Почему бактерии и опухоли отказываются от кислорода
Чтобы обеспечить себе высокую скорость размножения, бактерии до сих пор продолжают жить на неэффективном бескислородном способе добычи энергии.
Чтобы получить энергию из питательных веществ, живые существа проделывают с ними огромное количество биохимических реакций. Реакции эти можно распределить по группам: если взять, к примеру, молекулы глюкозы, то сначала в наших клетках с ней произойдёт ряд превращений, не требующих кислорода (так называемый гликолиз), а потом начнётся этап окислительного фосфорилирования, где кислород уже необходим. В результате получаются молекулы АТФ, в которых энергия заключена в удобной для клетки форме. Причём при расщеплении одной молекулы глюкозы в ходе кислородного этапа – окислительного фосфорилирования – получается от 30 до 36 молекул АТФ, а в ходе предварительных бескислородных превращений – всего две.
Казалось бы, сейчас, когда на Земле уже давно установилась кислородная атмосфера, всем живым существам резонно было бы обзавестись механизмом кислородного расщепления питательной органики – энергии-то так добывается больше. Однако бактерии, к примеру, используют для получения энергии только гликолиз (кроме него, есть и другие пути бескислородного расщепления, но о них мы сейчас говорить не будем). Кроме них, его активно используют многие грибы (например, дрожжи). Понятно, когда так поступают анаэробы, то есть те, кто живёт в бескислородных условиях, но ведь огромное число бактерий, для которых кислород по образу жизни вполне доступен, всё равно живут на гликолизе.
Одновременно возникает проблема с тем, что, во-первых, нужно что-то сделать с биохимическими отходами гликолиза, а во-вторых, нужно восстановить вспомогательные молекулы-инструменты, помогающие добывать энергию из глюкозы. Здесь как раз может использоваться O2, но необязательно. Если вообще всё – и гликолиз, и последующая «уборка мусора» – происходит без кислорода, то говорят, что идёт брожение, в результате чего получается молочная кислота, или спирт, или уксусная кислота, или ещё какие-то молекулы, в зависимости от конкретного типа брожения. Энергии при этом уже не добывается.
Конечно, хорошо, что микробы так до сих пор и пользуются исключительно гликолизом – без них мы бы не знали ни вина, ни сыра, ни хлеба, ни квашеной капусты, но всё-таки – почему такой тип энергетического обмена не ушёл на периферию жизни? Более того, некоторые эукариотические клетки, которые давно научились окислительному фосфорилированию и используют гликолиз только как подготовительный этап к нему, тоже порой отказываются от эффективного кислородного этапа добычи энергии.
Речь идёт о раке: ещё в 20-е годы Отто Варбург, выдающийся биохимик и лауреат Нобелевской премии, заметил, что клетки злокачественных опухолей полностью переходят на гликолиз, поглощая огромное количество углеводов. Благодаря этому, кстати, опухоль можно заметить с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ): в организм больного вводят модифицированную глюкозу со специальным изотопом фтора, и остаётся только с помощью ПЭТ следить, куда отправится меченая глюкоза. Но вопрос всё равно остаётся – почему опухолевые клетки, вслед за бактериями, отдают предпочтение неэффективному гликолитическому способу добычи энергии, который к тому же захламляет клетку огромным количеством отходов?
Несколько лет назад было выдвинуто предположение, что всё дело в клеточной экономике, в стоимости ферментов, которые должны заниматься тем или другим процессом. Исследователям из Калифорнийского университета в Сан-Диего удалось проверить гипотезу расчётами. Понятно, что все реакции как бескислородного, так и кислородного расщепления питательных веществ осуществляются ферментами, то есть белками, которые нужно насинтезировать – то есть сначала снять копию мРНК с соответствующих генов в ДНК, а потом на мРНК направить рибосомы, собирающие полипептидные цепи белков. Если клетка живёт только бескислородной добычей энергии, ей нужен комплект ферментов гликолиза, если же она обзаводится ещё и окислительным фосфорилированием, то к гликолитическим ферментам (напомним, что при кислородной добыче энергии гликолиз никуда не девается, он просто становится предварительным её этапом) добавляется куча белков, обслуживающих новую стадию. Чтобы их синтезировать, нужно больше рибосом, то есть больше рибосомных белков и рибосомных РНК.
Теперь представим, что клетка очень быстро делится (например, у кишечной палочки от деления до деления проходит 20-25 минут). Ей, следовательно, нужны белки, обеспечивающие и контролирующие размножение, да и вообще при делении нужно насинтезировать материал для дочерней клетки. И вот в таком случае, когда у клетки в распоряжении много питательных веществ, что позволяет ей быстро размножаться, кислородная добыча энергии оказывается невыгодной. В статье в Nature Маркус Басан (Markus Basan) и его коллеги пишут, что быстрорастущим микробам выгоднее оставаться на гликолизе и активно делиться.
Здесь ещё играют роль и структурные свойства самих «кислородных» ферментов: если бы бактерии задумали делать белки окислительного фосфорилирования, которые довольно велики и на синтез которых уходит много времени, то им бы просто перестало бы хватать рибосом на размножение. А что до неэффективности гликолиза, так ведь когда вокруг много питательных веществ, этой неэффективностью можно и пренебречь. А если питательных веществ станет мало, можно впасть в неактивное состояние и переждать. С другой стороны, кислородный, высокоэффективный способ получения энергии оправдывает себя именно в случае хронического дефицита «еды». Тогда становится выгодно умерить темпы размножения и вложиться в создание сложной системы ферментов окислительного фосфорилирования.
Иными словами, продолжающаяся «популярность» гликолиза – не эволюционное недоразумение, а следствие стратегического выбора тех организмов, которые делают ставку на доступность питательных веществ и производительность. Так поступают не только бактерии, но и многие грибы и, как было сказано, раковые клетки, про которые все знают, что они делятся очень, очень быстро. Впрочем, сами авторы работы говорят, что в случае с раком могут быть и другие причины, побуждающие опухоль перейти на бескислородный путь метаболизма (например, клеткам в глубине опухоли может просто не хватать кислорода из-за отсутствия кровеносных сосудов).
