Следы еще более раннего микроорганизма, isиа — sphaera, существовавшего 3,8 миллиарда лет назад, обнаружены в Гренландии. Почти с уверенностью можно сказать, что в те древние времена в атмосфере Земли содержалось очень мало кислорода, который, как принято считать, является в основном продуктом фотосинтеза. Таким образом, Isuasphaera, Eobacterium и многие потомки этих бактерий могли получать энергию с помощью анаэробных механизмов — механизмов, способных поддерживать жизнь (греч. Ыоs) без (отрицание по-гречески — a-) воздуха (греч.aer). То, что мы обнаруживаем в цитозоле высших клеток и в клеточном соке многих современных бактерий, является анаэробным механизмом выработки энергии, который известен как гликолиз. Сказанное дает основание предположить, что эта система почти не претерпела изменений и мало отличается от той, которая имелась в первых живых организмах, начавших населять Землю около 4 миллиардов лет назад.
В самом деле, в гликолизе сохранилось много примитивных черт, в том числе относительная простота. В этом отношении цитозоль можно рассматривать как хорошую основу процесса снабжения биологической энергией. Но, чтобы наше посещение оказалось плодотворным, нам необходимо более острое зрение, чем то, которым мы пользовались до сих пор. Это требуется не столько для того, чтобы различать сложные молекулярные структуры—их количество будет строго ограничено и минимально, — сколько для того, чтобы понять ключевые концепции, без которых мы скорее всего не сможем разобраться в решениях энергетической проблемы, стоявшей перед жизнью.
Имеется и другой исторический аспект, касающийся этой части нашего путешествия. В некотором роде мы пойдем по стопам ранних исследователей, которые впервые выдвинули принципы биоэнергетики, поскольку анаэробный гликолиз смело можно назвать колыбелью динамической биохимии. Можно даже сказать, что он явился ключевым элементом в развитии человеческой цивилизации. О его существовании люди узнали тысячелетия назад, столкнувшись с процессом брожения, и наши далекие предки прибегали к нему для изготовления закваски, сыров, алкогольных напитков. Однако эти старинные отрасли промышленности оставались почти полностью эмпирическими до 1856 г., когда некий Биго, винодел из французского города Лилля, неожиданно оказался перед угрозой разорения. По какой-то непонятной причине содержимое в чанах, где происходило брожение сахарной свеклы, прокисло и вместо спирта образовалась молочная кислота. Биго обратился за помощью к молодому химику из Парижа, незадолго до того поступившему на работу в местный университет и, по слухам, превосходно себя зарекомендовавшему. Молодой ученый согласился помочь и в конце концов решил проблему и спас предприятие Биго. Одновременно он сделал открытие, которое перевернуло многие научные представления: оказывается, анаэробное брожение вызывается живыми микроорганизмами. Имя этого молодого ученого — Луи Пастер. Позднее, в 1897 г. немецкий химик Эдуард Бухнер обнаружил, что чистый «сок», выделяемый дрожжами, — не что иное, как цитозоль дрожжевых клеток, и он способствует превращению сахара в спирт. Таким образом, Бухнер показал, что функции микроорганизмов в процессе спиртового брожения — чисто химический процесс, не зависящий от особой жизненной силы, свойственной живым организмам, как полагал Пастер. Бухнер также положил начало химическому изучению системы гликолиза, существующей в цитозоле клеток, и тем самым проложил путь обширным исследованиям, благодаря которым мы в настоящее время имеем полное представление о метаболизме.
Термин «метаболизм» происходит от греческого слова, обозначающего изменения (буквально «акт разбрасывания», от ballein — бросать). Этим словом обозначается совокупность химических процессов, протекающих в живых организмах. Метаболизм подразделяется на анаболизм (греч. ома — вверх) и катаболизм (греч. ка(а — вниз). Анаболизм включает все процессы, требующие затрат энергии и термодинамически являющиеся эндергоническими (греч. endon— внутри; ergon — работа). Главная его функция — биосинтез. Катаболизм составляют реакции, производящие энергию, в связи с чем они называются экзергоническими (греч. еx—из). При необходимости катаболизм поддерживает анаболизм, так же как и все другие работы, выполняемые живыми организмами (кроме тех реакций, которые снабжаются энергией непосредственно от внешних источников, в основном света).
К тому времени, когда Бухнер сделал свое открытие, были известны только некоторые общие черты отдельных метаболических процессов, их механизмы оставались невыясненными. Гликолиз — первый из изученных метаболических процессов. Потребовалась 40-летняя упорная работа многих ученых с мировым именем, прежде чем был завершен этот поистине титанический труд, который до сих пор остается одним из самых замечательных и многообещающих примеров научного детектива всех времен. Однако удалось выяснить всего какой-нибудь десяток химических реакций, менее одной сотой от того количества метаболических реакций, которые были изучены за последующие 40 лет. Важность открытия гликолиза заключается в том, что оно было первым. Зная только исходную точку — простую молекулу сахара глюкозы и конечный продукт — молочную кислоту в одном случае и этиловый спирт и углекислый газ — в другом, даже самые проницательные химики-органики не могли бы предугадать удивительно сложный окольный путь, по которому движется природный процесс. Каждый шаг сулил неожиданность, а выяснение всех этапов потребовало от исследователей огромного терпения и упорства, особенно если учесть крайне примитивный уровень приборов того времени: несколько пробирок для проб, горелку Бунзена, весы, световой микроскоп. Но как только путь прояснился, он стал маяком, освещающим весь ход последующих событий. Для нас гликолиз также будет служить маяком в нашем путешествии.
