[592x569]
Клетка – это динамичная среда, в которой постоянно происходит образование, распад и восстановление ее компонентов. Каждую долю секунды осуществляется чтение генетического кода, синтезируются десятки тысяч ферментов, а где-то в другом месте протеины и ферменты распадаются. Помимо этого клетки обладают многими сложными системами, необходимыми для их выживания. Среди них можно назвать «транспортировку» внутренних «грузов» из одного места в другое, передачу различных сигналов от центра управления и по направлению к нему, развитие защитных механизмов, репликацию и репарацию ДНК и др. Эти жизненно важные функции требуют наличия тысяч различных ферментов.

Ферментативные реакции, имеющие место в клетке, по большей части являются «энергетически неблагоприятными», это значит, что они требуют затрат энергии. Поэтому данные реакции связаны с распадом молекулы АТФ (аденозинтрифосфата), что обеспечивает необходимое им количество энергии. Молекула АТФ действует в качестве своего рода «энергетической валюты» для всех известных клеток. Удивительно, что многие ферменты могут присоединяться к этой молекуле, отделять фосфат от молекулы АТФ и использовать выход энергии, происходящий в ходе этой химической реакции, для производства силы, движения, напряжения, вращения и других механических свойств для выполнения своих биологических функций.

В этой статье я кратко расскажу как образуется одна молекула АТФ и разъясню читателю характер дарованной клетке способности преобразования энергии, а также другие биологические процессы, происходящие одновременно с этим, что является лучшим доказательством того, что жизнь намного сложнее, чем нечто, появившееся в результате простой случайности.

Молекула АТФ, необходимая клетке, синтезируется из пищи и света. В ходе цепочки реакций, которые происходят в цитоплазме, клетки могут получать 10% энергии, производимой в результате частичного распада сахаров и жиров. Однако жизнь клетки требует значительно большего. Способ получения биологически полезной энергии органеллами, митохондриями и хлоропластами считается наиболее эффективным. Митохондрии, которые имеются практически во всех организмах (животных, грибах, растениях), действуют в качестве «силовых станций», которые используют кислород для полного сжигания сахаров и жиров. Хлоропласты, в свою очередь, характерны только для растительных клеток; они действуют в качестве «солнечных панелей», которые используют энергию света. Это «чистый» способ получения энергии, так сказать, способ, при котором для образования кислорода и АТФ используется углекислый газ (CO2). Таким образом, растения не только производят необходимую им энергию, но также играют важную роль в переработке CO2 в кислород в атмосфере.

Как АТФ образуется в митохондрии? Все начинается с потребления в ходе нашего ежедневного приема пищи сахара и жиров – образований, богатых атомами углерода (С), кислорода (О) и водорода (Н). В их клетках ионы водорода (H+) отделяются, а оставшийся кислород и углерод в ходе ряда химических реакций в митохондрии преобразуются в углекислый газ (рис. 1). Наиболее важно то, что для каждого H+ в ходе этих реакций также образуется один электрон высокой энергии (быстрый электрон). Посредством молекул-носителей ионы H+ вместе с электронами вступают в контакт с цепью транспорта электронов (ЦТЭ), которая является неотъемлемой частью внутренней мембраны митохондрии (рис. 1).

Как показано на рисунке 1, электроны переходят от одного протеина к другому в ЦТЭ посредством тонко настроенного механизма, который до сих пор потрясает научный мир. ЦТЭ комплекс состоит из четырех протеинов (белков), каждый из которых крепко удерживается во внутренней мембране. Каждый протеин имеет большую аффинность к электрону, чем предыдущий, и, таким образом, электроны «плавают» от одного протеина к другому. В конечном счете, электроны переносятся к молекуле кислорода, которая имеет самую большую аффинность к электронам. Это единственное место, где кислород, который мы вдыхаем из воздуха, используется в клетках для сжигания потребленной пищи просто для того, чтобы извлечь электроны из цепи. Более важно то, что в то время как электроны притягиваются одним из компонентов ЦТЭ комплекса, один H+ забирается у молекул-носителей и выпускается в пространство между внутренней и наружной мембранами митохондрии, а электрон, в свою очередь, продолжает свое «путешествие» вдоль ЦТЭ.

Рис. 1. Митохондрия работает в качестве «силовой установки» клетки. Жиры и сахар распадаются в (цитоплазматическом) матриксе и благодаря потоку электронов (е) в цепи транспорта электронов (справа), расположенной во внутренней мембране, H+ выталкиваются в межмембранное пространство. Чрезвычайно неровная структура внутренней мембраны (наличие крист) увеличивает площадь ее поверхности в ходе всего процесса; следовательно, в рамках компактного объема может быть произведено больше энергии. Митохондрия окружена дополнительной наружной мембраной, так что ионы H+ могут концентрироваться в межмембранном пространстве, и их возвращение в матрикс будет использовано для производства энергии.

Кто-то может спросить, какое отношение все это имеет к производству АТФ. До настоящего момента сто ферментов и более двух сотен химических реакций было задействовано для движения через внутреннюю мембрану водородных ионов (H+), полученных из жиров и сахара. АТФ будет образована, когда H+ ионы вернутся в цитоплазматический матрикс митохондрии посредством чрезвычайно продуманного механизма, который мы поясним ниже.

Клеточная «батарея» и как она работает? Перекачивание ионов водорода с одной стороны мембраны митохондрии в другую приводит к изменению потенциальной энергии вдоль поверхности. Во-первых, так как ионы водорода заряжены, то межмембранное пространство становится положительно заряженным, в то время как матрикс заряжен отрицательно. Возникает напряжение вдоль мембраны величиной в 140 милливольт (мВ). Это похоже на то, как во время соединения полюсов батарейки электроны движутся в ней от отрицательно заряженного полюса к положительно заряженному полюсу. Во-вторых, в межмембранном пространстве сконцентрировано в 10 раз большее количество ионов H+, чем в матриксе. Это также способствует их возвращению в матрикс, что основано на том же принципе, который движет людьми, желающими мигрировать из плотно населенных областей в более тихие места, - на принципе равновесия. Разность концентраций добавляет еще 60 мВ к электрическому напряжению, в результате чего чистый потенциал составляет 200 мВ. Если представить, что стандартная типа АА батарейка имеет напряжение в 1.5 В, то если сложить 8 таких мембран в последовательном порядке, их напряжение превысит напряжение стандартной батарейки. Однако ионы H+ не могут свободно двигаться вдоль липидной мембраны, так как мембрана сама по себе не позволяет проходить каким-либо частицам с результирующим зарядом. Для возврата они также не могут воспользоваться протеинами из цепи транспорта электронов. Это обусловлено тем, что они берут протоны только у молекул-носителей, а эти молекулы отсутствуют в межмембранном пространстве. Остается только одна возможность для их возврата, и это – АТФ синтаза, где осуществляется преобразование энергии.

Рис. 2. (Слева) Молекулы АТФ образуются, следуя схожему принципу работы водяных мельниц, которые используют гидравлический потенциал для вращения мельницы (из ‘Stanzino delle Matematiche,’ Галерея Уфицци, Флоренция; издано Министерством культуры Италии). (Справа) Концентрационная разница ионов H+ вдоль липидной мембраны митохондрии, ширина которой составляет 100 нанометров, образует напряжение в 200 мВ, что способствует их возвращению в матрикс. 4 иона H+ проходят по протонному каналу в статоре АТФ синтазы, что приводит к повороту всей машины на 120о. Это движение приводит к конформационному изменению закругленной головки (шляпки) для образования молекулы АТФ.

Как работает протеиновая машина АТФ синтазы? Структура механизма АТФ синтазы уникальна и заслуживает особого внимания. Это мультипротеиновый комплекс с молекулярной массой в 500.000 дальтонов (1 дальтон равен молекулярному весу одного атома водорода). Эта гигантская протеиновая «машина» напоминает гриб, который состоит из шляпки, ротора и статора. Длина шляпки – 10 нанометров, а высота – 8 нм (1 нм равен одной миллиардной метра). Данный размер на самом деле настолько мал, что, несмотря на то, что это один из самых больших известных на сегодняшний день протеиновых комплексов, многие миллиарды этих «машин» необходимы для того, чтобы заполнить булавочную головку. АТФ синтаза удерживается во внутренней мембране ее статором. В центре комплекса есть цилиндрический ротор, который соединяется с закругленной шляпкой и статором. Статор также находится в прямом контракте с областью шляпки через удлиненное ответвление, которое крепко прикрепляет статор к шляпке.

Поразительно то, что внутри ножки существует узкий канал, который позволяет «отчаявшимся» ионам H+ вернуться на родину – в матрикс митохондрии. Действительно, это один из самых поразительных механизмов, которые ученые смогли обнаружить на сегодняшний день, ибо этот канал позволяет проходить только ионам H+ (или протонам). Если вы представите, насколько крохотны эти ионы, то сможете оценить ширину канала. Другие положительно заряженные ионы, например Na+ или K+, немного больше по размерам, а, следовательно, не могут пройти здесь. Дизайн этого удивительного канала все еще представляет собой тайну для ученых. В связи с тем, что энергия является единственной «валютой» для продолжения жизни, а этой валютой в живых организмах является АТФ, то можно сказать, что жизнь всех людей, животных, растений и других организмов нуждаются в протонах, которые проходили бы по этим крохотным каналам.

То, что каждый протон проходит по каналу, стремясь достичь матрикса, приводит к тому, что ротор, который в сотни тысяч раз тяжелее их самих, поворачивается против часовой стрелки на 120о. Следовательно, потенциальная энергия водородных ионов превращается в механическую энергию посредством этой молекулярной машины. То, как действует АТФ синтаза, метафорически напоминает созданные человеком гидравлические машины. Например, старые водяные мельницы, как показано на рисунке 2, используют гидравлическую потенциальную энергию для вращения мельницы. В молекулярной машине напряжение и концентрационный градиент применяется для вращения фермента.

Схожие механизмы используются сегодня в гидротурбинах для превращения энергии воды в электромагнитную энергию путем вращения. В АТФ синтазе каждый субэлемент шляпки может образовывать соединение с АДФ и фосфатом. Однако они не могут быстро и легко соединиться для образования АТФ, потому что такая реакция затруднена. Вращение ножки приводит к структурному изменению поверхности протеина шляпки, что и позволяет осуществление данной реакции для образования энергетической молекулы.

Благодаря именно этому механизму клетки могут производить более 90% своей энергии. Три или четыре иона H+ необходимо для прохождения по каналу для вращения всей «машины». Одна АТФ синтаза осуществляет вращение с удивительной скоростью – 24000 раз в минуту. Принимая во внимание тот факт, что двигатели современных автомобилей могут совершать до 10.000 оборотов в минуту, вращение этой «машины» со скоростью, которая практически в три раза больше, впечатляет! Удивительно то, что в человеческом организме распадается около 100 кг АТФ, что приблизительно равняется 1026 молекул. Таким образом, миллиарды миллиардов АТФ синтаз должны работать без остановки для обеспечения нашего организма необходимой энергией. Они потребляют около 1 кг сахара (или жиров) для энергии, что обычно составляет средний рацион здоровогочеловека в день.

Сложность производства энергии в живых организмах и использование разнообразных ферментов напоминает нам о том, что биологические процессы взаимосвязаны друг с другом. Для того чтобы начать один жизненно важный процесс, клеткам нужно вырабатывать энергию. Энергия запасается в виде АТФ, чьи синтазы требуют ферменты, митохондрии, кислород и потребление органических молекул. Эти ферменты кодируются в генетическом коде, ДНК, мультипротеиновым комплексом, рибосомой. Это, в свою очередь, требует энергии для получении этих ферментов из генетического кода. Цикличность всех приведенных процессов требует наличия всех жизненно важных генов для производства энергии, транскрипции ДНК, трансляции ДНК, деления клетки и т.д. Более того, наличие газов, аминокислот и других необходимых факторов создает парадокс: как жизнь могла самопроизвольно зародиться на Земле. Как нам уже известно, даже самые примитивные живые организмы, например бактерии, имеют 30.000 генов и чрезвычайно сложную структуру, потому что жизнь предъявляет высокие требования. То, как образуется энергетическая молекула, всего лишь является крохотным примером первоочередных жизненных потребностей. Это доказывает то, что невозможно себе представить, чтобы жизнь могла самопроизвольно появиться на Земле вследствие простой случайности.