Короче говоря, благодаря АТФ мы двигаемся, дышим и живем. Это вещество дарует всему жизнь – или, если точнее, помогает всему функционировать. АТФ меняет структуру маленьких белков, чтобы мышцы сокращались, желудок вырабатывал желудочный сок, ионные каналы открывались или закрывались, а все тело двигалось и исполняло иные функции. АТФ – то, что отличает живое существо от камня или иного безжизненного предмета. Каждый день триллионы митохондрий в организме вырабатывают около 70 килограммов АТФ! Конечно, этот АТФ постоянно расщепляется при контакте с белками и снова вырабатывается в митохондриях. В общем, каждый день в нашем организме циркулирует около 70 килограммов АТФ.
Мышечные клетки содержат параллельные цепочки белков (состоящие из мышечных белков № 1 и № 2). Эти белки соединены друг с другом. Когда АТФ прикрепляется к мышечному белку 1, мышечный белок 2 заставляет мышечный белок 1 двигаться. Когда миллионы белков делают это в миллионах мышечных клеток, вся мышца сокращается, и мы можем ходить, дышать и смеяться.
АТФ – это жизненная энергия, которая управляет почти всеми процессами в клетках. Это объясняет, например, почему цианиды так ядовиты. Синильная кислота и ее производные прикрепляются к важному митохондриальному белку, и митохондрии перестают работать. Нескольких сотен миллиграммов синильной кислоты достаточно, чтобы отключить наши митохондрии и вызвать смерть в течение нескольких минут. Без АТФ наши клетки перестают работать, и мы умираем. Мозговые клетки не работают, и мы теряем сознание, затем сердечные мышцы перестают сокращаться, и останавливается дыхание.
Соответственно, с помощью АТФ можно объяснить, почему мы умираем. Смерть почти всегда сводится к недостатку кислорода, из-за чего митохондрии больше не могут вырабатывать АТФ (если, конечно, вас не раздавило чем-то тяжелым или испарило сильнейшим жаром). Неважно, утонете вы, получите сердечный приступ или истечете кровью после аварии – все это приведет к тому, что кровь перестанет переносить кислород. Митохондрии больше не смогут производить АТФ, клетки перестают работать, и вы умираете. Можно даже сказать, что АТФ – это душа, невидимое, неосязаемое вещество, которое заставляет тело работать. Организм живого человека постоянно производит триллионы молекул АТФ в секунду, и эти молекулы меняют структуру огромного количества белков. В организме мертвого человека производство АТФ останавливается, и все органы выключаются.
Митохондрии не просто необходимы для того, чтобы поддерживать жизнь. Они еще и придали жизни определенное направление, сыграв важнейшую роль в эволюции на Земле. Благодаря митохондриям появилась разумная жизнь. Без митохондрий не было бы животных, людей, городов и «Айпадов», и планету населяли бы одни бактерии, безразлично дрейфующие в водоемах.
Бактерии – это маленькие мешочки воды, в которых плавает ДНК. В отличие от клеток, бактерии не имеют митохондрий или ядра, в котором аккуратно хранится ДНК. Однако примерно два миллиарда лет назад большая бактерия поглотила маленькую, и появились митохондрии, маленькие бактерии, вырабатывающие энергию для хозяев. Крупные бактерии (клетки) получили намного больше энергии (АТФ), чем раньше, что позволило им эволюционировать дальше и стать намного сложнее. Благодаря этой дополнительной энергии появилось клеточное ядро. Ядро – это шарообразная структура в клетке, где аккуратно хранится вся ДНК (в этом отличие клетки от бактерии, где ДНК просто свободно плавает внутри).
Как выглядит клетка внутри. Длинные белки формируют скелет клетки, который помогает ей двигаться и определяет ее конкретную форму. (Источник: David S. Goodsell, the Scripps Research Institute.)
Благодаря энергии, вырабатываемой митохондриями, большие бактерии еще и смогли вырасти намного крупнее: бактерии в тысячи раз меньше, чем обычные клетки организма, из которых состоят люди (а также все растения, животные и грибы). Митохондрии позволили крупным одноклеточным бактериям еще и вырастить клеточный скелет – сложный каркас, состоящих из десятков тысяч соединенных шарнирными механизмами белков, которые заставляют клетку двигаться. Лейкоциты, например, умеют хватать бактерии и вирусы своими щупальцами и поедать их. С помощью клеточного скелета клетки кишечника формируют большие отростки, которые помогают усваивать больше питательных веществ из кишечника. Чтобы клеточный скелет двигался, нужно много энергии (чтобы изменить структуру скелета, АТФ должен прикрепляться ко всем его белкам), и митохондрии дают нам эту энергию.
Отростки наверху клетки – длинные штырьки, состоящие из тысяч белков. Из этих штырьков, нитей и трубочек состоит клеточный скелет.
Благодаря митохондриям клетки стали намного крупнее и сложнее. Без митохондрий жизнь на Земле навсегда осталась бы бактериальной. Некоторые ученые считают, что появление митохондрий – это намного более важное и редкое событие, чем зарождение самой жизни. В конце концов, мы, судя по всему, живем в довольно биофильной вселенной. Это означает, что живым существам не так и сложно появиться из безжизненных элементов. Соберите вместе немного метана, фосфористых минералов и двуокиси углерода, и примерно через неделю спонтанно сформируются аминокислоты – строительные материалы для белков и всех живых существ. Строительные материалы для ДНК находили даже на метеоритах. Более того, недавние исследования показывают, что жизнь может довольно легко зародиться в порах гидротермальных источников на дне океана.
Соответственно, зарождение жизни – это не такое уж и эпохальное событие, но вот зарождение сложных форм жизни – совсем другое дело. Для этого потребовалось случайное сотрудничество двух бактерий, которое оказалось удачным. Именно так появились митохондрии, а вместе с ними – сложные организмы. Успешное слияние бактерий – это, возможно, куда более редкое событие в истории, чем само зарождение жизни. А еще становится понятнее, почему эволюция жизни на планете была такой медленной. Сама жизнь зародилась очень рано (буквально через несколько сотен миллионов лет после того, как Земля достаточно охладилась, – примерно 3,8 миллиарда лет назад). Но затем понадобилось еще почти два миллиарда лет, прежде чем от бактерий произошли митохондрии. Почти два миллиарда лет самой сложной формой жизни на Земле были бактерии. Это довольно долго. Возможно, в нашей вселенной есть множество планет, изобилующих простыми организмами вроде бактерий, у которых так и не появились митохондрии, так что они не смогли эволюционировать в более сложные организмы, например, медуз или людей.
