Енергія клітини: звідки береться і на що витрачається
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Щодня організм людини виконує величезну роботу. Серце за день переганяє по нашому тілу близько 7 тисяч літрів крові, колосальну механічну роботу виконують м’язи нашого тіла, десятки літрів рідин фільтрують нирки, величезну невидиму хімічну роботу проробляє печінка, знешкоджуючи отруйні і непотрібні речовини і заново створюючи корисні, необхідні.
Якщо зібрати воєдино всю енергію, що витрачається нашим організмом щодня, то її вистачило б для того, щоб закип’ятити більше десяти відер води або перенести близько десятка концертних роялів на шпиль Ейфелевої вежі. І якби ми виконували роботу з коефіцієнтом корисної дії парових машин або двигуна внутрішнього згоряння, то по своєму апетиту б не поступалися легендарному Гаргантюа. Проте всім добре відомо, що ми задовольняємось в житті значно скромнішими кількостями їжі. У чому ж справа? Чому організм тварин примудряється при порівняно невеликих витратах їжі-палива виробляти роботу, можна сказати, за сімох? Вся справа зводиться до разючої економності роботи живих клітин і тканин, їх дбайливому відношенню до кожної витраченої калорії енергії. Наведемо деякі найбільш разючі приклади.
Геніальний німецький композитор Людвіг Ван Бетховен витратив на створення своєї дев’ятої симфонії приблизно стільки ж енергії мозку, скільки витратила б за той же час тьмяна 15-ватна лампочка. Так економно працює людський мозок. Саме завдяки цій же економності всім добре відомий світлячок – Іванов черв’як – виявляється кращою світлотехнікою у світі. У тілі світлячка розчинена особлива азотовмісна речовина – люциферин, що в перекладі з латинської мови означає «світлонесучий». Хімічна будова цієї речовини стала відома порівняно недавно.
Ця речовина наділена однією відмінною особливістю: у присутності особливого ферменту люциферази і джерела енергії – фосфоровмісних сполук вона починає світитися. Хімічна енергія фосфоровмісних сполук переводить один з електронів люциферина на верхній електронний рівень. Електрон цей, подібно метеориту, що падають з неба на землю, супроводжує своє падіння з верхнього збудженого рівня на вихідний світінням. У цей світловий сигнал вкладається практично вся енергія, витрачена на підйом. Ніщо при цьому не втрачається. Майже 97 відсотків енергії перетворюється на світло. Згадайте, що найкраща електрична лампочка розжарювання перетворює на світло всього 7 відсотків електричної енергії, а люмінесцентна – не більше 30 відсотків. Ось такий він світляк.
Нарешті, м’яз маленького молюска – анодонти (або беззубки, як його називають) – перламутрову внутрішню стулку якого всім, звичайно, доводилось бачити на берегах річок і на пляжах, – випереджає за коефіцієнтом корисної дії механічної роботи атомний двигун з якогось криголама. Адже м’яз, що замикає стулки цього молюска працює з коефіцієнтом корисної дії близько 80 відсотків.
Це означає, що тільки двадцять відсотків енергії, що витрачається м’язом беззубки витрачається даремно: вся ж інша енергія перетворена в механічну роботу. Нагадаємо, що жодна сучасна теплова машина не в змозі працювати з таким високим коефіцієнтом корисної дії: к. п. д. паровоза не більше 9 відсотків, двигуна внутрішнього згоряння близько 30.
Звичайно, приклади ці можна множити і множити. Але, обмежившись цими трьома – мозком, світлячком і м’язом, – задамося питанням: що саме, які механізми забезпечують настільки високий коефіцієнт їх корисної дії?
Будь-яка енергетична система, будь-який пристрій, який робить ту чи іншу роботу, завжди поділяється на три основні частини: джерело енергії, передавальний пристрій і виконуючі механізми. Відповідно до цього можна виділити три різних, але взаємно пов’язаних процеси: вироблення або звільнення енергії, передача її на відстань і споживання. У живій клітині існують свої особливі прийоми і способи зберігання, передачі й переробки енергії.
Один з основних зводиться до того, що клітина завжди цурається теплової форми енергії. Вона примудряється енергію хімічних зв’язків безпосередньо перетворювати на механічну енергію в м’язі, в електричну – в нерві і нервовій клітині, в роботу фільтрації рідин в нирках і т. д.
Організм людини і тварин обходиться без обов’язкового в техніці проміжного перетворення хімічної енергії в тепло, в енергію безладного хаотичного руху молекул. Адже не можна забувати, що саме цей тепловий етап є ахіллесовою п’ятою сучасних двигунів, завдяки чому і витрачається даремно, на вітер 70-90 відсотків енергії.
Це досягається зокрема тим, що потенційна енергія, укладена в хімічних зв’язках, переходячи на білкові полімери, з яких складаються м’язи нашого тіла, здатна швидко змінювати їх властивості: більш компактно упаковувати складові частини молекул м’язового волокна. Зміни конфігурації полімерів, що утворюють наші м’язи, супроводжується споживанням енергії і призводить до вкорочення м’язів. А вкорочення м’яза, тобто його скорочення, – це і є вчинення механічної роботи: підняття гирі рукою, рух людини при ходьбі і т. д.
Забезпечують живу клітину енергією – доступною, завжди придатною для вживання – складні фосфорні ефіри. Старовинний вислів «без фосфору немає думки» можна було б навіть розширити: без фосфору немає руху, роботи, немає життя. Справа в тому, що фосфор здатний утворювати багаті енергією або, як їх ще називають, макроергічні зв’язки. Образно кажучи, цей хімічний зв’язок можна уподібнити сильно закрученій часовій пружині. Варто зруйнувати цей зв’язок – а він легко і швидко може бути зруйнований в потрібний момент – як пружина енергійно розкручується і здійснює роботу.
В одному випадку вона штовхне сусідню молекулу з такою силою, що та перелетить через неприступний раніше для неї бар’єр. В іншому, як при скороченні м’язів нашого тіла, вона викличе натяг, скорочення відстаней між сусідніми молекулами. У третьому випадку розігнані молекули зіткнуться одна з одною так сильно, що сповниться необхідна хімічна реакція.
Таким шляхом організм людини і тварин обходиться без обов’язкового перетворення хімічної енергії в тепло. Одночасно макроергічні зв’язки фосфору є засобом транспортування енергії з рідкої частини клітини. Енергія подорожує в молекулах аденозінтрофосфорної кислоти, як у комфортабельних океанських пароплавах. Пересуваючись по воді під впливом дифузії і внутрішньоклітинних струмів рідини, так би мовити океанічних течій, молекули цих речовин доставляють енергію до всіх «куточків» клітини.
Однак у цього способу передачі енергії на відстань є і своя істотна вада – його повільність. Чекай собі, поки колись «припливе» енергія, необхідна негайно, цієї ж секунди. У цих випадках на допомогу приходить інший, відкритий буквально за останні роки механізм передачі енергії на відстань – міграція енергії. Цей вид передачі енергії на відстань у живої матерії здійснюється практично миттєво, при цьому енергія переправляється по внутрішньоклітинним утворенням, що складаються з білка.
Зовсім недавно вчені дізнались, що білок – це напівпровідник. Відомо, що ракета – штучний член сонячної системи, створений руками людини, – не відчуває опору руху при польоті в розрідженому космічному просторі і обертатиметься по своїй орбіті практично вічно, зберігаючи в недоторканності запас кінетичної і потенційної енергії, отриманої нею при запуску. Щось подібне спостерігається і в молекулі білка.
У білку формується так звана зона провідності, по якій вільні електрони можуть рухатись майже безперешкодно. Утворюється вона за рахунок суворого впорядкування в просторі хімічних зв’язків, щільно споріднених між собою складових частини білків – амінокислоти.
Білок, що складається із зшитих кінців амінокислот, не просто витягнуть у вигляді ланцюжка. Якби він був влаштований таким способом, то довжина однієї його молекули досягала б десятих часток міліметра!
Насправді ж довжина білкових молекул не перевищує зазвичай сотих часток мікрона, причому цікаво те, що білкові молекули слона не крупніше подібних молекул блохи або навіть мікробної клітини. Таке зменшення довжини білкової молекули забезпечується її скручуванням. Білок можна порівняти з щільним клубком з спіральки електричної плитки. Іншими словами, молекула білка закручена двічі: один раз у вигляді спіралі, а інший раз вже сама спіраль згорнута в клубок.
Якби в наших руках опинився раптом немислимо крихітний молоточок, то після удару по молекулі білка він відскочив би від неї, як від ебонітової кулі: така пружність молекул білка, з яких в основному побудовані наші очі, губи, ніс, серце, мозок. Ось ця-то щільна «упаковка» молекул і забезпечує напівпровідникові властивості білка. У туго закрученій спіралі білка відбувається просторове зближення сусідніх груп атомів СО. Між ними як би перекидається водневий місток, який, якщо підкинути на нього електрон, дозволяє електрону безперешкодно, без будь-якого опору переміщатись в межах всієї складної молекули білка.
Цей блукаючий загальний і одночасно нічий електрон-космополіт в змозі піднімати на свої плечі порцію енергії і, не витрачаючи її по дорозі, переносити за призначенням на великі відстані. Так здійснюється міграція енергії. Від відомих в техніці напівпровідників білок відрізняється своїм вкрай примхливим характером: його напівпровідникові властивості виявляються тільки за сприятливих умов. Нагрівання, висушування, навіть дію сильно розведених лугів і кислот послаблюють напівпровідникові властивості білків.
При міграції енергія передається окремими порціями, швидко, без втрат і без безпосереднього контакту партнерів, що обмінюються енергією, з коефіцієнтом корисної дії 100 відсотків. Виявити здатність речовини до міграції енергії допомагає світло. Кожна речовина, в тому числі і білки, поглинає не все світло однаково. Одні краще поглинають червоне світло і зовсім не поглинають синє. Білки безбарвні і поглинають головним чином ультрафіолетові промені з довжиною хвилі 280 міллімікрон.
Є чимало речовин, які володіють цікавою властивістю: поглинувши світло, вони можуть самі світитися. До числа таких речовин належать і білки. За останні роки стало відомо, що білки починають світитись або, як кажуть фізики, флуоресцировати, як тільки на них потрапляє ультрафіолетове світло. Тільки світіння це невидимо оком, тому що лежить теж в ультрафіолетовій області спектра. При цьому в білку світиться тільки одна складова його частина – ароматичні амінокислоти. Здавалося б, тому, що світло, не поглинається ароматичними амінокислотами або поглинається ними дуже слабо, не повинно порушувати світіння білків.
Але це далеко не так. Світло з довжиною хвилі 240-245 міллімікрон, майже не поглинається ароматичними амінокислотами, тим не менш, в змозі викликати дуже сильну флуоресценцію білка. Це відбувається тому, що кванти світла поглинаються згадуваними вже вище хімічними зв’язками між амінокислотами. І зараз енергія починає переміщатись, мігрувати по зоні провідності до тих пір, поки не досягне здатних до флуоресценції ароматичних амінокислот. Тут-то вона, нарешті, вловлюється, і молекула білка все ж починає світитись.
Інтенсивність свічення білків під дією випромінювань цієї області спектра опинилася ніби чутливою індикаторною лампочкою фізіологічного стану організму. Тільки на противагу звичайним сигнальним лампочках, які запалюються при сигналі тривоги, ця лампочка при порушеннях в організмі не запалюється, а гасне.
Професор С. Н. Брайнес, науковий співробітник Г. Голубєва і автор цих рядків вивчали світіння білків крові здорових людей та хворих психічними хворобами. При цьому з’ясувалось, що у хворих на шизофренію білки крові втрачають здатність інтенсивно світитись під дією світла з довжинами хвиль 240-245 міллімікрон. Сильна лампочка гасне. Білки частково позбавляються своїх напівпровідникових властивостей і стають нездатними переносити енергію. А енергетична неповноцінність білків може, природно, привести до серйозних порушень фізіологічних і психічних функцій організму.
Міграція енергії, мабуть, дуже широко використовується живими організмами. Не тільки для передачі готової, але і для вироблення потрібної форми енергії. Наприклад, у процесах внутрішньоклітинного дихання – окислення органічного «палива», що надходить з їжі – завдяки міграції як би без остачі «вичавлюється» вся енергія, ув’язнена в елементах їжі – вуглеводах, жирах, білках.
Особливо важливу роль відіграє міграція енергії і при процесах фотосинтезу в зеленому листі рослини. У цьому випадку кванти сонячного світла, вловлені всіма молекулами хлорофілу, в результаті міграції підходять послідовно до тих «обраних» молекул, які безпосередньо утворюють крохмаль з води і вуглекислоти. Само собою зрозуміло, що без такої системи передачі хімічної лабораторії зеленого листа довелося б простоювати без діла більше 23 годин 59 хвилин на добу, чекаючи поки квант світла зіткнеться саме з обраною молекулою. У дійсності ж завдяки механізму міграції енергії хімічне виробництво в зеленому листі працює безперебійно, тому що харчується енергією від тисячі молекул хлорофілу, з якою-небудь з яких квант світла обов’язково стикається в даний момент.
Таким чином, вже до теперішнього часу ми знаємо три найважливіших прийоми поводження живих клітин з енергією, які дозволяють їм працювати з такою вражаючою досконалістю. Назвемо їх ще раз: відсутність теплової фази в їх діяльності; здатність біологічної структури, насиченої хімічною енергією, змінювати свої просторово-механічні властивості; міграція енергії. Саме ці-то механізми і дозволяють настільки досконало світити світлячкам, скорочуватись м’язам, мислити мозку.