Сладкое топливо жизни

Некоторое время назад в сети пользовался популярностью анекдот, который полезно помнить, анализируя причины и следствия в сложных системах: «Я — самый главный, я всех знаю!» — сказал «Фейсбук». «Нет, это я самый главный, я все про всех знаю!» — возразил «Гугл». «А я вообще — всё!» — заявил интернет. «Ну-ну…» — сказало электричество и мигнуло…

Размышляя о копировании генов и синтезе белков, нельзя упускать из виду, что увлекательные макромолекулярные игрища жизни требуют «материального обеспечения» в виде постоянного притока вещества и энергии. Без электричества нет интернета, а без метаболизма нет жизни.

Обмен веществ и энергии в живом организме в чем-то похож на рыночный обмен. Любое изменение (рост, движение, размножение) требует ресурсов и ставит вопрос: кто за это заплатит? В каждой клетке происходят сотни, если не тысячи реакций, так же как на рынке люди обмениваются товарами и услугами. Из истории мы знаем, что эффективность рыночного обмена резко возрастает, если в системе появляется меновой эквивалент — деньги. Удивительно, но за миллиарды лет до возникновения человеческого социума биохимическая эволюция пошла ровно по тому же пути, и в большинстве биохимических реакций в клетке в качестве «универсальной энергетической валюты» стала использоваться молекула аденозинтрифосфата — сокращенно АТФ. (Исторически бумажные деньги были привязаны к стоимости драгоценных металлов — золотому стандарту, однако в последние годы многие экономисты рассуждают о том, что единая мировая валюта, если до ее создания когда-нибудь дойдет дело, должна быть привязана к стоимости энергии — тогда аналогия между деньгами и АТФ станет совсем полной.)

По своей сути эта молекула не что иное, как перезаряжаемый химический аккумулятор, своего рода молекулярное зарядное устройство. Молекула АТФ образуется из своей предшественницы — молекулы АДФ — в результате присоединения еще одного (третьего) фосфатного остатка и сохраняет энергию в виде высокоэнергетической связи. Если же возникает необходимость этот энергетический запас использовать, то реакция идет в обратном направлении. Молекула АТФ распадается на АДФ и остаток фосфорной кислоты и таким образом «разряжается», а выделенная при разрушении химической связи энергия используется для самых разных нужд организма — от синтеза новых молекул до обеспечения движения жгутиков сперматозоидов. Большинство биохимических реакций в организме сопровождается либо синтезом АТФ и запасанием энергии, либо распадом АТФ и тратой энергии.

Карта всех известных на сегодня биохимических взаимодействий в человеческой клетке выглядит так: огромная сеть с сотнями, если не тысячами узлов. В этом лабиринте легко заблудиться даже специалисту, но в контексте раковой темы нас пока будет интересовать лишь одна, самая древняя и консервативная его часть, а именно путь окисления глюкозы.

Шестиатомный сахар — глюкоза — главный продукт фотосинтеза бактерий и растений, способных использовать, то есть «запасать» энергию солнечного света в форме органических соединений, и основное питательное вещество для всех живых существ, включая человека. Окисление, то есть «сжигание», глюкозы в клетках служит основным источником энергии для «подзарядки» молекул АТФ. В этом смысле с точки зрения энергообмена живая клетка похожа на тепловую электростанцию, которая переводит энергию, запасенную в виде химических связей в органических молекулах газа и нефти, в более доступную и эффективную форму электрической энергии.

Жизнь зародилась на нашей планете, когда ее атмосфера была почти лишена кислорода, и много миллионов лет существовала в таких — анаэробных — условиях, пока древнейшие фотосинтезирующие организмы — сине-зеленые водоросли — не изменили радикально молекулярный состав воздуха. Событие это, произошедшее около 2,5 млрд лет назад, в научной литературе называют «кислородной революцией» (или «кислородной катастрофой», в зависимости от контекста). В память о давнишних бескислородных временах у нас остались два метаболических пути окисления глюкозы: древний бескислородный гликолиз и более современное окислительное (кислородное) фосфорилирование. Они существуют в клетке, дополняя, а временами и «подменяя» друг друга.

В ходе бескислородного гликолиза при использовании одной молекулы глюкозы синтезируется всего две молекулы АТФ, а конечным продуктом является молочная кислота — лактат. Зато полное окисление с кислородом, в ходе которого из молекулы глюкозы получаются углекислый газ и вода, дает уже 38 молекул АТФ, то есть в несколько раз больше. А поскольку этот путь дал такое преимущество организмам, использующим кислород, неудивительно, что они почти полностью вытеснили древние бескислородные бактерии на задворки современных экосистем.

Гликолиз протекает прямо в цитоплазме клетки, а вот реакции окислительного фосфорилирования происходят в специальных органеллах — митохондриях.

Именно особенности глюкозного обмена в раковых клетках вызвали к жизни «содовый» миф и представления о том, что рак можно вылечить путем отказа от сладкого.

 ФАКТ: кроме АТФ, клетка человека использует и другие молекулы для запасания энергии (их еще называют макроэргическими молекулами). В частности, очень важную роль в регуляции функций многих белков играют молекулы гуанозинтрифосфата — ГТФ.