Все статьи из цикла "В чем прелесть предмета" ‌‌
Другие статьи из цикла "В чем прелесть биологии":‌‌
  Биологические часы и их часовщики‌‌
  Биология эгоизма‌‌
  Секреты микоризы
  Наркотики в нашей жизни
  Ось "кишечник-мозг"

Жизнь начинается с ее элементарной единицы – клетки. Взаимодействие клеток дает начало тканям, те объединяются в функциональные органы, а органы – в систему органов. Несмотря на большое разнообразие и сложность организации, всем живым организмам свойственны семь основных признаков: размножение и дыхание, рост и развитие, движение и раздражимость, питание и выделение продуктов метаболизма. Если смотреть с точки зрения физики, все это, будь то питание или движение, является не чем иным, как полезной работой. Вспомнив, что для выполнения полезной работы необходима энергия, вы можете задаться вопросом: откуда и как появляется энергия в живых организмах?

Как упоминалось в статье Зачем учить физхимию, закон сохранения энергии гласит, что энергия из ниоткуда не возникает и никуда не исчезает, а лишь превращается из одной формы в другую. Точно так же и в живом организме энергия появляется за счет окисления органических веществ в клетке и преобразования выделившейся энергии в энергетическую валюту АТФ, которой клетка может "расплатиться" за выполнение полезной работы.

Удивительная биология способна показать, как именно появляется АТФ на уровне мельчайших молекул и атомов от начала до самого конца. Давайте же проследим путь небольшой молекулы глюкозы с момента попадания в ротовую полость до конечной станции – преобразования в химическую энергию. А поможет нам простой ломтик хлеба!

Первый этап – пищеварение

Что есть в начале?
Ломтик хлеба, состоящий из таких макромолекул, как углеводы, жиры и белки, которые попадают в ротовую полость.

Что получается в конце?
Аминокислоты, моносахариды, например глюкоза, и жирные кислоты поступают в кровеносную систему.

Какие процессы протекают на данном этапе?
Все этапы пищеварения характеризуются механической и химической обработкой. Давайте рассмотрим их по отдельности.

Механическая обработка: ломтик хлеба попадает в ротовую полость, где он смачивается слюной, образуя небольшие комки пищи. Эти комки проталкиваются в пищевод, а из пищевода они попадают в желудок.

Химическая обработка: на своем пути в желудок кусочки пищи претерпевают некоторые изменения. Еще в ротовой полости крахмал в составе хлеба расщепляется до мальтозы – низкомолекулярного углевода. Далее в желудке фермент пепсин и соляная кислота расщепляют белки в составе хлеба до коротких пептидов и аминокислот в желудке. Из желудка пища попадает в двенадцатиперстную кишку, где жиры, белки и углеводы окончательно расщепляются до низкомолекулярных веществ (аминокислот, жирных кислот и глюкозы), которые затем всасываются в кровь через множество тончайших ворсинок тонкой кишки. По току крови эти вещества поступают в пункт назначения – клетки, где и используются для получения энергии.

Так как в нормальных условиях организм человека использует глюкозу в качестве единственного энергоносителя, предлагаем сфокусироваться именно на ее метаболизме.

Второй этап – транспорт в клетку

Что есть в начале этапа?
Молекулы глюкозы, находящиеся в кровеносной системе.

Что получается в конце?
Молекулы глюкозы перемещаются внутрь клеток.

Может показаться странным выделять в отдельный этап транспорт глюкозы из кровеносной системы в клетку. Но не спешите с выводами, давайте вспомним о строении клетки!

На рисунке ниже показано строение эукариотической клетки. Клетка состоит из органелл, погруженных в цитоплазму. Цитоплазма – это жидкость с растворенными в ней минеральными и органическими веществами. Клетка окружена плазматической мембраной, которая представляет собой билипидный слой со встроенными в нее углеводами и белками. Для крупных полярных молекул вроде глюкозы мембрана непроницаема, поэтому для попадания глюкозы в клетку необходим дополнительный канал внутри мембраны.

Как глюкозе попасть в клетку?

Обзор механизма:
На поверхности мембраны клеток есть специальный канал, по которому глюкоза проходит внутрь. В обычном состоянии этот канал закрыт, для его открытия необходим “ключ” в виде гормона, который свяжется с этим каналом.

Детали механизма:
Инсулин – гормон, отвечающий за утилизацию глюкозы. Именно он связывается с рецептором на поверхности клетки, что приводит к каскаду различных реакций, в результате которых специальные мешочки транспортируются к мембране и встраиваются в нее. Этими мешочками являются GLUT-\(4\) запасающие везикулы (GSV), которые затем высвобождают каналы необходимые для транспорта глюкозы в клетку. Собственно так глюкоза и оказалась в клетке.

Третий этап – гликолиз

Что есть в начале этапа?
Молекулы глюкозы, находящиеся внутри клетки.

Что получается в конце?
Две молекулы пирувата, две молекулы АТФ (ATP) и две молекулы NADH.

Какие процессы протекают на данном этапе?

Краткий обзор:
Молекула глюкозы, состоящая из \(6\) атомов углерода, распадается на две молекулы пирувата, содержащих \(3\) атома углерода. В ходе реакции расходуются \(2\) молекулы АТФ, а образуется \(4\). В итоге суммарный энергетический баланс клетки повышается на две молекулы АТФ, а в качестве важного побочного продукта образуются две молекулы NADH.

Детальный обзор:
Гликолиз – это анаэробный процесс и первый этап клеточного дыхания. Оказавшись в цитоплазме клетки, шестиуглеродная глюкоза распадается до двух трехуглеродных молекул пировиноградной кислоты (пируват). На этом этапе впервые выделяется энергия в виде \(2\) молекул АТP, а также \(2\) молекул NADH.

Если в клетках живых организмов присутствовал бы только фермент, специфично катализирующий превращение глюкозы сразу в пируват за одну реакцию, все было бы именно так просто, как показано на схеме выше. Но так как такого волшебного фермента в клетке нет, то это превращение на самом деле состоит из \(10\) отдельных реакций, которые катализируются десятью различными ферментами. Давайте рассмотрим превращение глюкозы в пируват более детально.

Этапы образования энергии в гликолизе

В первых \(5\) реакциях гликолиза затрачивается энергия, а именно \(2\) молекулы АТФ для добавления фосфатной группы промежуточным продуктам реакций.

Вначале добавляется фосфат к шестому атому углерода и образуется глюкозо-6-фосфат.

Далее глюкозо-6-фосфат изомеризуется в фруктозо-6-фосфат, то есть превращается из шестиуглеродного кольца в пятиуглеродное.

Фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется, но уже по гидроксильной группе при первом атоме углерода и образует симметричную молекулу фруктозо-1,6-бисфосфат.  

Благодаря тому, что на предыдущем этапе образовалась симметричная молекула, расщепление связи между \(3\) и \(4\) углеродом нам дает две трехуглеродные молекулы с остатком фосфорной кислоты (глицеральдегид фосфат и диоксиацетонфосфат). Важно отметить, что диоксиацетонфосфат изомеризуется в глицеральдегид-3-фосфат.

Последние пять реакций гликолиза сопряжены наоборот с образованием АТФ. Две молекулы глицеральдегид-3-фосфата, образовавшиеся в ходе подготовительного этапа гликолиза, во втором этапе окисляются и высвобождают энергию. Сначала глицеральдегид-3-фосфат окисляется до 1,3-дифосфоглицерата, при этом молекула NAD+ восстанавливается до NADH. Другими словами, электроны с глицеральдегид-3-фосфата переходят на переносчик электронов, которым является NADH.

Затем 1,3-дифосфоглицерат окисляется до 3-фосфоглицерата. Фосфатная группа с субстрата в позиции С\(1\) переносится на АДФ, поэтому образование АТФ на этом этапе называется фосфорилированием на уровне субстрата.

Далее 3-фосфоглицерат изомеризуется в 2-фосфоглицерат, который в свою очередь дегидратируется (теряет воду) и превращается в фосфоенолпируват. Перенос фосфатной группы с фосфоенолпирувата на АДФ является вторым фосфорилированием на уровне субстрата и приводит к образованию еще одной молекулы АТФ и продукта реакции гликолиза – пирувата или пировиноградной кислоты (ПВК).

Суммарный выход энергии в гликолизе: \(2\) АТФ (АТP) и \(2\) NADH на одну молекулу глюкозы.

Интересно, что все \(9\) промежуточных продуктов имеют фосфатную группу. С чем же это связано и какую роль играет фосфат в “пьесе” гликолиза?

Роль фосфата

Во-первых, фосфорилирование присваивает молекуле отрицательный заряд и громоздкость, что помогает удержать молекулу внутри клетки. Во-вторых, при гидролизе фосфоангидридной связи, высвобождается энергия, которая может быть использована для образования АТФ из АДФ. В-третьих, наличие фосфатной группы снижает энергию активации катаболических реакций и увеличивают специфичность ферментов к субстрату.

Четвертый этап – судьба пирувата

Что есть в начале этапа?
Две молекулы пирувата, находящиеся внутри клетки.

Что получается в конце?
Две молекулы ацетил-КоА транспортируются в матрикс митохондрии.

Какие процессы протекают на данном этапе?
Молекула пирувата превращается в ацетил-КоА и при этом выделяется \(2\) молекулы NADH. Дальше молекулы ацетил-КоА транспортируются из клеточного пространства в матрикс митохондрий.

Сделаем лирическое отступление, чтобы узнать что такое митохондрия и где у нее матрикс.

В каждой эукариотической клетке есть митохондрия. Митохондрия – это двуxмембранная органелла, которая отвечает за синтез энергии в клетке. Внутренняя часть митохондрии называется матриксом. Внутренняя мембрана митохондрий имеет необычную форму – она как бы образует шипы (кристы), которые вторгаются в матрикс.

Пятый этап – Цикл Кребса

Что мы имеем в начале этапа?
\(2\) молекулы ацетил-КоА, находящиеся внутри матрикса.

Что получается в конце?
\(6\) молекул NADH, \(2\) молекулы FADH2, \(2\) молекулы GTP.

Какие процессы протекают на данном этапе?

Цикл, состоящий из восьми реакций, начинается с конденсации ацетил-КоА и оксалоацетата с образованием цитрата (верхняя реакция, КоА выделен желтым цветом). Следующие семь реакций регенерируют оксалоацетат. Четыре реакции окисления восстанавливают коферменты NAD + и FAD до NADH и FADH2. Таким образом, за один цикл одна молекула ацетил-КоА производит \(4\) NADH, \(2\) FADH2 и АТФ. Так как одна молекула глюкозы производит две молекулы ацетил-КоА, то общий выход энергии в Цикле Кребса: \(8\) NADH, \(2\) FADH2 и \(2\) АТФ.

Шестой этап – Электрон-транспортная цепь

Что есть в начале?
\(10\) молекул NADH ((\(2\) из гликолиза, \(2\) из превращения пирувата, \(6\) из цикла Кребса), \(2\) молекулы FADH2, \(2\) молекулы GTP, \(2\) молекулы АТФ и молекулы кислорода в матриксе.

Что получается в конце?
\(30\) молекул АТP, молекулы воды.

Какие процессы протекают на данном этапе?

Краткий обзор:
Молекулы NADH и FADH2 вступают в электрон-транспортную цепь на внутренней мембране митохондрий (тех самых кристах). Главная роль NADH и FADH2 заключается в перекачке ионов \(Н^+\) из матрикса в межмембранное пространство. Ионы \(Н^+\), находящиеся в высокой концентрации в межмембранном пространстве, проходят через фермент АТФ-синтазу и генерируют молекулы АТФ точно так же, как вода проходит через поршни ГЭС, тем самым генерирую электричество. Выходящие ионы \(Н^+\) связываются с кислородом и образуют воду.

Детально:
В гликолизе и Цикле Кребса образовались NADH, FADН2 и лишь небольшое количество молекул АТФ. Как же получить остальную часть энергии? Основной механизм синтеза АТФ в большинстве клеток происходит за счет окислительного фосфорилирования.

Окислительное фосфорилирование представляет собой транспорт электронов от NADH или FADH2, которые образовались в гликолизе и цикле Кребса к молекулам кислорода с образованием воды. Электроны транспортируются через ансамбль белковых комплексов, расположенных во внутренней митохондриальной мембране (кристе). Мембрана содержит химические группы (флавины, группы Fe-S, гем и ионы меди), способные принимать или отдавать один или несколько электронов. Белковые комплексы, расположенные на кристах, образуют электрон-транспортную цепь – цепь для транспорта электронов.

Хемиосмотическая теория, выдвинутая Питером Митчелом, просто и элегантно объясняет функционирование цепи переноса электронов. Согласно этой теории, перенос электронов осуществляется по электрон-транспортной цепи через ряд окислительно-восстановительных реакций, после чего высвобождается энергия. Эта энергия позволяет определенным белкам (комлпексы I, III и IV) в цепи перекачивать ионы водорода (\(Н^+\) через мембрану в межмембранное пространство. Поскольку ионы водорода накапливаются на одной стороне мембраны, создается разность потенциалов или напряжение на мембране в целом. Такое энергетическое состояние мембраны, возникшее в результате разделения зарядов, называется протон-движущей силой. При движении протонов из зоны с высокой концентрацией в матрикс мембрана разряжается, и эта энергия затрачивается на синтез АТФ.

Электрон-транспортная цепь начинается с окисления молекулы NADH NADH-дегидрогеназным комплексом (I). NADH теряет два электрона и эти электроны переносятся на убихинон (Q).  Убихинон является жирорастворимым коферментом, поэтому может диффундировать внутри мембраны прямиком к комплексу III. Тем временем комплекс I перекачивает четыре протона в межмембранное пространство.

FADН2 не является таким же хорошим донором электронов, как NADH, поэтому он вступает в цепь, окисляясь комплексом II, который выше по своей восстановительной способности. Комплекс II не выталкивает протоны в межмембранное пространство.

Далее пути переноса электронов в цепи одинаковые как у NADH, так и у FADH2: убихинон (Q) окисляется, в результате чего и восстанавливается цитохром с комплексом III. Этот комплекс выталкивает \(4\) протона на каждую молекулу NADH и FADH2. В конце цепи комплекс IV катализирует перенос электронов с цитохрома с на кислород – образовывается вода. При этом комплекс IV выталкивает еще \(2\) протона на каждую окисленную молекулу NADH и FADH2.

Так заверашется долгий путь по электрон-транспортной цепи. Подытожим вышесказанное, сделав несколько вычислений. Получается, что на каждую молекулу NADH выталкивается \(10\) протонов (\(4\) с комплекса I, \(4\) с комплекса III, \(2\) с комплекса IV), а на FADH2 – \(6\) протонов, потому что FADH2 пропускает комплекс I. Поскольку в гликолизе и Цикле Кребса образовалось \(10\) молекул NADH и \(2\) молекулы FADH2 на одну молекулу глюкозы, то получаем \(112\) протонов в межмембранном пространстве.

Как же происходит синтез АТФ при окислительном фосфорилировании?

Принцип синтеза АТФ на мембране митохондрий очень схож с принципом работы батареек. В батарейке, как правило, есть отрицательно и положительно заряженные концы, поэтому на этих двух концах создается разность потенциалов. При использовании устройства на батарейке, электроны начинают двигаться из отрицательно заряженного конца в положительный, разряжая батарею, а полученная энергия затрачивается на функционирование устройства.

Аналогично, при движении протонов из межмембранного пространства (много протонов) в матрикс (мало протонов), мембрана теряет напряжение, созданное разностью потенциалов, и таким образом разряжается, а эта энергия затрачивается на синтез АТФ. Удивительный молекулярный механизм работы фермента АТФ-синтазы соединяет синтез АТФ с переносом протонов в матрикс.

Кристаллическая структура АТP-синтазы показала, что она состоит из F\(0\) модуля, расположенного на внутренней мембране митохондрии и F\(1\) модуля в матриксе.

F\(o\) состоит из трех основных субъединиц: a, b и c. Субъединица гамма находится как в F\(0\), так и в F\(1\). У людей присутствует \(10\) cубъединиц с, которые напоминают дольки мандарина и образуют кольцо ротора. Когда протоны проходят через протонную пору, субъединицы с начинают вращаться и приводят к вращению внутренней гамма субъединицы, что в свою очередь приводит к изменению конфигураций субъединиц альфа и бета внутри модуля F\(1\). Это изменение конфигурации и ведет к синтезу АТФ из АДФ.

Материал для самых пытливых умов

Одно полное вращение кольца Fo приводит к образованию трех молекул АТФ, а транслокация одного протона вращает кольцо на одну субъединицу с. Учитывая, что у людей АТФ-синтаза имеет 10 субъединиц с, предполагается, что для синтеза 3-х молекул АТФ в человеческом организме необходимо 10 протонов. Для синтеза АТФ необходим остаток фосфорной кислоты, и он поступает в матрикс путем транспорта одного протона в межмембранное пространство через фосфат-протонный симпортер. Что же говорит математика? На синтез одной молекулы АТФ нужно 10/3+1=4.33 протона.

Поделим количество протонов, образованных в гликолизе и цикле Кребса на количество протонов, необходимых для синтеза одной АТФ: 112/4.33=25.86 молекул АТФ. Добавляя 2 молекулы АТФ из гликолиза и еще 2 молекулы АТФ с Цикла Кребса, суммарно получаем 30 молекул АТФ из молекулы глюкозы. Из расчета, что расщепление 1 молекулы АТФ дает примерно 30.5 кДЖ энергии, получается 915 кДж энергии при окислении одной молекулы глюкозы.

Подводим итоги

С чего начался наш путь?
\(1\) ломтик хлеба.

Чем он закончился?
\(30\) молекул АТФ и вода из каждой молекулы глюкозы

Давайте еще раз вспомним основные этапы этого процесса:

Ломтик хлеба проходит через ротовую полость, пищевод, желудок, двенадцатиперстную кишку и тонкий кишечник и в процессе претерпевает механическую и химическую обработку. В результате этой обработки, получаются молекулы жирных кислот, аминокислот и моносахаридов (в том числе глюкозы). На этом этапе мы решили сфокусироваться на глюкозе и посмотрели как она попадает в клетку с помощью специального канала. Далее, внутри клетки глюкоза расщепляется на две молекулы пирувата с образованием двух молекул NADH и двух молекул АТФ. Эти две молекулы пирувата превращаются в две молекулы ацетил-КоА с образованием еще двух молекул NADH. Две молекулы ацетил-КоА вступают в цикл Кребса, в результате чего превращаются в 4 молекулы СО2, 6 молекул NADH, 2 молекулы FADH2, 2 молекулы GTP. В итоге все молекулы NADH и FADH2 участвуют в электрон-транспортной цепи, где они приводят к закачке ионов Н+ в межмембранное пространство митохондрий, откуда заряжается АТФ-cинтаза, приводящая к образованию молекул АТФ.

Таким образом, в этой статье мы показали путешествие пищи от ее привычной формы (в случае ломтика хлеба) до молекул АТФ, которые клетки могут использовать как энергетическую валюту для своих процессов.

Живая клетка напоминает огромный океан с богатой флорой и фауной, и помимо глюкозы в ней есть ряд других органических молекул, которые могут претерпевать серию других реакций и превращений. Путь метаболизма глюкозы – это всего лишь небольшая часть этих всех превращений. Чтобы оценить масштаб, вы можете взглянуть на картинку ниже:

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова