Geum.ru

О. Э. Костерин общая биология курс лекций

Вид материалаКурс лекций

Содержание


Из углекислого газа: фотосинтез и хемосинтез
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   26
нуклеотид – молекула, состоящая из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты (рис. 4.2).

Нуклеотиды – это и есть мономеры полимерных нуклеиновых кислот. Однако сначала следует упомянуть, что некоторые мономерные и димерные нуклеотиды являются одними из самых важных биологических молекул, вовлеченных в энергетическую систему клетки. И пожалуй, самым важным веществом здесь является аденозинтрифосфат – АТФ (рис. 4.3).

Связи остатков фосфорной кислоты друг с другом содержат в себе много энергии (и называются макроэргическими связями) и легко отдают ее при расщеплении. Чаще всего отщепляется монофосфат (тогда остается аденозиндифосфат, АДФ), иногда – дифосфат (и остается аденозинмонофосфат, АМФ). АТФ является универсальным энергоносителем для всех биологических процессов, которые идут с затратой энергии (иногда используется гуанозинтрифосфат (ГТФ), а синтез ДНК и РНК идет за счет трифосфатов всех соответствующих нуклеотидов). Причем правильнее сравнить АТФ даже не с универсальным энергоносителем, а с универсальной валютой, поскольку расходуется она счетно: как правило, одна молекула АТФ на любое химическое превращение одной молекулы чего угодно, требующее затраты энергии.

В процессах производства АТФ в энергетических системах клеток используются динуклеотиды, включающие несколько другие азотистые основания.

Циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), в котором одна фосфатная группа связана с двумя атомами углерода рибозы, является почти универсальным внутриклеточным сигналом, регулирующим метаболизм.

Таким образом, роль этих странных веществ – нуклеотидов – весьма важна и разнообразна.

Перейдем к полимерным нуклеиновым кислотам. К ним относятся дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), их мономерами являются нуклеотиды. В ДНК входят нуклеотиды с дезоксирибозой, в РНК – с рибозой. Второе отличие – в составе азотистых оснований. В состав ДНК входит аденин, тимн, гуанин и цитозин; в состав РНК также входят четыре азотистых основания, но место тимина занимает урацил. Иначе говоря, различия касаются всего лишь наличия / отсутствия одной гидроксильной группы у сахара и метильной группы у одного из азотистых оснований.

Полимеры ДНК и РНК образуются за счет того, что одна из двух оставшихся кислотных групп остатка фосфорной кислоты у нуклеотида присоединяется к третьему атому углерода пентозы, а также через сложноэфирную связь, образуемую гидроксильной группой, которую этот атом несет как у рибозы, так и у дезоксирибозы. Получается цепочка, строение которой показано на рис. 4.4.

С ее полимерной частью все понятно. Разберемся, чем она кончается. На одном конце ее находится свободная фосфатная группа при пятом атоме пентозы, на другом – пентоза со свободным третьим атомом. При описании нуклеиновых кислот атомы углерода в азотистых основаниях принято нумеровать цифрами, а в пентозе – цифрами со штрихом. Так что в данном случае принято говорить о 5’- и 3’-концах молекулы, причем первый считается началом цепочки ДНК или РНК, а второй – концом.

Теперь нам необходимо ознакомиться со способностью азотистых оснований образовывать водородные связи друг с другом. Их конфигурация такова, что аденин может образовывать две водородные связи с тимином или урацилом, а гуанин – три водородные связи с цитозином, тогда как в прочих сочетаниях образование водородных связей не происходит в силу стерических (т. е. геометрических) причин (рис. 4.5). Иначе говоря, в указанных парах пурин – пиримидин и только в них основания подходят друг к другу – принято говорить, что они комплементарны.

Незадолго до открытия структуры ДНК американский ученый Эрвин Чаргаф обнаружил, что количество аденина в ДНК всегда равно количеству тимина, а количество гуанина – количеству цитозина и что общее количество пуринов всегда равно количеству пиримидинов. Сочетание этих правил Чаргафа с данными рентгеноструктурного анализа англичан Мориса Уилкинса и Розалинд Франклин, которые указывали на наличие спиральной структуры, и привело к созданию в 1953 г. Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком (они пользовались исключительно чужими данными и собственными объемными моделями простых молекул) знаменитой модели двойной спирали. Эта модель давно уже стала общеизвестной (рис. 4.6).

Напомним, что мы имеем дело с вещами, размер которых в сотни раз меньше длины волны света (диаметр двойной спирали – 2 нм, длина волны света – сотни нанометров), так что увидеть их принципиально невозможно при любом уровне оптической техники. ДНК можно увидеть только в электронном микроскопе, где вместо световых волн используется поток электронов, ведущих себя как волны с гораздо меньшей длиной.

Отметим один общий недостаток большинства наглядных моделей двойной спирали ДНК – на них азотистые основания показаны направленными прямо друг к другу, а полипентозные цепи – расположенными строго напротив друг друга. На самом деле, если мы вернемся к картинке с одними спаренными азотистыми основаниями, то увидим, что связи на сахар направлены под углом друг к другу, т. е. две полисахаридные цепи несколько сближены с одной стороны и разобщены с другой. Углубления по обе стороны от них, на дне которых находятся азотистые основания, называются соответственно большой и малой бороздкой ДНК. Если бы нуклеотиды располагались строго напротив друг друга, бороздки бы были одинаковы. (Эти бороздки очень важны – именно там некие специальные белки нащупывают информацию о том, с какого места нужно начинать свою работу по удвоению или расшифровке молекулы ДНК.)

Еще одно важное свойство, которое, возможно, ускользнуло от внимания при рассматривании картинок – антипараллельность: две цепи ДНК в двойной спирали направлены навстречу друг другу. Если молекулу ДНК обрезать, то на одном и том же конце двойной спирали одна цепочка закончится 3’-концом, а другая – 5’-концом.

Д. Уотсон и Ф. Крик опубликовали свою модель на двух страницах в журнале Nature и отказались ее обсуждать, написав, что важнейшие следствия из нее самоочевидны. Вот и вы попробуйте ответить, какие интересные и важные следствия можно сделать из структуры этой молекулы. Можно привлекать знания, полученные вами из «обыденной жизни», СМИ, уроков биологии, наконец.

1. Главное, что структура одной цепи может быть полностью и однозначно восстановлена по другой, за счет того, что цепи однозначно комплементарны. Процесс схематически представлен на рис. 4.7 (следует помнить, что это лишь иллюстрация принципа – в реальности все сложнее):

2. В каждой цепи мы имеем чередование тех же самых четырех нуклеотидов, причем на то, какой именно нуклеотид будет находиться в каждом конкретном месте, соседние нуклеотиды никак не влияют, т. е. стерических ограничений на соседство тех или других нуклеотидов не существует (это можно выяснить, имея дело с детальными объемными моделями, как у Д. Уотсона и Ф. Крика). Точно так же соседние буквы на бумаге сами по себе (без участия того, кто их пишет или читает) не влияют друг на друга. По сути, мы имеем очень длинную строчку, в которой в некоем порядке чередуются буквы четырехбуквенного алфавита. (Как говорится, ДНК – это всего лишь одно очень длинное четырехбуквенное слово – just one very long four-letter word.) Через ДНК можно передать очень много информации. В нашем алфавите 33 буквы, в английском – 28, компьютер пользуется двухбуквенным алфавитом (вся информация, с которой он работает, записана в последовательности нулей и единиц, или, если хотите, плюсов и минусов; в реальности – это направление намагниченности магнитного носителя, наличие/отсутствие заряда на кристаллах кремния или /отсутствие дырки на оптическом носителе), и при этом способен воспроизвести любое сообщение на русском и английском. Другими словами, для передачи любого сообщения достаточно двух букв. Чем больше букв в алфавите, тем короче будет длина сообщения фиксированного содержания, но тем больше времени нужно на обучение, тем более тонкие программы нужны для распознавания. Жизнь остановилась на четырех буквах – большее их количество, видимо, потребовало бы гораздо более сложных молекул и соответственно более громоздкого носителя. Сейчас мы увидим, какая именно информация в ДНК записана и как она реализуется.

Длина строчки впечатляет. Вы, наверное, знаете, что ДНК находится в хромосомах. Каждая хромосома представлена одной линейной молекулой ДНК. В самой большой хромосоме человека находится 2,5 млн нуклеотидов, а сама молекула достигает в длину около 10 см. Поскольку размер клеток много меньше миллиметра, она должна быть очень сложным образом упакована, так чтобы компактность сочеталась с работоспособностью.

Чтобы выяснить, как именно информация ДНК хранится и считывается, рассмотрим три важнейших процесса с участием нуклеиновых кислот: репликация, транскрипция и трансляция. Этимологически это будет значить: копирование, переписывание и перевод. Не совсем понятно, что такое переписывание – в нашем случае это будет перевод на другой диалект того же языка. Все эти процессы являются вариантами матричного биосинтеза – синтеза сложных нерегулярных полимеров по некоей матрице.

Репликация – копирование одной цепи ДНК по другой. В общем это происходит так: двойная спираль расплетается (в данном случае это тоже называется денатурацией) и каждая цепочка служит матрицей, по которой строится вторая, комплементарная цепочка двойной спирали. Таким образом, получается две двуцепочечных ДНК, у каждой из которых одна цепочка – старая, унаследованная от исходной молекулы, вторая – новая, построенная по ее образцу. Такой способ репликации называется полуконсервативным. (Консервативной называлась бы репликация, когда строилась бы целиком новая вторая молекула, при том, что старая сохранялась бы. Но ДНК так не поступает.)

Как и все в живых организмах, репликация осуществляется при помощи специальных ферментов. Один фермент расплетает ДНК, другой – ДНК-полимераза – строит вторую цепь. Он умеет строить ее только в одном направлении – 5’ – 3’. Поэтому только одна новая цепь строится непрерывно. Другая строится в виде коротких фрагментов, нарастающих в направлении, противоположном общему направлению репликации, которые потом сшиваются другим специальным ферментом.

Начинается репликация также в строго определенных местах (которых существует много в хромосомах высших организмов, но всего одно – у бактерий), называемых origin.

Чтобы продемонстрировать хотя бы в малой степени реальную сложность предмета, отметим, что на самом деле все еще сложнее – ДНК-полимераза может строить новую цепь, только отталкиваясь от короткого фрагмента РНК (затравки), комплементарной ДНК. Эти затравки строит фермент РНК-полимераза, которая умеет строить цепочку без затравки (рис. 4.8). Кроме того, на обеих цепях новая цепочка строится одной и той же димерной молекулой ДНК-полимеразы, для чего ДНК изгибается в петлю (рис. 4.9).

Здесь мы впервые столкнулись, между прочим, со случаем технически неоправданной сложности молекулярно-биологических процессов. Раз можно сделать фермент, который строит без затравки вторую цепь РНК, наверняка можно было бы сделать и фермент, который может без нее строить вторую цепь ДНК. Но машина получилась такой, какая она есть, и раз она эффективно работает, необходимости замены ее на «более логичную» не возникло.

Мы рассмотрели, как ДНК удваивается. На удвоении ДНК основана передача наследственной информации – при делении клетки каждая из двух дочерних клеток получает идентичную копию ДНК (хотя бывают и ошибки копирования), а развитие и размножение организмов целиком основано на делении клеток. Обо всем этом мы будем говорить позже. Теперь же нам предстоит рассмотреть два молекулярных механизма – транскрипцию и трансляцию, при помощи которых эта информация «работает», т. е. реализуется в жизни клетки и организма. Не будет преувеличением сказать, что она реализуется через белки. ДНК прежде всего – инструкция по производству белков. А белки, как мы видели на прошлой лекции, уже делают в организме все остальное. Построить организм – это значит произвести его белки, только в нужном месте, в нужное время и в нужном количестве. Именно ДНК хранит информацию о структуре белков и о том, когда, где и сколько их будет синтезироваться.

В процессе построения белков по матрице ДНК огромную роль играет промежуточный посредник – РНК. Первая стадия этого процесса – всегда построение молекулы РНК по молекуле ДНК. Этот процесс называется транскрипцией. Однако молекула РНК может служить и самоцелью транскрипции, т. е. иметь определенную рабочую функцию (вплоть до ферментативной) и использоваться как таковая. В современном биологическом мире это довольно редкий случай. В то же время предполагается, что на заре становления жизни именно РНК, а не белки, обладали непосредственными биохимическими функциями, в том числе биокаталитическими.

Транскрипция, как и репликация, включает денатурацию – расплетание двойной цепочки ДНК и построение по одной из цепочек комплементарной цепочки РНК (рис. 4.10). Транскрипция идет в том же направлении, что и репликация – от 5’ к 3’. Все это делает сложный фермент РНК-полимераза. При этом синтезируемая цепочка РНК почти сразу же по мере своего построения сходит с ДНК, обе цепочки которой снова образуют двойную спираль – ренатурируют. Скорость транскрипции – около 50 нуклеотидов в секунду.

Процесс отличается от репликации, во-первых, тем, что напротив аденина ставится не тимин, а урацил. (Если говорить в терминах нуклеотидов, а не азотистых оснований, то напротив дезоксиаденозина ставится уридин). Иначе говоря, информация переводится с диалекта ДНК на диалект РНК. Во-вторых, тем, что формируется не две двойные спирали, а одноцепочечная РНК.

РНК считывается не со всей молекулы ДНК, а с какой-то ее небольшой части. И главная проблема транскрипции – это места на ДНК, с которых ее следует начать и на котором закончить, чтобы считать только тот участок ДНК, где записана нужная в данный момент информация. Они называются промотор и терминатор. Как и все на ДНК, эти места (принято говорить по-английски – сайты) определяются определенной последовательностью нуклеотидов. Кроме определенности эти последовательности часто отличаются преобладанием одних нуклеотидов над другими. Как правило, в промоторе преобладают нуклеотиды А и Т – они образуют по две водородные связи, и это облегчает расплетание двойной цепочки и доступ РНК-полимеразы. В терминаторе, как правило, больше нуклеотидов Г и Ц, которые образуют по три водородные связи и соответственно затрудняют продвижение РНК-полимеразы, связанное с расплетанием цепочки. В простейшем случае, который бывает реализован у бактерий, фермент РНК-полимераза умеет опознавать промотор по определенной конфигурации азотистых оснований. Она их буквально нащупывает в бороздке ДНК и с этого места начинает синтез РНК. Достигнув же терминатора, она сходит с ДНК и прекращает свою работу. У высших организмов в инициации транскрипции принимает участие множество специальных белков, которые распознают различные сайты, связываются с ними и тонко регулируют интенсивность транскрипции.

Молекула РНК, считанная с участка ДНК между промотором и терминатором, называется матричной РНК, или мРНК. (Однако если конечным продуктом является сама РНК, она называется в соответствии со своим типом, а не «матричной».) В последовательности ее нуклеотидов содержится информация о последовательности аминокислотных остатков в белке – принято говорить, что она кодирует этот белок. Отрезок ДНК, с которого считывается одна мРНК, принято называть цистроном. Однако часто (если одна мРНК не кодирует несколько разных белков) его называют просто геном.

Таким образом, мы здесь впервые встречаемся с этим довольно архаичным термином, который был введен тогда, когда о том, что это такое, были еще весьма смутные представления. Потом понятие гена несколько раз уточнялось до тех пор, пока фактически стало ненужным. Тем не менее, оно осталось, причем в достаточно нестрогом употреблении. В настоящее время всякий раз, когда следует изъясняться точно, слово ген не используется. Но от него никуда не денешься в нестрогом обсуждении, даже вполне научном.

Процесс перевода с языка нуклеотидов на язык аминокислот называется трансляцией и происходит в рибосомах (рис. 4.11).

Рибосома – сложный молекулярный агрегат, состоящий из нескольких десятков специальных белков и нескольких специальных РНК. Если фермент можно назвать биохимическим станком, то рибосома – это целый конвейер станков, и мы сейчас это увидим. Рибосома состоит из двух частей (так называемых субъединиц), поэтому на рисунках ее зачастую изображают в виде молодого белого гриба. Перед началом трансляции матричная РНК должна встретиться с рибосомой. У бактерий это не составляет труда, так как рибосомы находятся поблизости от ДНК, с которой считывается мРНК.

У организмов, имеющих клеточное ядро, ДНК находится внутри ядра, а рибосомы – вне его. Чтобы быть доставленной к рибосомам, мРНК одевается опять-таки особыми белками и специальными короткими РНК (sРНК), да еще и переодевается потом в другие белки при выходе из ядра (все равно как если бы она выходила на улицу). Комплексы мРНК с этими белками и sРНК (РНП-частицы) даже получили специальное название – информосомы.

Матричная РНК связывается с рибосомой, оказываясь между большой и малой субъединицей. Она протягивается сквозь рибосому как магнитофонная лента сквозь воспринимающую головку, при этом в рибосоме синтезируется полипептидная цепь. Механизм ее синтеза очень непрост и в нем явно угадываются следы некоего совсем другого устройства первичной жизни, в котором РНК играла гораздо большую роль, чем белки.

Между матричной РНК и синтезируемым белком существуют посредники – транспортные РНК, или тРНК. Они называются так потому, что транспортируют аминокислоты в рибосомы. Это довольно короткие молекулы РНК, включающие одноцепочечные участки и участки, комплементарные друг другу, которые сворачиваются в отрезки двойной спирали, образуемые той же самой цепочкой (рис. 4.12).

Таких отрезков четыре; в том, что получается в результате, усмотрели аналогию с клеверным листом и примерно так тРНК и изображают. Пространственную конфигурацию тРНК, как и у белков, называют ее третичной структурой. Третичная структура тРНК несколько различается в зависимости от того, для какой аминокислоты она предназначена.

На вершине среднего листочка есть три нуклеотида, называемые антикодоном (объяснение такому названию дано далее). На конце же тРНК есть участок, к которому опять-таки специальные ферменты под названием аминоацил-тРНК-синтетазы прикрепляют аминокислоту. Эти ферменты таковы, что прикрепляют строго определенную аминокислоту к строго определенным тРНК, характеризующимися определенными третичной структурой и последовательностью нуклеотидов в антикодоне. Имеется 20 разных аминоацил-тРНК-синтетаз – по одной на каждую аминокислоту. Они распознают подходящую тРНК по ее третичной структуре. Данный процесс называется рекогниция – слово переводится как распознавание, поскольку аминоацил-тРНК-синтетаза должны распознать «свои» тРНК и аминокислоты.

Молекулы тРНК с аминокислотой на хвосте подходят к определенному месту рибосомы, на котором помещается также отрезок мРНК длиной в три нуклеотида. Та молекула тРНК, антикодон которой оказывается комплементарным этим трем нуклеотидам, связывается с ними посредством комплементарного спаривания. При этом три соседних нуклеотида на молекуле мРНК уже связаны с предыдущей тРНК. Определенный фермент в составе рибосомы, находяшийся напротив аминокислот, связанных с этими двумя тРНК, катализирует реакцию конденсации с образованием пептидной связи между этими аминокислотами. После ее образования та молекула тРНК, которая пришла раньше и находилась по соседству, освобождается от аминокислоты и отсоединяется от тРНК, а молекула мРНК вместе со связанной с ней тРНК, пришедшая позже, смещается на три нуклеотида относительно рибосомы, так что тРНК занимает место предыдущей. После чего процесс повторяется. Заметим, что, если он идет некоторое время, тРНК, находящаяся «по соседству», оказывается связанной не с одной аминокислотой, а с нарастающей полипептидной цепочкой, а ее конец представлен той аминокислотой, с которой она была связана изначально. Эта цепочка (а не одна аминокислота) и переносится на каждую «новую» аминокислоту. Скорость трансляции – около 20 аминокислот в секунду.

Трансляция начинается с 5’-конца мРНК, и всегда не с самого начала мРНК, а с комбинации нуклеотидов АУГ (аденозин-уридизин-гуанозин) – либо самого первого (у высших организмов), либо идущего после определенной последовательности (у бактерий). Этой комбинации соответствует антикодон метиониновой тРНК. Поэтому у высших организмов первой аминокислотой в синтезирующейся цепи любого белка будет метионин. А у бактерий в начале цепи стоит даже не метионин, а его модификация с присоединенным остатком муравьиной кислоты – формилметионин. С окончанием трансляции все просто – она идет до такой комбинации из трех нуклеотидров, которой не соответствует никакая тРНК, а таковых существует три штуки. Впрочем, их опознают специальные белки – факторы терминации трансляции.

Итак, мы увидели принципиальную схему технологии производства белка. На что мы можем обратить внимание?

Во-первых, путь от ДНК к белку идет через двух посредников в виде двух типов молекул РНК – матричной и транспортной РНК (даже трех – принимают участие еще sРНК). Синтез белка идет в сложном цехе, в структуру которого входит еще несколько молекул РНК. Все это опять-таки подчеркивает глубинную и изначальную важность РНК в работе биологического механизма.

Во-вторых, белки с определенной последовательностью аминокислот строятся в соответствии с сообщением, записанном в определенной последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Скажите, какая именно часть этого сложного механизма осуществляет перевод с языка нуклеотидов на язык аминокислот? Та, которая обычно остается за кадром всех графических схем – аминоацил-тРНК-синтетазы. Именно эти ферменты «знают», к какой тРНК присоединить какую аминокислоту, и делают это.

В-третьих, существует определенная система этого самого перевода – как именно последовательность аминокислотных остатков в белках записывается в последовательности нуклеотидов нуклеиновых кислот. Эта система и обозначается знаменитым словосочетанием генетический код. Фактически мы познакомились с ним выше, когда рассматривали, как тРНК, несущие аминокислоту, подбираются по принципу комплементарности своего состоящего из трех нуклеотидов антикодона участку мРНК длиной также в три нуклеотида.

Как мы помним, нам нужно закодировать информацию о 20 аминокислотах. Иными словами, алфавит белков – двадцатибуквенный. Причем хорошо было бы еще иметь специальные знаки препинания – сигналы начала и конца пептидной цепочки. (Отметим, что знак препинания для конца цепочки существует, а для начала – нет. В точности как в нашем письменном языке!) А в нуклеиновых кислотах мы имеем всего четыре буквы – А, Т, Г, Ц (или в диалекте РНК – А, У, Г, Ц). Одной буквы явно не хватает, чтобы закодировать 20 аминокислот. Какой здесь можно найти выход? Да, использовать сочетания букв. Возьмем сочетания двух букв. Поскольку у нас важен и порядок букв, таких разных сочетаний будет 4 х 4 = 16. Маловато. А если три буквы: 4 х 4 х 4 = 64? Больше чем достаточно. В принципе, могло бы быть и еще больше, но тогда мы имели бы слишком большую информационную избыточность. Жизнь не пошла по этому нерациональному пути и остановилась на трех буквах. В процессе трансляции именно три нуклеотида характеризуют антикодон тРНК, несущей определенную аминокислоту. Последовательность из трех букв называется триплетом, поэтому генетический код является триплетным.

Каждое сочетание трех смежных нуклеотидов, которое кодирует аминокислоту, носит название кодон. Заметим, что не всякая последовательность нуклеотидов что-то кодирует, т. е. не всякий триплет является кодоном. Как следует из механизма трансляции, если шесть нуклеотидов кодируют две аминокислоты, то три смежных нуклеотида со второго по четвертый или с третьего по пятый не кодируют ничего (это следует из механизма трансляции). Кодонами в нашем случае будут только нуклеотиды с первого по третий и с четвертого по шестой. Таким образом, у генетического кода есть свойства непрерывности и неперекрываемости – в осмысленной последовательности нуклеотидов кодоны идут друг за другом впритык – первые три, следующие три и т. д. Если бы соседние кодоны перекрывались, возможности кода были бы ограниченными.

Каждому кодону соответствует какая-то аминокислота (трем кодонам не соответствует никакая аминокислота – это так называемые стоп-кодоны, на них синтез белка обрывается). Обратное, естественно, неверно – как мы видели, кодонов более чем втрое больше, чем аминокислот. Так что на большинство аминокислот приходится больше, чем один кодон. Это свойство генетического кода называется вырожденностью (в данном случае это математический термин). Кстати, почему бы не предположить, что когда-то биологических аминокислот было больше, чем 20, а потом их число сократилось по принципу минимальной достаточности?

Генетический код обычно приводится в таблицах. По ним, зная кодон, можно найти аминокислоту, которую тот кодирует. На рис. 4.13 приведено соответствие аминокислот кодонам. Аминокислоты обозначены по трем первым буквам их названия, за исключением аспарагина (Асн), глутамина (Глн) и изолейцина (Иле), словом «Стоп» обозначены стоп-кодоны – триплеты нуклеотидов, которым не соответствует никакая аминокислота и которые таким образом служат местами прекращения трансляции.

Как вы помните, ДНК представляет собой двойную спираль, причем последовательности двух ее цепей комплементарны, но совсем не идентичны. Если одна из цепей кодирует последовательность аминокислот в каком-то полезном белке, то вторая вряд ли будет кодировать что-то осмысленное и полезное – ее последовательность однозначно определяется комплементарностью к первой. Следовательно, нет никакой свободы выбора ее последовательности и она не может быть приспособлена ни под что полезное. (Исключения бывают, но это уже экзотика!) Так что две важные макромолекулы – цепь ДНК, являющаяся матрицей для синтеза мРНК при транскрипции, и сама мРНК – имеют разные последовательности нуклеотидов, так как они не идентичны, а комплементарны друг другу. Цепь ДНК, по которой строится мРНК, принято называть матричной, а комплементарную ей последовательность, которой соответствует последовательности мРНК, – кодирующей. Разные гены на одной молекуле ДНК могут быть произвольно (параллельно или антипараллельно) ориентированы по отношению друг к другу, поэтому физически одна и та же цепь для разных генов может оказываться то матричной, то кодирующей. Генетический код принято записывать для матричной РНК. Ее последовательность идентична последовательности кодирующей, но не матричной цепи ДНК с той разницей, что вместо буквы Т (тимин) используется У (урацил).

На следующей таблице, наоборот, напротив аминокислот приведены все кодирующие их кодоны (рис. 4.14).

Основная тенденция генетического кода такова: как правило, аминокислота задается первыми двумя буквами и типом (пурин или пиримидин) азотистого основания третьей буквы (А или Г либо У или Ц). При такой системе мы имели бы 32 значимые комбинации. (Эту гипотетическую систему принято называть идеальным кодом.) Однако это всего лишь тенденция. Мы видим несколько аминокислот, кодируемых единственным кодоном: метионин (АУГ), изолейцин (АУА), триптофан (УГГ) – кодировка этих аминокислот невырождена. Но лейцин и аргинин кодируется целыми шестью кодонами. Имеется три стоп-кодона – УАА, УАГ и УГА.

Эта тенденция, однако, находит отражение в наборе тРНК. Поскольку мы имеем 64 – 3 = 61 кодон, кодирующий ту или иную аминокислоту, мы могли бы ожидать, что существует такое же количество разных тРНК, различающимися антикодонами, комплементарными этим кодонам. Однако на самом деле разных тРНК почти в два раза меньше – 31, т. е. почти столько же, сколько существует комбинаций первый нуклеотид точно – второй нуклеотид точно – третий нуклеотид пурин либо пиримидин. Дело в том, что большая часть тРНК способна связываться своим антикодоном с более чем одним кодоном – как правило, им действительно безразлична конкретная буква в третьей позиции кодона, главное, чтобы соответствовал тип основания – пурин либо пиримидин. Это связано с тем, что в третьей позиции антикодона часто стоят неканонические нуклеотиды, включающие другие азотистые основания, способные к комплементарному спариванию более чем с одним видом оснований.

Ученые пытаются анализировать закономерности распределения кодонов по аминокислотам в попытках реконструировать, как генетический код возникал и эволюционировал, некоторые из этих попыток следует признать довольно успешными.

По радио и телевизору иногда можно слышать сообщения наподобие «ученые такой-то страны расшифровали генетический код гена, ответственного за такую-то болезнь, старение» или что-то в этом роде. Это безграмотное использование слов. Генетический код – это именно система перевода, не более. Исключительно важно то, что он один и тот же для всех организмов. Так как конкретный шифр как будто бы не продиктован никакой биохимической необходимостью, т. е. нет связи между химическими свойствами входящих в кодон нуклеотидов и химическими свойствами соответствующей аминокислоты, этот факт однозначно указывает прежде всего на общность происхождения нашей формы жизни. Забегая вперед, скажем, что в наших с вами клетках имеются так называемые митохондрии – особые внеядерные структуры, у которых есть «своя» ДНК; у митохондрий значение нескольких кодонов различается. Таким образом, генетический код с точностью до небольших различий обладает свойством универсальности для всех живых существ.

Генетический код обладает известной степенью помехоустойчивости. Если подсчитать, сколько замен одного нуклеотида не меняет тип аминокислоты в соответствии с ее химическими свойствами (а такие замены аминокислот слабо сказываются на структуре и функциях белка) и сколько меняет, то отношение первых ко вторым будет близко к 2,25.

Для простоты усвоения довольно больших пластов смысла принято запоминать основные свойства генетического кода в виде набора слов, которые обозначают рассмотренные выше свойства: триплетность, вырожденность, неперекрываемость, непрерывность, универсальность, помехоустойчивость.

У генетического кода есть еще множество менее известных свойств. Он не дает покоя огромному количеству ученых, которые ломают голову, почему он именно такой, а не какой либо другой, вплоть до того, что обнаруживают в нем некое божественное послание. Некоторые его тонкие математические свойства действительно необыкновенны, но отличить, что там случайно, а что закономерно, – дело весьма нелегкое.

Покончив с нуклеиновыми кислотами как таковыми и узнав, зачем они нужны, поговорим немного о свойствах ДНК и РНК в сравнительном ключе. РНК менее стабильна, чем ДНК, потому что все наполнено ферментами, специально созданными для расщепления РНК – РНКазами. Дело в том, что матричная РНК должна своевременно расщепляться: если этого не делать, то будут продолжать производиться белки, в которых давно отпала необходимость. (Время жизни мРНК – от нескольких минут до нескольких дней. Единственное место, где она запасается впрок, – это желток яиц.) Поэтому все живые организмы, включая бактерии, производят разнообразные РНКазы, которые в результате содержатся буквально в окружающей нас пыли. Поэтому работать с РНК гораздо сложнее, чем с ДНК, – гораздо выше требования к чистоте.

Далее, вы, наверное, слышали о том, что вот-де ученые расшифровали последовательность ДНК, выделенной из египетской мумии, из замороженного трупа мамонта, из черепа неандертальца и кроманьонца. Все это действительно возможно, так как ДНК – очень стабильная молекула в нейтральной и в особенности в слегка щелочной среде. Считается, что первоначально для хранения информации использовалась РНК. (В наше время она используется для этой цели лишь некоторыми вирусами.) Кроме того, некоторые молекулы РНК даже сейчас имеют ферментативную функцию. Скорее всего тогда роль РНК в качестве ферментов была шире, несмотря на то что с химической точки зрения ее возможности здесь ограничены. Иначе говоря, преджизнь представляла собой «мир РНК» – молекулы РНК самовоспроизводились и обслуживались ферментами, которые сами представляли собой РНК. В дальнейшем была «изобретена» ДНК как химически модифицированная РНК, специально предназначенная для хранения и воспроизведения информации. А «вспомогательные» РНК научились делать белки, которые, хотя и были всего лишь надстройкой над миром РНК, оказались гораздо эффективнее в качестве ферментов. Так что сейчас общеизвестная роль РНК сократилась до того, чтобы быть посредниками между ДНК и белками. Однако кроткие РНК, по-видимому, до сих пор играют важную, прежде всего регуляторную, роль в организме.

Мы видим, что самая принципиальная для жизни функция – самовоспроизведения – основана на нуклеиновых кислотах, так как воспроизводятся именно они, а все остальное делается на их основе. Далее, мы видим, что различные нуклиновые кислоты прочно задействованы в синтезе белков. И наконец, процессы переноса энергии происходят посредством рибонуклеотидов. Напрашивается такая аналогия, что нуклеиновые кислоты – это будто бы люди, а белки – это будто их машины. Воспроизводство и ключевые моменты в производстве машин и контроль за ними остались за людьми, тогда как чисто технические возможности у машин гораздо шире, чем у людей.

Итак, мы ознакомились с общими химическими принципами работы нуклеиновых кислот по хранению и реализации генетической информации. Сейчас нам нужно уточнить некоторые детали, также вполне общего характера, связанные с регуляцией этого процесса.

Выше довольно часто встречались такие фразы: «У бактерий – одно, у высших организмов – другое». Дело в том, что живые существа действительно делятся на две большие группы – не имеющие ядра и имеющие его. Хотя это и будет забеганием вперед, давайте введем «правильные» названия для этих групп – прокариоты и эукариоты. (В системе биологической номенклатуры этим высшим категориям присвоен ранг надцарства.) К первым относятся бактерии, сине-зеленые водоросли (цианобактерии) и актиномицеты (одноклеточные организмы, имеющие ветвящиеся отростки и тем самым напоминающие грибки). Ко вторым – все многоклеточные животные и растения, а также простейшие – довольно крупные одноклеточные существа, имеющие ядро: амебы, инфузории, жгутиконосцы, одноклеточные водоросли. Таким образом, мы являемся гораздо большими родственниками растениям и амебам, чем бактериям. Хотя все молекулярно-биологические процессы, описанные выше, общие для прокариот и эукариот, есть и определенные отличия.

Между прокариотами и эукариотами имеется много принципиальных различий в строении и функционировании клеток, о чем мы будем говорить позже. Сейчас полезно обратить внимание на различия, связанные с их способом жизни и взаимодействия со средой. Жизнь прокариот сводится к химии и с внешней средой они взаимодействуют также химическим путем. Они «питаются» органическими или даже неорганическими веществами. Для этого они выделяют в окружающую среду определенные ферменты, которые осуществляют там необходимые им химические процессы, и всасывают нужные им вещества посредством диффузии. Поэтому прокариоты – это совершенные и эффективные биохимические машины.

В отличие от прокариот, эукариоты взаимодействуют с окружающим миром посредством тех или иных рабочих структур. Даже одноклеточные эукариоты структурно устроены достаточно сложно и, если они гетеротрофы, то механически поглощают пищевые объекты. Многоклеточные же эукариоты (а таких большинство) представляют собой сложные структуры, построенные из многих типов клеток. В жизни животных огромную роль играет движение, в жизни растений – рост, который по сути тоже есть движение, позволяющее получить необходимое им количество света. Поэтому эукариоты – это прежде всего эффективные механические устройства, будь то тигр или сосна. Это позволяет индивидуальным организмам «контролировать» гораздо большие потоки вещества и энергии. Обратная сторона этой медали – то, что на уровне биохимии они могут позволить себе (и позволяют) быть расточительными и менее эффективными. (Грибы, которые являются эукариотами, пожалуй, занимают промежуточное положение на этой шкале – их жизнь связана с химией в большей степени, чем с механикой. Дрожжи – почти одноклеточные грибы – ведут себя в этом смысле практически как прокариоты.)

Что же до генетической информации, то большая часть ее у эукариот ответственна не за построение различных ферментов, а за развитие очень сложных структур. Соответственно среди множества белков, информация о которых содержится в их ДНК, большая часть является уже не ферментами – рабочими биохимического конвейра, а регуляторами – сигнальными веществами, управляющими ростом и развитием организма, фактически – молекулярными чиновниками.

Часто говорят, что армия чиновников работает сама на себя, производя документы, которые рассматривают другие чиновники, на их основании производят следующие документы и т. д. В точности то же самое происходит и в генетической бюрократии эукариот: белки-регуляторы производятся для того, чтобы регулировать синтез других белков, многие из них также являются регуляторами и так далее. Поэтому если бактерия – это эдакое натуральное хозяйство, все производство в котором должно быть максимально эффективно организовано, что легко достигнуть силами одного хозяина, то высшие организмы – это огромные государства, где масса действующих лиц, возникает очень много бестолковщины и творится много безобразий, но которые, несмотря на это, умудряются играть очень важную роль в мировой политике и экономике. При этом бактерия должна чутко реагировать на любое изменение коньюнктуры в окружающем среде, а высшие организмы обладают известной самодостаточностью - автономностью и устойчивостью.

Нетрудно догадаться, что разница между прокариотами и эукариотами ярче всего проявляется в механизмах регуляции транскрипции. Транскрипция эукариот призвана обеспечить быструю и адекватную реакцию на биохимическую ситуацию в среде. Классическим примером здесь является устройство так называемого lac-оперона, за открытие которого французские ученые Франсуа Жакоб и Жак Моно в 1965 г. получили Нобелевскую премию. Однако подчеркиваем, что это только один из множества вариантов того, как работают гены прокариот.

У кишечной палочки есть три белка, ответственных за переработку дисахарида лактозы. Один из них транспортирует его в клетку, другой (трансацетилаза) присоединяет к нему ацетильную группу, третий расщепляет дисахарид на глюкозу и галактозу. Они кодируются определенными отрезками ДНК, идущими друг за другом. Все три участка транскрибируются и транслируются в виде единой мРНК, так что все три соответствующих белка появляются в клетке вместе. Следовательно, на все три участка имеется один общий промотор (напомним, что это участок ДНК, характеризующийся особой последовательностью нуклеотидов, с которого начинается транскрипция). Между промотором и первым геном имеется короткий участок ДНК – оператор, который, как и промотор, не кодирует никаких аминокислот, но зато опознается определенным белком-репрессором. В отсутствие лактозы – субстрата белков, кодируемых всеми тремя генами, репрессор связывается с оператором и преграждает продвижение РНК-полимеразы от промотора к генам. В результате гены не транскрибируются и белки не синтезируются. Однако у репрессора есть центр связывания лактозы. При появлении в клетке лактозы она связывается этим центром и меняет конформацию репрессора таким образом, что тот теряет способность связываться с оператором и отходит от него. Ничто более не сдерживает продвижение РНК-полимеразы, мРНК транскрибируется и транслируется. Таким образом, появление в среде субстрата – лактозы – индуцирует синтез ферментов, которые могут ее утилизировать.

В этом примере все три белка кодируются генами, которые расположены вместе и регулируются, транскрибируются и транслируются также вместе. Такая система, включающая промотор, оператор (или несколько операторов) и обслуживаемые ими гены белков, называется опероном. Оперонная организация генов обеспечивает, во-первых, слаженность синтеза функционально связанных белков, во-вторых, общую регуляцию их синтеза в зависимости от наличия / отсутствия субстрата.

В различных оперонах применяется четыре способа регуляции. Рассмотренный нами способ – это негативная индукция. Негативная – потому что имеется белок-репрессор, выключающий работу гена; индукция – потому что некое вещество, в данном случае субстрат, включает работу гена. Кроме индукции бывает репрессия – когда появление внешнего вещества, наоборот, выключает ген. Допустим, это продукт реакции, при избытке которого нужно ее остановить. И кроме негативных индукции и репрессии бывает и позитивная индукция и репрессия – когда регуляторный белок является не репрессором, а активатором. Активатор также связывается со специфичной регуляторной последовательностью ДНК, но это не препятствует, а, наоборот, способствует транскрипции гена – к примеру, помогает РНК-полимеразе связаться с ДНК.

Интересно, что в рассмотренном случае кроме негативной индукции присутствует и позитивная репрессия. Перед промотором есть еще и активатор, который в присутствии глюкозы – более эффективного пищевого ресурса – не работает, а в ее отсутствие – способствует связыванию РНК-полимеразы с промотором. Ген, кодирующий белок-репрессор, находится непосредственно перед lac-опероном. Но это не всегда и не обязательно так – ген регуляторного белка может находиться где угодно, а сам белок все равно свяжется с тем местом на ДНК, к которому у него есть сродство. Такие регуляторные вещества, поступающие из других мест, называются транс-факторами. А вот участок ДНК, с которым он связывается, принципиально должен находится по соседству с регулируемыми генами, такие регуляторные элементы называются цис-факторами.

В клетке кишечной палочки найдено и предсказано 2 584 различных оперона, в которых применяются разные принципы регуляции.

А вот у эукариот оперонов практически нет. У многоклеточных организмов регуляция жизнедеятельности больше идет на уровне физиологии целого организма. При этом с внешней средой взаимодействуют одни клетки (допустим, кожа, пищеварительный тракт, органы чувств), а реакция должна состояться в другом месте – в мышцах, железах. Зачастую белок формируется в одном месте, а используется совсем в другом.

Изменения в транскрипции генов в ответ на воздействия внешней среды на многоклеточный организм происходят с участием внутренних посредников – гормонов, а у животных (также и нервных импульсов, которые в конечном счете тоже сводятся к воздействию на клетки определенных веществ-посредников) – медиаторов. Кроме того, для многоклеточных очень важно, чтобы сам этот сложный организм правильно формировался по определенной, очень сложной программе. Ее разворачивание предполагает каскад специфических сигналов (транс-факторов), представляющих собой белковые продукты регуляторных генов. Эти сигналы очень узко направлены – их адресатами является небольшое число генов, многие из которых также представляют собой регуляторные гены. Таким образом, транс-факторы эукариот можно грубо разбить на два типа – продукты регуляторных генов и рецепторы, связавшиеся с гормонами или медиаторами.

Как следствие всех этих обстоятельств каждый ген у эукариот регулируется независимо и в начале каждого (а иногда внутри и вокруг него) имеется протяженная регуляторная область цис-факторов, с которой связываются многочисленные транс-факторы – активаторы и репрессоры.

И наконец, транкрипция эукариотических генов зависит от характера укладки ДНК в хромосомах и того, с какими структурными белками хроматина и как именно она связана. Об этом будет сказано в дальнейшем.

Кстати, у эукариот есть еще одно отличие от прокариот. Матричная РНК, образовавшаяся после транскрипции, прежде чем послужить матрицей для синтеза белка, под действием специальных ферментов претерпевает определенные изменения под общим названием процессинг. А именно:

– к ее 5’-концу пришивается гуанинтрифосфат в обратной ориентации – это нужно для правильной фиксации ее начала на рибосоме;

– к 3’-концу в определенном месте, как правило, присоединяется последовательность РНК, состоящая из одних аденинов – это помогает мРНК некоторое время не расщепляться РНКазами;

– с той же целью защиты от РНКаз, будучи подобным образом модифицированы, оба конца мРНК соединяются друг с другом, так что мРНК оказывается свернутой в кольцо;

– из середины большинства мРНК вырезаются куски, которые не кодируют аминокислот – интроны. Все это выглядит нелепой тратой вещества и энергии – зачем производить мРНК длиннее, чем это нужно. Однако вырезание интронов из одной и той же мРНК может происходить по нескольким разным схемам, что позволяет порождать дополнительное разнообразие синтезируемых белков. Кроме того, вырезанные интроны иногда приспосабливаются для выполнения каких-то функций, в основном регуляторных.

В первой лекции мы уподобили живые организмы компьютерам, так как и те и другие суть системы, существующие за счет преобразования информации. Сегодня мы ознакомились с некоторыми принципами строения биологического компьютера, в частности увидели, где у него находится и как устроен носитель долговременной памяти и как информация с него считывается. Обратим внимание на одно важное обстоятельство. Из области бытовой техники вы знаете, что существует два способа записи и воспроизведения сигнала – аналоговый и цифровой. Аналоговый способ реализован, к примеру, при записи звука на пластинку. Колебания воздуха преобразуются в колебания электрического поля, а те – в извилистую бороздку на пластмассе, конфигурация которой повторяет профиль исходной звуковой волны. Звуковая волна записана в этой бороздке посредством прямого преобразования одних сил, способных меняться плавно и на произвольную величину, в другие. При воспроизведении происходит обратный процесс.

Вы знаете, что есть другой принцип записи звука – цифровой. При этом профиль звуковой волны закодирован в виде ее числовых параметров и эти параметры записаны на магнитном или оптическом компьютерном носителе в виде чередования нулей и единиц, т. е. в дискретном виде. При преобразовании аналогового сигнала (звуковая волна) и цифрового (магнитный носитель) и обратно используются процессы, идущие по закону «все или ничего» (ток идет – тока нет), причем процессы, меняющиеся плавно (давление воздуха, напряжение электрического поля в мирофоне), постепенно расщепляются на каскад дискретных процессов в компьютере и обратно.

В том, с чем мы сегодня однакомились, можно усмотреть оба типа сигналов – аналоговый и цифровой. Передача и кодировка дискретных (т. е. по сути – цифровых) сигналов имеет место в явлениях матричного биосинтеза. Это точная репликация ДНК, перевод с языка ДНК на язык РНК при транскрипции, с языка РНК на язык аминокислот при трансляции. И сами эти языки, состоящие в последовательности 4 или 20 букв – дискретных мономеров – нуклеотидов и аминокислот, соответственно ничем (только количеством букв) принципиально не отличаются от двоичного, т. е. двухбуквенного (0 и 1) внутреннего, языка компьютера. Однако управление всеми этими процессами с помощью регуляторных белков основано на изменениях концентраций тех или иных веществ – как самих регуляторных белков, так и низкомолекулярных индукторов или репрессоров. Информация от внешнего мира поступает в клетку в виде концентраций тех или иных веществ – питательных, таких как глюкоза, или специальных сигнальных – таких как гормоны. Концентрации могут меняться плавно, и в соответствии с ними интенсивность транскрипции тоже менятся плавно. Это типичный случай аналогового преобразования сигнала.

Если способ записи в ДНК информации о структуре белков довольно выразителен и весь основан на принципе комплементарного спаривания нуклеотидов – в двойной цепи ДНК, при синтезе ДНК и РНК, при спаривании антикодона тРНК с кодоном матричной РНК, то способ записи в ДНК информации по управлению синтезом белков менее нагляден. Здесь также все основано на существовании в ДНК строго определенных последовательностей нуклеотидов. Но в данном случае эти последовательности распознаются соответствующими специальными белками без комплементации и даже без расплетания двойной цепочки ДНК. Эти белки буквально нащупывают столь слабые зацепки, как определенная конфигурация атомов следующих друг за другом пар спаренных нуклеотидов внутри бороздок двойной цепочки ДНК. Эту конфигурацию и то, как она опознается белками, не покажешь на простых моделях. Однако именно на таких взаимодействиях (белок – ДНК) основана вся регуляция функционирования генетической информации и тем самым существование любого живого организма, простого или сложного.

В этой лекции мы ознакомились с достаточно сложными веществами и процессами, на которых основана вся наша форма жизни. Надеемся, что вам удалось почувствовать одновременно и их сложность, и их красоту, а также общность всей этой уникальной сложной организации у всего живого.


Лекция 5. ЭНЕРГЕТИКА ЖИЗНИ. 1. ПОЛУЧЕНИЕ ЭНЕРГИИ ИЗ ГЛЮКОЗЫ

Это довольно сложный предмет. Проблемы начинаются с самого названия – как ни назови, все равно будет ассоциироваться с «биоэнергией», которая сейчас в большой моде. Никто не знает, что это такое, но большинство убеждено, что это могучая сила, влияющая фактически на все, нечто вроде нечистой силы или божественного провидения, кому как больше нравится. Между тем, как мы уже уяснили, живые организмы получают, преобразуют и используют самую обычную энергию. Предмет этот по-своему красивый, но речь пойдет об очень сложных процессах, ясное понимание которых требует определенного образования – это самая что ни есть биохимия, причем достаточно сложная. И поскольку дело касается энергии, для ее понимания необходимы знания по физхимии. Тем не менее, необходимо ознакомить вас с наиболее важными процессами хотя бы поверхностно, с тем чтобы вы представляли в общих чертах, как это происходит, и в то же время почувствовали объем предмета. Для усиления вашего собственного интереса к нему попробуйте прочувствовать тот факт, что то, с чем мы сейчас познакомимся, равно как и все, с чем мы познакомились до сих пор, происходит не в какой-то пробирке в некоей лаборатории (хотя именно там выяснялось, как именно оно происходит), но непосредственно внутри нас, в каждой клетке нашего тела, в том числе и в клетках мозга, при помощи которого мы пытаемся что-то понять, в любую минуту и с огромной скоростью.

Мы начали наше знакомство с биологией с химии, затем перейдем к клетке, а потом – к организму. По мере того как мы будем переходить ко все более крупным структурам, т. е. по мере удаления от молекул и приближения к объектам, наполняющим нашу обыденную жизнь, понимание станет даваться все легче и легче. И это неудивительно, так как наши мозги создавались эволюцией для того, чтобы руководить нами в макромире. Процессы же на микроуровне протекают автоматически и самопроизвольно, без нашего на то соизволения. Но и они точно так же создавались в ходе эволюции, только это происходило на гораздо более ранних ее этапах.

Биохимические процессы в организме представляют собой сложнейшие пути превращений веществ одни в другие и их транспорта из одних мест в другие. Эти пути можно изобразить схематически, получаются схемы чудовищной сложности, иногда изображаемые на весьма поучительных плакатах. Для того чтобы ознакомиться с этими путями, нужно выбрать ниточку, с которой начать путешествие по этому лабиринту, и тот пункт, к которому нам следует прийти. Начнем с конца.

Для чего организму нужна энергия? Почти все процессы в нем осуществляются путем ферментативных реакций, многие из которых идут с затратами энергии. Как мы помним, подавляющее большинство ферментативных реакций, протекающих с затратой энергии, требует для своего протекания молекулу АТФ (аденозинтрифосфат), являющуюся универсальным энергоносителем внутри клетки (см. рис. 4.3). Энергия накоплена в связях между тремя последовательно соединенными остатками фосфорной кислоты (их называют макроэргическими связями). В ходе «затратных» ферментативных реакций молекула АТФ дефосфорилируется и преобразуется в АДФ (аденозиндифосфат – почти та же самая молекула, что и один из мономеров РНК). Нужно пояснить, что на самом деле разрыв любой химической связи требует затраты какого-то количества энергии. Однако гидролиз макроэргической связи дает энергетический выигрыш, который составляет около 30 кДж / моль (а моль – это число Авогадро молекул, т. е. 6  1023 штук). Кроме того, реакция расщепления макроэргической связи идет только в том случае, если концентрация АТФ значительно превышает концентрацию продуктов ее гидролиза, поэтому живые клетки вынуждены поддерживать ее на высоком уровне.

Мышечное сокращение – первое, что приходит нам как мощным механическим устройствам на ум в связи с вопросом о затратах энергии – также требует молекул АТФ. Хотя действие сократительных белков не является ферментативной реакцией, сущность его остается та же – определенное изменение конформации белка при гидролизе фосфодиэфирных связей в молекуле АТФ. Почему-то редко вспоминают об энергозатратах в связи с высшей нервной деятельностью (наверное, мы все же в большей степени атлеты и механизмы, чем мыслители). А они не маленькие – вспомните, как хочется есть в процессе учебы. И расходуется здесь та же самая АТФ.

Итак, нам сейчас нужно рассмотреть, каким путем организм синтезирует свою АТФ. Конечным пунктом нашего путешествия будет именно эта молекула.

С чего мы начнем? Давайте начнем с молекулы глюкозы. Это вещество является энергоносителем нашей крови. Именно оно образуется при переваривании углеводов и жиров пищи и расходовании запасов жиров под кожей и гликогена в печени. Опять-таки глюкоза – это то самое первое органическое вещество, которое образуется растениями в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды. У растений глюкоза и фруктоза так же служат переносчиками вещества и энергии – они образуются в листьях и транспортируются к стеблям, корням, цветам, плодам. И наконец, та же глюкоза является питательным веществом для большинства бактерий.

Итак, мы намерены путешествовать по биохимическим путям от глюкозы к АТФ. Первая – это универсальный энергоноситель в многоклеточном организме, а второе – универсальный (причем счетный) энергоноситель в клетке. Немного сменив аналогию, мы можем сказать, что собираемся рассмотреть механизм конвертации валют – с межнациональной на национальную (хотя у людей все национальные валюты разные, а у клеток – одна и та же).

При раскручивании биохимической цепочки следует иметь в виду, что все процессы получения энергии живыми организмами происходят в результате окислительно-восстановительных реакций, при которых происходит перенос электрона с одной молекулы (восстановитель, донор электронов) на другую (окислитель, акцептор электронов). При этом роль акцептора электронов играют либо органические молекулы, либо кислород. На выбранном нами пути встретятся оба способа

Итак, начнем с момента, когда глюкоза попадает в клетку и используется именно в качестве источника энергии (а не для построения полисахаридов, к примеру). Конечными химическими продуктами этого процесса являются углекислый газ и вода. То же самое получилось бы, если бы мы просто сжигали глюкозу. Однако, в отличие от горения, энергетический выигрыш от такой перекомбинации атомов не уходит в окружающую среду в виде тепловой энергии, а аккумулируется в виде энергии определенных химических связей. Сам же процесс отличается большой сложностью и включает множество органических веществ определенной структуры. Среди всей этой сложности отрадно, что механизм этого процесса – один и тот же у большинства живых существ.

А первая его стадия, которая может проходить в отсутствие кислорода, – одинакова у всех. Она называется гликолиз. Общая последовательность гликолиза такова. К молекуле глюкозы присоединяются два остатка фосфорной кислоты. Связь фосфор–кислород в фосфорной кислоте энергетически насыщена, что дестабилизирует молекулу и облегчает ее расщепление на два фосфорилированных трисахарида. Дефосфорилирование трисахаридов сопровождается сопряженным фосфорилированием аденозина с образованием АТФ. Хитрость заключается в том, что двойное фосфорилирование одной молекулы глюкозы требует затраты двух молекул АТФ, которые дефосфорилируются до АДФ. Однако дальнейшее преобразование каждого из трисахаридов приводит к образованию двух молекул АТФ, а так как глюкоза распадается на два трисахарида, то в сумме образуется четыре молекулы АТФ. Это означает выигрыш в две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы. Мы наблюдаем прямо таки молекулярный бизнес, где капитал в две АТФ приносит 100 %-ю прибыль. Но если клетка жива, у нее всегда найдутся свободные оборотные средства. (Еще раз напомним, что АТФ может служить источником энергии только при высоких концентрациях.)

В процессе гликолиза есть еще один энергетический выигрыш. Есть такое вещество – никотинамидадениндинуклеотид (НАД). Он является коферментом нескольких ферментов. Это действительно динуклеотид, одна из его составляющих – хорошо знакомый нам аденин. Другой же нуклеотид содержит новое для нас азотистое основание – никотиновую кислоту (это не совсем то же, что никотин, но очень близко по строению). Как и большинство коферментов и их составляющих, никотиновая кислота является одним из витаминов – РР. НАД существует в двух формах – восстановленной (НАД-H, в здесь в русской записи приходится комбинировать русскую аббревиатуру и латинский символ для атома водорода) и окисленной (НАД+), последняя образуется путем отнятия от НАД-Н атома водорода и дополнительного электрона и представляет собой положительно заряженный ион (рис. 5.1). Восстановленная форма является энергонасыщенным состоянием, поэтому восстановление НАД+ до НАД-Н требует затраты энергии.

Восстановленная форма HАД-Н является сильным восстановителем, то есть донором электронов. При этом она же является донором атомов водорода. Далее мы увидим, что НАД-H играет важную роль в синтезе АТФ, т. е. в процессах получения энергии. Но участием в качестве посредника в процессах расщепления органики в целях получения энергии его функция не ограничивается. Как мы убедимся на следующей лекции, та же молекула в немного модифицированной форме является важнейшим ресурсом при синтезе органики, в качестве донора водорода, электронов и энергии.

Процесс гликолиза включает восстановление молекулы НАД+ до НАД-H. В анаэробном варианте гликолиза, который идет в отсутствие кислорода, эта молекула в дальнейшем снова окисляется.

Гликолиз – это достаточно сложная последовательность ферментативных реакций, как видно из рис. 5.2. Гликолиз распадается на несколько этапов, каждый из которых катализируется определенными ферментами:

1) превращение глюкозы в глюкозо-6-фосфат под действием фермента глюкокиназы – этот процесс идет с затратой одной молекулы АТФ;

2) изомеризация – превращение глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат;

3) дополнительное фосфорилирование фруктозо-6-фосфата – также идет с затратой молекулы АТФ;

4) расщепление фруктозо-1,6-бифосфата на два фосфорилированных трехатомных сахара (триозофосфата): дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегидфосфат. Эти продукты способны переходить один в другой при помощи специального фермента – изомеразы. В последующие реакции гликолиза вступает глицеральдегидфосфат, который тем самым расходуется, а пополняется он, в том числе и за счет превращения в него дигидроксиацетонфосфата;

5) глицеральдегид-3-фосфат еще раз фосфорилируется, причем для этого используется свободная фосфорная кислота из раствора. В отличие от всех предыдущих актов фосфорилирования, которые шли с затратой молекулы АТФ, эта реакция сопровождается энергетическим выигрышем, который идет на восстановление молекулы окисленной формы никатинамидадениндинуклеотида (НАД+) в его восстановленную форму (НАД-H). Непривычный для нас энергетический выигрыш, вместо энергетической потери при фосфорилировании можно объяснить тем, что если в остальных случаях фосфатная группа переносится с одной молекулы (АТФ) на другую (расщепляемый сахар), то в данном случае в ходе реакции происходит еще и взаимная нейтрализация аниона (один из кислородов остатка фосфорной кислоты из раствора) и катиона (НАД+), которая и дает необходимую энергию;

6) только что присоединенный остаток фосфорной кислоты снова отщепляется, присоединяясь к аденозиндифосфату – с образованием вожделенной АТФ. Если до второго фосфорилирования мы имели глицеральдегид-3-фосфат, то теперь мы имеем глицерат-3-фосфат – альдегидная группа заменилась на кислотную, причем эта молекула – отрицательно заряженная;

7) фосфатная и гидроксильная группа меняются местами;

8) от получившегося глицерат-2-фосфата отщепляется молекула воды с образованием двойной связи и енольной группы – формируется фосфоенолпируват;

9) он дефосфорилируется с образованием пирувата (пировиноградной кислоты), при этом остаток фосфорной кислоты снова идет на образование молекулы АТФ – второй в ходе преобразования триоз.

Итак, результатом гликолиза являетяс пируват.

Большая часть реакций гликолиза обратима, но несколько практически необратимы. Поэтому при необходимости, наоборот, синтеза глюкозы из пирувата организм использует другие пути.

Если мы рассматриваем анаэробный, т. е. протекающий в отсутствии кислорода, гликолиз, то пируват восстанавливается до лактата; в более привычных названиях, пировиноградная кислота – до молочной кислоты. При этом к молекуле присоединяется два атома водорода и кетонная группа превращается в гидроксильную. Как и в любой окислительно-восстановительной реакции, если что-то восстанавливается, что-то должно, наоборот, окисляться. В данном случае НАД-H окисляется до НАД+, таким образом восстанавливается статус-кво – в реакцию гликолиза входил окисленный НАД+ и его же мы и получили.

Именно гликолиз ответствен за хорошо нам знакомые процессы скисания (молока) и сквашивания (овощей, грибов, рыбы). В кисломолочных и соленых продуктах накапливается именно молочная кислота – лактат. У дрожжей пируват превращается не в лактат, а в этиловый спирт. Эта реакция идет не за один этап, а за два и также сопровождается окислением НАД-H. Некоторые бактерии восстанавливают пируват до янтарной или масляной кислот.

Не надо думать, что анаэробный гликолиз – это удел исключительно анаэробных бактерий типа возбудителя ботулизма. При интенсивных нагрузках кровеносная система не успевает снабжать кислородом работающие мышцы. При этом часть пирувата не расходуется, а преобразуется в лактат, как и у анаэробных бактерий, поскольку НАД-H должен быть окислен, если не кислородом (когда его не хватает), то пируватом, с восстановлением последнего до лактата. У большинства современных организмов, дышащих кислородом, пируват не превращается в лактат, а утилизируется дальше. Он поступает в каскад ферментативных реакций, в ходе которого расходуется кислород, образуется углекислота и синтезируется АТФ. Все эти реакции в сумме называются клеточным дыханием.

Обратим ваше внимание на то, что клеточное дыхание состоит из двух процессов. В ходе одного из них углерод окисляется до углекислого газа, но молекулярный кислород не расходуется – атомы кислорода берутся из органических веществ и воды, которая здесь не выделяется, а расходуется. При этом образуются излишки водорода, которые идут на восстановление коферментов. В ходе второго процесса коферменты окисляются и отдают водород (который сначала разделяется на протоны и электроны, имеющие разную судьбу), именно здесь он связывается с молекулярным кислородом с образованием воды. АТФ образуется преимущественно в ходе второго процесса. Первый процесс называется циклом трикарбоновых кислот, или циклом Кребса, второй – окислительным фосфорилированием.

Следует сделать оговорку относительно места происходящего. Вы помните, что всё живое состоит из клеток. У клеток всех многоклеточных организмов и части одноклеточных имеется клеточное ядро – эти организмы называются эукариоты. В ядре находится ДНК. Содержимое клетки вне ядра называется цитоплазма. В цитоплазме имеются различные органеллы – те или иные структуры. Среди органелл имеются так называемые митохондрии. Они выглядят как цилиндрические тельца, окруженные двойной мембраной – внешней и внутренней (рис. 5.3). Внутренняя мембрана образует многочисленные складки внутрь митохондрии – кристы. Наверное, вы слышали и о существовании митохондрий и о том, что они являются энергетическими станциями клетки.

Рассмотренный выше процесс гликолиза происходит в цитоплазме. Клеточное же дыхание происходит в митохондриях. Для этого продукт гликолиза – пируват – должен попасть внутрь митохондрий.

Итак, мы в митохондрии. Каскад реакций клеточного дыхания начинается с реакции, одним из субстратов которой является пируват, а одним из продуктов – ацетилкофермент-А, или ацетил-coA. Ацетил-coA – одно из важнейших веществ в биохимических путях. Он образуется в процессе расщепления сахаров, жирных кислот и некоторых аминокислот и используется при их синтезе. Во всех этих случаях он является реакционноспособным носителем ацетильной группы. В одних реакциях она используется для синтеза органических веществ, в других – для их «сжигания» в качестве топлива. Поэтому ацетил-coA является важнейшим посредником во множестве биохимических процессов, связанных с обменом вещества и энергии. Посмотрим на это замечательное вещество, представленное на рис. 5.4.

Мы снова видим знакомый нуклеотид аденозин, потом – довольно длинную углеводородную цепь, включающую атомы азота и заканчивающуюся атомом серы, к которой и присоединена ацетильная группа. (Молекула без ацетильной группы – это просто кофермент А.)

Ацетил-coA образуется с затратой молекулы пирувата в ходе сложной реакции, катализируемой целым комплексом из трех ферментов и пяти коферментов, прикрепленным к митохондриальной мембране – пируватдегидрогеназным комплексом. При этом от молекулы пирувата отщепляется молекула диоксида углерода, а оставшаяся от него ацетильная группа присоединяется к коферменту А, с образованием ацетил-соА. Реакция имеет энергетический выигрыш, который идет на восстановление одной молекулы НАД+ до НАД-H. В этой реакции мы впервые видим, как атом углерода переходит из органического вещества в углекислый газ. Еще раз заметим, что это происходит без участия молекулярного кислорода – кислород также поступает из органического вещества.

Впереди нас ждет еще несколько таких же событий, так что в конечном счете в углекислый газ уйдут все три атома углерода, имевшихся в молекуле пирувата. Таким образом, весь углерод, поступивший из глюкозы, переходит сначала в пируват, а потом в углекислый газ. Заметим, что во всех случаях опять-таки будет использован кислород, имевшийся в составе органических веществ. Куда же уйдут лишние атомы водорода? Они пойдут на восстановление НАД+ до НАД-H и на восстановление еще одного кофермента. Вспомним, что после гликолиза у нас уже остается одна восстановленная молекула НАД-H (которая при наличии клеточного дыхания не тратится на превращение пирувата в лактат).

Ацетил Co-A вступает в циклический биохимический процесс, называющийся циклом Кребса. Он назван так по имени Ганса Кребса, описавшего его в 1937 г., за что он впоследствии получил Нобелевскую премию. Цикл представляет собой 10 последовательных химических реакций, в ходе которых 10 органических кислот последовательно преобразуются одна в другую. В одном месте в этот цикл входит уже знакомый нам ацетил-соА, который отдает свою ацетильную группу оксалоацетету (щавелевоуксусной кислоте), в результате чего образуется цитрат (лимонная кислота). Если первая молекула содержала четыре атома углерода, то вторая соответственно содержит уже шесть (в ацетильной группе имеется два углерода). Три из них находятся в карбоксильных группах, а три составляют остов молекулы – такие кислоты называют трикарбоновыми.

Схема цикла Кребса приведена на рис. 5.5.

В ходе последовательных превращений всех этих кислот происходят события нескольких типов:

– кислоты теряют два атома углерода за счет образования двух молекул углекислого газа;

– кислоты присоединяют две молекулы воды;

– излишки водорода уходят на восстановление трех молекул НАД+ до НАД-H, а также на восстановление еще одного кофермента – флавинадениндинуклеотида (ФАД) до ФАД-Н2 (рис. 5.6);

– образуется одна молекула гуанозинтрифосфата (ГТФ) из ГДФ. Это полностью эквивалентно образованию АТФ, так как ГТФ и АТФ находятся в химическом равновесии.

Цикл Кребса замыкается, когда в конце концов мы приходим к тому же оксалоацетату с его четырьмя атомами углерода, к которому может снова присоединяется ацетильная группа от ацетил-соА.

Все вещества цикла Кребса – и кислоты, и катализирующие реакции ферменты – находятся в одном и том же растворе внутри митохондрий (только один из ферментов иммобилизован на мембране – именно тот, который катализирует реакцию с образованием ГТФ), поэтому цикл не имеет пространственного содержания – это просто последовательность превращений веществ. Этот цикл играет центральную роль в метаболизме клетки, так как участвующие в нем вещества являются промежуточными веществами многих метаболических процессов. Он задействован в расщеплении и синтезе углеводов, в расщеплении и синтезе жирных кислот, в расщеплении и синтезе многих аминокислот, в синтезе азотистых оснований нуклеотидов и других важных веществ.

Три из тех 10 кислот, которые циклически преобразуются одна в другую в цикле Кребса, вам могут быть известны. Это лимонная, янтарная и яблочная кислоты. Фирменные составы для подкрепления спортсменов содержат не только глюкозу, но и лимонную кислоту. Это делается для того, чтобы не просто провести вливание энергии, но и стимулировать весь цикл Кребса. Янтарная кислота сейчас активно рекламируется как лекарство, которое помогает чуть ли не от всего, в том числе укрепляет иммунитет. Однако мы убедились, что это вещество всегда (по крайней мере, пока мы дышим) присутствует в митохондриях и находится в химическом равновесии с лимонной кислотой.

Как мы видели, в ходе образования ацетил-соА и цикла Кребса образуется всего одна молекула нуклеотидтрифосфата (ГТФ, что так же хорошо, как АТФ), хотя мы истратили все три атома углерода. Основной товар, добытый в ходе этой сложной коммерческой махинации, идущей через множество посредников, свободно блуждающих во внутреннем пространстве митохондрии как брокеры на бирже, состоит в восстановленных коферментах. Давайте теперь продадим их за нашу любимую валюту – АТФ. Для этого нам следует обратиться в фирму под названием «Цепь переноса электронов».

В отличие от цикла Кребса, у этой фирмы есть свое производственное здание, впрочем, плавучее. Процесс, который будет иметь место, осуществляется в трех цехах, а именно – тремя агрегатами определенных белков, расположенных на внутренней мембране митохондрии. На всякий случай поясним, что таких индивидуальных аггрегатов очень много (5–20 тыс. на митохондрию, причем три их типа не находятся в стехиометрических соотношениях); каждый из них представляет собой работоспособный цех. Поскольку мембрана полужидкая (в дальнейшем мы рассмотрим ее свойства подробнее), белковые агрегаты словно плавают по мембране словно баржи, при столкновении передавая друг другу электрон вместе с одним из подвижных веществ – в одном случае с убихиноном (небольшой молекулой, включающей ароматическое кольцо), в другом – с цитохромом с (о цитохромах – немного позже). Сам же процесс, который происходит в результате переноса электронов, называется окислительным фосфорилированием.

Работа цепи переноса электронов начинается с того, что молекула НАД-H отдает два электрона ферменту НАД-Н-оксидазе, превращаясь в окисленную форму НАД+. Образующийся при этом протон уходит в раствор во внешнее пространство митохондрии. НАД-оксидаза – это первый из названных белковых агрегатов. Эти два электрона передаются за счет сопряженных окислительно-восстановительных реакций по цепочке белков и коферментов ( которые включают еще один специальный нуклеотид – флавинмононуклеотид). Белки в цепи переноса электронов содержат атом железа, который в ходе переноса электронов меняет степень окисления с +3 на +2 и обратно. За исключением одного из этих белков (ферродоксин), в котором атом железа соединен с серой, во всех остальных атом железа находится в уже знакомом нам по молекуле гемоглобина геме. Гем – это порфириновое кольцо – ажурная и почти симметричная органическая молекула с системой сопряженных двойных связей и четырьмя атомами азота, которая образует комплекс с атомом железа (рис. 5.7). Белки, содержащие гем, в данном случае называются цитохромы (название происходит от греческого «хромос» – цвет, так как гем имеет окраску). Последний из цитохромов при помощи фермента цитохромоксидазы (они входят в состав третьего белкового агрегата) отдает электроны молекуле кислорода (мы помним, что гем способен связывать кислород), в результате чего образуется ион О2-. Соединяясь с протонами, этот ион образует молекулу воды. (При этом восстанавливается баланс по водороду. Мы помним, что протоны образовывались при окислении НАД-Н и ФАД-Н2, которые в свою очередь получали водород из органических веществ в цикле Кребса.)

Таким образом, именно в результате переноса электронов в процессе клеточного дыхания расходуется кислород и образуется дополнительное количество вода.

Зачем же все это нужно, спросите вы? Цепь переноса электронов устроена таким образом, что перенос по ней каждого электрона сопровождается переносом протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану из внутреннего пространства митохондрии в наружное (относительно внутренней мембраны митохондрии). Также наружу выделяется протон, образующийся при окислении НАД-Н. Эти процессы идет против градиента концентрации ионов водорода и соответственно против электростатической силы и требует затрат энергии, которую по мере своего продвижения и отдает электрон. В результате внутри и снаружи внутренней мембраны митохондрии образуется разность рН (т. е. концентрации протонов), а на двух поверхностях мембраны – разность электрических потенциалов – внутренняя поверхность мембраны заряжается отрицательно, а наружная – положительно. Собственно, ради этого только и задействована столь сложная биохимия.

Цепь переноса электронов представлена на рис. 5.8, где темно-серым цветом показана внутренняя митохондриальная мембрана, светло-серым – митохондриальный матрикс, белым фоном – межмембранное пространство митохондрии, компактными белыми зонами – белки, участвующие в цепи переноса электронов, FMN, FMNH2 – окисленная и восстановленная форма флавинмононуклеотида, Q, QH – окисленная и восстановленная форма убихинона, FeS – ферродоксин, строчными латинскими буквами обозначены различные цитохромы.

Для чего же нужна эта разность кислотности и потенциалов по обе стороны внутренней митохондриальной мембраны? Существует еще один комплекс из двух белков, можно сказать, главный во всей системе – АТФ-синтетаза. Этот комплекс пронизывает внутреннюю митохондриальную мембрану и на него приходится около 15 % массы всех белков этой мембраны. Он устроен таким образом, что пропускает один за другим протоны обратно, из внешнего пространства во внутреннее пространство митохондрии. Это движение происходит по градиенту концентрации и под действием электростатической силы. Энергия движущихся под действием разности потенциальной энергии протонов и используется для фосфорилирования АДФ с образованием АТФ.

Эта энергия зависит от разности потенциалов на двух сторонах мембраны. Принято считать, что обычно для синтеза одной молекулы АТФ требуется пропустить три протона. Количество протонов, перекачиваемых цепью переноса электронов, также не определено точно и может зависеть от многих факторов. Сейчас считается, что при окислении одной молекулы НАД-H образуется около 2,5 молекул АТФ, а при окислении ФАД-Н2 – около полутора молекул АТФ. (Небезынтересно, что еще лет 10 назад считалось, что энергетический выигрыш от окисления этих носителей протонов составляет 3 и 2 молекулы АТФ соответственно.) Поскольку процессы перекачки протонов и синтеза АТФ за счет создаваемого градиента их концентрации разобщены, нет ничего удивительного, что между ними нет строгого количественного соответствия. К тому же энергия протонного градиента используется митохондрией и для других целей, в частности для транспорта внутрь митохондрии «топлива» - анионов, а именно пирувата и фосфатов. Поскольку внутри митохондрии рН повышена, анионы не диффундируют туда самостоятельно. Поэтому они транспортируются за счет особых мембранных белков, которые черпают энергию для этого оттуда же, откуда и АТФ-синтетаза – за счет протонов, «запускаемых» обратно внутрь митохондрии.

У аэробных бактерий митохондрий нет и разность рН и потенциалов создается внешней мембраной клетки, т. е. клетка целиком выступает в той же роли, что митохондрии эукариот (гликолиз у них происходит в цитоплазме, т. е. там же, где и цикл Кребса, в чем состоит отличие от эукариот). А у анаэробных бактерий АТФ-синтетаза, наоборот, создает протонный градиент, необходимый клетке для различных биохимических целей, за счет гидролиза АТФ, т. е. работает в обратном направлении.

Принцип окислительного фосфорилирования отдаленно напоминает гидроэлектростанцию, в том числе и своим не очень большим КПД – и там и здесь некий носитель энергии переходит из состояния с большей потенциальной энергией в состояние в меньшей энергией и при этом совершает работу, только там гравитационная потенциальная энергия переходит в механическую и затем в электрическую. А здесь как раз электрическая энергия переходит в энергию химических связей, но также через посредство механической энергии движущихся протонов.

Если в плотине гидроэлектростанции проделать дыру, то вода вытечет, а ее потенциальная энергия перейдет в тепловую, не сделав никакой полезной работы. То же самое можно сделать и с митохондрией. Есть определенные вещества, растворимые в фосфолипидной мембране и способные присоединять и отдавать протон. Такие вещества могут диффундировать в мембране туда-сюда и попутно переносить протоны по градиенту концентрации. Это перемещение будет выравнивать разность электрических потенциалов и рН, не производя никакой механической работы. Это называется разобщением окисления с фосфорилированием. Кстати, таким действием, судя по всему, обладает гормон щитовидной железы, некоторые его количества «спускают пар из котла» без окислительного фосфорилирования. Казалось бы, мы говорим о какой-то диверсии, которая сводит на нет полезную работу цепи переноса электронов. Однако разобщение окисления с фосфорилированием отнюдь не бесполезно. Энергия, запасенная на внутренней мембране митохондрии, не может пропасть бесследно, даже если она не пошла ни на какую химическую работу. Она переходит в тепло. Именно таким образом в организме реализован термогенез – производство тепла. Помимо тепла, выделяющегося в ходе протекания самых разных химических процессов, имеющих энергопотери, нас специально греют наши митохондрии, также за счет энергии, образуемой цепью переноса электронов при окислении НАД-H. Термогенез особо важен для теплокровных – птиц и млекопитающих, но в какой-то степени имеется почти у всех организмов. Любопытно узнать, что хотя все наше тело изнутри имеет примерно одинаковую и довольно высокую температуру, тепло в организме выделяется в основном двумя органами – сердцем и печенью.

АТФ образуется в митохондриях, но нужна всей клетке. Однако образовавшаяся АТФ не может самопроизвольно проникать из митохондрий в цитоплазму. Для этого в митохондриальной мембране имеется специальным белок – транслоказа, который производит реакцию обмена одной молекулы АТФ изнутри митохондрии на одну молекулу АДФ снаружи митохондрии, причем делает это безвоздмездно, т.е. без затрат энергии.

На рис. 5.9 представлена схема, охватывающая весь процесс расщепления глюкозы, включая гликолиз, цикл Кребса и окислительное фосфорилирование.

Сравним экономическую эффективность анаэробного и аэробного расщепления 1 молекулы глюкозы.

В анаэробных условиях процесс заканчивается образованием лактата и дает в результате две молекулы АТФ (четыре образовалось, две затратилось).

В аэробных условиях мы имеем те же две молекулы АТФ из гликолиза плюс две молекулы ГТФ, образовавшиеся в ходе цикла Кребса, – по одной на каждую из двух молекул ацетил-со-А, образовавшихся из одной молекулы глюкозы. Также мы имеем на каждую молекулу глюкозы 8 молекул восстановленного НАД-H – две при превращении двух молекул пирувата в две молекулы ацетил-со-А, шесть – в ходе цикла Кребса (опять-таки на две молекулы ацетил-со-А). Кроме того, мы имеем две молекулы восстановленного ФАД-H2. Нужно вспомнить, что у нас в ходе гликолиза при дополнительном фосфорилировании были восстановлены еще две молекулы НАД-Н. Их тоже хорошо было бы затащить в митохондрию и обменять на АТФ, однако такого механизма нет. Вместо этого происходит своеобразный обмен восстановленное состояние молекулы НАД-Н за пределами митохондрии на восстановленное состояние молекулы ФАД-Н2, осуществляемый через посредство восстановления дигидроксиацетонфосфата (уже знакомого нам по гликолизу) до глицерол-3-фосфата за пределами митохондрии и обратного процесса внутри митохондрии. Эти небольшие молекулы способны «бесплатно» проникать в митохондрию и обратно. Однако налицо некоторая потеря энергии. Молекула ФАД-Н «стоит» 1,5 молекулы АТФ. (Следует добавить, что в сердце и печени существует механизм «эквивалентного» обмена, когда окисление НАД-Н снаружи внутренней митохондриальной мембраны обменивается на восстановление НАД+ внутри.)

Прямой подсчет получаемой энергии затруднен тем, что количество протонов, перекачиваемых при движении электронов, количество протонов, необходимых для синтеза одной АТФ, сама величина протонного градиента – величины не вполне постоянные и зависят от концентрации протонов, АТФ и АДФ и других веществ; к тому же энергия протонного градиента тратится на многие цели. В целом получается, что аэробное расщепление одной молекулы глюкозы дает около 30 молекул АТФ, т. е. он в 15 раз эффективнее гликолиза. Вот что означает созданная жизнью атмосфера свободного кислорода для эффективности биологических процессов.

Итак, на примере глюкозы мы рассмотрели, каким образом мы окисляем органические вещества до углекислого газа и воды в целях получения энергии. Принципиально здесь то, что образование углекислого газа из углерода органики идет в одной части этого сложного процесса, а образование воды – за счет соединения освободившегося водорода со свободным кислородом – в другой части. Образование АТФ – универсального носителя энергии – происходит в основном в этой второй части. Эти процессы идут постоянно и с большой скоростью в любой клетке нашего тела. Там происходит и множество других сложных процессов, но многие из них имеют общую часть, как правило, это именно ацетил-соА и цикл Кребса.

Однако следует заметить, что в ходе окислительного фосфорилирования в макроэргических связях АТФ утилизируется только около 40 % расчетной энергии, которая должна выделиться от соединения водорода с кислородом. КПД не очень велик, но это плата за то, что энергия поступает в клетку маленькими порциями, запасенная в тех энергоносителях, которые она способна обрабатывать. Только в такой форме она в принципе может использоваться живыми существами. Сам процесс окисления органических молекул в процессе клеточного дыхания разбит на множество ступеней. Углеродная цепочка глюкозы не распадается на атомы углерода, чтобы тут же связаться с кислородом, как это происходит при горении. Вместо этого мы видели, как атомы углерода постоянно перегруппировывались в молекулах, содержащих от 3 до 6 этих атомов, а углекислый газ выделялся в ходе некоторых из этих перегруппировок. Это связано с ферментативной природой всех происходящих реакций – ферментам «удобнее» работать именно с органическими молекулами таких размеров. Соответственно для полного окисления углеводов до углекислого газа потребовалась цепочка веществ посредников, которые должны были постоянно регенерироваться, – для этого и существует цикл Кребса. Это «изобретение» удобно еще и тем, что его элементы могут участвовать в самых разных процессах, протекающих в клетке. Тем самым через цикл Кребса имеется возможность «перенаправлять ресурсы» в нужную сторону и тем самым регулировать всю «экономику клетки». Цикл Кребса – не единственный циклический биохимический процесс. На следующей лекции мы познакомимся с еще одним важным биохимическим циклом.


Лекция 6. ЭНЕРГЕТИКА ЖИЗНИ. 2. ОРГАНИКА
^ ИЗ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА: ФОТОСИНТЕЗ И ХЕМОСИНТЕЗ