Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Сперва выяснилось, что при гидролизе высокоэнергетической фосфатной связи высвобождается от 11 до 16 килокалорий энергии на моль вещества, просто колоссальная цифра по сравнению с двумя—четырьмя килокалориями на моль, высвобождаемыми при гидролизе обычной фосфатной связи. Однако дальнейшие исследования показали, что эта цифра завышена. В 50-х годах XX века уточненные исследования показали, что в среднем при гидролизе высокоэнергетических фосфатных связей высвобождается от 5 до 10 килокалорий, в среднем — 8. А при гидролизе некоторых фосфатных связей, которые принято было считать низкоэнергетическими, могло высвобождаться и до 6 килокалорий на моль. Получается, никакого строгого разрыва между этими двумя группами нет вообще.
Но все же остается признать, что существует один тип фосфатных связей, при гидролизе которых выделяется в среднем 8 килокалорий на моль вещества, и другой, при гидролизе связей которого выделяется в среднем 4 килокалории на моль. Хотя различие между ними не так велико, как показалось сначала, и некоторые биохимики уже начинают колебаться, есть ли оно вообще, я все же считаю оправданным разделение фосфатных связей на высоко- и низкоэнергетические.
Многие биохимики по привычке разделяют высоко- и низкоэнергетические фосфатные связи графическим обозначением валентной связи в формуле. Низкоэнергетическая связь обозначается обычным образом R — О — (P), а высокоэнергетическая фосфатная связь — волнистой линией. Так, обозначив АТФ за А, можно представить формулу таким образом:
Последние две связи, как видите, — пирофосфатные и высокоэнергетические. Если одну из них разорвать посредством гидролиза, то останется «аденозиндифосфат», или АДФ, формула которого выглядит как А — О — (P) — О — (P). Если разорвать еще одну, то останется «аденозинмонофосфат», или АМФ (он же «адениловая кислота»), формула которого А — О — (P). Теперь осталась только низкоэнергетическая фосфатная связь. Ее тоже можно разорвать с помощью гидролиза, так чтобы остался только аденозин, но энергии при этом третьем по счету гидролизе выделится немного — в два раза меньше, чем в любом из предыдущих случаев.
Помимо иирофосфатной, существуют и другие высокоэнергетические фосфатные связи. Возьмем органическую кислоту в общем случае (общую формулу можно записать так:
где R — любое из бесчисленного множества углеродсодержащих соединений, а СООН — «карбоксильная группа»), с которой мы уже не раз встречались.
Если фосфорная кислота конденсируется с гидроксильной частью карбоксильной группы (как на прилагаемой диаграмме), то в результате получается «ацилфосфат», изображаемый с волнистой связью, чтобы подчеркнуть ее высокую энергию (рис. 47).
Теперь давайте посмотрим, как высокоэнергетическая связь вступает в игру. Для этого вернемся к гликогену. Гликоген, содержащийся в печени и мышцах животных, в подробностях строения не совсем похож на крахмал, хранящийся в «запасниках» растений, но и гликоген, и крахмал формируются из молекул глюкозы, которые конденсируются с выделением при этом воды. Когда крахмал расщепляется в пищеварительном канале, амилазы катализируют процесс гидролиза единиц глюкозы на отдельные молекулы, добавляя воду обратно и разбивают крахмал на все более короткие цепочки, пока не получаются снова отдельные молекулы глюкозы.
И печень, и мышцы тоже должны уметь расщеплять гликоген на отдельные молекулы глюкозы, чтобы поддерживать должный ее уровень в крови. Так что логично предположить, что в тканях тоже работает некий фермент, подобный амилазам, который выполняет сходную работу — катализирует гидролиз.
Для проверки этого предположения необходимо было придумать такой эксперимент, который позволил бы понять, какие именно реакции происходят в живых тканях. Проще всего было бы сделать это, выбрав в качестве живой пробирки какое-нибудь подходящее животное вроде мыши. К сожалению, даже мышь — слишком сложное для такой задачи существо, в ее организме одномоментно проходят тысячи реакций.
Поэтому для упрощения задачи мышь придется убить и взять для исследования крошечные кусочки ее печени и мышц. Если правильно извлечь эти ткани и быстро подвергнуть обследованию, можно застать в образцах ферменты в работоспособном состоянии. Такие образцы помещали в растворы различных химических веществ. Действие ферментов настолько специфично, что если та или иная ткань катализирует определенную реакцию в лабораторных условиях, то вполне вероятно, что и в живом организме она катализирует ту же реакцию.
Рис. 47. АцилфосфатЕсли необходимо ускорить дело, то образец можно растолочь до полужидкой гомогенной кашицы («гомогената»), которую и поместить в субстрат. Тогда не придется ждать, пока субстрат проникнет в клетки—в процессе размешивания все ферменты лишились защиты клеточных мембран, и ничто не мешает им теперь проявлять каталитические свойства.
В гомогенате тоже содержится очень много ферментов, и обычно требуется сократить их число во избежание побочных реакций, которые могут помешать, и для того, чтобы концентрация необходимого фермента оказалась более высокой, чем в живом организме.
Это достигается путем подвергания гомогената условиям, о которых известно, что в них один фермент отделяется от другого. При помещении материала в некоторые растворы одни белки втягиваются в раствор, другие остаются в гомогенате. Отфильтровав после этого смесь, мы получим раствор, в котором содержатся только растворимые белки, «экстракт ткани», или «вытяжка из ткани». Получившуюся вытяжку можно дальше подвергнуть воздействию определенных кислот, ионов или некоторых органических растворов при низких температурах. При каждом из этих действий одни ферменты будут осаждаться, а другие останутся в растворе. Если повезет — можно дойти и до такого этапа, когда в растворе останется вообще только один, нужный, фермент.
Именно в результате длительной работы с вытяжками из ткани чета американских биохимиков чешского происхождения, Карл Кори и Герти Кори, сумели показать, что расщепление гликогена в тканях не имеет ничего общего с гидролизом и не катализируется амилазами.
В 1935 году К. и Г. Кори обнаружили, что если поместить вытяжку из мышц в гликоген, то никакого расщепления происходить не будет, пока в раствор не будет добавлен фосфат-ион. Естественно, первым делом исследователи предположили, что продукт распада должен будет вступить в соединение с фосфат-ионом, стали искать и в конце концов нашли в смеси сахарофосфат (не глюкозу!). В 1937 году они установили, что этот сахарофосфат, получивший к тому времени название «эфир Кори», является «глюкозо-1-фосфатом». (Шесть атомов углерода, входящих в состав глюкозы, имеют, согласно международной договоренности, номера от 1 до 6, и глюкозо-1-фосфат — это молекула, в которой фосфатная группа крепится к атому углерода № 1.)
Так оказалось, что гликоген в организме подвергается не гидролизу, а распаду с использованием фосфорной кислоты. Я поясню, что я имею в виду, на примере прилагаемой диаграммы. Пусть G — глюкоза, тогда гликоген — это цепочка G3, соединенная кислородными связями.
Рис. 48. Фосфоролиз гликогенаДлинная глюкозная цепочка гликогена расщепляется на одиночные молекулы сахара путем добавления наперерез связям элементов фосфорной кислоты. Если бы добавляемые элементы были молекулами воды, то речь шла бы о гидролизе. Раз вместо воды используется фосфорная кислота, то и реакцию эту естественно назвать «фосфоролизом» (рис. 48). Таким образом, гликоген в живых тканях расщепляется на глюкозо-1-фосфаты с помощью фосфоролиза.
Разница между этими двумя типами реакций имеет отношение к свободной энергии. Гидролиз гликогена на глюкозу подразумевает значительное уменьшение уровня свободной энергии, а для того, чтобы подобным же образом снова создать гликоген из глюкозы, потребуется такое же количество энергии приложить на каждое заново формируемое звено связи.
Фосфоролиз же гликогена на глюкозо-1-фосфат подразумевает крайне малое снижение уровня свободной энергии. Гликоген и глюкозо-1-фосфат находится почти на одинаковом энергетическом уровне. Соответственно, реакция фосфоролиза легко обратима, так что при равных концентрациях организм может легко переключаться между расщеплением и построением гликогена, в зависимости от потребностей, поддерживая таким образом необходимую для здоровья гармонию, что уже упоминалось в главе 19.
Однако производство глюкозо-1-фосфата всей полноты проблемы не снимает. Прежде всего, сахарофосфаты по какой-то причине не могут проникать через клеточную мембрану, так что любое соединение, содержащее глюкозо-1-фосфат, будучи созданным в клетке печени, обречено в ней и оставаться, пока не утратит фосфат. Поэтому при пищеварении образуется именно глюкоза, поскольку только она способна преодолеть кишечные мембраны и попасть в клетки тканей — глюкозо-1-фосфат не смог бы. И только глюкоза может присутствовать в крови, поскольку только она, а не глюкозо-1-фосфат, может проникать из крови в клетки и питать их. Поэтому именно глюкозу, а не глюкозо-1-фосфат, клетки печени должны выбрасывать в кровь.
