От атомов к древу: Введение в современную науку о жизни

От эфиров до углеводов

Сделаем еще один шаг. Кислород (–O–) может входить в органические молекулы не только в составе гидроксильной группы. С тем же успехом он способен образовать мостик между двумя атомами углерода, как, например, в диметиловом эфире: CH₃–O – CH₃. Вещества с общей формулой R₁–O – R₂, где R₁ и R₂ – любые углеводородные радикалы, называются простыми эфирами. Диметиловый эфир – их простейший представитель.

Остановимся в этом месте. Нам уже знакомо вещество под названием “этиловый спирт” (он же просто этанол). Так вот, краткая формула этилового спирта полностью совпадает с записанной таким же способом краткой формулой диметилового эфира: C₂H₆O! Хотя это совершенно разные вещества, они относятся к разным классам и обладают разными химическими свойствами. Вещества, имеющие одинаковый атомный состав, но разную структуру, называются изомерами. Изомерия, то есть существование изомеров, – это очень частое явление в органической химии, в том числе и в биохимии.

Легко заметить, что этиловый спирт (CH₃–CH₂OH) и диметиловый эфир (CH₃–O – CH₃) на самом деле отличаются только положением атома кислорода: в одном случае он находится между углеродом и водородом, а в другом – между двумя углеродами. Такого изменения часто бывает достаточно, чтобы “перенести” вещество в другой класс или, во всяком случае, серьезно изменить его свойства. Разные органические молекулы строятся из одних и тех же блоков по принципам, очень напоминающим знаменитый конструктор лего. А число изомеров у сложных молекул может быть любым – вплоть до десятков, сотен, тысяч, миллионов и так далее. У белков и нуклеиновых кислот оно вообще достигает астрономических величин (см. главы 3, 8).

Разнообразие кислородсодержащих органических веществ вовсе не исчерпывается спиртами и простыми эфирами. Дело в том, что кислород может образовать с углеродом не только одинарную связь, но и двойную. К самому кислороду тогда больше ничего не присоединяется (двойная связь поглощает обе его валентности), и возникает легко узнаваемая группа – СO–. Если по обеим сторонам этой группы находятся углеводородные радикалы, такое соединение называется кетоном. Общая формула кетона: R₁–CO – R₂. Самый простой кетон имеет формулу CH₃–CO – CH₃ и называется ацетоном; он широко известен как бытовой растворитель. Если же по одну сторону от группы – CO– находится углеводородный радикал, а по другую просто атом водорода, то такое соединение называется альдегидом. Общая формула альдегида: R – CO – H.

Интересно, что и вещество с формулой H – CO – H, где оба радикала сводятся к атомам водорода, тоже принято считать альдегидом. Название этого вещества – муравьиный альдегид, или формальдегид. Это одно из самых простых органических веществ в природе. Водный раствор формальдегида, часто используемый биологами для консервации объектов, – жидкость с отвратительным едким запахом, которая называется формалином. За формальдегидом по сложности следует уксусный альдегид (CH₃–CO – H), ну и так далее.

Бывает и так, что в одну и ту же молекулу входит несколько разных кислородсодержащих групп. Например, спирт, который одновременно является альдегидом или кетоном, по-научному называется углеводом. Самый простой из всех возможных углеводов – гликольальдегид, формула которого CH₂OH – CO – H. Как видим, гликольальдегид включает в себя всего два атома углерода. Один из этих атомов углерода несет гидроксильную группу (как в любом спирте), а второй входит в состав альдегидной группы.

Относительно простые углеводы часто называют сахарами. Таким образом, гликольальдегид – это двухуглеродный сахар. Вот тут мы уже в полной мере заходим в область биологии: гликольальдегид – важный участник обмена веществ во всех живых клетках.

Еще более широко известны сахара, основу которых образуют цепочки из пяти или шести атомов углерода. Такие сахара называют, соответственно, пяти- или шестиуглеродными. Познакомимся для начала с тремя их представителями:

• рибоза – пятиуглеродный сахар с четырьмя гидроксильными группами и альдегидной группой;

• глюкоза – шестиуглеродный сахар с пятью гидроксильными группами и альдегидной группой;

• фруктоза – шестиуглеродный сахар с пятью гидроксильными группами и кетогруппой.

Краткую формулу рибозы можно записать так: C₅H₁₀O₅. А глюкоза и фруктоза – изомеры с общей формулой C₆H₁₂O₆. Сравнив их графические формулы, легко увидеть, что глюкоза отличается от фруктозы только положением группы – CO– (в глюкозе на конце углеродной цепочки, а во фруктозе внутри нее). Этого достаточно, чтобы дать веществу совсем другие химические свойства. И действительно, фруктоза несколько иначе, чем глюкоза, участвует в нашем обмене веществ. Именно поэтому ее часто используют в качестве заменителя обычного сахара (в состав которого глюкоза как раз входит). Сладкие продукты “на фруктозе” можно сейчас найти в любом супермаркете.

Мир кислот

Следующий интересный класс веществ – карбоновые кислоты (см. рис. 1.7). Это соединения, в состав которых входит группа – CO – OH (она называется карбоксильной). Любая карбоновая кислота по общему виду формулы похожа на альдегид, но отличается от него “лишним” атомом кислорода, который и превращает альдегидную группу (–CO – H) в карбоксильную (–CO – O–H). Общая формула карбоновой кислоты: R – COOH, где R – любая углеводородная цепочка или просто атом водорода.

Простейшая карбоновая кислота – муравьиная (HCOOH). Следующая по сложности – уксусная (CH₃COOH), затем – пропионовая (C₂H₅COOH), масляная (C₃H₇COOH) и т. д. Бывают и гораздо более экзотично выглядящие карбоновые кислоты: например, щавелевая, молекула которой представляет собой две карбоксильные группы, соединенные встык (HOOC–COOH). Она действительно есть в щавеле, а также в ревене и некоторых других растениях. Или бензойная кислота, имеющая в качестве радикала ароматическое ядро (C₆H₅COOH). Она тоже содержится во многих растениях, например в бруснике и клюкве, а еще служит широко распространенным консервантом (пищевая добавка E210).

Более того, молекула карбоновой кислоты вполне может включать в себя и другие группы, кроме карбоксильной. Например, в некоторых кислотах помимо карбоксильных групп есть гидроксильные (см. рис. 1.8). Такие соединения, по определению, являются одновременно кислотами и спиртами. Их называют спиртокислотами или (чаще) оксикислотами. Именно к этому классу относится важный промежуточный продукт нашего обмена веществ – молочная кислота, молекула которой включает три атома углерода, одну карбоксильную группу и одну гидроксильную (CH₃–CHOH – COOH). Винная кислота, химию которой в свое время изучал великий Луи Пастер, устроена чуть сложнее: четыре атома углерода, две карбоксильные группы и две гидроксильные (HOOC–CHOH – CHOH – COOH). Она действительно есть в вине, а иногда добавляется и в еду, например в кондитерские изделия (пищевая добавка Е334). Заметим, что пугаться таких добавок не стоит: очень часто они, как в данном случае, представляют собой безобидные вещества, с тем же успехом изобилующие в самых что ни на есть натуральных продуктах. Винной кислоты, например, много в винограде и яблоках.

Бывают и такие кислоты, которые одновременно являются альдегидами или кетонами. Тут достаточно одного примера: пировиноградная кислота – простейшая кетокислота с формулой CH₃–CO – COOH. Эта молекула тоже играет огромную роль в нашем обмене веществ (см. главу 11).

И еще несколько слов о спиртах. Карбоновая кислота и спирт могут вступить между собой в реакцию, при которой от карбоксильной группы отщепляется – OH, а от спиртовой – H. Эти отщепленные фрагменты тут же образуют воду (формула которой H – O–H или H₂O). А остатки кислоты и спирта соединяются в сложный эфир – молекулу с общей формулой R₁–CO – O–R₂. Надо учитывать, что сложные эфиры и уже знакомые нам простые эфиры – это совершенно разные классы соединений, которые ни в коем случае нельзя путать. По-английски, например, они обозначаются разными корнями, соответственно ester (сложный эфир) и ether (простой эфир). Среди биологически активных веществ есть и те и другие, но сложных эфиров там в целом больше. Без знания того, что это такое, невозможно разобраться, например, в устройстве клеточной мембраны.

Кислоты versus основания

А теперь нам самое время задаться вопросом, что такое кислота. И заодно – что такое основание.

Начнем с кислоты. Как правило, кислотой называют молекулу, которая в водном растворе диссоциирует (это высоконаучный термин, означающий “распадается”) на катион водорода, то есть протон (H⁺), и некий анион. Например, уксусная кислота (CH₃COOH) распадается в водном растворе на протон и ацетат-ион, имеющий формулу CH₃COO^–. Так же ведут себя и все остальные карбоновые кислоты. И не только карбоновые, но и любые другие. Например, соляная кислота (HСl) потому и называется кислотой, что распадается в воде на протон (H⁺) и ион хлора (Cl^–). Правда, на самом-то деле протон не способен самостоятельно существовать в водном растворе – он всегда мгновенно захватывается водой, образуя так называемый ион гидроксония (H₃O⁺). Концентрацию именно этих ионов реально измеряют при определении кислотности раствора.

Шведский химик Сванте Аррениус определял кислоту как соединение, диссоциирующее в водном растворе с образованием протона (H⁺), а основание – как соединение, диссоциирующее в водном растворе с образованием гидроксил-иона (OH^–). Это определение – исторически первое и до сих пор самое известное, именно его обычно учат на уроках химии в школе. Хороший пример основания по Аррениусу – едкий натр NaOH, он же гидроксид натрия или просто натриевая щелочь. Это типичное ионное соединение. Даже в твердом состоянии натриевая щелочь состоит из ионов [Na⁺] и [OH^–], а в воде она на эти ионы тут же распадается.

Теперь – плохая новость. В биохимии определение кислот и оснований по Аррениусу совершенно неприменимо. Вместо него мы будем пользоваться определением датского химика Йоханнеса Николауса Брёнстеда: кислота – молекула, отдающая протон, основание – молекула, принимающая протон.

Что это значит? Пусть, например, у нас взаимодействуют уксусная кислота и вода. В процессе взаимодействия от уксусной кислоты (CH₃COOH) оторвется протон (H⁺), который перейдет к воде (H₂O). В результате получатся анион CH₃COO^– и катион H₃O⁺. В этой реакции уксусная кислота “работает” кислотой (она отдала протон), а вода – основанием (она присоединила протон). Это и есть определение Брёнстеда. Запись этой реакции будет такой:

CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO^– + H₃O⁺

А если для простоты проигнорировать участие воды, то такой:

CH₃COOH ⇌ CH₃COO^– + H⁺

По Брёнстеду, “кислота” или “основание” – это не постоянное свойство соединения, а только и исключительно его роль в данной химической реакции. В принципе даже уксусная кислота может оказаться в “непривычной” для себя роли основания, если смешать ее с какой-нибудь более сильной кислотой – например, серной (H₂SO₄). В этом случае серная кислота отдаст протон и превратится в анион HSO₄^–, а уксусная кислота присоединит протон и превратится в довольно редкий, однако вполне реально существующий катион CH₃COOH₂⁺:

CH₃COOH + H₂SO₄ ⇌ HSO₄^– + CH₃COOH₂⁺

И, по нашему определению, уксусная кислота в этой реакции будет основанием.

К счастью, условия, с которыми приходится иметь дело в биологии, настолько однотипны, что для подавляющего большинства веществ смена ролей кислот и оснований там редкость. Так что мы можем смело считать кислотой любую молекулу, которая в условиях живой клетки обычно отдает протон, а основанием – любую молекулу, которая в условиях живой клетки обычно его присоединяет. Единственное важное исключение – вода. Она примерно с одинаковым успехом может и отдавать протон, и присоединять его. Для всех остальных веществ “роли” кислот и оснований тут более-менее постоянны.

Одно из самых распространенных в природе оснований – гидроксил-ион OH^–, тот самый, который образуется при диссоциации щелочи. Он очень легко присоединяет к себе протон и превращается в воду. Но с тем же успехом в составе основания может и не быть атомов кислорода. Например, аммиак (NH₃) – образцовое основание, никакого кислорода не содержащее. В растворе молекула аммиака присоединяет к себе протон и превращается в катион аммония (NH₄⁺). Кстати, этот ион очень похож по структуре на молекулу метана (CH₄). Различаются они только зарядом ядра центрального атома.

А теперь вернемся к органической химии. Соединения углерода, в которых есть группа – NH₂, называются аминами. Общая формула аминов: R – NH₂. Сама группа – NH₂ называется аминогруппой. При желании вполне можно сказать, что амин – это аммиак, у которого вместо одного из атомов водорода углеводородная цепочка. Аминогруппа в составе амина сохраняет основные свойства (такие же, как у аммиака), поэтому амины остаются полноценными основаниями. Самый простой из всех возможных аминов – метиламин (CH₃–NH₂), где атом углерода всего один. Как и следует из названия, он состоит из двух групп: метильной и аминогруппы. Между прочим, это то самое вещество, с кражами которого был связан ряд приключений героев захватывающего сериала “Во все тяжкие” (Breaking Bad).

Что ж, двинемся еще на шаг вперед. Любое вещество, включающее одновременно аминогруппу (–NH₂) и карбоксильную группу (–COOH), то есть являющееся одновременно амином и карбоновой кислотой, называется аминокислотой. Вот мы и добрались до насущного хлеба биохимиков. Роль аминокислот в живых организмах огромна: они служат и питательными веществами, и промежуточными продуктами обмена веществ, и – это, пожалуй, самое главное – “кирпичиками”, из которых строятся важнейшие для земной жизни молекулы, а именно белки. Как именно это происходит, мы узнаем в главе 3.

Любая аминокислота проявляет одновременно кислотные свойства (как карбоновая кислота) и основные (как амин). Когда аминокислота попадает в водный раствор, ее карбоксильная группа обычно теряет протон, зато аминогруппа в тот же самый момент протон приобретает. В результате получается цвиттер-ион – нейтральная молекула, разные части которой несут компенсирующие друг друга разноименные заряды. Карбоксильная группа, отдав протон, становится анионом, аминогруппа, присоединив протон, становится катионом, а суммарный электрический заряд молекулы аминокислоты в результате остается равным нулю.

Самая простая из всех возможных аминокислот – глицин. Формула глицина: NH₂–CH₂–COOH. Интересно, что в нашем организме, как и в организмах многих животных, глицин служит нейтротрансмиттером, то есть веществом, передающим сигналы в нервной системе. Причем его действие на нервные клетки – тормозящее, то есть затрудняющее возбуждение. Именно поэтому глицин часто принимают в качестве успокоительного. Так вот, по химической формуле это типичная аминокислота. В цвиттер-ионной форме она будет выглядеть так: NH₃⁺–CH₂–COO^–.

Углеродный шовинизм

Сейчас мы знаем уже довольно много о химических “слагаемых” жизни. Мы знаем, что такое спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, простые и сложные эфиры, углеводы, амины и аминокислоты. Все это – соединения углерода. Но вот вопрос: обязательно ли любая жизнь должна быть основана на углероде?

Мнение, что жизнь может быть только углеродной, еще в 1970-х годах стали называть “углеродным шовинизмом”. Люди, употреблявшие этот термин – например, известный философ Пауль Фейерабенд, – считали “углеродный шовинизм” признаком ограниченности воображения ученых, не способных допустить существование чего-то высокоорганизованного, но при этом принципиально отличающегося от привычных нам земных животных и растений. Этот подход отлично спародировал Станислав Лем в “Звездных дневниках Ийона Тихого”. Есть там эпизод, где один ученый-негуманоид, житель огненной планеты с аммиачной атмосферой, поучает своего студента следующим образом:

“Как выглядят разумные существа иных миров? Прямо не скажу, подумай сам, научись мыслить. Прежде всего они должны иметь органы для усвоения аммиака, не правда ли? Какое устройство сделает это лучше, чем скрипла? Разве они не должны перемещаться в среде в меру упругой, в меру теплой, как наша? Должны, а? Вот видишь! А как это делать, если не хожнями? Аналогично будут формироваться и органы чувств – зрявни, клуствицы и скрябы…”

Что ж, не будем уподобляться косному мудрецу с огненной планеты. Включим воображение. В мысленных экспериментах на роль химической основы жизни не раз предлагались вместо углерода другие элементы, способные создавать цепочки атомов, – кремний (Si), бор (B) или азот (N). Однако бор и азот имеют валентность 3, а не 4, и это уже ограничивает разнообразие соединений, которые из них можно получить. При этом бора во Вселенной чрезвычайно мало, а длинные цепочки атомов азота образуются только при огромных давлениях, какие могут существовать разве что в глубинах планет-гигантов. В условиях, более-менее напоминающих земные, самым вероятным кандидатом на роль заменителя углерода остается кремний. Он имеет подходящую валентность 4, образует соединения, подобные углеводородам, и может реагировать с кислородом. Но есть несколько причин, по которым углерод при прочих равных условиях все же больше подходит на роль химической основы жизни.

Во-первых, углерод легко образует двойные связи (важнейшее для земной биохимии свойство!), а кремний из-за большего размера атома к этому неспособен.

Во-вторых, двуокись углерода (CO₂) – это при нормальных условиях углекислый газ, прекрасно растворяющийся в воде. А двуокись кремния (SiO₂) при тех же условиях – тугоплавкое твердое вещество с кристаллической решеткой, прошитой множеством ковалентных связей. Чистый SiO₂ – это попросту кварц. Очевидно, что включить его в обмен веществ было бы гораздо труднее, чем углекислоту CO₂.

В-третьих, кремний-кремниевая связь менее прочна, чем углерод-углеродная, поэтому кремневодороды по сравнению с углеводородами гораздо легче разлагаются.

В итоге надо признать: вероятность, что жизнь на других планетах окажется углеродной, достаточно высока. И тот факт, что наша собственная жизнь оказалась углеродной, определенно неслучаен. Но это вовсе не значит, что живые существа, возникшие в любой точке Галактики, будут копиями земных! Любители поспорить о возможности кремниевой жизни зачастую упускают из виду, что альтернативная биохимия, очень сильно отличающаяся от земной, в принципе может быть получена и без всякого нарушения “углеродного шовинизма”.

Давайте-ка еще раз присмотримся к химическим компонентам живых клеток. Из тех веществ, которые нам уже знакомы, в состав клеток входят, прежде всего, спирты, углеводы, сложные эфиры, карбоновые кислоты, оксикислоты и аминокислоты. Что у них общего? Ответ однозначен: все эти соединения – кислородсодержащие. Мы уже видели, что группы, за счет которых они отличаются друг от друга, почти всегда включают кислород (аминогруппа тут – единственное исключение, но и в аминокислотах кислород по определению всегда есть). Итак, земная жизнь построена из кислородсодержащей органики.

Однако ниоткуда не следует, что эта возможность – единственная. В состав органических молекул вполне могут входить и многие другие элементы помимо кислорода – например, азот и сера. С азотом мы уже знакомы, а о сере (S) сейчас достаточно сказать, что ее валентность в органических веществах чаще всего равна двум – как у кислорода. А теперь назовем навскидку несколько классов органических соединений, в которых есть азот или сера, зато никакого кислорода нет (см. рис. 1.9):

• имины – соединения с двойной связью между углеродом и азотом (C=N);

• нитрилы – соединения с тройной связью между углеродом и азотом (C≡N);

• азосоединения, включающие двойную связь между атомами азота (N=N);

• тиолы, тионы, тиоэфиры, тиоальдегиды и тиокарбоновые кислоты – аналоги, соответственно, спиртов, кетонов, простых эфиров, альдегидов и карбоновых кислот, в состав которых вместо кислорода входит сера.

Зная валентности элементов, мы можем легко представить себе набор простых представителей иминов (CH₃–CNH – CH₃), нитрилов (CH₃–C≡N), азосоединений (CH₃–N=N – CH₃), тиолов (CH₃–SH), тионов (CH₃–CS – CH₃), тиоэфиров (CH₃–S – CH₃), тиоальдегидов (CH₃–CS – H) и тиокарбоновых кислот (CH₃–CS – SH). В химическом “зоопарке” Земли это довольно редкие экспонаты – настолько, что не во всяком учебнике химии найдется упоминание о них. Но везде ли во Вселенной дело обстоит именно так? Мы этого не знаем. Если какая-нибудь планета будет по своему элементному составу обеднена кислородом, то вполне возможно, что основой жизни на этой планете послужит не кислородсодержащая органика, а азотсодержащая или серосодержащая. Такая жизнь будет вполне “углеродной” и тем не менее химически совсем иной, чем земная.

Есть, например, предположения, что молекулярная основа инопланетной жизни может иметь смешанный углеродно-азотный скелет^{15}. Аналог углеводорода, построенный на таком скелете, мог бы выглядеть так: CH₂=N – CH₂–CH=N – CH₂–CH=N–… – и т. д. А где возможны углеводороды (или хотя бы что-то на них похожее), там наверняка возможны и более сложные вещества.

Можно добавить, что в современных списках наиболее вероятных химических предшественников жизни кислородсодержащей органики на самом-то деле не так уж и много^{16}. Зато там фигурируют такие интересные молекулы, как ацетилен (H – C≡C – H), сероводород (H₂S), аммиак (NH₃), синильная кислота (H – C≡N) и цианамид (NH₂–C≡N). Глядя на эти формулы, уже нетрудно допустить, что химические “кирпичики” инопланетных живых существ, отличающиеся от привычных нам сахаров и аминокислот, но имеющие похожие функции, в принципе могли бы оказаться и бескислородными. Во всяком случае, набор возможностей здесь точно гораздо шире того, что удалось реализовать на Земле.