Вся образовавшаяся энергия распределяется следующим образом: около 50 процентов энергии превращается а тепло (5); другая же половина энергии накапливается, аккумулируется в виде особых фосфорсодержащих соединений, основным представителем которых является аденозинтрифосфат — АТФ.
При дальнейшем расщеплении фосфорсодержащих соединений также выделяется свободная энергия. Эта энергия может легко превращаться а любой другой вид энергии: механическую (6) энергию, необходимую для деятельности мозга (7), химическую, идущую на образование и выделение различных соков в пищеварительном тракте (8), в энергию, которая необходима организму для «строительства» новых клеток и тканей (9).
Рисунки А. Гуревича и К. Невлера
Материальной основой жизни являются белки. В состав клеток и тканей тела человека входит множество различных белковых веществ. В процессе жизнедеятельности организма они претерпевают сложнейшие изменения, беспрерывно распадаются на составные части и вновь воссоздаются, синтезируются.
На восстановление составных частей клеток, тканей и органов требуются не только исходные материалы — аминокислоты, углеводы и т. д., но и значительное количество энергии.
Любое движение, происходящее в живом организме, как бы оно ни проявлялось — от слабого движения листьев стыдливой мимозы до изумительных достижений человека в различных видах спорта — всегда требует затраты энергии.
А сколько энергии нужно для выполнения работы, которая идет внутри живого организма! Днем и ночью, например, сокращается и расслабляется сердце. Оно прогоняет по кровеносным сосудам кровь, несущую клеткам и тканям питательные вещества и кислород. Выделение пищеварительных соков, процессы всасывания также требуют затраты энергии. Ведь в течение суток, например, в желудке человека вырабатывается и выделяется более литра желудочного сока, а в кишечник поступает около литра сока поджелудочной железы и столько же кишечного сока и желчи.
Удивительнейшей «работоспособностью» обладает такой орган, как наши почки. За 24 часа здесь фильтруется более 170 литров жидкости — «первичной мочи», из которых почти 169 литров всасывается обратно в кровь. В результате этого сложного процесса фильтрации и обратного всасывания образуется и выделяется всего один — полтора литра мочи, которая содержит конечные продукты обмена веществ.
Таким образом, все физиологические процессы требуют расхода энергии, а следовательно, бесперебойного ее притока. Откуда же черпает организм энергетические ресурсы?
Первичным источником энергии являются продукты питания: белки, жиры и углеводы, входящие в состав нашей пищи. Она подвергается в организме очень сложной химической обработке. В желудке и кишечнике белки расщепляются на аминокислоты, сложные углеводы (например, крахмал, гликоген) распадаются на более простые, главным образом глюкозу, а из жиров образуются глицерин, жирные кислоты и т. д. Вновь образовавшиеся вещества всасываются в кровь. В процессе расщепления сложных веществ, входящих в состав продуктов литания, выделяется энергия, но в столь незначительном количестве, что оно ни а коей мере не может удовлетворять потребности организма.
Что же служит основным источником энергии в нашем организме?
Давайте проследим за дальнейшей судьбой веществ, поступивших в кровь. Благодаря чрезвычайно разветвленной сети кровеносных сосудов и капилляров они вместе с кровью попадают во все участки организма. Эти вещества в кровеносном русле постепенно смешиваются с теми, которые образовались в результате распада белков, жиров и углеводов, входящих в состав самих органов и тканей. Вместе они составляют «фонд» разнообразных химических соединений. Очень важно, что из этого «фонда» организм может выбрать все необходимое ему для построения новых клеток, для восстановления разрушенных структур органов, для образования различных пищеварительных соков, «секрета» желез и, наконец, для образования легко «сгорающего» материала, окисление которого обеспечивает необходимые энергетические ресурсы.
Можно ли более точно назвать вещества, образование которых в органах и тканях является подготовкой «горючего»?
Такими веществами являются относительно несложные по структуре органические кислоты. К их числу относится уксусная кислота в особой активной форме, пировиноградная, занимающая центральное место в окислительных процессах, затем янтарная, яблочная, щавелевоуксусная, кетоглютаровая и наконец лимонная.
Все перечисленные органические кислоты составляют как бы «единую» семью, члены которой при окислении последовательно переходили из одной формы в другую. В биологической химии существует специальное название этих окислительно-восстановительных реакций: лимоннокислый цикл.
Интересно отметить, что лимоннокислый цикл — характерная особенность большинства клеток и тканей человека, а также высокоорганизованных животных. Строго определенная последовательность окислительно-восстановительных реакций, происходящих в лимоннокислом цикле, вырабатывалась на протяжении миллионов лет в длительном процессе эволюции, приспособления живого организма к изменяющимся условиям внешней среды.
Последовательность химических превращений в лимоннокислом цикле обеспечивают белки-ферменты. Они обладают чрезвычайно высокой активностью и поэтому могут ускорять и направлять химические реакции, обеспечивая переход от одного звена лимоннокислого цикла к другому.
Слов нет, все химические превращения лимоннокислого цикла достаточно сложны, и чтобы понять, откуда и как организм берет запасы энергии, необходимо хотя бы схематично рассказать об этих превращениях.
Как же они происходят?
Начнем со щавелевоуксусной кислоты. Она — единственная из «семьи» кислот, которая вступает в цепь окислительных реакций и выходит из них без изменений.
Пировиноградная кислота, образующаяся, например, при распаде глюкозы, превращается в углекислоту и активную форму уксусной кислоты. Последняя, соединяясь со щавелевоуксусной кислотой, образует лимонную, которая затем превращается в кетоглютаровую и угольную. Кетоглютаровая кислота через янтарную и яблочную переходит в щавелевоуксусную и угольную кислоту. Далее все реакции вновь повторяются.
В результате множества строго последовательных химических реакций полностью исчезает пировиноградная кислота. Она окисляется до конечных продуктов — углекислого газа и воды.
Углекислый газ из клеток органов и тканей, где протекало окисление пировиноградной кислоты, переходит в венозную кровь, затем в легочные альвеолы и удаляется из организма вместе с выдыхаемым воздухом.
Вторым, очень важным моментом, связанным с окислением пировиноградной кислоты, является повторное (пятикратное) отщепление водорода. Здесь следует сказать о наиболее характерной особенности окислительных процессов, происходящих в организме человека, а также животных. Она как раз и заключается в том, что водород не сразу вступает в реакцию с кислородом, доставляемым кровью к клеткам органов и тканей.
В живом организме имеются специальные переносчики водорода. Они как бы принимают его на себя и постепенно, от одного переносчика к другому, переносят водород к кислороду. Благодаря этому энергия образования воды выделяется также постепенно, порциями. А ведь известно, что при соединении водорода с кислородом вода образуется со взрывом — взрывом гремучего газа. Например, было определено, что при образовании 18 граммов воды (ее молекулярный вес — 18) освобождается 55 больших калорий. В живом организме энергия образования воды распределяется между многими промежуточными реакциями. Те же 55 больших калорий, конечно, также освобождаются при образовании 18 граммов воды, однако относительно небольшими порциями, которые не могут нанести какой бы то ни было ущерб организму.