Глава седьмая. Обмен веществ и энергии

 

На молекулярном уровне вы всегда очень заняты. Впрочем, и на клеточном тоже, потому что эти уровни неразрывно связаны между собой. Даже если вам кажется, что вы отдыхаете, ваш организм работает, работает, работает… Вещества синтезируются и распадаются, энергия выделяется и поглощается. Жизнедеятельность организма – это непрерывный обмен веществ и энергии. Для простоты обычно говорят «обмен веществ», без постоянного упоминания об обмене энергии, но надо понимать, что оба этих процесса неразрывно связаны между собой и одно без другого существовать не может.

По-научному совокупность обменных процессов организма называется метаболизмом.

К слову – о птичках. Люди почему-то думают, что метаболизм у каждого свой, особый, индивидуальный. Часто можно услышать фразы вроде: «у меня такой обмен веществ, что я даже во время голодания прибавляю в весе» или «у него такой метаболизм, что он может есть все, что угодно, и оставаться при этом худым». На самом же деле (и простите автору, что он сейчас кого-то расстроит) у здоровых людей метаболические процессы протекают совершенно одинаково, как и положено им протекать у представителей одного биологического вида. Метаболизм нарушается только при некоторых заболеваниях. Что же касается «есть все, что угодно, и оставаться при этом худым», то причиной этого может плохое всасывание питательных веществ в кишечнике или же, к примеру, наличие какого-то заболевания, о котором сам человек не имеет понятия. Ну а если кто-то прибавляет в весе во время голодания, то тут уж одно из двух – или голодание фиктивное, или весы испорчены. На фоне полного отсутствия пищи организм не может откладывать жир про запас, потому что не из чего создавать запасы. Наоборот, жировые запасы будут тратиться.

Мы не можем напрямую усваивать энергию солнечного излучения, да и вообще никто из животных, за исключением некоторых бактерий, на это не способен. Энергию Солнца впитывают растения. В процессе фотосинтеза, с помощью солнечной энергии, растения образуют нужные им органические вещества из неорганических – воды, углекислого газа, азота, кислорода, минеральных солей. Возможность фотосинтеза обеспечивает пигмент хлорофилл, который заодно придает растениям зеленую окраску.

«Куда растения девают солнечную энергию?» любят спрашивать экзаменаторы.

Вопрос очень простой, но в тоже время сложный и, как говорится, с подковыркой. Можно начать перечислять те вещества, которые растения синтезируют с использованием солнечной энергии, можно просто сказать, что они используют эту энергию для роста, но правильный ответ такой: «Растения (а также содержащие хлорофилл бактерии) преобразуют солнечную энергию в химическую энергию органических соединений».

Давайте познакомимся с фотосинтезом поближе, ведь это самый важный процесс на нашей планете. Без фотосинтеза не было бы растений, а без растений не было бы животных, которые питаются растениями или же другими животными, но в конечном итоге первичным источником пищи всегда являются растения.

В основе процесс фотосинтеза лежит окислительно-восстановительный процесс.

Что такое окисление и восстановление все помнят?

Окисление – это процесс отдачи электронов атомом. Атом отдает свои кровные электроны другому атому и потому настроение у него кислое, и выражение на лице тоже кислое. Окисление – это потеря.

Восстановление – это процесс получения электронов атомом. Атом восстанавливается, отобрав электроны у другого атома. Восстановление напрямую связано с прибавлением, верно? Невозможно восстанавливаться, теряя что-то. Восстановление – следствие получения ресурсов.

Растения в процессе фотосинтеза окисляют воду, а этот процесс сопровождается выделением молекулярного кислорода (O2). Именно поэтому растения называют «легкими планеты». Но обратите внимание на такое обстоятельство – кислород растения выделяют не в процессе дыхания, а в процессе фотосинтеза.

Фотосинтезирующие бактерии могут окислять не воду, а другие вещества, и кислород при этом не образуется.

Сущность фотосинтеза с использованием воды можно выразить следующей формулой:

 

6СО2 + 6Н2О + Qсвета → С6Н12О6 + 6О2

 

Углекислый газ и вода при помощи световой энергии превратились в глюкозу и кислород.

У высших растений, тело которых разделено на специализированные органы – листья, стебель и корень, органом фотосинтеза является лист, а органоидами фотосинтеза – хлоропласты (они же пластиды).

Главным компонентом процесса фотосинтеза, название которого переводится как «световой синтез», является зеленый пигмент хлорофилл. Молекула хлорофилла способна запасать энергию света в виде энергии возбужденных электронов и преобразовывать ее в энергию химических связей.

Клеточные органоиды хлоропласты имеют зеленый цвет, благодаря присутствию в них хлорофилла. Также в хлоропластах содержатся вспомогательные пигменты фотосинтеза – каротиноиды, которые имеют оранжевый цвет.

Хлоропласты представляют собой овальные тельца размером до 10 × 4 мкм. В одной клетке листа в среднем содержится 15-20 хлоропластов, а у некоторых водорослей в клетках могут быть только 1 или 2 гигантских хлоропласта, которые называются хроматофорами.

Фотосинтез – это довольно сложный многоступенчатый процесс, который можно разделить на две группы – реакции световой фазы и реакции темновой фазы.

Реакции световой фазы, как нетрудно догадаться из названия, могут происходить только в присутствии света. В эту фазу с использованием световой энергии происходит фосфорилирование находящегося в хлоропластах АДФ до АТФ. При этом выделяется молекулярный кислород, который уходит в атмосферу.

За светофой фазой следует темновая.

Обратите внимание на то, что темновая фаза названа так, поскольку для ее реакций не нужна энергия света. Но это не ночная фаза, которая происходит только ночью. Реакции темновой фазы идут и днем, и ночью, без использования световой энергии.

Реакции темновой фазы представляют собой цепочку последовательных преобразований поступающего из воздуха углекислого газа, с образованием глюкозы и других органических веществ. В этих реакциях используется энергия АТФ, образованного в световую фазу.

Благодаря фотосинтезу из атмосферы поглощается углекислый газ, а в нее выделяется кислород… Кроме того, фотосинтез является основным источником образования органических веществ на нашей планете.

Знаете ли вы, что при фотосинтезе растения используют всего 1 % падающей на них солнечной энергии? Да, представьте – всего 1 %! А продуктивность фотосинтеза составляет примерно 1 грамм органического вещества на 1 кв. метр поверхности зеленых листьев в час.

Фотосинтезирующими организмами являются многие группы бактерий, в частности цианобактерии. У бактерий нет хлоропластов. Фотосинтез у них происходит на особых внутриклеточных мембранах, которые называются мезосомами, а также в цитоплазме. На мезосомах находятся фотосинтезирующие пигменты, которые, подобно хлорофиллу, превращают световую энергию в химическую. Здесь осуществляется световая фаза фотосинтеза. А темновая фаза проходит в цитоплазме бактериальной клетки.

Фотосинтез надо отличать от хемосинтеза, при котором образование органических веществ происходит за счет окисления различных неорганических соединений. Результат у обоих процессов один и тот же – синтез органических веществ, а суть разная. Ученые, занимающиеся проблемами переработки отходов, возлагают на бактерии-хемотрофы большие надежды. Представьте, как хорошо было бы иметь микроскопических помощников, способных перерабатывать пластик и прочее ненужное в органические вещества, причем – абсолютно экологичным способом, без загрязнения атмосферы и сточных вод! А биомассу (то есть – размножившихся бактерий) можно использовать в хозяйстве. Например, в качестве корма в птицеводстве или животноводстве. Сразу вспоминается фантастическая повесть Александра Беляева «Вечный хлеб», в которой профессор по фамилии Бройер создал саморастущее микробное «тесто», питательное и вкусное. Правда, как это часто бывает в жизни, хорошая задумка – дать голодным «вечный хлеб» – обернулась экологической катастрофой. Едоки не успевали своевременно съедать нужное количество «теста», которого становилось все больше и больше. «Тесто» растет с угрожающей быстротой, превращаясь из драгоценного питательного вещества в страшного врага, вырастая в могучий хлебный потоп, который грозит всеобщей гибелью…». Не помогло и выбрасывание теста в море, где его должны были съесть рыбы. Рыбы тоже не справились. «Тесто» захватило огромное пространство моря… В довершение бед, оно затянуло всю прибрежную полосу, остановило прибой, сравнялось с берегом и поползло на сушу».

Микроскопических переработчиков мусора нужно будет держать под неусыпным контролем, иначе они могут уничтожить все, что создано человеком… Жуткая перспектива! Но пока что можно спать спокойно, потому что переработка мусора бактериями – это перспектива завтрашнего дня.

Происходящий в живых организмах процесс образования органических веществ из более простых соединений называют биологическим синтезом или, сокращенно – биосинтезом. Ключевые слова – «в живых организмах»! Процесс образования органических веществ в лабораторных или фабричных условиях можно называть биосинтезом лишь в том случае, если в нем участвуют микроорганизмы.

Биосинтез – основа жизнедеятельности любого организма. В процессе биосинтеза образуются вещества и структуры, из которых строится организм, производится постоянное обновление клеток, осуществляется обмен веществ.

У биосинтеза есть одно абсолютное свойство, то есть – не знающее исключений. Биосинтез всегда осуществляется с потреблением энергии! Всегда-всегда-всегда! В результате процессов биосинтеза выделения энергии происходить не может! Живые организмы получают необходимую им энергию посредством разложения сложных веществ на более простые.

Организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических, называются автотрофами (в переводе с греческого – «сами (себя) питающие». Автотрофы являются первичными создателями органического вещества в биосфере, они обеспечивают пищей гетеротрофов («питающихся другими»), организмы которых не способны создавать «органику» из «неорганики». Некоторые биологические виды сочетают автотрофность с гетеротрофностью. Так, например, одноклеточная водоросль эвглена зеленая на свету ведет себя как автотроф, а в отсутствие света – как гетеротроф, поглощающий органические вещества из окружающей среды.

Подавляющее большинство животных, за исключением некоторых одноклеточных организмов, являются гетеротрофами. А что вы скажете насчет растений? Скорее всего – что все растения являются автотрофами. Но на самом деле это не так. В огромном мире растений можно встретить отдельных гетеротрофов, например, широко распространенную в средней полосе нашей страны заразиху или же тропическую раффлезию. Все растения-гетеротрофы, как вы понимаете, являются паразитами, вытягивающими питательные вещества из других растений. А раффлезия, коль уж мы о ней вспомнили, представляет собой чистейшее олицетворение паразитизма. У раффлезии отсутствуют не только органоиды, в которых мог бы проходить процесс фотосинтеза, но и сами листья вместе со стеблем. А зачем они нужны? Все, что корни-присоски вытягивают из растения-хозяина, в качестве которого обычно выступают лианы, поступает прямиком в цветок. И в какой цветок! У некоторых раффлезий цветки вырастают больше метра в диаметре, а вес их может превышать 10 килограммов. Если уж паразитировать, так паразитировать!

 

Раффлезия

 

В чем состоит главная особенность автотрофного биосинтеза?

Автотрофный биосинтез является определяющим процессом жизни на Земле, так как в ходе его образуются первичные сложные органические вещества, аккумулирующие энергию в своих химических связях.

В чем состоит главная особенность гетротрофного биосинтеза?

Главной особенностью гетеротрофного биосинтеза является сочетание энергетического и синтетического процессов – разложение органических веществ, поступивших в клетку, ведет к синтезу веществ, необходимых для жизнедеятельности клетки. Разложение сложных органических веществ дает гетеротрофам не только энергию, но и материал для биосинтеза (например – аминокислоты). Основу биосинтеза в любом живом организме составляет синтез белка. Иначе и быть не может, ведь все живое на нашей планете представляет собой белковую форму жизни.

Совокупность всех реакций синтеза органических веществ в живой клетке, сопровождающихся поглощением энергии, называется пластическим обменом, а совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии – энергетическим обменом. Пластический обмен также называют анаболизмом («подъемом», в переводе с греческого), а энергетический – катаболизмом («сбрасыванием»). Широко известные анаболики – это анаболические средства, вещества, стимулирующие анаболические процессы в организме.[41] Существуют и «катаболики», а точнее – термодженики, препараты, стимулирующие расщепление жира посредством повышения температуры тела на 1-2 градуса. Надо сказать, что любое вмешательство в метаболизм, если только оно не проводится врачом в лечебных целях, является опасным для здоровья. Учтите это!

У аэробных организмов, живущих в кислородной среде и поглощающих кислород в процессе дыхания, выделяют три этапа энергетического обмена: подготовительный, бескислородное окисление и кислородное окисление. У анаэробных организмов, которые в кислороде не нуждаются (а также и у аэробных организмов при недостатке кислорода) третий этап отсутствует.

Подготовительный этап энергетического обмена заключается в расщеплении сложных органических веществ до простых. Полимеры расщепляются до мономеров и этот процесс происходит при участии ферментов.

Все биохимические процессы в клетках протекают при участии определенных веществ-регуляторов, которые обеспечивают нужное течение процессов. Главными регуляторами большинства клеточных процессов являются ферменты. Им помогают витамины и гормоны. Ферменты, витамины и гормоны делают одно дело, но важно понимать разницу между этими веществами.

Ферменты – это вещества, ускоряющие биохимические реакции, которые синтезируются «по месту использования», то есть во всех клетках организма. Белковые ферменты вырабатываются в рибосомах, а РНК-ферменты – в ядре. Клетки не обмениваются ферментами.

Гормоны – это вещества, выделяемые специализированными клетками желез внутренней секреции и оказывающие регулирующее влияние на метаболические процессы. Во-первых, гормоны отличаются от ферментов тем, что они вырабатываются не всеми клетками, а только лишь «особо уполномоченными» и разносятся по организму с кровью.[42] Во-вторых, гормоны могут не только ускорять, но и замедлять биохимические реакции. Проще говоря, фермент – это стимулятор, а гормон – регулятор.

Витаминами называются жизненно необходимые органические вещества, участвующие в метаболических процессах, но не вырабатывающиеся в организме. Витамины мы получаем поступающие извне, с пищей. Исключение составляют витамин D, который образуется в нашей коже под действием ультрафиолетовой части солнечного излучения, и витамин A, который может образовываться из поступающих с пищей веществ-предшественников. Еще несколько витаминов вырабатываются бактериями, живущими в толстой кишке человека, но, по сути дела, то, что выработано бактериями, а не нами, можно считать поступившим извне.

Обратите внимание на то, что витамины:

– НУЖНЫ НАМ В МИНИМАЛЬНЫХ КОЛИЧЕСТВАХ (их суточные дозировки указываются в миллиграммах);

– НЕ ЯВЛЯЮТСЯ ИСТОЧНИКОМ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ОРГАНИЗМА (то есть – не обладают калорийностью);

– НЕ ЯВЛЯЮТСЯ СТРУКТУРНЫМИ КОМПОНЕНТАМИ ТКАНЕЙ.

Эти отличия очень важны потому что они позволяют отделять витамины от продуктов питания. Но вообще-то, чтоб вы знали, строгого определения витаминов в биологии не существует.

И еще обратите внимание на слова «жизненно необходимые вещества». Витамины незаменимы. Если организм некоторое время не получает какой-то витамин, то развивается заболевание.

В былые времена настоящим бичом человечества была цинга, заболевание, вызванное дефицитом витамина С или аскорбиновой кислоты.[43] Этот витамин очень важен (да, собственно, «неважных» витаминов не существует) поскольку он участвует в синтезе белка коллагена, образующего каркас для органов и тканей. Если коллагена становится меньше необходимого или если образуются «дефективные» волокна, в которых его мало, то организм начинает «рассыпаться» – кровеносные сосуды становятся ломкими, отчего возникают множественные кровотечения, зубы выпадают, развивается анемия, снижается иммунитет… В конечном итоге человек от цинги умирает. Но на начальной стадии, пока дело не зашло очень далеко, цинга лечится просто. Достаточно дать организму необходимое количество аскорбиновой кислоты, как синтез коллагена нормализуется и симптомы быстро исчезают. Профилактика цинги тоже весьма проста – с растительной пищей взрослому человеку нужно получать в сутки около 100 миллиграмм аскорбиновой кислоты. 50 грамм черной смородины или один крупный апельсин дадут такое количество витамина.

Но самое важное – узнать причину заболевания или, хотя бы, установить опытным путем, чем она лечится. С цингой человечество очень долго не могло разобраться. Первая из известных нам «эпидемий»[44] цинги разразилась во время крестовых походов, участники которых подолгу питались вяленым или засоленным мясом с сухарями, то есть продуктами, в которых витамина С практически не содержалось.

В XI–XIII веках, когда рыцари пытались завоевывать Палестину, исследованием причин возникновения цинги никто не занимался. Кто-то считал цингу наказанием за грехи, кто-то – порчей, насланной врагами, кто-то связывал ее с плохой водой… С окончанием крестовых походов цинга исчезла, чтобы вернуться во второй половине XV века с началом первых кругосветных мореплаваний. Надо сказать, что крестоносцам было легче. Они шли по земле, а не плыли по воде, и потому не были полностью оторваны от растительной пищи. Хоть что-то им иногда перепадало – лук, чеснок, морковь, яблоки, сливы и прочие дары природы. На кораблях же такой пищи не было совсем. Моряки же во время плаваний питались лишь галетами и солониной. Свежая пища, в том числе и растительная, оказывалась на столах только во время стоянок, ну еще немного можно было взять с собой и есть примерно в течение недели после отплытия, но не более того.

Португальский мореплаватель Васко да Гама, доплывший в конце XV века вокруг Африки до Индии, потерял из-за цинги более 60 % своего экипажа! Британец Джордж Ансон за время кругосветного плавания, растянувшегося на 4 года, потерял три четверти своего двухтысячного экипажа, и бо́льшую часть потерь «обеспечила» цинга.

Моряки, в отличие от крестоносцев, не только страдали от цинги, но и пытались установить причину этого страшного заболевания. Было ясно, что цинга связана с длительным плаванием, но что именно ее вызывает? Сначала грешили на «плохой» морской воздух, затем стали подозревать, что цингу вызывает тяжелая матросская работа, была даже версия, связывающая цингу с вынужденным половым воздержанием… Наконец-то люди задумались о том, а не виновата ли во всем пища, но, начав мыслить правильно, свернули не туда, куда было нужно. Вместо того, чтобы подумать о рационе, решили, что причина в плохом переваривании пищи, вызванном не то самим морем, не то нелегкой морской службой. Ход рассуждений был примерно таким – во время плавания пища плохо переваривается и начинает гнить в кишечнике, это гниение постепенно распространяется по всему организму, вызывая цингу. Как с этим бороться? Да очень просто! У гниющей пищи реакция щелочная, поэтому для лечения цинги надо принимать внутрь что-то кислое.

На этом этапе люди вплотную подошли к правильному решению, потому что кислый лимонный сок или, скажем, кислая капуста могут дать организму нужное количество витамина С. Однако, вместо кислых растительных продуктов, на кораблях стали использовать витриоловый эликсир – ароматизированный слабый раствор серной кислоты. Иногда, правда, мог использоваться уксус, но от него толку не было, поскольку в этом натуральном продукте витамина С содержится очень мало. Подобный подход к лечению цинги просуществовал добрую сотню лет, несмотря на то, что толку от него не было никакого.

В 1747 году судовой хирург британского военного корабля «Солсбери» Джон Линд решил провести эксперимент, который стал первым клиническим исследованием в истории медицины.[45] Когда у членов команды появились первые признаки цинги, Динд отобрал двенадцать моряков со схожими симптомами, разбил их на шесть пар и назначил им одинаковое питание. А вот лечение у каждой пары было своим. Первой ежедневно давали по кварте[46] сидра, второй – витриоловый эликсир, третья получала уксус, четвертой давали по полпинты[47] морской воды, пятой – по два апельсина и одному лимону; шестой – растертую смесь чеснока, хрена, горчичных зерен, перуанского бальзама[48] и мирры.[49] Была у Линда и контрольная группа, члены которой не получали никакого лечения, за исключением слабительного.

Если вас удивило то, что в эксперименте участвовала морская вода, то на самом деле в этом нет ничего удивительного. Морской водой, которой за бортом всегда было вдоволь, моряки пытались лечить любые болезни, начиная с несварения желудка и заканчивая сифилисом.

За неделю стало ясно, что лучше всего от цинги помогают апельсины и лимоны. Один из членов пятой группы на седьмой день вернулся на службу, а другой чувствовал себя настолько хорошо, что стал помогать Линду в лазарете. Первая группа, получавшая сидр, в котором витамина С значительно меньше, чем в цитрусовых, выглядела не так хорошо, как пятая, но все же чувствовала себя лучше прочих групп.

Надо сказать, что цитрусовые попали в эксперимент Линда не случайно. О том, что эти плоды помогают при цинге, писал еще в первой половине XVII англичанин Джон Вудалл, главный хирург Английской Ост-Индской компании.[50] В трактате «Помощник хирурга», опубликованном в 1617 году, Вудалл указывал такие противоцинготные средства, как ложечница,[51] корень хрена, полынь, настурция, щавель, лаймы, лимоны, апельсины и тамаринд[52] (все эти продукты богаты витамином С). Рекомендация Вудалла использовать их для лечения цинги была абсолютно верной, но на протяжении 130 лет никто на нее внимания не обращал. «Помощник хирурга» вообще не пользовался известностью. Точно так же не стал популярным и «Трактат о цинге» Джеймса Линда, опубликованный в 1753 году. Научная общественность его проигнорировала. Лишь в 1795 году Адмиралтейство[53] приказало выдавать лимонный сок на всех британских кораблях. Произошло это после эксперимента, проведенного годом ранее по инициативе контр-адмирала Алана Гарднера. На борту корабля «Саффолк» во время двадцатитрехнедельного безостановочного плавания в Индию команде ежедневно выдавалось по 2/3 унции[54] лимонного сока. Мера оказалась действенной – выраженных случаев цинги не наблюдалось.

А теперь давайте вернемся к энергетическому обмену.

На подготовительном этапе белковые молекулы расщепляются до аминокислот, жиры – до глицерина и карбоновых кислот, углеводы – до глюкозы, а нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов. Полимеры превращаются в кучи мономеров. Этот процесс в пищеварительном тракте осуществляется пищеварительными ферментами, а в клетках – ферментами лизосом.

Подготовительный этап энергетически нерезультативен для организма. Вся энергия, высвобождающаяся при расщеплении сложных органических веществ до простых, не усваивается организмом, а рассеивается в виде тепла. К сожалению. Значение подготовительного этапа заключается в подготовке материала для получения энергии – небольших органических молекул, а не в получении энергии как таковой.

Следующий этап – этап бескислородного окисления, также называют этапом гликолиза (расщепления глюкозы), поскольку главным источником энергии в клетке является глюкоза.

Гликолиз – это сложный многоступенчатый процесс, включающий в себя десять последовательных реакций. Во время этого процесса происходит дегидрирование глюкозы, которая в результате ряда ферментативных реакций превращается в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом суммарно образуются 2 молекулы АТФ и восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н2:[55]

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 + 2НАД+ → 2С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О + 2НАД·Н2

 

Структурная формула пировиноградной кислоты (С 3 Н 4 О 3)

 

Дальнейшие превращения пировиноградной кислоты зависят от присутствия в клетке кислорода. Если кислорода нет, то у дрожжей[56] и растений происходит спиртовое брожение, при котором сначала образуется уксусный альдегид (СН3СОН), а затем – этиловый спирт (С2Н5ОН):

 

С3Н4О3 → СО2 + СН3СОН,

СН3СОН + НАД·Н2 → С2Н5ОН + НАД+

 

У животных и некоторых бактерий при недостатке кислорода происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:

 

С3Н4О3 + НАД·Н2 → С3Н6О3 + НАД+

 

Структурная формула молочной кислоты (С 3 Н 6 О 3)

 

В результате гликолиза одной молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж, из которых 120 кДж рассеивается в виде тепла, а 80 кДж запасается в связях АТФ. Надо отметить, что живые организмы относятся к энергии с ужасающей расточительностью. Мало того, что отдают в пространство ту энергию, которая выделяется при переваривании пищи, так еще и 3/5 энергии, извлекаемой из молекул глюкозы, теряют. Ужас!

Третий этап энергетического обмена – это кислородное окисление или дыхание (имеется в виду клеточное дыхание). Суть его заключается в полном расщеплении пировиноградной кислоты, которое происходит в митохондриях в присутствии кислорода. Пировиноградная кислота распадается до водорода и углекислого газа. Выделившаяся при этом энергия используется для синтеза АТФ. В общем виде этот процесс выглядит так:

 

С6Н12О6 + 6Н2О → 6СО2 + 4АТФ + 12Н2

 

Последним этапом является окисление пар атомов водорода с участием кислорода до воды с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ.

 

Суммарная реакция расщепления глюкозы до углекислого газа и воды выглядит следующим образом:

 

С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + 38АТФ + Qт (тепловая энергия)

 

Одна молекула глюкозы заряжает 38 «батареек», то есть восстанавливает 38 молекул АТФ. Неплохо, но в идеале их могло бы быть 95 (если бы усваивалась вся извлекаемая из молекулы глюкозы энергия).

 

Молекула АТФ

 

Зачем вообще нужна АТФ?

Почему бы природе не устроить так, чтобы живые организмы напрямую использовали содержащуюся в глюкозе энергию? Выше уже говорилось о том, что молекулы АТФ нужны для транспортировки энергии от места высвобождения и связывания к месту использования. Но почему бы не доставлять к месту использования непосредственно молекулы глюкозы? Они же мельче, чем молекулы АТФ.

Дело в том, что, с точки зрения клеточных реакций, при окислении молекулы глюкозы выделяется очень много энергии, гораздо больше, чем нужно для питания одного клеточного процесса. Молекулу глюкозы образно можно сравнить с оптовым складом энергии, а АТФ – с розничной фасовкой товара.

Обмен жиров (липидов), углеводов и белков можно охарактеризовать одной фразой: «съеденные полимеры расщепляются на мономеры, из которых организм вырабатывает нужные ему полимеры».

Все знают, что запасы энергии животные организмы откладывают в виде жиров.[57] И это совершенно правильно, ведь жиры – это наиболее энергоемкая группа органических веществ. Однако в организме животных наряду с жирами существует и другая форма энергетического запаса – углеводная. Это гликоген, похожий на крахмал углеводный полимер, состоящий из множества молекул глюкозы. Он представляет собой форму запаса глюкозы у животных.

Вот зачем нам нужен гликоген? Неужели мы не можем обойтись без его запасов в клетках печени и скелетных мышц, а также и в других клетках? У нас же есть жировой запас, более энергоемкий, чем углеводный…

Энергоемкость – дело хорошее. Удобнее, а, значит, выгоднее постоянно таскать на себе энергию в виде жиров, а не в виде углеводов. Но есть одна загвоздка – извлечение энергии из жиров представляет собой довольно длительный процесс. Расщепить гликоген на глюкозу, а глюкозу на воду и углекислый газ гораздо быстрее. А «успех – это успеть», не так ли? Гликоген представляет возможность быстрого получения энергии, а уже следом за ним «подтягиваются» жиры. Основной энергозапас мы храним в компактных жирах, а запас «немедленного реагирования» – в гликогене. Это очень мудрое распределение, потому что в жизни бывают ситуации, когда до расщепления жиров можно просто не дожить. Например – при встрече с медведем в тайге или с грабителем на ночной улице. В экстремальных ситуациях можно надеяться только на глюкозу с гликогеном, а не да «долгоиграющие» жиры.

Не надо путать основной источник энергии с основной формой ее запаса! Основным источником энергии в нашем организме являются углеводы потому, что их доля в суточном рационе вдвое превышает вместе взятые доли белков и углеводов. Если кто не в курсе, то рекомендуемое врачами и природой соотношение белков, жиров и углеводов в рационе здорового взрослого человека составляет 1:1:4.

Обратите внимание на то, что жиры, полученные с пищей, не могут непосредственно сразу же откладываться в виде запасов. Пищевые жиры в организме расщепляются, а про запас откладываются те жиры, которые синтезируются организмом из продуктов расщепления пищевых жиров.

Напрашивается вопрос – зачем организму нужно тратить время и ресурсы сначала на расщепление пищевых жиров, а затем на синтез своих собственных жиров? Не проще было бы сразу откладывать то, что получено с пищей?

Нет, не проще!

Во-первых, жир жиру рознь. Жиры – это общее название для большой группы веществ, отдельные представители которой весьма сильно отличаются друг от друга по строению и свойствам. Клетки жировой ткани генетически «настроены на определенную волну», то есть способны накапливать конкретные виды жиров, свойственные данному биологическому виду. Жир человека и жир свиньи отличаются друг от друга так же, как «Война и мир» отличается от «Преступления и наказания» (несмотря на то, что оба этих романа входят в число классических произведений русской литературы).

Во-вторых, жиры не могут циркулировать в крови, потому что это опасно для жизни. Жир нерастворим в воде и, соответственно, не может растворяться в состоящей из воды плазме крови. Молекулы однородных жиров в водной среде могут группироваться вместе, образуя жировые шарики. Вспомните про «пятна» жира на поверхности супа, чтобы представить, какие крупные конгломераты могут образовывать жиры. Иногда весь жир, находящийся в тарелке с супом, сливается в одно большое пятно. Так вот, эти шарики жира могут закупоривать кровеносные сосуды (по-научному это называется «жировая эмболия»). В результате такой закупорки участки органов, а то и все органы целиком, лишаются питания и отмирают. Если страдают такие жизненно важные органы, как головной мозг, сердце или легкие, то дело может закончиться не просто болезнью, а смертельным исходом.

Но на наше с вами общее счастье жиры расщепляются в желудочно-кишечном тракте на молекулы глицерина и жирных кислот, которые всасываются в кровь и циркулируют с нею по организму, не нанося ему вреда. Глицерин растворим в воде, а молекулы жирных кислот, большинство которых в воде не растворяются, в капли собираться не способны и потому не могут закупоривать сосуды.