Щоб забезпечити собі високу швидкість розмноження, бактерії досі продовжують жити на неефективному безкислородному способі видобутку енергії.
Щоб отримати енергію з поживних речовин, живі істоти проробляють з ними величезну кількість біохімічних реакцій. Реакції ці можна розподілити за групами: якщо взяти, наприклад, молекули глюкози, то спочатку в наших клітинах з нею відбудеться ряд перетворень, що не потребують кисню (так званий гліколіз), а потім почнеться етап окислювального фосфорилювання, де кисень вже необхідний. В результаті отримуються молекули АТФ, в яких енергія укладена в зручній для клітини формі. Причому при розщепленні однієї молекули глюкози в ході кисневого етапу - окислювального фосфорилювання - виходить від 30 до 36 молекул АТФ, а в ході попередніх безкислородних перетворень - всього дві.
Здавалося б, зараз, коли на Землі вже давно встановилася киснева атмосфера, всім живим істотам резонно було б обзавестися механізмом кисневого розщеплення поживної органіки - енергії так видобувається більше. Однак бактерії, наприклад, використовують для отримання енергії тільки гліколіз (крім нього, є й інші шляхи безкислородного розщеплення, але про них ми зараз говорити не будемо). Крім них, його активно використовують багато грибів (наприклад, дріжджі). Зрозуміло, коли так роблять анаероби, тобто ті, хто живе в безкислородних умовах, але адже величезна кількість бактерій, для яких кисень за способом життя цілком доступний, все одно живуть на гліколізі.
Одночасно виникає проблема з тим, що, по-перше, потрібно щось зробити з біохімічними відходами гліколізу, а по-друге, потрібно відновити допоміжні молекули-інструменти, що допомагають добувати енергію з глюкози. Тут якраз може використовуватися O2, але необов'язково. Якщо взагалі все - і гліколіз, і подальше «прибирання сміття» - відбувається без кисню, то кажуть, що йде бродіння, в результаті чого виходить молочна кислота, або спирт, або оцтова кислота, або ще якісь молекули, залежно від конкретного типу бродіння. Енергії при цьому вже не видобувається.
Звичайно, добре, що мікроби так досі і користуються виключно гліколізом - без них ми б не знали ні вина, ні сиру, ні хліба, ні квашеної капусти, але все-таки - чому такий тип енергетичного обміну не пішов на периферію життя? Більш того, деякі еукаріотичні клітини, які давно навчилися окислювального фосфорилювання і використовують гліколіз тільки як підготовчий етап до нього, теж часом відмовляються від ефективного кисневого етапу видобутку енергії.
Мова йде про рак: ще в 20-ті роки Отто Варбург, видатний біохімік і лауреат Нобелівської премії, зауважив, що клітини злоякісних пухлин повністю переходять на гліколіз, поглинаючи величезну кількість вуглеводів. Завдяки цьому, до речі, пухлину можна помітити за допомогою позитронно-емісійної томографії (ПЕТ): в організм хворого вводять модифіковану глюкозу зі спеціальним ізотопом фтора, і залишається тільки за допомогою ПЕТ стежити, куди відправиться мічена глюкоза. Але питання все одно залишається - чому пухлинні клітини, слідом за бактеріями, віддають перевагу неефективному гліколітичному способу видобутку енергії, який до того ж захаращує клітку величезною кількістю відходів?
Кілька років тому було висунуто припущення, що вся справа в клітинній економіці, у вартості ферментів, які повинні займатися тим чи іншим процесом. Дослідникам з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго вдалося перевірити гіпотезу розрахунками. Зрозуміло, що всі реакції як безкислородного, так і кисневого розщеплення поживних речовин здійснюються ферментами, тобто білками, які потрібно насинтезувати - тобто спочатку зняти копію мРНК з відповідних генів в ДНК, а потім на мРНК направити рибосоми, що збирають поліпептидні ланцюги білків. Якщо клітина живе тільки безкислородною видобутком енергії, їй потрібен комплект ферментів гліколізу, якщо ж вона обзаводиться ще й окислювальним фосфорилюванням, то до гліколітичних ферментів (нагадаємо, що при кисневому видобутку енергії гліколіз нікуди не дівається, він просто стає попереднім її етапом) додається купа білків, які обслуговують нову стадію. Щоб їх синтезувати, потрібно більше рибосом, тобто більше рибосомних білків і рибосомних РНК.
Тепер уявімо, що клітина дуже швидко ділиться (наприклад, у кишкової палички від ділення до ділення проходить 20-25 хвилин). Отже, їй потрібні білки, що забезпечують і контролюють розмноження, та й взагалі при поділі потрібно насинтезувати матеріал для дочірньої клітини. І ось в такому випадку, коли у клітини в розпорядженні багато поживних речовин, що дозволяє їй швидко розмножуватися, кисневий видобуток енергії виявляється невигідним. У статті в Nature Маркус Басан (Markus Basan) і його колеги пишуть, що швидкозростаючим мікробам вигідніше залишатися на гліколізі і активно ділитися.
Тут ще відіграють роль і структурні властивості самих «кисневих» ферментів: якби бактерії задумали робити білки окислювального фосфорилювання, які досить великі і на синтез яких йде багато часу, то їм би просто перестало б вистачати рибосом на розмноження. А що до неефективності гліколізу, адже коли навколо багато поживних речовин, цією неефективністю можна і знехтувати. А якщо поживних речовин стане мало, можна впасти в неактивний стан і перечекати. З іншого боку, кисневий, високоефективний спосіб отримання енергії виправдовує себе саме в разі хронічного дефіциту «їжі». Тоді стає вигідно стримати темпи розмноження і вкластися в створення складної системи ферментів окислювального фосфорилювання.
Іншими словами, триваюча «популярність» гліколізу - не еволюційне непорозуміння, а наслідок стратегічного вибору тих організмів, які роблять ставку на доступність поживних речовин і продуктивність. Так роблять не тільки бактерії, але й багато грибів і, як було сказано, ракові клітини, про які всі знають, що вони діляться дуже, дуже швидко. Втім, самі автори роботи кажуть, що у випадку з раком можуть бути й інші причини, що спонукають пухлину перейти на безкислородний шлях метаболізму (наприклад, клітинам у глибині пухлини може просто не вистачати кисню через відсутність кровоносних судин).