GYVYBE KAIP CHEMINIS PROCESAS |
Iš visų pasaulio stebuklų, tur būt, pats didžiausias ir kartu pats paslaptingiausias yra gyvybės fenomenas. Žmogaus pastangos įsiskverbti į gamtos paslaptis, ypač paskutiniojo šimtmečio bėgyje, davė nuostabių rezultatų. Tačiau gyvybė, jos atsiradimas ir mirtis, priklauso prie daugiausiai saugojamų gamtos paslapčių. Gyvybės reiškinius tiria visa eilė mokslo disciplinų, ir įvairių mokslo šakų požiūris į gyvybę nevisada yra vienodas. Ne tik įvairių mažiau giminingų mokslų, bet taip ir biologijos atskiros šakos į gyvybės problemą eina iš skirtingo taško. Pavyzdžiui, zoologui ar botanikui organinės medžiagos fiziniai bei cheminiai tyrimai turės maža reikšmės, jei jie neapims viso organizmo arba nestudijuos visos organizmų šeimos. Priešingai, biochemikui ląstelės atskirose struktūrose cheminių reakcijų vyksmas bus pats svarbiausias gyvybės poreiškis. Be abejo, kiekviena mokslo disciplina, prie gyvybės problemos prieidama iš skirtingos perspektyvos, sustato ir sprendžia skirtingas lygtis, todėl ir tų lygčių sprendimai nevisada duodasi suvedami į vieną bendrą atsakymą. Tas tik parodo, kad viena kuria disciplina arba vienu kuriuo metodu yra neįmanoma gyvybės proceso nusakyti, kad vienu metu tėra galima kalbėti tik apie vieną kurį gyvybės aspektą.
Šiomis eilutėmis norima trumpai paliesti biochemijos mokslo studijuojamus, gyvoje ląstelėje vykstančius medžiagos pakitimus, palyginant juos su negyvosios gamtos medžiagų apykaita. Kaip minėjome, biochemija į gyvybės pažinimą veržiasi per medžiagą. Jau Demokritas mokė, kad mažiausias medžiagos vienetas yra atomas, tačiau daug amžių prabėgo, kol tas Demokrito vienetas virto apčiuopiama tikrove. Šiandien komplikuota atomų sudėtis dalinai jau yra paaiškėjusi, ir atomas yra suskaldomas į daugybę dar mažesnių dalelių. Čia pakaks paminėti, kad atomai yra sudaryti iš trijų skirtingų masių: protonų, neutronų ir elektronų, kurie tarp savęs yra surišti dideliu kiekiu energijos. Protonai ir neutronai sudaro atomo branduolį, apie kurį įvairiuose atstumuose, arba zonose, skrieja negatyvios elektros dalelės — elektronai. Medžiaga, sudaryta vienodos konstrukcijos atomų, vadinama elementais. Atomai savo prigimtimi yra nepastovūs ir kaip tokie gamtoje nesilaiko, bet jungiasi su kitais atomais į medžiagos molekules. Šis atomų jungimasis vyksta prisilaikant vadinamos okteto taisyklės. Tai reiškia, kad atomai tik tada tėra pastovūs, kai jų išorinė elektronų zona turi aštuonius elektronus.1 Daugumoje atomų išorinė zona aštuonių elektronų neturi, todėl jie dalijasi išoriniais elektronais su kitais atomais, tuo sudarydami visai molekulei bendras elektronų orbitas ir patenkindami okteto taisyklę. Šį atomų išoriniais elektronais dalijimosi procesą mes ir vadiname chemine reakcija. Kitas svarbus cheminių reakcijų veiksnys yra energija. Einšteino reliatyvumo teorija yra davusi pagrindą prielaidai, kad medžiaga sudaryta iš energijos. Mes jau žinome, kad vykstant vadinamoms branduolinėms reakcijoms yra atpalaiduojami milžiniški energijos kiekiai. Tačiau normaliai ši energija lyg koks milžinas lieka atomo konstrukcijoje prirakinta, o cheminėse reakcijose dalyvauja tik atomų išorinius elektronus prilaikanti energija. Atomai, per chemines jungtis sudarydami elektronų oktetus, stabilizuojasi, t. y. jie gali išsilaikyti su mažesniu energijos kiekiu ir tokiu būdu atsiradusį energijos perviršių atpalaiduoja. Tad chemines reakcijas dar galima apibūdinti kaip kvantitatyvius energijos pasikeitimus medžiagoje, kartu pakeičiant ir medžiagos fizines savybes. Negyvojoje gamtoje cheminė reakcija natūraliai gali vykti tik tada, kai tokios reakcijos pasėkoje sudaromi pastovesni junginiai ir atpalaiduojama energija. Bet ir tokios reakcijos, kurių rezultatas yra energijos atpalaidavimas, yra reikalingos vadinamos pradinės energijos. Kadangi elektronais neprisotintų palaidų atomų gamtoje nėra, todėl, kad reakcija vyktų, reaguojančių molekulių atomai, prieš susijungdami į naujas kombinacijas, pirma turi būti atpalaiduoti, t. y. senoji jungtis turi būti pertraukta, ir tam yra reikalinga pradinė, arba aktyvacijos, energija. Šiam principui pavaizduoti gal geriausiai tiktų sprogstamoji medžiaga, kur sutrenkimu suteikta pradinė energija pradeda greitą sudėtingos medžiagos skilimo reakciją, kurios pasėkoje atsiranda pastovesni junginiai ir yra atpalaiduojamas gana didelis energijos kiekis. Kadangi, kaip taisyklė, medžiaga ieško tokios formos, kur ji su mažiausiu energijos kiekiu būtų labiausiai pastovi, todėl ir negyvojoje gamtoje vyksta nuolatinis medžiagų perstatinėj imo procesas — medžiagų apykaita. Atmosferiniuose reiškiniuose glūdinti energija tarnauja šiame procese kaip aktyvacijos energija. Be to, ypatingą vietą čia užima energiją atiduodąs užgesusios gyvybės organinių medžiagų lėtas jungimasis su deguoniu *rba puvimas. Be abejo, žmogus, sugebėdamas pajungti gamtoje glūdinčią energiją, gali kurti naujas me džiagas, kurių sudarymui reikalinga energija. Gyvoje ląstelėje, kaip ir negyvojoje gamtoje, vykstąs cheminis procesas klauso tų pačių gamtos dėsnių, tik čia tas procesas yra panaudotas planingam kūrybos tikslui. Kai negyvojoje gamtoje savaime vykstančios cheminės reakcijos priklauso atmosferinių veiksnių ir atsitiktinumo, tai gyvybė yra planingai sukurta. Priešingai gamtoje vykstančioms palaidoms reakcijoms gyvybės procese cheminės reakcijos yra viena su kita glaudžiai sujungtos į reakcijų grandį, kuri kartą pradėjusi veikti jau nebegali nutrūkti, arba kitaip — planas sugriūva, ir organizmas miršta. Ląstelėje vykstančios reakcijos jau neprivalo negyvojoje gamtoje sutinkamos taisyklės, kad cheminė reakcija vyksta tik tada, kai per ją yra išgaunami pastovesni junginiai ir sutaupoma energija. Čia per vienas reakcijas atpalaiduota energija naudojasi kitos energijos reikalingos reakcijos. Gyvybė pozityvų energijos balansą išlaiko saulės pagalba. Augalai (jų lapuose esančios ypatingos medžiagos — chlorofilo pagalba) sugeba panaudoti saulės šviesos energiją anglies dvideginiui redukuoti ir surišti jam su vandeniu į ilgas anglies grandis.2 Kaip ta pirmoji reakcija atrodo ir kokiu mechanizmu ji vyksta, dar ir šiandien nėra pilnai išaiškinta, tačiau jos pasėkoje tokie pastovūs junginiai kaip anglies dvideginis ir vanduo yra išardomi ir sujungiami į ilgas ir energija turtingas anglies grandis, kurios ir sudaro visos organinės medžiagos pagrindą. Gyvūnija, o kartu ir tie patys augalai, skaldydami arba degindami anglies grandis atgal į anglies dvideginį ar vandenį, atgauna saulės įdėtą energiją ir gali panaudoti savo reakcijų vyksmui. Viena — tai šilumos ir energijos kontrolė. Ląstelėje nuolat vykstant cheminėms reakcijoms, kas sekundė cheminės jungtys yra pertraukiamos ir sudaroma tūkstančiai naujų cheminių jungčių. Kadangi jungčiai pertraukti yra reikalinga energija, todėl cheminė reakcija dalinai priklauso nuo cheminių jungčių stiprumo. Dalis ląstelėje pulsuojančių reakcijų iš tikrųjų ir turi silpnas chemines jungtis. Kaip pavyzdį būtų galima nurodyti netikrąją vandenilio jungtį, vadinamą vandenilio tiltu, kurios rišamoji jėga yra šimtus kartų mažesnė už normalias chemines jungtis.4 Vandenilio tilto jungtį ląstelė ypatingai panaudoja, sudarinėdama įvairias specifines baltymų struktūras. Polipeptidų ir baltymų molekulės yra viena su kita surištos šimtais vandenilio jungčių, ir tuo būdu yra išgaunama įvairių formų arba stereospecifinės baltymų struktūros. Kadangi netikrosios vandenilio jungtys yra silpnos, todėl specifinės baltymų struktūros gali būti lengvai sudaromos ar pakeičiamos naujomis struktūromis. Iš kitos pusės, ląstelėje vyksta palyginti greitas absorbuojamų medžiagų degimas, kuris atpalaiduoja nemažus šiluminės energijos kiekius. Priklausomai nuo jos kiekio šiluma suintensyvina kinetinį molekulių ir molekulės atomų judėjimą, tuo silpnindama chemines jungtis. Tuo būdu ląstelė turi išlaikyti savo energijos funkciją tarp dviejų priešybių: iš vienos pusės — greitam ląstelės reakcijų vyksmui yra naudinga silpna cheminė jungtis, iš kitos pusės — ląstelės gaminama šiluma ir energija yra cheminių jungčių griovėjos, ir čia būtų naudingos stiprios cheminės jungtys. Šį komplikuotą dualizmą ląstelė nuostabiai išsprendžia, gamindama specialias energiją kontroliuojančias medžiagas. Stipriai egzotermines, energiją gaminančias reakcijas ląstelė kontroliuoja dviem būdais. Vienas būdas — naudoti laipsnišką energijos nutekėjimą. Iš energija turtingo junginio yra sudaromas keliomis kalorijomis mažiau turtingas junginys, ir taip palaipsniui su kiekviena reakcija junginys praranda dali energijos, kol paskutiniame etape reakcija beduoda tik kelias kalorijas. Antras būdas — su kiekviena reakcija atsiradęs nedidelis energijos perviršius laikinai yra pakraunamas į specialius atsarginius junginius. Čia ypatingą vaidmenį vaidina organinėje medžiagoje įjungtas fosforas. Fosforas labiau nei kiti elementai gali būti molekulėje įrištas skirtingu energijos kiekiu. Energijos transporto junginiai kaip tik ir turi tą savybę, kad atsipalaidavusią energiją gali pakrauti į fosforo jungtis, pakeldami jungties energiją iš žemesnės į daugiau kaip tris kart aukštesnę. Fosforo jungtį pertraukus, energijos perviršius atsipalaiduoia ir gali būti panaudotas kitų reakcijų vyksmui. Žymiausias ląstelės energijos transporto junginys yra adenozino trifosfatas, biocheminėje literatūroje sutrumpintai žinomas ATP vardu. Šio junginio iš audinių išskyrimas ir vėliau sintetinio pagaminimas įgalino mėgintuvėly studijuoti ląstelės chemines reakcijas, kurių vyksmui yra reikalinga pridėtinė energija. Tačiau, nepaisant reakcijos energijos balanso, t. y. ar reakcijos pasėkoje išgaunama ar prarandama energijos, kiekvienai cheminei reakcijai pradėti yra reikalinga aktyvacijos energija. Ląstelė jos reakcijoms reikalingą aktyvacijos energiją kontroliuoja ypatingu būdu, gamindama specifinius junginius, vadinamus enzimais.5 Enzimų molekulės per silpnąsias jungtis laikinai susijungia su reaguojančio junginio molekulėmis, sudarydamos vadinamą enzimosubstrato kompleksą. Enzimas, specifiškai veikdamas į komplekse dalyvaujančio reagento chemines jungtis, laikinai absorbuoja jų energiją, tiksliau tačiant — tas jungtis pertraukia. Reakcijos pasėkoje, susidarant naujoms cheminių jungčių kombinacijoms, absorbuota energija yra atpalaiduojama, ir enzimosubstrato kompleksas išsiskiria į reakcijos produktus ir vėl į tą patį enzimą, kuris gali dalyvauti tolesnėje reakcijų grandinėje. Šias reakcijas būtų galima pavaizduoti sekančiomis lygtimis: E (enzimas) plus S (substratas) lygu ES (enzimosubstrato kompleksas) Yra bendra taisyklė, kad cheminė reakcija gali tik tada įvykti, kai reaguojančių molekulių atomai vienas su kitu susiduria. Enzimai, kaip ir visos baltyminės medžiagos, yra sudaryti iš įvairių amino rūgščių, kurios per peptido jungtį yra sujungtos į ilgas grandines-polipeptidus. Savo ruožtu nolipeptidai, lyg virvės vydamiesi aplink vienas kitą, sudaro stereochemiškai komplikuotas baltymų ir enzimų molekules. Kadangi enzimas su reaguojančia molekule jungiasi tik per kelis ar keliolika tai reakcijai specifiškų atomų, jo išorinė struktūra turi būti taip pritaikyta, kad reakcijoje dalyvaują atomai galėtų vienas su kitu susidurti. Kitaip tariant enzimas su reagentu gali susijungti tik tada, kai enzimas savo forma atitinka reagento struktūrą, kaip raktas atitinka užraktą. Kaip šio principo praktišką vyksmą chemikai įsivaizduoja, galima matyti žemiau pateiktoje diagramoje. Čia veikiant enzimui — gintaro rūgšties dehidrogenazei ir vandenilio prijungėjui difodfopiridinodinukleotidui, sutrumpintai vadinamam DPN, gintaro rūgštis virsta fumerine rūgštimi pagal cheminę lygtį: CHO, + DNP = C4H404 + DPNE Mūsų organizmui, pavyzdžiui, reikia vitaminų, tačiau augalai ir žemesnieji gyviai turi vitaminų nemažus kiekius. Tai reiškia* kad jų organizmas tas vitaminais vadinamas medžiagas pats pasigamina, o mes jų turime gauti per maistą, nes mes nepaveldėjome atitinkamų genų, kurie įsakytų vitaminus gaminti. Lygiai tokia pat istorija yra su amino rūgštimis. Iš dvidešimties baltymus sudarančių amino rūgščių žmogaus organizmas negali pasigaminti aštuonių, nes trūksta šiam reikalui enzimų. Ši teorija virto visuotinai priimtu faktu, kai maždaug prieš dešimtį metų iradijuojant mikroorganizmą Neurospora crassa buvo padaryta jų genų i struktūroj e pakeitimų. Prieš iradijaciją šie mikroorganizmai galėjo pasigaminti amino rūgštis, naudodami neorganinius nitratus ar amonio druskas. Iradijaciją iššaukė naujus mutantus, t. y. naują mikroorganizmų rūšį, kurių vegetacijai ir dauginimuisi jau reikėjo pridėti kai kurių amino rūgščių bei vitaminų. Dabar jau yra pavykę pakeisti kai kurias mikroorganizmų paveldimas savybes, fiziškai perkeliant genus iš vieno organizmo į kitą. Sumuojant čia pateiktas mintis, pirmiausia tenka pabrėžti, kad biochemija, kaip ir joks kitas mokslas, neišaiškina, kas yra gyvybė. Fizikos ir chemijos mokslams vis giliau braunantis į medžiagos prigimties ir jos kitimo principų pažinimą, biochemija ir biofizika ėmėsi išskirtino uždavinio — studijuoti medžiagos ir energijos pakitimus gyvoje ląstelėje. Šios studijos atskleidė nuostabiai sudėtingus medžiagos apykaitos mechanizmus ir kartu įrodė, kad gyvybės proceso pagrinde vyksta įvairių medžiagos struktūrų kūrimas, jų ardymas ir vėl iš naujo perstatinėj imas. Gal nedaug atsiras biochemikų, kurie prieštarautų principui, kad ląstelės įvairios funkcijos techniškai vyksta per jos kuriamas specifines struktūras, kaip kad mašinos veikimas vyksta per įvairius jos ratukus ar kitas mechanines dalis. Tačiau, iš kitos pusės, šis struktūriškai-mechaninis principas, įnešęs tiek daug šviesos i vegetatyvines paskiros ląstelės funkcijas, mažai tepagelbsti atskiro gyvio ar gyvių grupės poelgiams studijuoti. Čia gyvybės pažinimo bei jos veiksmų priežastingumo studijas perima jau kitos mokslinės disciplinos. 1. L. Pauling, General Chemistry, W. H. Freeman and Co. San Francisco, 1948, 139-165. |