Рафаил Нудельман: Загадки, тайны и коды нашего тела. Занимательная физиология человека
АТФ
Способность молекул АТФ поставлять энергию клетке объясняется тем, что образование каждой такой молекулы сопровождается затратой довольно большой энергии; эта энергия запасается внутри молекулы, а в нужный момент моле ю/ла распадается на фосфатную группу и АДФ (аденозин-ди-фосфат, то есть соединение аденозина с двумя фосфатными группами), и тогда запасенная энергия выделяется и используется каким-либо ферментом клетки для выполнения своей функции. Самое интересное (и важное) состоит в том, что этот цикл повторяется в клетке снова и снова: оставшийся АДФ снова соединяется с фосфатной группой и опять образует АТФ с ее готовым к использованию запасом энергии. И поскольку молекулы АТО образуются в тех местах, где находятся сами ферменты, мышечные волокна или другие рабочие элементы клетки, буквально рядом с ними, эти последние имеют возможность в любой нужный момент получить необходимое для их работы количество энергии.
Может показаться, что мы описали какой-то вечный двигатель, не только не нуждающийся в подводе энергии, но, наоборот, еще и выделяющий ее. На самом деле это, конечно, не так. Свою энергию молекулы АТФ не берут, разумеется, из «ничего». Внутри любой клетки непрерывно идут процессы «сжигания пищи», или, в переводе на химический язык, окисления жиров и углеводов. Эти процессы окисления порождают мощный поток энергии. Но понятно, что иметь всегда готовый к использованию и рассредоточенный по нужным местам энергетический запас в виде мелких «энергетических пилюль» (молекул АТФ) куда удобней, чем зависеть от непрерывного потока энергии окисления. Поэтому эволюция «придумала» способ превращения этого сплошного энергетического потока в отдельные, легко запасаемые, легко используемые и легко восстанавливаемые «энергетические разменные монеты». Энергия окисления как раз и идет на соединение АДФ с фосфатной группой, то есть на синтез АТФ: отсюда и берет АТФ свою энергию. Но ее запас в каждой отдельной молекуле - это поистине энергетическая мелочь». Хотя те молекулярные связи внутри АТФ, в которых запасена химическая энергия и разрыв которых приводит к выделению этой энергии, получили название «высокоэнергетических», или «макроэргических», на самом деле их энергетичностъ не такая уж «макро»: исследования показали, что каждая такая связь содержит (то есть может выделить при разрыве) примерно 7 ООО калорий, так что молекула в целом (все три ее связи) содержит около 21 ООО калории. (Для интереса отметим, что поток энергии окисления, переносимый электронами к местам образования АТФ, составляет около 52 ООО калорий на каждую молекулу, так что запасается всего 40% этого потока.) Убедиться в том, что это небольшая величина, позволяет тот факт, что взрослый человек, даже находясь в состоянии покоя, перерабатывает за день (потребляет и воспроизводит) огромное количество таких энергетических «пилюль», соответствующее примерно половине веса его тела, а при сильной нагрузке - и до полутонны! (Пусть вас не удивляет эта огромная величина: если бы люди за все расплачивались копейками, то за день через руки каждого тоже прошло бы, наверное, не меньше полутонны мелочи.)
В животных клетках те процессы окисления, за счет которых образуется основная часть АТФ в организме, идут на поверхности т. н. митохондрий, а в клетках растений - благодаря процессам фотосинтеза, идущим на поверхности т. н. хлоропластов (как митохондрии, так и хлоропласты представляют собой обособленные вкрапления, плавающие в клеточной протоплазме, и считаются рудиментами древних бактерий или вирусов, некогда наладивших симбиоз с первичными клетками: получая от клеток питание, они давали им и до сих пор, как видим, дают источники энергии для движения и поиска пищи). В 1960 году американцу Эфраиму Раккеру впервые удалось выделить из митохондрий и хлоропластов то вещество, которое управляет синтезом основной массы АТФ, возникающей в клетках. Это вещество оказалось особым белком, или энзимом (так называются катализаторы биохимических процессов, создаваемые клетками для своих внутренних надобностей; эти белки называются еще и ферментами), и в силу выполняемой им функции получило название АТФ-синтазы.
Принцип действия АТФ-синтазы, в сущности, опровергает одну из важнейших догм, принятых в молекулярной биологии. Согласно этой догме, все энзимы работают по принципу «ключ-замок». Это означает, что белковая цепь всякого энзима свертывается так, что образует некий «активный центр».
который имеет определенную пространственную форму и внутрь которого могут проникнуть лишь те молекулы, форма которых соответствует форме самого центра, как ключ - замку: с этими-то молекулами энзим и «работает». В такой модели молекула энзима и ее активный центр оказываются статичными, не меняющими своей формы в ходе выполняемых ими функций. Бойер же установил, что АТФ-синтаза выполняет функцию синтеза АТФ как раз и только посредством активного динамического изменения своей пространственной формы.