Помните известную английскую поговорку – у каждой семьи есть свой скелет в шкафу. Так говорят о чем-то тайном, что рано или поздно становится достоянием гласности. У клетки в этом смысле – сплошные скелеты (уж простите за такой каламбур). Проще говоря, тайного в ее свойствах до сих пор больше, чем явного. Даже видные ученые иногда сравнивают ее с крепостью, в стенах (и за стенами) которой скрывается больше потайных ходов, чем в любом замке Средневековья.

Кстати, сравнение с замком очень помогает рассказать в общих чертах о строении и изученных функциях клетки. На самом деле каждая самая микроскопическая клетка – это целый городок, который живет и развивается по своим законам.

 

Глава 1. «Крепостная стена» клетки

Как и у любого уважающего себя средневекового города, у клетки есть вал, который окружает крепостную стену. Это – первая линия обороны клетки-городка. Ученые называют ее «оболочкой» клетки. Оболочка предназначена для защиты внутренних структур. При этом она довольно толстая (напоминаю, что речь идет о клетке размером в несколько микрон, и о толщине оболочки можно говорить только относительно других ее составных частей), но не очень прочная. И легко пропускает внутрь клетки все, что туда стремится, а из клетки – все, что стремится наружу.

Другое дело – мембрана. Именно ее можно назвать настоящей крепостной стеной. Как и в настоящей крепости, у нее есть «ворота», «калитки», «потайные ходы», «стража», «ловушки», а также «насосы» и другие нужные вещи. Она ограждает и защищает внутреннее содержимое клетки, не дает «лазутчикам» пробраться внутрь и очень внимательно относится к тому, что выходит из нее в обратном направлении.

Если отвлечься от нашей аллегории и вернуться в мир науки, можно отметить, что мембрана и внутреннее содержимое клетки состоят в основном из одних и тех же атомов. Эти атомы – углерод, кислород, водород и азот. На электронной фотографии тонкого среза клетки мембраны видны в виде двух темных линий. Они не монолитны. По сути мембрана – это очень мелкое молекулярное сито. Точнее – изрезанная извилистыми ходами толстая крепостная стена. На самом деле толстая, потому что диаметр каждого хода раз в десять меньше длины.

Таких ходов в каждой мембране не так уж и много – по сравнению со всей поверхностью клетки отверстия «ходов» занимают всего одну миллионную часть. Надо еще хорошенько потрудиться, чтобы найти вход!

Но еще больше предстоит попотеть, чтобы получить у «стражи» пропуск. Да-да, не удивляйтесь. У каждой клеточной мембраны есть своя стража – рецепторы, которые анализируют все, с чем соприкасается клетка, и выносят свой вердикт. На научном языке эти рецепторы носят название гликопротеины – эта цепочка, состоящая из молекул белка, выглядит как веточка коралла. Такие веточки «ощупывают»

все, что к ним приближается, и решают, пропускать это через мембрану или оттолкнуть.

Рецепторы мембраны играют очень важную роль. Узнавая родственные клетки, они помогают друг другу правильно выстроиться и создать ткань – костную, мышечную, нервную или любую другую. Они также допускают внутрь клетки белки, нуклеиновые кислоты, сахара и другие необходимые для жизнедеятельности клетки-города вещества. А вот «врагов» в виде болезнетворных вирусов они отталкивают – формируется так называемый иммунологический ответ. Правда, если стража обленилась или покинула свой пост (это бывает при снижении иммунитета) – вирусы проникают внутрь клетки и устраивают там погром. Хорошо, если у нас это проявляется только в чихании и заложенном носе, а ведь бывают и более трагические случаи!

Определенные рецепторы помимо прочего еще выполняют функции электрического поля – они переносят электроны и преобразуют энергию. Есть рецепторы, реагирующие на изменение химического состава среды – и сообщающие клетке о том, что такие изменения произошли. Короче говоря, как в любой уважающей себя армии, в мембране клетки содержатся различные рода войск, предназначенные для решения самых разных задач.

Как мы уже поняли, главным свойством крепостной стены-мембраны является избирательная проницаемость. Это значит, что молекулы и ионы проходят через нее с различной скоростью, и чем больше размер молекул, тем меньше скорость прохождения их через мембрану. Максимальной проникающей способностью обладает вода и растворенные в ней газы; значительно медленнее проходят сквозь мембрану ионы. Диффузия воды через мембрану называется осмосом.

Существует несколько способов прохождения веществ через мембрану. Один из них можно сравнить с водой в сообщающихся сосудах – если концентрация каких-то веществ вне мембраны выше, то они начинают просачиваться туда, где концентрация ниже. Просачиваются они через те самые ходы-поры, о которых мы говорили чуть выше. Но если речь о жирорастворимых веществах, процесс «доставки» становится сложнее (а попробуйте сами затолкать «толстяка» в узкий и извилистый ход!) – предварительно молекулы расщепляются с участием липидов и только после этого проводятся внутрь. Оба эти процесса называют диффузией.

Но бывает так, что клетке позарез нужны те или иные «продукты», а самостоятельно «заходить» они никак не хотят (то есть их концентрация внутри и так выше, чем снаружи). Тогда включается механизм активного транспорта (или насоса). Его можно рассмотреть на примере обмена натрия на калий. Его так и называют – Na-/K-насос. Суть его заключается в том, что клетка выталкивает ионы натрия, замещая их на ионы калия. Занимаются этим специальные белки-переносчики, которые и образуют так называемые ионные насосы. Благодаря этому в клетке поддерживается большая концентрация K– и меньшая Na+ по сравнению с окружающей средой. На такое замещение расходуется значительная энергия, зато этот механизм позволяет клетке получать различные сахара, нуклеотиды и аминокислоты.

А что делать, если внутрь надо затащить совсем уж крупногабаритные предметы? К таким «роялям» и «шкафам» относятся макромолекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липопротеиновые комплексы и другие нужные вещества. И здесь в нашей крепостной стене начинают происходить настоящие чудеса. Кусок «стены» (мы же помним, что речь идет о клеточной мембране) выпячивается и захватывает нужный кусок внеклеточного материала. Затем он обволакивает его и расщепляет макромолекулы до простейших составляющих. А те уже легко проскакивают через знакомые нам проходы-поры.

Этот процесс называется эндоцитоз. То же самое, но только изнутри – наружу, носит название экзоцитоз. С помощью экзоцитоза мембрана помогает клетке избавиться от внутриклеточных продуктов или непереваренных остатков. Это можно сравнить с работой мусороуборочной машины: «мусор» заключается в своеобразный пузырек (вакуоль) и подводится к стене (мембране). Пузырек сначала прилепляется к внутренней поверхности стены, а затем как бы раскрывается в нее, выдавливая содержимое через ходы наружу. Вот такая чистюля – наша клетка.

Для понимания всех происходящих в мембране процессов следует помнить, что в отличие от настоящей крепостной стены ткань мембраны является подвижной, текучей структурой. Именно это свойство позволяет ей проявлять такие чудесные качества, как избирательность, различные механизмы транспорта веществ внутрь и наружу и так далее. Мембраны – структуры очень динамичные. Они быстро восстанавливаются после повреждения, а также растягиваются и сжимаются при клеточных движениях.

Из мембранной ткани формируются и некоторые «внутренние» помещения, вход в которые доступен не для всех. Но об этом – чуть позже.

 

Глава 2. Ядро – «мозговой» центр клетки

Если саму клетку мы сравниваем со средневековым городом, а мембрану – с крепостной стеной, то роль замка в нем играет, безусловно, ядро.

Ядро – самая большая и самая заметная составная часть клетки. Первым ее рассмотрел шотландский ученый Роберт Браунс в 1831 году. Он заметил, что ядро отделяется от остальной клетки двойной крепостной стеной-мембраной, а от нее в разные стороны расходятся цепочки пузырьков-«чистильщиков» (эндоплазматическая сеть) и загадочный комплекс Гольджи… Но обо всем по порядку.

Современные ученые сравнивают ядро с кибернетической системой, в которой происходит хранение, обработка и передача колоссального объема энергии. По сути все, что «знает» наше тело, хранится в ядре клетки. Получается, что именно отсюда, из «замка», идет управление всеми процессами, происходящими в нашем «городке». Ядро – стратегический центр и штаб клетки. Без ядра клетка погибает.

Форма ядра чаще всего шарообразная или яйцевидная. Внутреннее содержимое ядра составляет ядерный сок, заполняющий пространство между структурами («комнатами») ядра. В ядре всегда присутствует одно или несколько ядрышек. Это самые крупные «залы». Главная задача ядрышек – это производство рибосом. Рибосомы – очередное чудо клетки. Представьте себе мини-заводик, который из подручных материалов собирает молекулы белка. А теперь представьте, что таких заводиков – тысячи! Задача ядрышек – выпустить рибосому в цитоплазму (то есть из замка – в городок). Там уже рибосомы собираются в целые промышленные конгломераты и начинают производить белки.

Надо сказать, что клетка клетке рознь. В каких-то выпуск белка поставлен на промышленную остову (это клетки мышечной ткани, например), а в каких-то (в клетках костных структур) его образуется совсем немного. Так вот, чем активнее клетка, тем крупнее ядрышки в ее ядре – ведь им приходится работать день и ночь, чтобы производство не останавливалось ни на секунду!

Звучит все просто, но на деле все гораздо сложней. Рибосомы оказываются не просто промышленными конвейерами. Если продолжить проводить аналогии со знакомым нам миром, рибосомы окажутся похожими на сверхсовременных роботов, которые собирают дорогие автомобили. У них есть собственные «мозги» – программное обеспечение, которое заставляет их с потрясающей точностью воспроизводить молекулы белка совершенно определенного вида – по заданной матрице, как это принято говорить в мире науки. Матрица создается на основе генетической информации, заложенной в молекулы РНК – рибонуклеиновой кислоты.

Теория происхождения жизни

Как у каждого уважающего себя замка, у нашего обязательно должно быть несколько старинных преданий и легенд. Эта – рассказывает о возникновении жизни на Земле. Ряд ученых (в частности, Карл Вёзе, Лесли Оргел и Уолтер Гильберт) полагают, что когда-то, когда живая клетка еще не существовала на планете Земля, ее роль выполняли свободные рибонуклеиновые кислоты, которые вольготно себя чувствовали в воде и, перемещаясь, образовывали ансамбли с себе подобными. Они также могли обмениваться информацией и выступать катализаторами в некоторых химических процессах, благодаря чему примитивные формы жизни становились все сложнее и сложнее, пока рибонуклеиновые кислоты не научились отгораживаться друг от друга мембранами. Тогда «свободной любви» этих молекул пришел конец, зато наступила эра упорядоченных отношений, появилась молекула ДНК и возникла клетка – мельчайшая ячейка общества. Точнее – организма. Что-то есть до боли знакомое в этой истории, вы не находите?

Частично эту теорию подтверждают современные исследования, которые показали, что рибонуклеиновые кислоты вполне могут формировать колонии на гелях и твердых субстратах (правда, при создании определенных условий для репликации – самовоспроизведения). При этом они охотно обмениваются молекулами, которые при столкновении обмениваются свободными участками (то есть «делятся информацией»). Вся совокупность колоний при этом быстро эволюционирует.

Логично предположить, что, научившись синтезировать белок, колонии, в которых при мутации образовались молекулы-ферменты (их отличительная особенность в том, что они ускоряют некоторые химические процессы), стали развиваться еще быстрее и успешнее. И наконец, лидерами в этой гонке стали колонии, сформировавшие более надежный механизм хранения информации в ДНК и в конце концов отделившиеся от внешнего мира липидной мембраной, препятствующей рассеиванию своих молекул.

Легенда – легендой, но главное, что нам предстоит усвоить: молекулы РНК (рибонуклеиновой кислоты) – это простейшие хранители генетической информации. Именно они «учат» рибосомы, как создавать молекулы белка строго определенного вида. Давайте посмотрим, как это происходит.

Сначала в ядре из молекулы РНК выделяется небольшой кусочек – матричная РНК. Она выходит за пределы «замка» и встречается там с готовой рибосомой. Рибосома «узнает» свою матрицу и отвечает ей выработкой определенного белка. Одновременно с этим в ядрышке идет синтез других составляющих будущей рибосомы. Выработанный за пределами ядра белок протискивается сквозь стенки «замка», находит свою комнату-ядрышко и встречается там с остальными компонентами будущей рибосомы. Процессом «сборки» руководит уже знакомая нам РНК – она контролирует размер каждой составляющей, порядок их пристыковки друг к другу и так далее.

Надо сказать, что «новорожденная» рибосома – довольно крупное образование. Если бы речь шла о женщине, с таким «ребеночком» ей посоветовали бы делать кесарево сечение… А как же поступает клетка? Здесь природа предусмотрела свой механизм. Дело в том, что рибосома – это своеобразный конструктор. Сначала его собирают, а затем вновь разбирают на составные части. Вот так, по частям, они и покидают сначала ядрышко, а затем ядро, чтобы вновь встретиться за пределами «замка» и включиться в общую работу. Но об этом – чуть позже.

Кроме «комнат» в «замке»-ядре есть и целая система коридоров. Хотя правильнее было бы назвать их линиями связи. Эти нитевидные образования – хромосомы. В ядре каждой клетки строго регламентированное количество хромосом – 46.

Хромосомы всегда парны. В клетке всегда имеется по две хромосомы каждого вида, пары отличаются друг от друга по длине, форме и наличию утолщений или перетяжек. Следует отметить, что во всех соматических клетках (все клетки организма, кроме половых) хромосомы в парах всегда одинаковые по величине, форме и расположению, в то время как половые хромосомы (23-я пара) у мужчин неодинаковые (XY), а у женщин одинаковые (XX).

Основу хромосомы составляет линейная (не замкнутая в кольцо) макромолекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) значительной длины. В растянутом виде длина хромосомы человека может достигать 5 см.

Хромосомы, как и полагается уважающим себя информационным системам (не зря мы их назвали линиями связи!), отвечают за все, происходящее в «городке»-клетке. Но для того, чтобы понять, каким образом они это делают, сделаем небольшое отступление в область органической химии.

Основной строительный материал клетки – белки разных видов. У каждого типа белка – своя функция: как мы уже видели, одни входят в состав клеточной оболочки (мембран), другие – создают защитный «чехол» для ДНК, третьи передают «инструкции» о том, как производить белки, четвертые регулируют работу клеток и органов и т. д. Каждая молекула белка представляет собой цепочку из многих десятков, даже сотен звеньев – аминокислот; такую цепь называют полипептидной. Сложные белки могут состоять из нескольких полипептидных цепей.

В процессе жизнедеятельности белки расходуются и потому регулярно воспроизводятся в клетке. Их полипептидные цепи строятся последовательно – звено за звеном, и как раз эта последовательность закодирована в ДНК. Таким образом, получается, что все строительные материалы клетки выпускаются в строгом соответствии с информацией, заложенной в хромосомах. Каждая клетка в теле человека содержит около 30 тысяч генов, и на основании каждого гена синтезируется свой белок, который имеет уникальную функцию. Но о генах, наследственности и других загадках природы мы поговорим в другом разделе, посвященном ДНК и РНК. А пока пора выбираться из стен «замка» и прогуляться по «городку».

 

Глава 3. То, что внутри

Внутреннее пространство нашего «городка»-клетки заполнено цитоплазмой. Ее можно сравнить с водой вечного города Венеции – потоки омывают прекрасные здания, в них снуют легкие гондолы и катера… Но с точки зрения биологической науки цитоплазма – это полужидкая бесцветная масса, содержащая 75–85 % воды, 10–12 % белков и аминокислот, 4–6 % углеводов, 2–3 % жиров, 1 % неорганических и других веществ.

Вся цитоплазма пронизана сложной сетчатой системой, образованной той же материей, что и внешняя мембрана. Она связана с наружной «крепостной стеной» и представляет собой сплетение сообщающихся между собой канальцев, пузырьков, уплощенных мешочков. Такая сетчатая система названа вакуолярной, а мы можем сравнить ее с коммуникациями городка.

Роль зданий и гондол в нашей «Венеции» играют так называемые органоиды – функциональные включения клетки. «Архитектура» и «модельный ряд» органоидов разнообразен донельзя. Но у каждого образования – свои строгие функции и «распорядок работы».

Знакомиться с достопримечательностями городка мы начнем с «внутренней инфраструктуры». Ее можно сравнить с сетью городских коммуникаций – это сложная система труб, трубочек, емкостей и целых «подземных ходов». Ученые называют ее эндоплазматической сетью, намекая на ее внутреннее (греч. эндон — внутри) расположение. По сути это все та же мембранная ткань, образующая канальцы, трубочки, пузырьки и цистерны разной формы и величины.

Эндоплазматическая сеть бывает двух видов – гладкая и гранулярная (усыпанная зернышками рибосом). Чем больше белка должна вырабатывать клетка, тем больше у нее рибосомных «канальцев». В клетках, где вырабатывается в основном жир и жироподобные вещества, большая часть сети – гладкая.

Как и полагается любой уважающей себя инфраструктуре, эндоплазматическая сеть занимается тем, что накапливает и транспортирует в нужные места нужные вещества. Но это далеко не все. В отличие от хорошо знакомой нам водопроводной и канализационной систем, внутренняя сеть клетки выполняет еще роль промышленных цехов – как раз благодаря прикрепленным к ней (или подвешенным прямо в цитоплазматическом веществе, как в воздухе) рибосомам.

Но как рибосома собирает белок? Для начала рассмотрим саму рибосому. На две трети она состоит из РНК. При этом матричная РНК (мРНК) задает последовательность составляющих для молекулы белка. Она играет ту же роль, что схема вязки для неопытной вязальщицы, – здесь простая петелька, здесь изнаночная, а здесь – столбик с накидом. Впрочем, в нашей клетке уже давно введена автоматизация ручного труда, поэтому рибосому можно скорее сравнить с вязальной машиной, а мРНК – это заданная машине программа.

Вторая разновидность РНК – транспортная (тРНК). Ее задача – захватить аминокислоту нужного типа и подать ее в рибосому. Рибосома сверяется со схемой, ставит аминокислоту на нужное место и так, петелька за петелькой, «вывязывает» белковую цепочку.

Аминокислоты поступают к рибосомам по трубкам и трубочкам эндоплазматической сети. А вот если «продукцию» пора транспортировать наружу – за пределы городка, – в дело вступают специальные транспортные службы. Это так называемый комплекс Гольджи.

Комплекс Гольджи – еще один обитатель нашего «городка». Он также создан из мембранной ткани, но, в отличие от эндоплазматической сети, обладает большей подвижностью. Судя по некоторым данным, белки, которые рибосомы собирают и складывают в цистернах эндоплазматической сети, как бы расфасовываются в небольшие пакеты из ее мембран и направляются к комплексу Гольджи; здесь происходит переупаковка их в более крупные пузырьки, образованные из мембран этого комплекса. В этих новых пакетах они транспортируются к плазматической мембране, которая затем сливается с мембраной пузырька, так что, когда пузырек вскрывается, содержимое его выходит из клетки наружу. По мнению некоторых ученых, комплекс Гольджи служит для временного хранения веществ, вырабатываемых в эндоплазматической сети, а канальцы его соединены с плазматической мембраной, что облегчает выведение из клетки этих клеточных продуктов.

Сказка со счастливым концом

Транспортная сеть клетки названа в честь ее открывателя – Камилло Гольджи. Этот известный ученый родился в 1844 году, а прославившее его имя открытие сделал на 54-м году жизни. Впрочем, целью его исследований была не просто клетка как таковая, а нервная ткань человека.

В середине XIX века об электронных микроскопах даже не мечтали, а разглядеть что-то в обычный, оптический, было довольно затруднительно. И тогда Гольджи придумал собственную методику – он окрашивал срез клетки препаратами серебра. Все детали при этом становились более контрастными, и можно было судить о внутреннем строении клетки по ее срезу.

В 1898 году он заметил внутри нервных клеток тонкую сеть из переплетенных нитей. С тех пор «аппарат Гольджи» многократно наблюдался в разных клетках в течение многих лет. Затем, в 1930-40-е гг., после изобретения электронного микроскопа – в сотни раз более мощного, чем самый лучший оптический микроскоп, – «аппарат Гольджи» стал считаться искусственной структурой, возникающей лишь в процессе окрашивания. Однако с совершенствованием техники электронной микроскопии «аппарат Гольджи» был вновь признан реально существующим: ныне считается, что он участвует в преобразовании и выведении белков. Таким образом, как в сказочном хеппи-энде, справедливость восторжествовала.

Если рибосомы можно сравнить с рабочим классом города-клетки, а комплекс Гольджи – с транспортной системой, то роль уборщиков играют лизососмы. Как и полагается представителям малопрестижной профессии, лизососмы очень опасны и коварны. По сути это мешочки из однослойной мембраны, наполненные ферментами. Ферменты необходимы для того, чтобы расщеплять белки, углеводы и липиды и – или подвергать их переработке, или выводить наружу. Пока в городке все спокойно, лизосомы бродят по его улочкам и выполняют свои прямые обязанности. Но если повредить лозосомную мембрану (а такое случается при некоторых заболеваниях или генетических нарушениях), ферменты вырываются наружу и начинают разрушать все подряд, до полной гибели клетки.

 

Глава 4. Откуда в клетке электричество?

Итак, мы преодолели крепостную стену-мембрану, побродили по «замку» – информационному центру, покатались по узким каналам и даже ознакомились с канализационной системой клетки-городка. Но что заставляет двигаться все это чудо? Где моторчик, наполняющий клетку энергией?

Роль электростанции в клетке играют митохондрии. Это сложное название родилось из двух греческих слов – мито (нить) и хондрион (зернышко). А все потому, что митохондрии выглядят как короткая нитка или вытянутое зернышко-гранула. Впрочем, они довольно легко меняют форму, оставаясь при этом постоянными в диаметре. Весь секрет в том, что митохондрии состоят из двух слоев мембранной ткани. Наружный слой – гладкий и может слегка вытягиваться или сжиматься. А вот внутренний «смят» в складки в форме гребней или трубочек (они называются «кристы», а содержимое митохондрии, окруженное ее внутренней мембраной, – «матрикс митохондрии»). В состав внутренней мембраны входит особое вещество, делающее мембрану абсолютно непроницаемой для электрических частиц – протонов. О том, какие возможности это дает, расскажем чуть позже.

Митохондрии – совершенно удивительные образования. В отличие от всех других систем клетки, они – совершенно самостоятельны и обособлены. Они даже размножаться могут самостоятельно, независимо отделения клетки. Ученые считают, что происходит это оттого, что когда-то митохондрии были отдельными организмами – чем-то вроде бактерий – и наши далекие предки (совсем далекие, еще одноклеточные) в незапамятные времена, вместо того чтобы просто проглотить их, приспособили для внутренних нужд. Вот такие были мудрые, эти простейшие.

Не знаю, как для вас, дорогой читатель, но для меня именно эта часть жизни клетки является самой удивительной. Ну как из электрических частиц образуется материя и наоборот? Как из белков, углеводов и жира получают чистую энергию?

Для того чтобы понять, как действуют эти мини-электростанции, сначала вспомним несколько терминов. Уверена, вы не раз слышали об АТФ. Но что это такое? Полное название – аденозинтрифосфорная кислота. Это особое вещество, которое с полным правом можно считать аккумулятором энергии. Дело в том, что в нем связи между атомами фосфора и кислорода являются макроэргическими, то есть при их разрыве выделяется большое количество энергии.

Задача митохондрии – синтезировать, то есть собрать молекулу АТФ из подручных средств, которые можно найти в клетке. Для этого она использует самые различные механизмы.

Основные закономерности преобразования энергии митохондриями изложены в одноименной статье лауреата Государственной премии СССР профессора А. Д. Виноградова. Это подробный рассказ, понятный (честно говоря) только узким специалистам. Но если немного упростить изложенное, то завеса тайны поднимется и для широкого круга читателей.

Итак, первый механизм называют «клеточным дыханием». Это цикл химических реакций, проистекающих с участием кислорода, – от этого и пошло название. В каждой реакции выделяется совсем небольшое количество энергии, но ее достаточно, чтобы произошла следующая реакция и так далее, пока не будет собрана «аккумуляторная батарейка» – АТФ.

Для своей работы митохондрии могут использовать только самые простые составляющие глюкозы (углеводов, попадающих в наш организм с едой). Поэтому первый этап дыхания – это подготовка глюкозы к использованию, или гликолиз. Глюкоза расщепляется вне митохондрий – в цитоплазме. Если вспомнить школьный курс органической химии, можно иметь в виду, что в ходе гликолиза молекула глюкозы превращается в два остатка уксусной кислоты. В митохондрию они «проталкиваются» специальным переносчиком – коэнзимом А. Коэнзим А присоединяет к себе остаток уксусной кислоты, превращается при этом в ацетилкоэнзим А, или, кратко, ацетил-КоА, и в таком виде «протискивается» сквозь внешнюю мембрану митохондрий.

Тут «контрабандиста» уже поджидают. Захваченные им атомы надо пересадить с коэнзима и пустить в дело дальше. В этой операции участвует так называемый цикл Кребса – это кольцевая последовательность реакций, в ходе которых исходное вещество возвращается в свое первоначальное состояние. Этот цикл можно сравнить с водяной мельницей – вода льется на лопасти колеса и заставляет его двигаться, но само колесо при этом остается на месте.

Как это происходит? Давайте считать началом цикла молекулу щавелевоуксусной кислоты. В первой же реакции на нее переносится с ацетил-КоА остаток уксусной кислоты (он состоит из двух атомов углерода, трех – водорода, и одного атома кислорода), в результате получается изолимонная кислота. В ходе остальных реакций цикла атомы-перебежчики (те, которые были названы выше) отделяются от изолимонной кислоты и следующих молекул органических кислот, и в последней реакции снова получается щавелевоуксусная кислота. Точнее говоря, в каждом цикле от изолимонной кислоты и получающихся из нее молекул отделяются составные части остатка уксусной кислоты, присоединенного два цикла назад.

Реакции цикла Кребса происходят в жидкости, заполняющей митохондрию, а вот следующий процесс – окислительное фосфорилирование – в ее внутренней мембране. В тончайшем слое мембранной ткани «дрейфует» пять типов специальных окислительных белков. Они «вылавливают» освобождающиеся в процессе цикла Кребса атомы водорода и «сжигают» их с образованием молекул воды. Это делается так: белок № 1 отбирает у водорода один электрон и передает его белку № 2, тот – белку № 3, и так далее, до белка № 5. Белки № 2 и № 4 имеют небольшие размеры, поэтому в мембране они двигаются значительно быстрее № 1, 3 и 5, и по сути дела, играют роль курьеров, разносящих электроны по назначению. При этом энергия электрона все время уменьшается. Белок № 5 накапливает четыре таких электрона, а затем производит реакцию образования воды:

4 e- + O2 + 4H+ = 2 H2O.

Энергию, выделяющуюся при прохождении электрона по дыхательной цепи, белки № 1, 3 и 5 расходуют на выбрасывание протонов изнутри митохондрии в пространство между ее мембранами. В этом пространстве создается положительный заряд, а внутри митохондрии – отрицательный.

По сути, глюкоза нужна нашему организму именно как «горючее» для производства энергии. Это – важный момент в понимании энергетической сущности процессов, происходящих в митохондриях. Разница зарядов заставляет протоны стремиться обратно, внутрь, но плотная внутренняя мембрана их не пропускает. Тогда протоны начинают искать «лазейки» или «шлюзы». Такими шлюзами выступают специальные молекулы АТФ-синтетазы. Само название молекул подсказывает, что как раз они занимаются «сборкой» наших «батареек» – АТФ. Они синтезируют молекулу, пропуская протоны через себя и запасая энергию во внутренних связях АТФ.

Вот так работает самая крошечная электростанция в мире.