Клетки и энергия. Часть вторая.
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Живая клетка — величайший эконом: она-то знает цену калориям и без нужды не потратит даже кванта энергии. Если б люди знали, как бережливо, по крупицам собирает она эти драгоценные кванты, как труден, многоступенчат процесс накопления энергии! Я не стану подробно рассказывать вам о хозяйственных хлопотах клетки, они слишком долги и кропотливы. Но секрет ее энергетических сбережений раскрою, уж очень умело она пользуется накопленным богатством.
Клетка не ждет. Мгновенно, по первому требованию получает она запрошенные калории. И тут же пускает их в дело: энергия каскадом низвергается на ее молекулярные механизмы. Все это происходит так быстро, словно в недрах живой машины упрятан еще и аккумулятор или бачок с горючим.
А там всего-навсего молекула. Но какая! Подвижная, полная энергии, готовая щедро наделить ею всех встречных — словом, чудо-молекула. В ней три атома фосфора, до отказа «заряженные» электричеством. На этих атомах, как на трех китах, покоится вся энергетика клетки. Связанные воедино в молекуле аденозинтрифосфорной кислоты, они служат тем аккумулятором, что готов в любую секунду отдать накопленный заряд.
Таких заряженных молекул в клетке великое множество. Вместе они и составляют энергетический запас, которым она покрывает расходы по отоплению, путешествиям, выпуску белка — по всем статьям своего обширного хозяйства. И как бы клетка ни тратилась, ее запасники, в конце концов, пополнятся новыми калориями: отдав энергию, молекула-аккумулятор тут же перезаряжается, копит запал для очередного взрыва. Клетка просигналила — и снова поток энергии устремляется к ее конвейерам, ферментам, мигом сокращает мышцу, гонит по нерву импульс…
Неисчерпаем, кажется, кладезь живой энергии. Но нет, и чудо-молекулам нужно где-то добывать ее, искать постоянный источник для перезарядки. Кто же снабжает всю громаду клеток, где организм держит основной энергетический капитал и, наконец, как его разменивает?
Говорят, природа проста. Надо бы добавить: и чертовски изобретательна. Клетки-труженицы все до единой живут на централизованном снабжении. Горючее течет к ним непрерывным потоком. Именно течет; главный поставщик энергии здесь — обыкновенный сахар — глюкоза. И приносит ее кровь. Вот вам и весь капитал. Просто, не правда ли?
Но не спешите: чтобы расщепить горючее, извлечь из него энергию, клетка должна здорово поработать. Целый набор ферментов трудится около ее топок, окисляя, дотла сжигая добытую глюкозу. От сахара остается один шлак, да несколько заряженных чудо-молекул. Клетка прямо горит на работе. Горит и не сгорает: слишком холоден пламень в ее топках, слишком медленно сжигают они это жидкое топливо. И в том большой смысл: постепенно распадаясь, глюкоза отдает свои калории не сразу, а дробными порциями. Клетка успевает подхватить их и законсервировать в новых чудо-молекулах. Так идет непрерывная перезарядка ее аккумуляторов.
Все эти процессы настолько отработаны, пригнаны друг к другу, что даже самая трудовая — мышечная клетка может некоторое время работать в долг. И еще как работать!
Когда хромой лорд Байрон плыл бурной ночью через Геллеспонт, он вряд ли подозревал, какую сложную, истинно двойную бухгалтерию вела его атлетическая мускулатура. Ведь за весь этот адский мышечный труд нужно было тут же расплачиваться энергией, а запас ее не так уж велик. В самих мускулах горючего на несколько секунд такой работы. Большой склад топлива в печени, здесь прямо-таки сахарные горы, но ведь их еще надо пережечь, разменять этот неподвижный капитал на ходовую энергетическую монету. Чем же мышцы пловца расплачивались за его подвиг?
Жгли, разумеется, вовсю запасы глюкозы. Мобилизованная во всех частях тела, она пылала в мышечной топке. Но кислород! Где запастись им на такой костер? Ведь легкие не надувной мяч. Рассчитанные на мерный ход жизни, они поставляют кислород в обрез на самое неспешное сжигание топлива.
Выходит, горючего рядом с клетками хоть отбавляй, да воздуха маловато, нечем дышать. А пловец все-таки борется с волной, пылает в его мышцах глюкоза, наперекор всему пылает. Мускульные топки работают на полную мощь. Загруженные доверху, они бесперебойно снабжают атлета энергией.
Непостижимая бухгалтерия: расход горючего все время больше, прихода, а баланс, общий итог сходится копейка в копейку. Как тут природа сводит концы с концами? Ведь не станет она нарушать собственные законы!
Верно: не станет. Но в том-то и дело, что у нее есть другие возможности. С первой минуты заплыва мускулатура пловца перешла на двойной счет: энергией за каждый взмах он расплачивался сразу, а глюкозу жег в кредит, без кислорода. Не всю, конечно, а ту, что осталась без кислородного пайка. И чем тренированнее мышцы пловца, выносливее сердце, тем дольше терпят они нарастающее удушье.
Но вот он на берегу, и организм тут же предъявляет ему счет: долги, особенно кислородные, нужно оплачивать сполна. Сердце и легкие принимают всю тяжесть на себя, они по-прежнему работают с огромной отдачей. А мышцы, хоть уже на покое, тоже не гасят топки: здесь в пламени кислорода догорают обломки глюкозы — шлак, засоряющий молекулярные механизмы мускула.
И вот что интересно: догорая, этот утиль дает энергию для постройки новых молекул глюкозы. Организм использует горючее, можно сказать, на все сто процентов! Погашая кислородную задолженность, он жжет в своих топках настоящий мусор и при этом умудряется извлечь калории, снова наращивает энергетический потенциал.
Вот это и есть экономика жизни. Тут до последнего атома, электрона — все взято на учет, работает в согласии с остальными деталями этой поразительно рентабельной машины. Неспроста, надо думать, клетка навела в своих владениях столь строгий порядок. Без него она не только двинуться — вздохнуть не смогла бы, ведь дыхание жизни — метафора, за которой скрыты очень сложные отношения каждой капельки живой плоти с кислородом. Управляют ими самые непоседливые из всех жителей клетки — ферменты.
Эти беспокойные молекулы служат здесь чем-то вроде местной администрации, вмешиваются решительно во все внутриклеточные события. Идет ли синтез белка, защищается ли клетка от вируса, прибыл ли в нее какой-нибудь желанный гость, скажем, витамин или гормон — им до всего есть дело. Ни одна реакция, ни одна молекула не обойдется без их посредничества. И уж, конечно, ферменты — самые активные участники топливных заготовок клетки. На их плечах, можно сказать, держится вся ее энергетика. Таким доверием у природы пользуются лишь известные трудолюбы. Нет ничего удивительного, что ферменты-истопники, как и все молекулярное население клетки, работают на редкость дружно.
Без суеты, не путаясь в чужих реакциях, они занимают отведенное место и, словно по конвейеру, пускают первую молекулу горючего, за ней следует другая, третья, десятая. А в это время рядом, на другой конвейерной линии идет обработка кислорода, где-то невдалеке ферменты окружили чудо-молекулу, складывают в нее энергию, отнятую у глюкозы…
Тысячи конвейеров работают в каждой клетке, десятки тысяч ферментов посредничают здесь между разными молекулами. То рвут их на части, то вновь собирают обломки, тут же строят разные кислоты, соли… Так постоянно, изо дня в день крутится эта молекулярная мельница, перемалывая сахар на калории, выбрасывая в отход воду и углекислоту.
Предельно закончен энергетический цикл жизни. И на редкость загадочен. Ведь сколь бы ни была клетка богата ферментами, чудо-молекулами, какой бы силы заряд они ни несли, трудно понять, как все это доходит до ее рабочих деталей, каким образом поток энергии приводит в движение живую машину, управляет самой жизнью. Почему, скажем, заряженная молекула, распадаясь, теряя всего один атом, вдруг электризует нерв, гонит по нему импульс? И как мышца, приняв нервный сигнал, умудряется столь быстро, прямо по мановению ока выполнить приказ? Я ловлю себя на мысли, что мановение оком и есть тот нередкий случай, когда мускул должен мгновенно, в доли секунды мобилизовать свои ресурсы.
Ферменты хоть и расторопны, такую скорость развить не в силах. Тут, видно, действуют другие, сверхскоростные переносчики энергии. О них немного погодя в нашей следующей статье.
Продолжение следует.
Автор: А. Шварц.