Молекулярный механизм процессов обмена веществ и энергии
Обмен веществ (метаболизм) — это совокупность изменений и превращений вещества и энергии в организмах, обеспечивающих их рост, развитие, жизнедеятельность, самовоспроизведение и самосохранение. Процесс метаболизма — это непрерывно протекающие реакции потребления и усвоения поступающих веществ,
превращения их в собственное тело организма (ассимиляции), а также противоположные реакции — разрушения некоторых веществ (диссимиляции). Ассимиляция может быть автотрофной (фотосинтез у зеленых растений) и гетеротрофной (пищеварение у животных). При химическом разложении молекул выделяется энергия, скрытая в форме химических связей в исходном соединении, и становится доступной для живой клетки. Примеры диссимиляции — дыхание, брожение. Пищеварение включает в себя процессы расщепления. Реакции между органическими соединениями идут очень медленно. В живой клетке выработались ускорители реакций — ферменты: биологические катализаторы, присутствующие во всех клетках и имеющие белковую природу. Их активность зависит от условий окружающей среды, определенной рН, и отсутствия ингибиторов. Они не изменяются и не расходуются в ходе реакций, как и катализаторы. Огромна их производительность — одна молекула фермента может за 1 мин разложить до 5 млн молекул субстрата — вещества, на которое действует фермент.
Для каждого вида организмов генетически закреплен свой тип обмена веществ, зависящий от условий существования. Его интенсивность и направленность обеспечиваются регуляцией проницаемости биомембран и синтеза и активности ферментов гормонами, координируемыми центральной нервной системой. Ферменты применяют в сельском хозяйстве, пищевой и легкой промышленности, медицине.
Фермент воздействует только на одно изменение; обозначают его путем прибавления к названию субстрата окончания «-аза». Так, фермент, разлагающий сахарозу, — сахароза. Если отмечается активность фермента в определенной реакции (гликолиза, например), его называют сахароза -гидролаза. Ферменты, отщепляющие водород, — дегидрогеназы. Они действуют лишь на свой субстрат — есть дегидрогеназа молочной кислоты, дегидрогеназа янтарной кислоты и пр. Сверхспециализированные ферменты расщепляют только один из двух стереоизомеров, например молочной кислоты — L- и D-формы, которые отличаются направлением вращения плоскости поляризации. Но есть и не столь избирательные ферменты. Например, липазы — ферменты, образующиеся в поджелудочной железе, разлагают почти все жиры на глицерин и жирные кислоты.
Ферменты должны обеспечить узнавание своего субстрата, присоединение к нему и химическое его преобразование. Эти функции выполняют две разные части большой молекулы фермента. Кофермент — это низкомолекулярная часть (витамин или ион металла типа меди и молибдена). Например, многие дегидрогеназы использует одинаковые вещества в качестве коферментов: амид никотиновой кислоты (витамин В) и фосфорную кислоту. У ферментов, отщепляющих С02, коферментом служит тиаминпиро-
фосфат — витамин В1 а у ферментов, отщепляющих аминогруппы (NH2), — витамин В2. Именно коферменты отвечают за специфичность действия. В зависимости от собственного строения они способны химически изменять присоединенный субстрат, это их функция. Другая часть фермента — апофермент. Эта белковая часть выбирает субстрат и соединяет его с коферментом. Апофермент определяет специфичность субстрата. Только при соединении вместе эти две части приобретают ферментальную активность.
Гомеостаз (постоянство внутренней среды организма) обеспечивается метаболизмом. Обмен веществ осуществляется на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях. В живой клетке постоянно происходит непрерывное движение веществ через ее оболочку — мембрану. Значительное количество энергии высвобождается и при фотосинтезе.
Выяснение механизмов превращения энергии в биосистемах — одно из больших достижений науки в XX в. Стало понятно, как солнечная энергия преобразуется в специальных пигментных структурах растений в энергию химических связей, как превращаются вещества в процессах брожения и гликолиза (окисление углеводов без кислорода), как происходит внутриклеточное дыхание — перенос электронов в митохондриях от коферментов к кислороду.
В центре этих превращений в клетке находится АТФ, которая синтезируется из АДФ и Н3Р04 за счет световой энергии или энергии, выделяемой при гликолизе, брожении или дыхании. При гликолизе АТФ выделяется энергия, необходимая для совершения всей работы живого организма — от создания градиентов концентрации ионов и сокращения мышц до синтеза белка. Углеродные остовы для синтеза метаболитов поставляет процесс распада ли-пидов (рис. 11.8).
Открытие этих общих для всех организмов биохимических процессов, осуществленное усилиями исследователей во многих лабораториях мира (в Германии — О.Мейергоф, К.Ломан, Ф.Липман; в СССР — В.А.Энгельгардт, М.Н.Любимова, В.А.Белицер, Я.О.Парнас и др.), стало возможным благодаря применению в биологии идей термодинамики. В. А. Энгельгардт сформулировал принцип механохимических преобразований энергии непосредственно на макромолекулах ферментов. В 1961 г. английский биохимик П. Митчелл выдвинул гипотезу хемиоосмотического сопряжения, обратив внимание на возможность синтеза АТФ за счет энергии электрохимического потенциала (из-за неравновесной концентрации ионов по разные стороны биологических мембран) и прямого электрохимического преобразования энергии.
Обменные процессы в неживой природе характеризуются круговоротом веществ, цикличностью. В круговорот втянуты все геосферы, в них происходят процессы переноса веществ, меняющие их локальную концентрацию. С появлением жиз-
Рис. 11.8. Распад липидов, поставляющий углеродные скелеты для синтеза сахарозы и пр. (часть реакций происходит в глиоксисомах, а часть — в митохондриях и цитоплазме)
ни в обменные процессы, происходящие в неживой природе, стали втягиваться и процессы биосферы, которая представляет единство живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни. В обменных процессах, происходящих в неживой природе, нельзя выделить взаимосвязанных процессов ассимиляции и диссимиляции. Хотя все эти процессы происходят циклически во всех геосферах, они не направлены на цели роста, самосохранения, воспроизводства, адаптации и других характеристик, свойственных живым организмам. Согласно концепции Вернадского, «миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (кислород, углекислый газ, водород и др.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Землю в течение всей геологической истории».
Структурную основу метаболизма обеспечивает клеточный матрице, определяющий пространственное размещение молекулярных компонентов клетки, занятых в процессе жизнедеятельности. Среди клеточных органелл особую роль играют хлоропласты клеток зеленых растений и митохондрии любых организмов. В хлоро-пластах происходит связывание энергии солнечного света в процессе фотосинтеза. В митохондриях же извлекается энергия,
заключенная в химических связях поступающих в клетку питательных веществ.
Функция клеточных органелл — митохондрий — была долгое время неясна. Они на 85 % состоят из воды, как и целые клетки, а их сухое вещество — из белка и липидов. Митохондрии богаты элементарными мембранами, состоящими из бимолекулярной липидной пленки, покрытой с двух сторон белковой пленкой. На внутренней поверхности мембраны упорядочение расположены ферменты, обеспечивающие синтез АТФ. В митохондриях — множество ферментов клеточного дыхания и ферментов синтеза АТФ, много собственных ДНК и РНК, есть рибосомы, поэтому они могут синтезировать белки. Размножаются митохондрии делением пополам.
Энергия, необходимая для биосинтеза, выделяется в процессах диссимиляции. Важнейший субстрат этих процессов — углеводы; для дыхания требуются еще белки и жиры, а для брожения — спирты, органические кислоты и др. Процесс сжигания глюкозы до двуокиси углерода С02 происходит в несколько стадий, чтобы предотвратить его взрывной характер и успеть усвоить выделившуюся энергию. При расщеплении глюкозы энергия выделяется на каждом этапе реакции при участии ряда ферментов: С6Н1206 + 602 -» 6Н20 + 6С02 + 2875 кДж. При этом часть энергии выделяется в виде теплоты, а часть идет на образование АТФ, «энергетической валюты» клетки. И в дыхании, и брожении расщепление глюкозы начинается с анаэробного распада глюкозы с образованием пировиноградной кислоты, АТФ и кофермента НАДФ (никотинамидадениндинуклеотид). Этот процесс называют гликолизом. В процессе брожения при участии ферментов продолжается дальнейшее расщепление веществ в отсутствие кислорода. Распад одной молекулы глюкозы приводит к образованию двух молекул АТФ, в каждой из которых сохраняется в виде химической связи до 40 % энергии. Оставшаяся энергия расщепления рассеивается в виде теплоты. Для организмов типа дрожжей этого было бы достаточно — они только отщепляют углекислый газ от пировиноградной кислоты, присоединяют водород, который имели «в запасе», и получается этиловый спирт. Этот процесс называют спиртовым брожением. При этом приобретается еще молекула фосфата. Гликолиз происходит не в митохондриях, но последующие стадии дыхания клетки без них не обходятся.
Другой вид энергетического обмена — кислородный — называется аэробным (дыханием). Вещества расщепления глюкозы, полученные при гликолизе, в присутствии кислорода расщепляются до воды и углекислого газа. При этом образуется 30 молекул АТФ. Окисление двух молекул НАДФ в электротранспортной сети митохондрий сопряжено с синтезом еще шести молекул АТФ. Итак, в процессе дыхания образуется 36 молекул АТФ, а с уче-
том еще двух, образовавшихся при гликолизе, — 38 молекул АТФ. Энергия молекулы АТФ во внутриклеточных условиях — около 42 кДж/моль, а для 38 молекул — 1600 кДж/моль. Это значит, что КПД процессов равен 55 %.
Пировиноградная кислота расщепляется под действием ферментов до углекислого газа и водорода, а на последней стадии водород окисляется кислородом с образованием воды. Молекулы Н20 и С02 очень бедны энергетически, поэтому энергия, содержавшаяся ранее в пировиноградной кислоте, обнаруживается в богатом энергией химическом соединении — АТФ и частично переходит в теплоту. Образование АТФ — главный результат и «цель» клеточного дыхания (рис. 11.9). Образуется АТФ присоединением к имеющейся в клетке АДФ третьей молекулы фосфорной кислоты (процесс фосфорилирования), и митохондрии поставляют клетке АТФ, используемую в различных процессах, требующих затраты энергии. Поэтому их называют энергетическими фабриками клетки, и мышечные клетки имеют большее
Рис. 11.9. Схема, поясняющая функции процесса дыхания (высвобождение энергии, используемой в процессах метаболизма и образование строительных блоков, из которых в клетке синтезируются другие соединения)
число митохондрий, чем другие. Увеличение числа митохондрий происходит за счет их деления, которому предшествует стадия редупликации ДНК. Они содержат кольцевую молекулу ДНК и способны осуществлять полуавтономный синтез белков. Для аккумуляции химической энергии в клетке природа выбрала одно универсальное соединение — АТФ.
АТФ — это аденозинтрифосфат, нуклеотид, концентрация которого в клетке мала (0,04 %). Молекула АТФ состоит из адени-на, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. При гидролизе остатка фосфорной кислоты выделяется энергия: АТФ + Н20 = = АДФ + Н2Р04 + 40 кДж/моль. Поскольку связь между остатками фосфорной кислоты почти в 4 раза больше, чем при расщеплении других связей, АТФ хранит энергию живого организма. Клетки используют энергию АТФ при производстве теплоты, биосинтезе, движении, в процессе фотосинтеза, проведении нервных импульсов и пр.
Лизосомы выполняют в клетке роль желудка, ферменты — желудочного сока. В них содержится до 30 ферментов, способных расщеплять белки, липиды, нуклеиновые кислоты и др. Лизосомы — пузырьки диаметром около 0,4 мкм, окруженные мембраной. Разрыв их мембраны растворит клетку, так как ферменты очень активны и способны «съесть» ее всю. При голодании они растворяют некоторые органоиды, не убивая саму клетку.