Вот этим вопросом мы сейчас и займемся.
Правда, еще одно замечание. Энергия в клетке генерируется за счет окисления. Что это такое? Мы знаем, что одним из самых сильных окислителей в природе (если не считать фтора) является кислород, и окисление вещества – это его соединение с кислородом. Но это не всегда так, а иногда и совсем не так. Для окисления кислород нужен не всегда. Например, есть организмы (их называют анаэробными), для которых кислород – смертельный яд, но окисление в их клетках, тем не менее, происходит. Так вот, как известно, все вещества состоят из атомов, а атомы из ядер, вокруг которых обращаются электроны. Нас сейчас не будут интересовать подробности, но ядро заряжено положительно, а электрон несет элементарный отрицательный заряд. Окисление атома или молекулы происходит, когда он или они отдают электроны. Таким образом, вещество, теряющее электрон, окисляется, а вещество, электрон приобретающее – восстанавливается.
Следовательно, окисление и восстановление могут происходить и в отсутствие кислорода. Больше того, одна часть органической молекулы может, при определенных условиях восстановить сама себя – то есть одна часть окисляется, отдавая электрон другой части.
Теперь, вооружившись теоретически, можем переходить к рассмотрению первого этапа энергетических преобразований глюкозы – к гликолизу.
Итак, глюкоза проникает в клетку, где ее тотчас атакует фермент гексокиназа. Происходит это в цитозоле, то есть в цитоплазме клетки – не в ядре, и не в митохондрии. (Названия биохимических субстратов запоминать, естественно, не надо. Надо лишь понять суть происходящего). Этот фермент катализирует фосфорилирование глюкозы – она присоединяет остаток фосфорной кислоты, на что расходуется одна молекула АТФ с образованием глюкозо-6-фосфата. (Это название говорит лишь о том, что фосфат присоединяется к 6 атому глюкозы). Глюкоза – это спирт, содержащий альдегидную группу, но есть еще кетоспирт – фруктоза, являющийся изомером глюкозы. Оба сахара довольно легко превращаются друг в друга. Так вот, следующим этапом глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат. После этого по ходу гликолиза происходит расходование еще одной молекулы АТФ (как мы видим, пока энергия только расходуется, но не создается). В результате еще одного фосфорилирования образуется фруктозо-1,6-дифосфат: фосфатные группы присоединились к обоим концам молекулы.
После этого, под воздействием специфического фермента происходит расщепление фруктозо-1,6-дифосфата на две фосфорилированных трехуглеродных молекулы – на дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Первое из этих соединений легко переходит во второе, и именно оно участвует в дальнейших реакциях гликолиза.
Еще на минутку отвлечемся. В клетке присутствует особое вещество – никотинамидадениндинуклеотид, или, сокращенно НАД. Это соединение способно присоединять, переносить и отдавать протоны и электроны, то есть служит окислителем и восстановителем.
Так вот, глицеральдегид-3-фосфат взаимодействует с НАД, окисляется до фосфоглицериновой кислоты, и присоединяет неорганический фосфат с образованием 1,3-бифосфорной кислоты. Одновременно образуется НАДH + Н+. Вот теперь, наконец, происходит то, ради чего все, собственно, и затевалось. 1,3-бифосфоглицериновая кислота отдает фосфат АДФ с образованием 1 молекулы АТФ. Из молекулы глюкозы образовалось две молекулы 1,3-бифосфорной кислоты, и, значит, мы получили в ходе гликолиза уже 2 молекулы АТФ. Счет сравнялся. Дальше происходит еще несколько реакций, распространяться о которых не будем за недостатком места и, чтобы не загромождать изложение. В их результате образуется очень активное и богатое энергией вещество – фосфоенолпируват. Это соединение отдает фосфорильную группу АДФ с образованием еще одной молекулы АТФ и пировиноградной кислоты. Учитывая, что из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы фосфоенолпирувата, мы имеем еще две молекулы АТФ. Побеждаем с преимуществом в два очка. То есть, как выяснилось, окисление может быть эффективным даже в отсутствие кислорода.
Что же происходит дальше? Дальше происходит самое интересное. Все, кто занимался спортом, слышали, что есть в клетках молочная кислота, которая накапливается в крови при интенсивной физической нагрузке. Начало этому накоплению полагается здесь, в исходе гликолиза. Дело в том, что при наличии кислорода пировиноградная кислота поступает в цикл трикарбоновых кислот (об этом мы еще поговорим), а, если кислорода недостаточно, то цикл этот оказывается блокированным, и природа идет по другому пути: с использованием НАДН + Н+ пировиноградная кислота восстанавливается в молочную кислоту с образованием НАД. Если снабжение кислородом восстанавливается, то молочная кислота окисляется в пировинградную кислоту и запускается цепь реакций цикла трикарбоновых кислот (цикл Кребса).
Именно поэтому в интенсивно работающей мышце, когда ей приходится работать в анаэробных условиях, активируется путь гликолиза с повышенным образованием молочной кислоты. (Продвинутые тренеры не зря контролируют допустимость нагрузок по уровню молочной кислоты в крови).
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
Дальнейшие события энергетического обмена клетки перемещаются в митохондрию, клеточную органеллу, которая и существует для того, чтобы продуцировать энергию в больших количествах, используя для этого кислород. Правда, до кислорода еще далеко. К его участию в обмене надо подготовиться, и такой подготовкой является цикл трикарбоновых кислот. Название трудное, но, если его растолковать, то оно уже не покажется таким сложным.
Кислота – это соединение, которое в растворе высвобождает протон (Н+), то есть положительно заряженный ион атома водорода. Чем больше в растворе таких протонов, тем сильнее кислота.
Кислоты могут быть органическими и неорганическими. В цикле Кребса участвуют только органические кислоты, похожие на уксусную кислоту. Она имеет простое строение, СН3-СООН. Кислотность определяется карбоксильной группой (СООН), которая высвобождает в раствор протон (ион водорода). Если в органической кислоте одна карбоксильная группа, то кислота называется монокарбоновой (однокарбоновой), если их две, то дикарбоновой (двухкарбоновой), а, если карбоксильных групп три, то кислота, соответственно, называется трикарбоновой. В ходе цикла первой образуется трикарбоновая лимонная кислота, и, поэтому, еще одно название этого основополагающего энергетического цикла – цикл лимонной кислоты.
Ключевым соединением цикла лимонной кислоты является вещество, называемое ацетилкоэнзимом А (сокращенно обозначается ацетил-СоА). Это соединение является конечным продуктом окисления углеводов, жиров и белков, и представляет собой эфир уксусной кислоты и коэнзима А. Откуда оно берется при окислении глюкозы? Оказалось, что оно образуется после окисления пировиноградной кислоты – продукта реакций гликолиза (см. предыдущий раздел), а сам коэнзим А представляет собой пантотеновую кислоту или витамин В5. Отметим этот первый витамин в цепях получения энергии.
Надо помнить, что витамины – это необходимые компоненты жизненно важных реакций, без которых невозможна жизнь. Витамины, кроме того, не синтезируются организмом человека, и их надо получать извне. Значит, их все же надо употреблять (либо в овощах и фруктах, либо в таблетках).
Кроме того, в митохондрии (в ее матриксе, во внутреннем отсеке) есть небольшое количество еще одного соединения – щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетата). При соединении щавелевоуксусной кислоты (дикарбоновой кислоты) с ацетил-СоА (фактически с монокарбоновой уксусной кислотой) образуется трикарбоновая лимонная кислота.
Возникает вопрос: зачем организму такие сложности?
Ответ представляется неожиданно простым. Организм никогда не придумывает ничего кардинально нового, если нужны какие-то дополнительные функции. Новое пристраивается к хорошо известному старому. Когда обмен был анаэробным, клетка обходилась гликолизом. Когда потребность в энергии возросла, к нему были пристроены другие реакции, цепь которых была замкнута в круг, что позволяет тоньше регулировать процесс (многозвенный процесс, как это ни парадоксально, можно регулировать тоньше, так как есть возможность воздействовать на каждое звено по отдельности). Когда же в митохондриях появился кислород, то к циклу лимонной кислоты организм пристроил дыхательную цепь (о ней мы поговорим ниже).
Итак, что происходит в цикле лимонной кислоты?
Образованная в ходе гликолиза пировиноградная кислота окисляется, высвобождая углекислый газ, превращается в уксусную кислоту и присоединяется к коэнзиму А, и в результате получается ацетил-СоА, который соединяется с щавелевоуксусной кислотой, образуя лимонную кислоту. В этой реакции происходит восстановление НАД, который связывается с протонами и электронами. Запомним это, НАД нам еще понадобится.
