Енергія життя

Що б ми не робили – бігали, спали або читали, – ми безперервно витрачаємо енергію. Скорочення м’язів серця, робота нирок, проведення нервового імпульсу – все це вимагає безперервних енергетичних витрат. Звідки ж черпає енергію наш організм? У яких акумуляторах зберігає її? За якими провідникам передає? Які трансформатори допомагають їй перетворюватися з одного виду в інший?

Ці питання давно хвилювали вчених. В кінці XVIII століття Лавуазьє вперше встановив, що організм людини, поглинаючи кисень, спалює їжу, яка перетворюється на вуглекислий газ.

Але в якому вигляді зберігається енергія їжі? Ця проблема залишалася неясною до 1930 року, коли В. А. Енгельгардт відкрив, що енергія, що виділяється при спалюванні їжі, накопичується в хімічних зв’язках молекули АТФ – аденозинтрифосфорної кислоти. Щоб усвідомити значення цієї реакції, спробуємо знайти її місце на загальній картині енергетичного обміну організму.

Джерелом енергії для життєдіяльності служать поживні речовини. Перш ніж перетворитися в «паливо» для енергетичної машини клітини, вони повинні бути відповідним чином оброблені. Справа в тому, що наша їжа складається з дуже різних і складно побудованих великих молекул біополімерів: білків, жирів і полімерних вуглеводів – крохмалю і глікогену. У травному тракті полімери розщеплюються на свої складові частини – мономери. Тим самим досягається певна універсалізація живильного матеріалу. Ми отримуємо з їжею сотні різних білків; в шлунку і кишечнику всі вони розпадаються, даючи суміш амінокислот, різноманітність яких обмежується всього двадцятьма типами. Жири їжі перетворюються в кишечнику завжди в одні і ті ж речовини – гліцерин і кілька жирних кислот. Різні полісахариди гідролізуються і дають одну і ту ж речовину – глюкозу. Таким чином, замість багатьох сотень різних полімерів їжі в кишечнику утворюється всього кілька десятків мономерів, які потім доставляються клітинам наших тканин по кровоносних і лімфатичних шляхах.

У клітинах відбувається подальша універсалізація «палива». Мономери перетворюються в більш прості молекули карбонових кислот з вуглецевим ланцюжком від двох до шести атомів. Якщо мономероз налічується кілька десятків, то карбонових кислот – всього десять. Так остаточно втрачається специфіка харчового матеріалу. Незалежно від того, яка речовина надійшла з їжею – білок, жир або вуглевод, шляхи обміну завжди призводять до карбонових кислот. Відмінності будуть лише в тому, які саме карбонові кислоти і в якій кількості утворюються з даного харчового матеріалу.

Але і карбонові кислоти – це ще тільки попередники того матеріалу, який можна назвати «біологічним пальним». Вони ще недостатньо прості і стандартні для енергетичних машин клітини. Наступний етап універсалізації – відщеплення від карбонових кислот водню. Незалежно від того, яка карбонова кислота піддалася перетворенню, продуктом реакції завжди виявляються атоми водню. При цьому утворюється вуглекислий газ, який ми видихаємо.

Атом водню містить електрон і протон. Для біоенергетики роль цих двох складових частин атома далеко не рівноцінна. Енергія, укладена в атомному ядрі, недоступна для клітини. Значить, потрібно зосередити свою увагу на іншому компоненті – електроні.

Дійсно, перетворення електрона дають більшу частину тієї енергії, яка потім буде використана в процесах життєдіяльності. Тому звільнення електрона – це останній етап універсалізації біологічного «палива». Після цього акту вже не важливо ні то, який полімер служив джерелом їжі, ні те, які мономери виникли при його розпаді; несуттєво, в які карбонові кислоти перетворилися ці мономери і від яких органічних молекул були відірвані атоми водню. Незалежно від всіх цих обставин ми приходимо до носія енергії – електрону.

Звільнившись від протона за допомогою спеціального біокаталізатора – ферменту флавопротеїдів, електрон потрапляє на інший фермент – цитохром В, потім на цитохром С, на цитохром А і, нарешті, на кисень. Прийнявши два електрона, кисень заряджається негативно, приєднує два протона і утворює воду. Так відбувається акт клітинного дихання – споживання кисню, який надходить в наш організм з повітрям через легені і переноситься кров’ю до клітин тканин.

Утворенням води закінчується складний шлях окислення поживних речовин в клітині. У міру просування цим шляхом речовини енергетично знецінюються, причому велика частина енергії звільняється на останніх стадіях, коли електрон як би падає з менш стійкої орбіти на більш стійку.

Яка ж доля звільненої енергії? Частина її розсіюється у вигляді тепла, а частина використовується для синтезу завжди одної і тої ж речовини – АТФ – аденозинтрифосфорної кислоти з АТ – аденозиндифосфорної кислоти і фосфорної кислоти. Приєднання фосфорної кислоти до АДФ (фосфорилювання) пов’язано з енергетичними витратами, які оплачуються за рахунок енергії, що звільняється при переміщенні електрона на більш стійку орбіту. Це відбувається, коли органічні речовини віддають свої електрони кисню (ОКИСЛЕННЯ).

Сполучення окислення і фосфорилювання лежить в основі енергетики будь-якої живої клітини. Утворена при цьому АТФ використовується як акумулятор енергії. Саме цим акумулятором заповнюється потреба в енергії, в якому б місці клітини вона виникла. При цьому акумулятор «розряджається»: відбувається розпад АТФ на вихідні складові – АДФ і фосфорну кислоту. Виділена енергія може бути використана для м’язового скорочення, якщо це м’язова клітина, для осмотичної роботи, якщо це нирки, для проведення нервового імпульсу, якщо це нерв.

Біосинтез речовин, з яких клітина будує свої структури, також забезпечуються енергією АТФ. Поява продуктів розпаду АТФ викликає негайне окислення нової порції живильного матеріалу і «перезарядку» акумулятора – синтез АТФ за допомогою окисного фосфорилювання.

Центральна проблема окисного фосфорилювання – це питання про те, яким чином енергія, що звільняється при перетвореннях електрона, накопичується в хімічних зв’язках молекули АТФ.

Надзвичайна складність прямого дослідження окислювального фосфорилювання часто заважала поставити точний експеримент. Виникаюча порожнеча зазвичай заповнювалася гіпотезами з сумно відомої області «паперової біохімії». У біоенергетиці припущення так часто змінюють одне одного, що скептики стали сумніватися навіть в, здавалося б, твердо встановлених фактах, а любителі статистики зайнялися обчисленням середньої тривалості життя нових гіпотез з галузі біоенергетики. Один з корифеїв сучасної біоенергетики, лауреат Нобелівської премії А. Сцент-Дьёрдьі випустив за три роки дві книги, досить протилежні за змістом, прийшов до такого сумного висновку. «Невідоме, – писав він, – це малонадійний грунт, і людина, що вступає на нього, не може розраховувати на більше, ніж на те, що її помилки виявляться почесними».

Автор: В. Скулачев.