Кисло и еще кислее: не пора ли восстановиться?

Как запасается и переносится энергия, часть вторая

В прошлой части мы поговорили про фосфаты, а сейчас поговорим про еще одну важную часть энергетического обмена: про перенос электронов, зачем это нужно и как вообще работает.

Кисло и еще кислее: не пора ли восстановиться?
В хороших учебниках по биохимии рекомендуют для наглядности представить себе электрическую цепь. Перемещение электронов в электрической цепи (электрический ток) способно совершать работу (зажечь лампочку, нагреть утюг, вертеть вентилятор, и т.д.). В живых клетках тоже регулярно происходит перемещение электронов, и оно тоже способно совершать работу. Только электроны перемещаются не сами по себе, а через целый ряд посредников - вещества, способные связывать электроны, а затем отдавать их.

Какая работа при этом совершается? Самая разная. Ферменты получают энергию и катализируют реакции, образуется вода, с места на место переносятся фосфатные группы, туда-сюда перегоняются протоны, открываются и закрываются каналы, перекачиваются ионы, - словом, идет нормальная внутриклеточная жизнь.

Возможно, это покажется странным, но с точки зрения общего энергетического выхлопа нет никакой разницы, проходит ли реакция "в лоб" или через десяток промежуточных реакций. В живых системах обходные пути практикуются в тех случаях, когда реакцию нельзя осуществить, не затратив значительного количества энергии на инициацию (то есть - почти всегда). Так и с перемещением электронов: нет разницы, бегут ли электроны сами или их кто-то перетаскивает: главное, что они перемещаются из пункта А в пункт B, а вместе с ними перемещается энергия.

Отъем электронов у атомов вещества называется окислением, а присоединение электронов называется восстановлением. Занимаются этим в основном ферменты-дегидрогеназы, они отщипывают электроны у окисляемых веществ и передают их переносчикам-посредникам.

Таких посредников существует довольно много, среди них - цитохромы, железосерные белки, хиноны. Есть посредники специализированные, а есть универсальные: NAD, NADP, FAD, FMN.

Электроны... NADа?

NAD является обязательным участником многих окислительно-восстановительных реакций (некоторые из них мы мельком видели в цикле Кребса). Для того, чтобы реакции шли нормально, NAD как минимум должен быть в наличии, и именно в нужной форме.

Что это значит? NAD забирает электроны следующим образом: один электрон забирается вместе с владельцем-протоном, что составляет в сумме целый водород, а второй отрывается от владельца, владелец при этом отправляется свободно гулять. Называется такое гидрид-ионом. Забрав гидрид-ион, NAD этот гидрид-ион должен затем отдать и вернуться в исходное состояние. А для того, чтобы NADH (NAD, забравший гидрид-ион, обозначается именно так), мог этот гидрид-ион отдать, то должны выполняться определенные условия, главное из которых - а кому отдавать-то? Не будет, кому отдать, будет накапливаться NADH и получится дефицит NAD, и те реакции, которые требуют NAD, проходить не смогут. И куда деваться? А например, пойти другим путем, которому нужны NADH, а в результате получаются NAD.

На самом деле все немного сложнее. Имеет значение, в каком месте происходит реакция, а в каком месте нужны электроны. Часто бывает так, что реакции проходят в митохондриях, а потребность в электронах возникла, например, в цитоплазме. Вариация NADH (которой много в митохондриях) через мембрану митохондрий просочиться не может, а, например, яблочная кислота - может. Таким образом при возникновении потребности в электронах и дефиците нужной формы NAD используются различные обходные пути (в приведенном примере - сделать в митохондриях яблочную кислоту, она пройдет через мембрану, встретит в цитоплазме NAD, отдаст ей электроны, превратившись из яблочной в щавелевоуксусную кислоту, которую, впрочем, тут же подхватят другие ферменты и будут лепить из нее что-нибудь нужное). Ну а NADH потащит электроны туда, где они с самого начала были нужны.
Кисло и еще кислее: не пора ли восстановиться?
Возьмем уже неоднократно упоминавшийся пируват. Не будем обсуждать, как получился пируват (он может получиться разными способами). Вот он есть, а дальше что происходит? Дальше он может отправиться прямиком в цикл Кребса, но только при условии, что для этого достаточно кислорода (например, мы неспешно так бежим марафон. Бежим и дышим, бежим и дышим...).

А если кислорода недостаточно (например, мы внезапно бежим стометровку на скорость и вот уже "спеклись", а бежать надо - за нами медведь гонится!), так вот, когда кислорода недостаточно, пируват превращается в молочную кислоту при непосредственном участии знакомой нам лактатдегидрогеназы (ЛДГ) и - сюрприз! - NADH (то есть той формы NAD, которая уже приняла на себя электроны, а отдать их не может, ибо некому - нет кислорода, который эти электроны заберет).

И вот ЛДГ катализирует, NADH отдает гидрид-ион пирувату, и пируват превращается... превращается в элегантную молекулу молочной кислоты. Ту самую, от которой потом болят мышцы (ну, это если медведь нас все-таки не поймает, а то, ясен перец, нечему будет болеть). Зачем это он превращается? А ему деваться некуда. В цикл Кребса не получается - кислорода не хватает. NADа нет, его уже другие ферменты похватали, чтоб хотя бы от гликолиза фосфаты получались, а то ж беда совсем, бежать надо, энергии нет, мышцы уже забыли, как сокращаться... хорошо, если медведь плюнет на нас и сам перестанет бежать, и мы сможем упасть и тупо смотреть в небо Аустерлица.

И вот мы лежим, охаем, мышцы болят, а всего-то надо - лактат выгнать и в пируват обратно превратить. Да он и выгонится потихоньку, попадет в печень, а там его быстренько снова до пирувата оприходуют, а там и до глюкозы недалеко. Ну просто рукой подать.

Это еще ладно, чем тренированнее человек, тем быстрее он восстанавливается после такого. А вот крокодилы после совершения своих знаменитых бросков сутками валяются бревно бревном. А все потому, что в белых мышцах весь метаболизм такой - безвоздушный (кстати, поэтому лягушачьи лапки на вкус совсем как куриные крылышки - те же белые мышцы, та же биохимия!).

Этот процесс называется молочнокислым брожением. И да, в кефире и в йогуртах происходит то же самое!

Заметим, что многие ферменты дегидрогеназы работают только совместно с NAD. Например, алкогольдегидрогеназа, которая окисляет этанол - как раз из таких.

CH3CH2OH (этанол) + NAD+ -- > CH3CHO (уксусный альдегид) + NADH + H+
Кисло и еще кислее: не пора ли восстановиться?
Кстати, глядя на эту запись, можно сообразить, что если принимать алкоголь на голодный желудок и не закусывать, то подобное неминуемо грозит гипогликемией. Почему? Да потому что откуда взяться глюкозе, когда человек ничего не ест? Только через пируват. А чтобы сделать пируват, нужна NAD, а у нас - только NADH в наличии, спасибо необходимости разложить этанол, ага.

Огромное значение для нормальной жизнедеятельности имеет фосфорилированная форма NAD - NADP (и ее принявшая электроны вариация - NADPH). Это вещество абсолютно необходимо для "починки" молекул, которые подверглись незапланированному окислению по воздействием свободных радикалов, образуемых кислородом (в разных формах). То есть это как раз то, что называется модным словом "антиоксидант". Особенную потребность в NADPH испытывают те ткани, в которых активно синтезируются жирные кислоты и/или холестерин и стероидные гормоны (печень, жировая ткань и другие).

Что будет, если в организме в принципе не хватает NAD? Понятно, что не будет ничего хорошего. Такая болезнь давно известна и называется пеллагра. Химическим предшественником NAD является не что иное, как витамин B3, иначе никотиновая кислота, а предшественником этих веществ служит триптофан. Кто преимущественно питается едой, в которой мало триптофана (например, кукурузой, как это было не так давно в северной Италии - эта их полента, которую сплошь и рядом ели крестьяне), так вот, у этих людей развивается пеллагра. Симптомы у пеллагры очень характерные: это дерматит, диарея и деменция. Полный 3D, так сказать.

И хотя в лаборатории никотиновая кислота была получена окислением никотина (откуда и название - никотиновая кислота), но табачный никотин пеллагру не лечит. И нехватку витамина B3 не восполняет, потому как в человеческом организме никотин метаболизируется совсем по-другому, так-то!

А вот коферменты FAD, FMN образуются из витамина рибофлавина, иначе говоря - из витамина B2. Основную свою функцию эти соединения у человека выполняют в митохондриях в реакциях окислительного фосфорилирования.

Продолжение следует

Литература: