При попадании в организм животных синильной кислоты или ее солей образующийся ион CN– связывается с гемоглобином – красным веществом крови, обеспечивающим перенос кислорода из легких к остальным органам. Кислород обратимо связывается атомом железа, встроенным в так называемое порфириновое ядро – молекулу довольно сложной структуры, присоединенную к белковой части гемоглобина. Ион CN– образует с тем же атомом железа более прочное соединение, возникший в результате циангемоглобин уже не способен переносить кислород. Ясно, что последствия этого оказываются самыми печальными: удушье вследствие кислородного голодания.
Случай с цианистым калием демонстрирует нам первый пример как бы мимикрии на молекулярном уровне: явления, весьма важного для понимания механизмов химического воздействия на биологические объекты. В данном случае ион CN– как бы прикинулся кислородом, занял его место. Таким именно образом действуют многие вещества: имея сходство в химическом и структурном отношении с соединениями, участвующими в нормальном обмене веществ организма, они вовлекаются вместо них в соответствующие реакции.
Результаты могут быть разными, но это уже отдельный вопрос.
Далее, а как обстоит дело с избирательностью действия цианистого калия на организменном уровне? Ведь гемоглобин содержится только в крови позвоночных. Означает ли это, что, скажем, для насекомых, растений, микроорганизмов он безвреден? Нет, не означает.
Во-первых, в организме беспозвоночных функцию, присущую гемоглобину, – транспорт кислорода, – выполняют другие, весьма сходные с ним дыхательные белки – эритрокруорины. Они содержат ту же порфириновую группу с атомом железа, совершенно аналогично функционируют и так же, как гемоглобин, необратимо связывают ион CN–.
Во-вторых, такую же группу содержат и многие другие белки, не имеющие отношения к функции переноса кислорода, но очень важные для нормального течения различных обменных процессов в организме: цитохромы, каталазы и т.п. Представители белков этой группы присутствуют практически во всех организмах, кроме разве что вирусов; таким образом, цианистый калий – яд довольно универсальный, истребляющий, как и серная кислота, все (ну, почти все) живое.
Почти – потому, что есть организмы, безразличные к поразительно высоким концентрациям цианидов... Эпиграфом к заключительной главе одной весьма специальной книги, посвященной ядам животных, взято высказывание американского физиолога К. Шмидт-Нильсена:
«Один из способов быть. несъеденным – это стать несъедобным». Очень многими способами реализуется этот полезный совет представителями и растительного и животного царства. Чертополох угрожающе растопыривает свои колючки, полынь имеет омерзительно горький вкус, горькой же слизью покрыто тело жаб, а у некоторых она еще к тому же ядовита.
Именно ядовитость, пожалуй, самая распространенная причина несъедобности. Километрами бредет иной грибник по лесу, не находя решительно ничего, что можно было положить в корзину, и с раздражением поглядывает на огромные скопления ложного опенка, попадающиеся буквально на каждом шагу, на самодовольных красавцев мухоморов. Все другие, съедобные, не уцелели. Впрочем, некоторые знатоки утверждают, что по-настоящему несъедобных грибов очень немного, а большинство тех, мимо которых грибники проходят равнодушно или даже с омерзением, после соответствующей обработки можно есть за милую душу.
Есть и обратные примеры. В Японии большим деликатесом считается рыба фугу, хотя совершенно доподлинно известно, что в ее коже и некоторых внутренностях содержится страшный яд – тетродотоксин. Ежегодно десятки людей гибнут от отравления фугу, есть у японцев и назидательная пословица о лакомках, погибших из-за своего порока, отравившись фугу. А это может случиться в результате маленькой небрежности при разделке, а иногда и вообще неизвестно почему: просто попался особо ядовитый экземпляр, или время было неподходящее (фугу особенно ядовита в первой половине лета). Трудно понять такое легкомыслие со стороны рассудительных, по нашим представлениям, японцев. А, впрочем, много ли наших курильщиков принимает близко к сердцу отпугивающие статистические данные о горестной судьбе приверженцев никотина?
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.
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.
