Алексей Целлариус: Я познаю мир. Живой мир

Коль скоро дыхание – процесс отъема электронов, то понятно, что одного дыхательного субстрата для того, чтобы дышать, мало. Нужно ещё чтото, что будет эти электроны отнимать: окислитель или, выражаясь уж совсем на языке химиков, акцептор электронов. В большинстве случаев окислителем является кислород, и тогда говорят об аэробном дыхании. Аэробное дыхание – самое выгодное, топливо при этом используется полностью.

Существует, однако, на свете масса мест, где свободного кислорода не найти или его очень мало. Например, в глубинах почвы, в донных отложениях, в нашем с вами кишечнике, в конце концов. Организмы, живущие в таких условиях, пользуются дыханием анаэробным.

В качестве окислителя они используют не кислород, а другое вещество, способное к отъему электронов у субстрата. Анаэробное дыхание менее выгодно, топливо при этом «сгорает» не полностью, а образующиеся «шлаки» сплошь и рядом тормозят метаболизм. Анаэробным дыханием, кстати, при нужде могут пользоваться и вполне «кислородные» организмы. Когда вы быстро и долго бежите от злой собаки, кровеносная система не успевает подавать нужное количество кислорода работающим на пределе мышцам. И какое–то время мышцы работают на анаэробном дыхании. Но в результате в них накапливается «шлак» – молочная кислота (при достатке кислорода она тоже сгорает). Потом, чтобы мышцы опять могли работать в полную силу, молочную кислоту требуется убрать, а для этого нужно время и энергия.

И имейте в виду, что на самом деле всё в сотни раз сложнее, чем вы можете подумать, читая наше предельно упрощенное описание. В процесс дыхания входят десятки головоломных реакций, в которых участвуют десятки ферментов.

Энергия, образующаяся в процессе дыхания, не используется напрямую. Да это и невозможно, энергия требуется для многих процессов, и, если бы эти процессы использовали каждый непосредственно энергию субстрата, пришлось бы каждому иметь свой окислитель, причем часто специфический, кислород далеко не во все биохимические процессы «вписывается». Причем, поскольку молекулы субстрата достаточно велики, пришлось бы организовать их транспортировку непосредственно к месту применения, что тоже непросто. В общем, система усложнилась бы до невозможности. И поэтому энергия, получаемая в результате дыхания, запасается в своего рода универсальных аккумуляторах. Причём у всех известных нам организмов этот аккумулятор один и тот же. И все процессы, идущие с потреблением энергии, имеют один «универсальный разъем», позволяющий подключаться к этому аккумулятору. Согласитесь, очень удобно.

Универсальными аккумуляторами живых систем являются молекулы аденозинтрифосфорной кислоты. Выговорить это слово без запинки удается не всякому биохимику, и поэтому сей аккумулятор принято называть просто ЛТФ, равно как и дезоксирибонуклеиновую кислоту все, не ломая язык, называют ДНК. Про ДНК вспомнилось потому, что АТФ и ДНК близкие родственники. По сути, АТФ является нуклеотидом. Это молекула сахара рибозы плюс соединенные с ней одно азотистое основание (аденин, вспомните главу «Память поколений») и три фосфатные группы. Отщепление двух фосфатных групп дает весьма существенный выход энергии, существенно больший, чем при разложении большинства других соединений. Почему это так – биохимики пока не знают, здесь дело не только в самой фосфатной связи, а в каких–то свойствах молекулы в целом.

image l:href="#image12.png"

АТФ: 1 – аденозин; 2 – остатки фосфорной кислоты

Одна молекула АТФ – своего рода стандартная единица измерения выхода или расхода энергии. Так, например, полное «сгорание» одной молекулы глюкозы дает чистый выход в 38 молекул АТФ, при этом бескислородный этап расщепления дает только 4 молекулы (это к вопросу об эффективности аэробного и анаэробного дыхания).

Среди живых существочень много таких, которые, не напрягаясь, используют готовую органику. Их называют гетеротрофами, и к ним принадлежим и мы с вами, и зайцы, и тигры, и амёбы, и множество других существ. И все они живут за счет организмов, которые научились готовить питательные вещества сами, из простых, повсюду довольно обильных минеральных соединений. Эти умельцы называются нвтотрофами, и к ним относятся все зеленые растения, многие протисты и многие бактерии.

Все знают, что фотосинтез – это процесс, в котором из углекислого газа и воды с использованием энергии света синтезируются углеводы, а побочным продуктом синтеза является чистый кислород. Но это, так сказать, кончик носа и кончик хвоста процесса, в середине же происходят очень сложные и интересные вещи.