Svestrana kemija

Kada je 1828. godine mladi njemački kemičar Friedrich Wöhler grijanjem „neživog” amonijeva cijanata dobio „živu” mokraćevinu, organska je kemija postala ono što i danas jest – kemija ugljikovih spojeva. Veza između ugljika i života još se više učvrstila 1953. godine, kada su američki biolog James D. Watson i njegov engleski kolega Francis Crick riješili kemijsku strukturu gena, molekule DNA. Nedugo zatim Crick postavlja centralnu dogmu (učenje) molekularne biologije: kemijske formule svih naših bjelančevina zapisane su u genima, u molekulama DNA. Bjelančevine opet određuju sva zbivanja u stanici. Jer najveći broj bjelančevina što se sintetiziraju prema uputama molekule DNA jesu enzimi, a enzimi kataliziraju, pa stoga i određuju, sve kemijske promjene u živim bićima.

a) Friedrich Wöhler (1800. − 1882.). b) Sinteza organskog spoja (uree) iz anorganskog spoja (amonijeva cijanata).

...........................

Tajna života sagledana iz te perspektive čini se jednostavnom i odavna riješenom: sve što se događa u živim bićima, od najjednostavnije bakterije do čovjeka, samo su kemijske promjene ugljikovih spojeva − spojeva ugljika s vodikom, kisikom, dušikom, ponegdje još sa sumporom i fosforom. Kažu da je Wöhler svojim poznatim pokusom oborio vitalizam, učenje da živa tvar može nastati samo iz žive tvari. Nema te molekule u ljudskom tijelu koju kemičar ne bi mogao napraviti u svom laboratoriju, bez ikakve pomoći žive stanice. „Žive” od „neživih” molekula dijeli samo vještina kemičara. To jasno proizlazi iz Wöhlerova pokusa i bezbrojnih pokusa kemičara koji su krenuli njegovih tragom. No, bojim se da je njemački kemičar oborivši vitalizam samo stvorio vitalizam druge vrste. Evo zašto.

Ako je organska kemija isto što i kemija ugljikovih spojeva, to znači da su i ugljikovi spojevi na neki način živi jer se samo na njima temelji i može temeljiti život. Pa opet, nisu svi organski spojevi „živi” jer ugljikove spojeve ne nalazimo samo u živoj prirodi. Isto tako, nisu ni svi spojevi ugljika organski spojevi. Nitko za ugljikov dioksid, CO₂, ili za sodu bikarbonu, NaHCO₃, neće reći da su organske tvari, premda „C” u njihovoj kemijskoj formuli (pre)jasno govori da sadržavaju ugljik. Riješivši jedno pitanje, Wöhler je − kako to obično u znanosti biva − otvorio mnogo novih. Svi spojevi ugljika nisu organski spojevi, uči se u kemiji, organski su samo oni koji mogu pougljeniti, koji se mogu karbonizirati. Ni ugljikov dioksid ni soda bikarbona ne mogu se žarenjem pretvoriti u ugljen. U ugljen se ne može pretvoriti ni voda, premda bez vode nema života.

I tako nastade zbrka s riječima. Ono što je ugljikovo ne mora biti organsko. Ono što je organsko ne mora biti karbogeno (ono što se može karbonizirati). Ono što je karbogeno ne mora biti biogeno (ono što nastaje radom živih bića). Na kraju, ono što je biogeno ne mora biti organsko.

U školi se uči anorganska, potom organska kemija. Prva bi, sudeći prema imenu, trebala biti kemija neživoga, a druga kemija živoga svijeta. Ništa od toga! Organska se kemija bavi sintezom i analizom karbogenih spojeva. Kemijom živoga bavi se, pak, biokemija, a ta se kemija opet dijeli na dvije grane: bioorgansku kemiju (biokemiju organskih spojeva) i bioanorgansku kemiju (biokemiju anorganskih spojeva). Svoj toj zbrci s riječima kumovalo je neznanje kemičara.

U Wöhlerovo doba bilo je lakše istraživati sudbinu karbogenih (organskih) spojeva u živim bićima nego sudbinu anorganskih soli. Sve što su kemičari početkom prošloga stoljeća mogli reći o vezi između minerala i života bila je analiza pepela. Tek su se prije pola stoljeća pojavile metode koje su kemičarima omogućile da u živim bićima prate sudbinu anorganskih iona i njihovih spojeva, kompleksa s biogenim, organskim molekulama. (Jesu li to organski ili anorganski spojevi? Mogu se karbonizirati, ali i spaliti do pepela.) Tek tada se, možemo slobodno reći, rodila nova grana biokemije – bioanorganska kemija. „Gledajući na bioanorgansku kemiju”, pisao je R. J. P. Williams, jedan od najpoznatijih znanstvenika na tom području, „čovjek je zatečen nedostatkom bilo kakvog sustavnog razumijevanja ili pristupa.” I ima pravo kad tako kaže, a nije dalje od istine ni kad kaže da je bioanorganska kemija slična anorganskoj kemiji prije otkrića periodnog sustava elemenata. 

R. J. P. Williams (1926. − 2015.), engleski kemičar i jedan od pionira bioanorganske kemije

.....................................

Što se zbiva u živoj stanici, može se razumjeti iz međudjelovanja molekula bjelančevina i nukleinskih kiselina (centralna dogma molekularne biologije), a ako hoćemo ići u detalje, možemo utažiti znatiželju čitajući bilo koju knjigu iz biokemije. Ondje ćemo pronaći kako se jedna molekula premeće u drugu. Vidjet ćemo točan put pretvorbe glukoze u vodu i ugljikov dioksid ili, ako malo skrenemo s tog puta, u aminokiseline ili masne kiseline. Vidjet ćemo i kako se (u jetrima) etilni alkohol pretvara u acetaldehid (etanal), a potom u octenu kiselinu. Po zidovima kemijskih laboratorija vise karte staničnog metabolizma. Svaku reakciju na dugom putu pretvorbe katalizira jedan enzim, a taj je enzim sintetiziran prema svom genu, segmentu molekule DNA. Ništa se slično ne može napisati za ione metala. U živom svijetu postoji korespondencija jedan gen − jedan protein. Takva korespondencija ne postoji za metale. Nema gena za natrij ili željezo. Ureaza je, jednostavno rečeno, enzim koji katalizira reakciju raspada uree (mokraćevine) na amonijak (zbog čega ustajala mokraća zaudara). Da se kaže, pak, čemu sve služe kalcij ili magnezij, trebalo bi napisati knjigu. Rekli bismo da se ioni metala vežu za molekule u živim bićima kaotično, slučajno, bez ikakva reda. Pa ipak, sve što sudjeluje u složenoj igri života služi nekoj svrsi.

Jedno od najvećih otkrića 20. stoljeća, molekula DNA, kao umjetničko djelo: ovako je američki umjetnik Charles Jencks zamislio Spirale vremena (Time Spirals) i smjestio ih u park ispred laboratorija Cold Springs Harbor

..............................

Ioni metala služe prije svega za stabilizaciju biomolekula. Deoksiribonukleinska kiselina (DNA), u obliku u kakvom je u stanici, nije kiselina, nego magnezijeva sol. Enzimi ne djeluju u otopinama koje ne sadržavaju iste ione kao i stanica iz koje su izdvojeni. Ioni metala magnezija, natrija, kalija, pa i ioni cinka služe poput lijepka koji održava i daje oblik velikim molekulama bjelančevina i nukleinskih kiselina i tako ih čini biološki aktivnima. Druga je svrha iona metala u organizmu da prenose molekule i njihove dijelove potičući time kemijske promjene. Bakar i željezo prenose molekule kisika, no ta dva metala prenose i elektrone. Tako sudjeluju u oksidacijama i redukcijama. Drugi, pak, metali, cink na primjer, sudjeluju u reakcijama hidrolize, kojima se i izgrađuju i razgrađuju organske molekule. Selenij, pak, sudjeluje u uklanjanju slobodnih radikala, onih reaktivnih molekularnih vrsta koje oštećuju gene izazivajući mutacije. 

a) Struktura mioglobina. Zadaća mioglobina jest vezanje kisika, koji putem krvi donosi hemoglobin, i njegovo skladištenje. Za vezanje kisika odgovoran je željezov ion uz potporu ostalih dijelova molekule mioglobina. b) Struktura probavnog enzima karboksipeptidaze A s cinkovim atomom u aktivnome mjestu.

..........................

U svim navedenim, a još više u nenavedenim primjerima, ioni ne djeluju sami. Oni su uvijek vezani za organske molekule, kao njihov sastavni i najvažniji dio. Najvažniji dio? Teško je reći što je u složenom mehanizmu života važnije, a što manje važno, pa ipak. Mnoge kemijske promjene u kojima sudjeluju ioni metala vezani za organske molekule odigravale bi se i bez organskih molekula. Ioni su metala sami po sebi kemijski reagensi, oni su počesto katalizatori i u slobodnom stanju. Za kemijsku bi reakciju nerijetko bio dostatan i sam ion metala, ali bez proteinskog „dodatka” reakcija bi tekla puno sporije, a tko zna što bi u njoj sve nastalo. U reakciji ne bi sudjelovale samo molekule koje trebaju sudjelovati, nego i mnoge druge slične molekule. A takvih, sličnih, molekula u stanici ima na tisuće.

Organski, proteinski dio enzima prilagođava djelovanje iona metala potrebama stanice. O okružju iona metala ovisi koje će se molekule za njega vezati, no često i kojom će brzinom na njih djelovati. Sve nam to pokazuje da metali nisu u živim bićima samo sporadično, slučajno, kako su mislili znanstvenici potkraj 19. stoljeća. Bez natrija, kalija, kalcija, magnezija, bakra i željeza nema života, kao što ga nema ni bez bjelančevina i nukleinskih kiselina. No, to nije kraj priče. Bez metala život ne samo da se ne može održati, bez metala život nije mogao ni nastati.

Tekst je preuzet iz knjige Nenada Raosa „Metali života − metali smrti” (Školska knjiga, Zagreb, 2008.), znanstveno-popularnog djela o bioanorganskoj kemiji i toksikologiji metala. Pričom o devet metala (olovu, željezu, živi, bakru, arsenu, natriju, kalciju, uraniju i platini) autor uvodi čitatelja u područja biokemije, fiziologije i ekotoksikologije. U djelu se spominju mnogi povijesni događaji i znanstvene zablude s područja farmacije i medicine.

.............

Priredio i uredio: Goran BUKAN