Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

Ключевой энергосберегающий момент в клеточном дыхании основан на движении протонов – отдельных атомов водорода, которые лишены электрона, – для получения электрического заряда. Эти протоны выталкиваются из центра митохондрии в щель между двумя мембранами, окружающими каждую митохондрию. В результате снаружи внутренней митохондриальной мембраны накапливается намного больше заряженных протонов, чем внутри. Хотя этот процесс основан на химии, в целом он физический. Можно сравнить его с перекачкой воды вертикально вверх для заполнения плотины. На гидростанции вода из плотины низвергается через турбины, превращающие кинетическую энергию воды в электрическую. В случае митохондрии протоны, перекачиваемые за мембранную «плотину», мчатся назад в центр органеллы через каналы из белка, которые захватывают энергию, порождаемую каскадом заряженных частиц, и сохраняют ее в виде высокоэнергетических химических связей.

Первым человеком, допустившим, что клетки могут производить энергию столь неожиданным способом, был британский биохимик и нобелевский лауреат Питер Митчелл. Он ранее был сотрудником отдела зоологии Эдинбургского университета, но к тому времени, как я стал заниматься там клеточным циклом дрожжей, уже ушел оттуда и основал свою частную лабораторию в болотистой местности на юго-западе Англии. Решение было весьма необычным, и некоторые находили в этом стопроцентный британский заскок. Я встретился с ним, когда ему было хорошо за семьдесят, и на меня произвело впечатление, что он не растерял любознательности и страсти к знаниям. Мы говорили обо всем на свете. Меня поражало его творческое мышление и то, как он игнорировал скептиков и продолжал доказывать, что его необычная идея была по сути верной.

Крохотные белковые структуры, ведущие себя в митохондрии как «турбины», даже отчасти похожи на турбины гидростанций, хоть и уменьшенные в несколько миллиардов раз! Когда протоны проносятся сквозь молекулярную «турбину» с каналом шириной всего в 10 тысячных миллиметра, они вращают ротор столь же миниатюрного масштаба. Вращающийся ротор запускает формирование исключительно важной химической связи, создавая молекулу из субстанции под названием аденозинтрифосфат, или сокращенно АТФ. Это происходит со скоростью 150 реакций в секунду.

АТФ – универсальный источник энергии для жизни. Каждая молекула АТФ хранит энергию, действуя как миниатюрный аккумулятор. Когда для химической реакции в клетке требуется энергия, клетка разрывает высокоэнергетическую связь АТФ, превращая АТФ в аденозиндифосфат, АДФ. В этом процессе высвобождается энергия, которую клетка может использовать для запуска химической реакции или физического процесса типа этапов работы молекулярного «мотора».

Большая часть пищи, которую вы едите, заканчивает свой путь, будучи переработанной митохондриями ваших клеток, которые используют содержащуюся в них химическую энергию для создания колоссального количества АТФ. Для активации всех химических реакций, необходимых для поддержки триллионов клеток вашего тела, митохондрии каждый день все вместе производят – и это поразительно – АТФ в количестве, равном весу вашего тела! Биение пульса в запястье, теплота вашей кожи, подъем и опускание грудной клетки при дыхании – источником всего этого служит АТФ. Жизнь функционирует на АТФ.

Все живые организмы должны постоянно и надежно снабжаться энергией, и в конечном счете все они производят энергию с помощью одного и того же процесса: управления потоком протонов через мембранную перегородку для получения АТФ. Если и есть что-то отдаленно напоминающее «искру» – источник жизни, то это, скорее всего, именно этот мини-поток электрических зарядов через мембрану. Однако в этом нет ни капли мистики, это хорошо известный физический процесс. Это делают бактерии, активно прокачивая протоны через свою наружную мембрану, а более сложные клетки эукариотов – в специальной зоне, митохондрии.

В совокупности все эти различные уровни организации пространства в клетках – от невообразимо малых точек стыковки в отдельных ферментах до сравнительно большого ядра, содержащего хромосомы, – указывают на новый подход к пониманию устройства клетки. Когда мы видим прекрасные и хитроумные картины, видные через сегодняшние мощные микроскопы, то глядим на сложную и постоянно изменчивую сеть организованных и взаимосвязанных химических микросред. Такое представление о клетках так же далеко от клеток, как простенькие детальки конструктора Lego от более сложных тканей и органов растений и животных. Каждая клетка – самостоятельный, законченный и тонко организованный живой мир.