Вернемся, однако, к нашим цианидам. Некоторые ядовитые растения ядовиты именно благодаря тому, что в их тканях образуются и накапливаются цианиды. Это их способ защиты от поедания травоядными животными, насекомыми и поражения микроорганизмами. Но если в отношении насекомых такая защита оказывается стопроцентно эффективной, то среди микроорганизмов нашлись обладатели особых ферментных систем, быстро разрушающих цианиды, благодаря чему и могут беспрепятственно развиваться на субстрате, ядовитом для всех прочих растений.
Любопытно, что пути обезвреживания цианида бывают самими разнообразными. Грибки рода фузариум, паразитирующие на культурных растениях семейства пасленовых (картофель, помидоры и др.), превращают зловещий HCN в безвредные аммиак и углекислоту; другие грибки, вызывающие заболевания тех же культур, окисляют его до альдегидов. Чаще всего цианиды обезвреживаются, вовлекаясь в реакцию с аминокислотами.
Обычно цианиды образуются в растениях в результате деградации некоторых гликозидов или алкалоидов (их так и называют – цианогенными). Содержание накапливающейся таким образом синильной кислоты в некоторых растениях очень велико. Так, новозеландские ученые исследовали с этой точки зрения разные разновидности белого клевера. Оказалось, что у отдельных форм в килограмме свежей травы содержится более ста миллиграммов HCN. Смертельной дозой для овцы являлись всего 320 граммов такой травы или 60 граммов полученного из нее сена!
Еще большее содержание синильной кислоты было обнаружено в некоторых сортах сорго – до полуграмма в килограмме зеленой массы; очень богаты цианидами и клубни тропического культурного растения кассавы. Содержащийся в клубнях растений кассавы цианогенный алкалоид линамарин подвергается распаду с образованием HCN; любопытно, что в устойчивом к синильной кислоте грибке ризопус, поражающем клубни кассавы, содержится фермент, катализирующий этот процесс. Другой фермент разлагает выделяющийся цианид.
Индийские ученые, изучавшие этот грибок, пришли к выводу, что препарат второго фермента можно использовать для детоксикации кормовых и пищевых продуктов из кассавы, а кроме того, для очистки стоков, содержащих остатки солей синильной кислоты. Аналогичную идею выдвинула группа английских микробиологов, исследовавших другую группу цианотолерантных микроорганизмов. Такие стоки в больших объемах имеются, например, на гальванических производствах, и их обезвреживание, естественно, доставляет массу хлопот: требуется очень высокая степень очистки.
О белках
Механизм, по которому действует цианистый калий – блокирование деятельности белка благодаря связыванию с ним, характерен для обширного класса соединений. Примеры, подчас весьма поучительные, привести нетрудно; для этого, однако, необходимо сделать небольшое отступление. Настало время поговорить о белках вообще.
Читателю, по-видимому, известно, что белки – это цепные молекулы, образованные звеньями двадцати различных типов – аминокислотными остатками. Молекула белка содержит обычно от нескольких десятков до нескольких сотен таких остатков. Их чередование у каждой молекулы данного сорта белка строго одинаково. Часто белковую молекулу сравнивают с несколькосотбуквенным словом, записанным на двадцатибуквенном алфавите.
Сразу же напрашиваются два вопроса: какой смысл таится в этом слове и как такие молекулы образуются?
Приступая к ответу, я испытываю некоторую неловкость. Дело в том, что вместе с моим коллегой Г.В. Никифоровичем я уже писал об этом именно на страницах книги серии «Эврика». Она называлась «Беседы о жизни» и вышла в 1977 году. Нехорошо, конечно, повторяться, но я попытаюсь сделать изложение этого материала предельно лаконичным (упомянутая же книга была им посвящена полностью).
Сначала о смысле, заложенном в определенном чередовании аминокислотных остатков в белковой молекуле. Каждая такая молекула обладает одним замечательным свойством – она самопроизвольно сворачивается во вполне определенную пространственную структуру. Это происходит под влиянием сил взаимодействия различных ее частей друг с другом и с растворителем; они совершенно аналогичны рассмотренным выше. Особую роль играет именно растворитель, обычно водный.
Каждый аминокислотный остаток содержит элемент, общий для всех, – это повторяющиеся фрагменты остова цепи. К ним присоединены так называемые боковые радикалы, или боковые цепи (не путать с боковыми цепями Эрлиха, совпадение терминов совершенно случайное). Всего существует, как упоминалось, двадцать типов боковых цепей; часть из них имеет полярную природу и хорошо смачивается водой. Прежде всего те, которые способны к ионизации: потере или захвату протона с образованием электрически заряженного иона. Например, таков боковой радикал остатка аспарагиновой кислоты; он близок по строению уксусной кислоте, которая, как известно, прекрасно растворяется в воде.
Существуют, однако, и остатки с совершенно противоположным отношением к воде – сильно гидрофобные. Скажем, боковые радикалы остатков валина, лейцина, изолейцина – соединения парафиноподобные: боковая цепь фенилаланина представляет собой молекулу толуола (правда, лишенную одного атома – водорода). Цепной остов молекулы белка – довольно гибкий, подвижный; боковые цепи также могут вращаться около него и изменять свою форму. В водной среде неполярные радикалы будут стремиться избежать контакта с водой, слипаясь друг с другом, полярные, наоборот, «предпочтут» оказаться экспонированными в воду. В результате молекула сворачивается в плотную, компактную структуру, в которой все неполярные боковые радикалы (так называемое гидрофобное ядро), собраны внутри, а поверхность образована хорошо смачиваемыми группами. Ясно, что такая укладка в принципе возможна, если выполнялись некоторые условия как в отношении состава аминокислотных остатков, образующих молекулу белка (не свернешь такую структуру, если, скажем, в молекуле одни только полярные остатки!), так и в отношении их чередования в цепи. Последовательности аминокислотных остатков в реальных белковых молекулах всегда таковы, что они обеспечивают выполнение этих условий, позволяя молекуле свернуться плотно и, что очень важно, единственным возможным образом. Так что главная информация, содержащаяся в аминокислотной последовательности белков, – это, в конечном счете, информация о пространственном строении их молекул.
Белки выполняют в организме множество ответственных функций, и каждая из них тем или иным образом обусловлена определенной структурой соответствующих белковых молекул. Мы остановимся подробней на их роли как катализаторов химических реакций, протекающих в организме; эту роль выполняет обширная группа белков, называемых ферментами.
Эмиль Фишер
Все, что написано о химической структуре белковой молекулы – линейной цепочки, образованной чередующимися определенным образом аминокислотными остатками, стало известно главным образом благодаря работам блестящего немецкого химика Эмиля Фишера. Он же установил многие другие особенности строения белковых молекул и синтезировал короткие белковоподобные фрагменты – пептиды, самый большой из которых содержал восемнадцать аминокислотных остатков.
Совершенно неоценим вклад Фишера в развитие органической химии и химии природных соединений. Лучше всего его можно охарактеризовать словами самого Фишера, который под конец жизни говаривал, что в молодости он мечтал о том, чтобы суметь полностью синтетическим путем приготовить себе завтрак, и почти осуществил свою мечту. Действительно, помимо вклада в белковую химию, о котором только что шла речь, нужно упомянуть его блестящие работы по установлению структуры и синтезу сахаров, им же расшифрованы структуры молекул кофеина и теобромина – наиболее существенных компонентов кофе и чая. Так что до приготовления синтетического завтрака ему и впрямь было недалеко.
А ведь, помимо этого, Фишер установил структуру многих циклических соединений, синтезировал их и в 1903 году совместно с И. Мерингом получил популярное до недавнего времени снотворное – веронал.
