Ганс Фишер: почему кровь красная, а листья зелёные

27 июля 1881 года родился Ганс Фишер — химик, который помог понять, почему кровь красная, а листья растений зелёные. За этими двумя цветами скрываются родственные молекулярные конструкции: одна участвует в переносе кислорода и клеточном дыхании, другая позволяет растениям поглощать энергию света. Фишер занимался веществами, которые придают окраску крови, желчи и растениям.

Сегодня нам известны их точные формулы, трёхмерные структуры и роль в клетке. В начале XX века всё было иначе: сложные природные молекулы приходилось разбирать на части химическими реакциями, определять строение фрагментов, а затем пытаться собрать исходное соединение заново. Именно таким путём Фишер исследовал гемин и другие порфириновые соединения.

Его работа помогла установить строение молекулярного каркаса гема — небелковой части гемоглобина, непосредственно связанной с переносом кислорода.

Как химики расшифровали пигмент крови

Гемоглобин состоит из белковой части и четырёх молекул гема. Каждый гем представляет собой крупное кольцо из связанных между собой более мелких фрагментов. Такие кольцевые структуры называют порфиринами.

В центре гема удерживается атом железа. В функционирующем гемоглобине железо находится преимущественно в двухвалентном состоянии и способно обратимо связывать кислород. В лёгких кислород присоединяется к железу, а в тканях, где его концентрация ниже, высвобождается.

Белковое окружение гема регулирует этот процесс и позволяет четырём частям гемоглобина взаимодействовать друг с другом. Сам Фишер работал главным образом с гемином. Это не совсем то же самое, что гем внутри нормального гемоглобина.

Гемин содержит окисленное трёхвалентное железо и обычно связан с хлорид-ионом. Такая форма стабильнее и была удобнее для выделения и химического анализа. Фишер и его коллеги разрушали природные пигменты на более простые компоненты, изучали производные пиррола, определяли положение боковых групп и синтезировали предполагаемые структуры.

Когда искусственно полученное вещество совпадало с природным по химическим свойствам, это становилось сильным подтверждением правильности предложенной формулы. К концу 1920-х годов Фишер осуществил полный синтез гемина. В 1930 году он получил Нобелевскую премию по химии за исследования строения гемина и хлорофилла, особенно за синтез гемина.

Для химии того времени это было выдающееся достижение: чрезвычайно сложный природный пигмент удалось собрать из более простых исходных веществ.

Почему кровь действительно красная

Можно услышать упрощённое объяснение: кровь красная, потому что в ней есть железо. Но кусок железа не имеет цвета крови. Красная окраска возникает благодаря всей электронной системе гема — большому кольцу с чередующимися химическими связями и атомом железа в центре.

Электроны в таком кольце способны взаимодействовать со светом. Молекула поглощает одни участки видимого спектра сильнее других, а оставшийся свет воспринимается нами как красный. Железо влияет на электронную структуру гема, но цвет нельзя приписать только одному атому.

Присоединение кислорода изменяет взаимодействие железа, порфиринового кольца и белка, поэтому меняется и оттенок. Насыщенная кислородом артериальная кровь выглядит ярко-красной, а кровь с меньшим содержанием кислорода — более тёмной. Однако венозная кровь тоже красная.

Голубоватый вид вен под кожей связан с тем, как свет проходит через ткани и отражается от них, а не с синим цветом самой крови. Гем нужен организму не только в гемоглобине. Он входит в состав миоглобина, который помогает запасать кислород в мышцах, а также цитохромов, каталазы и некоторых других ферментов.

Эти белки участвуют в получении клеточной энергии, обезвреживании активных форм кислорода и переработке различных веществ. Поэтому работы Фишера касались не просто цвета крови. Они помогли раскрыть устройство молекулярного компонента, который связывает перенос кислорода с энергетическим обменом клетки.

Что объединяет кровь и зелёный лист

После исследований кровяных пигментов Фишер много работал над химией хлорофилла.

Эта молекула поглощает свет и запускает фотосинтез — процесс, благодаря которому растения создают органические вещества из углекислого газа и воды. Гем и хлорофилл относятся к одной большой семье тетрапиррольных соединений. Их основу образуют четыре связанных азотсодержащих кольца.

У гема в центре находится железо, а у хлорофилла — магний. Иногда различие между ними сводят только к замене железа на магний. Это слишком сильное упрощение.

Структуры колец, набор боковых групп и другие элементы молекул тоже различаются. Хлорофилл, например, имеет длинный гидрофобный хвост, помогающий удерживать его в мембране, а его кольцевая система устроена несколько иначе, чем классический порфирин гема. Тем не менее химическое родство этих молекул принципиально важно.

Природа использует сходный каркас для двух фундаментальных процессов. Хлорофилл улавливает энергию солнечного света, а гем помогает клеткам использовать кислород и извлекать энергию из питательных веществ. Фишер не установил в одиночку все детали работы гемоглобина и фотосинтеза.

Позднее рентгеноструктурный анализ, спектроскопия и молекулярная биология показали, как гем располагается внутри белка, почему гемоглобин связывает кислород кооперативно и как хлорофилл работает в составе сложных фотосинтетических комплексов. Но без точного знания химической структуры эти последующие открытия было бы трудно интерпретировать. Фишер превратил цвет крови и листьев из внешнего признака в молекулярную задачу, которую можно было проверять экспериментально.

Его история показывает, как фундаментальная химия меняет наше понимание жизни. Красная кровь и зелёные листья выглядят совершенно по-разному, но на молекулярном уровне говорят на родственном химическом языке.