Энергия в организме

Основным носителем энергии в организме является АТФ. Полное название: аденозин-трифосфорная кислота, но это название совсем не обязательно запоминать. Это молекула с "ядром", к которому присоединена цепочка из трёх фосфатных групп. Это "ядро" состоит из молекулы аденина и молекулы рибозы. Именно к молекуле рибозы присоединяется цепочка фосфатных групп. При отсоединении одной группы выделяется определённая энергия, которая используется для жизненных процессов, а молекула АТФ перестаёт быть АТФ и становится АДФ – аденозин-дифосфорной кислотой. Можно ещё одну фосфатную группу отсоединить, при этом выделится ещё немного энергии, хотя и несколько меньше, чем при отсоединении первой группы, после чего молекула АДФ превратится в АМФ – аденозин-монофосфорную кислоту. А отделять последнюю фосфатную группу от АМФ уже невозможно. Из АМФ ещё можно выжать немного энергии, но это может быть сделано только в критических ситуациях, когда речь идёт о жизни или смерти. И после этого, то, что останется от молекулы АМФ, придётся выбросить в мусор.

АТФ можно очень условно сравнить с заряженной аккумуляторной батареей (как в мобильном телефоне, например). Это очень крошечная батарея, и разряжается она не постепенно, а в два шага, с выделением определённых фиксированных порций энергии. Но таких батарей много (помните такое число Авогадро – очень большое число, показывающее, сколько молекул помещается в одном моле вещества). Так что всегда можно взять нужное количество молекул АТФ, чтобы получить нужное количество энергии Или не всегда. Если все молекулы АТФ полностью разряжены до нуля, жизненные процессы прекращаются, и наступает смерть.

Но пока жизнь продолжается, эти молекулярные батарейки постоянно перезаряжаются. К АДФ присоединяется одна фосфатная группа, а к АМФ – две фосфатные группы. Для такого присоединения нужна энергия, как и при зарядке обычной аккумуляторной батареи, и после этого, молекулы АТФ, заряженные энергией, можно снова использовать как источник энергии для жизненных процессов. 

У аккумуляторной батареи типичного гаджета есть потери энергии как при заряжании, так и при разрядке батареи.  Точно так же есть потери и у молекулярных батарей АТФ, но эти потери довольно малы и значительно меньше, чем у альтернативных вариантов. Поэтому земная жизнь выбрала АТФ в качестве основного носителя энергии на очень ранних стадиях эволюции..

Надолго ли нам хватит заряда в батареях АТФ, если их не заряжать? Очень ненадолго. Если на какой-то момент все молекулы АТФ полностью заряжены, и вдруг прекращается их постоянное перезаряжание, весь их заряд будет израсходован меньше, чем за две минуты, и наступит смерть, потому что остановятся все жизненные процессы. И это если вообще не двигаться. А при очень интенсивной физической нагрузке может и на 20 секунд не хватить.

Так что АТФ нужно постоянно заряжать. Точнее, заряжать АМФ и АДФ, чтобы получить заряженные молекулы АТФ. Для зарядки батареи гаджета, мы подключаем его к электросети, и энергия из сети "закачивается" в батарею. А в сети эта энергия берётся от электростанций. А электростанции берут её ещё откуда-то и только преобразуют её в форму электричества, поскольку энергия не возникает и не исчезает, согласно закону сохранения энергии. Есть несколько способов получения энергии для производства электроэнергии. Один из них – сжигание угля, или газа, или нефтепродуктов, то есть, топлива. При этом происходит окисление топлива кислородом из воздуха, и образуются продукты сгорания – углекислый газ при сжигании угля, углекислый газ и вода при сжиганииі природного газа и нефтепродуктов, и ещё кое-что, хоть и в меньшем количестве, потому что не только углерод и водород есть в топливе, и не всё топливо сгорает полностью.

Может, сжигание углеродного топлива – не наилучший способ получения электроэнергии, но мы делаем нечто подобное для заряжания своих молекул АТФ. Нет, всередине нас нет горения, не пылает топка электростанции, нрро происходит очень похожий процесс окисления молекул, которые содержат много атомов углерода и водорода (почти как в природном газе метане или в нефтепродуктах – бензине, дизельном топливе или мазуте). И основные продукты такого окисления те же самые – углекислый газ и вода (и ещё кое-что, но в меньшем количестве). А потом заряженные молекулы АТФ транспортируют энергию к месту её потребления.

У нас есть два способа заряжания молекул АТФ. 

Первый – это окислительное фосфорилирование. Это высокоэффективный способ. В наших клетках есть особые образования (органеллы), которые называются митохондриями. Иногда митохондрии называют электростанциями клетки, потому что они дают энергию для всех процессов в клетках. Но, так же, как настоящие электростанции дают энергию не напрямую, а через электросеть, митохондрии дають её через молекулы АТФ. Митохондрии "сжигают" топливо с помощью кислорода, который мы вдыхаем, и заряжают АТФ. В действительности, это очень сложный и многоступенчатый процесс.

Второй способ очень старинный и неэффективный, но он остался с тех времён, когда в атмосфере Земли ещё не было кислорода. Это ферментация, и для неё кислород не нужен. Этот способ и сейчас сохраняется как вспомогательный, на случай, когда не хватает кислорода. Так бывает, например, при резком увеличении физической нагрузки  – расходование энергии из заряженных молекул АТФ резко увеличивается, и их нужно срочно перезаряжать, а увеличение доставки кислорода не поспевает, потому что нужно время, чтобы ускорилось дыхание, и ещё время, чтобы дополнительный кислород дошёл до места, где он нужен. При ферментации не образуются вода и углекислый газ, а образуются другие продукты, главным образом, молочная кислота, и даже немного этилового спирта (как, например, при закваске капусты или брожении пива – почти такая же ферментация).

Небольшое количество АТФ, и преимущественно в мышцах, может быть заряжено без кислорода и без ферментации, за счёт энергии, накопленной в креатинофосфорной кислоте. Такой механизм предусмотрен, чтобы была возможность резко увеличить физическую активность, например, в случае опасности. Но когда такого запаса энергии не хватает (а его хватает только на 5-8 секунд значительно повышенной активности), организм дополняет энергию ферментацией, пока доставка кислорода не ускорится достаточно для окислительного фосфорилирования. И эта кислота сначала должна быть образована из креатина за счёт энергии из АТФ..

У нас есть клетки, для которых второй способ (ферментация) является основным и единственным – это эритроциты, красные кровяные клетки. Их функция – доставлять кислород другим клеткам. Вот, чтобы они кислород доставляли, а не использовали его для своих нужд, у них нет митохондрий (и даже ядра нет), и они заряжают свои молекулы АТФ исключительно через ферментацию. 

Иногда у нас появляются клетки-мутанты. У них митохондрии "сломаны" и не работают, так что эти клетки используют ферментацию для заряжания АТФ. Это большинство видов раковых клеток (а может, и все виды).

Для окислительного фосфорилирования (зарядки молекул АТФ энергией), митохондрии могут использовать любой из следующих видов "топлива":

● глюкоза;
● жирные кислоты;
● кетоновые тела (или просто кетоны).

І для "спалювання" цього пального потрібен кисень. 

Есть особенность у клеток мозга. Мозг защищён специальным барьером, который жирные кислоты не могут преодолеть. А молекулы глюкозы и кетоновые тела проходят через него беспрепятственно. Поэтому митохондрии клеток мозга используют в качестве топлива глюкозу и кетоновые тела, но не используют жирные кислоты.

Веществом для получения энергии и заряжания молекул АТФ путём ферментации является глюкоза. Для ферментации не нужен кислород. Ферментация происходит без участия митохондрий и является запасным механизмом заряжания молекул АТФ. Для красных клеток крови (эритроцитов) ферментация является единственным способом заряжания молекул АТФ.

Конечно, из еды. Но мы почти не едим глюкозу в чистом виде. И кетоновые тела в нашей еде практически отсутствуют. И жирные кислоты мы почти не потребляем в чистом виде, мы потребляем жиры, в которые эти кислоты входят. Обычно мы не едим аминокислоты, мы едим белки. Наша еда проходит сложный путь трансформаций прежде, чем становится "топливом" для митохондрий или материалом для ферментации.

Глюкозу мы берём из углеводов. Молекулы крахмала (основное питательное вещество злаков, картофеля и вообще растений), попавшие в нас с пищей, расщепляется энзимами на большое количество молекул глюкозы. Каждая молекула сахара разделяется на молекулу глюкозы и молекулу фруктозы. Кроме того, печень может производить глюкозу из жира (примерно 10% жира может быть переработано в глюкозу) и из некоторых аминокислот. 

Жирные кислоты мы берём из жиров. Жиры - это комбинированные молекулы, которые состоят из молекулы глицерина, к которой прикреплены три молекулы жирных кислот – поэтому жиры также называются триглицеридами. Так что, расщепив одну молекулу жира, мы получаем три молекулы жирных кислот. Жирные кислоты бывают разные, и не все они используются как топливо. Для некоторых из них есть и другие назначения. При излишке глюкозы, мы можем переделывать её в жир, а позже, при нехватке глюкозы, производить глюкозу и жирные кислоты из запаса жиров. 

Кетоновые тела производит наша печень из жирных кислот. Это происходит лишь при определённых условиях. Считается, что кетоновые тела – лучшее топливо для митохондрий. Их также может использовать мозг, и считается, что мозг намного лучше работает на смеси глюкозы (примерно 30%) и кетоновых тел (примерно 70%), чем на чистой глюкозе. Жирные кислоты как энергоносители в мозг не попадают. 

Аминокислоты мы берём из белков, которые также называют протеинами. Разных аминокислот довольно много, около 500. Но живые организмы на нашей планете  используют только 20 из них, и даже к этим 20 есть определённые особые требования  – две молекулы одной аминокислоты могут иметь одинаковый состав атомов, но быть зеркальными по своей пространственной структуре, и только одна из этой пары подходит для построения белков.

Чужеродные белки могут причинить беду в организме. Поэтому организм не допускает их проникновения, а когда оно случается, активизирует иммунную систему. Белки, которые мы едим, разбираются на аминокислоты в желудке и кишечнике, а уже аминокислоты поступают в наш организм. Они используются для построения наших собственных белков. Сколько всего разных белков существует в организме отдельного человека, точно не известно. Их количество оценивается от нескольких сотен тысяч до двух миллионов. В основном, белки выполняют функции либо структурных элементов, либо нано-машин, выполняющих определённую работу, либо объединяют эти функции.

Белки обычно являются дефицитным питательным веществом. Мы постоянно обновляем наши белки, поэтому должны обеспечивать регулярный приток новых аминокислот, потребляя протеины с едой. Но разные аминокислоты присутствуют в еде не в тех пропорциях, которые нужны для наших белков, поэтому образуется излишек некоторых аминокислот. Некоторые из таких лишних аминокислот наша печень может переделывать в глюкозу, и так они становятся дополнительным источником энергии. 

АТФ является источником энергии для большинства процессов в организме. Молекулы АТФ могут заряжаться и разряжаться путём присоединения и отсоединения фосфатных групп. Когда они разряжаются, они освобождают энергию для жизненных процессов. Энергии во всех молекулах АТФ нашего организма мало, меньше, чем на две минуты жизни, поэтому разряженные молекулы АТФ должны немедленно заряжаться.

Заряжаются АТФ одним из двух способов.
1) В митохондриях путём окисления "топлива" – высокоэффективны способ.
2) Путём ферментации – старинный и низкоэффективный способ, но он не требует кислорода..

И есть ещё способ заряжания АТФ без кислорода и без ферментации – от креатинофосфорной кислоты. Этот способ предусмотрен почти исключительно в мышцах для экстренного увеличения физической активности в случае опасности, и его хватает на несколько секунд.

"Топливо" для заряжания молекул АТФ
1) С помощью кислорода, в митохондриях: глюкоза, жирные кислоты, кетоновые тела.
2) Без помощи кислорода, путём ферментации: глюкоза.

Мы берём это "топливо" из еды, но не непосредственно. Глюкозу мы берём из углеводов, а также можем производить из жиров и некоторых аминокислот. Жирные кислоты мы добываем из жиров. Кетоны производит печень из жирных кислот. И мы можем преобразовывать излишки глюкозы в жиры.