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.

Методы, с помощью которых эти вторгшиеся агенты проникают через мембрану в клетку, разнообразны, но всегда в их основе лежит обман клетки, который мы можем уподобить знаменитому троянскому коню, ^начала атакующий микроорганизм прикидывается беззащитной жертвой и без сопротивления позволяет клетке поглотить себя. Затем, когда излишне доверчивый хозяин уже готов сбросить свою добычу в кислую лизосомальную ванну, коварный захватчик обнажает свое тайное оружие, которое обычно представлено растворяющим мембрану ферментом или токсином, вскрывающим эндоцитарные вакуоли и освобождающим микроорганизм до его разрушения.
Некоторые вирусы, например возбудители гриппа, прибегают к еще более искусному способу: к моменту, когда эти частицы готовы покинуть клетку - хозяина, они приобретают способность распространять инфекцию на соседние клетки. Как только вирусы покидают клетку-хозяина, они заворачивают свои тельца, состоящие из нуклеиновых кислот и белков (нуклеокапсиды), в особые кусочки плазматических мембран, построенных по их указаниям. После встречи с другой клеткой они подвергаются влиянию различных процессов внутри беззащитной жертвы, что в данном случае включает, и погружение в кислую ванну. Затем происходит удивительная вещь: оболочка, содержащая вирус, каким-то образом возбуждается после местного контакта с кислой средой, сливается с мембраной вакуольной ловушки и выпускает своего инфекционного обитателя в цитоплазму. Такой механизм, вероятно, имеет место в эндосомах перед их слиянием с лизосомами.
Вот почему для безопасного проникновения в клетку нам потребуется всего лишь некий волшебный инструмент, который можно занять (на время) у микроорганизмов. У нас есть выбор между химической «отмычкой» мембран и автоматическим приспособлением, которое запускается под воздействием кислоты и открывает мембрану. Предлагаю воспользоваться - последним способом. Он не потребует от нас никаких действий и на нем не скажется неправильно рассчитанное время. При этом мы вспомним то волнующее состояние, которое пережили раньше, когда впервые надели другой вид лизосомно-защитного одеяния и погрузились в глубины клеточной системы вакуолей, изобилующей пещерами.

С химической точки зрения, гликолиз заключается в простом делении пополам молекулы глюкозы и перестройке ее атомов, которые не приводят ни к приобретению, ни к потере материи.Подсчитайте количество атомов с двух сторон стрелок, и вы обнаружите одинаковое количество атомов углерода, водорода и кислорода. С головы до хвоста «змея» не приобретает и не теряет массы. Однако между этими частями в теле «змеи» возникают довольно сложные и тонкие изменения; все они направлены на осуществление одной-единственной функции — получение АТФ. Это происходит на шестой и седьмой стадиях гликолиза в результате сложного процесса окислительно-восстановительнопо фосфорилирования.
Роль пяти стадий, предшествующих этой основной реакции, заключается в подготовке молекул глюкозы к участию в ней. Это весьма сложная и дорогостоящая работа, так как она связана с превращением 6-углеродной молекулы глюкозы в две молекулы фосфорилированного 3-угле - родного соединения, называемого фосфоглицериновым альдегидом. Две фосфатные группы, необходимые для этой цели, поступают от АТФ, так что мы сталкиваемся с поистине парадоксальной ситуацией: реакция, предназначенная для образования АТФ, начинается с ее потребления! И это не исключение. Многие питательные вещества прежде, чем стать пригодными для расщепления, требуют активизации, которая происходит с потреблением энергии. Это еще один из видов поденной работы, которая взвалена на молекулу АТФ, ответственную за все хозяйство клетки. Разумеется, начальный вклад энергии в последующем с лихвой оправдывается, иначе он был бы бессмысленным.
С образованием фосфоглицеринового альдегида мы подходим к главнейшей реакции гликолиза, которая заключается в окислении этого компонента в фосфоглицериновую кислоту и сопряженном с ним конденсировании АДФ и Фн в АТФ. Не станем останавливаться на всех деталях этой реакции, ибо это увлечет нас в дебри химии. Но один из аспектов заслуживает внимания: речь идет об истинном значении слова «окисление». Всем нам знакомо выражение, что мы получаем энергию, «сжигая» пищу. Но аналогия с каким-то типом двигателя внутреннего сгорания, которая при этом возникает в нашем сознании, является искажением реальности, а потому нуждается в исправлении. Строго говоря, превращение фосфоглицеринового альдегида в фосфоглицериновую кислоту происходит при добавлении одного атома кислорода к альдегидной группе (ОНО) с образованием карбоксильной группы кислоты (СООН). В этом смысле процесс напоминает тип окисления, сопровождающий сгорание. Однако при сгорании на воздухе из атмосферы поступает
дополнительный атом кислорода, чего нет в нашем случае. Гликолиз — это анаэробный процесс, который происходит при полном отсутствии кислорода. Здесь мы имеем дело со «сгоранием без доступа воздуха».
Но если не атмосферный кислород, то что же является источником дополнительного атома кислорода, приобретаемого фосфоглицериновым альдегидом? Ответ на наш вопрос — вода, хотя это не обычная вода из окружающей среды. Это молекула воды, которая получается из совместного конденсирования АДФ и Фн и поступает непосредственно в реакции окисления в химически связанной форме. Мы указываем на этот факт, заключив НгО в скобки; теперь, если обозначить оставшийся фосфоглицериновый радикал буквой К, уравнение реакции будет выглядеть следующим образом:
АДФ + Фн >- АТФ + (Н20),
К—СНО + (Н20) К—СООН —2Н.
Из уравнения видно, что смысл окислительной стадии заключается в удалении водорода. Это так называемая дегидрогенизация. Но здесь мы вновь должны проявить осторожность. Водород, образую-щийся в этой реакции, не является газообразным водородом Нг, стабильной двухатомной молекулой. Это реактивный атом водорода, Н, который никогда не встречается в свободной форме, но переносится или обменивается при посредничестве носителей в такой форме или в виде отдельного электрона (е~), с которым он свободно уравновешивается согласно взаимодействию
Н - _ е - + Н+
Протоны, или ионы водорода, Н+, участвующие в этом равновесии, всегда имеются в водной среде благодаря диссоциации воды:
Н20^ Н+ + ОН".
Таким образом, окислительную реакцию гликолиза можно записать и как удаление электронов:
К —СНО+ (Н20)~ К—СООН+ 2е~+ 2Н+.
То, что справедливо для гликолиза, справедливо и для большинства други хокислительных реакций в живых организмах. Как правило, реакции биологического окисления происходят без непосредственного участия кислорода, путем удаления атомов водорода или электронов. Такой тип реакций, по-видимому, унаследован с тех давних времен, когда впервые зародилась жизнь, и подвергался эволюции на протяжении сотен миллионов лет в отсутствие атмосферного кислорода. Когда окисляемая молекула приобретает кислород, как, например, в рассматриваемом случае, источником дополнительного кислорода служит вода или какие-либо реакции, при которых образуется вода.
Что касается атмосферного кислорода, который необходим для всех аэробных организмов, в том числе и для нас с вами, его роль заключается в том, чтобы собирать электроны, высвобождающиеся при окислительных реакциях:
'ДО* + 2е~ + 2Н+-. Н20.
Конечный результат тот же, что и при обычном процессе сгорания, однако механизм иной. В этом легко убедиться с помощью тяжелого изотопа 1вО, который можно отличить от широко распространенного изотопа 1вО в масс-спектрографе. Если глюкоза сжигается в печи в присутствии |8С>2, изотоп будет выявляться в составе образующегося С02, что свидетельствует о соединении углерода глюкозы с атмосферным кислородом. Если же глюкоза сжигается в живом организме, дышащим |802, то образующийся изотоп мы найдем не в составе выдыхаемого СО2, а в НгО. Это, на первый взгляд, тривиальное различие составляет суть разницы, существующей между жизнью и смертью. Ни у одного организма не развился способ восстанавливать энергию в биологически пригодной форме из реакции окисления при сгорании. Напротив, имеются бесчисленные способы извлечения энергии посредством электронного переноса. Время от времени мы будем возвращаться к этому важному вопросу. Необходимо отметить, что в некоторых биологических реакциях действительно происходит добавление кислорода. Такие реакции, называемые реакциями оксигенации (в отличие от реакций окисления), не принимают . непосредственного участия в окислительном процессе восстановления энергии.Реакция, обратная окислению, — при-обретение атомов водорода или электронов — называется восстановлением. Так как электроны и атомы водорода не способны циркулировать в свободном виде в водной среде, оба вида реакций тесно связаны между собой. Электроны не могут высвобождаться, не будучи «пойманными»; если одно вещество окислилось, другое непременно должно восстановиться. Вот почему реакции всегда бывают окислительно-восстановительными (с переносок электронов). Ферменты, катализирующие такие переносы электронов, называются электронтрансферазами или оксидоредуктазами.
На основной окислительной стадии гликолиза акцептором электронов является НАД+, окисленная форма кофактора НАД, роль которого в этом и бесчисленном множестве других метаболических процессов определяется способностью выступать в качестве переносчика электронов:
НАД+ + 2е - + Н+ - НАДН.
Тогда полная реакция электронного переноса схематически запишется в следующем виде:
К—СНО + (Н20) 4 - НАД+ —
— К—СООН + НАДН + Н+.
Это и есть реакция, связанная с образованием АТФ (из которой, как вы, вероятно, помните, она получает свою скрытую ; молекулу воды). Каков бы ни был механизм этого сопряжения, он означает, что перенос одной пары электронов от фосфоглицеринового альдегида к НАД+, во-первых, высвобождает свободную энергию, достаточную для образования одной молекулы АТФ, и, во-вторых, подвергается ограничению, ибо этот процесс может происходить только при одновременном образовании АТФ.
Формально эту систему можно рассматривать как электрохимический преобразователь, который превращает поток электронов в химическую работу. Поэтому мы можем применить общую теорию электричества, которая гласит следующее: максимальное количество работы (реальная работа всегда меньше из-за неизбежных ' потерь тепла), которое может быть выполнено электрическим двигателем, определиется (в джоулях) количеством электричестм (в кулонах), проходящего через двигатель, умноженным на разность потенциалов /(в вольтах) электрического генератора.
В данном случае мы знаем количество работы. Она требует затраты 14 ккал (586 кДж) для образования 1 г-моль АТФ. Нем также известно количество электричества, проходящего через систему: % электрона на молекулу образующегося АТФ, или 2 электрон-эквивалента, или фарадея (2 X 96 500 == 193 кКл) на 1 г-моль АТФ. Если разделить джоули на кулоны, получится минимальное напряжение нашего электрического источника: 0,3 В или 300 мВ. Другими словами, перенос электронов между фосфоглицериновым альдегидом и НАД+ должен происходить при разности потенциалов как минимум 300 мВ, иначе он не сможет снабдить энергией синтез АТФ.
Конечно, гликолитическая «змея» построена далеко не так, как обычный электрический генератор. Она не имеет штепсельных розеток, в которые можно было бы вставить вольтметр и проверить наше заключение. Но в ней содержится донор электронов (фосфоглицериновый альдегид) и акцептор электронов (НАД+). Чтобы перенос электронов произошел, сродство к электронам у акцептора должно быть сильнее, чем у донора. . Это сродство можно измерить. Оно называется окислительно-восстановительным, или редокс - потенциалом, и выражается в вольтах. Каждая редокс-пара (восстановитель/окислитель, например, фосфоглицериновый альдегид/фосфоглицериновая кислота, НАДН/НАД+) обладает своим характерным редокс-потенциалом. Как мы уже установили в ходе предыдущих расчетов, при переносе пары электронов, необходимом для образования одной молекулы АТФ из АДФ и Фн, разность между окислительно-восстановительными потенциалами в парах донора и акцептора должна быть не меньше 300 мВ, что в действительности соответствует двум парам при гликолизе.
После того как главная задача, а именно образование АТФ, успешно решена, гликолитическая цепочка должна завершить свои дела и подвести итог проделанной работе. Это составляет основную функцию оставшейся части цепочки. Необходимо решить судьбу трех участников гликолиза: 1) фосфата, который первоначально был пожертвован цепи молекулой АТФ; 2) воды, которая поступила в цепь на окислительной стадии с тем, чтобы снабдить дополнительным кислородом фосфоглицериновую кислоту, и 3) электронов, которые покинули цепь на той же стадии. Эти дисбалансы теперь компенсируются. Во-первых, молекула воды отщепляется. Во-вторых, фосфатная группа возвращается к АДФ для восстановления АТФ, который был затрачен в самом начале процесса. И, в-третьих, НАДН возвращает свои электроны.
При молочно-кислом брожении акцептором является пировиноградная кислота, которая восстанавливается до молочной кислоты:
СНз—СО—СООН + НАДН + Н+ —
— СНз - СНОН—СООН + НАД+.
При спиртовом брожении акцептором является ацетальдегид — продукт декарбоксилирования пировиноградной кислоты, который восстанавливается до этилового спирта:
СНз—СО—СООН —СНз—СООН + С02,
СНз—СОН + НАДН + Н+ —
СНз—СН2ОН + НАД+
Последние электронные переносы происходят при очень малой разности потенциалов, без какой-либо энергетической выгоды. Они необходимы лишь для того, чтобы сделать систему автономной. Если отрезать хвост «змеи» и заменить его другим акцептором для сбора электронов,поступающих от НАДН, система будет; по-прежнему превосходно справляться со своей работой по производству АТФ, только теперь уже в качестве окислительной системы, и ее конечным продуктом будет пировиноградная кислота:
С6Н1206 — 2СН3—СО—СООН + 4е+ +4Н+
(глюкоза) (пировиноградная кислота)

На первый взгляд может показаться, что даже уменьшенные в миллион раз громоздкие частицы, имеющие наши размеры, не способны проникать через плазматическую мембрану без каких-либо непоправимых повреждений клетки. Однако имеется достаточно доказательств тому, что это может происходить. При ряде инфекционных заболеваний возбудитель, будь то вирус, бактерия или даже простейший паразит, спокойно существует и развивается в цитозоле живой клетки больного. Он попал в клетку из окружающей среды и таким образом успешно преодолел плазматическую мембрану, не уничтожив при этом клетку-хозяина.

Наш «вирусный проводник» поступил так, как и следовало ожидать, и теперь мы находимся в центре цитоплазмы. Вокруг нас много странных объектов, и потребуется некоторое время для их подробного изучения. Но сначала необходимо хорошенько оглядеться.
Возможно, нашим первым впечатлением будет ощущение, что мы находимся за сценой какого-то театра и видим обратную сторону декораций с веревками и блоками, благодаря которым они двигаются. Эндосомы, лизосомы, эндоплазматические цистерны, мешочки и пузырьки аппарата Гольджи, секреторные гранулы — все те структуры в виде пузырьков, которые мы видели только изнутри, теперь мы созерцаем снаружи. Все вместе они составляют тысячи шариков различных размеров и форм, начиная от сферических структур и кончая бесформенными мешочками. Молочно-белые или блекло-коралловые, а иногда охряно-коричневые лизосомы опалесцируют в полутени цитоплазмы. Их поверхности в основном атласно-гладкие, за исключением тех шершавых участков, по кото-рым ползают полисомы, и небольших конических или сферических возвышенностей, образованных решетками клатриновых нитей. Позднее мы вернемся к этим загадочным выростам.
Некоторые более крупные мембранные мешочки, части эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи, объединяются друг с другом витками трубчатых соединений. Одни представляют собой крупную систему, вялую и неподвижную, поверхность которой изменяется только при выдавливании внутреннего пенистого содержимого. Другие медленно дрейфуют, подхваченные каким-то внутренним цито - плазматическим потоком, или неожиданно делают сальто, словно подброшенные невидимой пружиной. Между ними легко и бесшумно двигаются стайки мелких везикул, многие из которых имеют наружную оболочку. В этом густом потоке транспорта часто происходят столкновения. Как правило, они не имеют последствий, и оба партнера выпутываются из этой ситуации, не пострадав. Но время от времени в результате столкновения происходит слияние или расщепление, что вызывает небольшой местный взрыв, от которого ударные волны распространяются по всей цитоплазме.
Между этими, теперь уже знакомыми нам частями импортно-экспортного механизма разбросан ряд толстых продолговатых телец ярко-розового цвета, резко контрастирующих с окружением. Размерами и формой они напоминают бактерии и находятся в состоянии нескончаемого движения — изгибаются, дергаются, расталкивают соседние структуры с неустанным автоматизмом, сходным с поведением подростков в дискотеке. Время от времени они взрываются и распадаются на несколько частей или объединяются, образуя фантастически похожие на гидру структуры. Это митохондрии, главные центры по производству энергии в клетке (см. гл. 9).
В некоторых клетках, например в печени или почках, можно встретить еще один тип тускло-зеленых гранул, окруженных мембраной. Это пероксисомы. Они несколько меньше митохондрий и встречаются в скоплениях, вероятно, из-за того, что связаны друг с другом (гл. 11).
Если вместо животной клетки мы посетим растительную, то зрелище, открывшееся нашему взору, во многом будет похожим, только еще более разноцветным и ярким, ибо помимо уже перечисленных компонентов мы встретимся с ярко-зелеными центрами фотосинтеза — хлоропластамн (см. гл. 10). Нам также может встретиться одна или несколько связанных с мембраной вакуолей и гранул, в которых растения откладывают свои запасы крахмала и масла, а также те восхитительные пигменты, которые украшают их цветы. Но не следует думать, что это великолепие является прерогативой только растительного мира. Если человек представляет собой тусклое, неяркое создание, цветовая гамма которого зависит в основном от цветового эффекта только одной черной краски, меланина, упакованного в тельца,называемые меланосомами, то окраска многих других видов животных — птиц, бабочек, рыб — по яркости не уступает самым красивым цветам.
Вместе эти частицы занимают более половины всего объема клетки. Пространство между ними заполнено вязким, желатинообразным матриксом, образующим цитозоль или клеточный сок, который является основным веществом клетки. Этот отдел ограничен только плазматической мембраной снаружи и мембранной оболочкой, окружающей ядро внутри клетки. Таким образом, мы можем свободно двигаться в нем, огибая цитоплазматические тельца, а иногда протискиваясь сквозь них, если они плотно прижаты друг к другу. Примерно так же нам приходится поступать в каком-нибудь музее авиации, загроможденном красочными экспонатами.
И все-таки мы не настолько свободны, как это кажется. Нашему движению мешает целый ряд других препятствий. С одним из них мы уже встречались (детальнее рассмотрим в следующей главе). Это рибосомы, которые обычно представ-ляют собой прядки из 10—20 частиц,объединенных нитью информационной РНК. До сих пор такие полисомы мы видели только на поверхности мембран ЭР, однако многие из них также свободно плавают в цитозоле, где и выполняют свои функции. Рибосомы с тонкими нитями растущих полипептидных цепей представляют собой вероломные ловушки, подобно невидимым морским водорослям на пути пловца.
В некоторых областях, например возле гладких соединений, связывающих ЭР с аппаратом Гольджи, мы можем натолкнуться на почти непреодолимые препятствия: плотные скопления белоснежных частиц размерами с рибосому. Однако если мы рассмотрим их в наше молекулярное увеличительное стекло, то увидим,что они очень отличаются от рибосоМ. Каждая частица выглядит как отдельная древовидная структура, разветвляющаяся на тысячи отростков; в свою очередь, каждый из них является цепью молекул глюкозы, связанных друг с другом своими концами. Это частицы гигантских макро-молекул крахмалистого полисахарида, называемого гликогеном или иногда «животным крахмалом». Гликогеновые «деревья» обладают способностью объединяться в небольшие «рощицы», которые образую «леса» поистине огромных размеров. 0нИ хорошо различимы под электронным микроскопом и выглядят как агрегаты, состоящие из небольших плотных частиц, называемых «гликогеновыми озерами».
Другим препятствием на нашем пути!
является железосодержащий белок ферритин, темно-коричневая компактная частица гораздо меньше молекулы гликогена. Хотя под электронным микроскопом она едва заметна, столкновение с ней довольно опасно: почти на четверть ферритин состоит из твердой гидроокиси железа. Добавим, что по пути нам будут встречаться также разбросанные крупные капли запасенного жира с водоотталкивающими поверхностями.
И наконец, цитозоль во многих участках перекрещивается довольно плотной сетью перекладин и канатов, состоящих из микронитчатых и микротрубчатых элементов. Эти структуры объединяют различные части клетки друг с другом; они определяют форму клетки и отвечают за ее прикрепление к соседним клеткам и другим внеклеточным якорным точкам. Сама по себе сеть не статична, отдельные ее части постоянно разъединяются и вновь объединяются, а то скользят друг мимо друга благодаря маленьким молекулярным двигательным элементам. От подобных изменений зависит движение как внутри клетки, так и ее самой. В гл. 12 мы рассмотрим эти разнообразные структуры, составляющие «кости и мышцы» наших клеток.
Если отбросить гранулярные и нитчатые элементы, населяющие цитозоль, то все равно останется значительное количество вещества — примерно одна треть от общей массы клетки. Оно состоит в основном из водорастворимых компонентов и образует непосредственно сам цитозоль. Об архитектуре этой части живой клетки много спорят. Одни исследователи считают, что цитозоль функционирует как обычный концентрированный раствор беспорядочно разбросанного вещества. По мнению других, это высокоорганизованная система, составные части которой связаны между собой специфическими взаимодействиями или неподвижны благодаря сети «микро - трабекул». Некоторые ученые придерживаются того мнения, что в цитозоле происходят постоянные обратимые пере-ходы между этими двумя состояниями. Такая концепция, получившая название «трансформация зольгеля», сформировалась на заре коллоидной химии. Скорее всего в каждой гипотезе имеется рациональное зерно, а реальность представляет собой компромисс между ними. В целом же беспорядочность, вероятно, преобладает над организацией. Судя по всему, цитозоль каким-то образом проникает в любые закоулки и щели клетки, не занятые чем-либо другим. Он является основным ее наполнителем, настоящим почвенным веществом клетки, но наполнителем не инертным; в нем разыгрываются некоторые наиболее жизненно важные события, в частности те, что связаны с энергией. И хотя цитозоль — не единственный энергетически важный участок, а для многих клеток и не самый главный, однако это, по всей видимости, самая древняя с точки зрения геологического времени часть клетки и поэтому он может много рассказать о зарождении жизни.

Некоторые детали гликолигической «змеи», будучи всеобъемлющими, применимы ко всему Энергетическому обмену. Наиболее универсальное из этих обобщений касается производства АТФ. Всюду; в природе эта главная часть энергетической «валюты» образуется, как и при гликолизе, в результате сопряженных электрохимических реакций, которые связывают фосфорилирование АДФ с переносом электронов посредством разности - электрических потенциалов. Исключений из этого правила нет. Животные, растения, грибы, бактерии, все живые существа, включая человека, получают АТФ в результате процессов, состоящих из таких сопряженных реакций. Как и следовало предположить, в природе происходит множество разнообразных реакций этого типа и их химия зачастую сложна. Не станем вникать в детали этих реакций, но все же попытаемся отчасти, понять работу основных энергетических центров клетки при их посещении.
Назовем системы, которые катализируют окислительно-восстановительное фосфорилирование окфос-блоками, и представим их схематически в виде закрытой в ящике молнии, как это изображено на рисунке. Обратите внимание на то, что употребляемая нами терминология и символы не относятся к общепринятому языку биохимии. Они введены здесь исключительно для облегчения восприятия материала в процессе нашего путешествия.В основе окфос-блока лежит принцип электрохимического преобразователя, который объединяет процесс сборки одной молекулы АТФ из АДФ и Фн с падением двух электронов посредством разности потенциалов, равной 300 мВ. Электроны поступают в окфос-блок от донора (Д), который переходит из восстановленного состояния в окисленное, и собираются на другом конце акцептором (А), который превращается из окисленного состояния в восстановленное. В зависимости от природы участвующих в процессе молекул протоны могут сопровождать или не сопровождать электроны.
При гликолизе донорная пара представлена фосфоглицериновым альдегидом фосфоглицериновой кислотой, а акцепторная пара--НАД+/НАДН. Но это лишь частный случай. В других системах используются другие доноры или акцепторы или совокупность тех и других; в результате создается огромное количество окфосблоков с самыми разнообразными механизмами работы. На нашем пути встретятся многие из них. Одни, как, например, при гликолизе, получают электроны от метаболических субстратов и поэтому о них говорят, что они катализируют реакции фоефорилирования субстратного уровня. Ряд других, включая наиболее значимые, например, те, что протекают в митохондриях и хлоро - пластах, питаются электронами от НАДН и других носителей. Они катализируют реакции фосфорилирования на уровне носителей; механизм их действия полностью отличается от механизма, наблюдаемого при фосфорилированиях субстратного уровня. Подробнее на этих механизмах мы остановимся в гл. 9.
Окфос-блоки получают энергию от потока электронов. Для работы им необходимо соединиться с источником, а также коллектором электронов. Гликолиз и другие виды анаэробного брожения обладают характерной особенностью, заключающейся в следующем: их поток электронов питается от одного-единственного потока вещества благодаря тому, что метаболическая цепь вырабатывает свой собственный конечный акцептор электронов. Главное преимущество этого вида метаболизма в том, что от окружающей среды требуется только соответствующее питание, например глюкоза. Но в то же время он необычайно расточительный, ибо конечные продукты брожения, такие, как молочная кислота или этанол — энергетически богатые молекулы. Как мы увидим в дальнейшем, когда они покидают клетку, то свыше 90% потенциальной энергии глюкозы остается неиспользованными. Такого не должно быть, и, действительно, это исключительный случай. Чаще электроны, высвобожденные в окислительных реакциях, собираются непосредственно или косвенными путями экзогенным электронным акцептором; в этом случае клетке не нужно отказываться от ценных веществ, и катаболическая деградация субстрата может продолжаться дальше. Но тогда для под-держания потока электронов требуется двойной поток вещества.
Вещества, способные выполнять роль электронного акцептора, в изобилии встречаются в природе: это сульфатный ион SО!- (который может быть восстановлен до S или сероводорода Н2S); ион железа Fе3+ (который быстро восстанавливается до Fе2+); нитратный ион N0^ (который быстро превращается в нитритный N0^ и далее в аммиак NНз); СО2 (который может быть восстановлен до метана, СН4) и даже простой протон, Н+ (который может превратиться в газообразный водород, Н2o). Самым распространенным и эффективным электронным акцептором является молекула кислорода, О2, которая восстанавливается до воды, Н2О (а иногда до перекиси водорода, Н2О2).
Каждое из перечисленных веществ наряду со многими другими используется не которыми организмами в качестве электронных акцепторов благодаря соответствующим ферментам. Их восстановление лежит в основе многих природных явлений; в частности, им объясняются сернистые испарения, преобразования железосодержащих пород, рециркуляция атмосферного азота, а также таинственные излучения в виде призрачных блуждающих огоньков, которые вспыхивают на поверхности болот. Между бактериями, вызывающими эти явления, и бесчисленным множеством живых организмов, в том числе человеком, который дышит атмосферным кислородом, имеется скрытая общая связь: все они поддерживают вырабатывающие энергию метаболические процессы окисления с помощью экзогенного акцептора электронов.
Здесь мы сталкиваемся с новым важным обобщением. Не только глюкоза, но любое другое питательное вещество, используемое живым организмом для поддержания своих энергетических потребностей, снабжает электронами АТФ-генерирующий окфос-блок. Просто нет другого источника метаболической энергии для гетеротрофных организмов — тех, что питаются продуктами биосинтетической деятельности других организмов (греч. heteros—другие; (trophe — пища). Аутотрофы (греч. autos — сам) также поставляют электроны в окфос-блоки, но из других источников.
«Сгорание» пищи для получения энергии на деле означает расщепление пищевых продуктов и обогащение их кислородом за счет воды таким образом, чтобы можно было получить электроны, которые поступают в АТФ-генерирующий окфос - блок, из которого они затем собираются кислородом (или каким-либо другим акцептором).
Как мы увидим при посещении митохондрий, жизнь проявила удивительную изобретательность в использовании этого потока электронов, поставив на пути метаболических электронов до четырех последовательных окфос-блоков. Многие электроны, спускаясь вниз, преодолевают разность потенциалов примерно в 1 В и более. Таким путем может быть восстановлено и использовано для образования АТФ почти 80% свободной энергии, высвобождаемой при окислении продуктов питания. Мы еще вернемся к этому вопросу в гл. 9.