Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Картинка, при которой одни и те же ферменты управляют процессами как анаболизма, так и катаболизма, в зависимости от того, какие именно вещества удаляются с места прохождения реакции, конечно, выглядит красиво. Но насколько она соответствует реальности?
В частности, в пользу этого предположения свидетельствует тот факт, что в лабораторных условиях пищеварительные ферменты можно заставить катализировать анаболитические реакции. К примеру, если аминокислоты подвергнуть при соответствующих условиях воздействию пепсина или химотрипсина, то действительно, происходит некий синтез, и в итоге получается нерастворимое белкообразное вещество пластеин. Пластеин — это смесь пептидов с малой молекулярной массой, цепочки которых состоят не более чем из десяти—двенадцати аминокислот; но вполне вероятно, что внутри живых тканей условия для формирования белков более благоприятны, чем в лабораторной пробирке, и там могут создаваться более крупные и сложные белки.
Но, увы, в целом теория имеет и ряд серьезных недостатков. Во-первых, пищеварительные ферменты в живых тканях никогда не встречаются. Какая разница, может пепсин или химотрипсин способствовать формированию белка или нет, если и тот и другой все равно отсутствуют в клетках, где это формирование происходит?
И опять же, нельзя забывать о свободной энергии. В целом реакции катаболизма сопровождаются снижением ее уровня. В случае гидролиза это снижение невелико по сравнению с другими видами реакций катаболизма, о которых чуть позже, но все же достаточно велико в целом. При гидролизе пептидной связи свободная энергия уменьшается на величину от 0,5 до 4 килокалорий на моль вещества, в зависимости от того, какие именно аминокислоты были задействованы в разорванной связи.
Это означает, что гидролиз белка — реакция, направленная «вниз с холма», и точка равновесия при ней сильно смещена в сторону полного гидролиза. Уровень свободной энергии снижается достаточно сильно, чтобы обратимость реакции не оказывалась ярко выраженной. На самом деле в точке равновесия подвергнувшимися гидролизу оказывается около 99 процентов белков.
Это не означает, что реакцию совсем нельзя обратить — надо просто создать для этого правильные условия. В лабораторной пробирке обеспечивается удаление воды сразу же по мере ее формирования (вода является одним из продуктов реакции конденсации). Соответственно, реакция сдвигается в сторону белка и идет производство пластеина. Однако в живой клетке образующаяся в большом количестве вода не может удаляться с нужной скоростью, и удалять с такой скоростью образующийся белок тоже сложно. Так что, если описанный путь — единственно возможный, значит, надо искать, как организм решает задачу быстрого удаления из клетки образующихся веществ. Вообще-то живая ткань преподносит много сюрпризов, и вполне возможно, что данная задача тоже нашла у природы какое-то оригинальное решение. Но все же, может быть, в живой ткани происходит не простое «обращение реакции», а какой-то иной процесс?
Что ж, если при реакции катаболизма уровень свободной энергии, как правило, снижается, то при имеющей обратную направленность реакции анаболизма он должен повышаться. Вместо того чтобы с безумной скоростью удалять продукты и клетки для того, чтобы сдвинуть точку равновесия ради протекания реакции в обратном направлении, не проще ли напрямую затратить на осуществление реакции немного энергии? В этом случае реакция пойдет куда надо, в зависимости не от состава веществ в клетке, а от приложения энергии. Не поступает энергия — идет реакция катаболизма; подали энергию — идет реакция анаболизма.
Откуда же возьмется в таком случае энергия? Самый простой ответ — из дальнейшего катаболизма структурных единиц. Из превращения глюкозы в углекислоту и воду можно получить на единицу веса в сотни раз больше энергии, чем из гидролиза гликогена на глюкозу (и, соответственно, чем требуется для конденсации глюкозы в гликоген). Следовательно, пожертвовав на катаболизм одной молекулой глюкозы, можно добиться соединения сотни других молекул глюкозы в гликоген.
Хорошо, но каков же тогда конкретный механизм, перевода энергии катаболизма на полезные цели — на проведение энергоемких реакций анаболизма? Чтобы ответить на этот вопрос, надо сначала подробно рассмотреть катаболизм. Никуда теперь от этого не деться. Необходимо понять, что происходит с питательными веществами после того, как их структурные единицы впитываются клетками. Пора проникнуть в тайны промежуточного метаболизма.
Одним из видов катаболизма, интересовавшим ученых с давних пор и послужившим исходной точкой для исследования промежуточного метаболизма, является факт ферментации глюкозы дрожжами. Во-первых, ферментация дрожжами Сахаров всегда, начиная с доисторических времен, имела для человечества большое практическое значение, так что мотивация для изучения этого явления была вполне достаточной. А во-вторых, дрожжевая ферментация — все же достаточно простое явление, которое можно изучать, не сталкиваясь с теми осложнениями, которые возникают при рассмотрении тканей животных. Ферментирующее действие дрожжей приводит к распаду глюкозы на этиловый спирт с высвобождением углекислого газа, так что выражение для этого процесса можно записать так:
С6Н12O6 → 2С2H6O + 2CO2.Обратите внимание — это выражение уравновешено! Каждая молекула глюкозы в процессе катаболизма распадается на две молекулы этилового спирта и две молекулы углекислого газа. Больше ничего.
Это кажется удивительным. После того как Лавуазье продемонстрировал, что животные не могут существовать без кислорода, казалось естественным, что при всех важных реакциях катаболизма должен быть как-то задействован и кислород. Однако здесь его нет.
А в других реакциях, происходящих с участием дрожжей? И на этот вопрос был дан отрицательный ответ. Такой приговор вынес Луи Пастер в 1861 году — он показал, что все без исключения процессы жизнедеятельности дрожжей проходят при полном отсутствии кислорода. Он назвал это «la vie sans air» — «жизнь без воздуха».
Превращение глюкозы в этиловый спирт и углекислый газ — пример «гликолиза» (что по-гречески значит «расщепление сахара»), а для подчеркивания того факта, что этот процесс проходит «без воздуха», его часто называют еще «анаэробным гликолизом», где «анаэробный» по-гречески и означает «без воздуха».
Начиная с наблюдений за горящим топливом весь опыт человечества говорит о том, что получение энергии связано с соединением углесодержащих веществ с кислородом, но не будем же слишком строги в этом отношении. Энергию можно производить и другими способами.
При расщеплении одного моля глюкозы на этиловый спирт и углекислый газ высвобождается около 36 килокалорий свободной энергии. Это, конечно, гораздо меньше, чем можно было бы получить путем полного превращения этого же количества глюкозы в воду и углекислый газ; в последнем случае изменение уровня свободной энергии составило бы 686 килокалорий, так что при гликолизе производство энергии составляет лишь двадцатую часть от возможного. Однако для жизнедеятельности дрожжей этого оказывается достаточно.
Более того, вполне вероятно, что когда-то давным-давно никакого кислорода в атмосфере Земли не было, так что единственными способами выработки энергии для тогдашних живых существ были методы, родственные гликолизу. Даже сегодня сложные организмы, обычно получающие энергию за счет катаболизма глюкозы до уровня воды и углекислого газа с потреблением кислорода, при особых обстоятельствах могут временно переключиться и на гликолиз.
В качестве примера можно назвать мышечную ткань. В начале XX века было обнаружено, что мышцы содержат в небольшом количестве молочную кислоту, трехуглеродное соединение с эмпирической формулой С3H6O3. (Раньше это вещество обнаруживали только в прокисшем молоке, отсюда и название.) Выяснилось также, что в процессе работы мышц содержание молочной кислоты в них повышается.
В 1918 году немецкий биохимик Отто Майерхоф показал, что повышение содержания в мышцах молочной кислоты сопровождается снижением содержания в них гликогена. Казалось очевидным, что мышечная деятельность подразумевает расщепление гликогена на глюкозу и превращение последней в молочную кислоту. Реакцию перевода глюкозы в молочную кислоту можно записать так:
С6Н12О6 → 2С3H6O3.И снова перед нами уравновешенное выражение. Одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы молочной кислоты без какого-либо участия кислорода. Наверное, именно эта или очень похожая реакция происходит и при прокисании молока, когда попавшие в него бактерии превращают молочный сахар в лактозу. Результат, получаемый в мышцах или в прокисшем молоке, отличается от результата, получаемого в дрожжах, поскольку в последнем случае молочная кислота продолжает расщепляться дальше:
