Первые сведения о них получил почти сто лет назад швейцарский биохимик Фридрих Мишер. Из клеточных ядер спермы лосося он выделил вещество, названное им нуклеином, которое, как оказалось, содержало пять биогенных элементов: углерод, водород, кислород, азот и фосфор. Теперь это вещество мы называем нуклеиновой кислотой.
Макромолекулы нуклеиновых кислот могут быть двух типов: дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, и рибонуклеиновая кислота, или РНК[6].
ДНК находится в основном в клеточном ядре (а в малых количествах также в митохондриях и хлоропластах), тогда как РНК встречается и в ядре и в цитоплазме. Этот факт находится в тесной связи с различными функциями нуклеиновых кислот, о которых речь еще впереди.
Узнаем мы также о предназначении и роли ферментов и познакомимся с химическим характером некоторых других соединений, играющих на арене жизни очень важные роли.
Бактериальная клетка в цифрах
Благодаря биофизике — одной из отраслей науки, с которой мы уже познакомились в начале этой главы, — были получены весьма интересные данные. Возьмем, например, шаровидную бактериальную клетку диаметром 0,5 мкм. Поверхность такой клетки будет равна 0,0000000079 см2, объем — 0,000000000000065 см3, а вес — 0,000000000000069 г. Из общего ее веса 75 % приходится на воду, остальное представляет сухое вещество весом 0,0000000000000172 г, в которое входят: белки — 53 % сухого вещества, сахара — 16 %, нуклеиновые кислоты—18 %, жиры — 10 % и остальные мелкие молекулы — 3 %. Молекулы соединений, составляющих сухое вещество бактериальной клетки, представлены 40 типами структурных элементов, перечень и количественное соотношение которых даны в таблице 3.
Все эти структурные элементы входят в состав различных химических соединений, которые вместе с простыми и сложными белками образуют клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану, а вместе со сложными сахарами, жирами и белками имеются и в рибосомах. В одной только клетке насчитывается до 5000 рибосом, и в них, как известно, протекает синтез новых белковых молекул, Кроме того, в клетке имеется еще около 150 000 свободных молекул белков, причем большую часть из них составляют ферменты, направляющие все химические реакции. К перечисленному следует добавить, что клетка имеет еще около 8 500 000 более простых молекул, которые служат связующими звеньями или являются продуктами обмена веществ, а также около 5 000 000 молекул неорганических соединений.
С еще более крупными числами мы столкнемся при подсчете атомов главнейших 13 биогенных элементов. Общее их количество в одной только клетке превышает 5 500 000 000!
Не удивительно, что такое разнообразие живого субмикрокосмоса привлекает внимание многих ученых, которые вместе с Левенгуком могли бы воскликнуть: «Сколько чудес таят в себе эти крохотные создания!»
Жизнь — это не что иное, как строго упорядоченное взаимодействие ферментативных процессов.
Р. Вильштеттер, 1929
Самая маленькая химическая фабрика
Клетку микроорганизма можно сравнить с микроскопически малой химической фабрикой. Она получает «сырье» из окружающей среды и делает из него настоящие чудеса. Из простых соединений — углерода, азота, кислорода, водорода — она синтезирует белки, из сахаров — органические кислоты и спирты, а в атмосферу выделяет углекислый газ. Вырабатывает клетка и витамины, а растениям поставляет важные ростовые вещества.
В клетках микроорганизмов образуются антибиотики, при помощи которых их производители могут обезвредить противников из мира микробов. В них вырабатываются и опасные яды, малейшие дозы которых способны убить человека.
Микроорганизмы синтезируют красящие вещества самых различных оттенков. Несмотря на такое разнообразие процессов, в этой микроскопической фабрике все подчинено строгой закономерности. Энергия, высвобождающаяся в результате одного процесса, используется в другом. Кроме того, микробы выделяют в окружающую среду тепловую энергию.
Закономерное движение и активность — одно из главнейших проявлений жизни. Однако живая клетка не может быть вечным двигателем. Строительный материал она получает извне, энергию черпает из энергетических ресурсов природы.
Откуда же микробы достают себе пищу и как ее перерабатывают? Где берут запасы энергии и как ее используют?
В живых клетках происходят многие химические реакции, воспроизвести которые в лаборатории оказалось возможным лишь при создании специфических условий. Одни из них протекают при высоких температурах, другие требуют повышенного давления. Как же совершаются они в живой клетке при нормальных давлении и температуре?
В начале XIX века стало известно о явлении спиртового брожения и участии в нем дрожжевых грибов. Пастер в своих исследованиях доказал, что различные типы брожения вызываются различными видами микроорганизмов. Значительно раньше известный шведский химик Йене Якоб Берцелиус разработал учение о катализаторах, или ускорителях (стимуляторах) различных химических реакций.
Позднее ученые предположили, что микроорганизмы как раз и содержат такие вещества, которые вызывают брожение и в своем действии подобны катализаторам. Их назвали энзимами (от греческих слов en — внутри и zyme — закваска), или ферментами. В 1897 году немецкому химику Эдуарду Бухнеру удалось получать из разрушенных клеток дрожжей смесь ферментов, которую он назвал зимазой. Зимаза вызывала превращение сахара в спирт даже при отсутствии живых клеток.
Теперь нам известно, что все химические реакции в живых клетках протекают лишь в присутствии ферментов; если же последние отсутствуют, то реакции эти совершаются очень медленно или вообще не происходят. Вспомним, например, химическую реакцию молочного сахара (лактозы) с водой, при которой молочный сахар разлагается на глюкозу и галактозу. В отсутствие катализаторов эта реакция протекает чрезвычайно медленно, даже при 100 °C разлагается лишь небольшая часть лактозы. Реакцию можно ускорить, если добавить определенные кислоты. Отдельные дрожжевые грибы обладают ферментом лактазой, в присутствии которого разложение лактозы происходит очень быстро уже при 30 °C. Фермент лактаза действует, таким образом, как катализатор — ускоритель химической реакции.
Ферменты образуются в результате жизнедеятельности клеток. Без ферментов нет жизни, но сами они не являются живой материей. Их способность ускорять химические процессы сохраняется и после гибели клеток.
Ферменты, возникающие в живых клетках, или остаются в них, стимулируя химические реакции, или же выделяются клеткой во внешнюю среду, где также могут влиять на скорость некоторых химических процессов. Каждый фермент принимает участие обычно в нескольких (немногих) реакциях и никогда не бывает приурочен к одной-единственной. Причем следует заметить, что для превращения больших количеств соединений требуется необычайно малая доза фермента.
Не менее интересной особенностью ферментов можно считать их повышенную восприимчивость к различным внешним факторам, которые могут ускорять, замедлять или вовсе прекращать их деятельность.
Ферменты — очень сложные соединения, их относят к белкам. Некоторые ферменты удалось получить в чистом виде, в кристаллической форме, и был точно установлен их химический состав.
Ферменты играют огромную роль не только в жизни микробов, но и в жизни всех других организмов. Важные функции выполняют они и в нашем теле. Ферменты, находящиеся в слюне, желудочном соке и выделениях других органов, разлагают сложные вещества нашей пищи на простейшие составные части; таким путем они способствуют проникновению питательных веществ через слизистую оболочку кишечника в кровь, с которой те разносятся по всему телу. Там эти вещества снова встречаются с ферментами, уже иными, вызывающими сотни других химических реакций.
Микроорганизмы также «вырабатывают» ферменты, необходимые им для усвоения питательных веществ и получения энергии. Одни ферменты обеспечивают процессы разложения, другие осуществляют синтез сложных соединений из простых веществ. В клетках этих мельчайших существ может образоваться такое большое количество ферментов, что человек использует микробы для получения ферментов в промышленных масштабах.
Одно из условий существования живых организмов — наличие достаточных количеств пищи. Рост, размножение и прочие жизненные процессы не могут осуществляться без питательных веществ.
Без пищи не могут обойтись и микробы. Уже при нашем первом посещении микробиологической лаборатории мы обратили внимание на своеобразное «меню» микробов. Все элементы, из которых состоит живое вещество клеток, они должны получать извне в виде питательных веществ. Это означает, что микробы должны иметь источники углерода, азота и других биогенных элементов. В природе микроорганизмы находят питательные вещества в самой различной форме. Одни из них питаются отмершими частями растений или животных; это так называемые сапрофит ы, играющие огромную роль в круговороте жизненно необходимых элементов на Земле. Другие значительно более требовательны. Они нападают на живые организмы и ведут паразитический образ жизни. К ним относятся и возбудители многих болезней.
