Происхождение жизни - Опарин Александр Иванович - Страница 15

Чем сложнее вещество, тем большее количество реакций принимает участие в его образовании внутри протоплазмы и тем строже, тем точнее должны быть эти реакции согласованы между собой. Как показали недавние исследования, в синтезе белков из аминокислот должны участвовать многие отдельные последовательно сменяющие друг друга реакции. Только благодаря чрезвычайно строгой согласованности, определенной последовательности этих реакций в живой протоплазме создается та закономерность в чередовании аминокислот, которую мы наблюдаем в современных белках.

Возникшие таким путем определенным образом построенные белковые частицы вполне закономерно объединяются между собой в более или менее значительные молекулярные рои или в целые комплексы, которые в конечном итоге отслаиваются от общей массы протоплазмы и выделяются как форменные образования, чрезвычайно подвижные протоплазменные структуры. Таким образом, и свойственный протоплазме химический состав и ее структура являются известным выражением определенного порядка тех химических превращений, которые все время совершаются в живой материи.

Но от чего же зависит этот характерный для организации протоплазмы порядок? Какие непосредственные причины лежат в его основе? Углубленное изучение этого вопроса показывает, что указанный порядок не есть что-то внешнее, от живой материи независимое (как это думают идеалисты). Напротив, мы в настоящее время хорошо знаем, что скорость, направленность и взаимосвязь отдельных реакций — все то, из чего слагается разбираемый нами порядок,— целиком определяется теми материальными отношениями, которые создаются в живой протоплазме.

В основе всего лежат химические свойства входящих в состав протоплазмы веществ. Главным образом это те органические вещества, с которыми мы познакомились в предыдущих главах. Эти вещества обладают колоссальными химическими возможностями. Они могут давать самые разнообразные реакции. Но используют они эти возможности крайне «лениво», медленно, иной раз с ничтожно малой скоростью. Нередко для осуществления той или иной реакции, идущей между органическими веществами, необходимы многие месяцы или даже годы. Именно поэтому химики-органики в своей работе очень часто применяют разнообразные сильнодействующие вещества — крепкие кислоты, щелочи и т. д. Этим путем они стремятся, так сказать, подхлестнуть, ускорить ход химических взаимодействий между органическими веществами.

В качестве таких ускорителей реакций все чаще и чаще применяются вещества, называемые катализаторами. Уже давно замечено, что достаточно бывает прибавить к смеси, где идет реакция, ничтожное количество катализатора, чтобы вызвать бурное ускорение реакции. При этом для катализатора характерно то, что он сам не разрушается в процессе реакции и после ее окончания его количество остается неизменным.

Поэтому достаточно бывает очень небольшого количества катализатора, чтобы вызвать быстро идущее превращение весьма значительных масс вещества. Это обстоятельство в настоящее время широко используется в химической технике, где в качестве катализаторов применяются различные металлы, их окиси, соли и другие неорганические и органические соединения.

В телах животных и растений химические взаимодействия между органическими веществами совершаются с поразительно большой скоростью. Если бы этого не было, жизнь не могла бы протекать в тех бурных темпах, в каких она протекает фактически. Причина большой скорости химических реакций внутри протоплазмы заключается в том, что всегда в ней присутствует ряд особых биологических катализаторов, так называемых ферментов.

Ферменты были открыты уже давно и давно привлекали к себе внимание ученых. Оказалось, что их можно выделить из живой протоплазмы и получить в виде водного раствора или даже сухого легкорастворимого порошка. В сравнительно недавнее время были получены кристаллические препараты ферментов и выяснена их химическая природа. Все они оказались белками, иной раз в комплексе с другими небелковыми веществами. По характеру своего действия ферменты вполне сходны с неорганическими катализаторами, но отличаются от последних исключительной силой своего действия. В этом отношении ферменты превосходят аналогично действующие неорганические катализаторы иногда в несколько сотен тысяч или даже в миллионы раз. Таким образом, в ферментных белках мы имеем исключительно совершенный, чрезвычайно рациональный аппарат для ускорения химического взаимодействия органических веществ.

Наряду с этим для ферментов весьма характерна строгая специфичность их действия.

Причина этого лежит в особенностях каталитического действия белков. Изменяющееся в процессе обмена органическое вещество (субстрат) прежде всего вступает на очень короткий срок в комплексное соединение с соответствующим белком — ферментом. Этот комплекс является неустойчивым. Он очень быстро подвергается дальнейшему превращению, причем субстрат изменяется в соответствующем направлении, а фермент регенерирует и может опять вступить в комплекс с новой порцией субстрата.

Таким образом, для того чтобы любое вещество живой ■протоплазмы реально участвовало в обмене веществ, оно должно войти во взаимодействие с белком, образовать с ним определенное комплексное соединение. В противном 'случае его химические возможности будут реализовываться настолько медленно, что это не будет иметь никакого значения для бурно протекающего процесса жизни. В силу этого то направление, в котором изменяется в обмене веществ любое органическое соединение, зависит не только от молекулярного строения этого соединения, от присущих ему химических возможностей, но и от специфичности ферментативного действия тех протоплазменных белков, которые вовлекают это соединение в общий обмен веществ.

В ферментах живая материя имеет не только мощные ускорители химических процессов, но и тот внутренний химический аппарат, при помощи которого эти процессы направляются по вполне определенным рельсам. В силу чрезвычайно тонкой специфичности ферментных белков каждый из них может образовывать комплексы только с определенными веществами и катализировать только строго определенные индивидуальные реакции. Поэтому в осуществлении того или иного жизненного процесса, а тем более всего обмена веществ в целом, участвуют сотни и тысячи отдельных белков — ферментов. Каждый из них способен специфически катализировать только лишь отдельную реакцию, и только в совокупности, в определенном сочетании своего действия они создают тот закономерный порядок явлений, который лежит в основе обмена веществ.

Пользуясь выделенными из живого организма ферментами, мы можем в лабораторных условиях в изолированном виде воспроизводить отдельные биохимические реакции, отдельные звенья обмена веществ. Это позволяет нам распутывать сложный клубок химических пре:вращений обмена, где сплетаются тысячи индивидуальных реакций. Таким путем мы можем расчленять обмен на отдельные составляющие его химические этапы, анализировать не только вещества живой материи, но и совершающиеся в ней процессы. Таким путем А. Н. Бахом, В. И. Палладиным и последующими учеными было показано, что в основе такого типичного для жизни процесса, каким является дыхание, лежит ряд сменяющих друг друга в строго определенном порядке реакций окисления, восстановления и пр., каждая из которых катализируется своим специфическим ферментом. То же самое было установлено С. П. Костычевым, А. Н. Лебедевым и другими авторами в отношении химизма брожения.

В настоящее время мы от анализа жизненных процессов уже перешли к их воспроизведению, к синтезу. Так, смешивая в водном растворе в строго определенной комбинации около двух десятков различных выделенных ферментов, мы можем воссоздать явления спиртового брожения. В таком растворе целого комплекса индивидуальных белков превращение сахара осуществляется в том же закономерном порядке, как и в живых дрожжах, хотя здесь, конечно, отсутствует какая-либо клеточная структура.

В данном случае этот порядок определяется известным качественным составом ферментной смеси. Однако в организме происходит и строго количественная регулировка каталитического действия белков. Она основывается на исключительной чувствительности ферментов к различного рода воздействиям. Собственно, нет такого физического или химического фактора, нет такого органического вещества или неорганической соли, которые так или иначе не влияли бы на ход ферментативных реакций. Всякое повышение или понижение температуры, всякое изменение кислотности среды, окислительного потенциала, солевого состава или осмотического давления смещает соотношение между скоростями отдельных ферментативных реакций и, следовательно, изменяет их взаимосвязь во времени. В этом лежат предпосылки того характернейшего для жизни единства между организмом и средой, которое получило всестороннее научное обоснование и развитие в трудах И. В. Мичурина.