Метаболизм: два потока одного обмена

Начнём с вопроса, который в учебниках обычно пропускают: почему клетка не может один раз собраться и дальше просто существовать? Ведь кристалл соли не ест, не дышит и лежит тысячелетиями.

Отличие в том, что клетка — открытая система, и её порядок держится не прочностью, а постоянным обновлением. Любая сложная молекула рано или поздно разрушается: белок теряет форму, мембранный липид окисляется, ДНК получает повреждение. Самопроизвольно сложное превращается в простое, а не наоборот. Значит, чтобы оставаться собой, клетка обязана непрерывно строить себя заново — а строительство требует и вещества, и энергии.

Отсюда следует простая мысль, из которой вырастает вся тема: обмен веществ — это не «одна из функций» клетки наравне с другими. Это условие её существования. Остановите обмен на несколько минут — и клетка не «замрёт», а необратимо разрушится. Именно поэтому нейрон погибает через минуты без кислорода: у него нет запаса АТФ, которого хватило бы переждать.

Метаболизм (обмен веществ) — совокупность всех химических превращений в клетке. Их тысячи, но все они делятся на два встречных потока: одни молекулы собирают, другие разбирают. Собирают — это пластический обмен, разбирают — энергетический. Дальше весь разговор будет про то, как эти два потока сцеплены друг с другом.

Слова «обмен веществ» звучат абстрактно, пока не увидишь, как их взвешивали.

1614. Санторио и кресло-весы. Итальянский врач Санторио Санторио подвесил к коромыслу весов кресло и прожил в нём, с перерывами, около тридцати лет. Он взвешивал себя, всё съеденное и выпитое и всё, что выходило из организма. Сходилось плохо: масса выделений всегда оказывалась меньше массы съеденного, и разница была огромной. Санторио назвал недостачу «неощутимым испарением» и заключил, что человек непрерывно теряет вещество незаметно для себя. Он не знал ни про углекислый газ, ни про водяной пар выдоха, но первым в истории превратил жизнь тела в числа — и тем создал науку об обмене веществ.

1783. Лавуазье, Лаплас и ледяной калориметр. Антуан Лавуазье вместе с Пьером Симоном Лапласом построили прибор, который сегодня назвали бы калориметром: сосуд внутри оболочки, набитой льдом. Всё, что внутри прибора греет, растапливает лёд, а по количеству вытекшей воды считают выделенное тепло. В прибор посадили морскую свинку. Животное дышало, лёд таял, талую воду собрали и измерили. Затем сожгли в таком же приборе древесный уголь так, чтобы получить столько же углекислого газа, сколько выдохнула свинка, — и тепла получилось примерно столько же.

Вывод Лавуазье звучал дерзко: дыхание есть медленное горение. Не особая «жизненная теплота», а обычное окисление, только растянутое во времени и идущее внутри тела. Позже он добавил знаменитую мысль: организм подобен лампе, в которой горит масло, — только масло здесь пища, а фитиль — сам живой организм.

Что из этого следует для нас. Во-первых, законы сохранения вещества и энергии в живом действуют без исключений: сколько вещества вошло, столько и выйдет — в теле, в выделениях, в выдохе. Во-вторых, энергия еды и энергия дыхания — одно и то же, и потому калорийность пищи можно измерить, попросту сжигая её в калориметре. В-третьих, отсюда понятно, зачем клетке весь дальнейший сложный механизм: сжечь глюкозу в пламени умеет и спичка, а клетке нужно вынуть ту же энергию по частям и без огня, при 37 градусах. Об этом и весь модуль.

Казалось бы, всё просто: разобрали глюкозу — выделилась энергия — потратили её на сборку белка. Но напрямую так не получается, и понять почему важнее, чем заучить определения.

При полном окислении одного моля глюкозы выделяется около 2800 кДж. А на присоединение одной аминокислоты к растущему белку нужно в десятки раз меньше. Передать энергию «целиком» — всё равно что расплатиться за проезд слитком золота: и не разменять, и большая часть пропадёт. Вдобавок распад глюкозы и сборка белка идут в разных местах клетки и в разное время: гликолиз — в цитоплазме и в митохондрии, синтез белка — на рибосоме.

Решение, которое нашла жизнь, — универсальный посредник. Энергия распада запасается в молекулах АТФ небольшими одинаковыми порциями, АТФ расходится по клетке, и любая реакция синтеза берёт ровно столько порций, сколько ей нужно. Поэтому АТФ и называют энергетической валютой клетки: валюта тем и удобна, что её принимают все и она делится на мелкие единицы.

Посчитаем, насколько это выгодно. Полное окисление глюкозы даёт 38 молекул АТФ; если принять школьное значение 40 кДж на макроэргическую связь, в АТФ уходит примерно 38 × 40 = 1520 кДж из 2800 — около половины. Остальное рассеивается теплом. Половина — это очень много: КПД бензинового двигателя ниже, а ведь мотору не нужно при этом оставаться живым. И заметьте, что «потерянное» тепло тоже не пропадает зря: именно им теплокровные животные держат постоянную температуру тела.

Вот это сцепление и имеют в виду, когда говорят, что ассимиляция и диссимиляция неразрывны. Прекратился распад — нечем платить за синтез; прекратился синтез — нечего будет разбирать и не из чего строить ферменты для самого распада.

Главный вопрос энергетики клетки формулируется так: почему в клетке идут реакции, которые сами по себе идти не должны?

Синтез — это сборка сложного из простого: из аминокислот белок, из глюкозы крахмал, из нуклеотидов ДНК. Самопроизвольно вещества в такие постройки не складываются, как кирпичи сами не складываются в стену. Каждая такая реакция требует вложения энергии.

Клетка решает задачу приёмом, который называют сопряжением реакций. Невыгодную реакцию она «пристёгивает» к выгодной, и они идут как одна. Выгодная — это гидролиз АТФ. Покажем на самом простом примере, как это выглядит.

Чтобы присоединить к глюкозе фосфат, энергия нужна — сама по себе реакция не пойдёт. Но фермент делает не две операции подряд, а одну: он отрывает фосфат прямо от АТФ и тут же сажает его на глюкозу. Промежуточного «свободного фосфата» не возникает вовсе, энергия не успевает рассеяться теплом. Суммарно процесс выгоден — и потому идёт.

Это и есть ответ на вопрос, зачем нужен посредник. Сжечь глюкозу можно и без всякой АТФ, но тогда энергия уйдёт теплом, и построить на ней ничего не удастся. АТФ позволяет передать энергию от разрушения к постройке, не растеряв её по дороге.

Второй посредник, о котором забывают. Кроме энергии, при синтезе нужны электроны и водород: восстановленные вещества, вроде жиров, богаче водородом, чем окисленные. Переносят их другие молекулы — НАД и НАДФ. В энергетическом обмене НАД забирает водород у окисляемого вещества и превращается в НАД·Н; в фотосинтезе, наоборот, НАДФ·Н отдаёт водород, восстанавливая углекислый газ до углевода. Поэтому правильный ответ на вопрос «что связывает пластический и энергетический обмен» — не одна АТФ, а АТФ и переносчики водорода.

И главный вывод, который проверяют. Пластический и энергетический обмен нельзя вести по отдельности, как нельзя отдельно тратить и отдельно зарабатывать. Энергетический обмен даёт АТФ и НАД·Н, пластический их расходует; ферменты, необходимые энергетическому обмену, сами построены пластическим. Останови одну сторону — через минуты встанет и вторая.

АТФ — аденозинтрифосфорная кислота. Разберём её на три части, и станет видно, что это старая знакомая.

• • Аденин — азотистое основание, то самое, что стоит в ДНК и РНК.
• • Рибоза — пятиуглеродный сахар, как в РНК.
• • Три остатка фосфорной кислоты, соединённые цепочкой.

Аденин плюс рибоза плюс один фосфат — это обычный нуклеотид РНК. То есть АТФ — это адениловый нуклеотид, к которому пристроены ещё два фосфата. Отсюда, кстати, следует то, о чём часто забывают: АТФ может прямо использоваться как строительный материал при синтезе РНК, и в задании про сходство АТФ с нуклеиновыми кислотами это ключ.

Теперь главное — откуда берётся энергия. Формулировку «в макроэргической связи запасена энергия» стоит понимать буквально с осторожностью: энергия не лежит внутри связи, как вода в бочке. Три фосфатных остатка несут одноимённые отрицательные заряды и стоят вплотную друг к другу, отталкиваясь. Молекула находится в напряжённом состоянии. Когда концевой фосфат отщепляется, напряжение снимается, а продукты — АДФ и фосфат — оказываются устойчивее исходной молекулы. Разница в устойчивости и выделяется как полезная энергия, около 40 кДж/моль:

АТФ + H₂O → АДФ + H₃PO₄ + 40 кДж

Отщепление второго фосфата (АДФ → АМФ) даёт примерно столько же. А вот третья связь, между рибозой и первым фосфатом, обычная: её разрыв даёт около 13 кДж, и макроэргической её не называют. Поэтому в тесте вариант «связь между рибозой и фосфатом» — ловушка.

Процесс обратим: АДФ + H₃PO₄ + энергия → АТФ + H₂O. Эту реакцию называют фосфорилированием. Запас АТФ в клетке крошечный — его хватило бы на секунды работы, поэтому молекулы АТФ не хранятся, а непрерывно пересобираются: распались, отдали энергию, снова собрались за счёт дыхания.

Сожгите сахар в ложке — он загорится только после того, как его подожгут. Та же глюкоза в клетке окисляется до тех же CO₂ и H₂O, но при 37 °C и без всякого пламени. Как?

Любой реакции нужно преодолеть энергетический барьер — энергию активации. В пробирке её сообщают нагревом. Клетка идёт другим путём: она понижает сам барьер с помощью ферментов. Фермент — белок-катализатор; он не даёт энергию, он делает дорогу короче.

Механизм такой. У фермента есть активный центр — углубление, форма и заряды которого подходят к молекуле субстрата, как ключ к замку (точнее — как перчатка к руке: центр слегка подстраивается). Субстрат садится в активный центр, связи в нём натягиваются и ослабевают, и превращение идёт при обычной температуре. Продукт уходит, фермент остаётся прежним и берётся за следующую молекулу — один фермент успевает обработать тысячи субстратов в секунду.

Из белковой природы ферментов следуют три свойства, которые спрашивают на экзамене:

• • Специфичность. Каждый фермент работает с одним веществом или узкой группой похожих. Амилаза расщепляет крахмал и не тронет белок.
• • Зависимость от температуры. До оптимума скорость растёт, после — резко падает: белок денатурирует, активный центр теряет форму. Поэтому при высокой лихорадке человеку плохо не «от жары», а от того, что ферменты перестают работать.
• • Зависимость от pH. У каждого фермента свой оптимум: пепсин желудка работает в сильнокислой среде (pH около 1,5–2), трипсин поджелудочной железы — в слабощелочной среде кишечника. Перенесите пепсин в кишечник — он остановится.

Многим ферментам нужен небелковый помощник — кофермент; ими часто служат витамины и ионы металлов. Это объясняет, почему нехватка витамина бьёт по обмену веществ целиком: без кофермента стоит целая группа реакций.

Окисление глюкозы записывают одним уравнением, и от этого кажется, будто в клетке происходит одно событие. На деле путь от глюкозы до углекислого газа и воды — это несколько десятков последовательных реакций, и у каждой свой фермент. Зачем такая сложность?

Причина первая: порции. Полное окисление моля глюкозы даёт около 2800 кДж. Выделись эта энергия разом, клетка просто сгорела бы: белки денатурировали бы от местного перегрева. Длинная цепочка дробит выделение на десятки маленьких шагов, и на каждом отбирается ровно столько, сколько помещается в АТФ.

Причина вторая: управляемость. Цепочку из сорока ферментов можно регулировать, подкручивая любое звено: ускорить, замедлить, перекрыть. Одноступенчатый процесс либо идёт, либо нет. Именно поэтому клетка способна менять скорость дыхания в разы в зависимости от нагрузки.

Причина третья: ветвление. Промежуточные вещества цепочки — это не отходы, а сырьё для синтеза. С середины пути можно свернуть и построить аминокислоту или жирную кислоту; из пировиноградной кислоты получается и спирт, и молочная кислота, и материал для аминокислот. Обмен веществ поэтому не труба, а развязка: пластический и энергетический обмен пользуются одними и теми же перекрёстками.

Запомните формулировку: клетка не сжигает вещества, а разбирает их по ступеням, снимая энергию понемногу и оставляя себе полезные детали.

Организмы делят не по тому, «что они едят», а по двум независимым вопросам: откуда берётся углерод и откуда берётся энергия. Если держать эти вопросы врозь, классификация перестаёт путаться.

Автотрофы строят органику из неорганических веществ — из углекислого газа. Среди них два лагеря:

- Фотоавтотрофы берут энергию света: растения, водоросли, цианобактерии. - Хемоавтотрофы берут энергию окисления неорганических веществ. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак, серобактерии — сероводород, железобактерии — соединения железа. Хемосинтез открыл С. Н. Виноградский в 1887 году, и это единственный известный способ жить совсем без света — им держатся сообщества глубоководных источников.

Гетеротрофы получают углерод из готовой органики: животные, грибы, большинство бактерий. По способу добычи их делят на сапротрофов (питаются мёртвыми остатками — гриб, гнилостные бактерии), паразитов (за счёт живого хозяина — аскарида, повилика) и организмов, заглатывающих пищу целиком.

Миксотрофы умеют и то и другое. Классический пример — эвглена зелёная: на свету она фотосинтезирует, в темноте всасывает органику из воды. Её и приводят как довод против жёсткой границы между растениями и животными.

Главная ловушка темы. Автотроф — это про питание, а не про дыхание. Растение днём фотосинтезирует, но дышит оно круглосуточно, и в митохондриях его клеток идёт тот же кислородный этап, что и у животных. Утверждение «растения не дышат, а только фотосинтезируют» на экзамене всегда неверно.

Есть вопрос, который на первый взгляд кажется философским, а на деле встречается в заданиях на объяснение: как живое ухитряется быть таким упорядоченным, если природа стремится к беспорядку?

Второе начало термодинамики утверждает, что в замкнутой системе беспорядок (энтропия) может только расти. Дом разрушается, лужа высыхает, тепло переходит от горячего к холодному, и никогда наоборот. Между тем организм строит из простых веществ сложнейшие молекулы, поддерживает постоянную температуру и состав, а из одной клетки вырастает многоклеточное тело. Похоже на нарушение закона.

Разгадка в слове замкнутая. Живой организм — система открытая: через него непрерывно идёт поток вещества и энергии. Он принимает вещества с низкой энтропией (сложную упорядоченную пищу или энергию солнечного света), а отдаёт вещества с высокой (углекислый газ, воду, мочевину) и тепло. Беспорядок в мире при этом растёт — просто растёт он снаружи, а внутри организма поддерживается порядок. Как только поток прекращается, порядок рушится немедленно: именно это и происходит при смерти.

Эту мысль отчётливее всех сформулировал физик Эрвин Шрёдингер в книге «Что такое жизнь?» (1944): организм, писал он, живёт тем, что извлекает из среды упорядоченность. Книга оказалась важной вдвойне: в ней же Шрёдингер рассуждал о наследственном веществе как об «апериодическом кристалле» — молекуле, в которой звенья не повторяются однообразно и потому способны нести запись. Эту книгу читали и Уотсон, и Крик, и она повернула к биологии целое поколение физиков.

Что отсюда следует практически. Обмен веществ невозможно «поставить на паузу»: он идёт непрерывно, и большая часть съеденного тратится не на рост, а на поддержание порядка — на работу насосов, на обновление белков, на теплоту. Вот почему взрослый человек, который не растёт и не набирает вес, всё равно должен есть каждый день. И вот почему любой организм, лишённый притока энергии, разрушается: не потому, что кто-то его разрушает, а потому, что поддерживать порядок стало нечем.

Задание 7 — выбор трёх верных утверждений из шести, 2 первичных балла (одна ошибка — 1 балл, две — 0). Разбирать его наугад дорого, поэтому держите порядок действий.

Шаг 1. Определите, о какой стороне обмена идёт речь. Ключ — судьба АТФ. Если в утверждении АТФ тратится, перед вами пластический обмен; если образуется — энергетический. Этот признак работает даже там, где название процесса вам незнакомо.

Шаг 2. Проверьте место действия. Гликолиз — цитоплазма. Цикл Кребса — матрикс митохондрии. Дыхательная цепь и синтез АТФ — внутренняя мембрана, кристы. Световая фаза фотосинтеза — мембраны тилакоидов, темновая — строма хлоропласта. Синтез белка — рибосома. Половина неверных вариантов ломается именно на месте.

Шаг 3. Проверьте вещество на входе и на выходе. Гликолиз: глюкоза → 2 молекулы ПВК. Кислородный этап: ПВК → CO₂ и H₂O. Фотосинтез: CO₂ и H₂O → глюкоза и O₂. Если в варианте на входе кислородного этапа стоит глюкоза — вариант неверен, глюкозу разобрали ещё в цитоплазме.

Шаг 4. Отсекайте слова «только», «все», «никогда». Утверждения вроде «идёт у всех бактерий» почти всегда ложны: у анаэробов кислородного этапа нет, митохондрий у прокариот нет вовсе.

Три ловушки, на которых теряют балл.

• • Фотосинтез относят к пластическому обмену, хотя в световой фазе АТФ образуется. Причина: эта АТФ тут же тратится в темновой фазе на сборку глюкозы, наружу энергия не выходит. Итог процесса — синтез, значит, ассимиляция.
• • Ассимиляция и анаболизм — одно и то же, как и диссимиляция с катаболизмом. Разные слова для тех же двух потоков; в вариантах их специально перемешивают.
• • Брожение — это энергетический обмен, хотя органика при нём не сгорает до конца. Считается направление: вещество распадается, АТФ образуется (правда, всего 2 молекулы).