ГоловнаЗворотній зв'язок
Главная->Фізиологія та анатомія->Содержание->Продукция энергии в клетке

Возрастная физиология

Продукция энергии в клетке

ЛТФ — универсальная энергетическая «валюта» клетки. Одно из наиболее удивительных «изобретений» природы — это молеку­лы так называемых «макроэргических» веществ, в химической структуре которых имеется одна или несколько связей, которые выполняют функцию накопителей энергии. В живой природе най­дено несколько подобных молекул, но в организме человека встре­чается только одна из них — адснозинтрифосфорная кислота (АТФ). •)то довольно сложная органическая молекула, к которой присо­единены 3 отрицательно заряженных остатка неорганической фос­форной кислоты РО^. Именно эти фосфорные остатки связаны с органической частью молекулы «макроэргическими» связями, легко разрушающимися при разнообразных внутриклеточных ре­акциях. Однако энергия этих связей нс рассеивается в простран­стве в виде тепла, а используется на движение или химическое взаимодействие других молекул. Именно благодаря этому свой-с і ну АТФ выполняет в клетке функцию универсального накопи­теля (аккумулятора) энергии, а также универсальной «валюты». Ведь почти каждое химическое превращение, происходящее в клетке, либо поглощает, либо высвобождает энергию. Согласно «ікону сохранения энергии, обшее количество энергии, образо­ванное в результате окислительных реакций и запасенное в виде ЛТФ, равно количеству энергии, которое может использовать клетка на свои синтетические процессы и выполнение любых функций. В качестве «оплаты» за возможность произвести то или Иное действие клетка вынуждена расходовать свой запас АТФ. При ■лом следует особо подчеркнуть: молекула АТФ столь крупна, что una не способна проходить через клеточную мембрану. Поэтому ЛТФ, образованная в одной клетке, не может быть использована другой клеткой. Каждая клетка тела вынуждена синтезировать АТФ для своих нужд самостоятельно в тех количествах, в которых она Необходима для выполнения ее функций.

Три источника ресинтеза АТФ в клетках организма человека. .По-видимому, далекие предки клеток человеческого организма Существовали много миллионов лет назад в окружении раститель­ных клеток, которые в избытке снабжали их углеводами, причем кислорода было недостаточно или не было еше вовсе. Именно уг­леводы — наиболее употребимая для производства энергии в орга­низме составная часть питательных веществ. И хотя большинство клеток человеческого тела приобрело способность использовать в качестве энергетического сырья также белки и жиры, некоторые (например, нервные, красные кровяные, мужские половые) клет­ки способны производить энергию только за счет окисления угле­водов.

Процессы первичного окисления углеводов — вернее, глюко­зы, которая и составляет, собственно, основной субстрат окисле­ния в клетках, — происходят непосредственно в цитоплазме: имен­но там расположены ферментные комплексы, благодаря которым молекула глюкозы частично разрушается, а освободившаяся энер­гия запасается в виде АТФ. Этот процесс называется гликолиз, он может проходить во всех без исключения клетках организма чело­века. В результате этой реакции из одной 6-углеродной молекулы глюкозы образуется две 3-углеродные молекулы пировиноград-ной кислоты и две молекулы АТФ.

Гликолиз — весьма быстрый, но сравнительно малоэффектив­ный процесс. Образовавшаяся в клетке после завершения реакций гликолиза пировиноградная кислота почти тут же превращается в молочную кислоту и порой (например, во время тяжелой мышеч­ной работы) в весьма больших количествах выходит в кровь, так как это небольшая молекула, способная свободно проходить че­рез клеточную мембрану. Такой массированный выход кислых продуктов обмена в кровь нарушает гомеостаз, и организму при­ходится включать специальные гомеостатические механизмы, что­бы справиться с последствиями мышечной работы или другого активного действия.

Образовавшаяся в результате гликолиза пировиноградная кис­лота содержит в себе еще много потенциальной химической энер­гии и может служить субстратом для дальнейшего окисления, но для этого нужны специальные ферменты и кислород. Этот про­цесс происходит во многих клетках, в которых содержатся специ­альные органеллы —- митохондрии. Внутренняя поверхность мем­бран митохондрий сложена из крупных липидных и белковых молекул, среди которых большое количество окислительных фер­ментов. Внутрь митохондрии проникают образовавшиеся в цито­плазме 3-углеродные молекулы — обычно это бывает уксусная кислота (ацетат). Там они включаются в непрерывно идущий цикл реакций, в процессе которых от этих органических молекул по­очередно отщепляются атомы углерода и водорода, которые, со­единяясь с кислородом, превращаются в углекислый газ и воду. В этих реакциях выделяется большое количество энергии, которая запасается в виде АТФ. Каждая молекула пировиноградной кисло­ты, пройдя полный цикл окисления в митохондрии, позволяет клетке получить 17 молекул АТФ. Таким образом, полное окисле­ние 1 молекулы глюкозы обеспечивает клетку 2 + 17 к 2 = 36 моле­кулами АТФ. Нс менее важно, что в процесс митохондриального окисления могут включаться также жирные кислоты и аминокис­лоты, т.е. составляющие жиров и белков. Благодаря этой способ­ности митохондрии делают клетку сравнительно независимой от 1-ого, какими продуктами питается организм: в любом случае не­обходимое количество энергии будет добыто.

Некоторая часть энергии запасается в клетке в виде более мел­кой и подвижной, чем АТФ, молекулы креатинфосфата (КрФ). Именно эта маленькая молекула может быстро переместиться из одного конца клетки в другой — туда, где в данный момент более всего нужна энергия. КрФ не может сам отдавать энергию на про­цессы синтеза, мышечного сокращения или проведение нервного импульса: для этого требуется АТФ. Но зато КрФ легко и практи­чески без потерь способен отдать всю заключенную в нем энер-I ню молекуле аденазиндифосфата (АДФ), которая сразу же пре­вращается в АТФ и готова к дальнейшим биохимическим превра­щениям.

Таким образом, затраченная в ходе функционирования клетки шергия, т.е. АТФ, может возобновляться за счет трех основных процессов: анаэробного (бескислородного) гликолиза, аэробно-ю (с участием кислорода) митохондриального окисления, а так­же благодаря передаче фосфатной группы от КрФ к АДФ.

Крсатинфосфатный источник — самый мощный, поскольку реакция КрФ с АДФ протекает очень быстро. Однако запас КрФ в клетке обычно невелик — например, мышцы могуг с максималь­ным усилием работать за счет КрФ не более 6—7 с. Этого обычно достаточно, чтобы запустить второй по мощности — гликолити-ческий — источник энергии. В этом случае ресурс питательных ве­ществ во много раз больше, но по мере работы происходит все большее напряжение гомеостаза из-за образования молочной кис­лоты, и если такую работу выполняют крупные мышцы, она не может продолжаться более 1,5—2 мин. Зато за это время почти пол­ностью активируются митохондрии, которые способны сжигать не только глюкозу, но также жирные кислоты, запас которых в орга­низме почти неисчерпаем. Поэтому аэробный митохондриальный источник может работать очень долго, правда, мощность его срав­нительно невелика — в 2—3 раза меньше, чем гликолитического источника, и в 5 раз меньше мощности креатинфосфатного.

Особенности организации энергопродукции в различных тканях организма. Разные ткани обладают различной насыщенностью ми­тохондриями. Меньше всего их в костях и белом жире, больше всего — в буром жире, печени и почках. Довольно много митохонд­рий в нервных клетках. Мышцы не обладают высокой концентра­цией митохондрий, но ввиду того, что скелетные мышцы — самая массивная ткань организма (около 40% от массы тела взрослого человека), именно потребности мышечных клеток во многом оп­ределяют интенсивность и направленность всех процессов энерге­тического обмена. И.А.Аршавский называл это «энергетическим правилом скелетных мышц».

С возрастом происходит изменение сразу двух важных состав­ляющих энергетического обмена: изменяется соотношение масс тканей, обладающих разной метаболической активностью, а так­же содержание в этих тканях важнейших окислительных фермен­тов. В результате энергетический обмен претерпевает достаточно сложные изменения, но в целом его интенсивность с возрастом снижается, причем весьма существенно.

 

 

28