Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Шрифт:
Трансаминазы представляют собой пример ферментов, использующих в качестве кофермента пиридоксальфосфат, в котором содержится группа атомов, организмом не синтезируемая в принципе. Так был обнаружен еще один витамин группы В, пиридоксин.
Итак, движение аминогрупп осуществляется от аминокислот в целом к глютаминовой кислоте и аспарагиновой кислоте, а от них уже в цикл производства мочевины. Те аминокислоты, в состав которых входит лишний атом азота или атом серы, избавляются от них с помощью механизмов, которые я здесь не буду описывать. Достаточно будет сказать, что, так или иначе, все атомы азота и серы устраняются и остается только «углеродный скелет».
Этот углеродный скелет может представлять собой одно из тех веществ, с которыми мы уже сталкивались при описании катаболизма углеводов или белков. К примеру, когда аланин подвергается трансаминации, он теряет аминогруппу и приобретает связанный двойной связью кислород, вследствие чего образуется пировиноградная кислота.
С помощью кофермента А пировиноградная кислота избавляется от гидроксильной группы обычным способом, и образуется ацетилкофермент А, который уже может вступить в цикл Кребса. Для организма нет разницы, образована ли пировиноградная кислота из глюкозы или из аланина. И в том и в другом случае это одна и та же пировиноградная кислота, с одним и тем же энергетическим содержанием. Другие аминокислоты, например валин, серии, треонин и цистеин, тоже преобразуются, несколько более длинным путем, в пировиноградную кислоту.
Несколько аминокислот, например лизин, подвергаются изменениям, в ходе которых превращаются в ацетоуксусную кислоту и далее — в ацетил-кофермент А, после чего входят в цикл Кребса по пути катаболизма жиров.
А некоторые аминокислоты входят в цикл Кребса и сами по себе. К примеру, аспарагиновая кислота сразу после деаминации становится щавелево-уксусной кислотой, а глютаминовая кислота — альфа-кетоглутаровой кислотой. Оба этих вещества являются промежуточными продуктами цикла Кребса и могут сразу быть приняты в него на соответствующих этапах.
На рис. 72 подведены итоги катаболических взаимосвязей белков, жиров и углеводов.
Конечно, обратив различные реакции катаболизма, можно получить аминокислоты из соответствующих углеродных скелетов. К примеру, если организм пресыщен глютаминовои кислотой и в то же время наблюдается нехватка аланина, в некоторых случаях запускается процесс передачи аминогруппы от глютаминовои кислоты к пировиноградной кислоте и формирования из последней аланина. В случае обратной ситуации организм точно так же может инициировать процесс передачи аминогруппы от аланина к альфа-кетоглутаровой кислоте, а из последней — образовывать глютаминовую. Присутствие в пище аминокислот, которые могут быть синтезированы подобным образом, не обязательно.
С другой стороны, некоторые аминокислоты проходят во время реакций получения углеродных скелетов хотя бы один необратимый этап. Такие аминокислоты уже нельзя вернуть в исходное состояние с помощью каких бы то ни было промежуточных веществ. Их присутствие в пище необходимо, я приводил список этих аминокислот в главе 19.
Глава 25.
ОСНОВНОЙ И ГЛАВНЫЙ ИСТОЧНИК
В двух предыдущих главах я указывал на то, что энергия, производимая с помощью катаболизма углеводов и жиров, переводится на хранение в виде высокоэнергетических фосфатных связей с эффективностью 45 процентов. Хоть это и высокий показатель эффективности, гораздо более высокий, чем у многих полезных изобретений человека, все равно очевидно, что больше половины энергии, получаемой при расщеплении пищевых продуктов, теряется. (Ну, не то чтобы она совсем уж прямо терялась, даже в тепловой форме она помогает человеку, как теплокровному созданию, поддерживать температуру тела на должном уровне.)
Более того, энергия теряется и при использовании ее из АТФ. Так, если АТФ используется для образования сахарофосфата или пептидной связи, то тратятся все 8 килокалорий, тогда как для реакции необходимо только 4, то есть эффективность снижается еще в два раза.
В целом получается, что лишь процентов 10 от энергетического содержания пищи уходит действительно на уменьшение энтропии. А пустая трата оставшихся 90 процентов — это вклад живого существа в общее увеличение энтропии, неизбежно следующее из второго закона термодинамики.
Из этого можно сделать вывод, что из десяти килограммов переваренной пищи получится один килограмм живой ткани. Теперь предположим, что один вид живых существ («потребитель») получает пищу путем поедания другого живого существа («производителя»). Если потребителю необходимо лишь поддерживать свою клеточную массу на протяжении жизни, то получается, что производитель должен поддерживать свою клеточную массу на уровне в десять раз большем.
Если же и потребитель, в свою очередь, служит пищей для третьего типа организмов (назовем его потребитель-2), то выходит, что клеточная масса потребителя тоже должна десятикратно превышать клеточную массу потребителя-2. Можно ввести еще потребителя-3, -4 и так далее.
Поясню на примере: допустим, львы живут за счет поедания зебр. Если популяции обоих видов стабильны, то на каждый килограмм массы львов должно приходиться по десять килограммов массы зебр. А поскольку зебры живут за счет поедания травы, то на каждый килограмм массы зебр должно приходиться по десять килограммов массы травы.
Это пример простейшей пищевой цепочки — и каждая пищевая цепочка непременно имеет пирамидальную форму. Много звеньев в ней быть не может, поскольку с каждым шагом вверх приходится делить на 10, и в итоге мы очень быстро доходим до крайне малых значений, даже начиная с вполне внушительных. Те немногие виды живых существ, что венчают пирамиду, — это должны быть сильные и крупные существа, способные поедать других хищников и не поедаемые сами, в свою очередь, уже никем, — находятся действительно в завидном положении, но их не может быть много. Белый медведь, живущий за счет поедания морских котиков, или кашалот, питающийся гигантскими кальмарами, или косатка, охотящаяся на других дельфинов, — все это, так сказать, «дорогие» и «энергоемкие» формы жизни. Земля таких много не вынесет.
Улучшить свое положение в этом отношении представители «высшего» вида могут, сократив число звеньев в цепочке. Если бы лев мог научиться есть сразу траву, а не зебр, то тем самым он увеличил бы свой пищевой запас вдесятеро. Количество львов в мире могло бы удесятериться без ухудшения качества жизни каждого из них — или при сохранении сегодняшнего количества каждый лев мог бы стать вдесятеро крупнее.
Для львов это, конечно, нереально, но не случайно крупнейшие на Земле животные — слоны, бегемоты и носороги — травоядны.
По правде говоря, на Земле существовали когда-то и хищники размером куда больше слона. Масса тираннозавра, крупнейшего из когда-либо существовавших наземных хищников, была как минимум вдвое больше, чем у современного слона. Но и травоядные животные того периода, составлявшие рацион тираннозавра, были куда крупнее современных. И самые крупные из древних гигантских рептилий мезозойской эпохи — брахиозавры и бронтозавры — были все же травоядными.
Океан, куда более богатый жизнью, чем суша, дает возможность существовать самым крупным хищникам. Кашалот по размерам и массе не уступает самым крупным из динозавров — а ведь он хищник, употребляющий в пищу других хищников (гигантских кальмаров), размером не слишком уступающих ему самому. Однако самый крупный из китов, голубой кит, масса которого может достигать 150 тонн, самое крупное животное изо всех, когда-либо существовавших на Земле, тоже устранил из пищевой цепочки несколько звеньев и питается крошечными креветкообразными рачками и прочим планктоном, процеживая ради этой пищи тонны воды через китовый ус.