Биология для тех, кто ищет ответы в природе - Андрей Левонович Шляхов

На борту корабля «Саффолк» во время двадцатитрехнедельного безостановочного плавания в Индию команде ежедневно выдавалось по 2/3 унции27 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·Н228:

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

Структурная формула пировиноградной кислоты (С3Н4О3)

Дальнейшие превращения пировиноградной кислоты зависят от присутствия в клетке кислорода. Если кислорода нет, то у дрожжей29 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 (С3Н6О3)

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 жиров30. 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 на «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.