Энергия клетки: откуда берется и на что тратится

Ежедневно организм человека выполняет огромную работу. Сердце за день перегоняет по нашему телу около 7 тысяч литров крови, колоссальную механическую работу выполняют мышцы нашего тела, десятки литров жидкостей фильтруют почки, огромную невидимую химическую работу проделывает печень, обезвреживая ядовитые и ненужные вещества и заново создавая полезные, необходимые.

Если собрать воедино всю энергию, затрачиваемую нашим организмом ежедневно, то ее хватило бы для того, чтобы вскипятить более десяти ведер воды или перенести около десятка концертных роялей на шпиль Эйфелевой башни. И если бы мы выполняли работу с коэффициентом полезного действия паровых машин или двигателя внутреннего сгорания, то по своему аппетиту не уступали бы легендарному Гаргантюа. Однако всем хорошо известно, что мы удовлетворяемся в жизни значительно более скромными количествами пищи. В чем же дело? Почему организм животных умудряется при сравнительно небольших затратах пищи-топлива производить работу, можно сказать, за семерых? Все дело сводится к поразительной экономности работы живых клеток и тканей, их бережному отношению к каждой расходуемой калории энергии. Приведем некоторые наиболее разительные примеры.

Гениальный немецкий композитор Людвиг Ван Бетховен затратил на создание своей девятой симфонии приблизительно столько же энергии мозга, сколько потратила бы за то же время тусклая 15-ваттная лампочка. Так экономно работает человеческий мозг. Именно благодаря этой же экономности всем хорошо известный светлячок — Иванов червяк — оказывается лучшим светотехником в мире. В теле светлячка растворено особое азотсодержащее вещество — люциферин, что в переводе с латинского языка означает «светонесущий». Химическое строение этого вещества стало известным сравнительно недавно.

Это вещество наделено одной отличительной особенностью: в присутствии особого фермента люциферазы и источника энергии — фосфорсодержащих соединений оно начинает светиться. Химическая энергия фосфорсодержащих соединений переводит один из электронов люциферина на верхний электронный уровень. Электрон этот, подобно метеориту, падающему с неба на землю, сопровождает свое падение с верхнего возбужденного уровня на исходный свечением. В этот световой сигнал вкладывается практически вся энергия, затраченная на подъем. Ничто при этом не теряется. Почти 97 процентов энергии превращается в свет. Вспомните, что самая лучшая электрическая лампочка накаливания превращает в свет всего 7 процентов электрической энергии, а люминесцентная — не более 30 процентов. Вот так невзрачный светляк.

Наконец, мышца маленького моллюска — анодонты (или беззубки, как его называют) — перламутровую внутреннюю створку которого всем, конечно, приходилось видеть на берегах рек и на пляжах, — опережает по коэффициенту полезного действия механической работы атомный двигатель с какого-то ледокола. Ведь запирающая створки мышца этого моллюска работает с коэффициентом полезного действия около 80 процентов.

Это значит, что только двадцать процентов расходуемой мышцей беззубки энергии тратится впустую: вся же остальная энергия превращена в механическую работу. Напомним, что ни одна современная тепловая машина не в состоянии работать с таким высоким коэффициентом полезного действия: к. п. д. паровоза не более 9 процентов, двигателя внутреннего сгорания около 30.

Конечно, примеры эти можно умножать и умножать. Но, ограничившись этими тремя — мозгом, светлячком и мышцей, — зададимся вопросом: что именно, какие механизмы обеспечивают столь высокий коэффициент их полезного действия?

Любая энергетическая система, любое устройство, совершающее ту или иную работу, всегда разделяется на три основных части: источник энергии, передающее устройство и исполняющие механизмы. В соответствии с этим можно выделить три различных, но взаимно связанных процесса: выработка или освобождение энергии, передача ее на расстояние и потребление. В живой клетке существуют свои особые приемы и способы хранения, передачи и переработки энергии.

Один из основных сводится к тому, что клетка всегда сторонится тепловой формы энергии. Она умудряется энергию химических связей непосредственно превращать в механическую энергию в мышце, в электрическую — в нерве и нервной клетке, в работу фильтрации жидкостей в почках и т. д.

Организм человека и животных обходится без обязательного в технике промежуточного превращения химической энергии в тепло, в энергию беспорядочного хаотического движения молекул. А ведь нельзя забывать, что именно этот тепловой этап является ахиллесовой пятой современных двигателей, благодаря чему и растрачивается впустую, на ветер 70—90 процентов энергии.

Это достигается в частности тем, что потенциальная энергия, заключенная в химических связях, переходя на белковые полимеры, из которых состоят мышцы нашего тела, способна быстро изменять их свойства: более компактно упаковывать составные части молекул мышечного волокна. Изменения конфигурации полимеров, образующих наши мышцы, сопровождается потреблением энергии и приводит к укорочению мышц. А укорочение мышцы, то есть ее сокращение, — это и есть совершение механической работы: поднятие гири рукой, движение человека при ходьбе и т. д.

Обеспечивают живую клетку энергией — доступной, всегда пригодной для употребления — сложные фосфорные эфиры. Старинное изречение «без фосфора нет мысли» можно было бы даже расширить: без фосфора нет движения, работы, нет жизни. Дело в том, что фосфор способен образовывать богатые энергией или, как их еще называют, макроэргические связи. Образно говоря, эту химическую связь можно уподобить сильно закрученной часовой пружине. Стоит разрушить эту связь — а она легко и быстро может быть разрушена в нужный момент — как пружина энергично раскручивается и совершает работу.

В одном случае она толкнет соседнюю молекулу с такой силой, что та перелетит через неприступный ранее для нее барьер. В другом, как при сокращении мышц нашего тела, она вызовет натяжение, сокращение расстояний между соседними молекулами. В третьем случае разогнанные молекулы столкнутся друг с другом так сильно, что совершится необходимая химическая реакция.

Таким путем организм человека и животных обходится без обязательного превращения химической энергии в тепло. Одновременно макроэргические связи фосфора являются средством транспортировки энергии по жидкой части клетки. Энергия путешествует в молекулах аденозинтрофосфорной кислоты, как в комфортабельных океанских пароходах. Передвигаясь по воде под влиянием диффузии и внутриклеточных токов жидкости, так сказать океанических течений, молекулы этих веществ доставляют энергию ко всем «уголкам» клетки.

Однако у этого способа передачи энергии на расстояние есть и свой существенный изъян — его медлительность. Жди-пожди, когда-то «приплывет» энергия, необходимая немедленно, сию же секунду. В этих случаях на помощь приходит другой, открытый буквально за последние годы механизм передачи энергии на расстояние — миграция энергии. Этот вид передачи энергии на расстояние в живой материи осуществляется практически мгновенно, при этом энергия переправляется по внутриклеточным образованиям, состоящим из белка.

Совсем недавно ученые узнали, что белок — это полупроводник. Известно, что ракета — искусственный член солнечной системы, созданный руками человека,— не испытывает сопротивления движению при полете в разреженном космическом пространстве и будет обращаться по своей орбите практически вечно, сохраняя в неприкосновенности запас кинетической и потенциальной энергии, полученной ею при запуске. Нечто подобное наблюдается и в молекуле белка.

В белке формируется так называемая зона проводимости, по которой свободные электроны могут двигаться почти беспрепятственно. Образуется она за счет строгого упорядочения в пространстве химических связей, плотно сшивающих между собой составные части белков — аминокислоты.

Белок, состоящий из сшитых концами аминокислот, не просто вытянут в виде цепочки. Если бы он был устроен таким способом, то длина одной его молекулы достигала бы десятых долей миллиметра!

На самом же деле длина белковых молекул не превышает обычно сотых долей микрона, причем любопытно то, что белковые молекулы слона не крупнее подобных молекул блохи или даже микробной клетки. Такое уменьшение длины белковой молекулы обеспечивается ее скручиванием. Белок можно сравнить с плотным клубком из спиральки электрической плитки. Иными словами, молекула белка закручена дважды: один раз в виде спирали, а другой раз уже сама спираль свернута в клубок.

Если бы в наших руках оказался вдруг немыслимо крохотный молоточек, то после удара по молекуле белка он отскочил бы от нее, как от эбонитового шара: такова упругость молекул белка, из которых в основном построены наши глаза, губы, нос, сердце, мозг. Вот эта-то плотная «упаковка» молекул и обеспечивает полупроводниковые свойства белка. В туго закрученной спирали белка происходит пространственное сближение соседних групп атомов СО. Между ними как бы перекидывается водородный мостик, который, если подкинуть на него электрон, позволяет электрону беспрепятственно, без всякого сопротивления перемещаться в пределах всей сложной молекулы белка.

Этот блуждающий общий и одновременно ничей электрон-космополит в состоянии поднимать на свои плечи порцию энергии и, не расходуя ее по дороге, переносить по назначению на большие расстояния. Так осуществляется миграция энергии. От известных в технике полупроводников белок отличается своим крайне капризным характером: его полупроводниковые свойства проявляются только при благоприятных условиях. Нагревание, высушивание, даже действие сильно разведанных щелочей и кислот ослабляет полупроводниковые свойства белков…

При миграции энергия передается отдельными порциями, быстро, без потерь и без непосредственного контакта обменивающихся энергией партнеров, с коэффициентом полезного действия 100 процентов. Выявить способность вещества к миграции энергии помогает свет. Каждое вещество, в том числе и белки, поглощает не весь свет одинаково. Одни лучше поглощают красный свет и вовсе не поглощают синий. Белки бесцветны и поглощают главным образом ультрафиолетовые лучи с длиной волны 280 миллимикрон.

Есть немало веществ, которые обладают интересным свойством: поглотив свет, они могут сами светиться. К числу таких веществ принадлежат и белки. За последние годы стало известно, что белки начинают светиться или, как говорят физики, флуоресцировать, как только на них попадает ультрафиолетовый свет. Только свечение это невидимо глазом, потому что лежит тоже в ультрафиолетовой области спектра. При этом в белке светится только одна составляющая его часть — ароматические аминокислоты. Казалось бы, поэтому, что свет, не поглощаемый ароматическими аминокислотами или поглощаемый ими очень слабо, не должен возбуждать свечения белков.

Но это далеко не так. Свет с длиной волны 240—245 миллимикрон, почти не поглощаемый ароматическими аминокислотами, тем не менее, в состоянии вызвать очень сильную флуоресценцию белка. Это происходит потому, что кванты света поглощаются упоминавшимися уже выше химическими связями между аминокислотами. И тотчас энергия начинает перемещаться, мигрировать по зоне проводимости до тех пор, пока не достигнет способных к флуоресценции ароматических аминокислот. Здесь-то она, наконец, улавливается, и молекула белка все же начинает светиться.

Интенсивность свечения белков под действием излучений этой области спектра оказалась как бы чувствительной индикаторной лампочкой физиологического состояния организма. Только в противоположность обычным сигнальным лампочкам, которые зажигаются при сигнале тревоги, эта лампочка при нарушениях в организме не зажигается, а тухнет.

Профессор С. Н. Брайнес, научный сотрудник Г. Голубева и автор настоящих строк изучали свечение белков крови здоровых людей и больных психическими болезнями. При этом выяснилось, что у больных шизофренией белки крови теряют способность интенсивно светиться под действием света с длинами волн 240—245 миллимикрон. Сильная лампочка гаснет. Белки частично лишаются своих полупроводниковых свойств и становятся неспособными переносить энергию. А энергетическая неполноценность белков может, естественно, привести к серьезным нарушениям физиологических и психических функций организма.

Миграция энергии, по-видимому, очень широко используется живыми организмами. Не только для передачи готовой, но и для выработки нужной формы энергии. Например, в процессах внутриклеточного дыхания — окисления органического «топлива», поступающего из пищи — благодаря миграции как бы нацело «выжимается» вся энергия, заключенная в элементах пищи — углеводах, жирах, белках.

Особо важную роль играет миграция энергии и при процессах фотосинтеза в зеленом листе растения. В этом случае кванты солнечного света, уловленные всеми молекулами хлорофилла, в результате миграции подходят последовательно к тем «избранным» молекулам, которые непосредственно образуют крахмал из воды и углекислоты. Само собой понятно, что без такой системы передачи химической лаборатории зеленого листа пришлось бы простаивать без дела более 23 часов 59 минут в сутки, дожидаясь пока квант света столкнется именно с избранной молекулой. В действительности же благодаря механизму миграции энергии химическое производство в зеленом листе работает бесперебойно, так как питается энергией от тысячи молекул хлорофилла, с какой-нибудь из которых квант света обязательно сталкивается в данный момент.

Таким образом, уже к настоящему времени мы знаем три важнейших приема обращения живых клеток с энергией, которые позволяют им работать с таким поразительным совершенством. Назовем их еще раз: отсутствие тепловой фазы в их деятельности; способность биологической структуры, насыщенной химической энергией, менять свои пространственно-механические свойства; миграция энергии. Именно эти-то механизмы и позволяют столь совершенно светить светлячку, сокращаться мышце, мыслить мозгу…