Том Джексон - Взламывая биологию

Растения тоже дышат, сжигая запас глюкозы. Ночью, когда фотосинтез невозможен, они выдыхают углекислый газ, совсем как животные. Животные не производят глюкозу сами, поэтому получают «топливо», поедая растения или других животных, которые питались растениями.

Глюкоза легковоспламенима, особенно в чистом кислороде. Тогда почему живые существа не взрываются, «сжигая» весь этот сахар? Дыхание высвобождает энергию понемногу, в серии биохимических реакций, которые называются лимоннокислым циклом. Первым его описал британский биохимик немецкого происхождения Ганс Кребс в 1937 г. Кребс наблюдал за метаболизмом глюкозы в грудных мышцах голубя, так как именно там процесс дыхания идет особенно активно, что облегчает эксперименты. Перед началом цикла глюкоза делится на небольшие группы, которые называются ацетильными (CH 3CO). Они содержат только два атома углерода наряду с одним атомом кислорода и тремя атомами водорода. В начале цикла ацетильные группы связываются с четырехуглеродным соединением, оксалоацетатом, и формируют шестиуглеродное соединение, цитрат (сходный с лимонной кислотой, кислым веществом в лимонном соке). На последующих стадиях молекула цитрата подвергается воздействию ферментов. В результате она преобразуется в четырехуглеродный оксалоацетат, и цикл начинается заново. В процессе высвобождается энергия в форме аденозинтрифосфата (АТФ), которая питает другие метаболические процессы внутри клеток.

Лимоннокислый цикл – эффективный процесс, так как в нем расходуются только ацетильные группы, получаемые из пищи. Ферменты, ускоряющие каждый этап, и промежуточные соединения, на которые они воздействуют, используются повторно в последующих циклах, в результате которых вырабатывается еще больше энергии.

Кребс сделал важное открытие, когда работал в лаборатории при Университете Шеффилда в Англии.

Трудоемкие исследования заняли у Кребса пять лет, и по их итогам он описал все стадии лимоннокислого цикла. На ранних стадиях работы ученый во многом опирался на выводы венгерского физиолога Альберта Сент-Дьёрдьи, установившего важность некоторых промежуточных соединений в цикле. Кребс также сотрудничал с американским биохимиком немецкого происхождения Фрицем Липманом, который открыл кофермент А (CoA), ключевой элемент, задействованный в начале лимоннокислого цикла. В 1953 г. Кребсу и Лимпану была вручена Нобелевская премия по физиологии и медицине.

В 1952 г. британские исследователи Розалинд Франклин и Раймонд Гослинк с помощью дифракции рентгеновских лучей получили так называемую фотографию 51. Некоторые считают ее самой важной из когда-либо сделанных фотографий, так как она раскрывает структуру ДНК.

Волны излучения рассеиваются или преломляются, проходя через небольшие зазоры. В 1912 г. немецкий ученый Макс фон Лауэ показал, что рентгеновские лучи преломляются, проходя через кристаллы. Это позволило измерить расстояние между атомами внутри кристалла; по наклону исходящего из кристалла луча можно было строить предположения о строении молекул. К 1950-м гг. дифракция рентгеновских лучей использовалась для изучения сложных химических веществ в клетках, таких как витамины и холестерол. Франклин и Гослинг разделили ДНК на нити и просвечивали ее рентгеновским лучом более 60 часов. Лучи рассеялись, проходя через ДНК, и дали изображение на пленке, подсказывая строение молекулы. Структура ДНК стала величайшей наградой для биохимиков, а фотография 51 была инструментом, который помог получить ее в 1953 г.

Темные пятна на фотографии 51 показывают, где рентгеновские лучи, преломленные повторяющимися элементами в молекуле ДНК, облучили пленку. Темные участки вверху и внизу – это основания ДНК, вместе составляющие генетический код.

С конца XVIII в. было известно, что нервные импульсы передаются благодаря электричеству, но оставалось загадкой, каков механизм возникновения электрического сигнала в нервной клетке.

Итальянский врач и биолог Луиджи Гальвани продемонстрировал в 1790-х гг., как нервы и мышцы стимулирует некая разновидность электричества. Впоследствии исследователи обнаружили, что если подвести электрод к мозгу, тело человека демонстрирует широкий спектр реакций. Например, на лице может возникнуть неестественное выражение. В 1875 г. Ричард Катон зафиксировал электрическое поле, которое генерировал мозг обезьян и кроликов. Но как возникали электрические импульсы?

Потенциал действия идет по аксону со скоростью около 150 м/сек.

Прорыв произошел, когда два английских исследователя, Эндрю Хаксли и Алан Ходжкин, стали изучать нервную систему кальмара. Животное выбрали за необычайно крупный аксон. Его диаметр составляет всего 0,5 мм, но длина равняется длине тела животного. Ученые изучили гигантский нерв с помощью метода фиксации напряжения. Они изменили напряжение аксона и зафиксировали, как это влияет на движение заряженных частиц, ионов, в нерв и из него. Хаксли и Ходжкин начали исследование в 1930-х гг., но им помешала Вторая мировая война. В 1952 г. они представили результаты. Ученые обнаружили, что нервная клетка, или нейрон, значительную часть времени бездействует, но при необходимости послать сигнал с помощью ионов калия, натрия и хлора создает резкий скачок электрического потенциала, который передается по аксону.

Нейрон в неактивном состоянии считают пребывающим в покое. В этом состоянии у него отрицательный заряд внутри и положительный снаружи благодаря тому, что некоторые заряженные ионы могут проходить через полупроницаемую мембрану клетки, а другие нет. Отрицательно заряженные ионы хлора не могут покинуть клетку, создавая таким образом отрицательный заряд внутри. Положительно заряженные ионы калия свободно перемещаются через мембрану в любом направлении, а потому могут наполнить клетку и выровнять разницу зарядов с любой стороны. Кроме того, аксон пропускает положительно заряженные ионы натрия быстрее, чем проникают внутрь положительно заряженные ионы калия. Все эти перемещения требуют энергии, что отчасти объясняет, почему человеческому мозгу нужно 20 % запаса топлива тела. Питание необходимо мозгу, даже когда он, казалось бы, почти ничего не делает. Разница в напряжении внутри и снаружи аксона называется потенциалом покоя и составляет около –70 милливольт (мВ).