Мир, созданный химиками. От философского камня до графена

Способ питания вестиментифер живо напомнил мне старую-старую пародию на повесть фантаста Ивана Ефремова «Сердце Змеи». В этой повести наши земные астролетчики встречают жителей планеты, которые дышат не кислородом, а фтором. Физический контакт людей с этими ребятами невозможен, суперокислитель фтор реагирует даже с кислородом (о фторе см. главу 15). А пародист заставил землян встретиться с жителями, ха-ха, сероводородной планеты. Как известно, сероводород H ₂S является мерзопакостным продуктом работы кишечника, и все это довольно смешно, хотя повесть Ивана Ефремова вполне читабельна.

Еще более оригинальным обменом веществ обладает бактерия, обнаруженная учеными американского космического агентства НАСА, в котором, оказывается, есть специальный отдел астробиологии. Пока никаких живых организмов вне Земли не найдено, сотрудники отдела пытаются найти что-то необычное на нашей планете. И вот удача: в калифорнийском соленом озере Моно им удалось обнаружить бактерию, в которой фосфор в ДНК заменен мышьяком.

Это сенсация, до сей поры нам были известны живые организмы, состоящие только из углерода, кислорода, водорода, азота, серы и фосфора, не считая микроэлементов. Но в озере Моно фосфора оказалось мало, зато много мышьяка. Этот элемент находится в одной с фосфором V группе таблицы Менделеева и похож на фосфор по своим химическим свойствам, так что такая замена вполне возможна. Другое дело, что соединения мышьяка часто являются сильными ядами, однако и здесь удивляться нечему. Углерод тоже образует смертельно опасные соединения, например угарный газ, однако является основным элементом жизни, так что «мышьяковистый» организм вполне может существовать и на других планетах с ядовитыми морями.

Но чем бы ни питались эти странные морские и озерные гады, какой бы способ получения энергии они себе ни придумали, их тела все равно состоят из белков, веществ, по определению, не живых, но без которых жизнь невозможна.

Белк и и б е лки

Есть такая кишечная бактерия эшерихия коли (E.coli), которую очень любят биохимики и генетики — с ней удобно проводить самые различные опыты, ведущие прямиком к замечательным открытиям. Так вот, установлено, что в клетке этой бактерии содержится около 3 тысяч различных белков. В организме же человека насчитывается около 5 миллионов белков. Эти пять миллионов выполняют самые разнообразные функции — каталитическую (ферменты), питательную (например, белки яйцеклетки), транспортную (перенос кислорода гемоглобином), защитную (антитела), сократительную (мышцы), структурную (коллаген соединительной ткани, кератин волос, кожи, ногтей) и гормональную (гормон гипофиза). Поразительно, что все белки состоят хоть и из большого количества, но простых структурных блоков — аминокислот, связанных друг с другом в так называемые полипептидные цепи. Из этих полипептидных цепей и сделаны белки.

Первая аминокислота была выделена из желатина еще в 1820 году, но полный аминокислотный состав белков был расшифрован только через сто с лишним лет — это довольно сложная работа. Оказалось, что белок с помощью различных ферментов, например пищеварительных, можно расщепить на аминокислоты. Именно это и происходит, когда правоверный мусульманин съедает пушкинский «ростбиф окровавленный» из говядины, а неверный — свиную рульку. Все аминокислоты представляют собой производные карбоновых кислот, у которых один атом водорода замещен на аминогруппу — NH ₂.

По правилам химической номенклатуры, атомы углерода маркируются греческими буквами альфа, бета, гамма и так далее, причем первым альфа-атомом является ближайший к карбоновой группе — COOH атом углерода. Разумеется, аминогруппа может заместить атом водорода у любого атома углерода, хоть альфа, хоть гамма, хоть омега. Однако выяснилось, что в состав природных белков входят только альфа-аминокислоты. Если угодно, это одна из загадок природы.

В составе белков открыто 20 различных альфа-аминокислот, все они различаются по составу радикала R. Эти 20 аминокислот делятся пополам на заменимые, которые могут синтезироваться в организме человека (и животных), и незаменимые, которые необходимо получать из пищи. В принципе совершенно не важно, из какой пищи — растительной или животной — можно и нужно получать незаменимые аминокислоты, однако давно известно, что в съедобных растениях слишком мало трех аминокислот, которые называются лизин, метионин и триптофан. Вегетарианцы могут не расстраиваться — недостаток этих аминокислот легко восполнить, например, из молока, творога и яиц. Особо строгие вегетарианцы, их называют веганами, которые яйца и молочные продукты не едят, могут добрать лизина, метионина и триптофана из орехов. Впрочем, в горохе и прочих бобах этих аминокислот несколько больше, чем в другой растительной пище.