Энергетический обмен: как клетка добывает АТФ

Энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм) — это ступенчатое окисление органических веществ, при котором высвобождённая энергия запасается в АТФ. Слово ступенчатое здесь главное. Клетка не сжигает глюкозу одним махом: 2800 кДж, выделившиеся разом, просто испепелили бы её. Вместо этого молекула разбирается маленькими шагами, и после каждого шага небольшая порция энергии успевает уйти в АТФ.

Этапов три, и к каждому стоит задавать одни и те же четыре вопроса: где идёт, что на входе, что на выходе, сколько АТФ. Если ответить на них честно, задания 7 и 8 решаются почти механически.

• • Подготовительный — в пищеварительном тракте и в лизосомах; биополимеры распадаются до мономеров; АТФ не образуется.
• • Бескислородный (гликолиз) — в цитоплазме; глюкоза распадается до двух молекул пировиноградной кислоты; 2 АТФ.
• • Кислородный — в митохондрии; ПВК окисляется до CO₂ и H₂O; 36 АТФ.

Итог: 38 АТФ с одной молекулы глюкозы. Дальше разберём каждый этап так, чтобы цифры не приходилось зубрить.

Прежде чем разбирать этапы, стоит узнать, как вообще выяснили, что клетка получает энергию с помощью ферментов, а не какой-то особой силы.

В середине XIX века брожение объяснял Луи Пастер, и объяснял убедительно: он показал, что сахар превращается в спирт только там, где живут дрожжи, а стерильный сироп не бродит никогда. Отсюда Пастер сделал вывод, который казался неизбежным: брожение — это физиологический акт живой клетки, неотделимый от её жизни. «Жизненную силу» он не поминал, но получалось похоже.

Спорил с ним Юстус фон Либих: он считал, что дело в химическом веществе, а не в жизни как таковой. Доказать не мог — вещества никто не выделил.

Развязка наступила в 1897 году и оказалась случайной. Эдуард Бухнер с братом искали способ получить вытяжку из дрожжей для медицинских целей. Дрожжи растёрли с кварцевым песком и отжали под прессом; получился сок, в котором ни одной целой клетки не осталось. Чтобы сок не портился, в него добавили много сахара — так консервировали тогда всё подряд. И сок забродил: пошёл углекислый газ, появился спирт.

Живых клеток не было ни одной, а брожение шло. Значит, работает вещество, которое клетка производит, и работает оно и вне клетки. Бухнер назвал его зимазой; сегодня понятно, что это был целый набор ферментов гликолиза. В 1907 году Бухнеру дали Нобелевскую премию, и биохимия как наука началась именно отсюда.

Почему это важно на экзамене. Все дальнейшие этапы, которые мы разберём, — это цепочки ферментативных реакций, а не таинственные свойства живого. Отсюда и все их особенности: каждая ступень идёт при своей температуре и своём pH, каждую можно отравить ядом, блокирующим конкретный фермент, и каждая протекает в строго определённом месте клетки — там, где сидят нужные ферменты.

Крахмал, белок и жир в клетку не пройдут — они слишком велики и не годятся в дело как есть. Сначала их гидролизуют: полисахариды до моносахаридов, белки до аминокислот, жиры до глицерина и жирных кислот. У многоклеточных это происходит в пищеварительном тракте, внутри клетки — в лизосомах, у одноклеточных — в пищеварительных вакуолях.

Энергия при этом выделяется, но вся рассеивается в виде тепла. Вот это место надо понять, а не запомнить: почему клетка не умеет её поймать?

Потому что запасание энергии в АТФ требует сопряжения: реакция, отдающая энергию, должна идти на том же ферменте, что и реакция фосфорилирования АДФ. У гидролиза полимеров такого сопряжения нет — он просто разрезает связи водой. Порции при этом мелкие и разрозненные, собрать их не во что. Поэтому подготовительный этап не даёт ни одной молекулы АТФ, хотя работа проделана.

Значение этапа другое: он готовит сырьё. Только после него в цитоплазме появляется глюкоза, с которой умеет работать гликолиз. Именно поэтому в заданиях на последовательность подготовительный этап всегда стоит первым: без мономеров дальше идти не с чем.

Гликолиз — цепочка из девяти ферментативных реакций в цитоплазме, превращающая одну шестиуглеродную молекулу глюкозы (C₆H₁₂O₆) в две трёхуглеродные молекулы пировиноградной кислоты (ПВК, C₃H₄O₃). Кислород не нужен — ни на одном шаге.

Названия всех девяти реакций на ЕГЭ не спрашивают, а вот бухгалтерию спрашивают, и она объясняет главную цифру темы.

• • На первых шагах клетка вкладывает 2 молекулы АТФ: глюкозу надо «взвести» — навесить на неё фосфаты, иначе она слишком устойчива и никуда не пойдёт. Это как раскрутить стартёр: чтобы мотор заработал, сначала тратят энергию.
• • На последних шагах образуется 4 молекулы АТФ.
• • Чистый выход: 4 − 2 = 2 АТФ. Вот откуда двойка, которую обычно заучивают без объяснения.

Помимо АТФ снимаются атомы водорода: они переходят на переносчик НАД⁺, который превращается в НАД·Н. Запомните этот момент — от него зависит, что случится дальше.

Суммарное уравнение гликолиза удобно держать в голове целиком:

C₆H₁₂O₆ + 2НАД⁺ + 2АДФ + 2H₃PO₄ → 2C₃H₄O₃ + 2НАД·Н + 2АТФ + 2H₂O

Обратите внимание: углерода было шесть и осталось шесть (два раза по три). На этом этапе углекислый газ ещё не выделяется — частая ошибка. CO₂ появится только в митохондрии.

Вот вопрос, который почти никто не может объяснить, а спрашивают его постоянно: зачем дрожжи превращают пировиноградную кислоту в спирт, а наши мышцы — в молочную кислоту? Ведь на этом превращении не получается ни одной молекулы АТФ. Выглядит как бессмысленная трата.

Чтобы ответить, надо посмотреть на гликолиз внимательнее. В нём есть ступень, на которой от вещества отнимается водород, и забирает этот водород переносчик НАД⁺, превращаясь в НАД·Н. Без этой ступени гликолиз идти не может: она часть цепочки.

А теперь главное: переносчика в клетке мало. Это не расходный материал, а инструмент, который должен возвращаться в исходное состояние, чтобы принять следующую порцию водорода. Пока весь НАД⁺ превращён в НАД·Н, гликолиз стоит.

Как вернуть НАД⁺? Отдать водород кому-нибудь.

- Если есть кислород, водород уходит в митохондрию, там по цепи переносчиков доходит до кислорода и соединяется с ним, образуя воду. Заодно на этом пути получается много АТФ. Проблема решена самым выгодным способом. - Если кислорода нет, отдать водород некому — кроме как обратно, той самой пировиноградной кислоте. У дрожжей она при этом превращается в этиловый спирт с выделением CO₂, у мышц и молочнокислых бактерий — в молочную кислоту.

Теперь ответ очевиден: брожение существует не ради энергии, а ради регенерации НАД⁺. Это не производство, а уборка, без которой производство встанет. АТФ при брожении даёт только гликолиз — две молекулы, — а само брожение не даёт ничего.

Следствия, которые спрашивают.

• • Почему при беге на короткую дистанцию мышцы «горят» и потом болят: кислорода не хватает, копится молочная кислота, pH снижается. После нагрузки она частично окисляется, частично уносится кровью в печень — отсюда учащённое дыхание ещё долго после финиша, кислородный долг.
• • Почему в тесте появляются дырочки, а в вине — нет: и то и другое спиртовое брожение дрожжей, просто в тесте нужен углекислый газ (спирт испаряется при выпечке), а в вине — спирт (газ уходит).
• • Почему анаэробы проигрывают в энергии, но выигрывают в среде: на одной глюкозе они берут в восемнадцать раз меньше, зато живут там, где кислорода нет вовсе, — в иле, в кишечнике, в консервной банке.

Если кислорода нет, ПВК в митохондрию не пойдёт. Но почему клетка тогда превращает её в молочную кислоту или в спирт — то есть в вещество, из которого энергии уже не извлечь? Это выглядит расточительно, и в этом весь смысл вопроса.

Причина — в НАД·Н. Запас НАД⁺ в клетке ограничен, и в гликолизе он весь переходит в восстановленную форму НАД·Н. Как только свободного НАД⁺ не останется, гликолиз встанет: снимать водород будет некуда. При наличии кислорода проблемы нет — водород уходит в дыхательную цепь, и НАД⁺ освобождается. Без кислорода клетке нужен другой способ сбросить водород, и она сбрасывает его на саму ПВК.

- Молочнокислое брожение: ПВК + водород → молочная кислота (C₃H₆O₃). Идёт у молочнокислых бактерий и в мышцах человека при нехватке кислорода. - Спиртовое брожение: ПВК → этиловый спирт (C₂H₅OH) + CO₂. Идёт у дрожжей; на нём держатся хлебопечение (пузырьки CO₂ поднимают тесто) и виноделие.

То есть брожение — не способ добыть ещё энергии, а способ не остановить гликолиз. Энергетический итог остаётся прежним: 2 АТФ, в девятнадцать раз меньше, чем при дыхании.

Отсюда и знакомое каждому ощущение. При быстром беге кровь не успевает приносить мышце кислород, гликолиз переходит на молочнокислый путь, лактат накапливается — мышца закисляется и болит. После нагрузки человек продолжает часто дышать: организм добирает кислород, чтобы окислить накопленную молочную кислоту. Это и называют кислородным долгом.

ПВК из цитоплазмы входит в митохондрию. Дальше — два разных по смыслу процесса, и путать их нельзя.

1. Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот) — в матриксе. Сначала ПВК теряет молекулу CO₂ и превращается в двухуглеродный остаток, соединённый с переносчиком (ацетил-кофермент А). Затем этот остаток вступает в кольцо реакций, открытое Хансом Кребсом в 1937 году. За оборот цикла происходит две вещи: углерод окончательно уходит в виде CO₂ (тот самый, что мы выдыхаем), а атомы водорода снимаются на переносчики НАД⁺ и ФАД. Прямо в цикле образуется всего пара молекул АТФ — цикл ценен не этим, а тем, что он поставляет водород.

2. Дыхательная цепь (окислительное фосфорилирование) — на кристах. Внутренняя мембрана митохондрии несёт цепочку белков-переносчиков. Электроны, снятые с водорода, идут по этой цепочке, как по лестнице вниз, отдавая энергию порциями на каждой ступени. Эта энергия используется, чтобы перекачивать протоны (H⁺) из матрикса наружу, в межмембранное пространство. Снаружи их накапливается больше, чем внутри, — возникает градиент, то есть запас энергии, похожий на воду, поднятую в плотину.

Протоны возвращаются обратно единственной доступной дорогой — через фермент АТФ-синтазу, встроенный в мембрану. Поток протоков вращает её подвижную часть, и на каждом обороте собирается АТФ из АДФ и фосфата. Именно здесь получается основная масса АТФ.

Где здесь кислород? В самом конце. Он принимает отработанные электроны и протоны, превращаясь в воду. Кислород не «сжигает» глюкозу и не участвует в цикле Кребса — он конечный акцептор, крайний в очереди. Но без него очередь встаёт вся: электронам некуда деваться, цепь забивается, синтез АТФ прекращается. По этой же причине смертелен цианид — он блокирует один из переносчиков цепи, и клетка задыхается при полном изобилии кислорода вокруг.

Теперь понятно и строение митохондрии: кристы — складки внутренней мембраны, и чем их больше, тем больше места для дыхательных цепей. Поэтому в клетках сердечной мышцы, которая работает без остановки, крист особенно много, а в малоактивных клетках — мало.

Суммарное уравнение кислородного этапа:

2C₃H₄O₃ + 6O₂ + 36АДФ + 36H₃PO₄ → 6CO₂ + 6H₂O + 36АТФ

В школьном изложении кислородный этап звучит так: «водород идёт по цепи переносчиков, и получается 36 молекул АТФ». Откуда именно они берутся — обычно пропускают. Между тем механизм здесь настолько необычный, что за него дали Нобелевскую премию, а до того четверть века не верили.

К 1950-м годам биохимики знали: АТФ в митохондрии образуется при переносе водорода на кислород, но ни один фермент, который делал бы это напрямую, не находился. Искали «химическое промежуточное соединение» — вещество, от которого фосфат переходил бы на АДФ. Не нашли ни разу.

В 1961 году англичанин Питер Митчелл предложил объяснение, которое коллегам показалось диким: никакого промежуточного вещества нет, а энергия хранится в виде разности концентраций протонов по разные стороны мембраны. Гипотезу назвали хемиосмотической. Митчелла почти не слушали; он ушёл из университета и продолжал работу в собственной лаборатории, устроенной в перестроенной усадьбе. Доказательства накапливались, и в 1978 году он получил Нобелевскую премию.

Разберём по шагам — именно так и просят объяснить в развёрнутом ответе.

1) Водород, снятый с веществ в ходе гликолиза и цикла Кребса, переносчики доставляют на внутреннюю мембрану митохондрии, густо собранную в складки — кристы. Их обилие и есть та самая «большая поверхность», ради которой кристы существуют.

2) По цепи белков-переносчиков электроны переходят от одного к другому, и на каждом переходе часть энергии тратится на то, чтобы выкачать протоны из матрикса в межмембранное пространство. Мембрана для протонов непроницаема, и снаружи их накапливается больше, чем внутри: возникает градиент, своего рода заряженный конденсатор.

3) Вернуться протоны могут только в одном месте — через встроенный в мембрану фермент АТФ-синтазу. Это настоящая молекулярная турбина: поток протонов вращает её подвижную часть, а вращение механически сближает АДФ и фосфат и сшивает их в АТФ.

4) В самом конце цепи электроны и протоны принимает кислород, образуя воду. Вот единственная, но незаменимая роль кислорода в дыхании: он конечный акцептор. Если его нет, цепь забивается, протоны перестают выкачиваться, турбина останавливается.

• • Яды дыхания (цианид, угарный газ) блокируют последний участок цепи. Кислород в крови остаётся, но принять электроны некому — и человек задыхается при полных лёгких воздуха.
• • Есть вещества, которые делают мембрану проницаемой для протонов. Тогда градиент стекает мимо турбины, АТФ не образуется, а вся энергия уходит теплом. Именно так, вполне естественно, работает бурый жир у новорождённых и зимоспящих животных: это орган, специально созданный греть, а не запасать.
• • Число 36 (или 38 — считают по-разному) — не константа природы, а оценка: сколько протонов удастся перекачать и сколько уйдёт мимо, зависит от состояния клетки. На экзамене пользуются школьным значением, но понимать его условность полезно.

В задании 8 дают перемешанные процессы и просят расставить их по порядку. Угадывать тут нечего, но и помнить порядок наизусть не требуется — его можно вывести по двум признакам.

Признак первый: место действия. Маршрут вещества в клетке всегда один и тот же: вне клетки или лизосома → цитоплазма → матрикс митохондрии → кристы. Обратного хода нет. Поэтому, увидев в вариантах «расщепление полимеров», «образование ПВК», «цикл Кребса» и «перенос электронов», вы уже знаете их порядок, даже не вникая в химию.

Признак второй: что чем питается. Каждый следующий этап работает на продуктах предыдущего. Гликолизу нужна глюкоза — значит, подготовительный этап раньше. Циклу Кребса нужна ПВК — значит, гликолиз раньше. Дыхательной цепи нужен водород, снятый в цикле Кребса, — значит, цикл раньше цепи. Два последних пункта чаще всего и меняют местами в неверных ответах.

Типовая ловушка. В список иногда вставляют «выведение углекислого газа из клетки». Его место — после цикла Кребса, потому что раньше CO₂ просто неоткуда взяться: при гликолизе углерод никуда не уходит, оба трёхуглеродных осколка остаются целыми.

Вторая ловушка — «затрата АТФ». Она стоит в начале гликолиза, а не в конце: клетка сначала вкладывает две молекулы и лишь потом получает четыре.