Книга: От атомов к древу. Введение в современную науку о жизни

Дыхательная цепь

Дыхательная цепь

Итак, молекула глюкозы, с которой мы начали разговор о дыхании, наконец-то полностью распалась. И произошло это в ходе цикла лимонной кислоты. Давайте посмотрим на главные особенности этого процесса.

Во-первых, он идет в матриксе митохондрий (то есть в замкнутом пространстве, ограниченном внутренней мембраной митохондрии), и только там.

Во-вторых, он не требует молекулярного кислорода (O₂).

В-третьих, он хотя и сопровождается синтезом АТФ, но в очень малом количестве (всего одна молекула на каждый оборот цикла).

Главный продукт цикла лимонной кислоты — восстановленные формы свободных кофакторов. «Восстановленные» в данном случае, конечно, значит «нагруженные водородом». Кофакторов с такой функцией, фигурирующих на выходе из цикла лимонной кислоты, существует два. Первый из них — это уже хорошо знакомый нам НАД⁺. Со вторым же мы еще не сталкивались. Не будем вникать в его молекулярную структуру, а ограничимся названием, благо оно красивое: флавинадениндинуклеотид, сокращенно ФАД. Химический предшественник ФАД хорошо известен медикам как водорастворимый витамин B2. Молекула ФАД может присоединить к себе два атома водорода, перейдя в восстановленную форму, а может и отдать их обратно:

ФАД + 2H ? ФAДH²

В грубом приближении (которого мы и будем тут придерживаться) можно вообще игнорировать ФАД и свести весь «окислительно-восстановительный сюжет» к обороту НАД, вклад которого все равно существенно больше. Если говорить точно, в результате каждого оборота цикла лимонной кислоты восстанавливаются три молекулы НАД⁺ и одна молекула ФАД. Легко сосчитать, что вместе они поглощают восемь атомов водорода.

Проблема в том, что никакой механизм регенерации этих кофакторов в цикле лимонной кислоты не предусмотрен. А это должно означать, что использовать их можно только один раз. Дальше они нагружаются водородом и в рамках самого цикла лимонной кислоты разгружены быть не могут. Что же с ними делать?

Вот тут-то и начинается самое интересное. Но чтобы оценить, насколько это интересно, нужно (в который уже раз) небольшое вступление.

Начать тут лучше всего с немецкого биохимика Эдуарда Бухнера. В 1880-х годах, когда Бухнер начинал работать, химики и биологи вовсю спорили о природе брожения. Имело место противостояние двух мнений. Одни ученые были уверены, что брожение есть физиологический акт, неотделимый от живой материи по самой своей природе, и воспроизвести его вне живой клетки принципиально невозможно. Другие же считали, что брожение — это чисто химический процесс, требующий, конечно, определенных катализаторов, но потенциально вполне способный протекать и без всяких клеток, в любом растворе, где эти катализаторы есть. Обе точки зрения имели своих яростных защитников, и спор растянулся на несколько десятилетий. В 1897 году Бухнеру удалось наконец-то однозначно решить эту проблему. Он превратил клетки дрожжей в бесклеточный экстракт, растерев их в ступке с песком, и показал, что если добавить этот экстракт в раствор сахара, то там произойдет брожение, абсолютно идентичное естественному (в данном случае это было спиртовое брожение, конечными продуктами которого являются углекислый газ и этиловый спирт). Между прочим, это отличный пример того, как биолог вынужденно разрушает живое тело, превращая его в неживое, чтобы выяснить действующие там механизмы, а потом мысленно воссоздать живой объект, уже понимая, как он устроен. Такая аналитическая наука, как биохимия, основана на этом подходе практически целиком[104]. А историю современной биохимии часто отсчитывают именно от работы Бухнера, экспериментально доказавшего, что брожение — это обычный химический процесс, в котором ферменты играют роль катализаторов[105].

Сам Бухнер сразу понял огромное значение своего открытия. Зная высочайшую требовательность немецких химиков (как-никак лучших в то время в мире), он потратил еще месяц на тщательное проведение повторных опытов и только потом опубликовал сообщение о них. И оно произвело сенсацию. Теперь Бухнеру была обеспечена блестящая профессорская карьера, а в 1907 году он получил одну из первых Нобелевских премий по химии. К сожалению, жизнь Бухнера оказалась не слишком долгой из-за того, что он, как и многие другие немецкие интеллектуалы кайзеровской эпохи, был настроен довольно милитаристски. В момент начала Первой мировой войны ему было уже 54 года, но он все равно вступил в армию, где через некоторое время получил Железный крест и чин майора. В 1917 году он погиб от ранения на второстепенном и, по сути, не нужном никому из участников этой войны Румынском фронте.

Почему все это для нас важно? А вот почему. После открытия Бухнера у биохимиков сложилось стойкое убеждение, что живая клетка — это в общем-то просто мешок с ферментами. В 1901 году австриец Франц Хофмейстер, известный исследователь белков, выступил с четким предсказанием: для любой жизненно важной химической реакции должен найтись специфический внутриклеточный фермент. Буквально за считаные годы эта позиция стала общепринятой. Теперь для посвященных клетка выглядела не таинственным вместилищем жизни, а просто неким объемом с раствором, где идут реакции, вызываемые набором довольно сложных, но вполне поддающихся обычному химическому исследованию белковых катализаторов (то есть ферментов). И это, конечно, была правда. Но вот беда — не вся.

Дело тут вот в чем. И гликолиз, и брожение, и цикл лимонной кислоты — это цепочки химических реакций, идущих в однородной (гомогенной) жидкой среде, в которой ферменты просто растворены. Вопрос о направлении такой реакции в пространстве не только не имеет ответа, но и вообще лишен смысла (как и для подавляющего большинства реакций, изучаемых «обычной» химией). А вот дальше нам придется иметь дело с реакциями, организация которых в пространстве имеет важнейшее значение, потому что в них происходят строго направленные переходы молекул между разными фазами. Среду, где идут такие реакции, уже невозможно рассматривать как простой мешок с раствором ферментов. Это система с внутренней структурой, где есть направления, границы, поверхности раздела. И первым, кто это понял, был гениальный Питер Митчелл. Однако давайте обо всем по порядку.

Согласно общепринятому определению, фаза — это часть объема системы, однородная по составу и свойствам и отделенная от других частей той же системы поверхностью раздела. Последнее очень важно. Там, где никакой поверхности раздела нет, говорить о разных фазах нельзя. Например, если растворить в воде поваренную соль, получится система, не разделенная на фазы (обычный раствор). Но если насыпать в воду столько соли, чтобы она начала выпадать в осадок, то получится уже система с двумя фазами — жидкой (раствор) и твердой (кристаллы соли). Еще более простой пример системы c жидкой и твердой фазами — обычная вода, в которой плавают куски льда.

Система с двумя жидкими фазами тоже вполне возможна. Например, вода и бензол не растворяются друг в друге, потому что бензол — ярко выраженное гидрофобное вещество (см. главы 1 и 2). Если попытаться их смешать, в сосуде образуется два слоя: сверху бензол (он легче), снизу вода. И между ними будет четкая поверхность раздела.

Давно известно, что и клеточную мембрану можно в неплохом приближении рассматривать как гидрофобную жидкость, зажатую в очень тонком слое. И таким образом, на арене, где происходит дыхание (то есть внутри митохондрии), мы видим систему из трех жидких либо полужидких фаз: (1) матрикс, (2) внутренняя мембрана митохондрии и (3) межмембранное пространство. Первая и третья из этих фаз — гидрофильные, а вот вторая — гидрофобная. И она тут никак не менее важна, чем остальные две. Мы уже видели, что есть специальные кофакторы, способные работать только в гидрофобных условиях, то есть внутри мембраны: например, убихинон, который нерастворим в воде, зато хорошо растворяется в «жирных» средах. Но главное, прямо в мембране находится несколько ферментов-оксидоредуктаз, называемых вместе дыхательной цепью. И эти ферменты могут не только присоединять к себе остатки атомов водорода (то есть электроны), но и передавать их друг другу по цепочке — потому они так и названы.

Ферменты дыхательной цепи сами по себе очень интересны. Они были открыты еще в XIX веке и активно изучаются биохимиками до сих пор. Это огромные белки со сложнейшей четвертичной структурой, дрейфующие в фосфолипидном море мембраны, подобно айсбергам, верхушки которых высовываются наружу — в водную фазу. Каждый фермент дыхательной цепи обязательно связан со своим кофактором, который, собственно, и захватывает электроны (это может быть упоминавшийся выше гем, но могут быть и другие кофакторы, которые мы не обсуждали, потому что «нельзя объять необъятное»). Поскольку мембрана по своим физическим свойствам близка к жидкости, ферменты и кофакторы могут в ней перемещаться, сталкиваясь друг с другом и передавая электроны по цепи. Причем один из этапов этого переноса электронов внутри мембраны осуществляет даже не белок, а гораздо более простой свободный кофактор — уже знакомый нам убихинон.

Ну а теперь вернемся к тому, что происходит дальше с конечными продуктами цикла лимонной кислоты.

Главный из этих продуктов — конечно, НАДH. Напомним, что это восстановленный вариант НАД⁺, присоединивший к себе два электрона (e^?) и один протон (H⁺). При наличии желания и возможности молекулу НАДH можно разложить на составные части:

НАДH ? НАД⁺ + H⁺ + 2e^?

Именно это разложение ферменты дыхательной цепи и осуществляют. Молекуле НАДH, плавающей в матриксе, нужно только приблизиться к мембране, чтобы соответствующий фермент дыхательной цепи (он называется комплексом I) отобрал у нее оба электрона. А пройдя всю цепь, электроны доходят до комплекса IV, который тут же захватывает молекулярный кислород — только сейчас он наконец-то понадобился! — и объединяет его с электронами и протонами (последних, как мы знаем, всегда хватает в окружающем растворе). В результате два электрона, один атом кислорода и два протона монтируются в молекулу воды:

?O₂ + 2H⁺ + 2e^? ? H₂O

Теперь глюкоза «сгорела» окончательно — до углекислого газа и воды. Процесс дыхания завершен.

А заодно произошла регенерация НАД⁺. Его теперь можно заново использовать в цикле лимонной кислоты или в любых других реакциях, в каких только захочется. Мы видим, что в данном случае именно кислород забрал у восстановленного НАДH атомы водорода, которыми тот был нагружен. Вот зачем, собственно, и нужен кислород при дыхании: чтобы послужить окислителем, отбирающим электроны у НАДH. Суммарное уравнение этого процесса выглядит так:

НАДH + H⁺ + ?O₂ ? НАД⁺ + H₂O

Справа у нас тут восстановленный НАДH (с протоном) и кислород, а слева — окисленный НАД⁺ и вода. Таким образом, мы имеем полное формальное право сказать, что НАДH окисляется кислородом. Хотя физически молекула НАДH вообще не взаимодействует с молекулой O₂: они разделены целой цепочкой ферментов, передающих электроны.

Осталось выяснить, каким же, собственно говоря, способом организм получает при этом энергию. Ведь к моменту окончания цикла лимонной кислоты молекул АТФ у нас пока еще мало, в несколько раз меньше, чем могло бы синтезироваться за счет полного сгорания глюкозы, если исходить из свободной энергии этого процесса. Чтобы понять, откуда в дыхательной цепи берется энергия, нужно обратить внимание на обмен протонов.