Энергетические процессы в организме

Для нормального функционирования, поддержания процессов жизнеобеспечения, выполнения определенных функций организму необходима энергия. Течение любого процесса: физического, химического или информационного, возможно только при эффективной работе систем энергообеспечения.

Как уже говорилось ранее в разделе 1.1.2, естественно протекающие в природе процессы сопровождаются увеличением энтропии, то есть беспорядка. Живая же система (клетка или организм в целом) служит примером области пространства, ограниченной ее мембраной, где в течение длительного периода жизни, в результате целенаправленной созидательной деятельности энтропия не повышается.

	Энтропия здоровой клетки не повышается.

Попробуем ориентировочно оценить, сколько энергии заключено в клетке. Если допустить, что у человека с массой тела 80 кг клеточная масса достигает 80%, и его организм состоит из 10¹⁴ клеток, то средняя масса 1 клетки составит:

(80 · 0,8) ÷ 10¹⁴ = 64 · 10^-14 кг

Если теперь воспользоваться формулой Эйнштейна E₀ = mC² для определения собственной энергии покоящегося тела, то можно подсчитать, что энергия клетки равна:

E₀ =(64 · 10^-14) · (3 · 10⁸)² = 5,76 · 10⁴ Дж

Чтобы представить масштабы этой энергии, можно напомнить, что при сгорании 1 кг каменного угля выделяется 27·10⁶ Дж. То есть в клетке заключена энергия, эквивалентная энергии, выделяемой при сгорании 2 г угля.

	В клетке заключена энергия, эквивалентная энергии выделяющейся при сгорании 2 г угля.

Описывая энергетические процессы, мы прежде всего должны коснуться химической энергии, заключенной во внутриклеточных соединениях. В каждом химическом соединении состоящем из определенного числа атомов, заключено некоторое количество энергии, определяемое его структурой. В химической реакции структура соединений изменяется, и при расщеплении связей высвобождается энергия, которая была в свое время затрачена на их образование. Совокупность окислительно-восстановительных реакций в клетке, протекающих с участием молекулярного кислорода и сопровождающихся запасанием энергии, называется клеточным дыханием. Клеточное дыхание является важнейшей частью обмена веществ и энергии в организме и отличается от других химических процессов, протекающих с поглощением кислорода (например окисление жиров), созданием запаса энергии в виде АТФ.

В живой клетке основными источниками энергии служат вещества, поступающие из окружающей среды, – углеводы (сахара), белки, жиры, расщепленные в процессе пищеварения до более простых соединений. Эти соединения вступают в реакцию с кислородом и окисляются до воды и углекислого газа. При этом высвобождается энергия. Типичное количество высвобождающейся энергии составляет 20 000 Дж на 1 г углеводов. Почти вдвое больше химической энергии на 1 г запасено в жире животных.

	Клетка извлекает энергию из питательных веществ и запасает ее для своей жизнедеятельности, а также выполнения специальных функций.

Вот почему нам необходимо потреблять вещества, обладающие высоким качеством энергии. В процессе их расщепления, высвобождается энергия, необходимая клеткам для жизнедеятельности и выполнения специальных функций. На Земле высокое качество энергии в веществах, которые мы потребляем, первоначально обусловлено Солнцем, температура которого столь высока, что запасается энергия, характеризующаяся очень низкой энтропией. Природа устроила так, что эта энергия, проливающаяся в виде излучения, сначала поглощается растениями в процессе фотосинтеза, и затем процесс передачи и преобразования энергии продолжается в организмах животных.

Применительно к химической реакции можно сказать, что она будет протекать только тогда, когда энергия, заключенная в продуктах реакции меньше, чем в исходных вещества. Но это не означает, что если в ходе реакции энергия высвобождается, то она обязательно произойдет. Многие потенциально энергетически выгодные реакции в природе не происходят, на их пути стоит некий барьер. Иначе бы все вещества, способные вступать в реакции, сразу бы в них вступили. Например, превращение глюкозы в воду и углекислый газ (то есть горение) – энергетически очень выгодный процесс:

C₆ H₁₂ O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂ O + 686 ккал,

однако сахар на воздухе вполне устойчив. Что же это за барьер, не дающий исчезнуть в пламени всем горючим материалам на Земле?

Представьте, что по наклонной плоскости катится мяч. Даже не зная законов физики, можно утверждать, что он будет катиться, пока сохраняется наклон. Теперь допустим, что на его пути оказалась лунка, мяч закатился в нее и застрял там. Он готов катиться дальше, но, чтобы продолжить движение, ему надо сообщить дополнительную энергию, причем тем большую, чем глубже лунка. Так и в химических, в том числе протекающих в живых организмах (биохимических), реакциях. Исходное соединение – это, образно говоря, “мяч в лунке”, пока не сообщишь ему определенную энергию, в реакцию оно не вступит, даже если эта реакция энергетически выгодна. Энергия, которую надо дополнительно сообщить химической системе, чтобы “запустить” реакцию, называется энергией активации для данной реакции и служит своего рода энергетическим гребнем, который надо преодолеть. В некатализируемых реакциях источником энергии активации служат столкновения между молекулами. Если соударяемые молекулы должным образом сориентированы, и столкновение достаточно сильное, есть шанс, что они вступят в реакцию. Понятно, почему химики для ускорения реакций нагревают колбы: при повышении температуры скорость теплового движения и частота соударений возрастают. Но в условиях человеческого тела клетку не нагреешь, для нее это недопустимо. А реакции идут, при этом со скоростями, недостижимыми при проведении их в пробирке. Здесь работает еще одно изобретение природы – ферменты, о которых мы упоминали ранее.

Как уже говорилось, при химических превращениях самопроизвольно могут протекать те реакции, в которых энергия, заключенная в продуктах реакции меньше, чем в исходных веществах. Для остальных реакций необходим приток энергии извне. Самопроизвольную реакцию можно сравнить с падающим грузом. Первоначально покоящийся груз стремится падать вниз, понижая тем самым свою потенциальную энергию. Так и реакция, будучи инициирована, стремится протекать в сторону образования веществ с меньшим запасом энергии. Такой процесс, в ходе которого может совершаться работа, называют спонтанным. Но если определенным образом соединить два груза, то более тяжелый, падая, будет поднимать более легкий. И в химических, в особенности в биохимических, процессах реакция, протекающая с выделением энергии, может вызвать протекание связанной с ней реакции, требующей притока энергии извне. Такие реакции называют сопряженными. В живых организмах сопряженные реакции очень распространены, и именно их протекание обусловливает все тончайшие явления, сопутствующие жизни и сознанию. Падающий “тяжелый груз” вызывает поднятие другого, более легкого, но на меньшую величину. Питаясь, мы поглощаем вещества с высоким качеством энергии, обусловленным Солнцем, которые затем в организме распадаются и, в конечном счете, выделяются из него, но при этом успевают высвободить энергию в количестве, достаточном для обеспечения процесса, называемого жизнью.

В клетке основным энергетическим посредником, то есть “ведущим колесом” жизни, является аденозинтрифосфат (АТФ). Чем интересно это соединение? С биохимической точки зрения АТФ – молекула средних размеров, способная присоединять или “сбрасывать” концевые фосфатные группы, в которых атом фосфора окружен атомами кислорода. Образование АТФ происходит из аденозиндифосфата (АДФ) за счет энергии, высвобождающейся при биологическом окислении глюкозы. С другой стороны, разрыв фосфатной связи в АТФ приводит к высвобождению большого количества энергии. Такую связь называют высокоэнергетической или макроэргической. Молекула АТФ содержит две таких связи, при гидролизе которых высвобождается энергия, эквивалентная 12-14 ккал.

Неизвестно, почему природа в процессе эволюции “выбрала” АТФ энергетической валютой клетки, но можно предположить несколько причин. Термодинамически эта молекула достаточно нестабильна, о чем свидетельствует большое количество энергии, выделяющейся при ее гидролизе. Но в то же время скорость ферментативного гидролиза АТФ в нормальных условиях очень мала, то есть молекула АТФ обладает высокой химической стабильностью, обеспечивая эффективное запасание энергии. Малые размеры молекулы АТФ позволяют легко диффундировать в разные участки клетки, где необходим подвод энергии для выполнения какой-либо работы. И, наконец, АТФ занимает промежуточное положение в шкале высокоэнергетических соединений, что придает ему универсальность, позволяя переносить энергию от более высокоэнергетических соединений к низкоэнергетическим.

Таким образом АТФ – это основная универсальная форма сохранения клеточной энергии, топливо клетки, доступное для использования в любой момент. А основным поставщиком энергии в клетку, как мы уже упоминали, служит глюкоза, получаемая при расщеплении углеводов. “Сгорая” в организме, глюкоза образует двуокись углерода и воду, и этот процесс обеспечивает реакции клеточного дыхания и пищеварения. Слово “сгорает” в данном случае образ, пламени внутри организма не возникает, а энергия извлекается многоступенчато химическими способами.

На первом этапе, протекающем в цитоплазме без участия кислорода, молекула глюкозы распадается на два фрагмента (две молекулы пировиноградной кислоты), и эта стадия называется гликолизом. При этом высвобождается 50 ккал/моль энергии (то есть 7% энергии, заключенной в глюкозе), часть которой рассеивается в виде тепла, а другая расходуется на образование двух молекул АТФ.

Последующее извлечение энергии из глюкозы происходит главным образом в митохондриях – силовых станциях клетки, работу которых можно сравнить с гальваническими элементами. Здесь на каждой стадии отщепляется электрон и ион водорода, и в конечном счете глюкоза разлагается до двуокиси углерода и воды. В митохондрии электроны и ионы водорода вводятся в единую цепь окислительно-восстановительных ферментов (дыхательная цепь), передаваясь от посредника к посреднику, пока они не соединятся с кислородом. И на этом этапе для окисления используется не кислород воздуха, а кислород воды и уксусной кислоты. Кислород воздуха является последним акцептором водорода, завершая весь процесс клеточного дыхания, именно поэтому он так необходим для жизни. Как известно, взаимодействие газообразного кислорода и водорода сопровождается взрывом (мгновенным выделением большого количества энергии). В живых организмах этого не происходит, так как газообразного водорода не образуется, и к моменту связывания с кислородом воздуха запас свободной энергии уменьшается настолько, что реакция образования воды протекает совершенно спокойно (смотри рисунок 1.4.11).

Глюкоза является основным, но не единственным субстратом для выработки энергии в клетке. Вместе с углеводами в наш организм с пищей поступают жиры, белки и другие вещества, которые после расщепления также могут служить источниками энергии, превращаясь в вещества, включающиеся в биохимические реакции, протекающие в клетке.

Фундаментальные исследования в области теории информации привели к появлению понятия информационной энергии (или энергии информационного воздействия), как разности между определенностью и неопределенностью. Здесь же хотелось бы отметить, что клетка потребляет и тратит информационную энергию на ликвидацию неопределенности в каждый момент своего жизненного цикла. Это приводит к реализации жизненного цикла без увеличения энтропии.

Нарушение процессов энергетического обмена под влиянием различных воздействий приводит к сбоям на отдельных стадиях и вследствие этих сбоев к нарушению подсистемы жизнедеятельности клетки и всего организма в целом. Если количество и распространенность этих нарушений превышают компенсаторные возможности гомеостатических механизмов в организме, то система выходит из под управления, клетки перестают работать синхронно. На уровне организма это проявляется в виде различных патологических состояний.

Так, недостаток витамина B₁, участвующего в работе некоторых ферментов, приводит к блокированию окисления пировиноградной кислоты, избыток гормонов щитовидной железы нарушает синтез АТФ и т.д. Смертельные исходы при инфаркте миокарда, отравлении угарным газом или цианистым калием также связаны с блокированием процесса клеточного дыхания путем ингибирования или разобщения последовательных реакций. Через подобные механизмы опосредованно и действие многих бактериальных токсинов.

Таким образом, функционирование клетки, ткани, органа, системы органов или организма как системы поддерживается саморегуляторными механизмами, оптимальное течение которых, в свою очередь, обеспечивается биофизическими, биохимическими, энергетическими и информационными процессами.

Литература

1. Биофизика: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1999. – 288 с.
2. Винчестер А. Основы современной биологии / Пер. с англ. М.Д. Гроздовой. – М.: Мир, 1967. – 328 с., ил.
3. Робертис Э. де, Новинский В., Саэс Ф. Биология клетки / Под ред. С.Я. Залкинда; Пер. с англ. А.В. Михеевой, В.И. Самойлова, И.В. Цоглиной, Ю.А. Шаронова. – М.: Мир, 1973. – 488 с.
4. Стратанович Р.Л. Теория информации. – М.: Сов. радио, 1975. – 424 с.
5. Физиология человека: Учебник / Под ред. В.М. Смирнова. – М.: Медицина, 2001. – 608 с., ил.
6. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. – М.: Сов. энциклопедия, 1983. – 928 с., ил.
7. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе: Пер. с англ; Предисл. Ю.Г. Рудного. – М.: Мир, 1987. – 224 с., ил.
8. Юсупов Г.А. Энергоинформационная медицина. Гомеопатия. Электропунктура по Р.Фоллю. – М.: Издательский дом “Московские новости”, 2000 – 331 с., ил.