Процессы расщепления углеводов в клетке, приводящие к выделению энергии, ученые начали изучать давно.
Долгое время были известны два процесса расщепления сахаров — брожение и дыхание, причем связь между этими процессами отрицалась. Брожение или расщепление углеводов без доступа кислорода было обнаружено сначала только у микроорганизмов — бактерий и дрожжей.
Дыхание, то есть расщепление веществ в присутствии кислорода, считалось характерным для высших организмов — растений и животных. Прошли многие годы, прежде чем было установлено, что оба процесса теснейшим образом связаны друг с другом. Оказалось, что брожение — первая стадия расщепления углеводов. При отсутствии кислорода процесс дальше не идет, а если кислород присутствует, то вещества, получаемые при брожении глюкозы, расщепляются до CO2 и Н2O. Соотношение анаэробного (без кислорода) и аэробного (с кислородом) дыхания изучают в аппарате, который впервые создал немецкий ученый Варбург.
Этот прибор учитывает количество поглощенного кислорода и выделившегося углекислого газа. Прибор присоединяют к сосуду с изучаемыми клетками или компонентами клеток. С помощью манометра по уменьшению давления газа определяют количество поглощенного кислорода. Налитый в сосуд раствор щелочи поглощает выделяющийся СO2, а затем определяется его количество. Отношение СO2/O2 называется дыхательным коэффициентом.
Если O2 расходуется только на дыхание и анаэробные процессы не идут, отношение СO2/O2 равно 1. Дыхательные коэффициенты меньше 1 наблюдаются, когда O2 расходуется в других реакциях, кроме дыхания, например на образование органических кислот в созревающих плодах. Высокие дыхательные коэффициенты бывают, например, в семенах с клеточной оболочкой, препятствующей свободному доступу O2, и у организмов, где имеется значительное анаэробное дыхание.
Рассмотрим детально обе стадии дыхания — анаэробную и аэробную. Первая стадия — начальное расщепление глюкозы — называется гликолизом. При этом на одну молекулу глюкозы потребляется две молекулы АТФ, от которых отрываются две богатые энергией фосфатные группы и, присоединяясь к первому и шестому атому глюкозы, способствуют разрыву ее между третьим, и четвертым атомами углерода.
В результате нескольких реакций, протекающих при участии различных ферментов, фосфодиоксиацетон и фосфоглицериновый альдегид превращаются в две трехуглеродные молекулы молочной кислоты (как и в случае молочнокислого брожения) с образованием четырех новых молекул АТФ; за вычетом двух уже использованных молекул АТФ это дает реальный выход, равный двум молекулам АТФ. Подсчет энергии показал, что при расщеплении одной грамм-молекулы
глюкозы до молочной кислоты выделяется 56 больших калорий, тогда как всего в грамм-молекуле глюкозы заключено 690 больших калорий. Эта большая часть энергии при гликолизе не выделяется, и многие клетки, живущие в отсутствии кислорода и неспособные к дыханию (например, сероводородные бактерии), вынуждены довольствоваться 1/10 частью имеющейся в них энергии.
Таким образом, энергии фосфатной связи АТФ хватает на расщепление глюкозы до молочной кислоты.
В присутствии кислорода начинается второй, аэробный, этап расщепления углеводов — дыхание. Клетки, способные к дыханию, расщепляют молочную кислоту до CO2 путем сложных превращений при участии уже новых биокатализаторов — ферментов. В этом цикле участвуют органические кислоты, состоящие из трех углеродных атомов, поэтому его и назвали «циклом трикарбоновых кислот». За расшифровку этого цикла в 1953 году немецкому ученому Г. Кребсу была присвоена Нобелевская премия.
Рассмотрим подробнее этот цикл. Основное в нем то, что б конце цикла Кребса из молочной кислоты получаются СO2 и Н2O. Энергия из глюкозы, таким образом, извлекается почти без остатка.
Цикл начинается с того, что две молекулы молочной кислоты окисляются и дают две молекулы пировиноградной кислоты. Одна из молекул пировиноградной кислоты, в свою очередь, окисляется, и при этом от нее отщепляется одна молекула СO2. Это приводит к образованию молекулы уксусной кислоты. Другая молекула пировиноградной кислоты связывает выделенный СO2, образуя четырехуглеродную молекулу щавелевоуксусной кислоты. Образовавшаяся уксусная кислота соединяется с особым веществом, содержащим микроэргическую связь, только не с фосфором, как АТФ, а с серой — с так называемым «коэнзимом А». Это соединение ведет к увеличению химической активности уксусной кислоты, и она связывается с щавелевоуксусной кислотой, давая лимонную кислоту.
Лимонная кислота далее претерпевает несколько превращений и дает щавелевоянтарную кислоту, от которой отщепляется СO2 и образуется альфа — кетоглютаровая кислота. Она снова окисляется с выделением СO2 и дает янтарную кислоту. Окисление янтарной кислоты приводит к образованию сначала фумаровой, а затем яблочной кислоты. Заключительный «аккорд» цикла — окисление яблочной кислоты до щавелевоуксусной, которая снова соединяется с молекулой уксусной кислоты — и цикл начинается сначала.
Подведем итог соревнованию клетки с тепловой электростанцией. Ученые подсчитали, что разложение до СO2 и Н2O двух молекул молочной кислоты, образовавшихся из одной молекулы глюкозы, дает 36 молекул АТФ. Вместе с двумя молекулами АТФ, образованными при расщеплении глюкозы, образуется 38 молекул АТФ. В пересчете на энергию это означает, что из 690 больших калорий, содержащихся в грамм-молекуле глюкозы, клетка преобразует в нужную ей форму энергии 55%, то есть 380 больших калорий! Конечно, любой инженер согласится с тем, что в технике такой к. п. д. еще никогда не был достигнут.
На уровне образования СO2 и Н2O из глюкозы уже смело можно говорить о дыхании. Со школьной скамьи все знают, что человек вдыхает кислород, а выдыхает углекислоту (вода остается в тканях).
Еще и еще раз поражаешься экономичности в природе! Казалось бы, СO2 и вода не такое уж большое приобретение. Однако энергетические превращения в природе на этом не заканчиваются.
Единственная даровая, доступная для живого на Земле энергия — это энергия солнечных лучей. Использовать ее в технике весьма трудно. Например, принципиально можно построить ту же тепловую электростанцию, фокусируя зеркалом на лотки с водой лучи жаркого каракумского солнца. Однако технически создать такую электростанцию сложно.
А в природе, при помощи опять же химического соединения хлорофилла — зеленого пигмента, растениям удается уловить энергию солнца и из отбросов животной клетки — СO2 и воды вновь создать молекулу глюкозы.
Итак, цикл замкнулся, и можно подвести черту. Вся энергия живого на Земле в той или иной степени есть производная энергии солнца. Способность использовать энергию солнечных лучей — важнейшее отличие растительного мира от животного. Не обладай растения такой способностью, запас органических веществ на Земле давно бы истощился.
Синтез органических веществ зелеными листьями растений называется фотосинтезом. Фотосинтез — процесс, в какой-то мере обратный процессу расщеплению углеводов. Лучше всего начать знакомство с процессом фотосинтеза со свойств вещества, играющего в нем главную роль, — хлорофилла.
Зеленый пигмент растений — хлорофилл обладает уникальной особенностью. Его молекула улавливает энергию солнечных лучей и при этом, как говорят физики, «возбуждается», то есть переходит на более высокий энергетический уровень. А находясь на этом уровне и обладая дополнительной энергией, хлорофилл передает ее ферментным системам, которые из СO2 и воды создают сначала трехуглеродную молекулу вещества. Процесс фотосинтеза очень сложен и не до конца изучен. Тем не менее ясно, что молекула глюкозы (как конечный продукт) является производной энергии солнечных лучей, СO2 и Н2O.
Конечно, зерна пшеницы, клубни картофеля, сладкие дыни не состоят целиком из углеводов. В них обязательно присутствуют белки, жиры, нуклеиновые кислоты. Превращение углеводов и первичных в акте фотосинтеза трехуглеродных органических молекул осуществляется на последующих этапах различными ферментными системами. Но, пожалуй, больший смысл представляет разбор обратного процесса в живой клетке — использования уже готовых белков и жиров для жизнедеятельности клетки.
Огромная сложность и строгая последовательность процесса дыхания показывает, что каждый фермент и промежуточное вещество должно иметь свое место в какой-либо определенной части клетки. Сейчас достоверно показано, что вся система, осуществляющая цикл Кребса, находится в митохондриях.
Совсем недавно ученые нашли, что все ферменты цикла Кребса расположены во внутренней части митохондрий и не связаны со складчатыми перегородками — мембранами. Ферменты дыхательной цепи (окисляющие водород до воды), наоборот, находятся в определенных местах мембраны, состоящей из молекул белка и жира. Молекулы липоида — жира также не случайно присутствуют в митохондриях. Они входят в состав особых двойных слоев, расположенных в оболочках как снаружи, так и внутри митохондрии и избирательно пропускающих определенные ионы металлов.
А вот функция «эндоплазматического скелета» неясна. Это целая система двойных слоев внутри клетки, похожая на рельсовые пути большого железнодорожного узла, если смотреть на него с самолета. Ученые считают, что эндоплазматический скелет несет в клетке функцию своего рода «железной дороги»: по ее «рельсам» перевозятся питательные вещества.
Но мы немного отклонились. В центре внимания — митохондрии, фабрики по переработке энергии в клетке. Еще раз подумайте, почему они так устроены.
Казалось бы, зачем усложнять химический процесс? Смешать два реагента в растворе, и реакция готова. Однако не нужно забывать о скоростях реакций. В технике давно применяют катализаторы, ускорители реакций. Например, если добавить к реакции распада перекиси водорода на воду и кислород ускоритель — платиновую чернь, то реакция пойдет в сотни раз быстрее. Оказалось, что все дело в размере поверхности катализатора. Обычный кусок платины никак не влияет на распад перекиси водорода. А платиновая чернь — это тончайший порошок платины, который получается при электролизе (выпадении металлов из их солей под действием электрического тока) на одном из платиновых электродов. Поверхность такого порошка чрезвычайно велика — ведь в нем много мелких частичек. То же происходит и в живой клетке. Сложное устройство митохондрии — не каприз природы, а эволюционно отобрания необходимость использовать максимальную поверхность для осуществления работы природных катализаторов — ферментов.