Биохимия дыхания
Кислород играет ключевую роль в энергетике большинства живых существ. Он служит окислителем питательных веществ при дыхании животных, растений, грибов и бактерий. Без кислорода обходятся лишь сравнительно немногочисленные и достаточно примитивные виды жизни, обитающие в безкислородных (анаэробных) условиях и покрывающие свои энергетические потребности за счет брожения. Очевидно преимущество кислородного (аэробного) типа энергетики перед анаэробиозом. Количество энергии, выделяющейся при окислении данного питательного вещества кислородом, в несколько раз превышает энергию, выделяющуюся при его окислении, например, пировиноградной кислотой, используемой в качестве окислителя при таком распространенном типе брожения, как гликолиз.
С биохимической точки зрения все высокоорганизованные живые существа, как и человек, нуждаются для своей нормальной жизнедеятельности в постоянном поступлении к тканям организма кислорода (О2), который используется всеми живыми клетками в сложном биохимическом процессе окисления питательных веществ, в результате чего выделяется биохимическая энергия и в виде отходов образуются двуокись углерода (углекислый газ – СО2) и вода.
Рис. 3.1. Обменные процессы в клетке, обеспечивающие выделение биохимической энергии.
Дыхание – процесс обмена газов между клетками и окружающей средой (Рис. 3.1.). Хотя более верным будет обозначать дыхание как поглощение из нее кислорода (O2) и выделение диоксида углерода (углекислого газа, CO2). Но точнее всего называть дыханием процесс, происходящий на молекулярном уровне (клеточное дыхание), – окисление клеткой питательных веществ (АТФ) с высвобождением энергии, запасаемой в химических связях аденозинтрифосфата (АТФ) и частично рассеиваемой при этом в форме тепла.
В научном понимании дыхание – это совокупность многих процессов на разных уровнях функционирования физического организма, обеспечивающих получение энергии при «сжигании» в клетке кислорода и выделение двуокиси углерода в качестве отходов этого процесса. Непосредственный процесс «сжигания» кислорода можно назвать клеточным дыханием, происходящим на молекулярном уровне, – окисление клеткой питательных веществ с высвобождением энергии, запасаемой в химических связях аденозинтрифосфата (АТФ) и частично рассеиваемой при этом в форме тепла. В клетке сложные органические вещества разрушаются при участии кислорода до химически весьма простых элементов – углекислого газа и воды с выделением энергии прежде «законсервированной» в химических связях этих сложных веществ. В клетке окисление идет поэтапно и строго контролируется, поэтому далеко не все биоэнергетическое топливо сгорает сразу, совершая «двигательную» работу и выделяя тепло. Некоторая часть его количества резервируется в форме сохраненных молекул АТФ на другие перспективные нужды. В дальнейшем организм использует эти запасы в качестве топлива для энергообеспечения протекания самых разнообразных процессов, включая перенос ионов через мембраны, сокращение мышц, деление клеток, синтез жизненно важных веществ и т. п.
Рис. 3.2. Строение митохондрии – биохимической «энергостанции» клетки.
Основные реакции, дающие клетке биохимическую энергию, происходят внутри митохондрий, которые часто называют энергетическими станциями клетки. Митохондрии это микроскопические и способные к самовоспроизведению тельца (органеллы) внутри клетки (Рис. 3.2.). Полное окисление молекулы глюкозы до углекислого газа приводит к образованию и последующему «сгоранию» 32 молекул АТФ. Это и есть основной биоэнергетический процесс, дающий жизнь клетке.
Вообще, достаточно многозвенный процесс дыхания у высших животных и человека разделяется на несколько ступеней. К процессам дыхания относят: – Принудительное нагнетание свежего и удаление отработанного воздуха из атмосферы в альвеолы легких (вентиляция легких).
– Диффузия (проникновение) газов из воздуха альвеол в кровь легочных капилляров (вместе с предыдущей стадией называется внешним дыханием).
– Транспортировка кислорода кровью по магистральным артериям от капилляров легких к капиллярам тканей и далее выведение углекислого газа от тканей по венам к капиллярам легких.
– Диффузия (проникновение) газов из капилляров в клетки тканей и обратно.
– Окисление кислородом биоэнергетических субстратов в митохондриях клеток с целью получения биохимической энергии, сопровождающееся выделением углекислого газа (внутреннее или клеточное дыхание).
Но по житейской привычке мы подразумеваем под дыханием лишь непрерывную и ритмическую вентиляцию легких с целью притока свежего и крайне нужного нашим клеткам в огромных количествах кислорода и удаления ненужного и даже вредного углекислого газа. Однако, с точки зрения современной передовой науки это представление является не чем иным, как массовым заблуждением. Эдаким, крайне укоренившимся в общественном сознании околонаучным предрассудком, полностью противоречащим очевидным фактам современного естествознания.
Рис. 3.3. Ученые 18-го века уподобляли процессы дыхания горению топлива в печи.
Рассмотрим условия, в которых сформировался этот крайне живучий современный миф. Основатель современной химии Антуан Лавуазье во второй половине 18 века первым понял, что принципиальных различий между окислением углеводов в клетке и горением дров в печке нет (Рис. 3.3.). (Но это только грубо-энергетическое понимание процесса жизни). В то время ученый провел такой опыт: взял два стеклянных колпака, под одним поставил зажженную свечу, под другой посадил живую мышь. По прошествии некоторого времени свеча гасла, а мышь погибала. Под обоими колпаками в результате обнаруживался одинаково бесцветный газ тяжелее воздуха, который назвали углекислым. Название появилось потому, что он получался в процессе сгорания углерода и при растворении в воде давал слабую кислоту.
На основании этого опыта были сделаны два вывода, первый – что дыхании и горение весьма похожие процессы, второй – углекислый газ не нужен организму и удаляется из него, так как весьма вреден. В обоих случаях органические вещества разрушаются при участии кислорода до углекислого газа и воды с выделением энергии. В клетке окисление идет поэтапно и строго контролируется, поэтому большая часть энергии не выделяется сразу в виде тепла, а запасается в форме молекул АТФ. Затем эти резервы организм постепенно использует в качестве топлива для самых разнообразных процессов, от затрат на двигательное сокращение мышц, до синтеза жизненно важных веществ в клетках. И то, что подобный процесс идет медленно приводит к тому, что вредный углекислый газ быстро удаляется из организма без тяжелых последствий. Итак, понимание крайней необходимости кислорода и безусловной бесполезности и даже опасности углекислого газа для организма каждого из нас отражает уровень знаний науки конца 18 – начала 19 веков.
Но в отличие от мифологизированного массового сознания передовая наука непрерывно идет вперед и развивается. Поэтому уже в конце 19 века независимо друг от друга двумя учеными было открыто очень интересное биохимическое явление, относящееся к условиями работы кислорода в крови. Вначале вспомним, что наша кровь насыщена кислородом, который находится в химически связанном состоянии. Кислород переносится от альвеол легких к различным органам и тканям эритроцитами, в которых он вступает в непрочное соединение с гемоглобином. Такой способ был выработан в ходе эволюции живых организмов на земле очень разумно. Ведь если бы кислород был бы просто растворен в плазме и не соединен с гемоглобином эритроцитов, то, чтобы обеспечить нормальное дыхание клеток организма, сердце человека должно было бы биться в 40 раз чаще и во столько же раз больше перекачивать крови. В крови взрослого человека содержится всего 600 граммов гемоглобина, поэтому и количество кислорода, находящегося в связи с гемоглобином, составляет сравнительно небольшую величину, примерно 800-1200 мл. Это количество в стандартных условиях может удовлетворить потребности организма среднего человека в кислороде только в течение 3–4 минут.
Рис. 3.4. Эритроцит крови отдает кислород клетке только в присутствии достаточного количества углекислоты.
Итак, в самом конце 19 века русским ученым Вериго и датчанином Бором независимо друг от друга было обнаружено, что без присутствия углекислоты кислород не может высвободится из связанного состояния с гемоглобином крови, и это приводит к кислородному голоданию организма даже при весьма высокой концентрации кислорода в крови. Чем заметнее содержание углекислого газа в артериальной крови человека, тем легче осуществляется отрыв кислорода от гемоглобина и переход его из крови в ткани и органы и наоборот – недостаток углекислого газа в крови способствует закреплению кислорода в эритроцитах (Рис. 3.4.). Кровь циркулирует по организму, а кислород не отдает! Возникает парадоксальное состояние – кислорода в крови достаточно, а органы сигнализируют о его крайнем недостатке. Человек начинает задыхаться, стремится вдохнуть и выдохнуть сильнее, пытается дышать чаще и тем самым еще больше вымывает из крови углекислый газ и еще больше закрепляет кислород в эритроцитах.
Следовательно, уже вначале двадцатого века экспериментальная наука располагала пониманием, что кислород и углекислый газ в оптимальных пропорциях одинаково важны для правильной и эффективной работы механизмов клеточного дыхания и эти газы должны содержаться в крови и в клетках в неких оптимальных пропорциях. Исходя из понимания этих научных фактов, теперь будет очень интересно проанализировать многие факты из окружающей нас жизни.
Углекислота участвует в распределении ионов натрия в тканях, регулируя тем самым возбудимость нервных клеток. Влияет на проницаемость клеточных мембран, активность, многих ферментов, интенсивность продукции гормонов и степень их физиологической эффективности, процесс связывания белками ионов кальция и железа. Существует прямая зависимость между концентрацией углекислоты в крови и интенсивностью функционирования пищеварительных желез (слюнных, поджелудочной, печени), а также желез слизистой желудка, образующих соляную кислоту. От содержания в крови углекислоты зависит поступление в ткани кислорода. Наконец, углекислота играет важную роль в постоянстве кислотно-щелочного равновесия, в биосинтезе белка и карбоксилировании аминокислот. Итак, становится понятным, что углекислый газ в нашем организме выполняет многочисленные и очень важные регулирующие функции, а кислород при этом оказывается лишь чисто энергетическим химикатом – окислителем. Современные биохимические исследования показали, что для нормального функционирования клеток мозга, печени, почек и других важнейших систем организма нужно около 7 процентов углекислого газа и только 2 процента кислорода.