За да получат енергия от хранителните вещества, живите организми трябва да проведат с тях огромен брой биохимични реакции на разграждане.
Тези реакции могат да бъдат разделени условно на 2 групи. Да вземем например една молекула глюкоза, на първо място в нашите клетки с нея ще се извършат поредица от трансформации, които не изискват кислород (това е т.нар. гликолиза), едва след това ще започне втора стъпка наречена окислително фосфорилиране, където вече ще се изисква присъствието на кислород. Резултатът ще бъде молекула АТФ, където енергията ще се съдържа във форма, удобна за клетките. Освен това, при разцепването една молекула глюкоза по време на кислородния етап (окислителното фосфорилиране) ще се получават от 30 до 36 молекули АТФ, докато по време на предварителния безкислороден такъв само две. Ясно се вижда разликата между енергийната ефектовност на двата процеса и енергията, която се получава при кислородното и безкислородното
разцепване на молекула глюкоза.
Логично би било да изглежда, че днес когато на Земята отдавна е вече е установена кислородна атмосфера, всички живи същества би било разумно да придобият механизъм за кислородно разделяне (разграждане) на хранителните вещества, при който се произвежда много повече енергия.
Въпреки това, бактериите използващи за производството на енергия само гликолизата (с изключение на нея има и други начини за разделянето на свободния кислород) са много голям брой. Отделно от това, гликолизата се използва активно и от много гъби (като например дрожди). Разбира се, че този механизъм е застъпен в анаеробните бактерии, които живеят в отсъствието на кислород, но има огромен брой бактерии, за които кислородът си е изцяло достъпен, но те все пак избират да живеят и получават енергия само от гликолиза.
В същото време възникава проблема с факта, че от една страна, има необходимост да се направи нещо с биохимичните отпадъци на гликолизата и второ има необходимост от възстановяване на помощните молекули, които са помагали за извличането на енергията от глюкозата. В тези процеси може да се използва O2, но не е задължително. Ако всички процеси като гликолиза и последващото “събиране на отпадъците й” не станат с помощта на кислород, тогава вече имаме процес наречен ферментация в резултат, на който имаме продукти като млечна киселина, алкохол, оцетна киселина, или други молекули, в зависимост от конкретните тип ферментация. Енергия в същото време обаеч вече не се произвежда.
Разбира се е добре, че микробите още ползват гликолизата тъй като без тях нямаше да имаме вино, сирене,
хляб или кисело зеле, но все пак остава въпроса- защо този тип обмен на енергия не е оставен в периферията на живота? Освен това, някои еукариотни клетки, които отдавна са се “научили” на окислително фосфорилиране и гликолизата се използва само като подготвителен етап за него, също понякога се отказват от ефективните етапи за производство на енергия.
В цялото изложение по-горе става дума за рака: Още през 20-те години на ХХ-ти век Ото Варбург заявява, че раковите клетки напълно преминат към гликолиза, която поглъща огромно количество въглехидрати. (Това е причината поради, която туморът може да се види от позитрон емисионната томография (PET) в тялото на пациента, когато се приложи модифицирана глюкоза със специалнен флуорен изотоп).
Но все още си остава основния въпрос – защо туморните клетки както и бактериите, предпочитат неефективния метод за производство гликолитична енергия, който оставя огромно количество клетъчни отпадъци?
Преди няколко години беше предложена хипотеза, че цялата работа е в “клетъчната икономика”, и “цената” на ензимите, които трябва да участват в един или друг процес. Или по-просто казано: Стрували си клетката да инвестира в ензими за кислородно добиване на енергия. Хипотезата е теоретично тествана. Ясно е,
че всички реакции, както при безкислородното, така и при кислородното разграждане на хранителните вещества, пренасяни от ферменти, т.е. ензими, се нуждаят от синтезиране, първо от копие на мРНК, съответстваща на гените в ДНК и след това чрез насочване на тази мРНК към рибозомите, където се осъществява изграждането на полипептидните вериги вече в протеини (разбирай конкрети ензими). Ако клетката живее само на безкислородно без производство на енергия, тя се нуждае само от набор на гликолитични ензими, а ако тя се “обзаведе” и с окислително фосфорилиране (ОФ), то към гликолитичните ензими (не забравяйте, че гликолизата няма да изчезне, а просто ще стане предварителен етап в ОФ)
се добавят още куп протеини обслужващи новия стадии. Към тях трябва да се синтезират и повече рибозоми, т.е. повече рибозомни протеини и рибозомна РНК. Това от своя страна си е разход на енергия, която би затормозила бързо делящите се клетки.
Сега да предположим, че една клетка се разделя на много бързо (например, в E.coli се дели на всеки 20-25 мин.).
Тя следователно има нужда от протеини, осигуряващи и контролиращи възпроизвеждането, и обикновено се нуждае от синтезиране на белтъци които са материал за дъщерните и клетки. В този случай, когато на клетката са на разположение много хранителни вещества, които й позволяват да се размножава бързо, кислородното добиване на енергия става нерентабилно. (Има статия в Nature се отбелязва, че за микробите е много по изгодно да използват гликолиза за активното си възпроизвеждане.)
Тук много важна роля играят и самите структурни свойства “кислородните” ензими: ако бактериите са “намислили” да направят протеини за окислителното си фосфорилиране, които са доста големи и сложни, а и синтеза им отнема много време, то те просто биха изплзвали много рибозоми за възпроизвеждането си. Що се отнася до неефективността на гликолизата, то когато има много хранителни вещества, тогава тази неефективност може да бъде пренебрегната. Ако обаче хранителните вещества са малко е възможно клетките да изпаднат в неактивно състояние и да зачакат удобен момент отново да се възпроизведат.
От друга страна- кислородния, високо-ефективен метод за производство на енергия е оправдан в случаите на хроничен дефицит “храна”. Тогава той става печеливш за едни умерени нива на възпроизводство и има еволюционна полза от това да се инвестира в създаването на сложна система от ензими за окислителното фосфорилиране.
С други думи, продължаващата “популярност” на гликолизата не е еволюционна грешка, а резултат на стратегически избор на организмите, които разчитат на наличието на хранителни вещества и висока продуктивност. Това както видяхме са не само бактериите, но и много видове гъби и както беше казано и раковите клетки, за които се знае, че се делят много, ама много бързо. Трябва да отбележим, че в случая на гликолиза в раковите клетки могат да бъдат и други причини, които да насърчават тумора да използва безкислородни механизми за добиване на енергия (разбира се, туморните клетки може да не разполагат с достатъчно кислород, поради липсата на кръвоносните съдове, например).
Continue Reading
