Хлопок одной ладонью - Николай Кукушкин

В бактериально-архейном мире и сейчас есть такие противники кислорода, с чьей точки зрения «кислородный холокост» продолжается до сих пор. Анаэробные микробы прячутся по углам, сидя где-нибудь в песке или в ведре соленых грибов, куда газы извне хуже просачиваются. Но большая часть сегодняшних живых организмов кислорода не боится, потому что умеет дышать.

Красный цвет нашей крови – это цвет гемоглобина, железосодержащего белка, которым забиты красные кровяные клетки. Гемоглобин видно даже сквозь кожу, без него она была бы почти белой. Железо в крови нужно для того, чтобы связывать кислород. Крупные металлы вроде железа обладают особыми свойствами, позволяющими им удерживать другие атомы и молекулы как бы в подвешенном состоянии, – в данном случае в этом силовом поле висит кислород и никого не может укусить, пока его перевозят по организму.

Когда мы вдыхаем воздух, он насыщает кислородом текущий сквозь легкие гемоглобин. Тот разносит его по телу, где кислород отрывается от своего железного сопровождающего и поглощается клетками. Там его всасывает органелла, столь же красная и столь же железная, как и красные кровяные тельца. Она называется митохондрия.

Митохондрия – это то, чем мы, собственно говоря, дышим. Как ни странно, этот процесс очень похож на фотосинтез, а сама митохондрия очень похожа на хлоропласт. Только цвета разные.

Помните, как в фотосинтезе по мембране скакал электрон, выбитый фотоном из возбужденного хлорофилла, а мембранные белки от этого крутились, вертелись и накачивали тилакоиды протонами? Этот процесс можно представить себе как постепенное скатывание мячика по лестнице, с верхней ступеньки к нижней. Выбитый из хлорофилла электрон прыгает с белка на белок, с верхней энергетической ступеньки на нижнюю, и раздает свою энергию – ту, которую в него вложил хлорофилл, изначально получив ее в виде солнечного фотона. Энергия извлекается из электрона именно благодаря процессу его скатывания по лестнице. Сама эта «лестница», состоящая из последовательности мембранных белков и вспомогательных молекул, называется электрон-транспортной цепью.

Так вот, в дыхании работает ровно тот же принцип и очень похожая электрон-транспортная цепь. Это тоже энергетическая лестница, на которой из электрона выжимают энергию. Только в данном случае электроны берутся не из хлорофилла, а из расщепленных питательных веществ. Эти электроны скачут по мембране митохондрии от белка к белку точно так же, как при фотосинтезе электроны скачут по мембране тилакоида. В результате электроны постепенно отдают свою энергию, которая, как и в фотосинтезе, превращается в энергию «накачанного шарика» – только в фотосинтезе накачиваются протонами тилакоиды, а в дыхании – пространство между двумя мембранами митохондрии. В обоих случаях энергия накачанного шарика раскручивает ротор АТФ-синтазы, чеканящей в митохондриях и хлоропластах универсальную энергетическую валюту: АТФ.

В общем, энергетическая лестница, по которой катится электронный мяч, есть в обоих случаях. Вся разница в том, что в фотосинтезе лестница существует потому, что первая ступенька, образно говоря, находится очень высоко: свет, бьющий в хлорофилл, вкладывает энергию в электрон и как бы «подбрасывает» его вверх. В дыхании же лестница существует благодаря тому, что последняя ступенька расположена очень низко. Электроны питательных веществ как бы скатываются в глубокую энергетическую воронку, внизу которой их ждет главный пожиратель электронов – кислород4.

Дыхание – это контролируемое горение. При обычном горении кислород рвет все без разбора и без пощады. В железно– медных объятиях митохондрии он, как лев на цепи, которому выдают мясо по кусочкам. Митохондрия эксплуатирует его деструктивную мощь, чтобы выжать из питательных веществ максимум энергии, разбирая их на электроны и методично сливая их в бездонную глотку кислорода. Тем самым решаются одновременно две проблемы: обезвреживается опасный кислород и добывается куча энергии. Разорванные кислородом цепи углеродных молекул превращаются в воду и углекислый газ, то есть сгорают[8].

В фотосинтезе АТФ производится из солнечной энергии и расходуется на превращение углекислого газа в еду. При дыхании АТФ производится, наоборот, путем превращения еды в углекислый газ, а расходуется на все остальные полезные клеточные процессы. Растения и дышат, и фотосинтезируют, а животные только дышат.

АТФ – это молекула, которая не хочет существовать. То есть, чтобы сделать АТФ, в него нужно вложить энергию, а если АТФ распадается, то энергия при этом выделяется. В принципе, то же самое можно сказать про любое сложное органическое вещество: в сахар или в белок, например, тоже нужно вложить энергию, а при их распаде она выделяется. АТФ отличается от обычной органической молекулы с двух точек зрения. Во-первых, у него есть одна конкретная химическая связь (между вторым и третьим фосфатом), в которую вкладывается очень много энергии, и, соответственно, много энергии выделяется, если эта связь распадается. Во-вторых, чтобы извлечь энергию из органической молекулы, эту молекулу нужно уметь разламывать. В клетке есть отдельные ферменты, которые разламывают сахара или белки, но такая возможность доступна далеко не всем. АТФ же – это такая универсальная молекула, которую умеют разламывать тысячи разных ферментов. Поэтому все питательные вещества сначала разламываются клеткой до предела с производством АТФ, и только потом их энергия пускается на полезные нужды в таком стандартизированном виде.

В общем, АТФ – это молекула, специально предназначенная для энергетических платежей, принимаемая во всех клеточных кассах, у которой даже есть специальная, легко разламываемая и богатая энергией связь. Практически любой клеточный процесс, требующий энергии, протекает в тандеме с распадом АТФ. Хотите доставить сигнал с поверхности в ядро? Произвести целлюлозу для клеточной стенки? Пошевелить мышцей? Вставьте АТФ.