В бактериально-архейном мире и сейчас есть такие противники кислорода, с чьей точки зрения «кислородный холокост» продолжается до сих пор. Анаэробные микробы прячутся по углам, сидя где-нибудь в песке или в ведре соленых грибов, куда газы извне хуже просачиваются. Но большая часть сегодняшних живых организмов кислорода не боится, потому что умеет дышать.
Красный цвет нашей крови – это цвет гемоглобина, железосодержащего белка, которым забиты красные кровяные клетки. Гемоглобин видно даже сквозь кожу, без него она была бы почти белой. Железо в крови нужно для того, чтобы связывать кислород. Крупные металлы вроде железа обладают особыми свойствами, позволяющими им удерживать другие атомы и молекулы как бы в подвешенном состоянии, – в данном случае в этом силовом поле висит кислород и никого не может укусить, пока его перевозят по организму.
КСТАТИ
Помимо железа, для связывания кислорода хорошо подходит другой металл: медь. Она выполняет функцию железа в крови, или гемолимфе, некоторых беспозвоночных22. Отличается и белок, в который металл встроен, – «медный» вариант называется гемоцианином. Благодаря гемоцианину у моллюсков, например, бывает настоящая голубая кровь. В митохондриях, отвечающих за переработку кислорода, содержатся и медь, и железо.
Когда мы вдыхаем воздух, он насыщает кислородом текущий сквозь легкие гемоглобин. Тот разносит его по телу, где кислород отрывается от своего железного сопровождающего и поглощается клетками. Там его всасывает органелла, столь же красная и столь же железная, как и красные кровяные тельца. Она называется митохондрия.
Митохондрия – это то, чем мы, собственно говоря, дышим. Как ни странно, этот процесс очень похож на фотосинтез, а сама митохондрия очень похожа на хлоропласт. Только цвета разные.
Помните, как в фотосинтезе по мембране скакал электрон, выбитый фотоном из возбужденного хлорофилла, а мембранные белки от этого крутились, вертелись и накачивали тилакоиды протонами? Этот процесс можно представить себе как постепенное скатывание мячика по лестнице, с верхней ступеньки к нижней. Выбитый из хлорофилла электрон прыгает с белка на белок, с верхней энергетической ступеньки на нижнюю, и раздает свою энергию – ту, которую в него вложил хлорофилл, изначально получив ее в виде солнечного фотона. Энергия извлекается из электрона именно благодаря процессу его скатывания по лестнице. Сама эта «лестница», состоящая из последовательности мембранных белков и вспомогательных молекул, называется электрон-транспортной цепью.
Так вот, в дыхании работает ровно тот же принцип и очень похожая электрон-транспортная цепь. Это тоже энергетическая лестница, на которой из электрона выжимают энергию. Только в данном случае электроны берутся не из хлорофилла, а из расщепленных питательных веществ. Эти электроны скачут по мембране митохондрии от белка к белку точно так же, как при фотосинтезе электроны скачут по мембране тилакоида. В результате электроны постепенно отдают свою энергию, которая, как и в фотосинтезе, превращается в энергию «накачанного шарика» – только в фотосинтезе накачиваются протонами тилакоиды, а в дыхании – пространство между двумя мембранами митохондрии. В обоих случаях энергия накачанного шарика раскручивает ротор АТФ-синтазы, чеканящей в митохондриях и хлоропластах универсальную энергетическую валюту: АТФ.
В общем, энергетическая лестница, по которой катится электронный мяч, есть в обоих случаях. Вся разница в том, что в фотосинтезе лестница существует потому, что первая ступенька, образно говоря, находится очень высоко: свет, бьющий в хлорофилл, вкладывает энергию в электрон и как бы «подбрасывает» его вверх. В дыхании же лестница существует благодаря тому, что последняя ступенька расположена очень низко. Электроны питательных веществ как бы скатываются в глубокую энергетическую воронку, внизу которой их ждет главный пожиратель электронов – кислород4.
Дыхание – это контролируемое горение. При обычном горении кислород рвет все без разбора и без пощады. В железно– медных объятиях митохондрии он, как лев на цепи, которому выдают мясо по кусочкам. Митохондрия эксплуатирует его деструктивную мощь, чтобы выжать из питательных веществ максимум энергии, разбирая их на электроны и методично сливая их в бездонную глотку кислорода. Тем самым решаются одновременно две проблемы: обезвреживается опасный кислород и добывается куча энергии. Разорванные кислородом цепи углеродных молекул превращаются в воду и углекислый газ, то есть сгорают
[8].
В фотосинтезе АТФ производится из солнечной энергии и расходуется на превращение углекислого газа в еду. При дыхании АТФ производится, наоборот, путем превращения еды в углекислый газ, а расходуется на все остальные полезные клеточные процессы. Растения и дышат, и фотосинтезируют, а животные только дышат.
КСТАТИ
Теоретически растения могли бы обходиться одним фотосинтезом. На самом деле энергетические лестницы фотосинтеза и дыхания совсем не взаимоисключающие вещи. Две лестницы – значит, в два раза больше АТФ. Растения не только фотосинтезируют, но и дышат, не только производят питательные вещества, но и их потребляют. В определенных условиях (например, в темноте) растение может потреблять больше кислорода, чем производить.
АТФ – это молекула, которая не хочет существовать. То есть, чтобы сделать АТФ, в него нужно вложить энергию, а если АТФ распадается, то энергия при этом выделяется. В принципе, то же самое можно сказать про любое сложное органическое вещество: в сахар или в белок, например, тоже нужно вложить энергию, а при их распаде она выделяется. АТФ отличается от обычной органической молекулы с двух точек зрения. Во-первых, у него есть одна конкретная химическая связь (между вторым и третьим фосфатом), в которую вкладывается очень много энергии, и, соответственно, много энергии выделяется, если эта связь распадается. Во-вторых, чтобы извлечь энергию из органической молекулы, эту молекулу нужно уметь разламывать. В клетке есть отдельные ферменты, которые разламывают сахара или белки, но такая возможность доступна далеко не всем. АТФ же – это такая универсальная молекула, которую умеют разламывать тысячи разных ферментов. Поэтому все питательные вещества сначала разламываются клеткой до предела с производством АТФ, и только потом их энергия пускается на полезные нужды в таком стандартизированном виде.
В общем, АТФ – это молекула, специально предназначенная для энергетических платежей, принимаемая во всех клеточных кассах, у которой даже есть специальная, легко разламываемая и богатая энергией связь. Практически любой клеточный процесс, требующий энергии, протекает в тандеме с распадом АТФ. Хотите доставить сигнал с поверхности в ядро? Произвести целлюлозу для клеточной стенки? Пошевелить мышцей? Вставьте АТФ.
