Глюкоза вместе с минеральными веществами, поступающими в растение из почвы (азот, сера, фосфор, железо, магний, кальций, калий, натрий и др.), становится основой для более сложных синтезов - образуются полисахариды, липиды, белки, нуклеиновые кислоты, из которых строятся рабочие структуры клеток. Но и эти синтезы, как и синтез глюкозы, требуют энергетических затрат. Прямое использование света здесь невозможно (эволюция не создала таких энергетических переходов), поэтому некоторая часть глюкозы тратится как энергетический субстрат, то есть глюкоза становится вторичным источником энергии. Глюкоза расщепляется и отдает энергию - сначала на синтез АТФ, а после расщепления АТФ - на биосинтезы макромолекул (рис. 6). Значительная часть АТФ, как уже сказано выше, расходуется на другую работу - транспорт веществ, движение клетки и др.

Наиболее эффективно глюкоза расщепляется с участием кислорода: C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + энергия. По химической сути это - полное окисление (горение!) глюкозы. В живой клетке это «горение» происходит замедленно, поэтапно, так что энергия выделяется малыми порциями, и большая ее часть (около 55 %) используется на синтез АТФ, остальная рассеивается в виде тепла. Полное окисление одной молекулы глюкозы обеспечивает синтез 38 молекул АТФ. Поскольку кислород для окисления мы вдыхаем с атмосферным воздухом, то и на химическом уровне окисление глюкозы кислородом называют дыханием.

На рис. 6 все описанные процессы схематично показаны для аутотрофной растительной клетки. Ее главная черта - способность к фотосинтезу, который обеспечивает первый этап построения органического вещества, в форме глюкозы. Но и дыхание в полной мере присуще растениям, так как именно этот процесс извлекает энергию из глюкозы (а также из жиров и лишних белков), переводит ее временно в АТФ и далее в сложные макромолекулы. Эта же схема, но с изъятием реакции фотосинтеза, соответствует и гетеротрофному метаболизму животных клеток. В этом случае глюкоза (а также другие углеводы, жиры, трофические белки и др.) поступают в клетку извне в готовом виде. Часть этих материалов идет на дыхание (в топку, для извлечения энергии через синтез АТФ), а часть - после некоторой переделки - на синтез новых макромолекул как строительный материал . Таким образом, пища у гетеротрофов (то есть и у нас с вами) имеет двойное назначение - энергетическое и пластическое (строительное).

На рис. 6 следует обратить внимание на единство процессов энергетического и пластического (строительного) метаболизма клетки. Энергия поглощается из внешней среды, преобразуется в АТФ прежде всего для осуществления строительных процессов, для построения живой материи. Или обратно: построение живой материи, то есть синтез макромолекул из простых неорганических веществ, возможен только с поглощением внешней энергии. Точки пересечения стрелок энергетического и пластического обмена означают места сопряжения энергетического и пластического метаболизма. В живой клетке таких мест очень много. Сопряжение светового потока и синтеза глюкозы (реакция фотосинтеза) происходит в хлоропластах - специальных органоидах растительных клеток, сопряжение дыхания (окисления глюкозы) и синтеза АТФ - в митохондриях, сопряжение распада АТФ и синтеза клеточных белков - в рибосомах и т. д. (см. сегменты 7 и 8 - о строении клетки, а также рис. 3).

С точки зрения обсуждаемой проблемы - материальной сущности жизни - все рассмотренные процессы обмена веществ и энергии в клетке представляют простые физико-химические реакции. Мы не углублялись в механизмы преобразования энергии в хлоропластах и митохондриях, но если бы сделали это, то убедились бы в их изначально физической сущности. Основные события здесь связаны с распадом атомов водорода на элементарные заряженные частицы - протоны (Н+) и электроны (е-) и их индуцированным переносом по разные стороны мембраны внутри хлоропластов и митохондрий. В этих органоидах, как в электрических батарейках, создается разность электрических потенциалов порядка 0,2 вольта, которая при необходимости реализуется в электрический (протонный) ток, а этот ток, в свою очередь, вращает и активирует ферменты синтеза АТФ. Аналогичные физико-химические преобразования мы увидим и в других клеточных структурах.

СЕГМЕНТ 14. БЕЛКИ – СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОСНОВА ЖИЗНИ

Как уже отмечено в сегменте 7, белки представляют полимерные молекулы длиной в 50-100-500 и более мономеров - аминокислот. Имеется 20 разновидностей аминокислот, различных по химическим свойствам их свободных концов - радикалов.

Особо выделим аминокислоты со свободным электрическим зарядом. Так, аспарагиновая и глутаминовая кислоты имеют отрицательный заряд (лишняя –СОО- группа), аргинин, лизин, аспарагин и глутамин - положительный (лишняя –NH+ группа). Некоторые аминокислоты имеют свободную гидроксильную группу (–OH) . В совокупности активные группы придают молекуле белка электрический заряд - положительный или отрицательный в зависимости от соотношения аминокислот с разными зарядами. Кроме того, такие аминокислоты как цистеин и метионин имеют на свободном конце серу (группа –SH или –SCH3) и могут формировать между собой -S-S- мостики, стягивая участок полипептидной цепи в петлю.

Эти и другие особенности белковой молекулы, которые целиком зависят от набора и порядка чередования аминокислот (то есть от ее первичной структуры), придают каждой молекуле в водном окружении неповторимую вторичную и третичную (трехмерную) структуру. В каждой белковой молекуле в строго определенных местах есть активные участки, нередко содержащие какой-нибудь металл (железо - Fe, магний - Mg, медь -Cu и др.) или другие специфические соединения. Эти участки обычно и отвечают за особые функции белков.

Важнейшее свойство белковой молекулы, объясняющее механизм ее функционирования, это - способность обратимо изменять свою третичную структуру (трехмерную форму) в ответ на какое-либо раздражение. Раздражителем чаще всего выступает энергетический разряд от расщепления молекулы АТФ. Такая обратимая денатурация, или конформационная перестройка, и есть совершаемая молекулой работа. Конформационная перестройка молекулы подобна циклу сжатия и расслабления пружины: при внешнем давлении пружина сжимается и приобретает внутренний запас энергии, а на обратном ходу совершает работу. В зависимости от структуры белковой молекулы и ее местонахождения совершаемая работа, то есть функция, будет различна. Ниже будет показана роль белков в реализации основных жизненных функции: опорно-двигательной, транспортной, каталитической, защитной, сигнальной.

Обычно называют еще энергетическую функцию белков. Действительно, белки в своей химической структуре несут большой запас энергии. Они могут распадаться на отдельные аминокислоты, которые, в свою очередь, подобно глюкозе окисляются в митохондриях до углекислого газа и воды и отдают энергию на синтез АТФ. Однако этот путь в энергетическом обмене используется как резервный, в тех случаях, когда исчерпаны запасы углеводов и жиров - основных энергоемких субстратов. Использование белков в энергообмене расточительно для клетки, так как аминокислоты представляют дефицитный продукт, многие из них вообще не могут синтезироваться у животных, а получаются от растительных продуктов (незаменимые аминокислоты). Белки имеют уникальную структуру, которой дано более высокое предназначение. В этом смысле расщеплять белки для извлечения энергии - все равно, что топить печь ассигнациями. Кроме того, аминокислоты предварительно необходимо освободить от азота (дезаминировать), чтобы уровнять их с продуктами полураспада глюкозы, а это и дополнительная работа и потеря важнейшего элемента из организма (азот в составе простых соединений выводится с мочой). Таким образом, белки в энергетическом обмене используются в крайних случаях - при голодании, болезни, возрастных метаморфозах. Основные же функции белков, перечисленные выше и рассматриваемые ниже, значительно более важны и изящны, поскольку в их реализации используется уникальность структуры белка, его неповторимые индивидуальные формы и активные центры.