергии некоторых окислительных реакций в световую.Таким
образом, биолюминесценция — частный случай окислительной
хемолюминесценции. Формально биолюминесценция является
обращением того превращения энергии от лучистой энергии к
Химической, которое происходит при фотосинтезе, но по механизму
происходящих процессов и биологическому значению фотосинтез
и биолюминесценция совершенно различны. В настоящей главе
мы кратко остановимся на биолюминесценции, поскольку в ней
основную роль играют возбужденные состояния молекул.
Биолюминесценция наблюдается у многих видов животных,
бактерий, грибов и простейших, причем органы свечения у неко-
торых светлячков и рыб достигают значительной морфологической
сложности. Однако во всех случаях биолюминесценция является
результатом ферментативного окисления некоторого термосГа-
бильного субстрата, получившего, начиная с работ Дюбуа (1885),
общее название — люциферина, а соответствующий фермент —
люциферазы.
Природа люциферина и люциферазы в различных видах орга-
низмов может быть весьма различной. Люциферин светящихся
бактерий близок по своей природе к восстановленному флавинмо-
нонуклеотиду ФМН-Н2 (см. стр. 129), лрциферин светлячков бли-
зок к рибофлавину, но имеет формулу C13H12N2S2O3 (М = 308), а
люциферин японского рачка Ostracod cypridina представляет собой
полициклическое соединение с сопряженными связями и кетогруп-
пой в боковой цепи (с молекулярным весом около 500).
Люциферин и люцифераза из японского рачка были выделены
в чистом виде и оказалось, что явление люминесценции может
быть воспроизведено при помощи этих веществ непосредственно в
растворе. Изучение кинетики реакции показало, что вначале обра-
зуется фермент-субстратный комплекс (FS) и лишь затем про-
исходит окисление люциферина молекулярным кислородом с пе-
реходом комплекса в возбужденное состояние (FS)*, способное
к испусканию кванта света с длиной волны около 480 ммк.
В отсутствие фермента люциферин также способен к окислению,
но оно происходит гораздо медленнее и не сопровождается свече-
нием. Люминесцентное окисление люциферина является необра-
тимым и поддержание свечения в организме требует постоянного
биосинтеза этого вещества.
Люциферин бактерий — ФМН-Н2 способен к легкому прямому
окислению молекулярным кислородом (см. стр. 235). Вместо обыч-
ного ступенчатого окисления при участии цитохромной системы, в
данном случае при участии соответствующего фермента — люци-
феразы и некоторых высших алифатических альдегидов (с содержа-
нием С7 —С1в) происходит быстрое прямое окисление с выделением
372
квантов света с длиною вол ны 470—500 ммк (около 56—60 ккал/моль,
см. правую часть рис. 37). Ввиду того, что данная люминес-
центная система не связана с цитохромоксидазной, она нечувстви-
тельна к действию цианидов. Люминесцентное окисление люци-
ферина, однако, отвлекает в данном случае лишь небольшую часть
обычного окислительного переноса водорода субстрата к кисло-
роду, так как подсчитано, что на один квант испускаемого света
окисляется суммарно до 2800 молекул НАД-Н2.
Наконец, окисление люциферина светлячков в оксилюцифе-
рин, сопровождаемое потерей 2Н-атомов, отличается тем, что, кроме
кислорода и люциферазы (с молекулярным весом 100 000), требует
наличия АТФ и Mg2+-ионов. Вначале, по Мак-Эльрою (1960),
исходный люциферин LH2 взаимодействует с АТФ с отщеплением
пирофосфата и образованием комплекса с адениловой кислотой
(LH2—АМФ), причем эта реакция не приводит к люминесценции.
Кислород окисляет люциферин уже в фермент-субстратном ком-
плексе (LH2—АМФ—F), переводя его в возбужденное состояние
(LH2 — АМФ — F)+Og -* (L — АМФ — F)*,
которое и является источником люминесценции (с испусканием
кванта света с длиною волны около 565 жлк). По отношению к
числу молекул окисленного люциферина квантовый выход люми-
несценции составляет 0,88±0,25, т. е. практически равен 1; нап-
ротив, по отношению к общему количеству кислорода, расходуе-
мого на окислительные процессы, квантовый выход крайне не-
велик (порядка 0,01). По-видимому, именно окисляемая молекула
является источником люминесценции, а наличие комплекса с АМФ
и ферментом защищает ее от случайных тушащих столкновений.
Благодаря эквимолярному участию АТФ в образовании люми-
несцентного комплекса, свечение светлячков может быть исполь-
зовано для практически удобного определения ничтожных коли-
честв АТФ (до 10-9 г). Интенсивность свечения светлячков незна-
чительна— около 2-10-5 свечи, и даже вспышка люминесценции
не превышает 0,01 свечи. В целом, биолюминесценция основана
на существовании боковых путей биологического окисления, поз-
воляющих сразу выделять большие порции энергии в 40 —
60 ккал1моль\ эта энергия эффективно приводит люминесцируюшие
молекулы в возбужденное состояние, благодаря наличию комплек-
сов, защищающих эти молекулы от тушащих столкновений.
В настоящее время трудно сказать, имеют ли эти условия воз-
никновения возбужденных молекул более общее значение в мета-
болических процессах.
ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Биологическое действие ионизирующих излучений приобретает
в настоящее время все возрастающее значение в связи с появле-
нием атомного и термоядерного вооружения и все более широким
373
мирным применением атомной энергии в различных областях на-
родного хозяйства, здравоохранения и научного исследования;
велико также значение этого фактора при осуществлении косми-
ческих полетов.
Развитие лучевого поражения живых организмов проходит
через большое количество стадий, начиная от исходных актов пог-
лощения и переноса энергии излучений, через первичные радиа-
ционно-химические реакции и начальные нарушения биохимиче-
ских процессов и кончая патоморфологией и патофизиологией
облученного организма. В соответствии с задачами настоящего
труда, дальнейшее изложение будет ограничено разбором первич-
ных и начальных процессов при биологическом действии ионизи-
рующих излучений.
Действие ионизирующих излучений отличается от действия
световых лучей, по крайней мере, следующими обстоятельствами.
1. При освещении видимым светом действуют кванты с энергией
2—4 эв и даже при ультрафиолетовом облучении — кванты с энер-
гией ниже 10 эв, тогда как при основных видах ионизирующих
излучений действуют кванты и частицы с энергиями от сотен до
миллионов электрон-вольт, способные разорвать любые виды хими-
ческих связей.
2. Поглощение квантов света зависит от строения молекул и
производится исключительно хромофорными группами молекул
(порфириновым ядром в хлорофилле, ароматическими аминокис-
лотами в белках и др.), тогда как поглощение энергии ионизирую-
щих излучений происходит во всех молекулах, встречающихся
на их пути, независимо от строения этих молекул.
3. Для полезного использования избирательно поглощенной
световой энергии живые организмы (растения, бактерии, водорос-
ли) располагают эволюционно выработанными специализирован-
ными биологическими структурами, тогда как по отношению к
ионизирующим излучениям исивые организмы не имеют способов
их полезного использования, в значительной мере именно благо-
даря универсальности и мощности действия этих излучений. По-
этому биологическим результатом действия ионизирующих излу-
чений, как правило, является нарушение нормальных структур и
биохимических процессов, приводящее к лучевой болезни или даже
к гибели организма. Изучение механизма этих нарушений и спо-
собов их ослабления или предотвращения имеет большое практи-
ческое и теоретическое значение.
ПОГЛОЩЕНИЕ И ПЕРЕНОС ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЙ
Механизм первичного действия отличается некоторыми осо-
бенностями для различных видов ионизирующих излучений. Элект-
роны, протоны, дейтроны и а-частицы непосредственно вызывают
ионизацию при прохождении через вещество. Выбиваемый при
374
ионизации электрон покидает молекулу с энергией, достаточной
еще для одной или нескольких ионизаций. Эти электроны назы-
вают вторичными или дельта-электронами; растрачивая свою энер-
гию на протяжении нескольких десятков или сотен молекулярных
диаметров, они в конечном счете поглощаются молекулами вещест-
ва, также образуя ионы, но противоположного знака по сравнению
с ранее ионизированной молекулой.
В результате каждой ионизации соответствует образование пары
ионов. Таким образом, вокруг места первичной ионизации образу-
ется нечто вроде грозди ионов, содержащей 1—3 пары ионов и
соответствующее число возбужденных атомов.
Число таких гроздей или центров первичной ионизации вдоль
пути первичной ионизирующей частицы зависит от массы и энергии
Таблица 41
Число пар ионов (плотность ионизации)
и линейная потеря энергии Л ПЭ для различных видов
ионизирующих излучений (в пересчете на 1 мк
пробега в биологических тканях)
Вид излучения
Гамма-лучи .........
Рентгеновские лучи .........
Нейтроны (быстрые).........
Электроны ..................
Дейтроны ...................
а-частицы...................
Энергия излучений, млн. эв Число пар ионов ЛПЭ, эв
0,85 11 360
(Х-0,015А)
0,01 150 4800
(Х-1,28А)
8 1000 32500
2 9 275
1 166 5400
5 4000 140000
частицы и от плотности среды. При пересчете на 1 мк пути в биоло-
гических тканях это число составляет для 'быстрых электронов
несколько единиц, для протонов — несколько сотен, а для а-час-
тиц — несколько тысяч (табл. 41). Для характеристики различ-
ных видов излучений часто используют величину общей потери
при поглощении энергии на 1 мк пробега в тканях — линейную
потерю энергии ЛПЭ («linear energy transfer» LET); величины ЛПЭ
также приведены в табл. 41.
Нейтроны, проходя через вещество, сталкиваются и взаимо-
действуют исключительно с ядрами атомов. При действии быстрых
нейтронов скорость выбитого ядра может быть настолько большой,
что оно в дальнейшем будет ионизировать подобно а-частицам или
протонам. Такие ядра называются ядрами отдачи и на их долю
(особенно протонов отдачи) приходится основная часть поглощен-
375
ной энергии нейтронов. При действии медленных или тепловых
нейтронов происходит их захват атомными ядрами различных4
элементов, с последующим испусканием а-частиц, электронов, про-
тонов или гамма-лучей, в зависимости от природы облученных
элементов.
Наконец, кванты рентгеновских и гамма-лучей, в зависимости
от своей величины, вызывают ионизацию молекул следующим
образом. Мягкие рентгеновские лучи с длиной волны Х>1,5 А
вызывают ионизацию практически целиком за счет фотоэффекта
(рис. 80, Л), т. е. путем выбивания электрона, энергия которого
е-(комптоновский электрон) . >
атомный „ - Л
электрон Ф
б
фотон
В
атомное
hv _______
падающий фотон х
пара электронов—
'е
е~
Рис. 80. Важнейшие виды взаимодействия
квантов рентгеновского и гамма-излучения
с веществом (пояснения в тексте)
практически равна
энергии поглощенного
кванта. Этот электрон
и производит все по-
следующие сотни иони-
заций, вследствие чего
эффектом первичной ио-
низации при его обра-
зовании можно пренеб-
речь. В более жестких
рентгеновских лучах и
гамма-лучах (с энерги-
ей до 2- 107 эв), энер-
гия падающего кванта
распределяется между
фотоном рассеяния и
так называемыми элек-
тронами отдачи (эф-
фект Комптона; см.
рис. 80, Б). В случае
рентгеновских лучей с
Х-0,6 А на долю фо-
тоэлектронов еще при-
ходится 98,6% общей
энергии возникающих
электронов (но только
72,5%' от их общего
числа), но по мере
увеличения энергии
кванта доля компто-
новских электронов отдачи все более возрастает; при дейст-
вии гамма-лучей (с К = 0,02 А и энергией кванта 500—700 тыс.
эв)1 фотоэлектроны полностью теряют свое значение.
1 Для перехода от энергии кванта £ (в за) к длине волны (в А) удобно
„ 12380
пользоваться соотношением: £ =—5— .
376
Наконец, при действии квантов в 20—100 млн. эв, преобладаю-
щее значение приобретает возникновение электрон-позитронных
пар (рис. 80, В). Во всех случаях поглощенные кванты рентгенов-
ских или гамма-лучей заменяются быстрыми электронами, сум-
ма энергий которых близка к огромной энергии поглощенного
кванта. Прохождение этих быстрых электронов и является при-
чиной ионизации вещества.
При действии всех видов ионизирующих излучений передача
энергии излучения происходит в результате отталкивательного или
притягательного электростатического взаимодействия достаточно
близко пролетающей заряженной частицы с ядром, а чаще с
электронной оболочкой атома. Это первичное поглощение энергии
и выбивание электрона в акте ионизации занимает всего 10“18 сек,
а образование грозди ионов вокруг центра первичной ионизации —
около 10-14—10-13 сек. Общее количество энергии, поглощенное
в одной грозди ионов, составляет в среднем около 110 эв. При этом
отношение количества поглощенной энергии к числу возникших
пар ионов в разных случаях остается довольно постоянным и со-
ставляет около 32,5 эв на 1 пару ионов. Это не означает, что само
образование пары ионов требует такой энергии. Для большинства
молекул минимальный потенциал ионизации лежит при 10—15 в,
и хотя эта величина относится к удалению наиболее слабо свя-
занных электронов, все же непосредственно на ионизацию редко
расходуется более 20в, а остальная энергия затрачивается на воз-
буждение молекул.
Возбуждение атомов и молекул среды является, после иониза-
ции, второй основной формой поглощения энергии излучений.
При прохождении ионизирующей частицы через ряд атомов всегда
имеются атомы, в которых поглощенная энергия не выбивает элект-
роны, но лишь поднимает некоторые электроны на более высокие
энергетические уровни.
В веществах со средним потенциалом ионизации около 10 в,
относительная частота актов электронного возбуждения и иони-
зации составляет 2:1, т. е. на каждую пару ионов образуется 2—
3 возбужденных атома. При этом, возбуждению могут подвергнуть-
ся не только внешние, но и внутренние электроны. При последую-
щем переходе таких возбужденных электронов на нормальные уров-
ни возникают кванты коротковолнового или даже ультрафиолето-
вого света (с длиной волны 230—470 ммк), которые могут
оказывать сильное фотохимическое действие, тем более, что они
возникают непосредственно внутри ткани.
Помимо этого, источниками коротковолнового свечения, всегда
наблюдаемого при действии ионизирующих излучений, могут быть
рекомбинация ионов и электронов, рекомбинация свободных ради-
калов, свечение в результате химических реакций (хемолюминес-
ценция), высвечивание части поглощенной энергии в форме ви-
димой флуоресценции и др.
377
В конденсированной системе продукты ионизации дольше оста-
ются на близком расстоянии и поэтому имеют больше шансов
для рекомбинации и образования возбужденных молекул (эффект
Франка — Рабиновича).
Как и при фотоактивации, возбужденные молекулы могут легче
участвовать в химических реакциях с другими веществами. Кроме
того, в них могут легче происходить внутримолекулярные пере-
группировки благодаря увеличению колебательной энергии, тесно
связанной с электронным возбуждением; избыток колебательной
энергии, как и при действии повышенной температуры, легко
рассеивается при столкновениях молекул. Однако в отличие от
фотовозбуждения, при электронном возбуждении, вызываемом дей-
ствием излучений большой энергии, некоторые правила отбора
теряют свое значение; поэтому, например, при действии ионизи-
Рис. 81. Схема пути ионизирующей частицы:
кружки — первичные и вторичные ионы, X —
кванты коротковолнового света
рующих излучений может легче происходить переход в триплетное
состояние.
Общая картина распределения ионизаций схематически пока-
зана на рис. 81, где кружками обозначены первичные и вторичные
ионы, а крестиками — кванты коротковолнового света. Средняя
плотность ионизации и линейная потеря энергии для различных
видов ионизирующих излучений указаны в табл. 41.
Отношение энергии излучений к ЛПЭ может приближенно
характеризовать глубину проникновения излучений в ткани на-
пример, из табл. 41 видно, что гамма-лучи обладают очень высокой,
а альфа-частицы — очень малой проникающей способностью. Од-
нако следует иметь в виду, что по мере ослабления энергии частиц
величина ЛПЭ несколько возрастает, особенно круто в конце про-
цесса, вследствие чего распределение центров ионизации по пути
частицы оказывается неравномерным.
Рентгеновское излучение, при котором в 1 см3 воздуха при 0° С
и 760 мм Hg поглощается 0,11 эрг, составляет единицу дозы излу-
чения, которая называется 1 рентген (сокращенно: 1 г, или 1 р);
она соответствует поглощению в 1 г воздуха, воды или биологиче-
ской ткани равной 85 эрг. При длине волны рентгеновских лучей с
378
1—0,6 А 1 Р вызывает образование 1,6- 101а пар ионов в1гткани, и
так как на образование одной пары ионов расходуется 32,5 эв, то
1 р соответствует поглощению в 1 а 1,6-1О12Х32,5=5,2-1013 эв.
Другие виды излучений характеризуются эквивалентами 1 р по
числу ионизаций (физический эквивалент рентгена — фэр) или по.
биологическому действию (биологический эквивалент рентгена —
бэр). В настоящее время стандартной единицей для любых видов
излучений принимается 1 рад — единица излучения, характери-
зуемая величиной поглощенной энергии («radiation absorption dose»,
rad), равной 100 эрг в 1 г (воды, биологической ткани и др.); таким
образом, 1 рад ^1,18 р.
Количество химически измененных молекул вещества на 100 эв
поглощенной энергии называется радиационным выходом G дан-
ной реакции. Иногда для выражения эффективности радиацион-
ной реакции пользуются числом химически измененных молекул
вещества на одну пару возникших ионов; эту величину называют
ионным выходом / данной реакции. Так как на образование одной
пары ионов расходуется 32,5 эв, то величины радиационного выхо-
да G и ионного выхода I различаются примерно в три раза: G~3f.
Возникшие при поглощении энергии излучений пары ионов и
возбужденные атомы и молекулы могут быть непосредственно цент-
ром-различных химических реакций. Однако во многих случаях
или даже в большинстве случаев поглощенная энергия излучений
переносится на некоторое расстояние и место химического превра-
щения не совпадает с первичным центром поглощения энергии.
Эти процессы переноса энергии играют важную роль при действии
ионизирующих излучений. Они могут осуществляться любым из
рассмотренных выше механизмов переноса энергии, — диффузией
низкомолекулярных свободных радикалов, индуктивным или ре-
зонансным переносом, межмолекулярным переносом зарядов, а
также при помощи полупроводниковой проводимости.
Последний механизм может играть при действии ионизирующих
излучений более значительную роль, чем при действий видимого
света. При действии излучений большой энергии электроны могут
быть легко возбуждены до уровней энергии, лежащих на 4—5 эв
выше основной зоны. Поэтому даже в биологических макромоле-
кулах, относящихся к типу «изоляторов» (белки, углеводороды
и др.), в сильно возбужденном состоянии могут заполняться зоны
проводимости.
Экспериментально этот вопрос еще слабо исследован, но ряд
данных с несомненностью указывает на наличие переноса энергии
при действии излучений. Например, в ряде работ было установлено
стабилизирующее действие ароматических колец при действии
излучений на СН2-связи (Бертон, 1947; Александер, 1954; Воевод-
ский, 1960; Багдасарьян, 1960, и др.). Это объясняется тем, что в
ароматических кольцах электронное возбуждение может распре-
379
делиться по всей плоскости кольца, что ослабляет возможность
разрыва отдельных связей, тогда как в алифатических углеводо-
родах этот защитный фактор отсутствует. Поэтому в бензоле б=
= 1,8, а в гептане G=9,9; в полиэтилене — СН2—СН2—СН2— раз-
рыв одной связи приходится на 20 эв поглощенной энергии, а в
полистироле —СН2—СН—СН2—СН—на 2000 эв и др. В работе
Воеводского и сотр. (1960) было показано, что при облучении быст-
рыми электронами (с энергией 1,6 млн. эв) алкилбензолов, с дли-
ной алкильной цепи в несколько СН2-групп, в этих соединениях
методом электронного парамагнитного резонанса можно было об-
наружить только радикалы фенильного, но не алифатического
типа, с выходом, во много раз меньшим, чем в алифатических
углеводородах. Эти данные указывают на возможность переноса
энергии по возбужденной углеводородной цепи к фенильным коль-
цам на расстояние в несколько СН2-групп.
При действии рентгеновских и гамма-лучей на аминокислоты
и белки (Горди и сотр., 1955; Блюменфельд и Калмансон, 1957)
методом ЭПР было показано, что аминокислоты — гликокол,
аланин, валин, лейцин и др. — дают спектры сложной структуры,
а серусодержащие аминокислоты (цистеин, цистин) — спектры в
форме простого асимметричного сигнала с одним максимумом
(рис. 14, А, Б, В). Несмотря на сложное строение белков, они
дают лишь весьма простые спектры ЭПР, похожие в одних слу-
чаях на спектры цистина, в других — на спектры гликокола (это
различие зависит от содержания серы в белках). При этом коли-
чественное содержание свободных радикалов, измеряемое по спект-
рам ЭПР, при одной и той же дозе облучения 107 р составляет в
аминокислотах 1019 на 1 г, а в белках — лишь 1016 на 1 г, т. е.
уменьшается примерно на три порядка.
Предполагают, что при ионизации, которая может возникнуть
в любом месте белковой молекулы, выбитый электрон может заме-
щаться электроном, переносимым, например, из атомов серы ос-
татка цистина. Этот механизм предупреждает разрыв связей С—С
и С—Н, уменьшает число свободных радикалов и ослабляет повреж-
дение молекулы при облучении.
Разумеется, этот перенос энергии происходит лишь по сильно
возбужденным молекулам углеводородов и белков; в своем нор-
мальном состоянии, как указывалось, они являются изоляторами.
Хотя механизм переноса поглощенной энергии излучений еще не-
достаточно изучен и его нельзя еще определенно связывать с одним
из перечисленных выше механизмов, выяснение принципиальной
380
Рис. 82. Спектры ЭПР облученных аминокислот и
белка. А — аланин; Б — валин; В — цистин; Г—
сывороточный альбумин:
по оси абсцисс — напряжение магнитного поля, по оси ординат — ве-
личина поглощения
381
возможности такого переноса является весьма существенным. Пе-
ремещенные электроны или вакантные места (дырки) могут за-
держаться на некоторых группировках молекул, играющих роль
ловушек (например, вакантные уровни в атомах серы остатков
цистина), и передвигаться дальше после нагревания, поглощения
кванта видимого света и др. Прежде чем произойдет полное рассея-
ние поглощенной энергии, может осуществиться целая серия
электронных перегруппировок, причем некоторые метастабильные
конфигурации могут сохраняться довольно длительное время.
Одновременно часть энергии электронного возбуждения переходит
в колебательные движения атомов молекулы, что приводит к раз-
рыву слабых связей, подобных водородным связям. Все эти про-
цессы имеют важное значение для теории действия радиации.
ПЕРВИЧНЫЕ РАДИАЦИОННО-ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ
(ДЕЙСТВИЕ НА ВОДУ И БИОХИМИЧЕСКИ ВАЖНЫЕ ВЕЩЕСТВА)
В результате поглощения энергии излучений непосредственно
в месте поглощения или в другом месте, в которое перенесена
поглощенная энергия, происходят различные химические реакции.
Эти процессы происходят в чрезвычайно короткое время: погло-
щение и перенос энергии излучений занимают до 10“14—10"13 сек,
а первичные радиационно-химические реакции — примерно около
10“и сек. Правда, на этой стадии образуются лишь короткоживу-
щие свободные радикалы и возбужденные молекулы с высокой
реакционной способностью, которые в результате ряда последую-
щих реакций образуют более стабильные продукты. Реакции этого
рода уже не являются в строгом смысле слова первичными, но они
остаются таковыми по отношению к последующим биохимическим
нарушениям процессов обмена веществ; поэтому они также будут
рассмотрены в настоящем разделе.
Как уже указывалось, все молекулы, оказавшиеся на пути
действия ионизирующих частиц, могут подвергнуться химическим
изменениям. Ввиду огромного разнообразия веществ, содержа-
щихся в живом организме, естественно, что можно лишь кратко
остановиться на радиационно-химических превращениях некоторых
наиболее важных соединений.
Вода. Наиболее многочисленными молекулами в организме
являются молекулы воды. Поэтому активные частицы, образую-
щиеся при радиолизе (радиационном разложении) воды играют
большую роль в радиационно-химических превращениях раство-
ренных веществ. Возникновению этих активных частиц, по-види-
мому, предшествует образование положительных и отрицательных
ионов воды.
Положительный ион образуется в результате прямой иониза-
ции молекул воды:
Н2о н2О+ + э, (19)
382
> (знак <—yw— является символом действия ионизирующего из-
; лучения). Ион Н2О+ легко диссоциирует на Н+-ион и свободный
радикал — гидроксил ОН:
Н2О+ -» Н+ + ОН. (20)
В то же время выбитый при ионизации молекулы воды электрон
! проходит некоторое расстояние, определяемое его энергией, и
присоединяется к молекуле воды. В результате возникает отрица-
тельно заряженный ион воды:
Н20 + з^Н2О~. (21)
Диссоциация этого иона (примерно за КГ11 сек) также приво-
дит к появлению свободных радикалов — атомов Н:
Н2О" -> ОН" + Н. (22)
Уравнения (20) и (22) показывают механизм образования сво-
бодных радикалов из первично возникших ионов. В обоих слу-
чаях происходит дополнительное отщепление Н+- и ОН~-ионов,
обладающих высокой энергией гидратации (для Н+-иона равной
. 263 ккал/моль, для ОН“-иона — 116 ккал/моль), что облегчает их
1 отщепление. Продукты реакции (22) образуются на расстоянии
10—100 А °т главного пути ионизирующей частицы; поэтому сво-
бодные радикалы Н и ОН оказываются пространственно разделен-
ными. Полуперйод жизни этих радикалов составляет 10-6—10-7 сек-,
за это время Н-атомы могут диффундировать на 150А> а ОН-ра-
дикалы — на 25—ЗОА, вступая на этом пути в реакции с раство-
! ренными веществами.
Установлено также, что, кроме атомов Н, в облученной воде
। возникает еще один активный промежуточный продукт, обладаю-
। щий восстановительными свойствами. Этим продуктом является •
I гидратированный электрон — eaq. Электрон начальной пары ионов
, в результате поляризации окружающей его среды образует гидра-
тированную структуру с радиусом—10А, обладающую довольно
продолжительным диффузионным временем жизни и являющимся
относительно стабильным радикалом, вступающим во взаимодейст-
вие с растворенными соединениями или с другими активными
продуктами радиолиза воды.
Помимо первичных ионов Н2О+ и Н2О_, предшественниками
свободных радикалов в облученной воде могут быть возбужденные
1 молекулы воды (Н2О)*:
(Н2О)* -> Н + ОН. (23)
Возбужденные молекулы воды возникают, примерно, в двойном
количестве по отношению к числу образовавшихся ионов. На
100 эв поглощенной энергии излучения образуется примерно 3,5—
4 первичных ионов и 7—8 первичных возбужденных молекул воды.
Около 50—60% поглощенной энергии тратится на возбуждение
молекул воды.
383
При наличии в воде или в водном растворе растворенного кис-
лорода возможно образование свободного радикала НО2 путем
реакции:
н + о2-но4, (24)
или реакций:
О2 + э-*О^, (25)
07 +Н2О -> НО2 + ОН. (26)
Свободный радикал Н02 и молекулярный ион 02_ связаны
между собой равновесием диссоциации
HO2«tH+ + O7 ’ (27)
с рК—5. Наконец, реакции рекомбинации атомов Н, радикалов
ОН и Н02 могут приводить к образованию ряда молекулярных
продуктов радиолиза воды (Н2, 02 и Н2О2):
н+н->н2, (28)
ОН + ОН->Н2О2, (29)
Н02 + Н02 -> Н2О2 + 02, (30)
Н + НО2->Н2О2, г (31)
а также самой воды:
Н + ОН -> Н2О. (32)
Суммарный химический результат действия излучений на моле-
кулы воды можно представлять по радикальному механизму (Вейс):
Н2О —VW— Н+ОН или по молекулярному механизму (Ал-
лен)—2НгО —wv— Н2+Н2О2+еа?. Вследствие рекомбинации сво-
бодных радикалов радиолиз воды всегда протекает лишь до дости-
жения определенных стационарных концентраций продуктов.
При действии излучений с высокой плотностью ионизации
(например, а-частиц; см. табл. 41) создается высокая локальная
концентрация Н и ОН вдоль следа ионизирующих частиц. При
этом радикалы ОН концентрируются во внутреннем слое, а Н-ато-
мы — во внешнем слое образующегося «цилиндра». Благодаря
высокой плотности их расположения в каждом слое, резко повы-
шается вероятность рекомбинации радикалов с. увеличением вы-
хода молекулярных продуктов Н2 и Н2О2 по уравнениям (28) и
(29), причем образование Н2О2 в этом случае не требует наличия
кислорода. Эти важные отличия в действии плотно ионизирующих
излучений необходимо в дальнейшем иметь в виду. Примерно при
плотности ионизации ниже 200 пар ионов на 1 мк пути эффект
облучения приближается к описанному выше действию рентгенов-
ских лучей, а при более высокой плотности ионизации — к дейст-
вию а-частиц.
384
+ Продукты радиолиза воды — ОН, НО2, Н2О2 и др. могут окис-
л ять одни растворенные вещества и восстанавливать другие, в
зависимости от величины окислительно-восстановительного по-
тенциала Е'о этих веществ. На большом экспериментальном мате-
риале было установлено, что системы со значением Е'о>0,8 в
преимущественно восстанавливаются при действии ионизирующих
излучений на водные растворы, а системы с Е'0<0,8 в преимущест-
' венно окисляются. Так как редокс-потенциалы биохимически
важных органических соединений всегда ниже +0,8 в, то они
почти всегда окисляются, за исключением некоторых случаев,
когда облучение производится в анаэробных условиях и создается
заметная концентрация свободных Н-атомов и eaq. _
В водных растворах органических веществ свободные Н-атомы, eag
и ОН-радикалы будучи весьма реакционноспособными частицами,
i легко реагируют с молекулами этих веществ с малыми энергиями
активации. В то время, как энергии активации реакций между
насыщенными молекулами составляют обычно несколько десятков
ккал/моль, энергия активации, например реакции СН3СНО+Н—*
—>Н2+СН3СО*, составляет всего 6 ккал/моль, а реакции СН3СНО+
1 +ОН—»-Н2О+СН3СО’—лишь 4 ккал/моль.
Это различие определяет огромное увеличение скоростей реак-
ций с участием радикалов.
В результате этих реакций образуется молекула конечного или
сравнительно устойчивого промежуточного продукта и вместо
радикала Н, eaq или ОН возникает новый, органический свободный
* радикал (в приведенном примере — СН3СО-). Органические ради-
калы могут быть низкомолекулярными кинетически самостоятель-
;; ными частицами или входить в состав макромолекул белка, нуклеи-
НОВЫХ КИСЛОТ И Др.
В более концентрированных водных растворах (0,1 М и выше)
наблюдается уменьшение выхода молекулярных продуктов радио-
’ лиза воды и увеличение выхода продуктов радиационно-химиче-
ских превращений растворенного вещества. Это объясняется тем,
что при повышении концентрации растворенного вещества увели-
чивается вероятность непосредственного взаимодействия ионизи-
рующей частицы или кванта излучения с молекулами растворенно-
го вещества.
Прямое и косвенное действие излучений. Радиационно-хими-
ческое изменение данного растворенного вещества, обусловленное
продуктами радиолиза воды или других растворенных веществ,
называется косвенным или непрямым действием излучений. В этом
случае действие излучения опосредствовано диффузионным пере-
носом первичных продуктов радиолиза. Напротив, радиационно-
химические превращения, вызванные непосредственным действием
’ энергии радиации в месте ее поглощения или в результате недиф-
фузионного переноса энергии, составляют прямое действие излу-
чений. ~
385
При прямом действии излучений на органические вещества
первичный процесс, как и при радиолизе воды, может заключаться
в удалении электрона и поглощении его другими молекулами:
R->R+ + e, (33}
М + е М-. (34}
с последующей рекомбинацией и распадом на радикалы
R++ е -> R* -> А’ + В', (35}
R+ + м- -> (RM)* -* А‘ + В’. (36}
В водной среде переход первичного иона R+ в радикал может
происходить с отщеплением гидратированного Н+-иона по схеме
уравнения (20):
RH+ -> R' + Н+. (37}
Возможны также процессы прямого выбивания Н-атомов и раз-
рыва ковалентных связей:
R-+R4-H, (38}
R->A4-B\ (39}
Различие между прямым и косвенным действием радиации
часто имеет лишь условный характер, так как оба типа действия
излучений могут вызывать одинаковые эффекты. Например, потеря
электрона по уравнению (33) может быть вызвана прямым действием
радиации, но тот же результат может быть достигнут при отрыве
электрона ОН-радикалом воды:
R + ОН -> R+ + ОН". (40}
В водных растворах органических веществ прямое и косвенное
действие излучений обычно дополняют друг друга и в большинстве
случаев существенно лишь их относительное значение.
Для экспериментального определения преобладающего типа
действия излучений представляет интерес зависимость выхода про-
дуктов радиолиза от концентрации растворенного вещества при
данной дозе облучения («эффект разбавления»).
При прямом действии радиации количество продуктов радио-
лиза пропорционально концентрации растворенного вещества, а
при косвенном действии это количество остается постоянным, со-
ответствующим стационарной концентрации продуктов радиолиза
воды при данной мощности дозы облучения. Относительное изме-
нение растворенного вещества с понижением его концентрации
при прямом действии излучений остается постоянным, а при кос-
венном— увеличивается. Поэтому разбавленные растворы кажут-
ся более чувствительными к действию излучений, чем концентри-
рованные при одной и той же дозе. Этот эффект был обнаружен,
386
* например, в водных растворах ферментов (Дэйл, 1942). При облу-
у чении сухих препаратов основное значение, естественно, имеет
прямое действие радиации.
.; В результате прямого и косвенного действия радиации в облу-
। ченных веществах возникают разнообразные химические измене-
ния, которые будут рассмотрены ниже для различных классов
веществ.
' Аминокислоты. При облучении водных растворов аминокислот
наиболее характерной является реакция окислительного дезами-
нирования с отщеплением NH3 и образованием формальдегида, а
также реакция отщепления СО2 (Дейл, Баррон, Хенох и др.).
I В водных растворах ароматических аминокислот (тирозина, фенил-
J аланина, триптофана) происходят дезаминирование, гидроксилиро-
вание бензольного кольца и расщепление кольца. Сульфгидриль-
ные соединения (простые тиолы, цистеин, глутатион) окисляются
преимущественно до дисульфидов, а также отщепляют H2S. При
рентгеновском облучении водных растворов глутатиона было най-
дено, что на долю ОН-радикалов в процессе окисления приходится
33%, НО2 — 45% и Н2О2 — 22% (Баррон); в других случаях
'' эти соотношения могут быть иными.
1 Восстановительное расщепление первичной аминогруппы про-
! текает в реакции взаимодействия а-аминокислот с е“а?. Относитель-
। но большей реакционной способностью по отношению к гидратиро-
ванному электрону обладает катионная форма аминокислоты по
сравнению с цвиттерионной и анионной формами. Наибольшую
константу скорости взаимодействия с е"а? имеют аминокислоты,
содержащие SH и S—S группы. (Гаррисон, Браамс, 1966).
В табл. 42 приведены радиационно-химические выхода G для
аминокислот и ряда других веществ с указанием характера реак-
ции, для которой измерялось значение G; большинство данных
относится к действию рентгеновских и гамма-лучей на водные
растворы исследуемых веществ, но измерения радикалов относятся
к сухим препаратам.
По табл. 42 можно приближенно произвести различные радиа-
ционно-химические расчеты. Например, при дозе 104 р=5,2-1017
эв!мл в 0,01 М растворе гликокола или аланина, при Gjvh,=3, деза-
минирование произойдет в -—— =1,5 . 1016 молекул в 1 мл
6- ю23’ 10“2
раствора, содержащем всего----— =6-1018 молекул аминокис-
лоты в 1 мл раствора. Таким образом, при этих условиях облуче-
ния химически изменится -100=0,25% наличного ве-
щества.
? Аналогичным образом по табл. 42 можно рассчитать дозы об-
лучения, необходимые для заданного изменения растворенных
веществ, или подобрать концентрации при заданной дозе облуче-
387
I
Радиационно-химические выхода G при облучении биохимически важных соединений
Таблица 42
Соединения Продукт реакции G Соединения Продукт реакции G
Насыщенные углеводороды Н2, радикалы 6-9 РНК NH3 1,0
Пропан > 6,6 Фосфорная кислота 0,6
Гексан > 7,6 Нуклеопротеид НАД Разрыв связи 0,1
Ароматические углеводороды Полимеризация 1 Фаг Инактивированный 1,0
Спирты Н2, радикалы 4—12 Полимеры
Этиловый спирт » 4,7
Пропиловый спирт » 6,1 Полиэтилен Образование поперечных связей 3,4—4,6
Простые эфиры » 7 Натуральный каучук » 3,2
Карбоновые кислоты н2 со2 1 1—4 Полиизобутилен Разрыв связей 1,5—4,0
Аминокислоты Гликокол NH3, С02СН2О NH3 3—9 3 Поливинилхлорид Образование поперечных связей 0,6
Аланин СН2О Радикалы 0,22 2,5 Белки и ферменты:
NH3 СН2О 3 0,2 Каталаза (в монослое) Инактивизация 0,01
Лизин NH3 1,5 Лактопероксидаза » 0,04
Гистидин NH3 4,0
Норлейцин — 9,0
Глутатион Окисление SH на воз- духе Окисление SH в вакууме 10,7 3,5
Фенилаланин Фенол 1,0
Нуклеиновые Дезаминирование, раз-
соединения рыв колец
Пурины:
Аденин » 0,85—1,0
Гуанин 0,85—1,0
Уридин > 2,36
Пиримидины:
Тимин » 3,2
Цитозин 3,7
У рацил » 4,7
Нуклеиновые
кислоты
Нуклеотиды Радикалы 0,1
ДНК(М=6-10в) » 0,001
Разрыв двойной спирали 1,0
Яичный альбумин Оксидаза-а-аминокислот Изменение ароматических аминокислот Окисление SH Инактивация 0,03 3,0 0,30
Рибонуклеаза » 0,1
Карбоксипептидаза » 0,54
Дегидрогеназы Углеводы » 2,8—3,3
Глюкоза СН2О 0,26
Фруктоза СН2О 0,52
4 Сахароза СН2О 0,36
Маннит Фруктоза 1,32
Целлюлоза Другие вещества Разрыв глюкозидных связей 1,7
Холестерин Радикалы 1,1
Гиппуровая кислота Гликокол 0,4
Гемин Разрыв кольца 0,2
Фталоцианин меди » > 0,2
ния и произвести другие расчеты, помня, однако, что значения G
в таблице не являются абсолютными константами, а установлены
для определенных условий облучения.
Углеводы. При облучении водных растворов простых углеводов
происходят разрывы С—С-связей с образованием, главным обра-
зом, формальдегида и органических кислот, а также с отщеплением
моносахаридов (Хенох); некоторые значения G приведены в табл. 42.
Липиды. При облучении ненасыщенных жирных кислот и сте-
ринов происходит, главным образом, окисление по месту двойных
связей, с образованием перекисей; одновременно происходит дест-
рукция молекул и отчасти их полимеризация. В чистых препара-
Рис. 83. Зависимость инактивации серумаль-
бумина от энергии падающих электронов (по
Хатчинсону):
по оси абсцисс — энергия электронов в в, по оси
ординат —• поперечное сечение инактивации моле-
о
кулы в А*
тах липидов окисле-
ние имеет цепной ха-
рактер (Эмануэль, Та-
русов).
Нуклеотиды. При об-
лучении растворов нук-
леотидов происходит де-
заминирование, разрыв
нуклеотидных и нукле-
озидных связей, окис-
ление азотистых осно-
ваний и углеводов, от-
щепление фосфатов (см.
ниже о нуклеиновых
кислотах). Пуриновые
основания более устой-
чивы к действию излуче-
ний, чем пиримидиновые
(см. табл. 42).
Белки и ферменты.
При облучении водных
растворов белков и фер-
ментов происходят химические и структурные изменения моле-
кул, приводящие к росту вязкости, агрегации, повышению кон-
станты седиментации в ультрацентрифуге, понижению раствори-
мости, повышению светорассеяния и оптического поглощения в
ультрафиолетовой области спектра, более легкой коагуляции при
повышении температуры, разрыву пептидных связей, дезаминиро-
ванию, окислению SH-групп (Баррон, Александер, Пасынский и
др.). Большинство этих изменений наблюдается и при прямом
действии излучений. При помощи высокочувствительных методов
измерения — по понижению активности ферментов облученных в
разбавленных водных растворах (Дэйл, 1940; Баррон, 1947) и
по повышению связывания меченого метионина, содержащего S35
(Пасынский и Волкова, 1955) можно установить наличие молеку-
лярных изменений в облученных белках всего при 100—400 р.
390
Хатчинсон (1954) произвел прямое определение количества
энергии, необходимой для нарушения структуры белковой моле-
кулы (бычьего серумальбумина в монослое). Облучение произво-
дилось пучком медленных электронов, энергия которых варьиро-
валась при помощи ускоряющего напряжения от 2 до 250 в. Изме-
нение нативной структуры определялось по потере способности
белкового монослоя к специфической иммунной реакции. Мерой
эффективности инактивации при облучении служило увеличение
кажущегося поперечного сечения молекулы в А2- Из рис. 83 видно,
что при 2—10 в значения поперечного сечения малы, но затем
они начинают быстро возрастать.
Пороговая величина Е, равная 10 в, рассматривается автором
как доказательство того, что инактивация белковой молекулы обус-
ловлена ее ионизацией, поскольку 10 в близко к потенциалу иони-
зации углеводородов. Поэтому ионизации приписывается основная
роль в действии радиации на белки. Следует, однако, учитывать,
что при энергии электронов 10 эв си 230 ккал/моль поглощен-
ная белковой молекулой энергия может быть достаточной для
ее инактивации как путем ионизации, так и путем возбужде-
ния.
Смысл описанного определения заключается лишь в том, что
для инактивации белковой молекулы достаточно поглощения та-
кого количества энергии, которое эквивалентно энергии необхо-
димой для одной ионизации, но это вовсе не означает, что эта иони-
зация фактически всегда имеет место при этих условиях.
По Франку и-Платцману (1958), прямая первичная ионизация
внутри макромолекулы белка, которая, как указывалось, проис-
ходит за 10"16 сек, вызывает волну деполяризации, и изменение
диэлектрических свойств, в результате чего происходит разрыв
10—14 водородных связей. Ввиду того, что водородные связи
играют важную роль в сохранении пространственной структуры
белка, их нарушение может приводить к изменению свойств бел-
ковой молекулы.
В результате ионизации и возбуждения белковых молекул,
в них образуются свободные радикалы, наличие которых экспери-
ментально обнаруживается методом ЭПР. Как указывалось, в
облученных белках, при дозе облучения около 107 р, концентра-
ция радикалов составляет лишь 101® в 1 г, тогда как число иониза-
ций при этой дозе должно быть 107-1,6- 101а£=г 1019 в 1 г; в амино-
кислотах и пептидах число обнаруживаемых радикалов примерно
равно числу ионизаций. Это различие между аминокислотами и
белками объясняется возможностью переноса энергии в облучаемом
белке. Кроме того, по экспериментальным условиям измерений
ЭПР этим методом определяются сравнительно долгоживущие ра-
дикалы, тогда как большая часть короткоживущих радикалов пре-
кращает свое существование до измерения. Поэтому попытки сопос-
тавления величины радиационного повреждения с количеством
391
свободных радикалов, измеряемых по методу ЭПР, пока не дали
однозначных результатов.
При пересчете на измеряемые долгоживущие радикалы, на
образование одного центра приходится суммарно огромное коли-
чество энергии — от 50 до 5000 эв, но фактически возникновение
радикала, конечно, требует гораздо меньшей энергии.
При дозе 1000 р, вызывающей гибель многих видов живых
организмов, может возникнуть лишь один долгоживущий радикал
в 10 млн. молекул белка. Глубина химических изменений в белко-
вых молекулах при этой дозе также должна быть незначительной.
При 20-процентной концентрации белка в протоплазме (принимая
белок с молекулярным весом М 50 000 и пятью SH-группами в
молекуле) доза в 1000 р может привести к окислению одной SH-
группы всего в одной из 10000 молекул белка, если даже отнести
все действие излучения только к окислению SH-групп белка.
Приблизительно к тем же результатам приводит пересчет к этой
дозе данных для разрыва пептидных связей, разрыва ароматиче-
ских колец, дезаминирования и других химических изменений
белковых молекул.
По-видимому, при действии излучений на белки важное значе-
ние имеют не только указанные процессы образования радикалов и
химические изменения, но также изменения свойств молекул при
переходе в возбужденное состояние, который может охватывать
более значительное количество молекул. Благодаря связи элект-
ронных возбужденных состояний с колебательными степенями
свободы сложных молекул в них может происходить деградация
электронного возбуждения в теплоту и изменение пространствен-
ного расположения части звеньев цепи с разрывом водородных
связей и нарушением нативной структуры молекул; этот механизм
может иметь более широкое значение, чем механизм, предположенный
Франком и Платцманом (см. выше).
Такие изменения пространственной структуры белковых моле-
кул, подобные денатурационным процессам, могут сами по себе
приводить к изменению ряда специфичных свойств белковой моле-
кулы.
Нуклеиновые кислоты и нуклеопротеиды. Характерной осо-
бенностью молекул нуклеиновых кислот является наличие в них
длинных линейных полинуклеотидных цепей. В ДНК эти цепи
попарно связаны между собой водородными связями, образующи-
мися между основаниями аденином и гуанином и между цитозином
и тимином (Уотсон и Крик).
Молекулярный вес ДНК составляет 6—8 млн., длина цепей —
104 А; молекулярный вес РНК достигает 2 млн. При облучении
нуклеиновых кислот, как и при облучении линейных полимеров,
наблюдается два процесса: 1) деструкция молекулярных цепей,
приводящая к уменьшению среднего молекулярного веса, и 2) сое-
динение полимерных цепей поперечными связями («сшивка»), при-
392
водящее к увеличению молекулярного веса и образованию нераст-
воримого продукта.
«Сшивка» является результатом рекомбинации близко распо-
ложенных радикалов в соседних цепях и поэтому преобладает
при высоких дозах облучения (по данным Александера, порядка
5—6 млн. рентген, при прямом действии излучений на сухие пре-
параты ДНК). При средних и низких дозах преобладающим эф-
фектом является деструкция нуклеиновых кислот, которая про-
является в уменьшении константы седиментации и молекулярного
веса, в устранении зависимости величины вязкости от скорости
течения жидкости (структурной вязкости), в ослаблении двойного
лучепреломления при течении (Спарроу, 1946; Холлендер, 1947
и др.); помимо укорочения цепей, в электронном микроскопе можно
наблюдать нарушение их линейной упорядоченности (Тонгур,
Зайдес и др., 1962). В двойной спирали молекулы ДНК необходим
одновременный разрыв обеих полинуклеотидных цепей для уко-
рочения молекулы и падения вязкости; поэтому на такой двойной
разрыв затрачивается суммарно гораздо больше энергии, чем
требовалось бы для разрыва одной цепи (100—200 эв вместо 15—
20 эв).
Такая значительная разница в энергиях связана, по-видимому,
с тем, что в ДНК парные разрывы, ведущие к деградации, происхо-
дят вследствие накопления статистически независимых одиночных
разрывов (Пикок и Престон, 1960). Проблема образования одиноч-
ных разрывов в цепях ДНК имеет большое значение, так как этот
тип радиационного повреждения может привести в процессе ре-
дубликации к появлению укороченных молекул ДНК с новой
точкой считывания генетического кода.
Одиночные разрывы в полинуклеотидных тяжах появляются
также при облучении дезоксирибонуклеопротеидов. Хотя белок
в нуклеопротеидном комплексе оказывает существенный защитный
эффект, зависимость накопления одиночных разрывов от дозы
ионизирующей радиации, как и в случае ДНК, оказалась строго
линейной (Цейтлин, Усаковская, 1965). Цейтлин, Спитковский
и Тонгур (1960) показали зависимость радиочувствительности
ДНК от молекулярной конфигурации.
Химические изменения при облучении нуклеиновых кислот
заключаются в дезаминировании, отщеплении неорганического
фосфата и небольших количеств свободных азотистых оснований,
увеличении количества кислотных групп, в разрыве пуриновых и
пиримидиновых колец; значения G приведены в табл. 42. Вследст-
вие уменьшения количества гидроксильных и аминогрупп в моле-
куле нуклеиновой кислоты, уменьшается число водородных свя-
зей, легко образующихся при участии этих групп; это обстоятель-
ство приводит к нарушению нативной структуры и падению струк-
турной вязкости растворов.
При облучении растворов нуклеиновых кислот структурные
393
изменения наблюдаются уже при дозе 50 р и продолжаются даже
после прекращения облучения (эффект последействия). Последей-
ствие объясняется тем, что при облучении происходит окисление
некоторых углеводных остатков в молекуле нуклеиновой кислоты;
вблизи этих окисленных углеводных остатков фосфорно-эфирные
связи становятся более лабильными и подвергаются медленному
гидролизу, который отсутствует в необлученном веществе (Шолс
и Вейс, 1950). Другой причиной последействия может быть обра-
зование в цепи полимера перекисных или гидроперекисных про-
изводных пиримидинов, постепенный распад которых приводит
к разрыву молекулы.
При'дозе облучения гамма-лучами 2-Ю7 р число свободных
радикалов в чистых пуриновых и пиримидиновых основаниях со-
ставляет 1017 в 1 г, а в нуклеотидах (адениловой кислоте) — 1018
в 1 г, тогда как в нуклеиновых кислотах оно составляет всего 1016
в 1 г (Шэн Пей-гень, Блюменфельд, Калмансон, Пасынский, 1960);
соответствующие значения G приведены в табл, 42. Это значитель-
ное уменьшение числа неспаренных электронов в облученной
макромолекуле по сравнению с ее облученными фрагментами ана-
логично результатам, полученным соответственно для белков и
аминокислот, и свидетельствует о возможности миграции электро-
нов по возбужденной макромолекуле нуклеиновой кислоты.
В то же время при пересчете не на 1 г, а на число молекул,
оказывается, что при дозе 2 • 107 р один радикал приходится на 1000—
2000 молекул нуклеиновых оснований или нуклеотидов, а в ДНК—
всего на 10—12 молекул. Таким образом, радиочувствительность
макромолекул ДНК значительно выше, чем нуклеотидов, хотя
выход свободных радикалов на единицу массы резко уменьшается.
Но даже при пересчете на число молекул, легко видеть, что при
летальной дозе в 1000 р, один свободный радикал возникает на
250 тыс. молекул ДНК, с выходом G всего около 0,001.
Действие ионизирующих излучений на нуклеопротеиды во
многом аналогично действию на нуклеиновые кислоты. Нуклео-
протеиды имеют особое значение в жизнедеятельности клеток,
благодаря их основной роли в образовании хромосом, рибосом,
вирусов, фагов и др. Дезагрегация молекул нуклеопротеидов
проявляется в понижении вязкости уже при дозе 20—50 р (Пасын-
ский, Волкова, 1955), в деструкции нитей ДНП — при дозе
100—500 р (Кузин и Будилова, 1957) и в ряде других изменений,
указанных выше для нуклеиновых кислот. При высоких дозах
(около 105 р и выше) одновременно происходит частичное разделе-
ние нуклеопротеидов на белки и нуклеиновые кислоты, появление
диализуемых продуктов распада и др. При облучении нуклеопро-
теидов также наблюдаются эффекты последействия. Количество
свободных радикалов, возникающих при облучении нуклеопро-
теидов, близко к указанным выше величинам для нуклеиновых
кислот. Так как эти величины чрезвычайно малы, то следует по-
394
лагать, что основное значение при облучении этих веществ имеют
перечисленные структурные и химические изменения макромо-
лекул, которые усиливаются последующими реакциями последей-
ствия.
Липопротеиды. В липопротеиде, выделенном из сыворотки
крови лошади, небольшое отщепление части холестерина и жирных
кислот наблюдается лишь при высоких дозах облучения (около
1 млн. рентген); электрофоретических • изменений при этой дозе
не обнаруживается. По-видимому, липопротеиды относятся к дос-
таточно радиорезистентным видам протеидов.
Полисахариды. При облучении полисахаридов — целлюлозы,
крахмала, декстрана — наблюдается гидролитический разрыв глю-
козидных связей, накопление глюкозы и мальтозы в растворе,
окисление отщепленных простых углеводов и фрагментов полимер-
ных цепей; некоторые значения G приведены в табл. 42. Наряду с
деструкцией имеет место образование сшивок, особенно в крах-
мале и декстране.
В целом, хотя некоторые классы биохимически важных веществ
еще слабо изучены, накопленные данные достаточно характери-
зуют все разнообразие первичных радиационно-химических ре-
акций при воздействии излучений на вещества организма. При
установленных значениях G воздействие дозы излучения около
1000 р должно вызывать в каждой клетке относительно весьма не-
большое, но по абсолютной величине значительное количество
измененных молекул различных веществ. Эти радиационно-хими-
ческие изменения лежат в основе всех последующих нарушений
процессов обмена веществ в организме.
ВЛИЯНИЕ -МОДИФИЦИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ
Первичные результаты действия ионизирующих излучений мо-
гут значительно изменяться в зависимости от различных факторов.
К числу важнейших модифицирующих факторов на молекулярном
уровне относится влияние: 1) кислорода, 2) pH раствора, 3) тем-
пературы, 4) влаги, 5) присутствия других веществ (защитный
эффект). Влияние этих факторов проявляется и на всех более
высоких уровнях действия излучений (действие на клетки’’ткани
и многоклеточные организмы.)
Кислородный эффект. Кислородный эффект заключается в уси-
лении действия излучения в присутствии кислорода (во многих
случаях в два-три раза) или в уменьшении дозы, необходимой
для получения данного эффекта. Влияние кислорода проявляется
почти во всех перечисленных выше радиационно-химических реак-
циях, причем обычно кислород должен присутствовать в среде
во время облучения.
В водных растворах влияние кислорода в значительной мере
объясняется тем, что свободный Н-радикал восстановительного
395
действия в присутствии молекулярного кислорода образует ради-
кал НО2 окислительного действия; поэтому в присутствии кисло-
рода все продукты радиолиза воды: НО2, ОН и Н2О2 обладают
окислительным действием, тогда как в вакууме таким действием
обладают лишь ОН и Н2О2. Это обстоятельство может примерно
удвоить эффект окисления. Однако при окислении SH-групп в
цистеине или глутатионе и родственных системах эффект повыша-
ется более, чем в три раза (см. в табл. 42 для глутатиона отноше-
ния Gjl0,7 : 3,5=3,06), благодаря возможности цепной реакции
с участием органических радикалов:
Н + О2-»НО2
RSH + НО2 RS' + Н2О2 (41)
RS" + RSH -► RSSR + Н
Предельная величина кислородного эффекта может быть получе-
на лишь при достаточном количестве субстрата. При малом содержа-
нии субстрата он может быть полностью окислен уже в вакууме
под действием ОН и Н2О2, и тогда кажущийся прирост действия
в присутствии кислорода окажется небольшим.
Не менее важное значение имеет доза излучений и природа
излучений. Величина кислородного эффекта зависит от отношения
концентрации субстрата к дозе облучения (Павловская и Пасын-
ский, 1960). При действии’ плотно-ионизирующих излучений кис-
лородный эффект не имеет существенного значения, вследствие
высокой локальной концентрации ОН-радикалов в треке частицы,
которая значительно превышает возможную концентрацию суб-
страта. Кроме того, благодаря рекомбинации ОН-радикалов по
уравнению (29) непосредственно в треке появляются Н2О2 и кис-
лород: Н2О2^Н2О+1/2О2, что уменьшает значение добавления
молекулярного кислорода. Примерно кислородный эффект наблю-
дается при излучениях с ЛПЭ около 30—40 эв на 1 мк пути и от-
сутствует при ЛПЭ>3000 эв/мк.
При облучении субстратов (белков, нуклеиновых кислот и
др.) в твердом состоянии кислородный эффект также наблюдается,
но в этом случае он объясняется уже действием не НО2, а других
факторов.
По Александеру, кислородный эффект при прямом действии
излучений может объясняться образованием перекисных ради-
калов в местах разрыва цепей: R+O2->ROO’ или деструктивным
влиянием молекулярных ионов кислорода О2" (см. ур. 25). Возмож-
но, что молекулы кислорода в своем основном или возбужденном
состоянии (О2 и О2*) влияют на перенос электронов к местам пер-
вичного радиационного повреждения в макромолекулах биопо-
лимеров; благодаря своему большому сродству к электронам (для
О2~1,45 эв), они могут перехватывать свободные электроны и
этим препятствовать ослаблению первичного повреждения. Кроме
396
того, ионы О2" и возбужденные молекулы О2* могут влиять на
распределение водородных связей в белках и нуклеиновых кисло-
тах (Павловская и Пасынский, 1960).
Обычно для проявления кислородного эффекта необходимо
присутствие кислорода в системе во время облучения. Однако
Эйдус с сотрудниками (1958) при изучении радиационной инакти-
вации миозина в растворах и пепсина нашли явление кислородного
последействия. По их данным, облучение фермента в анаэробных
условиях не приводит сразу к его инактивации, а создает в фермен-
те длительно измененные состояния, которые могут реагировать с
кислородом, добавленным через несколько часов или даже суток
после облучения; после этой реакции с кислородом фермент сразу те-
ряет активность. По-видимому, взаимодействие кислорода и бел-
ковой молекулы требует преодоления некоторого активационного
барьера, которое достигается путем радиационного возбуждения
обоих компонентов или, в некоторых случаях, толька макромо-
лекул (тогда возможно кислородное последействие).
При изучении спектров ЭПР облученных сухих белков и семян
растений было найдено, что в некоторых случаях сигналы ЭПР
могут изменяться или даже исчезать под действием молекулярного
кислорода, а в других случаях они сохраняются и в аэробных
условиях. В чистых аминокислотах кислород не влияет на спектры
ЭПР гликокола и аланина, но подавляет спектры серусодержаших
соединений. Кислород не изменяет также сигналы ЭПР нуклеи-
новых кислот; это объясняется тем, что кислород не влияет на
неспаренные электроны, задержанные в кольцах азотистых нуклео-
тидных оснований.
Химически роль кислорода в радиационном поражении тесно
связана с образованием перекисей и гидроперекисей при облуче-
нии белков, нуклеиновых кислот и липидов. В некоторых случаях,
когда инактивация вызывается Н-атомами (например, по данным
Альпер, при инактивации бактериального вируса — фага), влия-
ние кислорода, блокирующего Н-атомы в реакции (24), может
заключаться не в усилении, а в ослаблении эффекта лучевого воз-
действия, но эти случаи редки.
Влияние pH. Модифицирующее действие кислорода и рн тесно
связано друг с другом. Эффект pH главным образом сводится
к изменению распределения промежуточных активных радикаль-
ных продуктов Н и ОН, возникающих в результате первичной
ионизации (22). С изменением pH изменяется ионизация радика-
лов НО2 и ОН, а также реакционная способность радикалов,
обладающих восстановительными свойствами. В кислой среде
преобладают Н радикалы (образующиеся в реакции е"а? + Н+—
—Н), тогда как в нейтральной и щелочной средах — е~ад. Меняет-
ся также реакционная способность ионизированных состояний
растворенных веществ (Баксендел, 1966).
Влияние температуры. Эффект воздействия радиации мало за-
397
Рис. 84. Кислородное и теп-
ловое по следействие при облу-
чении раствора миозина (по
Эйду су):
по оси абсцисс — температура,
по оси ординат — относительная
активность фермента в процентах;
а — начальное состояние, в —
инактивированное состояние, аб
и ев — тепловое последействие,
аг и бв — кислородное последей-
ствие
висит от температуры в момент облучения, но сильно зависит от
последующей тепловой обработки. Изменения, вызванные облуче- -
нием при низких температурах, могут сохраняться длительное
время, но затем усиливаться уже при небольшом нагревании (теп-
ловое последействие). В облученном пепсине активационный барьер
теплового последействия составляет 42 ккал/моль (Эйдус). Общая
картина теплового последействия
оказывается аналогичной кисло-
родному последействию, но, по-
видимому, оба эффекта связаны
с различными центрами в мак-
ромолекуле. В опытах Эйдуса и
Ганасси (1959) была показана воз-
можность перехода от начального
облучения в анаэробных условиях
(рис. 84) к одному и тому же
инактивированному состоянию,
сочетая различными путями (см.
рис. 84, пути «абв» и «аге») не-
зависимо тепловое и кислородное
последействие.
Нагревание, производимое по-
сле облучения, снижает интен-
сивность сигналов ЭПР, т. е.
уменьшает количество неспаренных
электронов, перенос которых к
вакантным местам, по-видимому,
облегчается при небольшом наг-
ревании образца (в ДНК, по
данным Александера, сигнал ЭПР
ослабляется примерно вдвое).
Напротив, тепловая денатурация
белков и нуклеиновых кислот
(связанная с нагреванием до 60—100° С) перед облучением значи-
тельно — более, чем в 100 раз, — усиливает интенсивность сигна-
лов ЭПР после облучения, так как нарушение нативной струк-
туры этих веществ затрудняет перенос электронов (Блюменфельд и
Кал мансон).
В тканях организмов влияние температуры зависит от ряда
других причин, воздействуя на активность ферментов и скорость
диффузионных переносов веществ.
Влияние влаги. Действие влаги зависит от ее содержания в
облучаемом образце. При содержании воды в белках или семенах
ниже 10—12% вода находится в связанном состоянии, образуя
неполные гидратные монослои вокруг макромолекул. Радиацион-
ное разложение молекулы в гидратном слое имеет такие же послед-
ствия как прямое поражение самой макромолекулы. Первичное
398
образование радикалов не зависит от влажности, но по мере повы-
шения содержания воды от совершенно сухого состояния до 10—
12% рекомбинация радикалов облегчается, и в этих пределах
влага не усиливает, а ослабляет действие облучения, соответствен-
но, ослабляется интенсивность сигналов ЭПР (Эренберг).
Проявление описанного выше кислородного или теплового
последействия имеет место лишь в присутствии некоторого коли-
чества влаги. При содержании воды выше 15—20% все большая
часть воды остается в свободном состоянии и образующиеся в ней
свободные радикалы усиливают воздействие излучений на орга-
нические вещества (косвенное действие излучений).
Защитный эффект. Изучение защитного эффекта при действии
ионизирующих излучений имеет чрезвычайно большое теорети-
ческое и практическое значение и поэтому данному вопросу по-
священа обширная литература.
Защитное действие почти всегда осуществляется путем добав-
ления к системе различных веществ. В соответствии с тем, что
основными агентами при действии излучений являются продукты
радиолиза воды, органические радикалы и возбужденные молеку-
лы, защитными веществами могут служить вещества: 1) способные
конкурировать за свободные радикалы воды, 2) ингибиторы орга-
нических радикалов и 3) дезактиваторы возбужденного состояния
(например, путем образования комплексов). Кроме того, в связи
с кислородным эффектом многие защитные вещества являются
антиокислителями.
Таким образом, защитным действием могут обладать вещества
разнообразной химической природы. В анаэробных условиях, в
вакууме и при действии плотноионизирующих излучений (нейт-
ронов, а-частиц) защитное действие обычно гораздо слабее или
даже отсутствует. В дальнейшем мы не будем касаться веществ,
защитное действие которых обусловлено чисто физиологическими
факторами (антибиотики, гормоны, нейротропные вещества, эстро-
генные вещества, средства усиления кроветворения, ослабление
интенсивности метаболизма и др.).
Ввиду того что продукты радиолиза воды могут взаимодейст-
вовать со всеми растворенными веществами, между этими вещест-
вами существует конкуренция за свободные радикалы воды. Это
распределение радикалов воды приводит к ослаблению действия
излучений на любой из компонентов сложного раствора, по сравне-
нию с его изменением в чистом водном растворе одного данного
вещества (Дэйл, Ли и др.). Если число измененных в результате
действия радиации молекул данного вещества А при отсутствии
защитного вещества В составляет Si, а в присутствии защитного
вещества S2, то, согласно формуле Ли (1946):
Sx___ св гв Рв
S2 са гА Ра
(42)
399
где Са и св — молярные концентрации обоих веществ, гд и zB —
рассчитываемое по кинетической теории число соударений в 1 сек
между радикалами и молекулами А и В при с=1; рА и рв— коэф-
фициенты эффективности реакции с радикалами.
Таким образом, защитное действие этого рода зависит от ста-
тистического распределения активных радикалов между компо-
нентами раствора в соответствии с их молярными концентрациями
(этот статистический или концентрационный фактор выражается
в уравнении (42) членом Сд2в ) и от специфической чувствитель-
СД гл р
ности этих веществ к радикалам (химический фактор — ). Защит-
Ра s
ное действие удобно характеризовать коэффициентом k=\—
так как при отсутствии защитного действия (когда St=Sz) k=0, а
при полной защите (S2=0) k=l. К защитным веществам, действие
которых в той или иной мере связано с конкурентным механизмом
по уравнению (42), относятся многие низкомолекулярные раство-
римые вещества. Среди них выделяются сульфгидрильные амино-
/ЫН2
кислоты и другие соединения: цистеин HS—СН2—CH\^qqq^
глютатион, цистеамин HS—СН2—СН2—NH2, цистинамин
S—СН2 — сн2 — NH2
S—СН2 — СН2 — NH2 и др.
Последние два вещества, как было выяснено Баком, обладают
значительным защитным действием не только в отношении раство-
ров биополимеров, но и живых организмов, при условии, однако,
введения в организм за 15—20 мин рр облучения (при введении
по<?ле облучения перечисленные вещества не действуют).
Эффективность защитного действия сульфгидрильных соедине-
ний RSH, по-видимому, тесно связана с удельным весом ионного
состояния RS~ ... Н+, в котором SH-группы обладают более высо-
кой скоростью окисления. Сульфгидрильные соединения являются
одновременно и антиокислителями. Другими защитными вещест-
вами антиокислительного действия являются некоторые амины,
цианиды, азиды, нитрилы, окись углерода, сложные эфиры, амино-
этилизотиуроний (АЭТ) и др. Понижение содержания кислорода
(создание гипоксических условий) в организме обычно также ока-
зывает защитное влияние.
Ингибирование органических радикалов и дезактивация воз-
бужденных молекул полимеров как факторы защитного действия
проявляются при прямом действии излучений. Было показано, что
для разрыва одной связи в молекуле полиметилметакрилата в чис-
том полимере требуется суммарно 61 эв, а при введении в твердый
полимер 10% диметилтолилтиомочевины, анилина или аллилтио-
400
мочевины, на разрыв одной связи надо затратить, соответственно,
227 , 152 и 143 эв (Александер и Чарлсби). Защитное действие
серусодержащих соединений в этом случае может объясняться
переносом электрона от серы к месту радиационного поражения,
а анилина — распределением электронного возбуждения в арома-
тическом кольце; добавление парафинов, как и следовало ожидать,
не оказывало защитного действия. При образовании комплекса
актина с миозином глубина радиационной инактивации миозина
понижалась по сравнению с чистым миозином, причем эффект
защиты возрастал по мере увеличения степени комплексообразо-
вания (Эйду с).
Механизм защитного действия путем комплексообразования,
по-видимому, объясняется распределением поглощенной энергии из-
лучений по большему числу степеней свободы в комплексе. На основе
ингибирования органических радикалов и дезактивации длительно
возбужденных молекул полимеров возможно, по-видимому, за-
щитное действие и после облучения.
При высоких концентрациях защитных веществ их действие
ослабляется, так как образование заметных количеств новых ор-
ганических радикалов из молекул защитных веществ может при-
водить к ряду вторичных реакций.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ НАРУШЕНИЙ БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Биохимические нарушения в организме начинаются сейчас же
вслед за первичными радиационно-химическими реакциями, при-
мерно через 10“8 сек после облучения; в дальнейшем они развива-
ются одновременно и тесно переплетаются между собою.
Все рассмотренные до сих пор первичные радиационно-химиче-
ские реакции и модифицирующие факторы относились к действию
излучений на биохимически важные вещества вне организма.
В этом случае молекулярная природа изменений, предшествующих
биохимическим нарушениям и их связь с параметрами действую-
щих излучений является наиболее отчетливой. Несомненно, что
изучение молекулярных изменений в белках, нуклеиновых кисло-
тах и других веществах, извлеченных из облученного организма,
также имеет большое значение, но эти изменения отражают не
только непосредственное действие излучений, но и вторичное^
проходящее через много промежуточных стадий, влияние различ-
ных физиологических факторов. Между тем, именно переход от
первичных радиационных физических и химических процессов к
нарушениям биохимических и физиологических процессов имеет
фундаментальное значение для теории биологического действия
радиации.
Наличие сложных внутриклеточных структур, участие раз-
личных ферментных систем, взаимодействие разнообразных ве-
ществ, возможность биологической регенерации радиационных
14 Заказ № 531
401
повреждений и многие другие факторы создают качественные осо-
бенности в действии излучений на живую клетку по сравнению с
их действием на изолированные вещества клетки. Выяснение роли
этих качественных отличий необходимо для понимания механизма
биологического действия излучений.
Как уже указывалось, ионизирующие излучения могут вызы-
вать гибель организма при сравнительно небольшой дозе излуче-
ния. Для большинства млекопитающих смертельной, или леталь-
ной, дозой ЛДы (при которой в течение 30 дней погибает 50%
облученных животных) является доза ниже 1000 р или менее 10б
эрг/г. Это количество поглощенной энергии (учитывая, что 1 эрг=
= 2,4* Ю-8 кал) не превышает 2,4-10~3 кал, т. е. по тепловому экви-
Рис. 85. Дозовые кривые. А — экспоненциальная кривая; Б — кри-
вая А в полулогарифмическом масштабе; В — дозовая кривая для
многоударных объектов; Г — кривая В в полулогарифмическом масштабе
по оси абсцисс — доза облучения в кр, по оси ординат — процент инактивации;
для одноударных t объектов (АБ) и для многоударных объектов (ВГ)
валенту соответствует повышению температуры всего на 0,002° С.
Правда, надо учитывать, что эта энергия не распределена равно-
мерно по всему объему, а локализована в очагах ионизации, зани-
мающих суммарно небольшую часть объема и возникающих всего
за 10"14 сек. Тогда поглощенная энергия излучений будет соответ-
ствовать высокому локальному повышению температуры. Тем не
менее, из всего сказанного выше следует, что действие излучений
402
нельзя сводить к местным перегревам, как предполагал в одной
из первых теорий радиобиологического действия Дессауэр (1922).
Основное значение при поглощении и переносе энергии излуче-
ний имеет образование большого количества химически измененных
молекул, которое при дозе около 1000 р хотя и составляет лишь
ничтожную долю от содержащихся в клетке молекул (порядка
10"5%), все же по абсолютной величине достигает нескольких
тысяч молекул. Однако даже из этого небольшого количества из-
мененных молекул существенное значение для радиационного по-
ражения клетки имеет лишь самая незначительная часть — бук-
вально несколько считанных молекул. Этот важный вывод следует
из изучения зависимости эффективности действия излучений (на-
пример, инактивации фермента или фага, гибели клетки и др.) от
дозы облучения, выражающейся в форме так называемых дозовых
кривых (рис. 85), которые необходимо поэтому рассмотреть более
подробно.
Распределение ионизаций в клетке или облучаемом веществе
имеет статистический характер. Поэтому вероятность Pk возник-
новения k ионизаций в некотором объеме V (при среднем числе п
ионизаций в единице объема) выражается формулой статистиче-
ского распределения случайных независимых событий Пуассона:
= (43)
где k — целое число (1, 2, 3, ...). Если для поражения необходимо,
чтобы в объеме V возникло не менее k ионизаций или других цент-
ров поглощенной энергии, то все объекты, в которых возникнет
меньшее число ионизаций (k—1, k—2, ...) останутся неповреж-
денными. Объем V называется чувствительным объемом или ми-
шенью (Кроутер, 1924; Тимофеев-Ресовский, 1947; Ли, 1946); этот
объем может совпадать или не совпадать с общим объемом объекта
(молекулы фермента, вируса, бактериальной клетки).
Если k=\, то неповрежденными или выжившими останутся
только те объекты, в которых не возникнет ни одного центра
поглощенной энергии, т. е. объекты, не получившие попадания
ионизирующей частицы; их вероятность Ро будет равна:
0! е
(44>
При k=2 останутся неповрежденными объекты, в которых
возникло не более одного центра поглощенной энергии, т. е. вовсе
не получившие или получившие лишь одно попадание ионизирую-
щей частицы; их вероятность будет равна сумме Pq-\-P^
e“'7V+(nV)e“nV =e““nV(l + nV). - (45)
14*
403
Аналогичные рассуждения можно повторить для k=3, 4 ... т.
Объекты, которые поражаются при k=l, называются одноударны-
ми, при k=2 — двухударными и т. д. Число таких объектов равно
произведению вероятностей Р* на общее число объектов So, соот-
ветственно, число выживших объектов будет равно произведению
So на Pk-\. По аналогии с уравнением (44—45) можно определить
общее число выживших объектов:
о _ с Г, < nV -4- W 4. (nV)S -L -U 1 MRA
S —Soe p+nV+-2i r ~3T~ +•••+ "(m—j )’f I ’ <46>
ИЛИ
k=tn— 1
V (47)
A=0
Первый член в уравнении (46) определяет число выживших
одноударных объектов, у которых в объеме V совсем не произошло
ионизаций:
S = Soe-"1'. (48)
Так как п — среднее число ионизаций в единице объема, про-
порционально дозе облучения D, то уравнение (48) можно заменить
следующим:
S = Soe~ftW. (49)
Из уравнения (49) следует, что дозовая кривая, представляю-
щая зависимость относительного количества выживших объектов
е
-у-от дозы D, будет выражаться для одноударных объектов прос-
той экспоненциальной кривой (см. рис. 85, А), которая в полуло-
гарифмическом масштабе имеет вид прямой линии (см. рис. 85, Б): (
/ s \ i
1п(4-1 = — kDV. (50) :
\ <>° / :
Если в уравнении (46) для многоударных объектов взять, соот-
ветственно, для k—2 — два члена (как в ур. 45), для k=3— три
члена и т. д., то форма дозовой кривой будет все более отклоняться
от экспоненциальной и приближаться к S-образной (см. рис. 85, В);
в полулогарифмическом масштабе она будет все более отклоняться
от прямолинейной (см. рис. 85, Г).
При облучении различных объектов — белков, ферментов, ви-
русов, бактериальных клеток и др. — на обширном эксперимент i
тальном материале было показано, что во многих случаях форма •
дозовых кривых соответствует одноударной природе этих объектов :
(рис. 86). Этот важный результат означает, что для радиационного
поражения даже таких крупных объектов, как частица вируса
404
или бактериальная клетка, во многих случаях достаточно одной
ионизации или одного акта поглощения эквивалентного количест-
ва энергии в чувствительном объеме V.
Величину объема V для одноударных объектов можно вычислить
на основании уравнения (50):
1п4
V ~~kD~ ‘ <51>
Если на дозовой кривой (см. рис. 85, Я) взять точку, в которой
относительное количество выживших особей составляет 37% от
исходной (соответствующая
доза D з, называется 37-
процентной дозой), то при
=0,37 по уравнению (49)
член &~kDV также равен 0,37;
так как е-1=—=0,37, то от-
е
сюда следует, что при 37-про-
центной дозе kDV=\ или
Существенно отметить, что
для большого количества раз-
нообразных белков, фермен-
тов, гормонов, фагов— вели-
чина V, вычисленная по
уравнению (51) или (52),
оказалась в хорошем согла-
сии с данными, определен-
ными прямыми методами из-
Рис. 86. Дозовые кривые при рент-
геновском облучении. I — яйца дрозо-
филлы; II — дрожжевые клетки; III
— сперма дрозофиллы; IV — бактерии
(Colon, bac.), V — мутанты дрозофилл;
VI —вирус табачной мозаики;
по оси абсцисс — доза в р, по оси орди-
нат — процент выживания
мерения молекулярных весов
(Ли, Поллард, и др.).
Из рис. 87, дающего обоб-
щенное выражение этих дан-
ных видно, что между зна-
чениями молекулярных ве-
сов, измеренными прямыми
методами и определенными
путем радиационной инактива-
ции, существует хорошая линейная корреляция в интервале не-
скольких порядков величин. На рис. 88 приведен график Ли,
позволяющий легко определить молекулярный вес вещества мето-
дом радиационной инактивации по величине 37-процентной дозы
для различных видов излучений.
405
Таблица 43
Сравнение экспериментальных и вычисленных 37%-ных доз
различных излучений для трипсина (по Хатчинсону, 1960)
Вид излучения ЛПЭ эв/100А 37%-ные дозы
эксперим- вычисл.
Гамма-лучи Со60 2,7 36 млн. рад 32,2 млн. рад
Дейтроны 4 мгэв 230 15-1012 ион!см* 14- 10й ион/сл?
С-ионы 120 мгэв 2200 2,6-1012 » 2,7-1012 »
О-ионы 160 мгэв 3900 1,6-1012 » 1,75-Ю12 »
Из табл. 43 видно, с какой точностью можно этим путем рас-
считать 37-процентные дозы для различных излучений, отличаю-
щихся более, чем в 1000 раз по величине линейной потери энергии
ЛПЭ при облучении данного объекта (на примере трипсина с М =
= 22400 и радиусом молекулы 19 А)-
Наряду с рис. 87, данные табл. 43 являются количественным
доказательством обоснованности приведенных выше расчетов.
Рис. 87. Равенство молекулярных весов, определенных ра-
диационным методом (ось ординат) и прямыми физико-хи-
мическими методами (ось абсцисс) для ряда белков и дру-
гих биологически активных веществ (по Хатчинсону)
406
Статистическая теория по существу характеризует величину
объема, в пределах которого поглощенная в любом месте этого
объема энергия излучений может передаваться к центру реакции,
например, к центру ферментативной активности. Совпадение этого
объема с^размерами макромолекул показывает, что осуществление
переноса поглощенной энергии излучений может происходить в
пределах всей макромолекулы. Поскольку такое совпадение на-
блюдалось даже для частиц вирусов с диаметром около 200 А,
следует заключить, что в возбужденных молекулах белков и нук-
Рис. 88. Соотношение между 37%-ной дозой и
молекулярным весом: для различных видов излу-
чений (по Ли):
по оси абсцисс 37%-ная доза, по оси ординат — молекуляр-
ный вес
леопротеидов перенос энергии может происходить на расстояния,
сравнимые с этой величиной.
Измерения размеров биологически активных молекул на основа-
нии статистической теории радиационной инактивации можно про-
изводить не только на чистых веществах, но также на неочищенных
препаратах, поскольку измеряется биологически специфичное
свойство (например, определенная ферментативная активность).
Последнее обстоятельство имеет особое значение, так как биологи-
чески активные вещества иногда трудно получить в высокоочищен-
ном или кристаллическом состоянии, необходимом для определе-
ния их размеров обычными методами. Кроме того, комбинируя
облучение протонами или дейтронами с облучением электронами,
407
можно подойти к определению не только размеров, но и формы
излучаемых молекул (Поллард).
Необходимо отметить, однако, что статистическая теория (тео-
рия мишеней) позволяет рассчитать размеры инактивируемого
объема при различных условиях облучения, не определяя физико-
химической природы этого объема. Поэтому вычисляемые объемы
не следует индентифицировать с определенными внутриклеточны-
ми структурами, что иногда встречается в литературе. В рамках
одной статистической теории такое отождествление является не-
обоснованным. Кроме того, теория не учитывает влияния различ-
ных физико-химических и физиологических факторов, сильно мо-
дифицирующих радиационную чувствительность объектов. Однако,
не придавая статистической теории чрезмерно широкого зна-
чения, важно отметить основной результат, что первично инакти-
вируемые при действии радиации объемы, определяющие инак-
тивацию объекта (в том числе бактериальных клеток), во многих
случаях ограничены молекулярными размерами, порядка всего
одной или нескольких макромолекул.
Таким образом, мы приходим к двум основным положениям:
1)' при действии летальной дозы на клетку в ней возникает несколь-
ко тысяч различных химически и структурно измененных молекул,
составляющих ничтожную долю общего количества молекул в
клетке; 2) летальное' поражение клетки определяется, лишь не-
сколькими молекулами из этих тысяч измененных молекул. Отсюда
возникает основной для радиобиологии вопрос — почему по-
вреждение всего нескольких участков клетки молекулярных раз-
меров может приводить к гибели клетки, тогда как повреждение
сотен других или таких же молекул в клетке может не оказывать
летального действия? Каков может быть механизм «биологического
усиления», приводящий от повреждения нескольких молекул в
клетке к таким нарушениям биохимических процессов, которые
могут привести к поражению и даже гибели клетки?
Этот механизм еще недостаточно выяснен, но существующие в
настоящее время представления придают решающее значение сле-
дующим основным факторам: 1) повреждению хромосом, 2) нару-
шению цепей ферментных реакций, 3) развитию некоторых цеп-
ных реакций и 4) повреждению внутриклеточных структур и
мембран.
Радиационные повреждения хромосом. При действии излучений
в хромосомах могут происходить разнообразные химические ре-
акции, указанные выше для нуклеиновых кислот и нуклеопротеи-
дов. В хромосомах они приводят к разрывам, перестройке, появ-
лению склеивания или замедлению расхождения при митозе и
другим нарушениям. Благодаря тому, что хромосомы являются
уникальными структурами клетки, их повреждение, даже при мо-
лекулярных размерах инактивируемого объема, действительно
может привести к гибели после одного или нескольких делений.
408
Повреждение хромосом объясняет также генетические последствия
радиации. Эффект «усиления» радиационного деления при повреж-
дении хромосом определяется, таким образом, механизмом биоло-
гической репродукции (Ли, Тимофеев-Ресовский, Дубинин и др.).
В повреждении хромосом преимущественное значение имеет
прямое действие радиации (по сравнению с косвенным), но реа-
лизация этого повреждения сильно зависит от метаболической
активности клеток. Процессы биосинтеза ДНК могут способство-
вать восстановлению повреждения.
Между тем к числу ранних нарушений биохимических процес-
сов при облучении как раз относится нарушение биосинтеза ДНК,
выход нуклеотидов (структурных элементов ДНК) и Кононов
из ядра в цитоплазму и др. Хромосомные повреждения наблюдаются
лишь спустя довольно значительное время после облучения, а в
процессе митоза фаза максимального биосинтеза ДНК и макси-
мальной радиочувствительности клеток не всегда совпадают между
собой; кроме того, разрывы хромосом зависят от наличия кисло-
рода в среде и физиологического состояния клетки. Несомненно,
что повреждения хромосом, если они уже произошли, имеют самое
существенное значение для развития радиобиологического пора-
жения, однако, как указывают Бак и Александер (1955) при всей
важности этого фактора, возможно, что он не является первичным.
Нарушения цепей ферментных реакций. В многоступенчатых
ферментативных процессах небольшое повреждение молекул фер-
ментов или субстратов в каждом звене превращений может при-
водить к значительным эффектам на конечных стадиях реакций.
В цепи из п звеньев, инактивация фермента в^каждом звене, поло-
жим на 5%, приведет к уменьшению выхода конечного продукта
на [1—(0,95)п] или при п=10, на 40%. Окада и Флетчер (1959)
показали это на модельной двуступенчатой системе окисления
фруктозы до 1,3-дифосфоглицериновой кислоты. Таким образом,
механизм «усиления» в данном случае определяется наличием в
организме цепей ферментных реакций. Однако радиационная
инактивация ферментов в клетке резко ослаблена по сравнению
с чистыми водными растворами ферментов, ввиду наличия большого
количества защитных веществ; поэтому реальное значение этого
фактора при сублетальных дозах облучения остается неясным.
Кроме того, при данном механизме основное значение имеет инак-
тивация многих молекул ферментов в ряде звеньев процесса, что
не согласуется с исходным положением о значении первичного
поражения в клетке всего нескольких молекул.
Развитие цепных реакций. Окисление липидов во многих слу-
чаях происходит по механизму разветвленной цепной реакции,
в частности окисление облученных липидов вне организма может
происходить с величиной G—300. Таким образом, механизм «уси-
ления» в данном случае определяется развитием цепной реакции.
Значение этих процессов усиливается тем, что продукты окисления
409
ненасыщенных жирных кислот обладают гемолитическими и ток-
сическими свойствами. Кроме того/ ввиду большого значения
липопротеидов в различных внутриклеточных структурах, окисле-
ние липидов может привести к значительному повреждению этих
структур и развитию вторичных процессов автолитического рас-
пада (Тарусов).
Однако для достаточного развития разветвленной цепной реак-
ции в любой среде необходимо наличие достаточно большой сплош-
ной массы. Для каждого объекта, начиная от газовых смесей^и
кончая процессами в атомном реакторе, существует «критическая
масса», ниже которой не может быть достигнут необходимый коэф-
фициент размножения или «усиления» реакции. Соответствие ус-
ловий распределения липидов в организме (в двухмерных слоях
биологических мембран или в каплях жировых включений) «кри-
тической массе» и ее величина для липидов в трехмерном и двух-
мерном состоянии остаются неясными.
Наличие цепной реакции окисления липидов в облученном жи-
вом организме не является строго доказанным (в частности,* Кузин
и Коломийцева не обнаружили увеличения количества липидных
перекисей в тканях облученного животного при дозе 1000 р). Было
показано, что даже при наличии накопления липидных перекисей
оно может быть результатом не цепной реакции, а действия фермен-
тативных окислительных систем, активирующихся при облучении
организма (Кузин, 1958; Будницкая и Борисова, 1958). Наконец,
по данным Полларда (1960), биохимические изменения в липидах,
развиваются позднее, чем в других веществах — нуклеиновых
кислотах или белках.
Повреждение внутриклеточных структур и мембран. При радиа-
ционном повреждении ядерной мембраны, цитоплазматических
внутренних поверхностей раздела или митохондриальных мембран
(описанных в гл. 5) деструкция нескольких молекул в бимолеку-
лярных слоях может значительно изменить их проницаемость и усло-
вия взаимодействия ферментов и субстратов (Бак и Александер,
1955; Пасынский, 1957). Этот механизм усиления первичного радиа-
ционного повреждения тесно связан с теорией открытых систем,
придающей важное значение роли констант переноса веществ
в стационарном состоянии системы. С этой точки зрения, решающее
значение некоторых поврежденных молекул в клетке определяется
не какими-либо уникальными особенностями строения, а их учас-
тием в цитоплазматических поверхностях раздела или в ядерной
мембране. Напротив, повреждение многих молекул в глубине
объема клетки может не иметь существенного значения.
Огромная роль различных поверхностей раздела и мембран в
регулировании жизнедеятельности клетки была подробно рассмот-
рена в ряде разделов четвертой и пятой глав и значение их повреж-
дения является достаточно очевидным.
Согласно наглядному примеру, приводимому Александером, су-
410
шествуют два способа, которыми можно нарушить нормальную
работу предприятия: можно вывести из строя некоторые машины
или же, не портя машин, нарушить внутреннюю организацию
производственного процесса.
В модельных опытах и при изучении действия излучений на
окислительные ферментативные процессы в листьях растений было
показано, что для радиобиологического действия основное значе-
ние имеет не прямая инактивация ферментов, а изменение условий
их взаимодействия с субстратами в результате радиационного по-
вреждения внутренней структурной организации клеток (Пасын-
ский, 1961). В итоге происходит ускорение ферментативной реак-
ции или «активация» ряда ферментных систем, которая является
одним из наиболее характерных ранних проявлений биологиче-
ского действия радиации.
При очень малых дозах (примерно, от долей рентгена до 20 р)
эта активация может приводить к явлениям стимуляции, но, как
правило, при более высоких дозах несбалансированная активация
ряда ферментных систем лишь нарушает всю нормальную коорди-
нацию и последовательность биохимических процессов, что усу-
губляется различной радиационной чувствительностью разных
ферментных систем; стадия активации всегда сменяется последую-
щим угнетением процесса. Эти нарушения постепенно охватывают
все виды обмена веществ — нуклеиновый, белковый, углеводный,
липидный и др.
Нарушения обмена веществ. В рамках настоящей книги необ-
ходимо ограничиться лишь перечислением некоторых основных
видов нарушений обмена веществ, развивающихся в большинстве
случаев спустя несколько часов или дней после облучения.
Особо чувствительным к действию излучений является нуклеи-
новый обмен, и его нарушения развиваются наиболее быстро.
Нарушается биосинтез нуклеиновых кислот, обмен фосфорных
остатков, изменяется нуклеиотидный состав кислот, происходит
деполимеризация ДНК и нуклеопротеидов, увеличивается содер-
жание свободных нуклеотидов, наблюдается активация ферментов-
нуклеаз. Эти изменения весьма значительны, в частности, в кост-
ном мозгу и селезенке.
В белковом обмене наблюдаются усиление распада белков, по-
давление синтеза белка, изменение скорости включения различ-
ных аминокислот, ослабляется образование антител (важного фак-
тора иммунитета), изменяются антигенные свойства белков. В сы-
воротке крови облучение приводит к уменьшению содержания
альбумина и повышению содержания глобулиновых фрак-
ций.
В обмене липидов и фосфолипидов усиливается ферментативное
образование перекисей ненасыщенных жирных кислот, изменяется
соотношение различных жирных кислот в синтезируемых орга-
низмом липидах, снижается содержание холина в крови и тканях.
411
При облучении дрожжей наблюдается усиление биосинтеза сте-
ринов и липидов.
Углеводный обмен, гликолиз и дыхание являются сравнительно
устойчивыми к действию излучений, но весьма чувствительным
процессом является окислительное фосфорилирование, которое
может подавляться даже при дозе 100 р. Угнетение окислительного
фосфорилирования часто сопровождается активацией фермента аде-
нозинтрифосфатазы, содержащейся в митохондриях, и, по-видимо-
му, как и в некоторых других случаях разобщения дыхания и
фосфорилирования, является результатом повреждения митохонд-
риальных мембран (стр. 246).
Угнетение всех перечисленных видов обмена, как указывалось,
происходит неравномерно, и часто проходит через промежуточную
стадию активации. Нарушения процессов обмена веществ в облу-
ченном организме составляют биохимическую основу лучевого по-
ражения. Они необычайно разнообразны, особенно при учете
различного течения этих процессов в ядре и цитоплазме, в клетках
различных тканей, разной степени специализации и дифференци-
ровки, различного физиологического состояния, различной ста-
дии развития и др.
В многоклеточном организме картина еще более усложняется,
так как развитие лучевого поражения в нем уже является резуль-
татом не только локального радиационного поражения данной
группы молекул или клеток, но также следствием рефлекторных,
трофических и гуморальных влияний, обусловленных, с одной
стороны, действием искаженного метаболизма, и, с другой, — ком-
пенсаторными и репарационными реакциями организма. Совокуп-
ность этих процессов определяет развитие лучевого поражения
организма; подробное их рассмотрение содержится в специальных
руководствах по биохимии, патофизиологии и терапии лучевой
болезни.
ВЫВОДЫ
В метаболических процессах, основанных на свободной энер-
гии поглощаемых организмом питательных веществ, главным ис-
точником свободных радикалов являются одноэлектронные пере-
носы в реакциях биологического окисления. Изменения энергии
в этих метаболических процессах обычно составляют лишь доли
электрон-вольт и приводят к возмущению основных электронных
оболочек. Лишь в некоторых особых случаях биологическое окис-
ление приводит к возникновению возбужденных электронных со-
стояний молекул, с энергетическим уровнем 2—3 эв; эти явления
лежат в основе биолюминесценции, которая является частным слу-
чаем окислительной хемолюминесценции.
Два основных процесса приводят к возникновению в организме
высоких концентраций радикалов и сильно возбужденных молекул,
412
которые превышают на несколько порядков концентрации, создаю-
щиеся при обычных метаболических процессах — это явления,
связанные с поглощением квантов света и действием ионизирую-
щих излучений. Они сопровождаются целым рядом важных и свое-
образных процессов, изучение которых составляет задачу фото-
биологии и радиационной биологии.
При использовании энергии метаболических процессов основ-
ными формами переноса энергии в организме являются диффузион-
ный перенос макроэргических молекул и межмолекулярный перенос
электронов при биологическом окислении. При возникновении
возбужденных молекул большое значение приобретает резонанс-
ная передача энергии электронного возбуждения между моле-
кулами, находящимися на расстоянии менее 100 А и обладающих
перекрывающимися полосами поглощения и флуоресценции, в
результате образования системы связанных электронных осцил-
ляторов; критическое расстояние резонансной передачи энергии
возбуждения определяется уравнением (2). Возбужденные молеку-
лы обладают более высокой химической реакционной способностью
и легче образуют комплексы переноса заряда, с переносом одного
электрона и появлением парамагнетизма в результате нарушения
компенсации спинов. При действии излучений большой энергии
создается возможность перехода электронов в зоны проводимости
и появления электронной или дырочной полупроводниковой про-
водимости. Различные виды переноса между молекулами одного
или двух электронов, с их полной или частичной локализацией,
определяют основные типы химических и биохимических реакций.
Поглощение энергии квантов света и преобразованйе ее в хими-
ческую энергию лежит в основе фотосинтеза—важнейшего процесса
биосинтеза на Земле. Фотосинтез происходит в специальных био-
логических структурах ламеллярного типа — хлоропластах зе-
леных растений и хроматофорах бактерий; эти структуры состоят
из чередующихся белковых и липидных слоев, между которыми
расположены тонкие слои (4—5 А) хлорофилла. В липидном слое
хлоропластов, по-видимому, расположены каротиноиды и пласто-
хиноны, в белковом слое — гемпротеиды цитохромной группы.
Из поглощенной хлорофиллом энергии квантов света на фотохи-
мические реакции в листе затрачивается, примерно 60—70%, на
флуоресценцию — около 3% (в чистом водном растворе .30—35%),
на тепловое рассеяние и другое — около 25%.
Энергия, поглощаемая группой молекул хлорофилла, путем
резонансного переноса энергии или с участием зон проводимости
передается к центрам фотохимической реакции — цитохромам,
пластохинонам и др., содержание которых равно примерно 1 на
200—400 молекул хлорофилла (такое соотношение обеспечивает
непрерывное обеспечение энергией центра фотохимической реак-
ции).
При фотохимической реакции происходит отдача или получе-
413
ние электрона возбужденной молекулой хлорофилла, т. е. в хло-
рофилле происходят обратимые окислительно-восстановительные
превращения; особенно детально изучена реакция обратимого фо-
товосстановления хлорофилла. Благодаря расположению пласто-
хинонов и гем-протеидов по обе стороны пигментного слоя, реак-
ция возбужденного хлорофилла с ними (соответственно, с окис-
лением и восстановлением хлорофилла) приводит к пространствен-
ному разделению зарядов. Это обстоятельство приводит к своеоб-
разному фотоэлектролизу воды (с расходом двух квантов красного
света на 1 молекулу воды), в результате которого, с одной стороны.
Н+-ионы переходят в Н-атомы и образуются восстановленные
формы никотинамиддинуклеотидов (НАД-Н2 и НАДФ-Н2), а с дру-
гой стороны, ОН’-ионы воды разряжаются по уравнению (11) с
выделением молекулярного кислорода. Этот последний процесс
является источником всего свободного кислорода в атмосфере
Земли.
В процессе переноса электрона от ОН"-ионов через цитохромы
к возбужденному хлорофиллу происходит образование АТФ (фо-
тосинтетическое фосфорилирование). Образование НАДФ-Н2,
АТФ и молекулярного кислорода составляют основные фотохи-
мические реакции при фотосинтезе; общая схема этих реакций
представлена на стр. 366.
Фотохимическое образование НАДФ-Н2 и АТФ определяет
возможность ассимиляции СО2, которая происходит в темновой
стадии фотосинтеза и приводит к образованию триозофосфатов
и более сложных органических молекул (с промежуточным обра-
зованием рибулозодифосфата и фосфоглицериновой кислоты по
уравнению 15—17 в цикле Кальвина). На ассимиляцию одной
молекулы СО2 (или выделение одной молекулы О2) расходуется
8—12 квантов, т. е. квантовый выход фотосинтеза ^0,1. Эффек-
тивность фотосинтетического образования углеводов по отношению
к поглощенной световой энергии составляет 30—35%.
Ионизирующие излучения, благодаря мощности и универсаль- ,
ности своего действия на все вещества организма и отсутствию
у живых организмов эволюционной адаптации, вызывают лучевое
поражение различной силы; их биологическое действие приобре-
тает в настоящее время все возрастающее значение. Различные
ионизирующие излучения вызывают прохождение быстрых элект-
ронов и ядер отдачи через вещество, что сопровождается выбива-
нием вторичных электронов и возбуждением молекул; на возбужде-
ние затрачивается около половины * поглощенной энергии излу-
чений. Величины плотности ионизаций и линейной потери энер-
гии ЛПЭ для различных видов излучений приведены в табл. 38;
стандартной единицей, позволяющей сопоставлять действие раз-
личных излучений, является 1 рад.
В результате поглощения энергии излучений, непосредственно
в месте поглощения или в другом месте, в которое перенесена по-
414
глощенная энергия, происходят разнообразные первичные радиа-
ционно-химические реакции со всеми веществами организма. Боль-
шую роль играет образование продуктов радиолиза воды — сво-
бодных радикалов Н (переходящих в присутствии кислорода вНО2),
ОН, е\в и молекулярных продуктов их рекомбинаций (Н2, Н2О2
и др.). Продукты радиолиза воды обычно оказывают окислитель-
ное действие на растворенные вещества.
Радиационно-химические изменения растворенного вещества,
обусловленные непосредственно поглощенной энергией (в том числе,
в результате ее переноса), называются прямым действием радиации,
а обусловленные продуктами радиолиза воды и других раство-
ренных веществ — косвенным действием; экспериментальным
критерием различия обоих механизмов является эффект
разбавления.
Количество химически измененных молекул вещества на 100 эв
поглощенной энергии определяет радиационный выход G реакции.
В табл. 42 приведены значения G при облучении аминокислот,
углеводов, белков и ферментов, нуклеиновых кислот и других
соединений. Характерной особенностью действия излучений на
макромолекулы белков и нуклеиновых кислот по сравнению с ами-
нокислотами и нуклеотидами, является возможность компенсации
радиационного повреждения путем переноса энергии по возбуж-
денной при облучении макромолекуле. В связи с этим, интенсив-
ность сигналов ЭПР в облученных молекулах белков и нуклеино-
вых кислот на два-три порядка меньше.
Первичные радиационно-химические реакции могут значительно
изменяться под влиянием кислорода, pH, температуры, влаги и на-
личия других веществ (защитный эффект). Кислородный эффект
проявляется в усилении действия излучений благодаря образова-
нию НО2-радикалов, молекулярных ионов О2", возбужденных мо-
лекул О2* и перекисей ROO’. Защитное действие добавленных- ве-
ществ определяется конкуренцией за радикалы воды (ур. 42),
ингибированием свободных органических радикалов и дезактива-
цией возбужденных состояний. Все модифицирующие влияния
сильно зависят от, физиологических факторов.
Статистическая теория действия излучений (ур. 43—52) пока-
зывает, что первично инактивируемый объем при летальном пора-
жении клетки имеет лишь молекулярные , размеры, которые для
индивидуальных веществ могут быть определены в хорошем согла-
сии с другими методами (см. рис. 87). Механизм биологического
усиления первичного эффекта радиации может объясняться раз-
личными факторами, особенно влиянием повреждения хромосом
и повреждения внутриклеточных структур и мембран. Благодаря
процессам обмена веществ первичные радиационно-химические пов-
реждения небольшого числа молекул приводят к нарушениям
нормального метаболизма, лежащим в основе лучевого пора-
жения.
415
ЛИТЕРАТУРА
Александер П. Ядер ное излучение и жизнь. Атомиздат,. 1959.
Владимиров В. А. и Конев С. В. О возможности миграции
энергии в молекуле белка. «Биофизика», 1957, т. 2; 1959; т. 4.
Г и з е А. Физиология клетки. М., ИЛ, 1959.
Инграм Д. Электронный парамагнитный резонанс в свободных
радикалах. М., ИЛ, 1961.
И о ф ф е А. Ф. Физика полупроводников. М., АН СССР, 1957. х
Красновский А. А. Реакция обратимого фотохимического вос-
становления хлорофилла. «Успехи химии», 1960, т. 29.
Кребс Г. иКорнбергГ. Превращения энергии в живых системах.
М., ИЛ, 1959.
К у з и н А. М. Радиационная биохимия. М., АН СССР, 1962.
Пасынский А. Г. О роли радиационного повреждения внутрикле-
точных поверхностей раздела в биологическом действии ионизирующих
излучений. «Радиобиология», 1961, № 1.
«Проблемы фотосинтеза». М., АН СССР, 1959.
«Радиобиология». Сб. статей. М., ИЛ, 1955.
«Радиобиология». Итоги науки, сер. биол., т. 1. М., АН СССР, 1957.
Р и д С. Возбужденные электронные состояния в химии и биологии. М.,
ИЛ, 1960.
Сент-Дьердьи А. Введение в субмолекулярную биологию.
Тарусов Б. Н. Основы биологического действия радиоактивных
излучений. М., Медгиз, 1955.
Теренин А. Н. Фотохимия красителей. М., АН СССР, 1947. Пере-
нос и миграции энергии в биохимических процессах. «Успехи физич. 'наук»,
1951, т. 43; 1956, т. 58. .
«Фотосинтез». Труды симпозиума на Международном биохимич. кон-
грессе (Москва, 1961). М., АН СССР, 1962.
Anual Revue of Nuclear Science v. 13, 1965.
Back Z. a Alexander P. Fundamentals of Radiobiology. 2. Ed.
1961.
«Bioenergetics» Radiation Research, Supplement 2, 1960.
«Basic mechanisms in the radiation chemistry of aqueous media» Radia-
tion Research, Suplement 4, 1964.
Book of abstracts «Биохимия и биофизика фотосинтеза» Наука, 1965.
«Energy Transfer with special reference to biological systems» — Dis-
cussions of the Faraday Society, N 27, 1959.
Lea D. Action of Radiations on Living Cell. Cambridge, 1956.
3ed International Congress of Radiation Research; Contina D’Ampezzo, 1966.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абсолютные скорости реакции, теория
I 151—155, 163, 186—187
ц Автотрофные организмы 64
Адениловая (аденозинмонофосфор -
ная) кислота (АМФ) 41,
44, 55, 303, 373
Аденозиндифосфорная кислота
(АДФ) 41, 42, 44, 51, 242,
244, 245, 290, 294, 302, 303,
* 366
Аденозинтрифосфорная кислота
(АТФ) 41, 42, 44, 45, 46, 51,
55, 56, 63, 71, 208, 245, 293,
294, 333, 336
------------в биолюминесценции 373
------------в фотосинтезе 366, 367, 368
------------и нервное возбуждение 318,
t-----------319,327
-----------и сокращение мышц 290—294,
J-----------301—303,304—311
। -----образование при фосфорилиро-
вании 241—243
----отношение АТФ/АДФ при окис-
лении 243, 244, 246
j ----------свободная энергия гидролиза
' 42
-----электронная структура 42
Адреналин 321, 322
Аконитаза 133
Аксон 312—317, 327
Аксоплазма 314, 315,* 327
Активаторы ферментов 181—183
Активный комплекс 151—155, 175—
176, 185—188
Активный перенос 200—202, 208—209,
274—283
-----механизм 276—279
-----связь с обменом веществ 208,
282
----термодинамическая теория
276—277
Активный центр ферментов 137, 140,
146—151
-----ацетилхолинэстеразы 148, 150
Активный центр инвертазы 150
-----химотрипсина 149—150
Актин 290, 292, 293, 299
Актомиозин 292, 293
Аланин 196, 253
Алкогольдегидрогеназа 53, 139, 141
Альдолаза 50, 132, 139, 172, 284
Альтернативные пути реакций 89, 91
Амидазы 122
Амилазы 122, 139
у-аминомаслянная кислота 322
Аминопептидазы 121
Аминоферазы 123, 140
Анаэробные процессы 53, 54, 127, 233
Анаэробное фосфорилирование 241
«Ансамбли» ферментов в митохондри-
ях 266, 267, 279
Апираза 121
Апофермент 138
Аргинифосфорная кислота 301
Аспарагиновая кислота 197
Аутокатализ в циклах реакций 87
Аутосинтез ПО
Аутостабилизация стационарного со-
стояния 96
Афферентные нервные волокна 318
Ацетамид кристаллический 254
Ацетилкоэнзим А 43, 53, 54, 55, 56, 58,
59, 319
Ацетилхолин 122, 280, 304, 318, 319
— действие на нервные импульсы
319, 320, 328
Ацетилхолинэстераза 139, 148, 155,
280, 303, 320, 321
Ацетоуксусная кислота 55
Ацилдегидрогеназа 55
Ацилмеркаптан 242
Ацилферменты 143, 144
Бактериохлорофилл 351, 359
Белки митохондрий 261—267
— мышечные 288—294
— нервной ткани 314—318
— хлоропластов 356
417
Биологическое окисление 230—250
Биологические структуры, их значе-
ние 106, 107, 251, 252
----волокнистые 255, 283, 284, 285
----мембранные 255, 256, 271, 272,
275
----механизм образования 253, 254
----самопроизвольное образование
252
----технический интерес 252—253
Биологическая' форма движения, ее
субформы 4
Биолюминесценция 372—374
Бирадикал 340
Биофизика, ее задачи и определение
5—6
Биофизическая химия, содержание 7
----и биофизика 6, 7
----определение 4, 10—11
----и физическая химия 8
Биохимия, ее задачи и определе-
ние 5
— динамическая 5
— статическая 5
— физическая 4, 11
— функциональная 5
Биоэлектрические потенциалы 108,
109, 195
----мембранная теория 206—213
----потенциал действия 210—222
----потенциал покоя 200, 201—205
Блуждающий нерв 314
Витамины и ферменты 138, 139
Вода в протоплазме 256
— роль при действии радиации 399
Водород, перенос 119, 230
Водородные бактерии 65, 66
Водородный электрод 228
Возбуждение ПО
— биохимические изменения 325—327
— ионная теория 217, 218
— изменение электрических парамет-
ров 210—212, 216
— пороговое напряжение 323
— распространение в нервной клетке
215, 216, 217, 318—327
— и распределение ионов 209—210,
219
— и тепловой эффект в нерве 326,
327, 328
— физические и химические теории
325
Возбужденные состояния атомов и
молекул 333, 335, 341, 373
-------при действии ионизирующих
излучений 377, 378, 383, 391
Восстановители 222, 223, 348
Восстановление СО2 при фотосинтезе
366
Гамма-лучи 375, 376, 406
Ганглии 316
Гексозофосфатизомераза 49, 370
Гексокиназа 49, 123, 139, 172
Гем-группа 342, 343, 361
Гемин 131, 228
Гетеротрофные организмы 64
Гиалоплазма 256
Гидратация белков 67
Гидродинамическая модель стацио-
нарного состояния 94
Гидролазы 120—122, 136, 137
Гидролиз, свободная энергия 45, 46
Гистидин 147
— роль в активности ферментов 147—
148
Гликоген 52, 53, 122, 300
Гликолиз в мозге 326
— к.п.д. 52
— общая схема реакций 49, 52
реакции и их свободные энергии
49—54, 57, 58
Глицин 253, 254
Глутаминовая кислота 196, 197
Глутатион 228, 234
Глюкоза 49, 53
Глюкозо-1-фосфат 53, 123, 370
Глюкозо-6-фосфат 49, 52, 53, 123, 232,
370
Гомеостатические свойства 109
Гранулы Палада 263
— хлоропластов 350
Давление, действие на ферментатив-
ную активность 187—188
Дегидрогеназы 127—130
— анаэробные 127, 130
— аэробные 130
Дезаминаза 303 ,
Дезоксирибонуклеаза 122
Дейтроны 375, 406
Декарбоксилирование органических
кислот 240, 241
Денатурация белков 67—70
Дендриты 312
Деполяризация мембраны 218
Десмолазы 132
Диафораза 233
Диизопропилфторфосфат (ДПФ) 146,
321
Дипептидазы 121
Дифосфоглицериновая кислота 42
418
Диффузия в биохимических системах
81—82, 95
-----ферментативных реакциях 267
—>, ее роль в кинетике реакций в от-
крытых системах 80—81
Доза (37%-ная) излучения 406
Дозовые кривые 402, 405
Доннановское равновесие 198, 199,
200, 206
Донорно-акцепторные связи 344, 347
Дыхательный коэффициент 240, 321
Железобактерии 65
Желтый фермент 130, 150, 231
Живые организмы и кибернетические
машины 105
-----и открытые системы 26, 101
Жизнь, определение 26, 27, 36, 37,
102—108
Жирные кислоты, окисление 55—58,
240
-----общая схема реакций окисле-
ния 56—57
-----связь с обменом углеводов 57—
58
Инвертаза (сахараза) 139, 150
Ингибиторы ферментативных реакций
180
Информационная функция 24
Ионизация, механизм 373—382, 391—
392
Ионизирующее излучение, биологиче-
ское действие 111, 373—375
-----отличия от действия световых
лучей 374
Ионный выход 379
Ионы, активный перенос 206, 209, 210
— баланс в протоплазме 197
— избирательная проницаемость
мембран для ионов 275—
276
— неравномерность распределения
195—196
— потоки через оболочки клеток 197,
202, 207, 211, 213, 214, 216,
217
— различные скорости Na и К 216—
219
— связывание белками и полиэлект-
ролитами. 204—206
Закон Вебера — Фехнера ПО
Замещение, реакции 119, 125
Запретная полоса в полупроводниках
335, 337
-----в белках 337
Заряды в поверхностях раздела 259—
260
Защитный эффект при действии ра-
диации 309—401
Зона проводимости 335, 362, 379
Избирательный перенос веществ 275,
276, 280
-------связь с метаболическими
процессами 276, 277
Избыточное отклонение (overshoot)
в стационарном состоянии
99
Изетионовая кислота 197, 314
Излучение, плотность ионизации 378,
379, 384
— прямое и косвенное действие 385—
387
Изолимонная кислота 59, 60, 231, 232
Изоляторы 335
— белки 337, 379, 380
Изомеразы 136, 137
Изоточка белков, смещение при де-
формации 220
Калий, накопление в клетках 196
— перенос 214, 216
Карбоангидраза 133, 139
Карбогидразы 122
Карбоксилаза 54, 60, 132
Карбоксипептидазы 121, 139, 141
Каротиноиды 263, 353, 355, 356
Каротины 353, 359
Каталаза 132, 139, 141, 172, 235, 342
Катализ, кислотно-щеЛочной 161
Кванты света 339
Кетоглутаровая кислота 60, 62
Кибернетика в биохимии 105, 114
Кинетика биохимических реакций 75
— ферментативной реакции 166—193
-------влияния двух субстратов
178—180
-------зависимость от концентра-
ции фермента 166
-------------субстрата 166—171
-------конкурентное торможение
179—180
-------неконкурентное торможение
180—181
------ — определение кинетических
параметров 170—172
------- роль влияния температуры
185—187
-------давления 187—188
-------ионов металлов 180—183
419
Кинетика ферментативной реакции
Н+-ионов (pH) 183—185
-------ионов точность опытов
176—178
-------теория Афанасьева 174—176
-------Бриггса — Холдейна 169—
170
-------Лайдлера и Хоара 175—177
-------Михаэлиса — Ментена 1Q8—
170
----------n-участков центра 177—
178
Кислород, активация при биологиче-
ском окислении 239—2ч0
— выделение из воды при фотосинте-
зе 365
Кислородный электрод 228
Кислородный эффект при действии
радиации 395—398
Кислоты по Льюису 347
Классификация реакций в органиче-
ской химии 119, 348
— ферментов 118—137
Клеточная оболочка бактерий 280
-----дрожжевых клеток 280, 281
-----нервного волокна 280
----- эритроцитов 272
Коацерваты и протоплазма 256—257
Ког^лентные связи 119
Кодегидраза I (НАД) 127
Кодегидраза II (НАДФ) 127
Комплексы переноса заряда 344—360
Комптоновские электроны 377
Константа Михаэлиса 169, 170, 172—
175
Коротковолновые кванты 377
Кофермент А 43, 242
Коферменты 139
Коэнзим Q 228, 234, 356, 359
Креатинфосфорная кислота 301, 302
Креатинфосфофераза 301
Ксантофиллы 355
Кураре 149
Лаг-период 87, 91, 109
Лактикодегидрогеназа 172, 231
Лейкопласты 263
Летальная доза (LD^) 402
Лиазы 136
Лигазы 136
Лимитирующая реакция 90
Лимонная кислота 58, 59
Линейная потеря энергии (ЛПЭ) 375,
378, 406
Линейное программирование 112
Липазы 121
Липиды 326, 409
Липоевая кислота 242, 360
Логарифмическая фаза 88
Ложный старт 100, 305
Люцифераза 372
Люциферин 372, 373
Макроэргические связи 41—43
-----при переносе веществ 280—281
----- и свободная энергия гидролиза
44—46
-----при фосфорилировании 241 —
246
-----и энергии связи 43—45
Маликодегидрогеназа 61, 231
Мембраны биологические и действие
излучений 111
-----деполяризация 218
-----«единичные» 316
-----митохондрий 262—263
-----и перенос веществ 274—276
-----распределение ионов 203—
205
Мембранный потенциал 203, 211, 212,
214, 216, 217 .
Мембранные равновесия 198—200
Меромиозин (Zf, L) 289, 290, 302, 329
Метаболические процессы к.п.д. 35,
36
Метановые бактерии 66
Миграция энергии 338
хМикросомы 261, 263, 266, 328
Миоальбумин 284
Миозин 122, 288—294, 299, 302, 310,
329
Миокиназа 172, 290, 303
Миофибриллы 285, 286, 300, 303
Митохондрии 246, 260, 261, 326, 328
— внутренняя структура 262—263
— проницаемость 279—280
— ферменты 264
Миелиновая оболочка 315, 316
Мозг, средний состав 312—313, 314 ,
Молекулярная активность ферментов
172, 173, 174
Молочная кислота 51, 53, 197, 231,
300, 327
Монослои 254, 352, 353
Мышцы, средний состав ?03—304
Мышечные белки 288—294
-----локализация в миофибриллах
292
Мышечное волокно 284, 287
-----возбуждение 304
-----изменение структуры при со-
кращении 298—300
-----поперечнополосатые 286
----- расслабление 310
420
Мышечное волокно, сокращение $83—
311
-----биохимические изменения 300—
303
-----изометрическое 295
-----изотоническое 295
-----к.п.д. 296—297
-----сократительная стадия 305—
311
-----теория 305—311
-----термодинамика 296—298
-----тетаническое 292, 296, 311
-----электрохимические процессы
304, 305
«Натриевый насос». 207
Натрий, содержание в клетках 196
— перенос ионов 214, 216, 217
Начальная скорость реакции 167
Неврилемма 315
Нейрогуморальные вещества 321
Нейромышечные соединения 319
Нейрон 312—314, 327
— митохондрии и рибосомы 313
— потребление кислорода 326
Нейрофибриллы 313
Нейтроны, их действие 375—377
Необратимость развития 108
Необратимые процессы, термодинами-
ка 27
Нервное возбуждение 311
Нервное волокно — см. Аксон
Нервный импульс, природа 323—325
-----при мышечном сокращении 304
-----проведение 321—323
-----скорость распространения 322—
324
Нервные окончания 316, 317, 318
Никотинамидадениндинуклеотид
(НАД) 56, 97, 127, 128, 232,
234, 235, 242, 243, 365, 366,
370
Никотинамидадениндинуклеотидфос-
фат (НАДФ) 127, 128, 231,
232, 235, 360, 365, 366, 367,
370
Нитрифицирующие бактерии 64, 65
Норадреналин 321, 322
Нуклеозидазы 123
Нуклеозидтрифосфаты 290
Нуклеотидазы 122
Нуклеофильные реагенты 119
Обмен веществ, биологический 104,
105
-----взаимосвязь 57, 59, 60, 62, 83
-----энергетика 63
Обмен цепей в полимерах 126—127
Обратная связь 33, 34, 97
Окисление анаэробное 233
Окислители 223
Окислительно-восстановительные по-
тенциалы 222—230
-------зависимость от pH 226
-------измерения электрометриче-
ские 222, 223
----------калориметрические 224'
-------стандартные 223, 225
-------таблица 228
Окислительное фосфорилирование 63,
242—247, 365, 366, 367
Оксидазы 130, 236
Оксидоредуктазы 136
Олигазы 122
Оптимальный режим 112
Основания по Льюису 347
Открытые системы 27, 28, 75
----- аутостабилизация 33
-----влияние катализаторов 95, 109
-----и живые организмы 101, 111
-----линейные реакции 77—83
-----ограничения теории 101, 111
-----основные характеристики 100,
101
-----разветвленные реакции 83—86
-----термодинамика 29—37
----- технические 112
Пары ионов, число при ионизации 378,
379
Пентозофосфатный цикл 52
Пепсин 121, 138, 139
Пептидазы 121
Передвижение веществ 108, 109, 281,
282
Перенос активный 200, 275—283
— избирательный 275
Перенос веществ 271—283
-----по градиенту концентрации 274,
281
— — против градиента концентрации
276, 282
-----температурный коэффициент
274
— ионов в биологических системах
195____________203
-----К и Na 201, 202, 206, 207, 213
— электронов по дыхательной цепи
238, 243
-----при окислении 222, 243
-----по зонам проводимости 334—
337
-----и типы химических реакций
346—348
421
Перенос энергии при действии иони-
зирующих излучений 374—
382, 391, 407
----путем диффузии макроэргиче-
ских молекул 333, 334
----относительное значение 346
----резонансный 337—346, 361
----в хлоропластах 357—363
Перехваты Ранвье 323
Пероксидазы 132, 139, 142, 228, 235,
342
Пиридиновые ферменты 130, 230
Пировиноградная кислота 54, 196, 231,
317
Пластиды 261, 263, 266
Пластохиноны 359
Поглощение энергии ионизирующих
излучений 374, 375
----света хлорофиллом 356—368
Полиазы 122
Полифенолоксида'Зы 130
Полиэлектролиты и биопотенциалы
205
Полосы сокращения 298, 299
Полупроводники 335—337
— акцепторные примеси 336
— донорные примеси 336
Порфириновое ядро в хлорофилле 351
Постганглионарные нейроны 321
Потенциал повреждения 204
— альтерационный 204
— действия 211, 215, 304
— демаркационный 204
— покоя 210, 212, 323
— системы 34, 35
— окислительно-восстановительный
46, 223, 228, 231, 233
— переноса групп 42, 47, 48
— термодинамический 37—40
Правило Стокса 339
Принцип взаимности Онзагера 30
— антиметаболитов Вудса 180
— «все или ничего» 323
— Ле-Шателье 33, 96
— максимальной скорости реакции 90
— Пригожина 32
Проводимость белков 337
— дырочная 336
— «-проводимость 336
— р-проводимость 336
— электронная 336
Проницаемость 207, 209, 212—214
217, 218, 260, 273, 274, 275,
276, 280, 281, 319
Простетические группы 139, 164
Протеазы 120—121
Протеиназы 121—122
Протоны, их действие 375, 376
422
Протоплазма, состав 204, 205, 256
— и коацерваты 257, 258
— молекулярная гетерогенность 256,
— внутренние поверхности раздела
259—260
Протофибриллы 286
— упаковка в мышечном волокне 287
Протохлорофилл 351
Равновесие термодинамическое 27, 28,
31
Радиационный выход 379, 388—389
Радиационно-химические реакции 382
-----в аминокислотах 387
-----в белках 390—392
-----в воде 382—385
-----в липидах 390
-----в липопротеидах 395
-----в нуклеиновых кислотах 392—
395
-----в нуклеопротеидах 392—395
-----в нуклеотидах 390
-----в полисахаридах 395
-----в углеводах 390
-----в ферментах 390—392
Радикалы свободные при действии
ионизирующих излучений
377, 379, 380, 383—385, 391,
394
-----при окислительно-восстанови-
тельных реакциях 229,-233
Радиобиологическое действие 411
-----биохимические нарушения 401—
403
----- роль внутриклеточных структур
410—411
-------повреждения хромосом
408—409
-------цепей ферментативных реак-
ций 409
-------цепных реакций 409—410
----- статистическая теория (теория
мишеней) 403
-----теория Дессауэра 403
Раздражимость 110
Распределение вещества, неравновес-
ное 108
Распределение ионов в биологических
системах 195—196
-----и возбуждение 210, 217—219
-----и доннановское равновесие 199,
200, 202
-----нарушение при деформации 220
-----и нервный импульс 323—325
-----и потенциал действия 201, 210
-----и потенциал покоя 201
Распределение ионов сорбционная
теория 204—205
Растекание в поверхности раздела 259
Реакции замещения 119
— кислотно-основные 347
— окислительно-восстановительные
119, 347
— отщепления 119
— переноса 119
— присоединения 119
— Красновского 363
— Хилла 365
— экзергонические 17
— экзотермические 16
— эндергонические 17
— эндотермические 16—17
Регуляция метаболических процессов
97—98
Редокс-потенциалы 46, 223
Рентген, единица излучения 379
Рентгеновские лучи, ионизация 375,
376, 379, 405
Рад, единица излучения 379
Рефрактерный период 326
Рибонуклеаза 122, 137, 139
Рибофлавин 228, 364
Рибулозо-1,5-дифосфат 369
Рибулозо-5-фосфат 369
Самовоспроизведение 104, 105
Самообновление 102, 106
Сарколемма 284
Саркомер 286
Саркоплазма 284, 286, 303
Саркосомы 284, 303
Свободная энергия 16, 37
----анаэробных процессов 53, 54
----гидратации белков 67
----гидролиза 45, 46
----образования соединений 40
----окисления жирных кислот 55,
56
----переноса групп 41, 42
----при биологическом окислении
241
----процессов обмена 61, 62, 70
----хемосинтеза 64
----цикла трикарбоновых кис-
лот 61
Семихиноны 229, 235
Серии, роль в активности ферментов
145, 146
Серотонин 322
Сетки реакций 88
Симпатии 322
Синапс 313, 317, 318, 323, 325
Синглетные уровни 339
Системы замкнутые 75, 77—81
— изолированные 75
— общая теория 112—114
— открытые 75, 80—83, 84—85, 100—
101
Сократительные белки 289—290
Солюбилизация 258
Специфичность- ферментов 155—158
-----абсолютная 156
-----групповая 156
----- относительная 156
-----стереохимическая 158
Старение 109
Стационарное состояние в открытых
системах 27, 28, 29—32, 82,
83, 100—101
-----аутостабилизация 33, 97
-----и возбудимость НО
-----гидродинамическая модель 94
-----и действие ионизирующих излу-
чений 410
-----в мышечном волокне 302
-----в нервном волокне 325
-----переходы между стационарны-
ми состояниями 97—101,
109, НО
----- в распределении ионов 199, 200
-----эквифинальность 95
Строма пластид 263
Субстратное фосфорилирование 241
Сукциндегидрогеназа 60, 234
Сульфгидрильные группы в активно-
сти ферментов 144—145
-----в мышечном сокращении 290,
292, 293, 306
----- изменения при облучении 392,
393
Сульфобактерии 65
Таурин 196
Температурный коэффициент Qiq
185—186
Температурный оптимум действия
ферментов 187
— эффект при радиации 398
Теплота активации мышечного сокра-
щения 296—297, 305
Теплота сокращения мышц 296
Термодинамика, биохимическая 12
— второй закон 15
-------биологическое значение 16
— необратимых процессов 27, 28
--------ее ограничения в биологии
34, 35
— первый закон 13
--------и живые организмы 14, 55
— химическая 13
423
Термодинамический потенциал 38
-----биохимических соединений 39
Термопроводимость 335, 336
Тиолферазы 125
Ток действия 217, 320, 322, 323, 325
Трансаминирование 123
Трансгликозидирование 126
Трансметилирование 125
Транспептидация 125
Трансферазы 136, 137
Трансфосфорилирование 123
Триплетные уровни 343, 357, 378
Трипсин 121, 137, 138, 139, 141, 157
Трипсиноген 121, 146
Тропомиозин 288, 289
Убихинон — см. Коэнзим Q
Углеводы, анаэробный распад 48—54
— аэробный распад 53, 54
— связь с обменом жиров 56—59
Удельная активность ферментов 171
Уксусная кислота, окисление 58, 59,
61
Упорядоченность в биологии и энтро-
пия 23—27
Уравнение Аррениуса 152
— Пуассона 403
— Хилла 295
Уреаза 122, 138, 139, 191
Фазы в протоплазме 256
Фазовые потенциалы 221
Феразы 123
Ферменты 118
— активные комплексы 151—155
— активный центр 137—151
— в живой клетке 191, 192, 267—271
— влияние состава среды 178—185
— в открытых системах 188—193
— действие на твердых поверхностях
165
— кинетика действия 166—188
— классификация 118—137, 348
— комплексы с субстратами 140—142,
371, 373
— локализация в клеточных структу-
рах 264—273, 280
— механизм действия 164—166
— модели действия 162, 163
— и неферментный катализ 160, 166
— окислительно-восстановительного
действия 127—132
— основные уравнения кинетики
действия 166—178
— переноса групп 120—127, 137
424
Ферменты расщепления — присоеди-
нения 132—133
— роль металлов 143, 144, 182
— роль полупроводниковых явлений
164
----цепных реакций 162, 163, 164
---- энергии и энтропии активации
162, 163, 187, 188
— специфичность 155—159
— число активных центров 140, 165
Физическая биохимия, определение 4
Физическая химия, задачи 7, 8
----и биофизическая химия 6, 7
Физические силы взаимодействия 348
Фикобилины 353
Фикоцианин 355, 359
Фикоэритрин 355, 359
Фитол 351, 352
Флавинадениндинуклеотид (ФАД)
130, 234
Флавинмононуклеотид (ФМН) 129,
234
Флавиновые ферменты 130, 230, 231,
233
Флуктуация, заряды в белках 144
— и энтропия 17, 18
Флуоресценция 339, 340, 341, 377
— выход 341
— дыхательных ферментов 267
— сенсибилизированная 341, 342
— тушение 340, 341, 342, 357
— хлорофилла 356
Фосфатазы 121—122
Фосфогексокиназа 50
3-фосфоглицериновый альдегид 50,
231, 369
2-фосфоглицериновая кислота 51
3-фосфоглицериновая кислота 50, 231,
369
Фосфоглицеромутаза 51
Фосфоглюкомутаза 55, 127, 145, 172,
284, 266, 326, 370
Фосфодиоксиацетон 132, 370
Фосфокреатин 327
Фосфолипиды мозга 313
— хлоропластов 356
Фосфопиридоксаль 125, 138
Фосфорилазы 122, 123, 139, 145, 284
Фосфорилирование анаэробное 241
— аэробное 242
Фосфоферазы 50, 123
Фосфоэнолпировиноградная кислота
42, 51
Фотогальванический эффект 361
Фотодинамический эффект 333
Фотопроводимость 336, 337, 361, 362
Фотосенсибилизированное окисление
341
Фотосинтез 64, 348—371
— квантовый выход 362, 370, 371
— общая схема 367
— световые реакции 356—368
— суммарное уравнение 349
— темновые реакции 367
т— фотохимические стадии 367
Фотосинтетическое фосфорилирование
365—367
Фотоэлектролиз в хлоропластах 364—
365
Фотоэлектроны 376
Фруктозодифосфат 121, 132
Фруктозо-6-фосфат 49
Фумараза 61, 133, 139, 172
Фумаровая кислота 58, 61, 196, 197
Хемолюминесценция 367, 372, £77
Хемосинтез 63—66, 349
Химические реакции, основные типы
347
Химические связи, ковалентные 346,
347
-----координационные 346, 347
Химотрипсин 121, 137, 138, 139, 141,
150, 157
Химотрипсиноген 121
Хлорин 351
Хлоропласты 263, 266, 349—358
Хлорофиллы, окислительно-восстано-
вительные превращения
363—365
— оптические свойства 359
— строение 350—355
— триплетное состояние 357
— уровни электронного возбуждения
356
— фотохимическая активность 357
— хемолюминесценция 357, 361
Холестерин 313
Холин 122, 318
Холинацетилаза 318, 319, 320
Холинэстераза 122, 140, 145, 146
Хроматофоры 350
Хромопласты 263
Цепи реакций в биохимии 77
-------кинетический расчет 77—86
-----------------------------линейные 77—83
----------------------------- разветвленные 83—86
-----------------------------циклические 86—88
Цепные реакции 76, 77
Циклофоразная система 245, 246
Циклы реакции при гликолизе 49
-----Кальвина 370
-----Мейергофа 300
Циклы реакции в открытых системах
86—88
-----пентофосфатный 52, 368
----- трикарбоновых кислот (Креб-
са) 57—63, 326
Циклы и термодинамика необрати-
мых процессов 34—37
Цистамин 400
Цистеамин 400
Цистеин 400
Цитоплазматические структуры 261
-----их повреждение и нарушение*
ферментных процессов 269»
-----химический состав 261
Цитохромные ферменты 131, 228, 236,
266, 342
-----и процессы окисления 236, 237’
-----в хлоропластах 356, 357, 360
Цитохромоксидаза 131, 236, 238, 239
а-частицы, ионизация 374, 375, 378
Чувствительный объем при действии*
радиации 403, 404
Шванновские клетки 314
Щавелеуксусная кислота 58, 59, 23k
Щавелевоянтарная кислота 58, 60, 231
Эволюция организмов и белков 107^
108
Экситон 338
Электрокинетические потенциалы 22 Г
Электрон, перенос при окислении 222,.
242, 243, 244
Электроны быстрые 377
Электроны вторичные (дельта) 375*
Электрон-позитронные пары 377
Электронный парамагнитный резо-
нанс (ЭПР) 303, 362, 380^
391, 397, 398, 399
Электронная структура дыхательны
ферментов 235
-----АТФ 41, 42
Электроноакцепторные реагенты 119,.
346, 347
Электронодонорные реагенты 119,.
347, 348
Электронотранспортные частицьь
(ЭТЧ) 237, 238
Электронные уровни основные 335,
336
-----вакантные («дырки») 336
-----свободные 377, 380, 390
Электрофильные реагенты 119, 160,
348
425,
Эндоплазматическая сеть 256
Энергия активации 152
— связи 43, 44
Энолаза 51, 172
Энолпировиноградная кислота 51
Энтальпия биохимически важных со-
единений 39
Энтропия .17
— активация 152, 153, 154, 155
— биологическая роль 18—27
— биохимически важных соединений
39
— и вероятность 17
— интенсивность продуцирования 28,
29
— термодинамическая и информаци-
онная 23—24
Энтропия и флуктуации 17, 18 ~
Эстеразы 121—122
Эффект Комптона 376
— Пастера 54, 246
— Фенна 296
— Франка — Рабиновича 378
— Эрнста 305
— разбавления 386
Эфферентные нервные волокна 318
Яблочная кислота 61, 133, 231
Ядра отдачи 375
Янтарная кислота 58, 60, 196, 197
---окисление 243
ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ
Александер 379,390, 393,396, 398, 401,
409, 410
Алексеев 13
Аллен 384
Анри 167
Анфинсен 140
Арнольд 361
Арнон 360, 365, 366, 367
Аррениус 152, 172, 186
Астбюри 298, 306
Афанасьев 174, 175, 277
Ахмед 209
Багдасарьян 397
Бак 409
Баксендел 397
Баландин 133, 140
Баннистер 342
Барани 309
Баррон 387, 390
Батлер 27
Бах 132
Бейли 291
Белицер 242, 243
Бергман 159
Берк 172, 173, 179
Бернштейн 211
Берталанфи 114
Бертон 93, 100, НО, 379
Биггс 80
Бирделл 187
Блохина 189, 220, 298
Блюменфельд 380, 394, 398
Бойль 199
Больцман 15, 17, 22
Борисова 410
Браамс 387
Браунштейн 119, 123, 124
Брей 83
Бренстед 161
Бриггс 169, 173, 193
Броун 161, 167
Будилова 394
Будницкая 410
Булл 11, 67
Бунгенберг-де-Ионг 257
Бэртон 42
Бюхер 342
Вавилов 342
Ван-дер-Ваальс 28
Ван-Ниль 365
Вебер 306, 308
Вебер Г. 342
Вейс 363, 384, 394
Велиш 297
Вернадский 22
Вест 11
Виам 111
Виганд 297
Виланд 239
Вильсон 148
Винер 24
Виноградов 365
Виноградский 64, 368
Владимиров В. 338, 342
Владимиров Г. 42, 326
Воеводский 379, 380
Волкова 390, 394
Волькен 365
Вудс 180
Гаврилов 363
Галанин 342
Ганасси 398
Гаррис 204, 220
Гаррисон 387
Гарфинкел 91
Гельман 269
Гельмгольц 13, 18, 21
Герен 316
Гесс 13
Гиббс 13
Глинн 206, 209
Гольдакр 254
Гольдман 209
Гопкинс 300
Горди 380
427
Гортер 272
Гофмейстер 271
Гренель 272
Григоров 276
Грин 237, 238, 264
Грунфест 201
Грюнинг 297
Даниэлли 254, 268, 273, 280
Даусон 200
Де-Гроот 28
Денбиг 28
Дессауэр 403
Дечев 110
Джонсон 246
Джонстон 201
Джоуль 13
Джуда 209
Диксон 119
Дин 87, 91
Донде 29
Доннан 198
Драбкин 281
Дубинин 409
Дэйл 387, 390, 399
Дюбуа 372
Дюизенс 359
Евстигнеев 361, 363
Жукова 269
Зайдес 393
Зелинский 139
Инграм 362
Иозефсон 151
Иоффе 337
Кайнер 345
Калм а неон 380, 394, 398
Кальвин 353, 361, 362, 368, 370, 414
Калькар 242
Камен 356, 360, 361
Каргин 253
Карно 15
Каспере 342
Катц 209, 212, 213
Каюшин 291
Кейлин 142, 236
Кейнес 201, 204, 208, 210, 213
Кертис 210
Кирквуд 144, 305, 309
Клазиус 15, 17
Клотц 46, 220
Кнооп 54
Кок 356
Колдуэлл 208
Коломийцев 410
428
Колосовский 28
Коммонер 164, 230, 332, 362
Конвей 199, 207, 208
Конев 338
Корей 253
Корнберг 54, 62, 97
Коробов 38
Коршак 126
Косса 97
Коул 210
Кошланд 119, 160
Коштоянц 320
Коэн 145
Красновский 355, 363
Кребс 54, 58, 59, 62, 86, 97, 115
Крейн 221, 234
Крик 392
Крицман 123
Крог 272
Кроутер 403
Кузин 394, 410
Куостл 40
Курелла 205
Курсанов 269, 270, 282
Лавуазье 14, 36
Лазарев 218
Лайдлер 141, 153, 154, 163, 164, 166,
175, 186, 187
Лайнуивер 172, 173, 179 \
Ламри 164
Лангебек 163
Лангмюр 169, 178, 260
Лаплас 14
Ленингер 243, 245
Леонтович 13, 17
Ле-Шателье 33, 96, 97
Ли 399, 403, 405, 407, 409
Линен 246
Линшитц 363
Липманн 46, 243, 245
Ломоносов 13
Лоренц 17
Лундсгаард 300
Луфт 317
Льюис 21, 26, 347
Любимова 290, 293
Мак-Ильвейн 314, 327
Максвелл 18, 21
Малер 233
Мак-Эльроп 373
Мархлевский 360
Марш 101
Мейер 13, 305
Мейергоф 300
Мельвин-Юз 186
Ментен 167, 168, 171, 173, 178, 193
Михайлов 220 *
Михаэлис 167, 168, 169, 171, 173, 175,
178, 183, 193, 229, 235
Михлин 240
Мицунойя 35, 36
Моммертс 292
Мужеев 220
Мулликен 344
Насонов ПО, 204
Нахмансон 319, 320, 325, 327
Нейландс 142
Нейрат 143, 157
Нейфах 246
Ненцкий 360
Неттер 11, 21
Нигаард 150
Николаев 162
Овертон 273
Окада 409
Олберти 178
Онзагер 30
Опарин 90, 104, 258, 268, 270
Остергаут 196
Очоа 232
Павлов 312
Павловская 396, 397
Палад 272
Палладии А. 326
Палладии В. 130, 131, 239, 271
Паолони 206
Парди 342
Пастер 54, 246
Пасынский 100, НО, 177, 189, 220, 298,
390, 394, 396, 397, 411
Перре 85, 105
Перрен 342
Перри 294
Пикок 393
Планк 17, 152
Платцман 391, 392
Подольский 309, 310
Поллард 405, 408, 410
Пост 209
Поттер 325
Престон 393
Пригожин 21, 28, 31, 32, 34, 36, 111,
276
Пуассон 403
Пульман А. 42, 235
Пульман Б. 42, 235
Путнам 68
Путцейко 361
Пчелин 260
Рабинович 357, 358, 361, 363, 378
Ракер 370
Раковский 13, 79
Реми 206
Рид 340, 345
Риземан 305, 309
Розенберг 361
Ротштейн 280
Рубен 365
Рубин 269, 270
Рубнер 14, 15
Сайзер 187
Самнер 118
Свен 161
Сен 209
Сент-Дьердьи 244, 290, 291, 306, 309,
344 345
Сисакян 261, 266, 268, 269, 270
Скулачев 246
Слейтер 242, 245
Смит 140, 143
Смолуховский 17, 18, 22
Снайдер 297
Спарроу 393,
Спиро 299
Спитковский 393
Стрелер 357
Сукн 220
Сьестранд 272, 315
Тарусов 390, 410
Тейсс 365
Теорел 143, 150
Теренин 338, 361
Тиль 342
Тимирязев 332, 363
Тимофеев-Рессовский 403, 409
То л лин 357
Томас 352
Томсон 15, 19, 309
Тонгур 393
Трошин 204
Тсао 294
Тумерман 361
Уилки 298
Уаймен 11
Уайт 79
Уолл 205
Уотсон 392
Усаковская 393
Уссинг 202, 210, 281
Утевский 322
Фенн 296
Фер дм ан 302
Фернандес-Моран 315
Ферстер 342, 343
429
Фик 80, 115
Фишер 165
Флетчер 300, 409
Флойд 197, 201, 214
Франк Г. 300, 324
Франк Д. 378, 391, 392
Френкель 306, 309, 338, 367
Фрике 272
Фрост 38
Фрутон 159
Фуршпан 325
Хаксли 216, 286, 298, 299, 300, 306,
308, 309, 310
Хансон 286, 298
Хартлей 149
Хатчисон 391, 406
Хаяси 309
Хвольсон 13
Хенох 387, 390
Хилл 365
Хилл А. 101, 256, 295, 296, 326
Хиншелвуд 87, 89, 90, 91, 109, ПО
Хирон 88
Хоар 175
Хогбен 207
Ходжа 299
Холдейн 169, 173, 193
Холлендер 393
Цейтлин 393
Цибакова 242
Чарлсби 401
Чарнок 209
Ченс 91, НО, 142, 237, 242, 244, 367
Шемякин 124
Шеннон 24, 72
Шеррингтон 317
Шолс 394
Шор 342
Шоу 201
Шпек 259
Шредингер 26
Штейн 160
Штрауб 292
Шен Пей-гень 394
Эверсалл 365
Эдсалл 11
Эйдус 397, 398, 401
Эйлер 151
Эйнштейн 334
Эйринг 34, 186, 273, 320
Экклс 320
Элей 164, 337
Эмануэль 390
Энгельгардт 242, 290, 293, 306, 309
Эренберг 399
Эрнст 305
Этуотер 14
Эшби 114
Юнг 30
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие .....................................................3
Введение. Содержание и задачи биофизической химии ...............4
Глава 1. Биохимическая термодинамика
Общие вопросы биохимической термодинамики .....................13
Первый закон термодинамики ................................13
Второй закон термодинамики ................................15
Термодинамика необратимых процессов .......................27
Термодинамика основных биохимических процессов ................37
Свободные энергии образования и гидролиза ................ 37
Процессы распада углеводов ..............................* 48
Окисление жирных кислот .................................* 55
Цикл трикарбоновых кислот ...............................\ 57
Хемосинтез ..............................................’ 63
Гидратация и денатурация белков .........................* 66
Общие замечания .......................................... 69
Выводы ..................................................... 72
Литература ч . . . . ........................................’ 74
Глава 2. Общая кинетика биохимических процессов (теория от-
крытых систем)
Реакции в открытых системах ...................................76
Линейные цепи реакции .....................................77
Разветвленные цепи реакций ................................83
Циклы реакций .............................................86
Сетки реакций ........................................... 88
Теория стационарного состояния в открытых системах .... 93
Некоторые биологические приложения теории открытых систем . . 101
Общая теория систем . ........................................112
Выводы .......................................................114
Литература ...................................................117
Глава 3. Ферментативный катализ
Классификация ферментов .....................................118
-Ферменты, катализирующие перенос различных атомных группи-
ровок .......................................................120
Ферменты окислительно-восстановительного действия . . . 127
Ферменты расщепления-присоединения ......................132
Классификация ферментов по мультиплетной теории .... 133
Международная классификация ферментов (1961) .... 136
Молекулярный механизм действия ферментов ....................137
Структура активного центра ферментов t...................137
Термодинамические характеристики активного комплекса . . .151
Специфичность ферментов .................................155
Ферментативный и неферментативный катализ ...............160
Кинетика действия ферментов .................................166
Основные уравнения кинетики действия ферментов . . . .166
Влияние различных факторов на кинетику действия ферментов . 178
Изменение состава среды .................................178
431
Влияние температуры ........................................185
Влияние давления ...........................................187
Действие ферментов в открытых системах ....................188
Выводы ........................................................192
Литература ....................................................194
Глава 4. Электрохимия биохимических процессов
Перенос ионов и биоэлектрические потенциалы ...................1^5
Неравномерное распределение ионов и потенциал покоя . . . 195
Нарушение распределения ионов и потенциал действия . . . 210
Окислительно-восстановительные процессы и биологическое O’ i зление 222
Окислительно-восстановительные потенциалы . . . . . 222
Биологическое окисление и окислительное фосфорилирование 230
Выводы .............................,..........................247
Литература ....................................................250
Глава 5. Биологические структуры и процессы обмена веществ
Молекулярная гетерогенность протоплазмы ......................256
Цитоплазматические структуры и действие ферментов в живой клетке 261
Клеточные мембраны и перенос веществ .........................271
Мышечное сокращение .....................-....................283
Тонкая структура мышц ......................................284
Мышечные белки .............................................288
Основные характеристики мышечного сокращения .... 294
Феноменология мышечного сокращения ......................294
Термодинамика мышечного сокращения ......................296
Изменения тонкой структуры при сокращении ...............298
Биохимические изменения при мышечном сокращении 300
Взаимосвязь процессов мышечного сокращения .................303
Нервное возбуждение ...........................................311
Тонкая структура нервных клеток ............................312
Возникновение и распространение возбуждения в нервных клетках 318
Метаболизм нервной клетки и возбуждение .... 325
Выводы ........................................................328
Литература .................................................... 331
Глава 6. Радикалы и возбужденные состояния в биохимических
процессах
Перенос энергии в биохимических системах .....................333
Диффузионный перенос макроэргических молекул .... 333
Перенос электронов и зоны проводимости .....................334
Резонансный перенос электронного возбуждения ...............337
Комплексы переноса заряда ..................................344
Перенос электронов и типы химических реакций ...............346
Фотосинтез ........................................... 348
Структурные основы фотосинтеза ............................349
Первичные процессы при фотосинтезе .........................356
Ассимиляция углекислоты и энергетика фотосинтеза .... 368
Биолюминесценция ............................................... 372-
Действие ионизирующих излучений ..............................373
Поглощение и перенос энергии излучений . . .... 374
Первичные радиационцо-химичёские реакции (действие на воду
и биохимически важные вещества) ...........................382
Влияние модифицирующих факторов ...........................395
Возникновение нарушений биохимических процессов . . . 401
Выводы ....................................................... 412
Предметный указатель............................................
Именной указатель ..............................................