В книге довольно много места уделено питанию, физическим упражнения и болезням, возникающим из-за избытка первого и недостатка второго. Между тем, питание и физические нагрузки – это две стороны одной медали, и называется эта медаль открытой энергетической системой.

Действительно, мы едим органическую пищу, пьем воду, вдыхаем кислород, и только за счет этого имеем возможность двигаться, думать – вообще существовать.

Первая мысль, которая, при этом возникает: пищу мы закладываем в организм, который представляется в этом случае каким-то подобием топки, где сгорает (в атмосфере кислорода) поглощенная нами еда, производя энергию.

Суммарное уравнение, вроде бы, подтверждает такой взгляд. Основное топливо организма – глюкоза, имеющая формулу С6Н12О6. В ходе ее сгорания образуется вода, Н2О, и углекислый газ, СО2. Вроде бы все правильно, как в костре, где горят деревяшки, представляющие собой целлюлозу, то есть полимер той же глюкозы. Сначала выделяется водяной пар, дерево обугливается – обнажается углерод (в результате лишения углеводов воды), который, далее, и сгорает с образованием углекислого газа.

Однако, у костра можно греться в холодную осеннюю ночь, ибо температура сгорания древесины, в среднем, равна приблизительно 900 градусов, а воспламеняется она при температуре около 300 градусов. В организме человека, да и не только человека, а представителя любого другого биологического вида, за исключением червей Дюны, таких температур нет. Окисление происходит на холоде, так как в самых горячих местах нашего тела температура не превышает тридцати восьми градусов. Даже если учесть, что все реакции в нашем организме катализируются ферментами, невозможно понять, как может углерод сгорать при такой низкой температуре.

Значит, биологические системы научились каким-то образом обходить законы термодинамики? Оказывается, нет, но они пошли другим путем. Думается, читателю будет интересно разобраться, как это происходит.

Начнем мы с первого этапа – проникновения глюкозы внутрь клеток. Мы уже знаем, что для этого нужен инсулин. Предположим, что его достаточно, и это событие – вхождение глюкозы в клетку произошло.

Надо сразу оговориться, что глюкоза не является единственным источником энергии. Вторым по значимости источником является жир, точнее жирные кислоты, отщепляющиеся от нейтрального жира – эфира глицерина и жирных кислот. Однако, конечные этапы окисления жирных кислот не отличаются от конечных этапов окисления глюкозы, просто эти вещества проходят разные предварительные стадии подготовки к процессу, называемому окислительным фосфорилированием. Что это такое, будет понятно в конце рассказа.

В принципе, любое органическое вещество в организме может в результате химических превращений стать источником энергии, даже белки, которые в норме основным источником энергии никогда не являются.

Но не будем отвлекаться. Итак, глюкоза находится в клетке.

 

Гликолиз

Для того, чтобы глюкоза могла вступить в дальнейшие реакции, к ней присоединяются два остатка фосфорной кислоты, и образуется глюкозо-1,6-дифосфат. Зачем это нужно?

Здесь мы сделаем небольшое отступление и разберемся, как вообще происходит обмен энергии в живой клетке, а, значит, и в живом организме вообще. Надо еще раз вспомнить, что организм – это конфедерация отдельных, в общем, достаточно автономных одноклеточных организмов, получающих, правда, питание, не из водоема, а из играющей его роль крови.

Для работы клеток используется химическая энергия, запасенная в связях между атомами и молекулами. Как утверждают в курсах химии, эта связь может быть ковалентной и не ковалентной, например, водородной (то есть электрической). При разрыве связей высвобождается энергия (энергия в физике определяется как способность совершить работу, и измеряется в тех же единицах). Она может высвободиться в виде тепла, а может пойти на образование другой связи, то есть на образование нового вещества. Так все и происходит – обмен энергией в организме неотделим от обмена веществ.

Есть в клетке и специальные соединения, которые играют роль поставщиков энергии для химических реакций синтеза, а сами образуются в ходе реакций расщепления, за счет выделяющейся при этом энергии. К этим соединениям относятся такие вещества, как креатинфосфат (о котором сторонние люди едва ли когда-нибудь слышали) и аденозинтрифосфат, он же, сокращенно, АТФ. Об этом соединении слышали все (во всяком случае, лет тридцать назад о нем, точно, все знали, потому что его очень охотно кололи внутримышечно, пока не поняли, что при таком введении от него нет никакого толка), так как АТФ называют энергетической валютой клетки. Чем больше в ней АТФ, тем интенсивнее идут в ней процессы синтеза необходимых веществ. АТФ передает энергию, отдавая другим соединениям фосфатную (фосфорильную) группу. Не вдаваясь в подробности, скажу, что активность многих (лучше сказать, почти всех) ферментов (катализаторов) биохимических реакций стимулируется присоединением фосфата, так как он меняет их конфигурацию и сродство (способность захватывать) к реагентам. Но откуда в клетке берется АТФ?

Вот этим вопросом мы сейчас и займемся.

Правда, еще одно замечание. Энергия в клетке генерируется за счет окисления. Что это такое? Мы знаем, что одним из самых сильных окислителей в природе (если не считать фтора) является кислород, и окисление вещества – это его соединение с кислородом. Но это не всегда так, а иногда и совсем не так. Для окисления кислород нужен не всегда. Например, есть организмы (их называют анаэробными), для которых кислород – смертельный яд, но окисление в их клетках, тем не менее, происходит. Так вот, как известно, все вещества состоят из атомов, а атомы из ядер, вокруг которых обращаются электроны. Нас сейчас не будут интересовать подробности, но ядро заряжено положительно, а электрон несет элементарный отрицательный заряд. Окисление атома или молекулы происходит, когда он или они отдают электроны. Таким образом, вещество, теряющее электрон, окисляется, а вещество, электрон приобретающее – восстанавливается.

Следовательно, окисление и восстановление могут происходить и в отсутствие кислорода. Больше того, одна часть органической молекулы может, при определенных условиях восстановить сама себя – то есть одна часть окисляется, отдавая электрон другой части.

Теперь, вооружившись теоретически, можем переходить к рассмотрению первого этапа энергетических преобразований глюкозы – к гликолизу.

Итак, глюкоза проникает в клетку, где ее тотчас атакует фермент гексокиназа. Происходит это в цитозоле, то есть в цитоплазме клетки – не в ядре, и не в митохондрии. (Названия биохимических субстратов запоминать, естественно, не надо. Надо лишь понять суть происходящего). Этот фермент катализирует фосфорилирование глюкозы – она присоединяет остаток фосфорной кислоты, на что расходуется одна молекула АТФ с образованием глюкозо-6-фосфата. (Это название говорит лишь о том, что фосфат присоединяется к 6 атому глюкозы). Глюкоза – это спирт, содержащий альдегидную группу, но есть еще кетоспирт – фруктоза, являющийся изомером глюкозы. Оба сахара довольно легко превращаются друг в друга. Так вот, следующим этапом глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат. После этого по ходу гликолиза происходит расходование еще одной молекулы АТФ (как мы видим, пока энергия только расходуется, но не создается). В результате еще одного фосфорилирования образуется фруктозо-1,6-дифосфат: фосфатные группы присоединились к обоим концам молекулы.

После этого, под воздействием специфического фермента происходит расщепление фруктозо-1,6-дифосфата на две фосфорилированных трехуглеродных молекулы – на дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Первое из этих соединений легко переходит во второе, и именно оно участвует в дальнейших реакциях гликолиза.

Еще на минутку отвлечемся. В клетке присутствует особое вещество – никотинамидадениндинуклеотид, или, сокращенно НАД. Это соединение способно присоединять, переносить и отдавать протоны и электроны, то есть служит окислителем и восстановителем.

Так вот, глицеральдегид-3-фосфат взаимодействует с НАД, окисляется до фосфоглицериновой кислоты, и присоединяет неорганический фосфат с образованием 1,3-бифосфорной кислоты. Одновременно образуется НАДH + Н+. Вот теперь, наконец, происходит то, ради чего все, собственно, и затевалось. 1,3-бифосфоглицериновая кислота отдает фосфат АДФ с образованием 1 молекулы АТФ. Из молекулы глюкозы образовалось две молекулы 1,3-бифосфорной кислоты, и, значит, мы получили в ходе гликолиза уже 2 молекулы АТФ. Счет сравнялся. Дальше происходит еще несколько реакций, распространяться о которых не будем за недостатком места и, чтобы не загромождать изложение. В их результате образуется очень активное и богатое энергией вещество – фосфоенолпируват. Это соединение отдает фосфорильную группу АДФ с образованием еще одной молекулы АТФ и пировиноградной кислоты. Учитывая, что из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы фосфоенолпирувата, мы имеем еще две молекулы АТФ. Побеждаем с преимуществом в два очка. То есть, как выяснилось, окисление может быть эффективным даже в отсутствие кислорода.

Что же происходит дальше? Дальше происходит самое интересное. Все, кто занимался спортом, слышали, что есть в клетках молочная кислота, которая накапливается в крови при интенсивной физической нагрузке. Начало этому накоплению полагается здесь, в исходе гликолиза. Дело в том, что при наличии кислорода пировиноградная кислота поступает в цикл трикарбоновых кислот (об этом мы еще поговорим), а, если кислорода недостаточно, то цикл этот оказывается блокированным, и природа идет по другому пути: с использованием НАДН + Н+ пировиноградная кислота восстанавливается в молочную кислоту с образованием НАД. Если снабжение кислородом восстанавливается, то молочная кислота окисляется в пировинградную кислоту и запускается цепь реакций цикла трикарбоновых кислот (цикл Кребса).

Именно поэтому в интенсивно работающей мышце, когда ей приходится работать в анаэробных условиях, активируется путь гликолиза с повышенным образованием молочной кислоты. (Продвинутые тренеры не зря контролируют допустимость нагрузок по уровню молочной кислоты в крови).

 

Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

Дальнейшие события энергетического обмена клетки перемещаются в митохондрию, клеточную органеллу, которая и существует для того, чтобы продуцировать энергию в больших количествах, используя для этого кислород. Правда, до кислорода еще далеко. К его участию в обмене надо подготовиться, и такой подготовкой является цикл трикарбоновых кислот. Название трудное, но, если его растолковать, то оно уже не покажется таким сложным.

Кислота – это соединение, которое в растворе высвобождает протон (Н+), то есть положительно заряженный ион атома водорода. Чем больше в растворе таких протонов, тем сильнее кислота.

Кислоты могут быть органическими и неорганическими. В цикле Кребса участвуют только органические кислоты, похожие на уксусную кислоту. Она имеет простое строение, СН3-СООН. Кислотность определяется карбоксильной группой (СООН), которая высвобождает в раствор протон (ион водорода). Если в органической кислоте одна карбоксильная группа, то кислота называется монокарбоновой (однокарбоновой), если их две, то дикарбоновой (двухкарбоновой), а, если карбоксильных групп три, то кислота, соответственно, называется трикарбоновой. В ходе цикла первой образуется трикарбоновая лимонная кислота, и, поэтому, еще одно название этого основополагающего энергетического цикла – цикл лимонной кислоты.

Ключевым соединением цикла лимонной кислоты является вещество, называемое ацетилкоэнзимом А (сокращенно обозначается ацетил-СоА). Это соединение является конечным продуктом окисления углеводов, жиров и белков, и представляет собой эфир уксусной кислоты и коэнзима А. Откуда оно берется при окислении глюкозы? Оказалось, что оно образуется после окисления пировиноградной кислоты – продукта реакций гликолиза (см. предыдущий раздел), а сам коэнзим А представляет собой пантотеновую кислоту или витамин В5. Отметим этот первый витамин в цепях получения энергии.

Надо помнить, что витамины – это необходимые компоненты жизненно важных реакций, без которых невозможна жизнь. Витамины, кроме того, не синтезируются организмом человека, и их надо получать извне. Значит, их все же надо употреблять (либо в овощах и фруктах, либо в таблетках).

Кроме того, в митохондрии (в ее матриксе, во внутреннем отсеке) есть небольшое количество еще одного соединения – щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетата). При соединении щавелевоуксусной кислоты (дикарбоновой кислоты) с ацетил-СоА (фактически с монокарбоновой уксусной кислотой) образуется трикарбоновая лимонная кислота.

Возникает вопрос: зачем организму такие сложности?

Ответ представляется неожиданно простым. Организм никогда не придумывает ничего кардинально нового, если нужны какие-то дополнительные функции. Новое пристраивается к хорошо известному старому. Когда обмен был анаэробным, клетка обходилась гликолизом. Когда потребность в энергии возросла, к нему были пристроены другие реакции, цепь которых была замкнута в круг, что позволяет тоньше регулировать процесс (многозвенный процесс, как это ни парадоксально, можно регулировать тоньше, так как есть возможность воздействовать на каждое звено по отдельности). Когда же в митохондриях появился кислород, то к циклу лимонной кислоты организм пристроил дыхательную цепь (о ней мы поговорим ниже).

Итак, что происходит в цикле лимонной кислоты?

Образованная в ходе гликолиза пировиноградная кислота окисляется, высвобождая углекислый газ, превращается в уксусную кислоту и присоединяется к коэнзиму А, и в результате получается ацетил-СоА, который соединяется с щавелевоуксусной кислотой, образуя лимонную кислоту. В этой реакции происходит восстановление НАД, который связывается с протонами и электронами. Запомним это, НАД нам еще понадобится.

Далее следует каскад окислительных реакций, в ходе которых от лимонной кислоты последовательно отщепляются две молекулы углекислого газа (этот углекислый газ является побочным продуктом и удаляется из клетки, а затем поступает в кровь и выводится из организма с выдыхаемым воздухом), восемь протонов (ядер атомов водорода) и электронов, которые переносятся на НАД и хинон. Эти два соединения дальше участвуют в процессах, происходящих в дыхательной цепи. Помимо всего, образуется и одна высокоэнергетическая связь в виде гуанозинтрифосфата (ГТФ).

В результате всех этих пертурбаций снова образуется молекула щавелевоуксусной кислоты, которая готова соединиться с ацетил-СоА, и цикл повторяется.

Однако все это всего лишь подготовка к главному действу – к вступлению протонов и электронов в дыхательную цепь окислительного фосфорилирования.

 

Окислительное фосфорилирование в дыхательной цепи

События, описанные ниже, происходят в мембране митохондрий – специализированных органелл клетки, где происходит поточное производство энергетической валюты – молекул АТФ.

В мембрану митохондрий встроены пять элементов дыхательной цепи – белок флавопротеин, хинон и три цитохрома.

НАДН+Н+, образованный в цикле Кребса, передает протоны и электроны флавопротеину. И еще два протона и электроны передаются непосредственно на хинон.

В дыхательной цепи происходит разделение зарядов – электроны попадают в митохондрию, накапливаясь на внутренней поверхности ее мембраны, а протоны выбрасываются, накапливаясь на наружной стороне мембраны.

Таким образом, произошло разделение зарядов. Дыхательная цепь – это биологический конденсатор, порождающий разность потенциалов по обе стороны мембраны митохондрии. Эта разность потенциалов обладает потенциальной энергией, которую можно использовать, если открыть шлюз, соединяющий наружную и внутреннюю поверхности мембраны. Такой шлюз, действительно, существует, и попеременно, открывается и закрывается.

При открытии канала протоны по градиенту потенциала устремляются внутрь митохондрии. При этом высвобождается энергия, которая путем сложного сопряжения генерирует 30 молекул АТФ. Ощутите разницу!

Протоны, поступающие внутрь митохондрии, могут уменьшить трансмембранную разность потенциалов, и сдвинуть pH в кислую сторону, а это нежелательно, так как уменьшение потенциала снизит выход АТФ, а увеличение кислотности нарушит функционирование клетки – организм не любит резких и сильных сдвигов в составе и кислотности внутренней среды. Этого не происходит, так как протоны соединяются с кислородом (единственное место в организме, где работает кислород – это митохондрии) и образуют воду.

Эта вода называется метаболической, так как образуется в процессе метаболизма (обмена веществ). В организме человека за сутки образуется порядка 200 мл метаболической воды, и этого, конечно, мало для покрытия потребности в ней.

Есть, однако, организмы (например, мучные черви), которые прекрасно чувствуют себя в безводных условиях, потому что им вполне хватает полученный таким способом метаболической воды.

Все это длинное описание (при сильном упрощении картины) было приведено только затем, чтобы показать, что в организме не происходит непосредственного окисления углерода кислородом. Углерод окисляется в других реакциях, а кислород образует воду, вступая в реакцию с водородом.

У дыхательной цепи есть и еще одна функция – поддержание температуры в организме. Для того, чтобы заставить дыхательную цепь порождать тепло, надо разобщить окисление и фосфорилирование, то есть ограничиться окислением.

Такая ситуация создается в особой ткани – буром жире. В нем, при открытии каналов в митохондриальной мембране энергия движущихся протонов идет на генерирование тепла.

Есть в человеческом организме еще одно место, где работает протонный насос, разделяющий заряды – это слизистая оболочка желудка. Протоны накапливаются в просвете желудка, определяя высокую кислотность желудочного сока.

Для лечения язвы желудка, которая, среди прочего, часто бывает обусловлена именно повышением кислотности, применяют ингибиторы протонной помпы – омепразол и родственные ему препараты. Они снижают кислотность желудочного сока, уменьшая, таким образом, его агрессивность в отношении слизистой оболочки.