Диссимиляция, или окисление, у живых организмов осуществляется двумя способами. У большинства растений, животных, человека и простейших организмов окисление органических веществ происходит с участием кислорода воздуха. Этот процесс получил название «дыхание», или аэробный (от лат. аэр — воздух) процесс. У некоторых групп растений, которые способны существовать без воздуха, окисление происходит без кислорода, то есть анаэробным путем, и называется брожением. Рассмотрим каждый из этих процессов в отдельности.
Понятие «дыхание» первоначально означало лишь вдыхание и выдыхание воздуха легкими. Затем «дыханием» стали называть обмен газами между клеткой и окружающей ее средой — потребление кислорода и выделение углекислоты. Дальнейшие углубленные исследования показали, что дыхание является очень сложным многоступенчатым процессом, который совершается в каждой клетке живого организма с обязательным участием биологических катализаторов — ферментов.
Органические вещества, прежде чем превратиться в «топливо», дающее энергию клетке и организму в целом, должны быть соответствующим образом обработаны с помощью ферментов. Эта обработка заключается в расщеплении крупных молекул биополимеров — белков, жиров, полисахаридов (крахмала и гликогена) — в мономеры. Тем самым достигается определенная универсализация питательного материала.
Таким образом, вместо многих сотен различных полимеров, например пищи, в кишечнике животных образуется несколько десятков мономеров — аминокислот, жирных кислот, глицерина и глюкозы, которые затем доставляются клеткам тканей животных и человека по кровеносным и лимфатическим путям. В клетках происходит дальнейшая универсализация этих веществ. Все мономеры превращаются в более простые молекулы карбоновых кислот с углеродной цепочкой, содержащей от двух до шести атомов. Если мономеров насчитывается несколько десятков, из них двадцать аминокислот, то карбоновых кислот всего десять. Так окончательно утрачивается специфика питательных веществ.
Но и карбоновые кислоты являются лишь предшественниками материала, который можно назвать «биологическим горючим». Они непосредственно еще не могут быть использованы в энергетических процессах клетки. Следующий этап универсализации — отщепление от карбоновых кислот водорода. При этом образуется углекислый газ (СО2), который организм выдыхает. Атом водорода содержит электрон и протон. Для энергетики клетки и организма в целом (биоэнергетики) роль этих составных частей атома далеко не равноценна. Энергия, заключенная в атомном ядре, недоступна для клетки. Превращение же электрона в атоме водорода сопровождается выделением энергии, которая используется в процессах жизнедеятельности клетки. Поэтому освобождением электрона заканчивается последний этап универсализации биологического топлива. В этот период специфика органических веществ, их составных частей и карбоновых кислот не имеет значения, ибо все они в конечном счете приводят к образованию носителя энергии — электрона.
Возбужденный электрон соединяется с кислородом. Приняв два электрона, кислород заряжается отрицательно, присоединяет два протона и образует воду. Так совершается акт клеточного дыхания.
Окисление органических веществ в клетках происходит в митохондриях, которые, как уже было отмечено в предыдущей брошюре, играют роль динамомашины, преобразующей энергию сгорания углеводов и жиров в энергию аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).
Окислению в организме подвергаются в первую очередь углеводы. Начальные и конечные процессы окисления углеводов можно выразить такой суммарной формулой: C6H12O6 + 6O2 = 6СO2 + 6Н2O + энергия.
В животном и растительном организмах процесс дыхания в основе своей одинаков: биологический смысл его в обоих случаях состоит в получении энергии каждой клеткой в результате окисления органических веществ. Образуемая при этом АТФ используется как аккумулятор энергии. Именно этим аккумулятором восполняется потребность в энергии, в каком бы месте клетки любого организма она не возникла.