Лев Николаев - Металлы в живых организмах

Развитие фотосинтетических аппаратов знаменовало собой начало совершенно нового периода в эволюции форм жизни на Земле. Появились новые виды живых существ, резко изменились условия питания, состав атмосферы — началось обогащение ее кислородом. Синтез органических веществ в растениях и водорослях обеспечил пищей гетеротрофные [9] Способные жить за счет питания готовыми органическими соединениями; отличаются от автотрофов — способных первично синтезировать необходимые им вещества. организмы; из остатков растений под влиянием химических и биологических факторов начали образовываться массы ископаемых углей. Накопления таких отложений, как нефть и сланцы, — это тоже результат фотосинтетической деятельности.

Пожалуй, невозможно найти другой биохимический аппарат, который мог бы с таким совершенством использовать энергию излучения для химических целей, как это делает хлорофилл. Хлорофилл действительно является звеном между энергией Солнца и жизнью на Земле; этим определяется исключительная роль ионов магния в развитии форм жизни.

Лишь очень небольшая часть энергии, падающей на лист, используется им для целей фотосинтеза, эта часть не превышает 1%. И тем не менее общая продукция фотосинтеза на Земле колоссально велика. Биохимики называют фотосинтез самым крупным из химических процессов на Земле. Действительно, продукция фотосинтеза за год (10 11т органического углерода) в 100 раз превышает ежегодную мировую продукцию угольной и нефтяной промышленности; энергия, которую накапливают фотосинтетические машины в организмах, в 10000 раз превышает энергию воды, используемую в гидростанциях всего мира, и в 100 раз — энергию сгорания угля.

Эти числа, конечно, являются ориентировочными; но тем не менее их порядок дает вполне ясное представление о масштабах биологического процесса, который называется фотосинтезом.

Биологические машины по совершенству конструкции и точности работы превосходят многие технические устройства. Но особенно ярко преимущество организмов над механизмами, созданными человеком, проявилось в проблемах фиксации атмосферного азота и фотосинтеза.

В этой главе коснемся вопросов связывания азота. Уже в начале нашего века стало ясно, что запасов природной селитры — распространенного сырья для получения соединений азота (удобрений, лекарств, красителей) хватит приблизительно на 50 лет. Угроза настоящего азотного голода заставила химиков и инженеров тщательно изучать все реакции, в которые вступает свободный азот. Азот, состоящий из двухатомных молекул N 2, в большом количестве имеется в воздухе, практически атмосфера — неисчерпаемый источник азота. Но молекулы N 2очень прочны, и число реакций, в которые они вступают при невысоких температурах, невелико.

Так, азот реагирует с металлом литием, образуя нитрид лития, но литий дорог, а регенерировать его нельзя без значительных затрат. При высоких температурах в присутствии катализаторов и при повышенном давлении удается связать азот с водородом в аммиак, но для этого требуется сложное и тоже не дешевое заводское оборудование. В природе существует много видов бактерий (клубеньковые бактерии — азотобактер, клостридиум и др.), фиксирующих атмосферный азот в гораздо более "мягких" условиях и успешно превращающих его в аммиак.

Во всех этих бактериях действует фермент, названный нитрогеназой. Для того чтобы превратить молекулярный азот в аммиак, ферментативные системы заставляют азот реагировать с ионом водорода и электроном. Детальный ход реакции не известен, но в ней, несомненно, принимает участие АТФ.

Белок нитрогеназы представляет собой комплекс двух белков — один из них содержит железо, а другой — железо и молибден. Кроме того, для действия нитрогеназы нужны двухзарядные ионы металлов: магния, марганца или кобальта (но не кальция), причем наибольший активирующий эффект получается с магнием.

Предполагалось, что в реакции фиксации атмосферного азота в качестве промежуточных продуктов получаются соединения N 2H 2— диазен и N 2H 4— гидразин.

Наличие в нитрогеназе двух металлов заставило предположить, что молекулы диазена и гидразина являются мостиками, связывающими в нитрогеназе ионы металлов. Более обстоятельное исследование привело к выводу, что роль мостика между железом и молибденом играет атом серы: