Енергетичні процеси в організмі

Для нормального функціонування, підтримки процесів життєзабезпечення, виконання певних функцій організму необхідна енергія. Перебіг будь-якого процесу: фізичного, хімічного або інформаційного, можливо тільки при ефективній роботі систем енергозабезпечення.

Як вже говорилося раніше в розділі 1.1.2, природно протікають в природі процеси супроводжуються збільшенням ентропії, тобто безладу. Жива ж система (клітина або організм в цілому) є прикладом області простору, обмеженою її мембраною, де протягом тривалого періоду життя, в результаті цілеспрямованої творчої діяльності ентропія не підвищується.

Ентропія здорової клітини не підвищується.

Спробуємо орієнтовно оцінити, скільки енергії укладено в клітці. Якщо допустити, що у людини з масою тіла 80 кг клітинна маса досягає 80%, і його організм складається з 1014 клітин, то середня маса 1 клітини складе:

(80 · 0,8) ÷ 1014 = 64 · 10-14 кг

Якщо тепер скористатися формулою Ейнштейна E0 = mC2 для визначення власної енергії покоїться тіла, то можна підрахувати, що енергія клітини дорівнює:

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

Щоб уявити масштаби цієї енергії, можна нагадати, що при згорянні 1 кг кам’яного вугілля виділяється 27 · 106 Дж. Тобто в клітці міститься енергія, еквівалентна енергії, що виділяється при згорянні 2 г вугілля.

У клітці міститься енергія, еквівалентна енергії виділяється при згорянні 2 г вугілля.

Описуючи енергетичні процеси, ми перш за все повинні торкнутися хімічної енергії, укладеної у внутрішньоклітинних з’єднаннях. У кожному хімічному з’єднанні складається з певного числа атомів, укладено деяку кількість енергії, яке визначається його структурою. У хімічній реакції структура сполук змінюється, і при розщепленні зв’язків вивільняється енергія, яка була свого часу витрачена на їх освіту. Сукупність окислювально-відновних реакцій в клітині, що протікають за участю молекулярного кисню і супроводжуються запасанием енергії, називається клітинним диханням. Клітинне дихання є найважливішою частиною обміну речовин і енергії в організмі і відрізняється від інших хімічних процесів, що протікають з поглинанням кисню (наприклад окислення жирів), створенням запасу енергії у вигляді АТФ.

У живій клітині основними джерелами енергії служать речовини, що надходять з навколишнього середовища, – вуглеводи (цукру), білки, жири, розщеплені в процесі травлення до більш простих сполук. Ці сполуки вступають в реакцію з киснем і окислюються до води і вуглекислого газу. При цьому вивільняється енергія. Типове кількість вивільняється енергії становить 20 000 Дж на 1 г вуглеводів. Майже вдвічі більше хімічної енергії на 1 г запасене в жирі тварин.

Клітка витягає енергію з поживних речовин і запасає її для своєї життєдіяльності, а також виконання спеціальних функцій.

Ось чому нам необхідно споживати речовини, що володіють високою якістю енергії. В процесі їх розщеплення, вивільняється енергія, необхідна клітинам для життєдіяльності і виконання спеціальних функцій. На Землі високу якість енергії в речовинах, які ми споживаємо, спочатку обумовлено Сонцем, температура якого настільки висока, що запасається енергія, що характеризується дуже низькою ентропією. Природа влаштувала так, що ця енергія, проливає в вигляді випромінювання, спочатку поглинається рослинами в процесі фотосинтезу, і потім процес передачі і перетворення енергії триває в організмах тварин.

Стосовно до хімічної реакції можна сказати, що вона буде протікати тільки тоді, коли енергія, укладена в продуктах реакції менше, ніж у вихідних речовини. Але це не означає, що якщо в ході реакції енергія вивільняється, то вона обов’язково відбудеться. Багато потенційно енергетично вигідні реакції в природі не відбуваються, на їх шляху стоїть якийсь бар’єр. Інакше б всі речовини, здатні вступати в реакції, відразу б в них вступили. Наприклад, перетворення глюкози в воду і вуглекислий газ (тобто горіння) – енергетично дуже вигідний процес:

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

проте цукор на повітрі досить стійкий. Що ж це за бар’єр, що не дає зникнути в полум’ї всім горючих матеріалів на Землі?

Уявіть, що по похилій площині котиться м’яч. Навіть не знаючи законів фізики, можна стверджувати, що він буде котитися, поки зберігається нахил. Тепер припустимо, що на його шляху опинилася лунка, м’яч закотився у неї і застряг там. Він готовий котитися далі, але, щоб продовжити рух, йому треба повідомити додаткову енергію, причому тим більшу, чим глибше лунка. Так і в хімічних, в тому числі що перебігають в живих організмах (біохімічних), реакціях. Початкове з’єднання – це, образно кажучи, “м’яч в лунці”, поки не скажеш йому певну енергію, в реакцію воно не вступить, навіть якщо ця реакція енергетично вигідна. Енергія, яку треба додатково повідомити хімічної системі, щоб “запустити” реакцію, називається енергією активації для даної реакції і служить свого роду енергетичним гребенем, який треба подолати. У некаталізіруемих реакціях джерелом енергії активації служать зіткнення між молекулами. Якщо соударяющихся молекули належним чином зорієнтовані, і зіткнення досить сильне, є шанс, що вони вступлять в реакцію. Зрозуміло, чому хіміки для прискорення реакцій нагрівають колби: при підвищенні температури швидкість теплового руху і частота зіткнень зростають. Але в умовах людського тіла клітки не нагрієш, для неї це неприпустимо. А реакції йдуть, при цьому зі швидкостями, недосяжними при проведенні їх в пробірці. Тут працює ще один винахід природи – ферменти, про які ми згадували раніше.

Як вже говорилося, при хімічних перетвореннях мимовільно можуть протікати ті реакції, в яких енергія, укладена в продуктах реакції менше, ніж у вихідних речовинах. Для інших реакцій необхідний приплив енергії ззовні. Мимовільно реакцію можна порівняти з падаючим вантажем. Спочатку спочивають вантаж прагне падати вниз, знижуючи тим самим свою потенційну енергію. Так і реакція, будучи ініційована, прагне протікати в бік утворення речовин з меншим запасом енергії. Такий процес, в ході якого може відбуватися робота, називають спонтанним. Але якщо певним чином з’єднати два вантажу, то важчий, падаючи, буде піднімати більш легкий. І в хімічних, особливо в біохімічних, процесах реакція, що протікає з виділенням енергії, може викликати протікання пов’язаної з нею реакції, що вимагає припливу енергії ззовні. Такі реакції називають сполученими. В живих організмах пов’язані реакції дуже поширені, і саме їх протікання обумовлює всі найтонші явища, супутні життя і свідомості. Падаючий “важкий тягар” викликає підняття іншого, легшого, але на меншу величину. Харчуючись, ми поглинаємо речовини з високою якістю енергії, обумовленим Сонцем, які потім в організмі розпадаються і, в кінцевому рахунку, виділяються з нього, але при цьому встигають вивільнити енергію в кількості, достатній для забезпечення процесу, званого життям.

У клітці основним енергетичним посередником, тобто “провідним колесом” життя, є аденозинтрифосфат (АТФ). Чим цікаво це з’єднання? З біохімічної точки зору АТФ – молекула середніх розмірів, здатна приєднувати або “скидати” кінцеві фосфатні групи, в яких атом фосфору оточений атомами кисню. Освіта АТФ відбувається з аденозиндифосфату (АДФ) за рахунок енергії, що вивільняється при біологічному окисленні глюкози. З іншого боку, розрив фосфатного зв’язку в АТФ призводить до вивільнення великої кількості енергії. Такий зв’язок називають високоенергетичної або макроергічним. Молекула АТФ містить дві таких зв’язку, при гідролізі яких вивільняється енергія, еквівалентна 12-14 ккал.

Невідомо, чому природа в процесі еволюції “вибрала” АТФ енергетичної валютою клітини, але можна припустити кілька причин. Термодинамічно ця молекула досить нестабільна, про що свідчить велика кількість енергії, що виділяється при її гідролізі. Але в той же час швидкість гідролізу АТФ в нормальних умовах дуже мала, тобто молекула АТФ має високу хімічну стабільність, забезпечуючи ефективне запасання енергії. Малі розміри молекули АТФ дозволяють легко дифундувати в різні ділянки клітини, де необхідне підведення енергії для виконання будь-якої роботи. І, нарешті, АТФ займає проміжне положення в шкалі високоенергетичних сполук, що надає йому універсальність, дозволяючи переносити енергію від більш високоенергетичних сполук до низькоенергетичним.

Таким чином АТФ – це основна універсальна форма збереження клітинної енергії, паливо клітини, доступне для використання в будь-який момент. А основним постачальником енергії в клітку, як ми вже згадували, служить глюкоза, що отримується при розщепленні вуглеводів. “Сгорая” в організмі, глюкоза утворює двоокис вуглецю і воду, і цей процес забезпечує реакції клітинного дихання і травлення. Слово “згорає” в даному випадку образ, полум’я всередині організму не виникає, а енергія витягується багатоступінчасто хімічними способами.

На першому етапі, що протікає в цитоплазмі без участі кисню, молекула глюкози розпадається на два фрагмента (дві молекули піровиноградної кислоти), і ця стадія називається гликолизом. При цьому вивільняється 50 ккал / моль енергії (тобто 7% енергії, укладеної в глюкозі), частина якої розсіюється у вигляді тепла, а інша витрачається на освіту двох молекул АТФ.

Подальше вилучення енергії з глюкози відбувається головним чином в мітохондріях – силових станціях клітини, роботу яких можна порівняти з гальванічним елементами. Тут на кожній стадії відщеплюється електрон і іон водню, і в кінцевому рахунку глюкоза розкладається до двоокису вуглецю і води. У мітохондрії електрони та іони водню вводяться в єдиний ланцюг окислювально-відновних ферментів (дихальна ланцюг), передаючись від посередника до посередника, поки вони не з’єднаються з киснем. І на цьому етапі для окислення використовується не кисень повітря, а кисень води і оцтової кислоти. Кисень повітря є останнім акцептором водню, завершуючи весь процес клітинного дихання, саме тому він так необхідний для життя. Як відомо, взаємодія газоподібного кисню і водню супроводжується вибухом (миттєвим виділенням великої кількості енергії). В живих організмах цього не відбувається, так як газоподібного водню не утворюється, і до моменту зв’язування з киснем повітря запас вільної енергії зменшується настільки, що реакція утворення води протікає абсолютно спокійно (дивись малюнок 1.4.11).

Глюкоза є основним, але не єдиним субстратом для вироблення енергії в клітині. Разом з вуглеводами в наш організм з їжею надходять жири, білки та інші речовини, які після розщеплення також можуть служити джерелами енергії, перетворюючись в речовини, що включаються в біохімічні реакції, що протікають в клітині.

Фундаментальні дослідження в області теорії інформації призвели до появи поняття інформаційної енергії (або енергії інформаційного впливу), як різниці між визначеністю і невизначеністю. Тут же хотілося б відзначити, що клітина споживає і витрачає інформаційну енергію на ліквідацію невизначеності в кожен момент свого життєвого циклу. Це призводить до реалізації життєвого циклу без збільшення ентропії.

Порушення процесів енергетичного обміну під впливом різних впливів призводить до збоїв на окремих стадіях і внаслідок цих збоїв до порушення підсистеми життєдіяльності клітини і всього організму в цілому. Якщо кількість і поширеність цих порушень перевищують компенсаторні можливості гомеостатических механізмів в організмі, то система виходить з під управління, клітини перестають працювати синхронно. На рівні організму це проявляється у вигляді різних патологічних станів.

Так, нестача вітаміну B1, який бере участь в роботі деяких ферментів, призводить до блокування окислення піровиноградної кислоти, надлишок гормонів щитовидної залози порушує синтез АТФ і т.д. Смертельні результати при інфаркті міокарда, отруєнні чадним газом або ціаністим калієм також пов’язані з блокуванням процесу клітинного дихання шляхом пригнічення або роз’єднання послідовних реакцій. Через подібні механізми опосередковано і дію багатьох бактеріальних токсинів.

Таким чином, функціонування клітини, тканини, органу, системи органів або організму як системи підтримується саморегуляторні механізмами, оптимальне протягом яких, в свою чергу, забезпечується биофизическими, біохімічними, енергетичними та інформаційними процесами.

...
ПОДІЛИТИСЯ: