Лимоннокислый цикл характерен только для аэробного дыхания, когда клетки получают достаточное количество кислорода и выделяют углекислый газ и воду. В отсутствие кислорода – этот процесс называется анаэробным дыханием – клетки какое-то время могут производить энергию. Побочные продукты анаэробного дыхания – это либо молочная кислота, либо этанол. Аэробное дыхание куда более эффективно. При анаэробном дыхании на каждую молекулу глюкозы производится только две молекулы АТФ, а при аэробном дыхании – 38 молекул. Атлеты, например бегун Усэйн Болт, полагаются на анаэробное дыхание, когда сталкиваются с нехваткой кислорода при коротких интенсивных нагрузках. В результате накапливается молочная кислота и усиливается «жжение», которое атлеты чувствуют в мышцах после тренировок.
Кребс показал, что в ходе лимоннокислого цикла пища расщепляется в восьми стадиях. Цикл начинается и заканчивается формированием цитрата из оксалоацетата.
Первые химики экспериментировали с животными и растениями, пытаясь выяснить, какие химические вещества нужны организмам для выживания. В 1630-х гг. Ян Баптист ван Гельмонт определил важность воды для растений. Он даже считал, что для них это главный источник энергии. В 1770-х гг. Джозеф Пристли и Ян Ингенхауз обнаружили, что растения получают углекислый газ из атмосферы, а отдают «свежий воздух». «Свежий воздух» оказался кислородом, побочным продуктом фотосинтеза – процесса превращения углекислого газа и воды в глюкозу, «топливо» растений, под действием солнечного света. Затем в 1790 г. французский химик Антуан Лавуазье открыл обратный процесс. Животное вдыхает кислород и выдыхает углекислый газ. Равно как и при горении расходуется кислород и производится углекислый газ. Посему Лавуазье заключил, что животное с помощью кислорода сжигает в теле некое топливо. Этот процесс был назван дыханием.
Растения тоже дышат, сжигая запас глюкозы. Ночью, когда фотосинтез невозможен, они выдыхают углекислый газ, совсем как животные. Животные не производят глюкозу сами, поэтому получают «топливо», поедая растения или других животных, которые питались растениями.
Топливо из пищи
Глюкоза легковоспламенима, особенно в чистом кислороде. Тогда почему живые существа не взрываются, «сжигая» весь этот сахар? Дыхание высвобождает энергию понемногу, в серии биохимических реакций, которые называются лимоннокислым циклом. Первым его описал британский биохимик немецкого происхождения Ганс Кребс в 1937 г. Кребс наблюдал за метаболизмом глюкозы в грудных мышцах голубя, так как именно там процесс дыхания идет особенно активно, что облегчает эксперименты. Перед началом цикла глюкоза делится на небольшие группы, которые называются ацетильными (CH3CO). Они содержат только два атома углерода наряду с одним атомом кислорода и тремя атомами водорода. В начале цикла ацетильные группы связываются с четырехуглеродным соединением, оксалоацетатом, и формируют шестиуглеродное соединение, цитрат (сходный с лимонной кислотой, кислым веществом в лимонном соке). На последующих стадиях молекула цитрата подвергается воздействию ферментов. В результате она преобразуется в четырехуглеродный оксалоацетат, и цикл начинается заново. В процессе высвобождается энергия в форме аденозинтрифосфата (АТФ), которая питает другие метаболические процессы внутри клеток.
Лимоннокислый цикл – эффективный процесс, так как в нем расходуются только ацетильные группы, получаемые из пищи. Ферменты, ускоряющие каждый этап, и промежуточные соединения, на которые они воздействуют, используются повторно в последующих циклах, в результате которых вырабатывается еще больше энергии.
Кребс сделал важное открытие, когда работал в лаборатории при Университете Шеффилда в Англии.
Победитель
Трудоемкие исследования заняли у Кребса пять лет, и по их итогам он описал все стадии лимоннокислого цикла. На ранних стадиях работы ученый во многом опирался на выводы венгерского физиолога Альберта Сент-Дьёрдьи, установившего важность некоторых промежуточных соединений в цикле. Кребс также сотрудничал с американским биохимиком немецкого происхождения Фрицем Липманом, который открыл кофермент А (CoA), ключевой элемент, задействованный в начале лимоннокислого цикла. В 1953 г. Кребсу и Лимпану была вручена Нобелевская премия по физиологии и медицине.
Дифракция рентгеновских лучей
В 1952 г. британские исследователи Розалинд Франклин и Раймонд Гослинк с помощью дифракции рентгеновских лучей получили так называемую фотографию 51. Некоторые считают ее самой важной из когда-либо сделанных фотографий, так как она раскрывает структуру ДНК.
Волны излучения рассеиваются или преломляются, проходя через небольшие зазоры. В 1912 г. немецкий ученый Макс фон Лауэ показал, что рентгеновские лучи преломляются, проходя через кристаллы. Это позволило измерить расстояние между атомами внутри кристалла; по наклону исходящего из кристалла луча можно было строить предположения о строении молекул. К 1950-м гг. дифракция рентгеновских лучей использовалась для изучения сложных химических веществ в клетках, таких как витамины и холестерол. Франклин и Гослинг разделили ДНК на нити и просвечивали ее рентгеновским лучом более 60 часов. Лучи рассеялись, проходя через ДНК, и дали изображение на пленке, подсказывая строение молекулы. Структура ДНК стала величайшей наградой для биохимиков, а фотография 51 была инструментом, который помог получить ее в 1953 г.
Темные пятна на фотографии 51 показывают, где рентгеновские лучи, преломленные повторяющимися элементами в молекуле ДНК, облучили пленку. Темные участки вверху и внизу – это основания ДНК, вместе составляющие генетический код.
Потенциал действия
С конца XVIII в. было известно, что нервные импульсы передаются благодаря электричеству, но оставалось загадкой, каков механизм возникновения электрического сигнала в нервной клетке.
Итальянский врач и биолог Луиджи Гальвани продемонстрировал в 1790-х гг., как нервы и мышцы стимулирует некая разновидность электричества. Впоследствии исследователи обнаружили, что если подвести электрод к мозгу, тело человека демонстрирует широкий спектр реакций. Например, на лице может возникнуть неестественное выражение. В 1875 г. Ричард Катон зафиксировал электрическое поле, которое генерировал мозг обезьян и кроликов. Но как возникали электрические импульсы?
Потенциал действия идет по аксону со скоростью около 150 м/сек.
