Щоб забезпечити собі високу швидкість розмноження, бактерії досі продовжують жити на неефективному бескислородном способі видобутку енергії.

Щоб отримати енергію з поживних речовин, живі істоти проробляють з ними величезна кількість біохімічних реакцій. Реакції ці можна розподілити по групах: якщо взяти, наприклад, молекули глюкози, то спочатку в наших клітинах з нею станеться ряд перетворень, які не потребують кисню (так званий гліколіз), а потім почнеться етап окисного фосфорилювання, де кисень вже необхідний. В результаті виходять молекули АТФ, в яких енергія укладена в зручній для клітини формі. Причому при розщепленні однієї молекули глюкози в ході кисневого етапу - окисного фосфорилювання - виходить від 30 до 36 молекул АТФ, а в ході попередніх безкисневих перетворень - всього дві.

Бактерії зберігають вірність давнім способом видобутку енергії шляхом безкисневого розщеплення поживних речовин. (Фото Lester V. Bergman / CORBIS.)

Діляться ракові клітини. (Фото Dr. David Phillips / Visuals Unlimited / Corbis.)

У наших клітинах кисневий етап отримання енергії відбувається в мітохондріях. На фото - людський лімфоцит, синім забарвлене ядро, помаранчевим - мітохондрії. (Фото Visuals Unlimited / Corbis.)

<

>

Здавалося б, зараз, коли на Землі вже давно встановилася киснева атмосфера, всім живим істотам резонно було б обзавестися механізмом кисневого розщеплення живильної органіки - енергії-то так видобувається більше. Однак бактерії, наприклад, використовують для отримання енергії тільки гліколіз (крім нього, є й інші шляхи безкисневого розщеплення, але про них ми зараз говорити не будемо). Крім них, його активно використовують багато гриби (наприклад, дріжджі). Зрозуміло, коли так чинять анаероби, тобто ті, хто живе в безкисневих умовах, але ж величезне число бактерій, для яких кисень за способом життя цілком доступний, все одно живуть на гликолизе.

Одночасно виникає проблема з тим, що, по-перше, потрібно щось зробити з біохімічними відходами гліколізу, а по-друге, потрібно відновити допоміжні молекули-інструменти, які допомагають добувати енергію з глюкози. Тут якраз може використовуватися O2, але необов'язково. Якщо взагалі все - і гліколіз, і подальша «прибирання сміття» - відбувається без кисню, то кажуть, що йде бродіння, в результаті чого виходить молочна кислота, або спирт, або оцтова кислота, або ще якісь молекули, в залежності від конкретного типу бродіння. Енергії при цьому вже не видобувається.

Звичайно, добре, що мікроби так до сих пір і користуються виключно гликолизом - без них ми б не знали ні вина, ні сиру, ні хліба, ні квашеної капусти, але все-таки - чому такий тип енергетичного обміну НЕ пішов на периферію життя? Більш того, деякі еукаріотичні клітини, які давно навчилися окислювальному фосфорилированию і використовують гліколіз тільки як підготовчий етап до нього, теж часом відмовляються від ефективного кисневого етапу видобутку енергії.

Мова йде про рак: ще в 20-і роки Отто Варбург, видатний біохімік і лауреат Нобелівської премії, зауважив, що клітини злоякісних пухлин повністю переходять на гліколіз, поглинаючи величезну кількість вуглеводів. Завдяки цьому, до речі, пухлина можна помітити за допомогою позитронно-емісійної томографії (ПЕТ): в організм хворого вводять модифіковану глюкозу зі спеціальним ізотопом фтору, і залишається тільки за допомогою ПЕТ стежити, куди відправиться мічена глюкоза. Але питання все одно залишається - чому пухлинні клітини, слідом за бактеріями, віддають перевагу неефективного гликолитическому способу видобутку енергії, який до того ж захаращує клітку величезною кількістю відходів?

Кілька років тому було висунуто припущення, що вся справа в клітинної економіці, в вартості ферментів, які повинні займатися тим чи іншим процесом. дослідникам з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго вдалося перевірити гіпотезу розрахунками. Зрозуміло, що всі реакції як безкисневого, так і кисневого розщеплення поживних речовин здійснюються ферментами, тобто білками, які потрібно насінтезіровать - тобто спочатку зняти копію мРНК з відповідних генів в ДНК, а потім на мРНК направити рибосоми, що збирають поліпептидні ланцюги білків. Якщо клітина живе тільки безкисневому здобиччю енергії, їй потрібен комплект ферментів гліколізу, якщо ж вона обзаводиться ще й окислювальним фосфорилюванням, то до гліколітичні ферментам (нагадаємо, що при кисневої видобутку енергії гліколіз нікуди не дівається, він просто стає попередніми її етапом) додається купа білків , які обслуговують нову стадію. Щоб їх синтезувати, потрібно більше рибосом, тобто більше рибосомних білків і Хвороби.

Тепер уявімо, що клітина дуже швидко ділиться (наприклад, у кишкової палички від ділення до поділу проходить 20-25 хвилин). Їй, отже, потрібні білки, що забезпечують і контролюють розмноження, та й взагалі при розподілі потрібно насінтезіровать матеріал для дочірньої клітини. І ось в такому випадку, коли у клітини в розпорядженні багато поживних речовин, що дозволяє їй швидко розмножуватися, киснева видобуток енергії виявляється невигідною. У статті в Nature Маркус Басан (Markus Basan) і його колеги пишуть, що швидкозростаючим мікробам вигідніше залишатися на гликолизе і активно ділитися.

Тут ще грають роль і структурні властивості самих «кисневих» ферментів: якби бактерії задумали робити білки окисного фосфорилювання, які досить великі і на синтез яких йде багато часу, то їм би просто перестало б вистачати рибосом на розмноження. А що до неефективності гліколізу, але ж коли навколо багато поживних речовин, цієї неефективністю можна і знехтувати. А якщо поживних речовин стане мало, можна впасти в неактивний стан і перечекати. З іншого боку, кисневий, високоефективний спосіб отримання енергії виправдовує себе саме в разі хронічного дефіциту «їжі». Тоді стає вигідно стримати темпи розмноження і вкластися в створення складної системи ферментів окисного фосфорилювання.

Іншими словами, триває «популярність» гліколізу - чи не еволюційний непорозуміння, а наслідок стратегічного вибору тих організмів, які роблять ставку на доступність поживних речовин і продуктивність. Так надходять не тільки бактерії, але і багато грибів і, як було сказано, ракові клітини, про які всі знають, що вони діляться дуже, дуже швидко. Втім, самі автори роботи говорять, що у випадку з раком можуть бути й інші причини, які спонукають пухлина перейти на безкисневому шлях метаболізму (наприклад, клітинам в глибині пухлини може просто не вистачати кисню через відсутність кровоносних судин).