Откуда черпает энергию организм? В каких аккумуляторах он ее хранит? По каким проводникам передает? Какие трансформаторы помогают ей превращаться из одного вида в другой?
Древние врачи Китая полагали, что кровь образуется из «пищи и питья», а воздух через легкие поступает в сердце. Там он смешивается с кровью, обогащается «жизненными духами» и по кровеносным сосудам разносится по всему телу; в мозге кровь с «жизненными духами» превращается в «жизненную энергию». Ученые были близки к истине, ибо энергия образуется из пищи, питья и кислорода.
В 1930 году В. А. Энгельгардт открыл, что энергия, выделяющаяся при усвоении пищи, накапливается в химических связях молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Энергетика клетки человека изображена схематически на рис. 1.
Рис. 1. Схема выработки энергии в клетке
Пища человека состоит из белков, жиров и полимерных углеводов — крахмала и гликогена. В пищеварительном канале полимеры расщепляются на мономеры. Сотни белков распадаются в желудке и кишках до 20 аминокислот. Различные полисахариды гидролизуются до глюкозы. Жиры в кишках превращаются в глицерин и несколько жирных кислот. Образовавшиеся мономеры доставляются в клетки тканей по кровеносным и лимфатическим сосудам. В клетках мономеры превращаются в более простые молекулы карбоновых кислот (всего их десять) с углеродной цепочкой от 2 до 6 атомов. Независимо от того* какое вещество поступило с пищей — белок, жир или углевод, — пути его обмена всегда приводят к образованию карбоновых кислот.
Следующий этап универсализации — отщепление от карбоновых кислот водорода. Продуктами превращения карбоновой кислоты всегда оказываются атомы водорода и углекислый газ, который мы выдыхаем. Атом водорода содержит электрон и прогон. Энергия заключена в атомном ядре, она недоступна для клетки. Следовательно, надо освободиться от протона. Превращение электрона дает большую часть той энергии, которая затем будет использована в процессах жизнедеятельности организма.
При помощи биокатализатора — фермента флавопротеида — клетка освобождается от протона, электрон попадает на другой фермент — цитохром В, затем на цитохром С, цитохром А и, наконец, на кислород. Приняв два электрона, кислород заряжается отрицательно, присоединяет два протона и образует воду. Так совершается акт клеточного дыхания — потребление кислорода, который поступает в организм человека с воздухом через легкие и переносится кровью к Клеткам тканей. Дыхание сопровождается синтезом АТФ. Образованием воды заканчивается сложный путь окисления питательных веществ в клетке.
Какова судьба освободившейся энергии? Часть ее рассеивается в виде тепла, а часть используется для синтеза всегда одного и того же вещества — АТФ из АДФ. Присоединение фосфорной кислоты к АДФ (фосфолирование) связано с энергозатратами, которые компенсируются за счет энергии любой живой клетки. Образующаяся при этом АТФ является аккумулятором энергии. При распаде АТФ на АДФ и фосфорную кислоту выделяющаяся энергия может быть использована для мышечного сокращения (если это мышечная клетка), осмотической работы (если это почки), проведения нервного импульса (если это нерв).
Биосинтез веществ, из которых клетка строит свои структуры, так же обеспечивается энергией АТФ и АДФ, заряжается за счет энергии, содержащейся в пище и солнечной энергии, и переходит в АТФ. Все энергетические процессы в живых организмах связаны с АТФ. Все физиоэнергетические процессы осуществляются центральной нервной системой — головным мозгом.
Академик В. А. Энгельгардт писал, что «… все биологические функции всегда и неизменно в качестве обязательного звена имеют те или иные трансформации энергии в биологических системах. Сюда относятся все важнейшие проявления жизнедеятельности — например, превращение химической энергии в механическую работу при сокращении мышц; образование тепла при химических процессах дыхания; возникновение электрических потенциалов при возбуждении нервной клетки; выполнение осмотической работы при функционировании выделительных органов или транспорте веществ через мембрану, вопреки гредиенту концентрации. Превращение энергии лежит в основе деятельности органов чувств; всего яснее это проявляется при восприятии света — фоторецепции, когда энергия поглощающих фотонов трансформируется в энергию нервного импульса».