Енергія в організмі

Основним носієм енергії в організмі є АТФ. Повна назва: аденозин-трифосфорна кислота, але цю назву зовсім не обов'язково пам'ятати. Це молекула із "ядром", до якого приєднаний ланцюжок із трьох фосфатних груп. Це "ядро" складається із молекули аденіну і молекули рибози. Саме до молекули рибози приєднується ланцюжок фосфатних груп. При від'єднанні однієї групи виділяється певна енергія, яка вживається для життєвих процесів, а молекула АТФ перестає бути АТФ і стає АДФ – аденозин-діфосфорною кислотою. Можна ще одну фосфатну групу від'єднати, при цьому виділиться ще трохи енергії, хоч і дещо менше, ніж при від'єднанні першої групи, і після цього молекула АДФ перетвориться на АМФ – аденозин-монофосфорну кислоту. А відокремлювати останню фосфатну групу від АМФ вже неможливо. Із АМФ ще можна вижати трохи енергії, але це може буде зроблене лише у критичних ситуаціях, коли йдеться про життя чи смерть. І після цього, те, що залишиться від молекули АМФ, доведеться викинути на смітник.

АТФ можна дуже умовно порівняти із зарядженою акумуляторною батареєю (як у мобільному телефоні, наприклад). Це дуже крихітна батарея, і розряджається вона не поступово, а у два кроки, із виділенням певної фіксованої енергії. Проте, таких батарей багато (пам'ятаєте таке число Авогадро – дуже велике число, яке показує кількість молекул в одному молі речовини). Отже, завжди можна взяти потрібну кількість молекул АТФ, щоб отримати потрібну кількість енергії. Або не завжди. Якщо усі молекули АТФ повністю розряджені до нуля, життєві процеси припиняються, і наступає смерть.

Але поки життя продовжується, ці молекулярні батарейки постійно перезаряджаються. До АДФ приєднується одна фосфатна група, а до АМФ – дві фосфатні групи. Для такого приєднання потрібна енергія, як і при заряджанні звичайної акумуляторної батареї, і після цього молекули  АТФ, заряджені енергією, можна знов застосовувати як джерело енергії для життєвих процесів. 

В акумуляторної батареї типового ґаджету є втрати енергії як при заряджанні, так і при розряджанні батареї. Так само є втрати і у молекулярних батарей АТФ, але ці втрати доволі малі і значно менші, ніж у альтернативних варіантів. Тому земне життя обрало АТФ у якості основного носія енергії на дуже ранніх стадіях еволюції.

Чи надовго у нас вистачить заряду у батареях АТФ, якщо їх не заряджати? Дуже ненадовго. Якщо на якийсь момент усі молекули АТФ повністю заряджені, і раптом припиняється їх постійне перезаряджання, увесь їх заряд буде витрачений менш ніж за дві хвилини, і наступить смерть, бо припиняться усі життєві процеси. І це якщо взагалі не рухатися. А при дуже інтенсивному фізичному навантаженні може й на 20 секунд не вистачити.

Отже, АТФ треба постійно заряджати. Точніше, заряджати АМФ і АДФ, щоб отримувати заряджені молекули АТФ. Для зарядки батареї ґаджету, ми підключаємо його до електромережі, і енергія з мережі "закачується" у батарею.  А у мережі ця енергія береться від електростанцій. А електростанції беруть її ще звідкись і тільки перетворюють у форму електрики, бо ж енергія не з'являється і не зникає, відповідно до закону збереження енергії. Є кілька способів отримання енергії для виробництва електроенергії. Один із них – спалювання вугілля, або газу, або нафтопродуктів, тобто, пального.  При цьому відбувається окислення пального киснем із повітря, і утворюються продукти згоряння – вуглекислий газ при спаленні вугілля, вуглекислий газ і вода при спаленні природного газу і нафтопродуктів, і ще дещо, хоч і в меншій кількості, бо не тільки вуглець і водень є у паливі, і не все паливо згорає стовідсотково.

Може, спалювання вуглецевого пального – не найкращий спосіб отримання електроенергії, але ми робимо дещо подібне для заряджання своїх молекул АТФ. Ні, всередині нас нема горіння, не палає топка електростанції, але відбувається дуже схожий процес окислення молекул, які містять чимало атомів вуглецю і водню (майже як у природному газі метані чи у нафтопродуктах – бензині, дизельному пальному, чи мазуті). І основні продукти такого окислення ті ж самі – вуглекислий газ і вода (і ще дещо, але у меншій кількості). А потім заряджені молекули АТФ транспортують енергію до місць її споживання.

У нас є два способи заряджання молекул АТФ. 

Перший – це окисне фосфорилювання. Це високоефективний спосіб.  У наших клітинах є особливі утворення (органели), які звуться мітохондрії. Інколи мітохондрії називають електростанціями клітин, тому що вони дають енергію для усіх процесів у клітинах, але, так само, як й справжні електростанції дають її не безпосередньо, а через електромережу, мітохондрії дають енергію через молекули АТФ. Мітохондрії "спалюють" пальне за допомогою кисню, який ми вдихаємо, і заряджають АТФ. Насправді, це дуже складний і багатокроковий процес. 

Другий спосіб дуже старовинний і неефективний, але він залишився із часів, коли в атмосфері Землі ще не було кисню. Це ферментація, і для неї кисень непотрібен. Цей спосіб і зараз залишається як допоміжний на випадок, коли не вистачає кисню. Так буває, наприклад, при раптовому збільшенні фізичного навантаження – витрачання енергії із заряджених молекул АТФ різко зростає, і їх треба терміново перезаряджати, а збільшення кількості доставки кисню не встигає, бо потрібен же час, щоб прискорилося дихання, а ще час, щоб додатковий кисень дійшов до місць, де він потрібен.  При ферментації не утворюються вода і вуглекислий газ, але утворюються інші продукти, здебільшого, молочна кислота, і навіть трохи алкоголю (як, наприклад, при заквасці капусти чи бродінні пива – майже та ж сама ферментація).

Невелика кількість АТФ, і переважно у м'язах, може бути заряджена без кисню і без ферментації за рахунок енергії, накопиченій у креатинофосфорній кислоті. Такий механізм передбачений для того, щоб була можливість швидко збільшити фізичну активність, наприклад, у разі небезпеки. Але коли такого запасу енергії не вистачає (а його вистачає лише на 5-8 секунд значно підвищеної активності), організм доповнює ферментацією, аж поки доставка кисню прискориться достатньо для окисного фосфорилювання. І ця кислота спочатку має бути утвореною із креатину за рахунок енергії від АТФ.

У нас є клітини, для яких другий спосіб (ферментація) є основним і єдиним – це еритроцити, червоні кров'яні клітини. Їх функція – доставляти кисень до усіх клітин. От, щоб вони кисень доставляли, а не споживали його для власних потреб, в них немає мітохондрій (і ядра теж немає), і вони заряджають молекули АТФ виключно через ферментацію.

І інколи у нас з'являються клітини-мутанти. У них мітохондрії "зламані" і не працюють, тож ці клітини вживають ферментацію для отримання АТФ. Це більшість видів ракових клітин (а може й усі види).

Для окисного фосфорилювання (заряджання молекул АТФ енергією), мітохондрії можуть вживати будь-який із наступних видів "пального":

● глюкоза;
● жирні кислоти;
● кетонові тіла (або просто кетони).

І для "спалювання" цього пального потрібен кисень. 

Є особливість у клітин мозку. Мозок захищений спеціальним бар'єром, який жирні кислоти не можуть подолати. А молекули глюкози і кетонові тіла проходять через нього без перепон. Тому мітохондрії клітин мозку вживають в якості пального глюкозу і кетонові тіла, але не вживають жирні кислоти.

Речовиною для отримання енергії і заряджання молекул АТФ шляхом ферментації є глюкоза. Для ферментації не потрібен кисень. Ферментація відбувається без участі мітохондрій і є запасним механізмом заряджання молекул АТФ. Для червоних клітин крові (еритроцитів), ферментація є єдиним способом заряджання молекул АТФ.

Авжеж, із їжі. Але ж ми майже не їмо глюкозу у чистому вигляді. І кетонові тіла у нашій їжі майже відсутні. І жирні кислоти ми майже не споживаєм у чистому вигляді,  ми споживаємо жири, до складу яких ці кислоти входять. Зазвичай, ми не їмо амінокислоти, ми їмо білки. Наша їжа проходить складний шлях трансформацій, перш ніж стає "пальним" для мітохондрій чи матеріалом для ферментації.

Глюкозу ми беремо із вуглеводів. Молекули крохмалю (основна поживна речовина злаків, картоплі і взагалі рослин) розділюється ензимами на велику кількість молекул глюкози.  Кожна молекула цукру розділюється на молекулу глюкози і молекулу фруктозі. Окрім того, печінка може видобувати глюкозу із жиру (десь близько 10% жиру може бути перероблені на глюкозу) і з деяких амінокислот. 

Жирні кислоти ми беремо із жирів. Жири - це комбіновані молекули, які складаються з молекули гліцерину, до якої приєднані три молекули жирних кислот – через це жири ще звуться триглицеридами. Отже, розщепивши молекулу жиру, ми отримуємо три молекули жирних кислот. Жирні кислоти бувають різними, і не всі вони застосовуються як пальне. Для деяких із них є й інші призначення. Також, при надлишку глюкози, ми можемо переробляти глюкозу на жир, а вже потім, при нестачі глюкози, виробляти глюкозу і жирні кислоти із жирів.

Кетонові тіла виробляє наша печінка із жирних кислот. Це  відбувається лише за певних умов. Вважається, що кетонові тіла є найкращим пальним для мітохондрій. Вони також можуть споживатися мозком, і вважається, що мозок набагато краще працює на суміші глюкози (десь 30%) і кетонових тіл (десь 70%), ніж на чистій глюкозі. Жирні кислоти як енергоносії у мозок не можуть потрапити, а кетонові тіла легко потрапляють.

Амінокислоти ми беремо із білків, які також звуться протеїнами.  Різних амінокислот доволі багато, десь близько 500. Але живі організми на нашій планеті застосовують лише 20 із них для побудови своїх білків, і навіть до цих 20 є певні особливі вимоги – дві молекули однієї амінокислоти можуть бути тотожними за складом атомів, але дзеркальними одна до одної по своїй просторовій структурі, і лише одна з цієї пари підходить для побудови білків.

Чужорідні білки можуть накоїти лиха в організмі. Тож організм не припускає їх проникнення, а коли воно трапляється, активує імунну систему. Білки, які ми їмо, розбираються на амінокислоти у шлунку і кишечнику, а вже амінокислоти потрапляють в наш організм. Вони використовуються для побудови наших власних білків. Скільки усього різних білків існує в організмі окремої людини, точно невідомо. Їх кількість оцінюється від кількох сотень тисяч до двох мільйонів. Здебільшого, білки виконують функцію або структурних елементів, або нано-машин, які роблять певну роботу, або поєднують ці функції.

Білки зазвичай є дефіцитною поживною речовиною. Ми постійно оновлюємо наші білки, тож маємо забезпечувати регулярний притік нових амінокислот, споживаючи протеїни з їжею. Але різні амінокислоти присутні у їжі не в тих пропорціях, які потрібні для наших білків, тому утворюється надлишок певних амінокислот. Деякі з цих амінокислот наша печінка може переробляти на глюкозу, і так вони стають додатковим джерелом енергії. 

АТФ є джерелом енергії для більшості процесів в організмі. Молекули АТФ можуть заряджатися і розряджатися шляхом приєднання і від'єднання фосфатних груп. Коли вони розряджаються, вони вивільняють енергію для життєвих процесів. Енергії в усіх молекулах АТФ нашого організму обмаль, менш ніж на дві хвилини життя, тож розряджені молекули АТФ мають негайно заряджатися.

Заряджаються АТФ одним із двох способів.
1) У мітохондріях шляхом окислення "пального" – високоефективний спосіб.
2) Шляхом ферментації – старовинний і низько ефективний спосіб, але він не потребує кисню.

І ще є спосіб заряджання АТФ без кисню і без ферментації – від креатинофосфорної кислоти. Цей спосіб передбачений майже виключно у м'язах для екстреного збільшення фізичної активності у разі небезпеки, і його вистачає на кілька секунд.

"Пальне" для заряджання молекул АТФ
1) З допомогою кисню, у мітохондріях: глюкоза, жирні кислоти, кетонові тіла.
2) Без допомоги кисню, шляхом ферментації: глюкоза.

Ми беремо це "пальне" із їжі, але не безпосередньо.  Глюкозу ми беремо з вуглеводів, а також можемо виробляти із жирів і деяких амінокислот. Жирні кислоти ми видобуваємо із жирів. Кетони виробляє печінка із жирних кислот. І ми можемо перетворювати надлишки глюкози на жири.