т реакции транскарбоксилирования, т.е. передачу карбоксильной группы от одного соединения к другому:

R'—СООН+R'H^R'H+R"—СООН

Использование биотина как кофермента в реакциях карбоксилирования и транскарбоксилирования важно для синтеза пуриновых оснований,

173

превращения пировиноградной кислоты в щавелевоуксусную, а затем—в аспарагиновую кислоту и для осуществления ряда других реакций.

Источником витамина Н для человека являются печень и почки крупного рогатого скота, куриные яйца, молоко, томаты, соя, морковь, картофель, горох, овсяная крупа. Возможно также поступление биотина в организм за счет микробов-симбионтов; так, жвачные животные полностью обеспечиваются биотином в результате деятельности симбионтов.

Витамин U. В 1942 г. Г. Чиней на основании опытов с цыплятами, у которых вызвали язву скармливанием алкалоида цинкофена, высказал предположение, что ускоренное заживление язвы при добавлении в корм свежей зелени, некипяченого молока и сырой печени объясняется присутствием неизвестного фактора, который он назвал витамином U (от лат. ulcus—язва). В 1954 г. Р. Макрори и сотр. идентифицировали природный витамин U, вьщеленный ими из сока капусты в виде кристаллического бромида, с полученным синтетическим бромидом метил-метионинсульфония. Стало ясно, что витамин U является S-метилме-тионином:

нэсч /00-

V-CHt-CHs-CH' Н3с/ NH.

В СССР В. Н. Букин и сотр. синтезировали в 1969 г. хлорид метилмети-онинсульфония, нашедший широкое применение в качестве противоязвенного средства. Он представляет собой белый кристаллический порошок сладковато-солоноватого вкуса со слабым запахом капусты, хорошо растворимый в воде и водно-спиртовых смесях, но не растворимый в этаноле, глицерине и серном эфире.

Механизм лечебного действия хлорида метилметионинсульфония объясняется тем, что он является макроэргическим соединением (см. гл. V) и активным поставщиком метальных групп для химических процессов, связанных с регенерацией слизистых оболочек органов пищеварения.

Источниками витамина U для человека являются спаржа, капуста, томаты, сельдерей и зеленый чай.

ДРУГИЕ БИОАКТИВНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Кроме коферментов и витаминов на процессы жизнедеятельности оказывают влияние многие другие биологически активные соединения. Среди них огромная роль принадлежит гормонам (см. гл. XIII), антивитаминам, антибиотикам, телергонам, гербицидам, дефолиантам, ростовым веществам и др. Их изучение позволяет не только более глубоко понять биохимические механизмы живой природы, но и обеспечивает разработку новых подходов к регуляции роста и развития организма, лечению болезней, борьбе с насекомыми-вредителями и т. п.

Антивитамины представляют соединения, конкурирующие с витаминами в соответствующих биохимических процессах или выключающие витамины из процессов обмена веществ путем, их разрушения или связывания.

Примером антивитаминов первого типа, конкурирующих, могут служить структурные аналоги витамина РР:

174

Аянд /З-гтридннкарвоиово* J3 -Ацетопиридин /З-Щрвдтсулфсяеш

V-„-> \-v-'

Витамин РР Аяпотпажаы РР

Соединяясь с адениловой кислотой, они способны образовывать псевдоко-ферменты, имитирующие НАД+ и блокирующие деятельность НАД "''-зависимых оксидоредуктаз.

Примером антивитаминов второго типа, выключающих, является ави-дин—яичный белок, образующий с витамином Н нерастворимый биологически неактивный комплекс, препятствующий использованию этого витамина в обмене веществ.

Для многих витаминов существуют природные или полученные синтетическим путем антивитамины. Поскольку возбудители инфекционных заболеваний—бактерии и вирусы, а также клетки опухолей обладают повышенной чувствительностью к отсутствию ряда витаминов, антивитамины используют как терапевтические средства.

Антибиотики—вещества, образуемые микроорганизмами или получаемые из других природных источников, обладающие антибактериальным, антивирусным и противоопухолевым действием. Они вмешиваются в обмен белков, нуклеиновых кислот и в энергетические процессы пораженных организмов и клеток, избирательно воздействуя на определенные молекулярные механизмы. Так, в биосинтезе белка (о поименованных ниже этапах биосинтеза белка см. гл. VII) пуромицин высвобождает недостроенные полипептиды, тетрацик-лины подавляют присоединение аминоацил-тРНК к рибосоме, хлорамфеникол (левомицетин)—пептидилтрансферазную реакцию в ней, эритромицин блокирует перемещение рибосомы по информационной РНК, стрептомицин искажает считывание кода белкового синтеза. В биосинтезе нуклеиновых кислот (терминологию см. в гл. VI) противораковые и антибактериальные антибиотики (актиномицины, митомицин, новобицин, рифамицин и др.) подавляют процессы репликации и транскрипции. На энергетические процессы в клетке воздействуют антимицин (подавляет перенос электронов в цитохромной системе), олигомицин (подавляет сопряжение окисления с фосфорилированием) и другие антибиотики. Биосинтез гликопротеинов клеточных стенок бактерий приостанавливается под действием пенициллинов и D-циклосерина; проницаемость клеточных мембран нарушается грамицидинами, нистатином и многими другими антибиотиками.

Химическая природа антибиотиков разнообразна и сложна, среди них есть пептиды, полиеновые соединения, полициклические вещества и т.п. Рассмотрение ее выходит за пределы учебника. Однако принцип действия антибиотиков может быть иллюстрирован на одном из простых примеров—механизме торможения биосинтеза гликопротеинов клеточной стенки бактерий D-циклосерином. В состав пептида, необходимого для биосинтеза пептидогликана клеточной стенки бактерий, входит D-аланин. Его образование из L-аланина, ускоряемое аланин-рацемазой, а также синтез б-аланил-О-аланина, катализируемый О-аланил-Ь-аланин-синтетазой,

175

блокируется конкурентным ингибитором этих двух ферментов—D-циклосе-рином, структурно сходным с D-аланином:

Н< >N+H3 HV >N+H3

? \—о~ i( сг

D-Циклосерин D-Аланин

В результате циклосерин полностью тормозит размножение ряда бактерий, выключая процесс сборки гликопротеинов их клеточных стенок. В целом антибиотики являются наиболее мощными химиотерапевтическими препаратами против бактериальных и вирусных инфекций, а также для остановки опухолевого роста.

Телергоны—вещества, образуемые железами внешней секреции животных, оказывающие специфическое воздействие на другие организмы (от греч. теле—вдали, эрго—действие). Среди них представлены соединения, привлекающие особей противоположного пола, а также стимулирующие процессы размножения и предопределяющие половое поведение (половые феромоны), вещества тревоги и испуга, следовые вещества, вещества ублажения (псевдоферомоны) и др. Часто в количестве лишь нескольких молекул они воздействуют на рецепторные клетки, вызывая далеко еще неясные по молекулярным механизмам, но совершенно однозначные по физиологической природе реакции.

Так, из пахучих желез 500000 самок тутового шелкопряда было выделено 12 мг кристаллического вещества, после омыления которого был получен бомбикол (от ВотЪух mori—тутовый шелкопряд), в ничтожной концентрации (всего 1000 молекул/см3 воздуха) привлекающий самцов этого насекомого и возбуждающий у них соответствующее половое поведение (однообразное и длительное трепетание крыльев):

v

Н

НО—(СН 2)9—с=с—СН=СН—(СН 2)2—сн3

н

Бомбикол (гексадекадиен-10, 12-ол-1)

Один из продуктов желез пчелиной матки—транс-децен-2-он-9-овая кислота:

Н

СН3—С—(СН2)5—С=С—СООН

в незначительной концентрации тормозит развитие яичников у рабочих пчел, сохраняя соответствующую структуру пчелиной семьи.

Реакция тревоги у солдат муравьев-листорезов возникает под действием выделяемого их железами цитраля:

176

^с=сн-<сн,,,-< /С

НзС сн ti

В ответ на запах этого феромона тревоги они кромсают на части все живое, что попадает в их мощные челюсти.

Как следует из приведенных примеров, телергоны могут действовать на организм двумя путями—через посредство хеморецепторных клеток или проникая в соответствующие ткани и органы. Интерес к этим веществам непрерывно возрастает, и зарождается новая наука—телергонология, изучающая биологически активные вещества наряду с витаминологией, энзимологией и эндокринологией. Постепенно вырисовываются весьма впечатляющие практические аспекты изучения телергонов: половые аттрактанты уже широко используют для борьбы с насекомыми-вредителями, не губя при этом, в силу видовой специфичности привлекающих веществ, полезную энтомофауну, а применение телергонов одомашненных млекопитающих перспективно для увеличения их плодовитости и регуляции численности.

К сожалению, во многих случаях сведения о биологическом действии тех или иных соединений либо ограничены, либо отсутствуют. Особую опасность представляют вещества, воздействующие на генетический аппарат организма—мутагены и супермутагены. Их обнаружение и разработка методов защиты—одна из самых насущных задач современной экологической биохимии.

Сказанным далеко не исчерпываются сведения о биологически активных веществах. Структура и воздействие некоторых из них на обмен веществ и регуляцию роста и развитие организма (биогенные амины, рилизинг-факто-ры, опиоидные пептиды и др.) будут освещены в последующих главах, а информация о гербицидах, дефолиантах, ростовых веществах, нейротрансмит-терах и т.п. дается в курсах физиологии растений и физиологии человека и животных.

ГЛАВА V

ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ ОБ ОБМЕНЕ ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В ОРГАНИЗМЕ

Характеристика структуры, свойств и функциональной активности ферментов, коферментов, витаминов и ряда других биологически активных соединений, приведенная в предыдущих главах, неизбежно сопровождалась рассмотрением тех биохимических процессов, в которых они участвуют. Этим невольно был сделан первый шаг к изучению некоторых аспектов обмена веществ. В последующих главах это важнейшее свойство живого будет освещено во всех его многообразных проявлениях. Здесь же целесообразно сосредоточить внимание на общих закономерностях.

Общие представления об обмене веществ. Обмен веществ и энергии составляет сущность жизнедеятельности любого организма. Для самого явления жизни характерен постоянный обмен веществ с окружающей внешней природой. Живое остается живым до тех пор, пока оно способно строить самое себя из веществ окружающей среды; живая материя поддерживает собственное существование путем постоянного и непрерывно протекающего с той или иной скоростью поглощения химических соединений из внешнего по отношению к ней мира, преобразования их в конституционные элементы своего тела или более простые соединения и, наконец, выведения во внешнее пространство продуктов распада как собственного тела, так и преобразованных в процессе жизнедеятельности веществ. Этот непрерывный, самосовершающийся и саморегулируемый круговорот веществ, протекающий в процессе существования живой материи и сопровождающийся ее постоянным самообновлением, называется обменом веществ.

Иначе говоря, обмен веществ есть закономерный, самосовершающийся процесс превращения материи в живых телах.

Преобразование химических соединений, взаимодействие их друг с другом, разрушение одних и построение других происходит и в неживой материи. Однако при этом неживая система любого типа не самообновляется, а лишь видоизменяется. Жизнь, живая материя возникли тогда, когда среди неживых систем с характерными для них процессами неупорядоченного изменения веществ в природе появились системы, способные поддерживать собственное существование путем упорядоченного преобразования и использования факторов окружающей среды. Поэтому только та форма материи, те системы, которые обладают обменом веществ, получили название живой материи.

Явление жизни необычайно сложно и многогранно. «Как часть планетного земного живого вещества мы инстинктивно и бессознательно ярко чувствуем загадку жизни—своего существования и существования жизни»,—писал академик В. И. Вернадский

В связи со значительными успехами квантовой биохимии, молекулярной биологии, кибернетики, термодинамики и генетики в последнее время пред-

1 Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М., 1987.

178

принято много попыток углубить и конкретизировать понимание сущности жизни. С точки зрения квантовой биохимии жизнь определяют как форму динамической реализации квантовых характеристик атомов. В молекулярной биологии приходят к обобщению, согласно которому жизнь представляется как макромолекулярная иерархическая организация, характеризующаяся репликацией, метаболической цикличностью и отточенной регуляцией энергетических процессов. При этом большая роль в явлениях жизни отводится нуклеиновым кислотам. В кибернетике особое внимание уделяют процессам выработки и передачи информации, характеризуя жизнь как высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состоянием отдельных молекул. С точки зрения термодинамики наиболее существенным свойством живых организмов является устойчивая термодинамическая неравновесность и способность поддерживать ее на определенном уровне. Если неживая система стремится прийти в равновесие с окружающей средой, то живая, напротив, старается уйти от этого равновесия, целенаправленно поддерживая свое неравновесное по отношению к окружающей среде состояние. Исходя из этого, жизнь определяют как способ существования динамически самосохраняющейся формы материи—живой природы, сущность которого сводится к грандиозному процессу циклической трансформации органического вещества, основанному на взаимодействии синтеза и распада живой протоплазмы, т. е. биотическом круговороте. В этом же аспекте жизнь определяют как потенциально способную к самовоспроизведению открытую систему сопряженных органических реакций, катализируемых последовательно и почти изотермично сложными и специфическими органическими катализаторами, которые сами вырабатываются этой системой.

Для современного генетика жизнь на Земле вырисовывается как интегральное существование ДНК, РНК и белков в форме индивидуализированных личных и видовых целостных структурно-биохимических саморегулирующихся открытых систем, со свойствами воспроизведения исторически развивающихся форм генетической информации. При оценке сущности жизни с позиций эволюционного учения на первый план выступают происхождение, организация и взаимодействие определенных надмолекулярных и клеточных структур, закономерности возникновения их совокупности в виде самостоятельной биологической единицы. По мнению физико-химиков, жизнь есть динамическое равновесие многофазных систем. Все перечисленные подходы к более глубокому познанию сущности жизни безусловно заслуживают внимания и каждый из них раскрывает новые стороны этого сложнейшего явления, но каждый из них в отдельности односторонен.

По мере изучения жизни наши представления о роли отдельных, конкретных химических соединений, равно как и о значении тех или иных процессов в ее осуществлении, будут неизбежно изменяться. Кроме того, выход человечества в Космос делает вероятным знакомство с неземными формами жизни, вещественная и функциональная характеристики которых могут оказаться в