| |
 |
Без знания точных подробностей производства высокоэнергетических связей, тем не менее, возможно подсчитать количество производимого на каждой стадии катаболизма молочной кислоты – результаты приведены на рис. 66.
Как видите, результатом катаболизма молочной кислоты на углекислоту и воду, в отношении которого калориметр показывает цифру в 325 калорий на моль вещества (1), являются 18 молекул АТФ. Если считать, что при формировании каждой высокоэнергетической фосфатной связи уровень свободной энергии возрастает на 8 килокалорий на моль вещества, то в целом в результате катаболизма каждого моля молочной кислоты организм переводит в высокоэнергетические фосфатные связи и запасает 144 килокалории химической энергии. 144 из 325 – это около 45%, в общем, неплохая эффективность.
(1) В главе 20 я называл цифру 650 килокалорий – но пусть это вас не смущает, так как там речь шла о реакциях с использованием двух молекул молочной кислоты. Прочие подробности расписаны мной в уже упоминавшейся книге «Источники жизни».
В какой же части клетки проходят процессы окислительного фосфорилирования? В данной книге я еще ни разу не предпринимал попыток описать устройство клетки. А клетка устроена очень сложно, она обладает множеством специализированных частей (органелл) со специализированными свойствами, и чем более тонкие инструменты оказываются в руках цитологов, тем более тонкие свойства органелл удается обнаружить.
Начнем с того, что каждая неповрежденная клетка имеет внутреннюю часть небольшого объема, которая носит название «клеточное ядро», тонкой мембраной отделенное от остальной части клетки (цитоплазмы). Главная задача ядра – обеспечение размножения клеток и точный перенос генов, управляющих химическими свойствами, от материнской клетки к дочерней (2). Однако, к процессу производства энергии ядро никакого отношения не имеет, и ни флавоферментов, ни цитохром не содержит. Для дегидрогенизации как таковой не требуется ничего, кроме пиридин-ферментов, который сами по себе кислород не используют. Иными словами, ядро – система анаэробная, так что искать место проведения энергопроизводящих реакций с потреблением кислорода надо в цитоплазме.
Различные органеллы цитоплазмы (да и ядра) реагируют на разные красители по-разному – одни поглощают, другие нет, так что из можно «помечать» с помощью соответствующих красителей, специфичных для каждой из органелл. Тогда клеточные частицы, обычно неразличимые глазом, начинают сверкать всеми цветами радуги.
В 1898 году немецкий цитолог С. Бенда с помощью комплекса красителей сумел обнаружить, что небольшие гранулы в цитоплазме огромного множества клеток окрашиваются подозрительно контрастно. Он назвал эти гранулы «митохондриями», от греческого «хрящевые нити». Название оказалось неудачным, поскольку к хрящам эти нити никакого отношения не имеют. Тем не менее, имя это прижилось, как и много других ошибочных имен, и мы пользуемся им по сей день.
На протяжении примерно одного поколения функции митохондрий оставались неизученными, и они были для всех просто «еще одним видом клеточных частиц». Однако, в 30-е гг. двадцатого века, с развитием ультрацентрифуг (см. гл. 16) стало возможным разложение клетки на составляющие путем ее разрушения и осаждения по очереди различных содержащихся в ней веществ. Таким образом были получены и суспензии, состоящие из одних митохондрий.
А в 40-е гг. двадцатого века появились и новые микроскопы с небывалой увеличительной мощностью. Теперь вместо лучей света, фокусируемых с помощью оптических линз, стали использоваться пучки электронов, фокусируемые с помощью магнитных полей. С помощью таких электронных микроскопов наконец-то стало возможным как следует рассмотреть митохондрии, диаметр которых – всего один-три микрона, то есть тела в тысячу раз меньше самой клетки.
Использование электронного микроскопа позволило установить, что митохондрия окружена двойной мембраной, рассекающей тело органеллы, разделяющей ее на части, и многократно увеличивающей, таким образом, площадь поверхности митохондрии.
В ходе экспериментов выяснилось, что суспензия митохондрии катализирует все без исключения реакции, входящие в цикл Кребса. Так стало ясно, что «электростанцией» клетки служит именно митохондрия, мембраны которой представляют собой скопление ферментов и коферментов, необходимых для катаболизма пищевых веществ и производства высокоэнергетических фосфатных связей. Было подсчитано, что в среднем отдельная митохондрия представляет собой около 10 000 «сборочных пунктов», на каждом из которых может происходить полный цикл катаболизма, отщепляться атом водорода и создаваться высокоэнергетическая фосфатная связь.
Более подробная информация о молекулярном устройстве митохондрии наверняка еще появится по мере разработки более мощных научных инструментов.
Глава 24
Где сходятся все пути
Последние четыре главы были посвящены, тем или иным образом, процессам, связанным с катаболизмом глюкозы – сначала до молочной кислоты путем анаэробного гликолиза, потом – до углекислоты и воды путем цикла Кребса. Однако, нельзя сказать, чтобы это были единственные способы, которыми организм может создавать высокоэнергетические связи для хранения химической энергии.
К примеру, еще в начале 50-х гг. двадцатого века британский биохимик Ф. Диккенс с коллегами смогли показать, что во многих тканях растений и микроорганизмов, а иногда – и животных глюкоза расщепляется на трехуглеродные соединения не путем анаэробного гликолиза, а каким-то другим путем. Этот другой путь сходится с обычным гликолизом где-то на полдороге. Он проходит через этапы пяти- и четырехуглеродных сахаров и не является анаэробным. При нем используется и дыхательная цепочка, и атмосферный кислород.
Наличие такого запасного пути важно в двух отношениях. По-первых, если деятельность основного механизма окажется временно нарушенной, то организм не останется совсем без ресурсов – он сможет просуществовать за счет запасного механизма.
Во-вторых, при любом катаболическом механизме производится не только энергия, но и ряд промежуточных веществ. Эти промежуточные вещества организм может впоследствии использовать, как строительные материалы для процессов анаболизма. К примеру, различные промежуточные вещества, участвующие в цикле Кребса, могут служить основой для формирования некоторых аминокислот. Достаточно прибавить к щавелево-уксусной кислоте аминогруппу, и она станет аспарагиновой кислотой; прибавить аминогруппу к альфа-кетоглутаровой кислоте – она станет глютаминовой кислотой (именно поэтому наличие этих двух кислот в пище не является обязательным).
Так что разумная избыточность механизмов обмена веществ имеет свои преимущества, поскольку предоставляет организму большее количество строительных материалов. Упомянутый выше «обходной путь» приводит к созданию нескольких пятиуглеродных сахаров и родственных им веществ. Их можно использовать для образования необходимых огромных молекул нуклеиновых кислот, чьей важной составляющей являются именно пятиуглеродные сахара.
Анаэробный гликолиз и реакции цикла Кребса, тем не менее, являются главными путями катаболизма глюкозы, и рассматривать альтернативные варианты более подробно сейчас не имеет смысла.
Однако приведенное в предыдущих главах описание катаболизма все же неполно. До сих пор я рассуждал только о катаболизме глюкозы. Но в 19 главе я указал, что жиры и белки, особенно последние, тоже являются важными источниками энергии. Что же происходит с ними? Явно ведь не то же самое, что с углеводами?
Давайте посмотрим.
В течение первого десятилетия двадцатого века, когда Харден и Янг только начинали изучать промежуточный катаболизм глюкозы, немецкий биохимик Франц Кнуп взялся за решение той же задачи в отношении жиров.
Кнуп использовал технологию кормления собак строго определенной пищей с последующим изучением мочи. Однако ученый сумел важным образом улучшить эту методику. Если бы он просто кормил собак жирами и получал на выходе воду и углекислоту, то было бы совершенно непонятно, из жиров ли создана полученная молекула воды или углекислоты, или из чего-то еще. Молекулы жира надо было как-то пометить, чтобы ее составные части можно было потом опознать, после того, как они пройдут всю цепочку обмена веществ организма животного. Кнопп решил кормить собак фенилдеривативами различных жирных кислот.
Разрешите пояснить. Во-первых, жирные кислоты – это основной продукт расщепления жиров. Их молекулы состоят из длинных углеводных цепочек, обычно по шестнадцать-восемнадцать атомов углерода длиной, где один атом углерода на одном из концов цепочки входит в карбоксильную крупу. В качестве примера распространенной восемнадцатиуглеродной кислоты можно назвать стеариновую кислоту. Если такое вещество подвергнуть обработке таким образом, чтобы к противоположному от карбоксильной группы концу присоединилось бензольное кольцо, то в результате получится именно фенилдериватив, изображенный на рис. 67.
Фенилдериватив жирной кислоты – это вещество, которое организм обработать не способен. Ни у собаки, ни у человека не существует ферментов, с помощью которых можно было бы разорвать само бензольное кольцо, или отщепить его от углеродной цепи. Ткани организма собаки могут катаболизировать всю остальную часть жирной кислоты, но от бензольного кольца и того фрагмента жирной кислоты, к которому бензольное кольцо прикреплено, избавиться можно, только выбросив его из организма с мочой. Соответственно, Кнуп мудро рассудил, что если в моче обнаружится соединения, содержащие бензольные кольца – то это и будут остатки использованной организмом собаки жирной кислоты.
Таким образом, пометив жирные кислоты, Кнуп создал первый в мире «маркер» вещества (то есть, пометку на веществе, с помощью которого можно проследить его дальнейшую судьбу). Перед тем, как приступить к описанию полученных Кнупом результатов, я вкратце обрисую дальнейшую историю маркеров, поскольку эта технология оказалась крайне важной для развития биохимии в целом.
Напрашивается возражение, гласящее, что Кнуп, дескать, пичкает организм подопытного животного неестественными для того пищевыми веществами, «нефизиологичными». Пусть они нетоксичны, и на здоровье организма их прием никак не отражается, но откуда у исследователя может быть уверенность, что само присутствие маркера никак не повлияло на способ обработки молекулы организмом? А вдруг бензольное кольцо подавило действие какого-нибудь важного фермента? Короче говоря, откуда мы знаем, что эти вещества следуют теми же метаболическими путями, что и нормальная, естественная пища?
Идеально было бы придумать такой маркер, чтобы организм не мог отличить помеченное вещество от непомеченного, а экспериментатор – мог. Казалось бы, нельзя требовать от мироздания слишком многого, но лет через десять после экспериментов Кнупа произошел один из самых счастливых случаев в истории науки – были открыты изотопы.
В 1913 году британский физик Фредерик Содди показал, что атомы одного элемента могут быть не абсолютно похожи. Да, все они имеют одинаковое количество протонов ядра и такое же количество электронов на орбите, и одинаковые химические свойства (см. гл. 17). Однако, число нейтронов в ядрах разных атомов одного и того же вещества может различаться, а значит – и их атомный вес. Такие атомы называют «изотопами» одного и того же элемента.
Вот например, одни атомы углерода имеют ядро, содержащее шесть протонов и шесть нейтронов. Атомный вес такого атома – 12. Ядро других содержит шесть протонов и семь нейтронов, и имеет атомный вес 13. На бумаге обозначение этих изотопов будет выглядеть, как С12 и С13. Каждый из них будет иметь те же шесть электронов – два во внутренней оболочке и четыре во внешней; каждый будет участвовать в одних и тех же реакциях в организме. Организм не различает изотопов.
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
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 :: 32 :: 33 :: 34 :: 35 :: 36 :: 37 :: 38 :: 39 :: 40 :: 41 :: 42 :: 43 :: 44 :: 45 :: 46 :: 47 :: 48 :: 49 :: 50 :: 51 :: 52 :: 53 :: 54 :: 55 :: 56 :: 57 :: 58 :: 59 :: 60 :: 61 :: 62 :: 63 :: 64 :: 65 :: 66 :: 67 :: 68 :: 69 :: 70 :: 71 :: 72 :: 73 :: 74 :: 75 :: 76 :: 77 :: 78 :: 79 :: 80 :: 81 :: 82 :: 83 :: 84 :: 85 :: 86 :: 87 :: 88 :: 89 :: 90 :: 91 :: 92 :: 93 :: 94 :: 95 :: 96 :: 97 :: 98 :: 99 :: 100 :: 101 :: 102 :: 103 :: 104 :: 105 :: 106 :: 107 :: 108
| |
| |
|
|
|
