13.16. Различные метаболические пути могут быть локализованы в разных участках клетки
В гл. 1 мы уже говорили о том, что есть два больших класса клеток - прокариотические и эукариотические. Представители этих двух классов сильно различаются по размерам, по своей внутренней структуре, а также по генетической и метаболической организации. Прокариотические клетки, к которым принадлежат бактерии и сине-зеленые водоросли (цианобактерии), - это очень мелкие клетки, сравнительно простого строения, с одной единственной мембранной системой, а именно мембраной, окружающей клетку.
В прокариотических клетках нет отсеков, или компартментов, разделенных внутренними мембранами. Однако и у бактерий обнаруживается известная компартментализация некоторых ферментных систем (рис. 13-22). Так, большинство ферментов, участвующих в биосинтезе белка, локализуется у них в рибосомах, а некоторые ферменты биосинтеза фосфолипидов сосредоточены в клеточной мембране.
Эукариотические клетки, к которым относятся клетки высших животных и растений, грибов, высших водорослей и простейших, значительно крупнее прокариотических и гораздо более сложно устроены (рис. 13-23). Помимо клеточной, или плазматической, мембраны в них имеется еще и окруженное мембраной ядро, в котором находятся хромосомы (число их у разных организмов различно; у некоторых оно весьма велико). Есть и другие мембранные органеллы, а именно митохондрии, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, хлоропласты клеток зеленых растений. В эукариотических клетках ферменты тех или иных метаболических путей часто локализуются в особых органеллах или компартментах. Каким образом это стало известно? Клеточные органеллы можно выделить из клеток и тканей центрифугированием (рис. 13-24). Для этого животные или растительные ткани сначала подвергают щадящей гомогенизации в изотоническом растворе сахарозы. Плазматическая мембрана при таком воздействии разрушается, а различные клеточные органеллы по большей части остаются неповрежденными. Сахароза удобна тем, что она сравнительно трудно проходит сквозь мембраны и потому не вызывает набухания таких внутриклеточных структур, как митохондрии или хлоропласты. Разные виды органелл, например ядра и митохондрии, различающиеся по своим размерам и по удельному весу, а значит, и оседающие в поле центробежных сил с разной скоростью, могут быть выделены после этого из гомогената дифференциальным центрифугированием (рис. 13-24). Затем эти ядра, митохондрии и прочие выделенные фракции исследуют на способность катализировать определенный метаболический процесс. Именно этот подход и дал возможность установить, что разные метаболические пути локализованы в эукариотических клетках раздельно (рис. 13-23).
Рис. 13-22. Локализация некоторых видов метаболической активности в бактериальной клетке. (см. скан)
Выяснилось, например, что в некоторых клетках все ферменты, участвующие в превращении глюкозы в молочную кислоту, находятся в цитозоле, т.е. в растворимой части цитоплазмы, тогда как ферменты цикла лимонной кислоты, переноса электронов и окислительного фосфорилирования локализованы в митохондриях.
Краткое содержание главы
Организмы можно классифицировать исходя из их потребнсзсти в тех или иных источниках углерода. Автотрофам достаточно двуокиси углерода, а гетеротрофы должны получать углерод в виде каких-нибудь восстановленных органических соединений, таких, как глюкоза.
Для многих автотрофных клеток, например для клеток зеленых растений, источником энергии служит солнечный свет; гетеротрофы получают необходимую им энергию в результате окисления органических пищевых веществ.
Метаболизм включает в себя катаболизм, или расщепление пищевых веществ, богатых энергией, и анаболизм, или биосинтез новых клеточных компонентов. В катаболических и анаболических процессах различают три главные стадии.
Рис. 13-23. Компартментализация некоторых важных ферментов и метаболических путей в клетке печени крысы. Электронная микрофотография, на основе которой выполнен этот рисунок, приведена в гл. 2 (см. рис. 2-7).
На первой стадии катаболизма полисахариды, жиры и белки расщепляются под действием ферментов до своих строительных блоков, на второй стадии происходит окисление этих строительных блоков, в результате которого в качестве главного продукта образуется ацетил-СоА, а на третьей стадии ацетильная группа ацетил-СоА окисляется до 
. Различные катаболические пути сливаются в один общий конечный путь, анаболические же пути расходятся, так что из небольшого числа предшественников образуется в конечном счете много различных продуктов.
Рис. 13-24. Фракционирование клеточного экстракта методом дифференциального центрифугирования. Клеточная мембрана разрушается силами трения в гомогенизаторе с вращающимся поршнем. После удаления остатков соединительной ткани и обрывков кровеносных сосудов при помощи сита из нержавеющей стали клеточный экстракт центрифугируют несколько раз, постепенно увеличивая скорость вращения ротора.
Соответствующие катаболические и анаболические пути неидентичны, т.е. отдельные их ферментативные этапы не совпадают; регулируются эти пути независимо; часто они локализованы в разных участках клетки. При распаде пищевых веществ часть высвобождающейся из них энергии запасается в форме аденозинтрифосфата (ATP). АТР служит переносчиком энергии от катаболических реакций к процессам, сопровождающимся потреблением энергии, таким, как биосинтез, сокращение или движение, перенос веществ через мембрану или передача генетической информации. Химическая энергия передается также от катаболических процессов к анаболическим в форме восстановительной способности через восстановленный кофермент NADPH.
Регуляция метаболизма осуществляется на трех уровнях: 1) при помощи аллостерических ферментов, 2) при помощи гормонов и 3) путем регулирования синтеза ферментов. Для анализа метаболических путей применяют экстракты клеток и тканей, из которых выделяют ферменты изучаемого метаболического пути и его промежуточные продукты. Широкие возможности для изучения метаболизма открывает использование мутантных микроорганизмов с генетическими дефектами, затрагивающими тот или иной метаболический путь (ауксотрофных мутантов).
Весьма эффективен в этом отношении также метод изотопных меток. В эукариотических клетках ферменты различных метаболических путей разделены пространственно, т.е. находятся в разных органеллах - в ядрах, митохондриях или эндоплазматическом ретикулуме; из этих органелл их можно выделять для прямого изучения.
