Энергетика живой клетки кратко. Энергия в клетке. Использование и хранение. Кислород: жизнетворная необходимость

ЭНЕРГИЯ КЛЕТКИ, ВОЗНИКАЮЩАЯ ВСЛЕДСТВИЕ ОКИСЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Превращение органических веществ в клетке. Органические вещества (углеводы, жиры, белки, витамины и др.) образуются в растительных клетках из углекислого газа, воды и минеральных солей.

Поедая растения, животные получают органические вещества в готовом виде. Энергия, запасенная в этих веществах, переходит вместе с ними в клетки гетеротрофных организмов.

В клетках гетеротрофных организмов энергия органических соединений при их окислении превращается в энергию АТФ . При этом гетеротрофные организмы выделяют углекислый газ и воду, которые вновь используются автотрофными организмами для процесса фотосинтеза.

Энергия, запасенная в АТФ, затрачивается на поддержание всех процессов жизнедеятельности: биосинтеза белков и других органических соединений, движения, роста и деления клеток.

Для всех клеток живых организмов характерна способность к преобразованию одного вида энергии в другой . В каких же клеточных органоидах осуществляются процессы извлечения энергии, запасенной в органических соединениях? Было установлено, что конечный этап распада и окисления молекул глюкозы до углекислого газа с освобождением энергии происходит в митохондриях.

Почему при окислении органических соединений освобождается энергия? Электроны в составе молекул органических соединений обладают большим запасом энергии, они как бы подняты в них на высокий энергетический уровень. Энергия высвобождается, когда электроны перемещаются с высокого уровня на более низкий уровень в своей или другой молекуле или атоме, которые способны быть приемниками электронов.

Таким приемником электронов служит кислород.

В этом и есть его главная биологическая роль. Для этого нам и нужен кислород воздуха.

Рассказывая о фотосинтезе, мы сравнивали электрон хлорофилла, .возбужденный светом, с камнем, поднятым на высоту: падая с высоты, он теряет энергию. Такое сравнение уместно и в случае окисления органических соединений.

Кислород, необходимый для процессов окисления, поступает в организм во время дыхания. Поэтому процесс дыхания непосредственно связан с биологическим окислением. Процессы биологического окисления органических веществ осуществляются в митохондриях.

Известно, что при горении органических веществ образуются углекислый газ и вода. При этом энергия выделяется в виде теплоты. Так, присоединяя кислород и окисляясь, горят, например, дрова, нефть, газ (метан).

Окисление органических веществ также сопровождается образованием углекислого газа и воды. Но биологическое окисление в корне отличается от горения. Процессы биологического окисления протекают ступенчато, при участии ряда ферментов. При сгорании органических веществ почти вся энергия выделяется в виде теплоты.

При биологическом окислении около 50% энергии органических веществ превращается в энергию АТФ, а также иных молекул-носителей энергии. Остальные 50% энергии окисления превращаются в теплоту. Поскольку ферментативные процессы окисления идут ступенчато, тепловая энергия выделяется постепенно и успевает рассеиваться во внешней среде, не повреждая чувствительных к нагреванию белков и других веществ клетки. В этом состоит главное отличие процессов окисления, протекающих в живых организмах, от горения.

Жизнедеятельность клеток требует энергетических затрат. Живые системы(организмы) получают ее из внешних источников, например, от Солнца(фототрофы, каковыми являются растения, некоторые виды простейших и микроорганизмы), или производят ее сами(аэробные аутотрофы) в результате окисления различных веществ(субстратов).

В обоих случаях клетки синтезируют универсальную высокоэнергетичную молекулу АТФ(аденозинтрифосфорную кислоту),при разрушении которой выделяется энергия. Эта энергия расходуется для выполнения всех видов функций- активного транспорта веществ, синтетических процессов, механической работы и т.д.

Сама по себе молекула АТФ достаточно проста и представляет собой нуклеотид, состоящий из аденина, сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.(Рис). Молекулярная масса АТФ невелика и составляет 500 дальтон. АТФ является универсальным переносчиком и хранителем энергии в клетке, которая заключена в высокоэнергетичных связях между тремя остатками фосфорной кислоты.

структурная формула пространственная формула

Рис 37. Аденозин-трифосфорная кислота (АТФ)

Цвета для обозначения молекул(пространственная формула):белый –водород,красный – кислород, зеленый –углерод, голубой –азот,темно-красный - фосфор

Отщепление одного лишь остатка фосфорной кислоты от молекулы АТФ сопровождается высвобождением значительной порции энергии – около 7,3 ккал.

Как же происходит процесс запасания энергии в виде АТФ? Рассмотрим это на примере окисления(сгорания) глюкозы – распространенного источника энергии для перевода в энергию химических связей АТФ.

Рис 38. Структурная формула

глюкозы (содержание в крови человека- 100 мг%)

Окисление одного моля глюкозы(180 г) сопровожда-

ется выделением около 690 ккал свободной энергии.

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 6СО 2 +6Н 2 О + Е(около 690 ккал)

В живой клетке это огромное количество энергии высвобождается не сразу, а постепенно в виде ступенчатого процесса и регулируется целым рядом окислительных ферментов. При этом, высвобождаемая энергия переходит не в тепловую энергию, как при горении, а запасается в виде химических связей в молекуле АТФ(макроэргические связи) в процессе синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Этот процесс можно сравнить с работой аккумулятора, который заряжается от различных генераторов и может обеспечивать энергией множество машин и аппаратов. В клетке роль унифицированного аккумулятора выполняет система аденозин-ди и три-фосфорных кислот. Зарядка аденилового аккумулятора состоит в соединении АДФ с неорганическим фосфатом (реакция фосфорилирования) и образовании АТФ:

АДФ + Ф неорг АТФ + Н 2 О

Для образования всего 1 молекулы АТФ требуется затрата энергии извне в количестве 7,3 ккал. И наоборот, при гидролизе АТФ(разрядке аккумулятора) это же количество энергии выделяется. Оплата этого энергетического эквивалента, называемого в биоэнергетике “ квантом биологической энергии “ происходит из внешних ресурсов – то есть за счет пищевых веществ. Роль АТФ в жизнедеятельности клетки может быть представлена так:

Энергети- Система Система Функции

ческие ре- аккумуляции использова- клетки

сурсы энергии ния энергии

Рис.39 Общий план энергетики клетки

Синтез молекул АТФ происходит не только за счет расщепления углеводов(глюкозы), но и белков(аминокислот) и жиров(жирных кислот). Общая схема каскадов биохимических реакций такова(Рис).

1.Начальные этапы окисления происходят в цитоплазме клеток и не требуют участия кислорода. Эта форма окисления называется анаэробным окислением, или проще – гликолизом. Основной субстрат при анаэробном окислении –гексозы, преимущественно глюкоза. В процессе гликолиза происходит неполное окисление субстрата: глюкоза распадается до триоз (две молекулы пировиноградной кислоты). При этом, для осуществления реакции в клетке затрачивается две молекулы АТФ, но и синтезируется 4 молекулы АТФ. То есть, методом гликолиза клетка “ зарабатывает” всего две молекулы АТФ при окислении 1 молекулы глюкозы. С точки зрения эффективности энергетики это

маловыгодный процесс.При гликолизе высвобождается всего 5% энергии химических связей молекулы глюкозы.

С 6 Н 12 О 6 + 2Ф неорг +2АДФ 2 С 3 Н 4 О 3 +2АТФ + 2Н 2 О

Глюкоза пируват

2. Образовавшиеся в процессе гликолиза триозы (в основном-пировиноградная кислота, пируват) использу-

ются для дальнейшего более эффективного окисления, но уже в органеллах клетки – митохондриях. При этом, высвобождается энергия расщепления всех химических связей, что приводит к синтезу большого количества АТФ и потреблению кислорода.

Рис.40 Схема цикла Кребса(трикарбоновых кислот) и окислительного фосфорилирования(дыхательной цепи)

Эти процессы связаны с окислительным циклом трикарбоновых кислот (синонимы:циклом Кребса, циклом лимонной кислоты) и с цепью переноса электронов с одного фермента на другой (дыхательная цепь), когда из АДФ образуется АТФ путем присоединения одного остатка фосфорной кислоты(окислительное фосфорилирование).

Понятием “окислительное фосфорилирование “ определяют синтез АТФ из АДФ и фосфата за счет энергии окисления субстратов (питательных веществ).

Под окислением понимают отнятие электронов от вещества, соответственно – восстановление – присоединение электронов.

Какова роль окислительного фосфорилирования у человека? Представление об этом может дать следующий грубый расчет:

Взрослый человек при сидячей работе потребляет в день около 2800 ккал энергии с пищей. Для того, чтобы такое количество энергии было получено методом гидролиза АТФ, потребуется 2800/7,3 = 384 моль АТФ, или 190 кг АТФ. Тогда как известно, что в организме человека содержится около 50 г АТФ. Поэтому ясно, что для удовлетворения потребности в энергии в организме эти 50 г АТФ должны тысячи раз расщепиться и заново синтезироваться. Кроме того, сама скорость обновления АТФ в организме меняется в зависимости от физиологического состояния – минимальная во время сна и максимальная – при мышечной работе. А это означает, что окислительное фосфорилирование – не просто непрерывный процесс, но и регулируемый в широких пределах.

Суть окислительного фосфорилирования заключается в сопряжении двух процессов, когда окислительная реакция с привлечением энергии извне(экзэргическая реакция) увлекает за собой другую, эндэргическую реакцию фосфорилирования АДФ неорганическим фосфатом:

А в АДФ + Ф н

окисление фосфорилирование

Здесь А в –восстановленная форма вещества, подвергающегося фосфорилирующему окислению,

А о – окисленная форма вещества.

В цикле Кребса образовавшийся в результате гликолиза пируват (СН 3 СОСООН) окисляется до ацетата и соединяется с коферментом А, образуя ацетил-коА. После нескольких этапов окисления образуется шестиуглеродное соединение лимонная кислота(цитрат), также окисляющееся до оксал-ацетата; затем цикл повторяется(Cхема цикла трикарб. Кислот). При этом окислении выделяются две молекулы СО 2 и электроны, которые переносятся на акцепторные(воспринимающие) молекулы ко-ферментов(НАД – никотинамиддинуклеотид) и затем вовлекаются в цепь переноса электронов с одного субстрата(фермента) на другой.

При полном окислении одного моля глюкозы до СО 2 и Н 2 О в цикле гликолиза и трикарбоновых кислот образуется 38 молекул АТФ с энергией химических связей 324 ккал, а общий выход свободной энергии этого превращения, как отмечалось ранее, составляет 680 ккал. Эффективность выхода запасенной энергии в АТФ составляет 48%(324/680 х100%= 48%).

Cуммарное уравнение окисления глюкозы в цикле Кребса и гликолитическом цикле:

C 6 Н 12 О 6 +6О 2 +36 АДФ +Ф н 6СО 2 +36АТФ + 42Н 2 О

3. Освободившиеся в результате окисления в цикле Кребса электроны соединяются с ко-ферментом и транспортируются в цепь переноса электронов(дыхательную цепь) с одного фермента на другой, где в процессе переноса и происходит сопряжение(трансформация энергии электронов в энергию химических связей) с синтезом молекул АТФ.

Существует три участка дыхательной цепи, в которых энергия процесса окисления-восстановления трансформируется в энергию связей молекул в АТФ. Эти участки называются пунктами фосфорилирования:

1.Участок переноса электронов от НАД-Н к флавопротеиду, синтезируется 10 молекул АТФ за счет энергии окисления одной молекулы глюкозы,

2.Перенос электронов на участке от цитохрома б к цитохрому с 1 , фосфорилируется 12 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы,

3. Перенос электронов на участке цитохром с – молекулярный кислород, синтезируется 12 молекул АТФ.

Итого, на этапе дыхательной цепи происходит синтез(фосфорилирование) 34 молекул АТФ. А общий выход АТФ в процессе аэробного окисления одной молекулы глюкозы составляет 40 единиц.

Таблица 1

Энергетика окисления глюкозы

На каждую пару электронов, передающихся по цепи от НАД –Н + к кислороду, синтезируется три молекулы АТФ

Дыхательная цепь представляет собой ряд белковых комплексов, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий(Рис 41).

Рис.41 Схема расположения ферментов дыхательной цепи во внутренней мембране митохондрий:

1-НАД-Н-дегидрогеназный комплекс, с 1 -комплекс, 3-цитохром-оксидазный комплекс, 4-убихинон, 5-цито-

хром-с, 6-матрикс митохондрии, внутренняя мембрана митохондрии,8- межмембранное пространство.

Итак, полное окисление исходного субстрата завершается высвобождением свободной энергии, значительная часть которой (до 50%) расходуется на синтез молекул АТФ, образованием СО 2 и воды.Другая половина свободной энергии окисления субстратов идет на следующие нужды клетки:

1. Для биосинтеза макромолекул(белков, жиров, углеводов),

2. Для процессов движения и сокращения,

3. Для активного транспорта веществ через мембраны,

4.Для обеспечения передачи генетической информации.

Рис.42 Общая схема процесса окислительного фосфорилирования в митохондриях .

1- наружная мембрана митохондрии, 2- внутренняя мембрана, 3- встроенный во внутреннюю мембрану фермент АТФ-синтетаза.

Синтез молекул АТФ

Синтез АТФ происходит во внутренней мембране митохондрий, смотрящей в матрикс(Рис 42 выше).В нее встроены специализировавнные белки-ферменты, занимающиеся исключительно синтезом АТФ из АДФ и неорганического фосфата Ф н -АТФ-синтетазы(АТФ-С) . В электронном микроскопе эти ферменты имеют весьма характерный вид, за что и были названы “грибовидными тельцами”(Рис). Эти структуры сплошь выстилают внутреннюю поверхность мембраны митохондрии,направленную в матрикс.По образному

выражению известного исследователя биоэнергетики проф. Тихонова А.Н.,АТФ-С является “самым миниатюрным и совершенным мотором в природе”.

Рис.43 Локализация

АТФ-синтетаз в мембране мито-

хондрий(клетки животных) и хлоропластов(клетки растений).

Голубые участки -области с повышенной концентрацией Н + (кислотная зона),оранжевые участки –области с низкой концентрацией Н + .

Внизу: перенос ионов водорода Н + через мембрану при синтезе(а) и гидролизе(б) АТФ

Эффективность работы этого фермента такова, что одна молекула способна осуществить 200 циклов ферментативной активации в секунду, при этом синтезируется 600 молекул АТФ.

Интересная подробность работы этого мотора в том, что он содержит вращающиеся детали и состоит из роторной части и статора, причем, вращение ротора происходит против часовой стрелки.(Рис. 44)

Мембранная часть АТФ-С, или фактор сопряжения F 0 ,представляет собой гидрофобный белковый комплекс. Второй фрагмент АТФ-С – фактор сопряженияF 1 - выступает из мембраны в виде грибовидного образования. В митохондриях животных клеток АТФ-С встроена во внутреннюю мембрану, а комплексF 1 обращен в сторону матрикса.

Образование АТФ из АДФ и Фн происходит в каталитических центрах фактора сопряжения F 1 . Этот белок можно легко выделить из мембраны митохондрий, при этом он сохраняет способность гидролизовать молекулу АТФ, но теряет способность синтезировать АТФ. Способность синтезировать АТФ – это свойство единого комплексаF 0 F 1 в мембране митохондрии(рис1 а)Это связано с тем, что синтез АТФ в помошью АТФ-С сопряжен с транспортом через нее протонов Н + в направлении отF 0 rF 1 (рис 1 а). Движущей силой для работы АТФ-С является протонный потенциал, создаваемый дыхательной цепью транспорта электронов е - .

АТФ-С – это обратимая молекулярная машина, катализирующая как синтез, так и гидролиз АТФ. В режиме синтеза АТФ работа фермента осуществляется за счет энергии протонов Н + , переносимых под действием разности протонных потенциалов. В то же время, АТФ-С работает и как протонная помпа – за счет энергии гидролиза АТФ она перекачивает протоны из области с низким протонным потенциалом в область с высоким потенциалом (рис 1б). Сейчас уже известно, что каталитическая активность АТФ-С непосредственно связана с вращением ее роторной части. Было показано, что молекулаF 1 вращает роторный фрагмент дискретными скачками с шагом в 120 0 . Один оборот на 120 0 сопровождается гидролизом одной молекулы АТФ.

Замечательным качеством вращающегося мотора АТФ-С является его исключительно высокая КПД. Было показано, что работа, которую совершает мотор при повороте роторной части на 120 0 , почти точно совпадает с величиной энергии, запасенной в молекуле АТФ, т.е. КПД мотора близок к 100%.

В таблице приведены сравнительные характеристики нескольких типов молекулярных моторов, работающих в живых клетках. Среди них АТФ-С выделяется своими наилучшими свойствами. По эффективности работы и развиваемой ею силе она значительно превосходит все известные в природе молекулярные моторы и уж конечно – все созданные человеком.

Таблица 2 Сравнительные характеристики молекулярных моторов клеток(по: Kinoshitaetal, 1998).

Молекула F 1 комплекса АТФ-С примерно в 10 раз сильнее акто-миозинового комплекса – молекулярной машины, специализирующейся на выполнении механической работы. Таким образом, за многие миллионы лет эволюции до того, как появился человек,придумавший колесо, преимущества вращательного движения были уже реализованы природой на молекулярном уровне.

Объем работы, которую производит АТФ-С, поражает грандиозностью. Общая масса молекул АТФ синтезируемых в организме взрослого человека за сутки cоставляет около 100 кг. В этом нет ничего удивительного, поскольку в организме идут многочисленные

биохимические процессы с использованием АТФ. Поэтому, чтобы организм мог жить, его АТФ-С должны постоянно крутиться, своевременно восполняя запасы АТФ.

Яркий пример молекулярных электромоторов – работа жгутиков бактерий. Бактерии плавают со средней скоростью 25 мкм/с, а некоторые из них – со скоростью более 100 мкм/с. Это означает, что за одну секунду бактерия перемещается на расстояние в 10 и более раз большее, чем собственные размеры. Если бы пловец преодолевал за одну секунду расстояние, в десять раз больше его собственного роста б, то 100-метровую дорожку он проплывал бы за 5 секунд!

Скорость вращения электромоторов бактерий колеблется от 50-100 об/ сек до 1000 об/ сек, при этом они очень экономичны и расходуют не более 1% энергетических ресурсов клетки.

Рис 44. Схема вращения роторной субъединицы АТФ-синтетазы.

Таким образом, во внутренней мембране митохондрий локализованы как ферменты дыхательной цепи, так и синтеза АТФ.

Помимо синтеза АТФ, выделяющаяся при транспортировке электронов энергия запасается еще и в виде градиента протонов на мембране митохондрий.При этом, между наружной и внутренней мембранами возникает повышенная концентрация ионов Н + (протонов). Возникший протонный градиент из матрикса в межмембранное пространство служит движущей силой при синтезе АТФ(Рис.42). По существу,внутренняя мембрана митохондрий с встроенными АТФ-синтетазами является совершенной электростанцией на протонах, поставляющей с высокой эффективностью энергию для жизнедеятельности клетки.

При достижении определенной разности потенциалов (220 мВ) на мембране,АТФ-синтетаза начинает транспортировать протоны обратно в матрикс; при этом происходит превращение энергии протонов в энергию синтеза химических связей АТФ. Так осуществляется сопряжение окислительных процессов с синтетически-

ми в процессе фосфорилирования АДФ до АТФ.

Энергетика окислительного фосфорилирования

жиров

Еще более эффективным оказывается синтез АТФ при окислении жирных кислот и липидов. При полном окислении одной молекулы жирной кислоты, например, пальмитиновой, образуется 130 молекул АТФ. Изменение свободной энергии окисления кислоты составляет ∆G= -2340 ккал, а аккумулированная в АТФ энергия при этом составляет около 1170 ккал.

Энергетика окислительного расщепления аминокислот

Большую часть метаболической энергии, вырабатываемой в тканях, обеспечивают процессы окисления углеводов и особенно жиров; у взрослого человека до 90% всей потребности в энергии покрывается из этих двух источников. Остальную энергию (в зависимости от рациона от 10 до 15%) поставляет процесс окисления аминокислот(рис цикла Кребса).

Было подсчитано, что клетка млекопитающих содержит в среднем около 1 миллиона (10 6 ) молекул АТФ. В пересчете на все клетки тела человека (10 16 –10 17 ) это составляет 10 23 молекул АТФ. Суммарная энергия, заключенная в этой массе АТФ, может достигать значений 10 24 ккал! (1 Дж= 2,39х 10 -4 ккал). У человека весом 70 кг общее количество АТФ составляет 50 г, большая часть которого ежедневно расходуется и вновь синтезируется.

Живой клетке внутренне присуща неустойчивая и почти неправдоподобная организация; клетка способна сохранять весьма специфичную и прекрасную в своей сложности упорядоченность своей хрупкой структуры только благодаря непрерывному потреблению энергии.

Как только поступление энергии прекращается, сложная структура клетки распадается и она переходит в неупорядоченное и лишенное организации состояние. Помимо обеспечения химических процессов, необходимых для поддержания целостности клетки, в различных типах клеток за счет превращения энергии обеспечивается осуществление разнообразных механических, электрических, химических и осмотических процессов, связанных с жизнедеятельностью организма.

Научившись в сравнительно недавнее время извлекать энергию, заключенную в различных неживых источниках, для выполнения различной работы, человек начал постигать, как мастерски и с какой высокой эффективностью производит превращение энергии клетка. Превращение энергии в живой клетке подчиняется тем же самым законам термодинамики, которые действуют в неживой природе. Согласно первому закону термодинамики, общая энергия замкнутой системы при любом физическом изменении всегда остается постоянной. Согласно второму закону, энергия может существовать в двух формах: в форме «свободной», или полезной, энергии и в форме бесполезной рассеиваемой энергии. Тот же закон утверждает, что при любом физическом изменении наблюдается тенденция к рассеянию энергии, т. е. к уменьшению количества свободной энергии и к возрастанию энтропии. Между тем живая клетка нуждается в постоянном притоке свободной энергии.

Инженер получает необходимую ему энергию главным образом за счет энергии химических связей, заключенной в горючем. Сжигая горючее, он превращает химическую энергию в тепловую; затем он может использовать тепловую энергию для вращения, например, паровой турбины и таким путем получить электрическую энергию. Клетки также получают свободную энергию за счет освобождения энергии химических связей, заключенной в «горючем». Энергия запасается в этих связях теми клетками, которые синтезируют питательные вещества, служащие таким горючим. Однако клетки используют эту энергию весьма специфическим «образом. Поскольку температура, при которой живая клетка функционирует, примерно постоянна, клетка не может использовать тепловую энергию, чтобы производить работу. Для того чтобы за счет тепловой энергии могла происходить работа, теплота должна переходить от более нагретого тела к менее нагретому. Совершенно ясно, что клетка не может сжигать свое горючее при температуре сгорания угля (900°); не может она также выдержать воздействие перегретым паром или током высокого напряжения. Клетке приходится добывать и использовать энергию в условиях довольно постоянной и притом низкой температуры, разбавленной йодной среды и весьма незначительных колебаний концентрации водородных ионов. Для того чтобы приобрести возможность получать энергию, клетка на протяжении многовековой эволюции органического мира совершенствовала свои замечательные молекулярные механизмы, которые необыкновенно эффективно действуют в этих мягких условиях.

Механизмы клетки, обеспечивающие извлечение энергии, делятся на два класса, и на основании различия в этих механизмах все клетки можно разбить на два основных типа. Клетки первого типа называют гетеротрофными; к ним относятся все клетки организма человека и клетки всех высших животных. Этим клеткам необходим постоянный приток готового горючего весьма сложного химического состава. Таким горючим служат для них углеводы, белки и жиры, т. е. отдельные составные части других клеток и тканей. Гетеротрофные клетки получают энергию, сжигая или окисляя эти сложные вещества (вырабатываемые другими клетками) в процессе, который называется дыханием и в котором участвует молекулярный кислород (О 2) атмосферы. Гетеротрофные клетки используют эту энергию для выполнения своих биологических функций, выделяя при этом в атмосферу двуокись углерода в качестве конечного продукта.

Клетки, принадлежащие ко второму типу, называют автотрофными. Наиболее типичные автотрофные клетки - это клетки зеленых растений. В процессе фотосинтеза они связывают энергию солнечного света, используя ее для своих нужд. Кроме того, они при помощи солнечной энергии добывают углерод из атмосферной двуокиси углерода и используют его для построения простейшей органической молекулы - молекулы глюкозы. Из глюкозы клетки зеленых растений и других организмов создают более сложные молекулы, входящие в их состав. Чтобы обеспечить необходимую для этого энергию, клетки в процессе дыхания сжигают часть имеющегося в их распоряжении сырья. Из этого описания циклических превращений энергии в клетке становится ясно, что все живые организмы в конечном счете получают энергию от солнечного света, причем растительные клетки получают ее непосредственно от солнца, а животные - косвенным путем.

Изучение основных поставленных в этой статье вопросов упирается в необходимость подробного описания первичного механизма извлечения энергии, используемого клеткой. Большая часть ступеней сложных циклов дыхания и фотосинтеза уже исследована. Установлено, в каком именно органе клетки происходит тот или иной процесс. Дыхание осуществляется митохондриями, имеющимися в большом числе почти во всех клетках; фотосинтез обеспечивают хлоропласты - цитоплазматические структуры, содержащиеся в клетках зеленых растений. Молекулярные механизмы, которые находятся в этих клеточных образованиях, составляя их структуру и обеспечивая выполнение их функций, представляют собой следующий важный этап в изучении клетки.

Одни и те же хорошо изученные молекулы - молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) - переносят полученную за счет питательных веществ или солнечного света свободную энергию от центров дыхания или фотосинтеза во все участки клетки, обеспечивая осуществление всех процессов, протекающих с потреблением энергии. Впервые АТФ был выделен из мышечной ткани Ломаном около 30 лет назад. Молекула АТФ содержит три связанные между собой фосфатные группы. В пробирке концевую группу можно отделить от молекулы АТФ путем реакции гидролиза, в результате которой получается аденозиндифосфат (АДФ) и неорганический фосфат. В процессе этой реакции свободная энергия молекулы АТФ превращается в тепловую энергию, а энтропия при этом в соответствии со вторым законом термодинамики возрастает. В клетке, однако, концевая фосфатная группа в процессе гидролиза не просто отделяется, но переносится на особую молекулу, служащую акцептором. Значительная часть свободной энергии молекулы АТФ при этом сохраняется благодаря фосфорилированию молекулы-акцептора, которая теперь за счет возросшей энергии приобретает возможность участвовать в процессах, протекающих с потреблением энергии, например, в процессах биосинтеза или мышечного сокращения. После отщепления одной фосфатной группы в процессе этой сопряженной реакции АТФ превращается в АДФ. В термодинамике клетки АТФ можно рассматривать как богатую энергией, или «заряженную», форму носителя энергии (аденозинфосфата), а АДФ - как бедную энергией, или «разряженную», форму.

Вторичная «зарядка» носителя производится, конечно, тем или другим из двух механизмов, участвующих в извлечении энергии. В процессе дыхания животных клеток энергия, заключенная в питательных веществах, освобождается в результате окисления и расходуется на построение АТФ из АДФ и фосфата. При фотосинтезе в растительных клетках энергия солнечного света превращается в химическую энергию и расходуется на «зарядку» аденозинфосфата, т. е. на образование АТФ.

Эксперименты с использованием радиоактивного изотопа фосфора (Р 32) показали, что неорганический фосфат с большой скоростью включается в концевую фосфатную группу АТФ и вновь выходит из нее. В клетке почки обновление концевой фосфатной группы происходит так быстро, что ее период полупревращения занимает меньше 1 минуты; это соответствует чрезвычайно интенсивному обмену энергии в клетках этого органа. Следует добавить, что деятельность АТФ в живой клетке - отнюдь не черная магия. Химикам известны многие аналогичные реакции, при помощи которых происходит перенос химической энергии в неживых системах. Сравнительно сложная структура АТФ, по-видимому, возникла только в клетке - для обеспечения наиболее эффективной регуляции химических реакций, связанных с переносом энергии.

Роль АТФ в фотосинтезе удалось выяснить лишь недавно. Это открытие позволило в значительной мере объяснить, каким образом фотосинтезирующие клетки в процессе синтеза углеводов связывают солнечную энергию - первичный источник энергии всех живых существ.

Энергия солнечного света передается в виде фотонов, или квантов; свет различной окраски, или разной длины волны, характеризуется различной энергией. При падении света на некоторые металлические поверхности и поглощении его этими поверхностями фотоны в результате столкновения с электронами металла передают им свою энергию. Этот фотоэлектрический эффект можно измерить благодаря возникающему при этом электрическому току. В клетках зеленых растений солнечный свет с определенными длинами волн поглощается зеленым пигментом - хлорофиллом. Поглощенная энергия переводит электроны в сложной молекуле хлорофилла с основного энергетического уровня на более высокий уровень. Подобные «возбужденные» электроны стремятся вновь возвратиться на свой основной стабильный энергетический уровень, отдавая при этом поглощенную ими энергию. В чистом препарате хлорофилла, выделенного из клетки, поглощенная энергия вновь испускается в форме видимого света, аналогично тому, как это происходит в случае других фосфоресцирующих или флуоресцирующих органических и неорганических соединений.

Таким образом, хлорофилл, находясь в пробирке, сам по себе не способен запасать или использовать энергию света; энергия эта быстро рассеивается, как если бы произошло короткое замыкание. Однако в клетке хлорофилл стерически связан с другими специфическими молекулами; поэтому, когда он под влиянием поглощения света приходит в возбужденное состояние, «горячие», или богатые энергией, электроны не возвращаются в свое нормальное (невозбужденное) энергетическое состояние; вместо этого электроны отрываются от молекулы хлорофилла и переносятся молекулами - переносчиками электронов, которые передают их друг другу по замкнутой цепи реакций. Проделывая этот путь вне молекулы хлорофилла, возбужденные электроны постепенно отдают свою энергию и возвращаются на свои прежние места в молекуле хлорофилла, которая после этого оказывается готовой к поглощению второго фотона. Тем временем энергия, отданная электронами, используется на образование АТФ из АДФ и фосфата - иными словами, на «зарядку» аденозинфосфатной системы фотосинтезирующей клетки.

Переносчики электронов, служащие посредниками в этом процессе фотосинтетического фосфорилирования, еще не вполне установлены. Один из таких переносчиков, по-видимому, содержит рибофлавин (витамин В 2) и витамин К. Другие предварительно отнесены к цитохромам (белки, содержащие атомы железа, окруженные порфириновыми группами, которые по расположению и строению напоминают порфирин самого хлорофилла). По крайней мере два из этих переносчиков электронов способны обеспечить связывание части переносимой ими энергии для восстановления АТФ из АДФ.

Такова основная схема превращения энергии света в энергию фосфатных связей АТФ, разработанная Д. Арноном и другими учеными.

Однако в процессе фотосинтеза происходит, помимо связывания солнечной энергии, еще и синтез углеводов. В настоящее время полагают, что некоторые из «горячих» электронов возбужденной молекулы хлорофилла вместе с ионами водорода, происходящими из воды, вызывают восстановление (т. е. получение дополнительных электронов или атомов водорода) одного из переносчиков электронов - трифосфопиридиннуклеотида (ТПН, в восстановленной форме ТПН-Н).

В процессе ряда темновых реакций, названных так потому, что они могут происходить в отсутствие света, ТПН-Н вызывает восстановление двуокиси углерода до углевода. Большую часть необходимой для этих реакций энергии доставляет АТФ. Характер этих темновых реакций исследован главным образом М. Кальвином и его сотрудниками. Одним из побочных продуктов первоначального фотовосстановления ТПН служит ион гидроксила (ОН —). Хотя мы еще не располагаем полными данными, предполагается, что этот ион отдает свой электрон одному из цитохромов в цепи фотосинтетических реакций, конечным продуктом которых оказывается молекулярный кислород. Электроны движутся по цепи переносчиков, внося свой энергетический вклад в образование АТФ, и, в конце концов растратив всю свою избыточную энергию, попадают в молекулу хлорофилла.

Как и следовало ожидать на основании строго закономерного и последовательного Характера процесса фотосинтеза, молекулы хлорофилла расположены в хлоропластах не беспорядочно и, уж конечно, не просто суспендированы в наполняющей хлоропласты жидкости. Напротив, молекулы хлорофилла образуют в хлоропластах упорядоченные структуры - граны, между которыми располагается разделяющее их переплетение волокон или мембран. Внутри каждой граны плоские молекулы хлорофилла лежат стопками; каждую молекулу можно считать аналогичной отдельной пластинке (электроду) элемента, граны - элементам, а совокупность гран (т. е. весь хлоропласт) - электрической батарее.

Хлоропласты содержат также все те специализированные молекулы - переносчики электронов, которые вместе с хлорофиллом участвуют в извлечении энергии из «горячих» электронов и используют эту энергию для синтеза углеводов. Извлеченные из клетки хлоропласты могут осуществлять весь сложнейший процесс фотосинтеза.

Эффективность этих миниатюрных фабрик, работающих на солнечной энергии, поразительна. В лаборатории при соблюдении некоторых специальных условий можно показать, что в процессе фотосинтеза до 75% света, падающего на молекулу хлорофилла, превращается в химическую энергию; правда, цифру эту нельзя считать вполне точной, и по этому поводу еще происходят дебаты. В поле вследствие неодинаковой освещенности листьев солнцем, а также по ряду других причин эффективность использования солнечной энергии гораздо ниже - порядка нескольких процентов.

Таким образом, молекула глюкозы, представляющая собой конечный продукт фотосинтеза, должна содержать довольно значительное количество солнечной энергии, заключенной в ее молекулярной конфигурации. В процессе дыхания гетеротрофные клетки извлекают эту энергию, постепенно расщепляя молекулу глюкозы, с тем чтобы «законсервировать» содержавшуюся в ней энергию во вновь образующихся фосфатных связях АТФ.

Существуют разные типы гетеротрофных клеток. Одни клетки (например, некоторые морские микроорганизмы) могут жить без кислорода; другим (например, клеткам мозга) кислород абсолютно необходим; третьи (например, мышечные клетки) более разносторонни и способны функционировать как при наличии кислорода в среде, так и при его отсутствии. Кроме того, хотя большинство клеток предпочитает использовать в качестве основного горючего глюкозу, некоторые из них могут существовать исключительно за счет аминокислот или жирных кислот (главным сырьем для синтеза которых служит все та же глюкоза). Тем не менее расщепление молекулы глюкозы в клетках печени можно считать примером процесса получения энергии, типичным для большинства известных нам гетеротрофов.

Общее количество энергии, содержащейся в молекуле глюкозы, определить весьма просто. Сжигая определенное количество (пробу) глюкозы в лаборатории, можно показать, что при окислении молекулы глюкозы образуется 6 молекул воды и 6 молекул двуокиси углерода, причем реакция сопровождается выделением энергии в виде тепла (примерно 690 000 калорий на 1 грамм-молекулу, т. е. на 180 граммов глюкозы). Энергия в форме тепла, конечно, бесполезна для клетки, которая функционирует при практически постоянной температуре. Постепенное окисление глюкозы в процессе дыхания происходит, однако, таким образом, что большая часть свободной энергии молекулы глюкозы сохраняется в удобной для клетки форме.

В итоге клетка получает более 50% всей освободившейся при окислении энергии в форме энергии фосфатных связей. Такой высокий к. п. д. выгодно отличается от того, который обычно достигается в технике, где редко удается превратить в механическую или электрическую энергию более одной трети тепловой энергии, получаемой при сгорании топлива.

Процесс окисления глюкозы в клетке делится на две основные фазы. Во время первой, или подготовительной, фазы, называемой гликолизом, происходит расщепление шестиуглеродной молекулы глюкозы на две трехуглеродные молекулы молочной кислоты. Этот, казалось бы, простой процесс состоит не из одной, а по меньшей мере из 11 ступеней, причем каждая ступень катализируется своим особым ферментом. Может показаться, что сложность этой операции противоречит афоризму Ньютона «Natura entm simplex esi» («природа проста»); однако следует помнить, что назначение этой реакции заключается не в том, чтобы просто расщепить молекулу глюкозы пополам, а в том, чтобы выделить из этой молекулы заключенную в ней энергию. Каждый из промежуточных продуктов содержит фосфатные группы, и в итоге в процессе реакции используются две молекулы АДФ и две фосфатные группы. В конечном счете в результате расщепления глюкозы образуется не только две молекулы молочной кислоты, но, кроме того, еще и две новые молекулы АТФ.

К чему это приводит в энергетическом выражении? Термодинамические уравнения показывают, что при расщеплении одной грамм-молекулы глюкозы с образованием молочной кислоты выделяется 56 000 калорий. Поскольку при образовании каждой грамм-молекулы АТФ связывается 10000 калорий, эффективность процесса улавливания энергии составляет на этой ступени около 36 % - весьма внушительная цифра, если исходить из того, с чем обычно приходится иметь дело в технике. Однако эти 20 000 калорий, превращенные в энергию фосфатных связей, представляют собой лишь ничтожную часть (около 3%) всей энергии, заключенной в грамм-молекуле глюкозы (690 000 калорий). Между тем многие клетки, например, анаэробные клетки или мышечные клетки, находящиеся в состоянии активности (и в это время неспособные к дыханию), существуют за счет этого ничтожного по своей эффективности использования энергии.

После расщепления глюкозы до молочной кислоты аэробные клетки продолжают извлекать большую часть оставшейся энергии в процессе дыхания, во время которого трехуглеродные молекулы молочной кислоты расщепляются на одноуглеродные молекулы двуокиси углерода. Молочная кислота, или, вернее, ее окисленная форма - пировиноградная кислота, претерпевает еще более сложный ряд реакций, причем каждая из этих реакций опять-таки катализируется особой ферментной системой. Сначала трехуглеродное соединение распадается с образованием активированной формы уксусной кислоты (ацетилкофермента А) и двуокиси углерода. Затем «двухуглеродный фрагмент» (ацетилкофермент А) соединяется с четырехуглеродным соединением, щавелевоуксусной кислотой, в результате чего получается лимонная кислота, содержащая шесть атомов углерода. Лимонная кислота в процессе ряда реакций вновь превращается в щавелевоуксусную кислоту, и три углеродных атома пировиноградной кислоты, «поданные» в этот цикл реакций, в конечном счете дают молекулы двуокиси углерода. Эта «мельница», которая «перемалывает» (окисляет) не только глюкозу, но также молекулы жиров и аминокислот, предварительно расщепленные до уксусной кислоты, известна под названием цикла Кребса или цикла лимонной кислоты.

Впервые цикл был описан Г. Кребсом в 1937 г. Открытие это представляет собой один из краеугольных камней современной биохимии, и его автор был удостоен в 1953 г. Нобелевской премии.

Цикл Кребса позволяет проследить окисление молочной кислоты до двуокиси углерода; однако одним этим циклом нельзя объяснить, каким образом заключенные в молекуле молочной кислоты большие количества энергии удается извлечь в форме, пригодной для использования в живой клетке. Этот процесс извлечения энергии, сопровождающий цикл Кребса, в последние годы интенсивно изучается. Общая картина более или менее выяснилась, однако многие детали еще предстоит исследовать. По-видимому, в течение цикла Кребса электроны при участии ферментов отрываются от промежуточных продуктов и передаются по ряду молекул-переносчиков, объединяемых под общим названием дыхательной цепи. Эта цепь ферментных молекул представляет собой конечный общий путь всех электронов, отторгнутых от молекул питательных веществ в процессе биологического окисления. В последнем звене этой цепи электроны в конце концов соединяются с кислородом и образуется вода. Таким образом, распад питательных веществ при дыхании представляет собой процесс, обратный процессу фотосинтеза, при котором удаление электронов из воды приводит к образованию кислорода. Более того, переносчики электронов в дыхательной цепи химически весьма сходны с соответствующими переносчиками, участвующими в процессе фотосинтеза. Среди них имеются, например, рибофлавиновые и цитохромные структуры, сходные с аналогичными структурами хлоропласта. Тем самым подтверждается афоризм Ньютона о простоте природы.

Как и при фотосинтезе, энергия электронов, переходящих по этой цепи к кислороду, улавливается и используется для синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Собственно говоря, это происходящее в дыхательной цепи фосфорилирование (окислительное фосфорилирование) изучено лучше, чем фосфорилирование, происходящее при фотосинтезе, которое открыто сравнительно недавно. Твердо установлено, например, существование в дыхательной цепи трех центров, в которых происходит «зарядка» аденозинфосфата, т. е. образование АТФ. Таким образом, на каждую пару электронов, отщепленных от молочной кислоты в течение цикла Кребса, образуется в среднем по три молекулы АТФ.

На основании общего выхода АТФ в настоящее время можно рассчитать термодинамическую эффективность, с которой клетка извлекает энергию, ставшую ей доступной благодаря окислению глюкозы. Предварительное расщепление глюкозы на две молекулы молочной кислоты дает две молекулы АТФ. Каждая молекула молочной кислоты в конечном счете передает в дыхательную цепь шесть пар электронов. Поскольку каждая пара электронов, проходящая по цепи, вызывает превращение трех молекул АДФ в АТФ, в процессе собственно дыхания образуется 36 молекул АТФ. При образовании каждой грамм-молекулы АТФ связывается, как мы уже указывали, около 10 000 калорий и, следовательно, 38 грамм-молекул АТФ связывают примерно 380000 из 690000 калорий, содержавшихся в исходной грамм-молекуле глюкозы. Эффективность сопряженных процессов гликолиза и дыхания можно, таким образом, считать равной по крайней мере 55%.

Чрезвычайная сложность процесса дыхания служит еще одним указанием на то, что участвующие в нем ферментные механизмы не могли бы функционировать, если бы составные части были просто перемешаны в растворе. Подобно тому, как молекулярные механизмы, связанные с фотосинтезом, имеют определенную структурную организацию и заключены в хлоропласте, так и органы дыхания клетки - митохондрии - представляют собой такую же структурно упорядоченную систему.

В клетке в зависимости от ее типа и характера ее функции может находиться от 50 до 5000 митохондрий (клетка печени содержит, например, около 1000 митохондрий). Они достаточно велики (3-4 микрона в длину), чтобы их можно было видеть в обычный микроскоп. Однако ультраструктура митохондрий различима лишь в электронный микроскоп.

На электронных микрофотографиях можно видеть, что митохондрия имеет две мембраны, причем внутренняя мембрана образует складки, заходящие в тело митохондрии. Проведенное недавно исследование митохондрий, выделенных из клеток печени, показало, что молекулы ферментов, участвующих в цикле Кребса, расположены в матриксе, или растворимой части внутреннего содержимого митохондрий, тогда как ферменты дыхательной цепи в форме молекулярных «ансамблей» расположены в мембранах. Мембраны состоят из чередующихся слоев молекул белка и липидов (жиров); такое же строение имеют мембраны в гранах хлоропластов.

Таким образом, существует явное сходство в строении этих двух главных «силовых станций», от которых зависит вся жизнедеятельность клетки, ибо одна из них «запасает» солнечную энергию в фосфатных связях АТФ, а другая превращает энергию, заключенную в питательных веществах, в энергию АТФ.

Успехи современной химии и физики позволили недавно уточнить пространственное строение некоторых больших молекул, например, молекул ряда белков и ДНК, т. е. молекул, содержащих генетическую информацию.

Следующий важный этап изучения клетки состоит в том, чтобы выяснить расположение больших ферментных молекул (которые сами представляют собой белки) в мембранах митохондрий, где они находятся вместе с липидами - расположение, обеспечивающее надлежащую ориентацию каждой молекулы катализатора и возможность ее взаимодействия с последующим звеном всего рабочего механизма. «Монтажная схема» митохондрии уже ясна!

Современные сведения относительно силовых установок клетки показывают, что она оставляет далеко позади не только классическую энергетику, но и новейшие, гораздо более блистательные достижения техники.

Электроника достигла поразительных успехов в компоновке и уменьшении размеров составных элементов счетно-решающих устройств. Однако все эти успехи не идут ни в какое сравнение с совершенно невероятной миниатюрностью сложнейших механизмов превращения энергии, выработанных в процессе органической эволюции и имеющихся в каждой живой клетке.

В химических реакциях при образовании связей между простыми молекулами энергия потребляется, а при разрыве выделяется.

В процессе фотосинтеза у зеленых растений энергия солнечного света переходит в энергию химических связей, возникающих между молекулами углекислого газа и воды. Образуется молекула глюкозы: CO 2 + H 2 O + Q (энергия) = C 6 H 12 O 6 .

Глюкоза является главным источником энергии для человека и большинства животных.

Процесс усвоения этой энергии называют " окислительное фосфорилирование". Энергия (Q), выделяющаяся при окислении, сразу используется на фосфорилирование аденозиндифосфорной кислоты (АДФ):

АДФ+Ф+Q (энергия)=АТФ

Получается "универсальная энергетическая валюта" клетки аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Она может в любой момент быть использована на любую полезную организму работу или на согревание.

АТФ®АДФ+Ф+Q (энергия)

Процесс окисления глюкозы проходит в 2 этапа.

1. Анаэробное (бескислородное) окисление, или гликолиз, происходит на гладкой эндоплазматической сети клетки. В результате этого глюкоза оказывается разорванной на 2 части, а выделившейся энергии достаточно для синтеза двух молекул АТФ.

2. Аэробное (кислородное) окисление. Две части от глюкозы (2 молекулы пировиноградной кислоты) при наличии кислорода продолжают ряд окислительных реакций. Этот этап протекает на митохондриях и приводит к дальнейшему разрыву молекул и выделению энергии.

Результатом второго этапа окисления одной молекулы глюкозы является образование 6 молекул углекислого газа, 6 молекул воды и энергии, которой достаточно для синтеза 36 молекул АТФ.

В качестве субстратов для окисления на втором этапе могут использоваться не только молекулы, полученные из глюкозы, но и молекулы, полученные в результате окисления липидов, белков, спиртов и других энергоемких соединений.

Активная форма уксусной кислоты - А-КоА (ацетил коэнзим А, или ацетил кофермент А) - это промежуточный продукт окисления всех этих веществ (глюкозы, аминокислот, жирных кислот и других).

А-КоА является точкой пересечения углеводного, белкового и липидного обменов.

При избытке глюкозы и других энергонесущих субстратов организм начинает их депонировать. В этом случае, глюкоза окисляется по обычному пути до молочной и пировиноградной кислоты, затем до А-КоА. Далее, А-КоА становится базой для синтеза молекулы жирных кислот и жиров, которые депонируются в подкожной жировой клетчатке. Наоборот, при недостатке глюкозы, ее синтезируют из белков и жиров через А-КоА (глюконеогенез).

При необходимости могут пополняться и запасы заменимых аминокислот для строительства некоторых белков.

ЭНЕРГЕТИКА ЖИВОЙ КЛЕТКИ

Ключевые процессы, определяющие разницу между живой и неживой природой, происходят на клеточном уровне. Решающую роль в трансформации и переносе энергии внутри живой клетки играет движение электронов. Но энергия никоим образом не зарождается внутри самих клеток: она поступает извне. Специальные молекулярные механизмы лишь замедляют ее движение в десятки тысяч раз, позволяя другим молекулам частично использовать эту энергию при выполнении полезной для клетки работы. Нерастраченная энергия уходит во внешнюю среду в виде тепла. Подробнее об основных принципах энергетики живой клетки и о новых открытиях российских учёных в этой области рассказывает Татьяна Васильевна ПОТАПОВА, ведущий научный сотрудник НИИФХБ им. А.Н. Белозерского, доктор биологических наук.

Дети Солнца

Вселенная наполнена энергией, но для живых организмов подходят лишь немногие её виды. Основной источник энергии для подавляющего большинства биологических процессов на нашей планете -солнечный свет.

Клетка - основная единица жизни, она непрерывно работает для поддержания своей структуры, а потому нуждается в постоянном притоке свободной энергии. Технологически решить такую задачу ей непросто, поскольку живая клетка должна использовать энергию при постоянной (и притом довольно низкой) температуре в разбавленной водной среде. В ходе эволюции, за сотни миллионов лет, сформировались изящные и совершенные молекулярные механизмы, способные действовать необыкновенно эффективно в очень мягких условиях. В итоге КПД клеточной энергетики оказывается намного выше, чем у любых инженерных устройств, изобретённых человеком.

Клеточные трансформаторы энергии представляют собой комплексы специальных белков, встроенных в биологические мембраны. Независимо от того, поступает в клетку извне свободная энергия непосредственно с квантами света (в процессе фотосинтеза) или в результате окисления пищевых продуктов кислородом воздуха (в процессе дыхания), она запускает движение электронов. В итоге производятся молекулы адено-зинтрифосфата (АТФ) и увеличивается разность электрохимических потенциалов на биологических мембранах.

АТФ и мембранный потенциал - два относительно стационарных источника энергии для всех видов внутриклеточной работы. Напомним, что молекула адено-зинтрифосфата - очень ценное эволюционное приобретение. Энергия, добытая из внешнего источника, запасается в виде "высокоэнергетических связей" между фосфатными группами. АТФ весьма охотно отдает свои фосфатные группы либо воде, либо другим молекулам, поэтому он незаменимый посредник для переноса химической энергии.

Электрические явления

в клеточной энергетике

Механизм создания АТФ оставался загадкой долгие годы, пока не обнаружилось, что данный процесс по сути своей является электрическим. В обоих случаях: и для дыхательной цепи (набора белков, которые осуществляют окисление субстратов кислородом) и для аналогичного фотосинтетического каскада, - генерируется ток протонов через мембрану, в которую погружены белки. Токи обеспечивают энергией синтез АТФ, а также служат источником энергии для некоторых видов работы. В современной биоэнергетике принято считать АТФ и протонный ток (точнее, протонный потенциал) альтернативными и взаимно конвертируемыми энергетическими валютами. Некоторые функции оплачиваются одной валютой, некоторые - другой.

© Т.В. Потапова

К середине XX в. биохимики точно знали, что в бактериях и митохондриях электроны переходят от восстанавливаемых субстратов к кислороду через каскад электронных переносчиков, называемых дыхательной цепочкой. Загадка была в том, каким способом сопряжены перенос электрона и синтез АТФ. На протяжении 10 с лишним лет надежда открыть секрет вспыхивала и вновь угасала. Решающую роль сыграло не преодоление технических трудностей, а концептуальная разработка. Сопряжение оказалось в принципе не химическим, а электрическим. В 1961 г. английский учёный П. Митчелл опубликовал в журнале "Nature" радикальную идею для разрешения биохимической загадки века: хемиосмотическую гипотезу. Идея Митчелла была поистине революционной сменой парадигм, трансформацией концептуальной основы и поначалу вызывала бурные споры.

В 1966 г. Митчелл пишет свою первую книгу "Хемиосмотическое сопряжение в окислительном и фотосинтетическом фос-форилировании". В том же году российские учёные, биофизик Е. Либерман и биохимик В. Скулачёв, придумали, как экспериментально подтвердить правоту Митчелла. С помощью синтетических ионов, проникающих через биологическую мембрану, они показали, что дыхание и фосфорилирова-ние действительно связаны через протонный потенциал. Еще один серьезный шаг в поддержку Митчелла сделали биофизики биофака МГУ А. Булычёв, В. Андрианов, Г. Курелла и Ф. Литвин. Используя микроэлектроды, они зарегистрировали образование трансмембранной разности электрических потенциалов при освещении крупных хлоропластов.

Ещё несколько лет споров и дотошных проверок в разных лабораториях по всему свету - и идеи Митчелла, наконец, были признаны. Он был принят в Королевское общество Великобритании (и, соответственно, стал сэром), получил множество престижных международных наград, а в 1978 г. был удостоен Нобелевской премии, которая, вопреки традициям, на сей раз была вручена не за открытие нового явления, а за догадку о его существовании.

Цепь переноса электрона оказалась не просто связана с мембраной, но вплетена в нее таким образом, что при движении электрона от субстрата к кислороду прото-

ны перемещаются с внутренней поверхности наружу. Мембрана образует замкнутый пузырек, который плохо пропускает протоны, поэтому в результате "выкачивания" протонов генерируется разность потенциалов через мембрану: электрическая отрицательность внутри. Одновременно увеличивается рН: защелачивается среда внутри пузырька. Протоны снаружи оказываются под гораздо более высоким электрохимическим потенциалом, чем внутри, как бы под "давлением" со стороны и электрического потенциала, и градиента рН, которые толкают протоны обратно через мембрану внутрь пузырька. Живая клетка использует энергию таких протонов для совершения разных видов работы.

Поразительные успехи рентгенострук-турного анализа белков позволили увидеть полные пространственные структуры отдельных белковых комплексов, входящих в состав дыхательной цепи. Белки цепи переноса электронов, локализованные в мембранах митохондрий, способны менять свой спектр поглощения, получая и отдавая электроны. Микроспектральные методы позволяют проследить последовательность передачи электронов по цепочке белков и выяснить, в каких именно местах часть свободной энергии электронов используется для синтеза АТФ.

Согласно идее Митчелла, для синтеза АТФ из АДФ и фосфата в мембранах митохондрий используется электрическая энергия. Следовательно, если снять разность потенциалов через мембрану, можно предположить, что синтез прекратится. Именно такой эффект был продемонстрирован в ходе экспериментов на искусственных мембранах с использованием спе- 0 циально синтезированных ионов, резко § повышающих проводимость мембран для протонов. 1

Одни из первых экспериментальных § доказательств верности гипотезы Мит- « челла были получены в нашей стране в | 1970 г. под руководством Е.А. Либермана * и В.П. Скулачёва. В качестве индикато- га-ров изменений электрического поля на I мембране были использованы синтетиче- § ские ионы, отличающиеся по своей при- " роде и знаку заряда, но сходные в одном: | все они легко проникали через фосфо- * липидную плёнку. После многих попыток = сложилась следующая изящная экспериментальная модель.

Каплю фосфолипидов, растворённых в органическом растворителе, подносят к небольшому отверстию в тефлоновой пластинке, и оно мгновенно закрывается плоской бимолекулярной плёнкой - искусственной мембраной. Тефлоновую пластинку с искусственной мембраной погружают в сосуд с электролитом, разделяя его на два отсека со своим измерительным электродом в каждом. Остаётся встроить в искусственную мембрану белок, способный генерировать электричество, а в электролит добавить проникающие ионы. Тогда работа белкового генератора, изменяющего разность потенциалов на мембране, приведет к перемещению проникающих ионов через фосфолипидную плёнку, что и будет зарегистрировано в виде изменения разности потенциалов между отсеками.

Ещё более убедительная экспериментальная модель, позволяющая проводить прямые измерения электрического тока, генерируемого клеточными органеллами и отдельными белками, была разработана и успешно использована Л.А. Драчёвым, А.А. Кауленом и В.П. Скулачёвым. Частицы, генерирующие электрический ток (митохондрии, хроматофоры бактерий или липидные пузырьки с встроенными в них индивидуальными белками), заставляли слипаться с плоской искусственной мембраной. После этого протонный ток, созданный молекулами-генераторами в ответ на вспышку света или добавление соответствующих химических субстратов, обнаруживался напрямую измерительными электродами по обе стороны искусственной мембраны.

В 1973 г. У. Стокениус и Д. Остерхельт

0 из США открыли необычный светочувс-§ твительный белок в мембранах фиолето-j: вых бактерий, обитающих в соленых озе-

1 рах Калифорнийских пустынь. Этот белок, § подобно зрительному пигменту глаза жи-« вотных - родопсину, содержал производ-1 ное витамина А - ретиналь, за что и был * назван бактериородопсином. Американ-я- ские ученые Рэкер и Стокениус изящно 1 продемонтрировали участие бактериоро-§ допсина в энергетическом сопряжении. " Объединив в модельной фосфолипидной | мембране только что открытый светочувс-I твительный белок фиолетовых бактерий с = АТФ-синтазой, они получили молекулярный ансамбль, способный синтезировать АТФ при включении света.

В конце 1973 г. академик Ю.А. Овчинников организовал проект "Родопсин" для сравнительного исследования животного и бактериального светочувствительных пигментов. В рамках проекта в лаборатории В.П. Скулачёва в МГУ в модельных экспериментах на искусственных мембранах было доказано, что бактериородопсин -белковый генератор электрического тока. Встроенный