Как пища превращается в энергию. (физиологические представления об этапах биохимических превращений).

Очень схематично и грубо процесс получения энергии у человека можно описать следующим образом.
Первый этап. (Пищеварительный.)
На этом этапе пища - растительные и животные продукты, которые, как всем хорошо известно, состоят, в основном, из углеводов, жиров и белков - поступает в желудок и далее в двенадцатиперстную кишку и тонкий кишечник. То, что происходит с разжеванной пищей, когда она в желудке смешивается с желудочным соком, в химии называется гидролитическим расщеплением пищеварительными ферментами.
Гидролиз - это растворение в воде (слово происходит от греческих слов пуаго - вода и 1у51а - распад, разложение). Пищеварительные ферменты - это своего рода органические катализаторы. Известно, что катализатор ускоряет химическую реакцию, не участвуя в ней. Пищеварительные ферменты ускоряют расщепление длинных и сложных молекул белков, жиров и углеводов до более мелких и сравнительно простых молекул. Вырабатываются эти ферменты особыми железами - слюнными, желудочными - в очень небольшом количестве. Например, у человека ежедневно синтезируется всего около 1 грамма фермента пепсина, но этого грамма достаточно, чтобы расщепить 600 килограммов (!) яичного белка.
Итак, в желудочно-кишечном тракте с помощью пищеварительных ферментов происходит гидролитическое расщепление больших полимерных молекул белков, жиров и сложных Сахаров до достаточно простых молекул (мономеров). Углеводные, белковые и жирные компоненты пищи расщепляются на сравнительно короткие, с небольшим молекулярным весом составные части. В процессе переваривания пищи аппетитное пирожное превращается, в основном, в аминокислоты, жирные кислоты, глицерин и простейшие сахара - моносахариды. Затраченная для этого энергия частично компенсируется небольшим количеством энергии, выделившейся при гидролизе.
Для того, чтобы организм мог использовать запасенную в химических связях энергию, пищевые вещества должны быть преобразованы в процессе пищеварения. Если сравнивать процессы добывания энергии в живом организме с горением, - например, с горением дров в печи, - то для этого процесса, прежде всего, годятся "дрова" только определенных габаритов. В желудке и кишечнике происходит расщепление сложных и длинных молекул, из которых состоят пищевые продукты, на небольшие фрагменты. В них словно происходит распилка больших бревен на недлинные чурбаки.
По мере прохождения пищевого комка по желудочно-кишечно-му тракту эти "чурбаки", бывшие сахара и белки, всасываются через стенки желудка и особенно через стенки кишечника и попадают в густую сеть капилляров и вен. Словно сплавляясь по ручейкам и речушкам, они оказываются, в конце концов, в крупной воротной вене, "впадающей" в печень. Эту особую систему кровеносных сосудов, доставляющих в печень переработанные пищевые вещества, в медицине называют портальной.
Путь расщепленных жиров несколько сложнее - они попадают не в кровеносную, а в лимфатическую систему. И вообще, прежде чем куда-либо "попасть", жиры взаимодействуют с желчными кислотами. Только образовавши с их помощью мельчайшие капельки эмульсии, они могут пройти через стенки тонкого кишечника.
Далее начинается второй этап: биохимическая работа печени.
Печень по-латыни называется пераг. Полагают, что русское название - "печень" - происходит от слова "печь". Это самый горячий орган человеческого тела, ее температура всегда немного выше температуры других органов. И это поистине удивительный орган.
Всосавшиеся в тонком кишечнике пищевые вещества попадают через портальный крут кровообращения в печень. Печень - промежуточная станция между этим портальным кругом, несущим поступившие из тонкого кишечника вещества, и общим кровообращением организма; и она не просто "перевалочная база", а еще и замечательный завод по переработке "древесины" - полученных из пищеварительного тракта, частично расщепленных веществ.
В печени происходит превращение "чурбаков" в мелкие, акку-ратненькие "дрова" - простейшие органические вещества. Число разновидностей этих простых веществ очень невелико и замечательно здесь то, что "чурбаки" - аминокислоты (бывшие белки, разобранные на составные части) и разнообразные жирные кислоты (бывшие жиры) и простые сахара - "разбираются" в печени на совсем уже простые мелкие фрагменты, которых меньше десятка.
Вот эти фрагменты и поступают из печени в плазму крови и разносятся ею по всему организму, чтобы все органы, ткани и клетки могли бы использовать "дрова" в собственных маленьких печках и выработать столько энергии, сколько им нужно, или использовать их для строительства - биохимического синтеза.
Но не все готовые "дрова" печень передает в кровеносную систему, часть их она "сжигает" для собственных энергетических нужд. Неиспользованные же фрагменты молекул, - избыточные "дрова", - печень рачительно откладывает "про запас", создавая из "обломков" новые, нужные организму сложные органические вещества.
Например, поступившую глюкозу печень частично отправляет в кровяное русло, а частично использует для собственных энергетических нужд. Из неиспользованных простых остатков глюкозы она синтезирует и накапливает резервное вещество гликоген (буквальный перевод этого слова - "сахаром рожденный"). В случае необходимости печень снова расщепляет молекулу гликогена на простые молекулы глюкозы и либо использует их сама, либо отправляет в кровяное русло для энергетических трат в других органах и тканях.
В печени синтезируются белки и совершаются взаимопревращения аминокислот, в ней образуются холестерин и желчные кислоты. Это подлинная биохимическая лаборатория организма, причем точность и уровень ее работы просто удивительны. Она не только снабжает организм "горючим" и питательными веществами, но и самовосстанавливается: установлено, что все белки печени обновляются на 50% за 7 суток. Желчи печень вырабатывает в сутки до 2 литров. Желчь накапливается в желчном пузыре и из него поступает в двенадцатиперстную кишку, чтобы участвовать в новом цикле пищеварения.

Как происходит "горение".

Если первый этап превращений пищи происходит, в основном, в желудочно-кишечном тракте, за второй этап - ответственна печень, то третий этап получения энергии проходит на клеточном уровне.
Кровь и лимфа разносят по всему телу простейшие фрагменты бывших сложных органических молекул. Готовые к употреблению эти вещества доставляются повсюду, к каждой клетке. И, кроме того, кровь разносит по всему телу связанный с гемоглобином кислород. "Кровь - великое дело" - справедливо отметил мессир в "Мастере и Маргарите".
Третий этап: окисление.
На третьем этапе из крови и лимфы простые вещества попадают в клетки. В клетки поступает и кислород. Каждая клетка покрыта оболочкой, внутри нее находится ядро и много других специализированных маленьких образований. Установлено, что все процессы горения, (они же - процессы окисления) проходят в клетке в специально отведенных Природой для этого "местах" - в мито-хондриях. Название происходит от греческих слов mitos- нить и chondrion - зерно. Под микроскопом митохондрия очень похожа на аккуратное зернышко, внутри которого находится целый лабиринт перегородок. В клетке митохондрий очень много: иногда до нескольких сотен, а вот в клетках печени их насчитывают до двух тысяч.
В митохондриях и происходит "сгорание" - окисление простых веществ кислородом. Здесь простые вещества вступают в знаменитый лимоннокислый цикл, в котором претерпевают несколько чудесных превращений, в конце концов, окисляясь кислородом до простейших углекислого газа и воды. На этом этапе высвобождается 2/3 всей возможной энергии расщепления веществ. Это венец всех пищеварительных усилий, предпринятых организмом ради получения энергии.
Высвободившаяся энергия только частично превращается в тепло, а около 40% ее аккумулируется в особых биохимических соединениях, с химическими связями, способными запасать и отдавать очень много энергии. По своим энергетическим возможностям - это уже не "древесина", а скорее древесный спирт. Эти вещества - замечательная находка Природы, и в качестве энергетической валюты они используются практически во всех животных формах. Если в популярных статьях по биологии вы встречаете аббревиатуру АТФ, то значит, речь идет об одной из энергетических валют - аденозинтрифосфате, довольно сложной молекуле, включающ По своим энергетическим возможностям - это уже не "древесина", а скорее древесный спирт. Эти вещества - замечательная находка Природы, и в качестве энергетической валюты они используются практически во всех животных формах. Если в популярных статьях по биологии вы встречаете аббревиатуру АТФ, то значит, речь идет об одной из энергетических валют - аденозинтрифосфате, довольно сложной молекуле, включающей в себя атомы фосфора. Фосфору и обязана эта большая молекула энергетическим богатством своих химических связей. Когда она отдает энергию, она теряет одну фосфатную группу и становится аде-нозиндифосфатом, сокращенно АДФ. Этот акт передачи так и записывается АТФ - АДФ. АТФ также вырабатывается митохондриями.
Клетки - рачительные хозяева: не все простые расщепленные вещества, полученные ими, сжигаются в лимоннокислом цикле, превращаясь в углекислый газ и воду. Часть их идет на строительство (синтез) новых, нужных клетке жиров, белков и углеводов; а поскольку для всякого синтеза требуется энергия, используется некоторое количество энергии из тех 40% энергии, которые были отложены "про запас" в молекулах АТФ.
Маленькое примечание: митохондрий содержатся в каждой клетке, в том числе и в яйцеклетке. Но в сперматозоидах их нет. Поэтому свою "энергетику" плод получает от матери. "Поистине, мать дает ему жизнь" - пишут в Упанишадах. Поистине, энергетика и активность будущего человека определяются его матерью.
Кислородное окисление называют аэробным (воздушным) путем распада веществ, и это главный, но не единственный путь получения энергии у теплокровных. Есть и другой - анаэробный - "безвоздушный", точнее, бескислородный - способ добычи энергии. Он особенно хорошо представлен в печени и мышцах и состоит в том, что организм разлагает молекулу глюкозы на более мелкие фрагменты, используя молекулу АТФ и особые ферменты. Результатом этой работы является некоторое количество энергии и молочная кислота. Характерная боль в мышцах, возникающая, если нам приходится долго бежать (копать, кататься на велосипеде и прочее) после периода продолжительного бездействия связана именно с накоплением молочной кислоты.
Организм - известный перестраховщик. Если его ткани или органы недостаточно снабжаются кислородом, он использует анаэробный (бескислородный) способ получения энергии. В общем, у большинства теплокровных организмов преобладает кислородный путь добычи энергии, но в случае необходимости используется и анаэробный, бескислородный. В таком важном вопросе, как обеспечение энергией, всегда лучше иметь несколько возможностей - вдруг придется плыть под водой или бежать в противогазе...
"Тренированность" с биохимической точки зрения - это увеличение кислородного обеспечения мышц. У мышцы появляется возможность перейти на более выгодный способ получения энергии - аэробный, "отходами" которого будут только вода и углекислый газ. Молочной кислоты - "отхода" от анаэробного распада глюкозы - становится меньше. После регулярной физической нагрузки тренированные мышцы меньше болят, человек становится выносливее и сильнее.