Во многих анаэробах молочная кисло­та — конечный продукт превращения глюкозы. И она же является той орга­нической молекулой, которая в конце концов принимает на себя электроны. Поэтому получение молочной кисло­ты из глюкозы называется молочно­кислым брожением. Клетки анаэробов выделяют её в окружающую среду как шлак При большой физической на­грузке молочная кислота образуется в условиях недостатка кислорода и у высших организмов. Это происходит в клетках мышечных тканей. Молоч­ная кислота должна удаляться из них с кровью, иначе наступает переутом­ление мышц. Позднее в печени молоч­ная кислота вновь превращается в глюкозу.

Как мы помним, реакции, связанные с переводом энергии в АТФ, представля­ют собой реакции окисления. В клет­ке есть специальная молекула, которая

играет по отношению к электронам ту же роль, что АТФ по отношению к энергии. В одних реакциях она при­нимает электроны, в других — отдаёт. Имя клеточного аккумулятора элект­ронов — никотинамидадениндинуклеотид, сокращённо — НАД.

Гликолиз протекает таким обра­зом, что НАД сначала принимает электроны, а затем его восстановлен­ная форма, которую обозначают НАД•Н, снова окисляется. При восста­новлении одной молекулы НАД до НАД•Н выделяется энергия, достаточ­ная для образования высокоэнергети­ческой связи в одной молекуле 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (та самая энергия, которая потом запаса­ется в виде АТФ). На каждую молеку­лу глюкозы приходится две молекулы НАД•Н. Обратное окисление НАД•Н в НАД происходит на последней стадии гликолиза. В результате этой реакции из пировиноградной кислоты образу­ется молочная кислота.

Молекула НАД состоит из двух нуклеотидов. Один из них содержит основа­ние аденин, присутствующее в нуклеотидах ДНК, а другой — положительно заряженное соединение никотинамид, который и определяет способность НАД быть аккумулятором электронов. Никотинамид может приобретать два электрона в некоторых окислитель­но-восстановительных реакциях, ко­торые протекают в организме. Услов­но можно представить, что НАД реагирует с двумя атомами водорода. Каждый такой атом имеет по одному электрону. Один атом водорода никотинамид забирает к себе полностью, а другой отпускает, предварительно ото­брав у него электрон. В итоге никотинамид получает два электрона:

НАД⁺+2Н®НАД•Н+Н⁺.

На самом деле, НАД, конечно же, вступает в реакцию не с атомами во­дорода. Вот как, например, протекает реакция окисления альдегидной груп­пы до карбоксильной:

Клетка запасает энергию в АТФ с по­мощью катаболических реакций, в основном это реакции окисления. Попавшие в клетку пищевые молеку­лы отдают электроны специальным веществам, которые тоже в свою оче­редь окисляются. Эстафетная переда­ча электронов, безусловно, не беско­нечна. У многих организмов, в том числе и у человека, электроны в кон­це концов достаются молекуле кисло­рода. Кислород попадает в наш орга­низм из воздуха через лёгкие. Смысл дыхания как раз и состоит в окисле­нии органических молекул кислоро­дом. В результате дыхания химиче­ская энергия запасается в молекуле АТФ. Живые существа, использу­ющие кислород для извлечения энер­гии, называются аэробами (от греч. «аэр» — «воздух»).

Некоторые организмы, например дрожжи, могут обходиться без кисло­рода. Есть и такие, для которых кис­лород просто ядовит. Они получили название анаэробы. К ним относятся некоторые виды бактерий и низших беспозвоночных. Чтобы спрятаться от кислорода, они обитают глубоко в почве, низших слоях водоёмов или в морском иле. Тем не менее энергию анаэробы всё же получают: обогаще­ние энергией в отсутствие кислорода называется брожением. В этом случае электроны достаются не кислороду, а органической молекуле. Большинство учёных считают, что жизнь появилась на Земле ещё в те времена, когда её атмосфера была лишена кислорода. Поэтому, скорее всего, брожение воз­никло раньше, чем дыхание. Это ис­торически первый способ извлечения энергии живыми организмами.

Некоторые организмы используют энергию АТФ для выделения света. В клетках таких организмов про­текают реакции, в результате которых химическая энергия превращается в энергию света. Чаше все­го это происходит у насекомых. Например, светляч­ки светятся в брачный период. Существуют глубо­ководные рыбы, которые приманивают с помощью света добычу.

Свечение живых организмов называется биолю­минесценцией (от греч. «биос» — «жизнь» и лат. lumen — «свет»), за это отвечает фермент люцифераза (от лат. lux — «свет» и fero — «несу»).

Большое количество запасённой энергии клетка расходует на производст­во новых химических веществ, необходимых для развития организма, В про­тивовес катаболическим такие реакции учёные назвали анаболическими (от греч. «анаболе» — «подъём»). Поэтому лекарства, стимулирующие рост мыши, называют анаболиками. Их принимают люди, перенёсшие тяжелые травмы и операции. Вместе катаболические и анаболические реакции на­зываются метаболическими (от греч. «метаболе» — «перемена»).

В живой клетке идёт непрерывный процесс в неё поступают одни и вы­водятся наружу другие химические ве­щества. Она получает необходимые соединения благодаря питанию. Мо­лекулы, попадающие в организм с пищей, — это полимерные соедине­ния: белки, жиры и углеводы. С ними происходит множество химических превращений, в результате которых крупные молекулы разлагаются до молекул-карликов типа СО₂ и воды. В живых организмах действует мно­жество ферментов, управляющих реакциями разложения — катаболическими реакциями (от греч. «катаболе» — «сбрасывание», «разрушение»). Разрушая белки, жиры и углеводы, клетка высвобождает энергию, заклю­чённую в их химических связях. Что­бы использовать эту энергию, клетка предварительно должна её накопить. Для этого необходим своего рода аккумулятор, который имеется в лю­бом живом организме. Такую функ­цию несёт особое вещество — аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Эволюция не могла обойти своим вниманием такой важный момент, как выбор постоянного и мощного источ­ника энергии для живых организмов. Наша главная «станция энергоснабже­ния» — Солнце. Хотя астрономы и на­зывают его звездой-карликом, Земля получает от Солнца около 2•10¹⁷ Вт (Дж/с).Этой мощности пока вполне хватает, чтобы обеспечить всё разно­образие жизни.

Зелёные растения, синезелёные водоросли, а также некоторые бакте­рии могут непосредственно улавли­вать солнечную энергию. За это их на­зывают фототрофами (от греч. «фотос» — «свет» и «трофе» — «пища»), что переводится буквально как «пита­ющиеся светом». Все другие живые су­щества, в том числе и человек, не мо­гут напрямую усваивать энергию солнечного света. Их источник -химическая энергия, поэтому такие организмы называются хемотрофами. Однако, по существу, они тоже пи­таются энергией Солнца. И в этом нет никакого противоречия. Ведь фототрофы переводят солнечную энергию

в химическую, синтезируя при этом разнообразные органические вещест­ва. В результате энергия запасается в химических связях. Травоядные жи­вотные питаются растениями, и энер­гия Солнца попадает к ним уже в химической форме. А плотоядные животные получают энергию, поедая травоядных. Получается, что расти­тельный мир — это «энергетический кормилец» животного мира.

На этикетке самого обычного пакета молока кроме сведений о предпри­ятии-изготовителе, условиях хране­ния и сроке годности есть и ещё кое-что, на первый взгляд, совершенно не нужное покупателю:

«В 100 г продукта содержится жира — 2,5 г белка — 2,9 г углеводов — 3,9 г Энергетическая ценность 53 ккал».

На самом же деле это очень важ­ная информация. Ведь главное свой­ство человеческого, как и любого живого, организма — способность из­влекать из окружающей среды и запа­сать энергию.

В активных группах многих фер­ментов присутствует ион металла, комплексно связанный с органиче­ским веществом. С 1945 г. советские учёные начали исследовать каталити­ческое действие ионов металлов в разном окружении. Ион Fe³⁺, содер­жащийся в каталазе, может и без белкового окружения, в виде обыч­ной соли железа, разлагать пероксид водорода в водном растворе. Вот только каталитическая активность свободных ионов железа в миллиар­ды раз меньше, чем у фермента. Раз­лагают Н₂О₂ и ионы Cu²⁺. Но когда ионы меди образуют комплекс с мо­лекулами аммиака, их активность возрастает в миллион раз. А если вместо аммиака взять органические амины, то разложение пероксида идёт ещё быстрее.

Сегодня большой ассортимент недо­рогих ферментов, в том числе высо­кой чистоты, находит применение более чем в 25 отраслях промышлен­ности, и прежде всего — в лёгкой и пищевой.

Чтобы тесто было пышным, нужен разрыхлитель — углекислый газ. Он выделяется при действии дрожжей на углевод мальтозу. А откуда берётся мальтоза? Она постепенно образуется из крахмала под влиянием амилазы, содержащейся в муке. Обычно собст­венной амилазы муки недостаточно, и этот фермент добавляют. Протеазы, действующие на клейковину муки, используют, чтобы придать тесту кон­систенцию, необходимую для удержа­ния углекислого газа. Ведь если он пройдёт сквозь тесто и улетучится, тесто снова опадёт. Добавление фер­ментов улучшает аромат и вкус хле­ба, даёт румяную корку.

И производству алкогольных на­питков никак не обойтись без фер­ментов, содержащихся в дрожжах. Дрожжи с различными ферментными комплексами позволяют получать разные сорта пива. А чтобы напиток не мутнел, в него добавляют протеазы (папаин, пепсин) — они разлага­ют белковые осадки.

Производство молочных продуктов также немыслимо без ферментов. Простоквашу делают с помощью фер­ментов молочнокислых бактерий, ко­торые превращают молочный сахар лактозу в молочную кислоту. Для про­изводства кефира берут определённую смесь молочнокислых бактерий и дрожжей, при этом часть содержащей­ся в молоке лактозы переходит в мо­лочную кислоту, а часть — в спирт. Одновременно идёт также частичный гидролиз белков, поэтому кефир легче усваивается организмом, чем молоко.

Итак, ферментный препарат в виде раствора получен. Он готов к работе, но возникает вопрос: реакция пройдёт, а что дальше? Как отделить фер­мент от продуктов?

Промышленные каталитические процессы предпочитают вести на твёрдых катализаторах, тогда проб­лема разделения исчезает. В качестве эксперимента попробовали и фер­мент прикрепить к твёрдому носи­телю. Одним из способов такого прикрепления является адсорбция — обратимое связывание вещества с поверхностью твёрдого тела без химического изменения. В 1916 г. впервые было обнаружено, что при адсорбции инвертазы — фермента, расщепляющего сахарозу на более простые углеводы (глюкозу и фрук­тозу), на угле или гидроксиде алюми­ния она сохраняет каталитическую активность. А в 1939 г. получен пер­вый патент на применение протеаз, адсорбированных на древесных опилках, для обработки шкур жи­вотных.