МЗ: Медицина и Здоровье

Для жизни необходима энергия. Все энергетические затраты организма покрываются за счет окисления белков, жиров и углеводов, поступающих с пищей. Окислительные процессы протекают в каждой клетке, в результате чего образуется энергия, обеспечивающая жизнедеятельность организма. Сущность дыхания — окислительные процессы. А для окисления нужен кислород. Так как окислительный процесс служит единственным источником энергии для человека, то, следовательно, жизнь невозможна без кислорода, в организме человека практически его запасов нет. Поэтому потребность в нем, оказывается несравненно острее, чем потребность в пище, воде или сне: без пищи можно прожить более месяца, без воды — около 10 дней, без сна — лишь несколько дней, а без кислорода жизнь угасает уже через несколько минут!

Доставкой кислорода в организм заняты, прежде всего, органы дыхания — легкие и дыхательные мышцы. Вот почему в обыденном смысле слова под дыханием зачастую понимают работу дыхательного аппарата, внешнее проявление которой известно всем в виде регулярно чередующихся вдохов и выдохов. Однако дело обстоит значительно сложнее.

Как же осуществляется дыхательная функция, и какие условия при этом необходимы?

Тканевое дыхание. Как известно, клетки зеленых растений, используя световую энергию, излучаемую Солнцем, поглощают из воздуха углекислый газ, а из почвы — воду. Так растения строят глюкозу и, кроме того, выделяют в атмосферу свободный газообразный кислород, без которого не могут жить животные. Энергия, затраченная на создание более сложного вещества, в нашем случае глюкозы, сохраняется в химической форме в его молекуле и может быть выделена при определенных условиях. Полученную глюкозу растения частично преобразуют в органические кислоты, а затем, добавляя к ним азот и другие элементы, поступающие из почвы, создают в своих тканях белки и жиры. Так внутри сложных молекул в виде химических связей консервируется солнечная энергия.

В конечном счете животные и человек получают от растений готовые органические вещества и запакованную в них энергию, которую освобождают, медленно окисляя с помощью кислорода, разрывая химические связи внутри молекул углеводов, белков и жиров, принятых с пищей.

При сгорании органических веществ вне организма (допустим, дров на костре) кислород непосредственно присоединяется к окисляемому веществу, в результате чего образуются исходные продукты (углекислый газ и вода). В клетках животных и человека глюкоза перерабатывается постепенно, и при этом энергия выделяется поэтапно, а не вся сразу (иначе живое погибло бы от перегрева!).

Рассмотрим в сокращенном варианте последовательность процесса тканевого дыхания. Стенки клеток, из которых построен наш организм, представляют собой полупроницаемые мембраны. Через них избирательно проходят молекулы различных веществ и газов. В протоплазме клеток (помимо ядра и заключенного в нем ядрышка) имеются тельца разной величины и формы. Сравнительно большие образования, имеющие, как правило, вытянутую форму, называют митохондриями; более мелкие структуры округлой формы — микресомами.

Различные структуры клетки выполняют свои специфические функции. Так, в ядре образуются нуклеиновые кислоты, направляющие по определенному пути синтез белка в организме. Местом синтеза белка являются микросомы. Митохондрии представляют собой главные энергетические станции клетки, ее органы дыхания. Здесь по преимуществу протекают окислительные процессы.

Процесс переработки глюкозы

Митохондрии имеют две оболочки. Внутренняя образует многочисленные складки, которые создают перегородки и как бы делят содержимое митохондрий на несколько камер. В складках оболочек сосредоточены дыхательные ферменты. Это очень активные биологические катализаторы. Они расположены в строгом порядке, благодаря которому процесс дыхания протекает не случайно, а в закономерной последовательности.

Катализаторы сначала расщепляют глюкозу, а затем отрывают водород и переносят электроны водорода на кислород, делая его химически активным отрицательно заряженным ионом. И только после столь сложных превращений окислительные процессы в клетке завершаются образованием конечных продуктов: воды и углекислого газа.

Знакомая всем молекула воды — Н₂О — состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Но в живой клетке два атома водорода и атом кислорода просто соединиться в молекулу воды не могут, потому что кислород, доставленный сюда кровью, химически неактивен. Водород же в клетке находится в связанном состоянии: он входит в состав молекул какого-либо органического вещества (в нашем случае — глюкозы). Поэтому до того, как начнется реакция между кислородом и водородом, в действие, вступает сложная система дыхательных ферментов клетки. Процесс переработки глюкозы в углекислый газ и воду проходит около 30 стадий, и на каждой отцепляется небольшая порция энергии, так что в конце концов организм порциями получает ту же самую энергию, которую из глюкозы можно было бы получить сразу, сжигая ее на костре.

Таким путем в живой клетке идет постепенная многоступенчатая переработка глюкозы. Кислород, столь нужный клетке газ, без которого она буквально задыхается, участвует в одной из множества реакций, а именно — на последнем этапе добычи энергии.

Как видим, кислород является важнейшим звеном всей длинной цепи передачи воздуха — эта-то цепь и называется дыхательной. Если в клетку не поступает кислород, то последний дыхательный фермент не может освободиться от своего лишнего электрона. Цепочка передатчика замирает — клетка перестает дышать.

Интересно отметить, что окислительные процессы в клетке протекают сравнительно медленно. В результате ступенчатого перерабатывания питательных веществ в клетке постепенно, но непрерывно освобождается энергия, постоянно необходимая для жизнедеятельности организма.

Окислительные процессы, происходящие в митохондриях, замечательны еще и тем, что здесь образуются и накапливаются вещества с непрочными связями, разрыв которых определяется выделением энергии. Накопление молекул с высокоэргическими связями — энергетический резерв организма. К числу таких веществ-аккумуляторов в первую очередь относится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Замечательное свойство этого соединения, имеющего три остатка фосфорной кислоты, состоит в том, что при разрыве высокоэргической фосфатной связи освобождается огромная энергия. Энергия ее всегда готова к употреблению, ее легко извлечь, если разорвать посредством окисления связи, тем самым превратив АТФ в аденозиндифосфорную кислоту. АТФ, образовавшись в митохондриях, переходит в окружающую среду, где в зависимости от функционального предназначения клетки может быть использована на различные нужды организма: движение, размножение, мышление и т. д.