«Фабрики», где клетки производят продукты на экспорт, обычно не доступны для посетителей извне. Аппарат Гольджи, в который мы прибыли из лизосом, лежит на полпути к конвейеру. Если мы хотим проследить производственный процесс с самого начала, нам следует прежде всего форсировать путь вверх по течению. Наше незаконное путешествие сопряжено с многими трудностями, приходится преодолевать немало узких полостей и извилистых туннелей. Но этот небольшой участок вскоре заканчивается по мере проникновения в глубокое ущелье впечатляющих размеров — часть эндоплазматического ретикулума (сети), или ЭР.
Термин «ретикулум» по-латыни Означает сеть. Выбор этого термина отражает двумерное представление морфологов об ЭР, которые наблюдали эту систему в поперечном сечении в виде Уонких нитей «филиграни. Эти линии представляют собой ■ края мембран, срезанных перпендикулярно их плоскости. Трехмерная (пространственная) реконструкция показала, что мембраны образуют большие уплощенные мешочки, или цистерны, полностью изолированные, за исключением соединений — постоянных или временных, — которые связывают их друг с другом и с аппаратом Гольджи.
Рассматриваемые изнутри плоские мембранозные стенки цистерн ЭР кажутся построенными по такому же бислойно- белковому плану, что и плазматическая мембрана и стенки эндосом и лизосом. Однако мембраны ЭР тоньше, глаже и подвижнее; фосфолипиды в их бислое имеют иное строение, а связанный с ними холестерин практически отсутствует.'.Белки также отличаются и в значительной степени лишены боковых углеводных цепочек. Эн- доплазматические мембраны лишены характерного «щетинистого» вида плазматической мембраны. В отличие от последней они покрыты пучками очень тонких шелковистых нитей, которые придают им вид мерцающей паутины. Мерцание — это не просто оптический эффект, оно отражает движение: шелковистые нити растут, и с довольно ощутимой скоростью, приблизительно 1 нм/с, что при нашем увеличении в миллион раз составляет свыше 5 см/Мин. Они растут стабильно до тех пор, пока не достигают длины 50—200 им, после чего отпадают и уносятся с потоком. Мы погружаемся в море движущегося шелка.
В большинстве случаев полипептидные цепи представляют собой лишь полуфабрикаты секреторных продуктов; они требуют значительной дальнейшей доработки и «отделки» перед тем, как будут готовы к отправке. Одни из них снабжаются боковыми углеводными цепочками, содержащими 10 и более молекул сахара (гликозилирование), другие связываются с липидами, иногда во много раз превышающими их массу, как, например, липопротеины плазмы, вырабатываемые в печени. Все цепи должны принять соответствующую конфигурацию, причем для некоторых молекул необходимо участие специальных химических мостиков-связей, обычно дисульфидных связей: 8 — 5. И наконец, в результате дополнительной протеолитической обработки многие молекулы уменьшаются.
Некоторые изменения, в частности глнкозилирование, начинаются еще до полной сборки полипептидных цепей. Другие происходят по мере продвижения молекул с током секреторных продуктов во время скольжения их вдоль мембран, на которых расположены ферменты, участвующие в доработке. В этот процесс вовлечен целый комплекс биохимических реакций, но даже с нашей выгодной позиции внутри цистерн ЭР мы часто в состоянии видеть лишь немногим более, чем финальные стадии. В основном события развертываются на цитоплазматической поверхности мембран, где в изобилии имеются строительные блоки и энергетические запасы; само внутреннее пространство ЭР служит главным образом собирательным каналом и местом сборки. Такая организация напоминает происходящее на автомобильном заводе, где двигатель, кузов, шасси, колеса и другие части машины производятся в отдельных цехах к затем просто собираются на конвейере с ' минимальной затратой рабочей силы.
Место, где мы сейчас находимся, получило свое название по имени итальянского гистолога Камилло Гольджи, который на пороге текущего столетия открыл эту систему в нервных клетках, пропитанных солями металла, и описал ее в виде тонкой сети, названной внутренним сетчатым аппаратом.
Истинная пространственная форма аппарата Гольджи (часто называемого просто Гольджи) все еще выясняется. Он несколько характерных компонентов, н структурные Детали варьируют от клетки клетке, и точные границы этой системы не установлены. Гольджи представля собой комплекс крупных и мелких окруженных мембраной полостей беспорядочного вида (за которым на самом деле скрывается высокая степень упорядоченности) часто располагающийся в «товарном складе» и «упаковочных центрах».
Самым крупным и наиболее типичны компонентом Гольджи является диктиосома , названная так благодаря представлениям Гольджи об это системе. Конечно, аппарат Гольджи такаяже сеть, как и эндоплазматический ретикулум; он просто кажется сетью на поперечном срезе. Диктиосома представляет собой скопление нескольких крупных уплощеных, мембранозных цистерн, тесно спрессованных друг с другом наподобие стопи крупных двустенных чаш. Эта структур» напоминает стопку и потому, что имен изогнутые поверхности: одну вогнутую, другую выпуклую. Сейчас мы находима в первой цистерне на выпуклой поверхности вблизи эндоплазматического ретикулума. Стенки этой структуры незначительно отличаются от стенок гладкого ЭР. Одна по мере продвижения от одной полости другой в направлении от выпуклой к вогнутой поверхности стопки мембраны становятся толще и грубее, увеличивает" количество холестерина в липидном бисл и углеводных боковых цепей в мембранн белках. Окружающие нас мембраны яви становятся все более похожими на плазм" тическую мембрану. Эта полярность отражает присущую аппарату Гольджи функцию упаковки. Секреторные продукты, проходя через аппарат Гольджи, передвигаются от «контейнеров», похожих по структуре на эндоплазматический ретикулум, к «контейнерам», построенным подобно плазматической мембране. Такое изменение, вероятно, необходимо перед выходом продукта из клетки путем слияния с плазматической мембраной и экзоцитоза.
Как известно, мембраны никогда не образуются de novo. Они всегда возникают из предсуществующих мембран путем добавления дополнительных составных частей. Этот процесс, возможно, столь же стар, как и эволюция. Каждое поколение передает последующему, в основном через яйцеклетку, запас ранее сформированных (предсуществующих) мембран, из которых отпочковываются от Гольджи, и разгружают содержимое во внеклеточное пространство путем экзоцитоза. При прерывистой секреции продукты концентрируются в больших конденсирующих вакуолях, которые превращаются в зрелые секреторные гранулы — крупные, плотноупакованные, окруженные мембраной структуры, имеющие характерные для железистых клеток черты. Гранулы высвобождают свое содержимое путем экзоцитоза, но только при соответствующей стимуляции — часто сложной цепи нервных и гормональных переключений, которые завершаются локальным выходом ацетилхолина. Этот перенос-чик соединяется с рецептором,на клеточной поверхности , и наступившее в результате конформационное изменение запускает механизм выхода секреторных гранул путем экзоцитоза, возможно впуская ионы кальция в клетку. Если же стимул не поступает и клетка продолжает вырабатывать секреторные гранулы, они начинают сливаться с лизосомами, а не с плазматической мембраной, и излишки секреторных продуктов разрушаются кринофагией .
Существует несколько способов выхода из аппарата Гольджи в зависимости от того, какими опознавательными знаками мы воспользуемся, собираясь покинуть Гольджи. Если мы не хотим вернуться в лизосомы, нам следует избегать маннозофосфата. За этим исключением, все остальные выходы приводят к некой точке вне клетки, и мы можем воспользоваться
прерывистой секрецией, представляющей нам наибольшие возможности для приспособления. Но даже в этом случае наше путешествие далеко не из приятных. Прежде всего мы должны попасть в конденсирующую вакуоль и выдержать почти непереносимое давление, по мере того как из вакуоли будет выкачиваться вода, а продукты секреции вокруг нас уплотнятся до почти твердого состояния. Затем наступает ожидание в состоянии острого физического дискомфорта и нарастающего страха перед кринофагией, которая может помешать нашему бегству и отбросить нас в лизосомальное пространство. Когда же наконец открывается выход из клетки, то это происходит с необыкновенной силой и стремительностью. Экзоцитарная разгрузка секреторных гранул представляет собой взрывной процесс. Гранулы скапливаются и толкают друг друга, стремясь возможно скорее попасть на периферию клетки. Часто они сливаются с другими гранулами, лежащими на их пути, вызывая глубокие дефекты на поверхности клетки и выгружая массы секреторных продуктов. Внешнему наблюдателю это явление на-поминает внезапное извержение гряды вулканов, истинное «клеточное землетрясение». Беспомощным спутникам секреторных продуктов сам экзоцитоз приносит последнее напряжение, к счастью, кратковременное и легко забываемое в сладости вновь обретенной свободы. И вот уже обратно в целительное, успокаивающее внеклеточное море, где мы вновь созерцаем покрытую углублениями движущуюся поверхность клеточной мембраны с ее извивающимися отростками и колышащейся вуалью. Мы завершили цикл: вошли в клетку путем эндоцитоза, бродили, плутая, по нескончаемой веренице ее комнат и коридоров и вышли путем экзоцитоза.
В начале XX столетия французские цитологи предложили название «вакуом» для обозначения сложной системы вакуолей и гранул, обнаруженной в растительных и животных клетках. По их мнению, вакуом состоял из множества цитоплазматических структур, в том числе аппарата Гольджи, за исключением митохондрий, которые они рассматривали как отдельную систему, хондриом. Такое разделение оказалось настоящим предвидением, и слово «вакуом», которое ранее не находило всеобщего признания, заслуживает быть воскрешенным. Термин «вакуолярная система», который иногда используется в таком же значении сегодня, более расплывчатый, поскольку им длительное время обозначали только импортную часть всей системы.Импорт и экспорт, каждый с соответствующими реакциями процессинга в них, — основные функции вакуома. Если, однако, рассматривать анатомическую и функциональную организацию системы, то наиболее .поразительной чертой окажется ее разделение на два домена аппаратом Гольджи.
Эндоплазматический ретикулум (ЭР), или эндоплазматический домен, располагается по одну сторону от Гольджицис- сторону, которую мы называем эндоплазматической. Связанный с производством белков, ЭР имеет отчетливо выраженную полярность от участков, связывающих рибосомы, в шероховатом ЭР к переходным элементам между гладким ЭР и Гольджи. За исключением этой асимметрии, мембраны ЭР, которые также являются местом «обитания» некоторых метаболических систем, не связанных с секрецией (см. гл. 13), во многом однородны по составу. Продвижение по этой части вакуома осуществляется весьма просто и в одном направлении. ЭР направляет свое содержимое в Гольджи со слегка заметным обратным током. Согласно имеющимся данным, секреторные продукты перемещаются через эффективную одностороннюю «замок — ловушку», даже если их транспорт может зависеть от двустороннего направленного мембранного челнока. Это означает также, что импортный поток останавливается у барьера Голь-джи. Действительно, материалы, захваченные эндоцитозом, не попадают в эндоплазматический домен. Нам удалось сделать это, но только прокладывая путь через «ловушку».
Наличие вакуома является характерной чертой эукариотических клеток. Большинство бактерий совсем не имеют внутриклеточных мембран. Эукариоты произошли от прокариотов около миллиарда лет назад. Рассматривая экспортный механизм у прокариотов, мы получим некоторое представление о том, как произошла эта важная трансформация, ключевая для появления всех растительных и животных клеток на земном шаре.
Большинство бактерий секретируют белки в окружающую их среду. Среди этих белков преобладают гидролитические экзоферменты, выполняющие пищеварительную функцию. Интересно и, возможно, весьма показательно, что эти экзоферменты производятся и выталкиваются полисомами, прикрепленными к внутренней поверхности плазматической мембраны бактерий, во многих отношениях так же, как начальные экспортные белки переносятся через мембрану эндоплазматического ретикулума. Сходство даже распространяется на молекулярные механизмы этого процесса, что наводит на мысль о происхождении шероховатого (гранулярного) эндоплазматического ретикулума эукариотов из плазматической мембраны их прокариотических предков, возможно в результате некоего прогрессивного процесса впячивания мембраны в клетку. Для такого процесса необходима подвижность клеточной оболочки, что дает возможность предположить отсутствие ригидной оболочки у наших предполагаемых отдаленных предков. Такие «голые» бактериальные клетки могут образоваться под влиянием лизоцима (протопласты), а также возникать случайно в природе . Они очень хрупкие, но при определенных обстоятельствах их ранимость может быть компенсирована необыкновенным эволюционно приобретенным преимуществом — подвижностью поверхностного слоя. Возможно, именно этим объясняется образование углублений в плазматической мембране и особенно внутриклеточной везикулизации таких углублений-впячиваний, характерных для эндоцитоза; при этом экзоферменты, вырабатываемые в связанных с мембранами полисомах, остаются внутри везикул, где они воздействуют на любой внеклеточный мате-риал, захваченный в процессе поглощения. Последний можно рассматривать как простейшую возможную форму внутриклеточного пищеварения внутри вакуолей, имеющих свойства эндосом, лизосом и цистерн шероховатого эндоплазматического ретикулума.
Дрожжевые клетки перерабатывают сахар в этиловый спирт (этанол) в процессе двенадцати последовательных химических реакций, которые образуют реакционную цепь. Такой же путь - проходят до десятой ступени молочнокислые бактерии (те самые, что загрязняли чаны винодела Биго.)-; те же процессы происходят и в наших мышцах, когда им приходится делать внезапное усилие. Только на одиннадцатой ступени их путь разветвляется и становится иным, чем у дрожжей; при этом происходит превращение промежуточного продукта ^ (пировиноградной кислоты) в молочную кислоту вместо образования СО2 и этилового спирта.
Таким образом, спиртовое и молочнокислое брожение отличаются только в самом конце реакционной цепи. До этого они проходят один и тот же маршрут, известный как гликолитическая цепочка. Этот маршрут не оставляет заметного следа в цитозоле, ибо у «змеи» нет ощутимой плоти. Если мы оденем наши химические «очки», обладающие большим увеличением, то увидим хаотическое, беспорядочное движение молекул А, В, ..., Л, К, смешанных с множеством других промежуточных продуктов других реакций. Объединяют все эти реакции и составляют плоть «змеи» стрелки; каждая из них указывает на наличие специфических ферментов (гл. 2), которые катализирурт указанные химические превращения. Последовательность участия двенадцати ферментов, вовлеченных в гликолитическую цепь, автоматически вытекает из природы их субстратов и продуктов реакций. Реакция, дающая начало образованию О из С, должна непременно последовать сразу же после превращения В в С и предшествовать образованию Е из Э. Для направления молекул к месту их назначения никаких физических каналов не требуется. Кажущийся хаос, который мы видим, заключает в себе высокую степень упорядоченности, динамическую организацию, обусловленную свойствами участвующих ферментов.
Этот урок гликолиза можно обобщить. За каждой из тысяч химических реакций, протекающих в живых клетках, скрывается фермент. Сейчас это общеизвестный факт, но его установили только после того, как была разгадана гликолитическая цепь, ответственная за спиртовое брожение в дрожжевых клетках. Энзимология, наука о ферментах, значительно обогатила наше понимание как самой жизни, так и химии и теперь начинает - приносить большую практическую пользу. Ферменты, выделенные из природных источников, широко используются в промышленности. Условия нашего путешествия не позволят нам детально останавливаться на этой важной отрасли биохимии. Но мы должны постоянно помнить о том, что любая наблюдаемая нами деятельность независимо от ее природы обусловлена каталитическим участием ферментов.
Ферментам, как правило, помогают до-полнительные вещества, называемые кофакторами или коферментами. В гликолизе необходимо обратить внимание на два кофактора. Один из них называется НАД, что означает никотинамидадениндинуклеотид. Как вы еще заметите, биохимики очень любят сокращения. Но у них есть оправдание: большинство веществ, с которыми им приходится иметь дело, слишком сложные, чтобы их можно было называть полностью при каждом упоминании. НАД — одно из них, и мы даже не будем пытаться рассматривать его химическую структуру. Однако хотелось бы отметить, что никотинамидная часть молекулы — это витамин РР, что означает pellagra preventiva. Его нехватка в пище вызывает пеллагру — тяжелое заболевание системы пищеварения, ранее широко распространенное на Американском континенте. И это не единственный пример. Большинство витаминов действуют как коферменты или являются их частью, именно поэтому ор-ж ганизм не может обходиться без витаминов. С функцией НАД мы познакомимся несколько позднее.
Другой кофактор, который следует рассмотреть, обозначается как АТФ, или аденозинтрифосфат. В конечном итоге нам придется изучать его структуру, но в данный момент необходимо знать лишь, что молекула АТФ может быть гидролизована (разрушена с помощью воды) на аденозиндифосфат (АДФ) и неорганический фосфат (Фн) и, наоборот, может быть образована (с потреблением энергии) при конденсации АДФ и Фн с выделением воды.Важность функции АТФ в процессе гликолиза выяснилась после того, как было показано, что разрушение глюкозы связано с образованием АТФ: при превращении каждой молекулы глюкозы в молочную кислоту или этиловый спирт происходило фосфорилирование двух молекул АДФ й превращение их в АТФ. Эта взаимосвязь непоколебима. Если синтез АТФ не происходит, например в случае нехватки АДФ, гликолиз прекращается.
Истинный смысл этого удивительного явления выяснился только после установления энергетики самого процесса. Брожение глюкозы приводит к высвобождению свободной энергии: на каждую грамм-молекулу (г-моль) распавшейся глюкозы образуется около 47 килокалорий (ккал). С другой стороны, образование АТФ из АДФ + Фн требует затрат энергии: около 14 ккал на 1 г-моль образующегося АТФ. Следовательно, из 47 ккал, высвобожденных при разрушении глюкозы, 2X14=28 ккал, или 60% идет на образование АТФ, вместо того чтобы рассеиваться в виде тепла. Гликолиз снабжает энергией синтез АТФ; в объединении этих двух процессов и заключается механизм восстановления энергии.
Изучение этого вопроса, как и прежде, началось с гликолиза. Когда позднее по-следовательно были открыты другие катаболические процессы, оказалось, что и они связаны с образованием АТФ. Не только гликолиз, но катаболизм в целом снабжает энергией процесс образования АТФ: взаимосвязь лежит в основе универсального механизма восстановления энергии.Что же можно сказать относительно самой молекулы АТФ? Зачем нужен ее синтез? Ответ на этот вопрос, вернее намек на ответ, впервые был получен в начале 1930-х годов, после того как выяснилось, что мышца, теряющая способность к гликолизу после отравления (моноиодуксусной кислотой), все же может осуществлять небольшую часть работы за счет запасенной, «связанной с фосфатом энергии». Со временем было показано, что химическая реакция, прямо связанная с сократи-тельным механизмом, есть не что иное, как гидролиз АТФ до АДФ и Фн. Следовательно, АТФ является недостающим связующим между гликолизом и мышечной работой. Гликолиз способствует образованию АТФ; расщепление АТФ снабжает энергией работу мышц.
Это было открытие необычайной важности, распахнувшее одну из главных дверей на пути к пониманию сущности живого. Ибо не только мышечная работа,но и практически любой другой вид работы, выполняемой живыми организмами, снабжается энергией от АТФ. Рассмотрим, хотя бы поверхностно, любой биодвигатель, будь то ионный насос в мембране, сократительные волокна в жгутике, генератор света в личинке светляка или любые другие сложные синтетические реакции, посредством которых живые организмы вырабатывают свои собственные компоненты: практически всюду мы обнаружим АТФ, выступающий в виде источника энергии. Это главное топливо жизни, и функция катаболизма заключается в способности поддерживать восстановление АТФ.
Иллюстрацией такого взаимодействия служит классический (исторический) пример анаэробных дрожжей. Этот организм растет и размножается, достигая удивительного совершенства химической инженерии и передачи информации, с тем только, чтобы могла образоваться одна - единственная новая крошечная клетка дрожжей, полностью похожая на свою предшественницу. Все это дрожжевая клетка делает за счет превращения сахара в спирт, используя этот процесс как единственный источник энергии. И эта энергия через АТФ питает тысячи различных процессов, подобно тому, как энергия сжигаемых угля или нефти, преобразованная в электричество, обеспечивает удивительные достижения современной технологии.




Следы еще более раннего микроорганизма, isиа - sphaera, существовавшего 3,8 миллиарда лет назад, обнаружены в Гренландии. Почти с уверенностью можно сказать, что в те древние времена в атмосфере Земли содержалось очень мало кислорода, который, как принято считать, является в основном продуктом фотосинтеза. Таким образом, Isuasphaera, Eobacterium и многие потомки этих бактерий могли получать энергию с помощью анаэробных механизмов — механизмов, способных поддерживать жизнь (греч. Ыоs) без (отрицание по-гречески — a-) воздуха (греч.aer). То, что мы обнаруживаем в цитозоле высших клеток и в клеточном соке многих современных бактерий, является анаэробным механизмом выработки энергии, который известен как гликолиз. Сказанное дает основание предположить, что эта система почти не претерпела изменений и мало отличается от той, которая имелась в первых живых организмах, начавших населять Землю около 4 миллиардов лет назад.
В самом деле, в гликолизе сохранилось много примитивных черт, в том числе относительная простота. В этом отношении цитозоль можно рассматривать как хорошую основу процесса снабжения биологической энергией. Но, чтобы наше посещение оказалось плодотворным, нам необходимо более острое зрение, чем то, которым мы пользовались до сих пор. Это требуется не столько для того, чтобы различать сложные молекулярные структуры—их количество будет строго ограничено и минимально, — сколько для того, чтобы понять ключевые концепции, без которых мы скорее всего не сможем разобраться в решениях энергетической проблемы, стоявшей перед жизнью.
Имеется и другой исторический аспект, касающийся этой части нашего путешествия. В некотором роде мы пойдем по стопам ранних исследователей, которые впервые выдвинули принципы биоэнергетики, поскольку анаэробный гликолиз смело можно назвать колыбелью динамической биохимии. Можно даже сказать, что он явился ключевым элементом в развитии человеческой цивилизации. О его существовании люди узнали тысячелетия назад, столкнувшись с процессом брожения, и наши далекие предки прибегали к нему для изготовления закваски, сыров, алкогольных напитков. Однако эти старинные отрасли промышленности оставались почти полностью эмпирическими до 1856 г., когда некий Биго, винодел из французского города Лилля, неожиданно оказался перед угрозой разорения. По какой-то непонятной причине содержимое в чанах, где происходило брожение сахарной свеклы, прокисло и вместо спирта образовалась молочная кислота. Биго обратился за помощью к молодому химику из Парижа, незадолго до того поступившему на работу в местный университет и, по слухам, превосходно себя зарекомендовавшему. Молодой ученый согласился помочь и в конце концов решил проблему и спас предприятие Биго. Одновременно он сделал открытие, которое перевернуло многие научные представления: оказывается, анаэробное брожение вызывается живыми микроорганизмами. Имя этого молодого ученого — Луи Пастер. Позднее, в 1897 г. немецкий химик Эдуард Бухнер обнаружил, что чистый «сок», выделяемый дрожжами, — не что иное, как цитозоль дрожжевых клеток, и он способствует превращению сахара в спирт. Таким образом, Бухнер показал, что функции микроорганизмов в процессе спиртового брожения — чисто химический процесс, не зависящий от особой жизненной силы, свойственной живым организмам, как полагал Пастер. Бухнер также положил начало химическому изучению системы гликолиза, существующей в цитозоле клеток, и тем самым проложил путь обширным исследованиям, благодаря которым мы в настоящее время имеем полное представление о метаболизме.
Термин «метаболизм» происходит от греческого слова, обозначающего изменения (буквально «акт разбрасывания», от ballein — бросать). Этим словом обозначается совокупность химических процессов, протекающих в живых организмах. Метаболизм подразделяется на анаболизм (греч. ома — вверх) и катаболизм (греч. ка(а — вниз). Анаболизм включает все процессы, требующие затрат энергии и термодинамически являющиеся эндергоническими (греч. endon— внутри; ergon — работа). Главная его функция — биосинтез. Катаболизм составляют реакции, производящие энергию, в связи с чем они называются экзергоническими (греч. еx—из). При необходимости катаболизм поддерживает анаболизм, так же как и все другие работы, выполняемые живыми организмами (кроме тех реакций, которые снабжаются энергией непосредственно от внешних источников, в основном света).
К тому времени, когда Бухнер сделал свое открытие, были известны только некоторые общие черты отдельных метаболических процессов, их механизмы оставались невыясненными. Гликолиз — первый из изученных метаболических процессов. Потребовалась 40-летняя упорная работа многих ученых с мировым именем, прежде чем был завершен этот поистине титанический труд, который до сих пор остается одним из самых замечательных и многообещающих примеров научного детектива всех времен. Однако удалось выяснить всего какой-нибудь десяток химических реакций, менее одной сотой от того количества метаболических реакций, которые были изучены за последующие 40 лет. Важность открытия гликолиза заключается в том, что оно было первым. Зная только исходную точку — простую молекулу сахара глюкозы и конечный продукт — молочную кислоту в одном случае и этиловый спирт и углекислый газ — в другом, даже самые проницательные химики-органики не могли бы предугадать удивительно сложный окольный путь, по которому движется природный процесс. Каждый шаг сулил неожиданность, а выяснение всех этапов потребовало от исследователей огромного терпения и упорства, особенно если учесть крайне примитивный уровень приборов того времени: несколько пробирок для проб, горелку Бунзена, весы, световой микроскоп. Но как только путь прояснился, он стал маяком, освещающим весь ход последующих событий. Для нас гликолиз также будет служить маяком в нашем путешествии.






Не все виды обмена электронов происходят через АТФ-генерирующие окфос - блоки. Довольно часто электроны переносятся через небольшую разность потенциалов с незначительными изменениями в свободной энергии. Иногда они наталкиваются на более существенную разность потенциалов, но без какого-либо принуждения, которое позволило бы клетке использовать высвобождаемую энергию. В этом отношении биологические электроны можно уподобить рекам. Как и водопады, крутые падения электронов встречаются не часто, и не всегда каждое из . них используется в качестве источника энергии на электростанции.
Подобный «гидродинамический» образ полезен: он заставляет нас помнить о том, что электроны не всегда текут внутри живых клеток, как они это делают в электрическом проводнике; их обмен происходит на разных стадиях между восстановленным донором и окисленным акцептором. В результате донор окисляется и становится способным выступать в роли акцептора для другого донора, занявшего более высокий энергетический уровень. Акцептор же после восстановления может служить донором для акцептора более низкого энергетического уровня. Итак, электроны падают от одного носителя к другому до тех пор, пока не достигнут конечного акцептора. Им обычно является кислород.
Вот почему электроны не плывут вниз.преодолевая пороги разного уровня, как это свойственно рекам, а низвергаются через ряд последовательных крутых ступеней различной высоты. «Карты» электронных потоков живых клеток напоминают не столько естественную сеть водных путей, сколько системы взаимосвязанных бассейнов, которые столь искусно возводились в XVII в. в садах очень богатых людей. Но в отличие от садовых архитекторов, которые старались использовать красоты ландшафта для эстетического наслаждения, естественный отбор отдавал предпочтение такому виду энергии, который использовал очертания «местности» так, чтобы вырабатывалось как можно больше уступов для падения электронов. При этом высота уступов была достаточной, чтобы окфос-блоки снабжались энергией.Аналогия с гидродинамикой помогает нам оценить важный аспект переноса электронов, о котором мы упоминали лишь вскользь, а именно абсолютный уровень потенциала, при котором электроны либо отдаются, либо принимаются. В нашем представлении это соответствует высоте бассейнов, их положению над уровнем моря. Располагая такими данными, мы можем точно предсказать по разнице высот между двумя бассейнами направление потока воды между ними, а также максимальную энергию, которую можно получить от падения определенного количества воды из более высокого бассейна в бассейн, расположенный ниже (или, наоборот, минимальную работу, которую необходимо проделать, чтобы накачать определенное количество воды вверх из нижнего бассейна в верхний).
Эквивалентом высоты над уровнем моря для электронных резервуаров является окислительно-восстановительный потенциал (в вольтах) соответствующих редокспар. Зная его, можно легко установить происходящие энергетические изменения. Но для оценки потенциальной энергии электронов удобнее рассчитать свободную энергию реакции для каждого отдельного случая, при котором одна пара электрон-эквивалентов переносится на кислород с образованием воды. Мы выбрали кислород в качестве акцептора из-за его универсальной функции конечного электронного акцептора у всех аэробных организмов. Взять, к примеру, пару НАДН/НАД+. Мы установили реакцию
НАДН + Н+ + '/202 —* НАД+ + Н20.
Свободная энергия этой реакции АС0КИСЛ.(НАДН/НАДМ выражается в килокалориях на пару электрон-эквивалентов и служит прямым выражением максимального объема работы, которая может быть совершена при падении электронов из бассейна с НАД и на всем протяжении их пути вниз в направлении к пункту, который для большинства организмов является нулевым уровнем энергии: к воде. Это соответствует электронному потенциалу (не путать с окислительно-восстановительным потенциалом) пары НАДН/НАД4"
Как и все изменения свободной энергии, электронные потенциалы меняются вместе с изменением состояния системы. В приведенном примере концентрация НАДН и НАД+, а также иона водорода (рН), парциальное давление кислорода и температура — все вместе определяют точное значение ДОокисл. (НАДН/НАД+) • Ясно, что мы не в состоянии осуществить столь тонкие измерения, и в большинстве случае мы не располагаем необходимыми для этого данными. Все, что можно сделать, это попытаться как можно точнее представить условия, характерные для живой клетки. Установленные при этом показатели ДОокисл. будут называться «физиологическими» электронными потенциалами; кавычки служат напоминанием о том, что мы имеем дело с приблизительными значениями, подверженными определенным отклонениям даже в идеальных условиях.
При гликолизе «физиологические» электронные потенциалы приблизительно равны —63 ккал на пару электрон-эквивалентов, перенесенных на кислород для каждой пары фосфоглицериновый альдегид/фосфоглицериновая кислота, и около — 49 ккал на пару электрон-эквивалентов, перенесенных на кислород для каждой пары НАДН/НАД+, так же как и для пар этанол/ацетальдегид и молочная кислота/ пировиноградная кислота. Эти величины,приведенные здесь со знаком минус, чтобы указать на экзергоническую природу про-исходящих реакций, показывают, что гликолиз происходит почти при термодинамическом равновесии. Между фосфоглицериновым альдегидом и НАД+ разность потенциалов составляет 14 ккал на пару электрон-эквивалентов; этого вполне достаточно, чтобы снабдить энергией сборку 1 г-моль АТФ. Между НАДН и ацетальдегидом или пировиноградной кислотой разность потенциалов незначительная. Это означает, что система легко обратима и направление потока электронов зависит от незначительных изменений. Когда гликолиз выполняет катаболические функции, как мы установили в этой главе, уровень в верхнем бассейне несколько выше или ниже, чем в нижнем бассейне, по сравнению с указанным, поэтому поток электронов может свободно направляться вниз и поддерживать энергетически сборку АТФ. Но если уровень электронов изменяется в обратном направлении и АТФ поступает из другого источника, поток электронов тоже изменяет свое направление, и гликолиз начинает выполнять анаболическую роль. Так происходит, например, в печени, когда углеводы образуются из неуглеводных источников (глнжонеогенез), и у растений (у которых вместо НАД имеется НАДФ), когда требуемый АТФ производится в процессе вырабатывания световой энергии (см. гл. 10).
Обратите внимание на следующее: «цена» образования АТФ не более постоянная величина, чем «стоимость» любого другого вида «физиологической» свободной энергии. Она сама по себе подвержена колебаниям, будучи зависимой от внутриклеточных концентраций АТФ, АДФ и неорганического фосфата. Если, например, концентрация АТФ снижается, а АДФ — повышается, что случается в процессе тяжелой работы, то для образования АТФ потребуется менее 14 ккал/г-моль, и равновесие гликолитического окфос-блока соответственно изменится. Как мы увидим в гл. 9 и 14, основной регуляторный механизм данного явления зависит именно от такого рода взаимодействия.


Добро пожаловать в интересный мир молекул и клеток



Разделы сайта
 Рейтинг@Mail.ru
Календарь обновлений
«    Март 2016    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
 
Архив новостей
Облако тегов
Популярные новости
Наш опрос