Энергетика живой клетки

Татьяна Потапова
«В мире науки» №3, 2006

• Дети Солнца
• Трансформация энергии в растительной клетке
• Преобразование энергии в животной клетке
• Электрические явления в клеточной энергетике
• В начале начал

В начале начал

Недавно В.П. Скулачев – действительный член РАН, президент Российского биохимического общества — предложил интересную систему взглядов на происхождение и эволюцию биологических механизмов запасания энергии. По его мнению, все началось с АТФ. В те далекие времена, когда жизнь на Земле только зарождалась, основным источником энергии для первичных биохимических реакций был ультрафиолетовый свет. Именно тогда, еще до образования живых клеток, под действием ультрафиолета вместе с другими первичными нуклеотидами появился аденин, затем аденозинмоно- и аденозиндифосфаты. Затем под влиянием все того же ультрафиолета из аденозиндифосфата и этилмонофосфата) возник АТФ и ряд коферментов, способных принимать энергию от возбужденного ультрафиолетом аденина и использовать ее для проведения энергоемких химических реакций (например, восстановления простых веществ среды до сложных соединений первичной клетки).

Появление в процессе эволюции высокомолекулярных ферментов, с их огромной избирательностью в отношении субстратов, и фосфолипидов – уникальных веществ, способных самопроизвольно образовывать тончайшую, непроницаемую для белков и углеводов пленку и сворачиваться в обособленные маленькие пузырьки из этой пленки, увенчалось тем, что первичные клетки освоили механизм активной откачки протонов во внешнюю среду за счет энергии АТФ с помощью специального белка, встроенного в клеточную мембрану. Можно полагать, что с образованием Н⁺-АТФазы завершилось формирование первичной клетки, использовавшей ультрафиолетовый свет в качестве источника энергии для жизнедеятельности.

Следующим принципиальным шагом в эволюции была замена ультрафиолетового света на видимый — менее опасный и свободно проходящий сквозь постепенно формирующийся в атмосфере озоновый слой. Однако новый фотосинтез по-прежнему использовал АТФ: эта эволюционная находка прочно заняла место «конвертируемой энергетической валюты» в клеточном метаболизме.

Важнейшее «открытие» сделали цианобактерии: около 3 млрд. лет назад они приобрели способность использовать в качестве донора электронов не сероводород (как пурпурные бактерии), а вездесущую воду.

Побочным продуктом фотосинтеза у цианобактерий и растений является молекулярный кислород. Нарастание его концентрации в атмосфере привело к появлению у живых клеток особых ферментов, убирающих этот сильный окислитель, опасный для жизнедеятельности. В ходе эволюции аэробные микроорганизмы научились извлекать пользу из данного процесса: они создали дыхательную цепь электронного транспорта, сопряженного с откачкой протонов, причем принцип устройства и работы дыхательной цепи в основных чертах повторил фотосинтетическую цепь.

При появлении сложно организованных эукариотических клеток, из которых состоят тела растений и животных, «энергетическими подстанциями» растительных клеток стали цианобактерии (они превратились в хлоропласты). Животные клетки, в свою очередь, «захватили» в плен аэробных бактерий, превратив их в митохондрии – «энергетические подстанции» другого типа.

Такова сложившаяся в ходе исследований различных организмов многоплановая картина функционирования и эволюции систем преобразования энергии живыми клетками. В настоящее время строение большинства белков, осуществляющих трансформацию энергии, и их взаимное расположение в биологических мембранах детально изучено. Получены основные представления о путях движения электронов по молекулярным комплексам. Теперь необходимо понять, как на уровне сложного многоклеточного организма (например, человека) контролируется точность работы молекулярных трансформаторов энергии и как происходит управление интенсивностью работы систем энергообеспечения. Для этого придется тщательно проанализировать огромную массу молекулярно-биологических сведений вместе с результатами расшифровки генетических последовательностей, цитологическими и биофизическими данными. Успешное развитие представлений в области энергетики живых систем крайне важно для понимания человеком своего места во Вселенной.

Дополнительная литература:
1. А.Д. Виноградов. Преобразование энергии в митохондриях. СОЖ. №9. 1999.
2. Е.А. Либерман. «Живая клетка». М. «Наука». 1982.
3. А.Б. Рубин. Первичные процессы фотосинтеза. СОЖ. №10. 1997.
4. В.П. Скулачев. «Рассказы о биоэнергетике». М. «Молодая гвардия». 1985.
5. В. П. Скулачев. Эволюция биологических механизмов запасания энергии. СОЖ. 1997. №6. c.11–19.
6. А.Н. Тихонов. Трансформация энергии в хлоропластах — энергопреобразующих органеллах растительной клетки. СОЖ 1996.
7. В.А. Шувалов. «Преобразование солнечной энергии в первичном акте разделения зарядов в реакционных центрах фотосинтеза». М.: Наука, 2000.
8.F. M. Harold. «The Vital Force: A Study of Bioenergetics». W.H. Freeman. N.-Y. 1986.
9. C.P. Fall, E.S. Marland, J.W. Wagner & J.J. Tyson (Eds.).Computational Cell Biology. Springer. 2002.