Дыхание
Клетка дышит, чтобы обеспечить энергией метаболические процессы, необходимые для поддержания жизни. При аэробном дыхании используется кислород для окисления углеводов. В ходе процесса выделяется такое количество энергии, что биохимики долгое время не могли объяснить, как это работает, - пока Питер Митчелл не выдвинул принципиально новую идею.
Аэробное дыхание иногда описывают как физиологический процесс, транспорт кислорода (из воздуха или воды) к клеткам, с одновременным выведением двуокиси углерода, то есть постоянный газообмен. Но оценивать процесс дыхания подобным образом означает абсолютно игнорировать цель дыхания — это все равно, что утверждать, будто смысл электрической батарейки в том, чтобы удерживать электрический заряд. Организм дышит, чтобы производить энергию. Дыхание — это внутриклеточный процесс, и механизм его известен уже более полувека, с тех пор как Питер Митчелл сформулировал свою «хемиосмотическую» теорию.
Изначально научное сообщество отвергало идею хемиосмоса, как и многие революционные идеи. Не пошло на пользу делу и добровольное изгнание Митчелла, когда эксцентричный исследователь покинул академический мир и уединился в собственной биохимической лаборатории, которую оборудовал в своем доме в Корнуолле на юго-западе Англии. Впрочем, его преданность идее была по достоинству оценена Нобелевской премией 1978 года.
Создавая энергию
При аэробном дыхании используется кислород для окисления пищи и производства молекул-носителей энергии, АТФ. Этот процесс, известный как окислительное фосфорилирование, создает неожиданно большое количество АТФ. В 1940-х биохимики полагали, что соотношение веществ в химических реакциях является строго определенным и поддается точному расчету (согласно законам стехиометрии). Но при подсчете АТФ, производимых на одну молекулу кислорода, выяснилось, что соотношение составляет примерно 2,5 — что невозможно, ибо не является целым числом.
«Метаболизм запускает транспорт, но и сам транспорт может запускать метаболизм» Питер Митчелл
Аденозинтрифосфат (АТФ) выделил из мышц и тканей печени немецкий химик Карл Ломан в 1929 году; его структуру — «строительные блоки» ДНК плюс три фосфатные группы — выявил в 1948-м британский химик Александр Тодд. В промежутке между этими двумя датами Фриц Липман предположил, что АТФ является универсальным носителем энергии благодаря «энергоемким фосфатным связям». Ферменты — катализаторы реакции часто действуют как «прачечная-автомат»: АТФ вставляется в щель, затем выходит аденозиндифосфат (АДФ), утративший фосфат (Ф). Это плата за выполнение метаболических задач, подобных транспорту молекул сквозь клеточную мембрану. АТФ используется в таком количестве биохимических реакций, что часто ее называют «энергетической валютой» клетки.
Основной субстрат пищи — углеводы, молекулы, содержащие углерод, водород и кислород; в процессе пищеварения сложные сахара, жиры и белки расщепляются до простых молекул, из которых далее синтезируется энергия в виде АТФ одним из трех биохимических способов. Первый, гликолиз, происходит в цитоплазме клетки, и для него не требуется кислород. В ходе него из одной молекулы глюкозы (сахар, содержащий шесть атомов углерода) образуются две молекулы пировиноградной кислоты (с тремя атомами углерода). В сложных клетках происходит также окислительное фосфорилирование внутри митохондрий, известное как «цикл Кребса» (в честь Ганса Кребса, открывшего эту реакцию в 1937 году).
Однако источником большей части АТФ служит дыхательная цепь переноса электронов на внутренней мембране митохондрий (или на поверхности клетки в случае бактерий). Первые два пути соответствуют законам стехиометрии; в 1940-е не было никаких оснований подозревать, что в случае с цепью переноса электронов может возникнуть иная ситуация. Но биохимики заблуждались: цепь производила меньше молекул АТФ, чем предполагалось. И в то время как большинство ученых пытались отыскать промежуточные реакции, в ходе которых синтезировались «лишние» АТФ, Питер Митчелл обнаружил, что аэробное дыхание — это не просто химия, это биология.
Протонный градиент
В дыхательной цепи переноса электронов эти частицы перемещаются от одной молекулы к другой вдоль мембраны. Это происходит несколько раз, прежде чем «акцептор электрона» — кислород — завершит цепь. Именно поэтому в процессе аэробного дыхания необходим кислород. Митчелл предположил, что транспорт молекул сквозь мембрану может сопровождаться метаболической реакцией, в ходе которой синтезируется АТФ, этот процесс может напоминать осмос — движение по градиенту в направлении низко заряженной стороны мембраны. В его «хемиосмотической теории сопряжения» в роли химического агента выступает ион водорода (Н+).
Таким образом, хемиосмос действует как гидроэлектростанция, где высокое давление воды с одной стороны подталкивает турбину, которая своим вращением генерирует энергию. Согласно теории Митчелла, белки клеточной мембраны — «плотины» — черпают энергию из цепи переноса электронов, что дает им возможность проталкивать протоны наружу из митохондрий и создавать «протонодвижущую силу», которая превращает клеточную мембрану в электрическую батарею. В 1965 году Митчелл и Дженнифер Мойл, его единственная коллега по домашней лаборатории, нашли доказательство теории, измерив разность pH (концентрации ионов Н+) внутри и снаружи митохондрий. К тому времени другие исследователи обнаружили и «турбину» всей этой системы — фермент под названием АТФ-синтаза.
В 1964 году американский биохимик Пол Бойер доказал, что этот фермент действует, изменяя форму, а в 1994-м британец Джон Уокер подтвердил его наличие и функцию. Примерно тогда же выяснилось, что половина АТФ-синтазы напоминает водяную турбину: поток протонов сквозь нее создает движение. По мере того как этот молекулярный мотор вращается и изменяет форму фермента, его активные центры постоянно подвергаются химическим реакциям, которые создают АТФ. Аэробное дыхание превращает мембрану в постоянно выигрывающий игровой автомат: вставляешь несколько жетонов (в форме электронов, чтобы выкачать окружающие протоны) и каждый раз выигрываешь джекпот в форме АТФ.
Анаэробное дыхание
В процессе аэробного дыхания пищевой субстрат превращается в молекулы пирувата (гликолиз), которые участвуют в цикле Кребса и синтезе большого количества АТФ. Но в отсутствие кислорода основным источником АТФ для клетки становится гликолиз. Это случается в утомленных мышцах и у анаэробных организмов. Пируват, полученный в результате гликолиза, бесполезен, и он трансформируется в другие молекулы - лактат в мышцах или этанол в дрожжах. Последний из этих анаэробных процессов - ферментацию - человек научился использовать еще в каменном веке, замешивая тесто для хлеба и варя пиво. В середине XIX века ученые доказали, что ферментация осуществляется определенными клетками. Французский микробиолог Луи Пастер, например, предложил метод, позволяющий избавиться от бактерий, сквашивающих молоко, - пастеризацию. Немецкий химик Эдвард Бюхнер впервые продемонстрировал сложный биохимический процесс вне живой клетки, алкогольную ферментацию, используя экстракт дрожжевых культур. Густав Эмбден и Отто Мейергоф изучали индивидуальные реакции и действие ферментов на каждой стадии, и к 1940 году был известен уже весь цикл гликолиза. Попутно Карл Ломан, сотрудник лаборатории Мейергофа, выделил молекулу-переносчик энергии, АТФ.
Хемиосмос
Мембрана белков получает энергию от цепи переноса электронов, которая транспортирует протоны (ионы водорода, Н+) из митохондрий наружу. Разница в концентрации протонов по обе стороны мембраны приводит к их потоку сквозь мембрану благодаря протонному градиенту и ферменту АТФ-синтаза; в результате метаболической реакции создается молекула АТФ.