Поэтому выделенный из клетки хлорофилл тут же испускает фотоны обратно — светится, как светятся все фосфоресцирующие вещества, в которых химическая энергия превращается в световую. Значит, хлорофилл в пробирке не может удержать пойманную энергию света. Она здесь быстро рассеивается, как в батарейке, если замкнуть накоротко ее электроды.
Так и хлорофилл в пробирке испытывает как бы короткое замыкание, и накопленная энергия расточается без пользы в пространство.
Иное дело в клетке — там в энергосистему хлорофилла включается длинная серия особых веществ, которые по замкнутой цепи реакций передают друг другу «горячие», то есть возбужденные, богатые энергией электроны. Проделав этот путь, электроны постепенно «остывают», избавляются от избытка энергии, полученной от фотонов, и возвращаются опять на старт — на свои места в молекуле хлорофилла. И она с этого момента снова способна поглощать фотоны.
А избыточная энергия, потерянная ими, и есть та таинственная «жизненная сила», о которой много спорили натурфилософы прошлых веков. Питаясь ею, жизнь существует.
Потерянную «горячими» электронами энергию в клетке быстро подхватывают вещества-энерготранспортеры. Они функционируют по принципу аккумуляторной батареи: одни, заряжаясь энергией, переносят ее ко всем жизнедействующим органам клетки, где возникает потребность в энергии. Там они разряжаются и в виде уже несколько иных веществ, с более бедными энергией химическими связями, снова возвращаются к хлорофиллу на подзарядку.
Аденозиндифосфат, или сокращенно АДФ, и аденозинтрифосфат (АТФ) циркулируют в клетке между источником — хлорофиллом — и потребителями, разнося небольшими порциями энергию.
АДФ — разряженная форма. Она заряжается, присоединяя одну фосфатную группу, и превращается в АТФ. В результате этого превращения энергия света преобразуется в энергию химических связей. Ведь АТФ на целую фосфатную группу богаче энергией, чем АДФ.
В тех органеллах клетки, где идет синтез глюкозы, белков, жиров или другие процессы, поглощающие энергию (мышечная работа, мышление, деление ядер и прочее), АТФ, потеряв фосфатную группу и вместе с ней часть энергии, снова превращается в АДФ.
И так без конца!
Биохимики еще не знают в точности, какие вещества — проводники электронов включаются в замкнутую цепь вокруг хлорофилла и, передавая друг другу «горячие» электроны, так сказать, «остужают» их. Извлеченную из электронов энергию они отдают на приготовление АТФ из АДФ.
АТФ и АДФ — универсальные переносчики энергии в клетке, и в растительной и в животной. Благодаря их трудам в растениях идет изготовление глюкозы, жиров и белков. И в клетках животных энергию, извлеченную из этих веществ, разносят ко всем потребителям тоже молекулы АТФ.
Но прежде чем добыть из консервов энергию, нужно их вскрыть. Какой же консервный нож изобрела природа?
Нож этот — кислород! Окисляя органические вещества, медленно сжигая их в своих топках, клетки освобождают скрытую в них энергию.
Горение — это цепная реакция окисления. При нем сразу выделяется слишком много энергии. Ясно, что для клеток эта цепная реакция не годится, иначе они и сами сгорят. Здесь энергия должна поступать такими ультрамалыми дозами, чтобы молекулы не разрушались, вещества-транспортеры успевали ее всю разносить по потребителям, а клетка не перегревалась.
Консервы «расконсервируются» поэтапно. Сначала от глюкозы, например, отрываются два атома водорода и соединяются с кислородом. Образуется вода, и освобождается энергия, которую тут же подхватывают молекулы АДФ и, обратясь в АТФ, следуют по назначению. Затем еще два атома водорода в соединении с кислородом дают жизнь воде и полезной энергии и т. д. Когда весь водород кончается, вещества-регуляторы направляют кислород на атомы углерода. В результате имеем углекислый газ и опять освобожденную энергию.
Вещества-регуляторы, которые только что были упомянуты, — это окислительные ферменты, иначе говоря, катализаторы. Без них медленное «горение» невозможно. Они работают по конвейерной системе, располагаясь цепочкой в строгом порядке. Около шести разных ферментов передают друг другу атомы сжигаемого горючего. При каждой передаче освобождается небольшая порция энергии, заключенной в химических связях солнечных консервов.
Где же работают конвейеры окислительных ферментов? В каких топках сжигают клетки топливо жизни?
В митохондриях. Пора нам к ним вернуться.
Митохондрия похожа на сосуд с жидкостью, полость которого разделена неполными перегородками. В перегородках, во внутренней стенке и в жидкости, наполняющей митохондрию, помещаются конвейерные линии ферментов, расщепляющих глюкозу и заряжающих молекулы АДФ энергией. От 5 до 10 тысяч конвейерных линий в каждой митохондрии!
Уже после того, как митохондрии были открыты, электронный микроскоп помог биологам обнаружить в клетке еще одни очень важные для жизни частицы — мельчайшие тельца — рибосомы. Рибосомы — это ультрамалые, размером в сотые доли микрона, центры производства белка. В них из аминокислот создаются белки.
Аминокислоты — органические вещества, содержащие одновременно кислую и щелочную группы. В настоящее время их известно немногим больше двадцати. Соединяясь в разных сочетаниях друг с другом, аминокислоты образуют молекулы белков. В нашем теле десятки тысяч разносортных белков, и все они сложены из двух десятков аминокислот, соединившихся в каждом белке в характерной только для него последовательности.
Лишь недавно биохимики составили достаточно ясное представление о том, как идет такой синтез.
Прежде всего, как и для всякого другого производственного процесса, для синтеза белков необходимо сырье. Оно есть — аминокислоты. Растительные клетки создают их сами, в митохондриях, а клетки животных многие аминокислоты получают из переваренной пищи.
Нужны рабочие. Есть и они — ферменты. Нужна энергия — мы уже знаем, откуда она берется. Солнце и молекулы АТФ доставляют ее. Ферменты активизируют аминокислоты, а проще говоря, помогают им получить энергию от АТФ.
Молекула АТФ разрывается, и обе ее части соединяются с аминокислотой и ферментом в единый комплекс. Когда АТФ разрывается, энергия химических связей, скреплявшая ее, отдается аминокислоте. Та переходит на более высокий энергетический уровень и поэтому более энергично и активно вступает в химические реакции.
Вот тут в игру и входит РНК — рибонуклеиновая кислота. Ее роль в синтезе белков исключительно важна. РНК выступает в двух лицах: РНК-переносчик транспортирует активизированную аминокислоту к другой РНК — матрице, которая диктует порядок сборки белка из аминокислот.
РНК-матрицы — они значительно длиннее транспортных — располагаются главным образом в рибосомах. Здесь идет массовое производство белков. Только некоторые особые белки синтезируются, по-видимому, в ядре и в митохондриях.
Итак, РНК-транспортер доставляет аминокислоту, предварительно наделенную нужной дозой энергии, прямо к РНК-матрице. Аминокислота на ее поверхности может удержаться не где попало, а только на строго определенном месте. Для каждой из двадцати аминокислот на поверхности синтезирующей белок РНК приготовлена своя якорная стоянка. Никакая другая аминокислота ее занять не может.
Каждые полсекунды аминокислота ложится к аминокислоте, всегда на свое место. Десятки и сотни, даже тысячи аминокислот выстраиваются в ряд на поверхности РНК. Затем аминокислоты соединяются друг с другом в длинную цепь, и готовая молекула белка соскакивает с нуклеиновой матрицы. Порядок построения аминокислот на РНК, а иначе говоря, формула будущего белка зависит от химической структуры той РНК, на поверхности которой они выстраиваются.
А эту структуру, эту матрицу как бы штампует по своему образу и подобию дезоксирибонуклеиновая кислота — ДНК. РНК, химический шифр которой руководит синтезом белка, — сама слепок, копия с ДНК. Молекула РНК «представляет собой как бы приводной ремень, передающий информацию от ядра к рибосомам», — говорит крупнейший наш генетик Николай Петрович Дубинин. А ДНК — это оригинал. Это первоисточник генетической информации. В ДНК и скрыта наша наследственность: алфавитом, в котором всего четыре буквы, и всеми словами, сложенными из них, трехбуквенными, закодированы в ней врожденные свойства живого организма.
Как закодированы?
Приблизительно так же, как человеческие мысли шифруются и передаются от человека к человеку в словах каждого языка. Все идеи человечества, все его бытовые навыки и все знания закодированы в какой-нибудь сотне тысяч слов. Каждое слово, или кодовая группа, состоит из букв. Их немного, несколько десятков. Буквы образуют алфавит. Таким образом, все богатства человеческой мысли, накопленные за тысячелетия, весь этот необъятный, казалось бы, арсенал знаний и идей может быть выражен, сохранен на полках библиотек и передан следующим поколениям в сочетаниях всего лишь нескольких десятков букв, или, как говорят кибернетики, символов.
Но та же самая сверхобширная информация может быть выражена еще меньшим числом букв — всего двумя символами. Примером служит азбука Морзе, в которой различная последовательность точек и тире способна передать все мысли человеческие.
У ДНК алфавит четырехбуквенный. Буквами служат особые химические соединения — азотистые основания: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Кодовыми группами, или словами, — их сочетания в молекулы ДНК. Как в азбуке Морзе определенное чередование тире и точек составляет фразу.
Из скольких же букв, скольких азотистых оснований составлены передающие наследственную информацию слова?
Проще всего в этом разобраться на примере синтеза белков. Ведь первое звено в длинной цепи построения организма по плану, заключенному в наследственности, это созидание специфических для него белков.
Все белки, а их великое множество сортов и разновидностей, строятся на РНК из двадцати аминокислот. Я уже говорил об этом. Так вот, каждая аминокислота занимает свое место на РНК напроти