Людина в середньому витрачає на прийом їжі близько 1,5 години щодня. За 70 років цей час становить близько 4,5 року. А враховуючи, що їжу ще потрібно десь дістати та приготувати, виходить просто колосальна кількість часу. Чому для нас так важливо їсти? Як ми отримуємо енергію з тістечок? Де розташована наша внутрішня електростанція та які акумулятори використовує організм, щоб запасати енергію?
Пожежа всередині. Як починали вивчати енергообмін
Вивчати енергетичні процеси у живих організмах почав французький вчений Антуан Лавуазьє ще у XVIII столітті. До цього вже було відомо, що їжа потрібна нам, щоб підтримувати життєдіяльність, проте саме він першим звернув увагу на те, що дихання, а зокрема кисень — важливий компонент в цьому енергетичному ланцюжку. Він побачив подібність згоряння органічних речовин з окисненням їх в організмі: в обох процесах відбувається виділення енергії, тепла, і для обох необхідний кисень.
Експерименти Лавуазьє привели його до логічного висновку, що процес клітинного дихання підпорядковується першому закону термодинаміки, і це означає, що спалювання цукру та його окиснення в організмі відбувається за однаковим принципом: глюкоза + кисень = вуглекислий газ + вода + тепло.
Відтоді в біології міцно закріпилось уявлення, що дихання — це дуже повільний процес горіння, і їжа «згорає» в організмі шляхом приєднання кисню з повітря. Після Лавуазьє цю теорію намагалися доповнити десятки вчених, але жодне з припущень не могло всебічно пояснити, де саме згорають поживні речовини, як цукор перетворюється на енергію, і де зрештою вогонь. Ну гаразд, про вогонь це я для красивого слова додала, вони тоді вже знали, що окиснення і без вогню можливе.
Остаточно побачити повну картину вдалось лише в середині ХХ століття, вона вийшла складною, заплутаною, а цикл Кребса — це взагалі нічне жахіття всіх біологів. Але ми не з боязливих, тому спробуємо розібратись у детективній історії під назвою «енергетичні процеси»1.
Чому ми всі гетеро?
Ми всі з вами гетеро. І це не стосується орієнтації чи особистого вибору кожного. Люди гетеротрофи, це означає, що ми не можемо самостійно синтезувати органічні речовини з першоджерела енергії на Землі — сонячної енергії. Хто може? Рослини та деякі види бактерій використовують сонячну енергію для створення органічних сполук з неорганічних, вони називаються автотрофами2.
Що таке органічні сполуки? Основу таких речовин складає атом карбону та водню, до них може також доєднуватись кисень, азот та деякі інші речовини. Гетеротрофи не можуть синтезувати такі речовини самостійно і повинні отримувати їх з рослинною чи тваринною їжею. При цьому, споживаючи готові органічні сполуки, організм гетеротрофів використовує їх не тільки для отримання енергії, а й для «будівництва» власного організму3.
Чому «ми є те, що ми їмо» — зовсім не метафора?
Поживні речовини потрапляють в організм цілісними «блоками» — макромолекулами. Це ніби склеєні цементом шматочки стіни, які організм для подальшого використання повинен розібрати на окремі цеглинки — мономери. У вуглеводів ці цеглинки — глюкоза, фруктоза, рибоза; у білків — амінокислоти; у жирів — гліцерин і жирні кислоти.
Далі ці цеглинки можуть використовуватися для будівництва організму — власних білків, клітинних мембран, ДНК. Тому ми буквально є тим, що їмо. Крім того, поживні речовини можуть запасатись на випадок, коли ми не встигаємо поснідати. Глюкоза запасається у вигляді ланцюжків глікогену в печінці та м’язах, а — у жирових клітинах адипоцитах1.
За потреби швидко отримати енергію, — коли, наприклад, треба втекти від собаки — глюкоза відщеплюється від ланцюжків. Процес розщеплення ліпідів набагато довший, тому організм використовує їх, коли ми витрачаємо енергію рівномірно — при неквапливій прогулянці чи під час сну4,5. Білки при розщепленні теж можуть бути енергетичним субстратом, але організм використовує їх тільки в крайньому разі, коли глікоген та ліпіди уже вичерпались, тому внаслідок тривалого голодування люди можуть втрачати м’язову масу. Як саме організм перетворює ці поживні речовини в енергію?
Універсальний солдат
Що відбувається, коли організму потрібна енергія? Цеглинки-мономери, які ми щойно отримали з їжі або із власних запасів, вступають у цикли перетворень. Для кожного виду речовин такий цикл різний, проте в усіх відбувається низка ферментативних реакцій, в яких ці мономери поступово розщеплюються. Чому поступово? Це дозволяє більш раціонально використовувати енергію, адже якщо окислити глюкозу швидко, то виділиться багато енергії і більша її частина вивільниться як тепло — це не економно, і є високий ризик перегріву. Набагато зручніше робити це поступово, запасаючи потроху на кожному етапі2.
У процесі енергетичні зв’язки мономерів розриваються, й енергія цих зв’язків накопичується у формі молекул АТФ, про яку детально розповімо далі, та деяких інших високоенергетичних сполук. Також утворюється піровиноградна кислота — кінцевий продукт розпаду різних поживних речовин, такий собі універсальний боєць. Незалежно від того, з якої речовини починався цикл, організм підлаштовує ферментативні реакції так, щоб утворилась саме піровиноградна кислота.
Піровиноградна кислота далі використовується залежно від того, який організм її використовує — аеробний чи анаеробний. Анаероби — організми, які не використовують кисень, це бактерії та деякі гриби. У них піровиноградна кислота перетворюється на спирт або . Лактат може утворюватися і в людей, коли м’язи довго скорочуються і не вистачає кисню, щоб повністю окислити піровиноградну кислоту. Аеробні організми дихають (не обов’язково легенями), тобто отримують кисень з повітря. І піровиноградна кислота може далі окиснюватись аж до утворення вуглекислого газу і води. Наскільки це ефективно?
При катаболізмі глюкози до етапу утворення піровиноградної кислоти і в аеробів, і в анаеробів утворюється по дві молекули АТФ. Далі анаероби перетворюють її в етанол (або інші речовини) і позбуваються його, виділяючи в зовнішнє середовище (впізнали бродіння?). У той час аероби повністю окиснюють піровиноградну кислоту в мітохондріях і отримують цілих 36 молекул АТФ! Що за магія відбувається в мітохондріях?5,6
Мітогоґвордс
Зі школи ми знаємо, що мітохондрії — це енергетичні станції клітин. І на цьому, мабуть, усе: ніяких тобі циклів Кребса й окисних фосфорилювань у пам’яті не виринає. Але це нормально, навіть біологи жартують, що справжній цикл Кребса — це «вивчив цикл Кребса — забув цикл Кребса» і так без кінця. Але, якщо зрозуміти суть цих процесів, можна відчути себе Айнштайном… принаймні на кілька днів. Спробуємо?
Мітохондрії — двомембранні органели (органели — маленькі органи клітини). Це такий собі пакет в пакеті, й це надзвичайно важливо. Міжмембранний простір – простір між внутрішнім і зовнішнім пакетом.
Коли піровиноградна кислота потрапляє в мітохондрію, вона елегантно розбирається на частинки під час циклу Кребса у внутрішньому пакеті. При цьому від неї відщеплюється водень, який, як і кожен атом, має позитивно заряджені протони та негативно заряджені електрони. Цей водень приєднується до спеціальних човників, які везуть його до самого краю внутрішньої мембрани.
На внутрішній мембрані є спеціальні комплекси, які забирають у водню електрон, а сам позитивно заряджений водень викидають у міжмембранний простір. Це потрібно для того, щоб створити протонний градієнт. Він працює, як мікроскопічна гребля, що створює тиск води, тільки замість води тут позитивно заряджені протони, які прагнуть повернутись назад. Бажання протонів повернутися створює потенційну енергію так, як на справжній греблі вода чинить тиск, коли накопичується за високим бар’єром.
Куди діваються електрони? Комплекси скидають їх на кисень і з протонами водню у внутрішньому пакеті утворюється вода7.
Як магія дозволена тільки в Гоґвортсі, так і окисне фосфорилювання може відбуватись тільки в межах мітохондрій. Якби не було двох мембран, протони втікали б деінде. Для чого мітохондрії використовують цю греблю? Відповідь: клітинні батарейки.
Мітохондрії використовують протонний градієнт для синтезу АТФ. АТФ – трифосфат. Страшно звучить? А якщо так: аденозинТРИфосфат – аденозин і три . Це високоенергетична сполука, енергія якої вивільняється під час відривання кожного з цих фосфатних залишків. При відриванні одного фосфату утворюється аденозинДИфосфат – аденозин з двома фосфатними групами плюс відірваний фосфат, потім може відірватись ще один залишок з утворенням аденозинМОНОфосфату.
АТФ дозволяє нашому організму функціонувати, як ноутбук, а не стаціонарний комп’ютер. Це справжні біобатарейки, які запасають енергію і забезпечують практично всі процеси в організмі.
Для синтезу АТФ якраз і використовується протонний градієнт. Протони накопичуються в міжмембранному просторі й не можуть коли заманеться потрапити всередину. Єдиний шлях — вузькі дверцята АТФ-синтази. Це фермент, який синтезує АТФ, тобто з’єднує використаний аденозиндифосфат із фосфатною групою. Він працює за принципом водного млина — водень, проходячи всередину, штовхає колесо млина, обертає його і з’єднує дві частинки1,7.
От і кінець подорожі їжі. Далі АТФ використається для якоїсь корисної роботи або просто щоб почухати ліве вухо. Мітохондрії знову залатають його для повторного використання, наприклад, щоб за шматочком тортика з друзями поділитися тонкощами катаболізму глюкози, циклу Кребса, окисного фосфорилювання і відчути себе Айнштайном… принаймні на кілька днів.
Примітка. Раніше у статті було вказано: «Саме накопичений в м’язах лактат змушує нас страждати після активних тренувань у спортзалі». Ця інформація була видалена, оскільки вона є застарілою.
