Биология. В 3-х томах. Т. 2

Молекула АТФ состоит из пурина аденина, пятиуглеродного сахара рибозы и трех фосфатных групп (рис. 11.2). При гидролитическом отщеплении двух ее концевых фосфатных групп выход свободной энергии на каждую из них составляет около 30,6 кДж, тогда как отщепление третьей фосфатной группы АТФ дает только 13,8 кДж (табл. 11.1). Именно по этой причине принято говорить, хотя это и неверно, что АТФ и АДФ (аденозиндифосфат) содержат богатые энергией (высокоэнергетические) связи (которые часто обозначают знаком ˜ ). Почему при гидролизе АТФ выделяется больше энергии, чем при гидролизе многих других соединений, не ясно. Полагают, что это как-то зависит от распределения зарядов в его молекуле. Для поддержания целостности такой молекулы требуется больше химической энергии. Энергия, таким образом, заключена не в какой-либо одной связи, а характеризует всю молекулу в целом.

Рис. 11.2. Структура АТФ. Две концевые фосфатные группы присоединены пирофосфатными связями, гидролитическое расщепление которых дает большое количество свободной энергии

Таблица 11.1. Свободная энергия гидролиза некоторых фосфатов

11.1. Из табл. 11.1 видно, что АТФ вовсе не самое "богатое энергией" соединение в клетке. АТФ занимает промежуточное положение. Какой смысл можно в этом усмотреть?

11.2.1. Значение АТФ

АТФ — стандартная единица, в виде которой запасается высвобождаемая при дыхании энергия. Для синтеза АТФ из АДФ и фосфата требуется 30,6 кДж энергии на 1 моль. Поэтому АТФ может образоваться лишь в таких реакциях, при которых выход энергии составляет более 30,6 кДж/моль. Вся энергия, высвобождающаяся сверх 30,6 кДж/моль, равно как и вся энергия от реакций, дающих менее 30,6 кДж/моль, не может быть запасена в АТФ и рассеивается в виде тепла.

Поскольку вся химическая энергия представлена в одной форме (а именно, в форме АТФ), процессы, идущие с потреблением энергии, нуждаются только в одной системе, способной принимать химическую энергию от АТФ. Этим достигается большая экономия в отношении действующих в клетке механизмов.

АТФ-постоянный источник энергии для клетки. Он мобилен и может доставлять химическую энергию в любую часть клетки. Когда клетка нуждается в энергии, единственное, что требуется для ее получения — это гидролиз АТФ. Поскольку АТФ содержится во всех живых клетках, его часто называют универсальным носителем энергии.

АДФ может быть рефосфорилирован в АТФ в результате дыхательной активности (рис. 11.3) или за счет другого высокоэнергетического соединения, например креатинфосфата, присутствующего в мышечных клетках. Если весь АДФ мышечной клетки превращается в АТФ, то фосфат от АТФ переносится на креатин с образованием креатинфосфата. При этом вновь появляется некоторое количество АДФ, который может, присоединив фосфат, образовать АТФ. При понижении уровня АТФ происходит обратный процесс: фосфат переносится от креатинфосфата на АДФ, и запасы АТФ таким образом восстанавливаются (рис. 11.4).

Рис. 11.3. А. Гидролиз АТФ. Б. Рефосфорилирование АДФ в результате дыхательной активности

Рис. 11.4. Перенос высокоэнергетической фосфатной группы между АТФ и креатином

Третий путь рефосфорилирования АДФ — это фосфорилирование, протекающее в хлорофилл-содержащих клетках зеленых растений (разд. 9.4).

АТФ играет важную метаболическую роль благодаря своему центральному положению в клеточной активности. Он действует как связующее звено между дыханием и процессами, требующими затраты энергии. При этом его высокоэнергетические фосфатные группы непрерывно отщепляются и замещаются новыми.

11.2. Роль АТФ можно сравнить с ролью аккумулятора. Объясните, в чем заключается это сходство.

В клетке происходят трех типов:

1. Прямое окисление молекулярным кислородом:

2. Реакции, в которых А окисляется за счет В:

11.3. Как называется этот тип окисления?

11.4. Как называются ферменты, катализирующие такие реакции?

3. Реакции, в которых происходит перенос электронов, например окисление одной ионной формы железа (Fe²⁺) в другую (Fe³⁺):

Все эти три типа окисления встречаются в последовательности реакций, составляющих вместе процесс, который носит название аэробного дыхания.

11.3.1. Общая характеристика клеточного дыхания

Клеточное дыхание — это окисление субстрата, приводящее к получению химической энергии (АТФ). Субстратами для дыхания служат органические соединения — углеводы, жиры и белки.

Углеводы. Большинство клеток использует в первую очередь именно углеводы. Клетки головного мозга млекопитающих вообще не способны использовать для дыхания ничего, кроме глюкозы. Полисахариды вовлекаются в процесс дыхания лишь после того, как они будут гидролизованы до моносахаридов:

Жиры. Жиры составляют "первый резерв" и пускаются в дело главным образом тогда, когда запас углеводов исчерпан. Впрочем, в клетках скелетных мышц при наличии глюкозы и жирных кислот предпочтение отдается жирным кислотам.

Белки. Поскольку белки выполняют ряд других важных функций, они используются лишь после того, как будут израсходованы все запасы углеводов и жиров, например при длительном голодании.

Окисление глюкозы — в тех случаях, когда субстратом служит глюкоза, — подразделяется на три четко различимые фазы: гликолиз (путь Эмбдена — Мейергофа), окислительное декарбоксилирование (цикл Кребса, иначе называемый циклом лимонной кислоты или циклом трикарбоновых кислот) и окислительное фосфорилирование (дыхательная цепь, где происходит перенос водорода и электронов). Гликолиз — фаза, общая для анаэробного и аэробного дыхания, но две другие фазы можно наблюдать только в аэробных условиях. Подробно все эти процессы мы рассмотрим немного позднее, а здесь скажем о них лишь несколько слов.

11.3.2. Гликолиз и цикл Кребса

При аэробном дыхании окисление глюкозы происходит путем последовательных реакций дегидрирования. При каждом дегидрировании отщепляемый водород используется для восстановления кофермента:

Большая часть этих реакций происходит в митохондриях, где акцептором водорода служит обычно кофермент НАД (никотинамидадениндинуклеотид):

или, в более точной записи,

НАД⋅Н₂ поступает затем в дыхательную цепь и здесь снова подвергается окислению.

11.3.3. Дыхательная цепь и окислительное фосфорилирование

В дыхательной цепи НАД ⋅ Н₂ вновь окисляется до НАД, а отщепившийся от него водород передается не менее чем через пять переносчиков к концу цепи, где соединяется с молекулярным кислородом, образуя воду. Переход водорода по этой дыхательной цепи состоит из ряда окислительно-восстановительных реакций. В некоторых из этих реакций выделяется достаточно энергии для образования АТФ, и такой процесс носит название окислительного фосфорилирования. Чистый выход на одну молекулу глюкозы при полном ее окислении до воды и СО₂ составляет 38 молекул АТФ, синтезированного из АДФ и неорганического фосфата. При этом две молекулы АТФ дает гликолиз, две — цикл Кребса и 34-дыхательная цепь (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Схема аэробного дыхания

11.3.4. Отдельные этапы гликолиза

Гликолизом называют последовательность реакций, в результате которых одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты (рис. 11.6). Эти реакции протекают не в митохондриях, а в цитоплазме, и для них не требуется присутствия кислорода. Процесс можно подразделить на два этапа: на первом из них происходит превращение глюкозы в фруктозо- 1,6,-бисфосфат, а на втором — расщепление фруктозо-1,6-бисфосфата на два трехуглеродных сахара, которые позже превращаются в пировиноградную кислоту. При этом на первом этапе две молекулы АТФ потребляются в реакциях фосфорилирования, а на втором — четыре молекулы АТФ образуются. Поэтому чистый выход АТФ при гликолизе равен двум молекулам. Кроме того, при гликолизе освобождаются четыре атома водорода. Их судьбу мы рассмотрим позднее. Суммарную реакцию гликолиза можно записать так:

Рис. 11.6. Схема гликолиза

Потребление и выход различных веществ в процессе гликолиза указаны в табл. 11.2.

Таблица 11.2. Потребление и выход веществ в процессе гликолиза

Конечная судьба пировиноградной кислоты зависит от присутствия кислорода в клетке. Если кислород имеется, то пировиноградная кислота переходит в митохондрии для полного окисления до СО₂ и воды (аэробное дыхание). Если же кислорода нет, то она превращается либо в этанол, либо в молочную кислоту (анаэробное дыхание).

11.5. Внимательно изучите рис. 11.7 и дайте ответы на следующие вопросы:

а. Как называется процесс, происходящий на этапах Б и Г?

б. К какому классу принадлежит фермент, катализирующий реакцию В?

е. Как называется реакция, обозначенная буквой Д?

г. Какой витамин входит в состав молекулы НАД?

Рис. 11.7. Отдельные этапы гликолиза и общая биохимия этого процесса. Важно отметить, что, поскольку при расщеплении фруктоза-1,6-бисфосфата образуются два трехуглеродных соединения, в последующих реакциях синтезируются четыре молекулы АТФ, по две на каждую молекулу трехуглеродного соединения, превращающегося в пировиноградную кислоту

11.3.5. Аэробное дыхание

Аэробное дыхание распадается на две фазы. В первой из них при достаточном количестве кислорода каждая молекула пировиноградной кислоты поступает в митохондрию, где она полностью окисляется аэробным путем. Сначала происходит окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, т.е. отщепление СО₂ с одновременным окислением путем дегидрирования. Во время этих реакций пировиноградная кислота соединяется с веществом, которое называют коферментом А (сокращенно его часто обозначают КоА или KoAS-Н), в результате чего образуется ацетилкофермент А. Количество выделяющейся при этом энергии достаточно для образования в молекуле ацетилкофермента А высокоэнергетической связи. В действительности процесс гораздо сложнее, чем следует из этого описания; в нем участвуют пять разных коферментов и три фермента. Суммарная реакция имеет вид НАД⋅Н₂, являющийся продуктом этой реакции, направляется в дыхательную цепь митохондрии.

Вторую фазу аэробного дыхания составляет цикл Кребса (названный так в честь открывшего его исследователя — сэра Ганса Кребса). Ацетильная группа ацетил-КоА, содержащая два атома углерода, включается в цикл Кребса при гидролизе ацетил-КоА. Она присоединяется к щавелевоуксусной кислоте — четырехуглеродному соединению, в результате чего образуется шестиуглеродная лимонная кислота. Для этой реакции требуется энергия; ее поставляет высокоэнергетическая связь ацетил-КоА. Далее следует цикл реакций, в которых ацетильные группы, поступающие в цикл при гидролизе ацетил-КоА, дегидрируются с высвобождением четырех пар атомов водорода и декарбоксилируются с образованием двух молекул СО₂. При декарбоксилировании для окисления двух атомов углерода до СО₂ используется кислород, отщепляемый от двух молекул воды. Этот процесс носит название окислительного декарбоксилирования. В конце цикла щавелевоуксусная кислота регенерируется. Теперь она способна вступить в реакцию с новой молекулой ацетил-КоА, и цикл повторяется. На каждую окисленную молекулу ацетил-КоА образуются: одна молекула АТФ, четыре пары атомов водорода и две молекулы СО₂. Водородные атомы присоединяются к НАД или ФАД (разд. 6.2.3) и в конце концов попадают в дыхательную цепь. Поскольку из одной окисленной молекулы глюкозы образуются две молекулы ацетил-КоА, для окисления каждой молекулы глюкозы в процессе дыхания требуются два оборота цикла. Поэтому в конечном итоге при окислении одной молекулы глюкозы синтезируются две молекулы АТФ, выделяются четыре молекулы СО₂ и высвобождаются восемь пар атомов водорода, поступающие затем в дыхательную цепь (рис. 11.8).

Суммарную реакцию для образования ацетил-КоА и цикла Кребса можно записать так:

где Ас — акцептор водорода.

Рис. 11.8. Упрощенная схема цикла Кребса

11.3.6. Окислительное фосфорилирование и дыхательная цепь

Пары водородных атомов, отщепляемые от промежуточных продуктов в реакциях дегидрирования при гликолизе и в цикле Кребса, в конце концов окисляются молекулярным кислородом до Н₂О с одновременным фосфорилированием АДФ в АТФ. Происходит это, когда водород, отделившийся от НАД⋅Н₂ или ФАД⋅Н₂, передается по цепи, включающей по меньшей мере пять переносчиков — флавопротеин, кофермент Q и несколько разных цитохромов. В конце цепи водород соединяется с молекулярным кислородом и образует воду. Промежуточные переносчики водорода претерпевают при этом ряд окислительно-восстановительных реакций. Переносчики сгруппированы таким образом, что в трех пунктах цепи при переходе водородных атомов от одного переносчика к другому небольшое количество энергии высвобождается и включается в молекулу АТФ. На рис. 11.9 представлена дыхательная цепь, или цепь переноса электронов. В действительности на первом участке цепи происходит главным образом перенос водорода, а на последнем — исключительно перенос электронов. Переносчики X, Y и Z-цитохромы. X и Y представляют собой белковые пигменты с железосодержащей простетической группой, которая называется гемом (такой же гем содержится в гемоглобине). При каждой окислительно-восстановительной реакции железо оказывается попеременно в окисленной (Fe³⁺) и в восстановленной (Fe²⁺) форме. На конечном этапе медьсодержащий переносчик Z, называемый обычно цитохромоксидазой (или цитохромом а + а₃), катализирует восстановление молекулярного кислорода до воды. Цианид калия и окись углерода блокируют клеточное дыхание на этом этапе.

Рис. 11.9. Схема дыхательной цепи, где происходит перенос водорода и электронов. Пункты, в которых высвобождается достаточно энергии для синтеза АТФ, не указаны. Кроме того, показаны не все переносчики, входящие в дыхательную цепь

11.3.7. Переносчики водорода и электронов

11.3.8. Анаэробное дыхание

Многие микроорганизмы (анаэробы) получают большую часть своего АТФ за счет анаэробного дыхания. Для некоторых бактерий сколько-нибудь значительные количества кислорода вообще губительны, так что они вынуждены жить там, где кислород отсутствует. Такие организмы называют облигатными анаэробами (примеры — бактерии Clostridium botulinum и С. tetani).

Известны и другие организмы, например дрожжи и паразиты кишечного тракта (ленточные черви и др.), которые могут существовать как без кислорода, так и в его присутствии. Их называют факультативными анаэробами. Некоторые клетки, временами испытывающие недостаток кислорода (в частности, мышечные клетки), тоже обладают способностью к анаэробному дыханию.

В условиях, когда кислорода нет и, значит, водородные атомы, освободившиеся в процессе гликолиза, не могут быть ему переданы, вместо НАД должен быть использован другой акцептор водорода. Таким акцептором становится пировиноградная кислота. При этом в зависимости от метаболических путей, имеющихся у данного организма или у самих клеток, конечные продукты анаэробного дыхания оказываются различными. У дрожжей, например, образуются этанол и СО₂:

(этот процесс называется спиртовым брожением), а в животных клетках, испытывающих временный недостаток кислорода, и у некоторых бактерий происходит молочнокислое брожение, приводящее к образованию молочной кислоты:

На рис. 11.11 представлены эти различные пути анаэробного дыхания.

Ни тот, ни другой процесс не дает дополнительного количества АТФ, так что выход энергии на одну молекулу глюкозы, расщепленную путем анаэробного дыхания, соответствует двум молекулам АТФ. Значительная часть энергии, заключенной в молекуле глюкозы, при этом так и не извлекается (остается в конечных продуктах брожения — этаноле и молочной кислоте). Поэтому анаэробное дыхание (рис. 11.11) в сравнении с аэробным (см. разд. 11.3.9) следует считать процессом малоэффективным. Молочная кислота должна из мышечных клеток удаляться кровью, чтобы не наступило утомление. Позднее, в аэробных условиях, она вновь превращается в глюкозу в печени, где глюкоза запасается в форме гликогена. Подробно этот процесс описан в разд. 16.4.

Рис. 11.11. Различные пути анаэробного дыхания

11.3.9. Эффективность превращения энергии при аэробном и анаэробном дыхании

Хотя из описанной выше картины событий, составляющих аэробное дыхание, видно, что на каждую окисленную молекулу глюкозы образуется обычно 38 молекул АТФ, в разных тканях это число может быть различным. В цитоплазме в процессе гликолиза образуются два комплекса НАД⋅Н₂. Цитоплазматический НАД не способен пройти сквозь митохондриальную мембрану, поэтому поставляемые гликолизом электроны должны поступать в митохондрии не прямым путем, а при посредстве особых челночных механизмов. В зависимости от того, какой из этих механизмов действует, окисление цитоплазматического НАД ⋅ Н₂ дает либо четыре, либо шесть молекул АТФ и, значит, общий выход АТФ на одну окисленную молекулу глюкозы составляет 36 или 38 молекул. Схема на рис. 11.12 показывает, как работает такой челночный механизм. Вещество X играет роль переносчика — транспортирует водород из цитоплазмы в митохондрию; в отличие от НАД⋅Н₂ оно способно проходить через митохондриальную мембрану.

После реакции НАД→НАД ⋅ Н2 в клетках сердечной мышцы и печени обратное окисление дает три молекулы АТФ.

После реакции ФП→ФПН₂ в мышечных и нервных клетках обратное окисление дает две молекулы АТФ. Следовательно, в сердечной мышце и печени образуется в общей сложности 38 молекул АТФ, а в мышечных и нервных клетках-36 молекул.

Челночные механизмы непрерывно переносят электроны из цитоплазмы в митохондрии, одновременно вновь окисляя цитоплазматический НАД ⋅ Н₂. Это надежно предотвращает накопление водородных атомов в цитоплазме и позволяет понять, почему при аэробном дыхании не накапливается молочная кислота.

Опыт 11.1. Изучение окисления одного из промежуточных продуктов цикла Кребса

Наиболее эффективный способ извлечения энергии из субстрата с запасанием ее для последующего использования состоит в расчленении этого процесса на ряд более простых обратимых реакций, катализируемых ферментами. Одна из таких промежуточных реакций — это окисление янтарной кислоты в фумаровую путем отщепления водорода.

Известны вещества, способные присоединять отщепленные водородные атомы и при этом изменять свой цвет. Одно из таких веществ — 2,6 — дихлорфенолиндофенол (ДХФИФ); его окисленная форма окрашена в синий цвет, а восстановленная бесцветна.

Если окисленная форма ДХФИФ при смешивании с тканевым экстрактом обесцвечивается, то можно предположить, что причина этого — присоединение атомов водорода от янтарной кислоты. Добавим к смеси янтарную кислоту. Если теперь скорость обесцвечивания возрастает, то это подкрепит нашу гипотезу о том, что ДХФИФ играет роль акцептора атомов водорода, отщепляющихся от янтарной кислоты.

Поскольку большинство реакций в живых организмах катализируется ферментами, ясно, что окисление будет происходить лишь в том случае, если в среде имеется надлежащий фермент. Реакцию окисления янтарной кислоты катализирует фермент сукцинатдегидрогеназа, и дополнительные исследования позволяют выявить присутствие этого фермента. В нашем опыте источником фермента будет служить суспензия митохондрий из прорастающих семян маша (Phaseolus aureus). Важно выделять митохондрии как можно быстрее. После разрушения клеток метаболизм почти сразу же прекращается.

Опыт делится на две части: 1) выделение нужного фермента и 2) использование его для окисления янтарной кислоты. ДХФИФ служит индикатором, который позволяет определить, идет ли реакция или нет.

Все, что требуется для первой части опыта (т.е. для приготовления ферментного экстракта), желательно до начала работы не менее часа выдержать в холодильнике.

4 центрифужные пробирки (по 15 мл)

2 стеклянные палочки

2 градуированные пипетки на 10 мл

2 лабораторных стакана емкостью 1 л (желательно полиэтиленовые)

Лед

Соль

Семена маша

Пробирки со штативом 1 градуированная пипетка на 1 мл

Таймер

Растворы (указания относительно приготовления растворов даны после описания опыта):

Забуференный раствор сахарозы

Забуференный раствор сахарозы + раствор янтарной кислоты

0,1%-ный ДХФИФ (приготовляется на забуференном растворе сахарозы) Дистиллированная вода

1. Прорастите семена маша (24 шт.), поместив их на влажную вату и оставив в темноте на 3-4 дня.

2. Приготовьте ледяную баню: положите лед в полиэтиленовый стакан емкостью 1 л и добавьте к нему соли, чтобы понизить температуру.

3. Поместите в стакан со льдом забуференный раствор сахарозы и две центрифужные пробирки.

4. Удалите у 12 проросших семян оболочки и корешки.

5. Поместите в каждую центрифужную пробирку по шесть семян.

6. Добавьте в каждую пробирку по 1 мл забуференного раствора сахарозы, не содержащего янтарной кислоты.

7. Тщательно размельчите семена с помощью охлажденной стеклянной палочки; пробирки должны при этом все время оставаться в стакане со льдом.

8. Добавьте в каждую центрифужную пробирку еще по 10 мл забуференного раствора сахарозы.

9. Поместите центрифужные пробирки в центрифугу (друг против друга) и прокрутите их при максимальной скорости в течение 3 мин.

10. Верните центрифужные пробирки в стакан со льдом.

11. Внесите пипеткой в одну из лабораторных пробирок 15 мл дистиллированной воды и отметьте положение мениска.

12. Вылейте дистиллированную воду и заполните пробирку до отметки надосадочной жидкостью из центрифужных пробирок.

13. Следующее необходимо проделать очень быстро: добавьте в ту же лабораторную пробирку 0,5 мл раствора ДХФИФ и перемешайте содержимое, заткнув пробирку большим пальцем и перевернув ее.

14. Во время перемешивания растворов включите отсчет времени.

15. Отметьте цвет раствора через 20 мин.

16. Повторите весь эксперимент, использовав на этот раз забуференный раствор сахарозы, содержащий янтарную кислоту.

Проследить за ходом эксперимента можно и с помощью колориметра.

1. Поставьте красный фильтр, включите колориметр и дайте ему прогреться в течение 5 мин.

2. Добавьте 0,5 мл раствора ДХФИФ к 15 мл надосадочной жидкости, как описано выше.

3. Смешайте растворы и включите отсчет времени.

4. Поместите пробирку в колориметр и установите прибор на 0% пропускания.

5. Снимите показания колориметра через 1, 2, 5, 10 и 20 мин.

6. Повторите тот же опыт, но с забуференным раствором сахарозы, содержащим янтарную кислоту.

7. Постройте график зависимости пропускания (ось ординат) от времени.

8. Сформулируйте выводы, которые можно сделать на основании полученных результатов.

Забуференный раствор сахарозы (100 мл)

Забуференный раствор сахарозы + янтарная кислота (100 мл)

Лучше всего сразу приготовить забуференный раствор сахарозы в количестве, достаточном для обеих частей опыта (раствор готовится на дистиллированной воде). После этого следует разделить раствор на две равные части и добавить к одной из них янтарную кислоту и гидрокарбонат натрия (в соответствующей концентрации).

Когда к забуференному раствору сахарозы добавляют янтарную кислоту и гидрокарбонат натрия, жидкость вскипает. Раствор следует хорошо встряхнуть, чтобы вся углекислота выделилась, так как ее присутствие может сказаться на результатах эксперимента.

Растворите 0,1 г дихлорфенолиндофенола в 10 мл забуференного раствора сахарозы (без янтарной кислоты для обеих частей эксперимента). Растворяется это вещество не слишком хорошо, поэтому после тщательного перемешивания суспензию следует профильтровать.

Митохондрии имеются во всех эукариотических клетках. Эти органеллы — главное место аэробной дыхательной активности клетки. Впервые наблюдал митохондрии в виде гранул в мышечных клетках Кёлликер в 1850 г. Позднее, в 1898 г., Михаэлис показал, что они играют важную роль в дыхании: в его опытах митохондрии вызывали изменение цвета окислительно-восстановительных индикаторов.

Число митохондрий в клетке очень непостоянно; оно зависит от вида организма и от природы клетки. В клетках, в которых потребность в энергии велика, содержится много митохондрий (в одной печеночной клетке, например, их может быть около 1000). В менее активных клетках митохондрий гораздо меньше. Чрезвычайно сильно варьируют также размеры и форма митохондрий. Митохондрии могут быть спиральными, округлыми, вытянутыми, чашевидными и даже разветвленными; в более активных клетках они обычно крупнее. Длина митохондрий колеблется в пределах 1,5-10 мкм, а ширина — в пределах 0,25-1,00 мкм.

11.6. Почему при столь больших различиях в длине митохондрий их ширина сравнительно постоянна?

Митохондрии способны изменять свою форму, а некоторые могут также перемещаться в особо активные участки клетки. Такое перемещение (которому способствует ток цитоплазмы) позволяет клетке сосредоточивать большее число митохондрий в тех местах, где выше потребность в АТФ. В других случаях положение митохондрий более постоянно (как, например, в летательных мышцах насекомых; рис. 11.13).

Рис. 11.13. Электронные микрофотографии летательной мышцы комнатной мухи (Musca), полученные с помощью трансмиссионного (А) и сканирующего (Б) электронного микроскопа. Видно, что каждая миофибрилла окружена полиморфными митохондриями

11.5.1. Строение митохондрий

Митохондрии можно выделить из клеток в виде чистой фракции с помощью гомогенизатора и ультрацентрифуги. После этого их можно исследовать в электронном микроскопе, используя для этой цели различные методики, такие, как изготовление срезов и негативный контраст. Каждая митохондрия окружена двумя мембранами; наружную мембрану отделяет от внутренней расстояние в 6-10 нм. Внутренняя мембрана заключает в себе полужесткий матрикс митохондрии; эта мембрана образует многочисленные гребневидные складки, так называемые кристы (рис. 11.14). Обрабатывая митохондрии ультразвуком и детергентами, можно отделить наружную мембрану от внутренней, что позволяет изучать структуру и функции каждой из них в отдельности. Однако даже и с помощью такой методики нам пока еще мало что удалось узнать о наружной митохондриальной мембране. Полагают, что она проницаема для веществ с молекулярной массой меньше 21 000 и что такие вещества через нее диффундируют. Кристы внутренней мембраны существенно увеличивают ее поверхность, обеспечивая место для размещения мультиферментных систем и облегчая доступ к ферментам, находящимся в митохондриальном матриксе. Внутренняя мембрана отличается избирательной проницаемостью, т. е. пропускает лишь определенные вещества. Известно, что активный транспорт АДФ и АТФ через внутреннюю митохондриальную мембрану осуществляют особые ферменты, называемые транслоказами. Метод негативного контрастирования, при котором окрашенными оказываются не сами структуры, а пространство вокруг них, позволил выявить присутствие особых "элементарных частиц" на той стороне внутренней митохондриальной мембраны, которая обращена к матриксу (рис. 11.14, Б и Д). Каждая такая частица состоит из головки, ножки и основания. Хотя микрофотографии свидетельствуют, казалось бы, о том, что элементарные частицы выступают из мембраны в матрикс, считается, что это артефакт, обусловленный самой процедурой приготовления препарата, и что в действительности они полностью погружены в мембрану. Головки частиц ответственны за синтез АТФ. Это АТФаза (ранее обозначавшаяся F₁), обеспечивающая сопряжение фосфорилирования АДФ с реакциями в дыхательной цепи. В основании частиц, заполняя собой всю толщу мембраны, располагаются компоненты самой дыхательной цепи. Они размещены по отношению друг к другу строго упорядоченным образом. В митохондриальном матриксе содержится большая часть ферментов, участвующих в цикле Кребса и в окислении жирных кислот. Здесь же находятся митохондриальные ДНК, РНК и рибосомы, а также ряд различных не очень крупных белков (разд. 7.2.12).

Рис. 11.14. Строение митохондрий. А. Схематическое изображение митохондрии. Б. Схема строения кристы с 'элементарными частицами' внутренней мембраны. В. Строение элементарной частицы внутренней митохондриальной мембраны. Г. Электронная микрофотография митохондрии, полученная при малом увеличении. Д. Электронная микрофотография, на которой видны элементарные частицы внутренней митохондриальной мембраны (F₁-F₀-АТФаза) из разрушенных осмотическим шоком митохондрий комнатной мухи

11.7. Какими химическими веществами обмениваются цитоплазма и митохондрии? Укажите, какие из них поступают в митохондрии и какие переходят из митохондрий в цитоплазму.

11.5.2. Сборка митохондрий

Митохондриальная ДНК несет информацию для синтеза приблизительно 30 белков. Этого, однако, недостаточно, так как для построения новой митохондрии требуется большее число белков. В какой-то мере, следовательно, образование новых митохондрий должно зависеть от ядерной ДНК, от цитоплазматических ферментов и от некоторых других молекул, поставляемых клеткой. На рис. 11.15 суммированы современные представления о взаимодействии между митохондрией и другими частями клетки в процессе сборки митохондрии.

Рис. 11.15. Процесс сборки митохондрии из ее компонентов. (По Tribe, Whittaker, Chloroplasts and mitochondria. Series in Biology, №31, Arnold.)

11.5.3. Эволюция митохондрий: эндосимбиотическая гипотеза

Существует гипотеза, согласно которой митохондрии были некогда свободноживущими прокариотическими организмами, наподобие бактерий. Эти прокариоты, случайно проникнув в клетку, вступили затем с этой клеткой-хозяином во взаимовыгодный симбиоз. По-видимому, условия внутри клетки оказались благоприятными для прокариот, в обмен же прокариоты своим присутствием резко повысили "производительность" клетки в смысле синтеза АТФ и придали ей способность к аэробному дыханию. В пользу этой гипотезы свидетельствует ряд данных. Во-первых, митохондриальная ДНК представлена обычно кольцевой молекулой (рис. 11.16), а именно такую ДНК мы находим у современных бактерий. Во-вторых, митохондриальные рибосомы меньше цитоплазматических и сходны по своим размерам с бактериальными. В-третьих, движения митохондрий напоминают движения некоторых бактерий. И наконец, отмечено, что механизмы белкового синтеза у митохондрий и бактерий, с одной стороны, и в цитоплазме — с другой, чувствительны к разным антибиотикам. Например, хлорамфеникол и стрептомицин подавляют синтез белка в митохондриях и у бактерий, а циклогексимид блокирует синтез белка в цитоплазме (см. разд. 9.3.1 об эндосимбиотической гипотезе применительно к хлоропластам).

Рис. 11.16. Электронная микрофотография митохондриальной ДНК из пивных дрожжей Saccharomyces carlsbergensis. Молекула представляет собой суперспирализованное кольцо двухцепочечной ДНК с длиной 'окружности' 26 мкм. Она построена примерно из 75000 нуклеотидов

11.5.4. Синтез АТФ

11.5.5. Другие пути дыхания

11.5.6. Жиры как дыхательный субстрат

11.5.7. Белки как дыхательный субстрат

Каким бы ни был процесс дыхания — аэробным или анаэробным, между организмом и средой непрерывно должен происходить обмен газами. Аэробам для окисления пищевых веществ и получения энергии нужен поступающий из внешней среды кислород, а в среду аэробы и большинство анаэробов выделяют углекислоту (диоксид углерода СО₂) — конечный продукт ("отходы") дыхания. Обмен СО₂ и О₂ между средой и организмом называется газообменом, а поверхность, на которой этот обмен фактически происходит, — дыхательной поверхностью. Осуществляется газообмен у всех организмов путем диффузии. Для того чтобы диффузия могла происходить, дыхательная поверхность должна удовлетворять нескольким условиям:

1) она должна быть проницаемой, чтобы газы могли сквозь нее проходить;

2) образующий ее слой должен быть тонким, потому что диффузия эффективна на расстояниях не более 1 см;

3) она должна быть влажной, так как оба газа — кислород и СО₂-диффундируют в растворе;

4) дыхательная поверхность должна быть большой, чтобы через нее могли обмениваться достаточные количества газов в соответствии с потребностями организма.

Организмы получают необходимый им кислород либо непосредственно из атмосферы, либо из воды, в которой он растворен. Содержание кислорода в воде и в воздухе далеко не одинаково. В воздухе в единице объема содержится во много раз больше кислорода, чем в таком же объеме воды. Отсюда следует, что объем воды, который вынуждены пропускать над дыхательной поверхностью для удовлетворения своих метаболических нужд водные организмы, например рыбы, значительно больше объема воздуха, достаточного для наземных позвоночных животных.

11.6.1. Простейшие

У Amoeba proteus тело меньше 1 мм, поэтому отношение поверхности к объему у нее очень велико. Диффузия газов происходит у нее через всю наружную клеточную мембрану, и этого вполне хватает для ее метаболических нужд.

11.6.2. Кишечнополостные

У двуслойных многоклеточных Hydra и Obelia все клетки находятся в контакте с водной средой, и у каждой из этих клеток газообмен через клеточную мембрану, соприкасающуюся со средой, достаточен для удовлетворения ее потребностей.

11.6.3. Плоские черви

У таких свободноживущих плоских червей, как Planaria, кислород поступает в организм путем диффузии через всю поверхность тела. Этому благоприятствует сильно уплощенная форма тела (толщина тела не превышает, как правило, 0,06 см), увеличивающая отношение поверхности к объему. Способствует диффузии и то, что планарии обитают обычно в хорошо аэрируемых водоемах.

Многие плоские черви, например Taenia, — внутренние паразиты, живущие в условиях, где кислорода очень мало. В таком случае они ведут себя как анаэробы. Ни размеры, ни форма их тела не определяются при этом потребностью в диффузии кислорода, хотя отношение поверхности к объему все еще остается у них высоким.

11.8. Какое другое преимущество дает плоским червям большое отношение поверхности тела к объему?

11.6.4. Потребность в специализированных дыхательных структурах и пигментах

11.6.5. Кольчатые черви

У кольчатых червей нет никаких систем, предназначенных специально для газообмена, и газообмен происходит путем диффузии через всю поверхность тела. Специализированные системы кольчатым червям в сущности и не нужны, так как благодаря цилиндрической форме тела отношение поверхности к объему у них велико, а при своей относительно малой активности они расходуют мало кислорода на единицу массы тела.

Кровеносная система у кольчатых червей имеется, и в их крови растворен дыхательный пигмент гемоглобин. Сокращения кровеносных сосудов прогоняют кровь вместе с растворенными в ней газами по всему телу, действуя как насос; это же способствует и поддержанию крутых диффузионных градиентов.

У наземных олигохет (например, у Lumbricus) кутикула постоянно увлажняется секретом находящихся в эпителии желез и жидкостью, выделяемой дорсальными порами. В эпителии непосредственно под кутикулой расположены капилляры. Расстояние между кровеносными сосудами и поверхностью тела невелико, и это обеспечивает быструю диффузию кислорода в кровь. Дождевые черви практически ничем не защищены от высыхания и поэтому могут существовать только во влажной среде.

У водных полихет (например, у Nereis sp.) на каждом сегменте тела имеется по две параподии (см. рис. 4.26). Это подвижные выросты стенки тела, пронизанные многочисленными сосудами; благодаря им площадь дыхательной поверхности животного увеличивается. Диффузия газов ускоряется благодаря тому, что кровь в этих сосудах проходит совсем близко от поверхности тела.

11.6.6. Членистоногие

С системой, обеспечивающей газообмен у членистоногих, можно ознакомиться на примере насекомых. Газообмен осуществляется здесь через систему трубочек — так называемых трахей. Благодаря этому кислород из воздуха поступает прямо к тканям, и необходимость в его транспортировке кровью отпадает. Это гораздо более быстрый способ, нежели диффузия растворенного кислорода сквозь ткани; такой газообмен создает условия для высокой интенсивности метаболизма.

Дыхальца — парные отверстия, имеющиеся на втором и третьем грудном и на первых восьми брюшных сегментах тела насекомого, ведут в воздушные полости. От этих полостей отходят разветвленные трубочки, называемые трахеями (рис. 11.23). Каждая трахея выстлана плоским эпителием, секретирующим тонкий слой хитинового материала. Обычно этот жесткий слой дополнительно укреплен спиральными и кольцевыми утолщениями, благодаря которым воздухоносные пути остаются открытыми, даже если в просвете трахей давление оказывается отрицательным (сравните с хрящевыми кольцами в трахее и бронхах человека). В каждом сегменте тела трахеи разветвляются на многочисленные более мелкие трубочки, называемые трахеолами; трахеолы тоже ветвятся, пронизывая ткани насекомого, и в наиболее активных тканях, например в летательных мышцах, оканчиваются слепо внутри отдельных клеток. В трахеолах хитиновая выстилка отсутствует; кроме того, степень их ветвления может меняться, приспосабливаясь к метаболическим нуждам ткани.

Рис. 11.23. А. Вертикальный продольный разрез тела прямокрылого. Б. Строение трахеи насекомого

В состоянии покоя трахеолы наполнены водянистой жидкостью (рис. 11.24); в это время кислород диффундирует по ним к тканям (а СО₂ — в обратном направлении) со скоростью, вполне достаточной для удовлетворения потребностей насекомого. В активном состоянии усиление метаболической активности мышц ведет к накоплению определенных метаболитов, в частности молочной кислоты, и в тканях соответственно повышается осмотическое давление. Когда это происходит, жидкость из трахеол под действием осмотических сил частично всасывается в ткани и в трахеолы поступает больше воздуха, а значит, и больше кислорода, причем этот кислород подается непосредственно к тканям как раз тогда, когда они в нем нуждаются.

Рис. 11.24. Условия, создающиеся в тканях насекомого в покое и в активном состоянии (работа трахеол)

Общий поток воздуха, проходящий через тело насекомого, регулируется механизмом, закрывающим дыхальца. Отверстие каждого дыхальца снабжено системой клапанов, управляемых очень мелкими мышцами. Края этого отверстия покрыты волосками, которые предотвращают попадание в дыхальце чужеродных частиц и излишнюю потерю влаги. Величина отверстия регулируется в зависимости от количества СО₂ в теле насекомого.

Усиленная активность ведет к усиленному образованию СО₂. Хеморецепторы улавливают это, и дыхальца открываются. Тот же стимул может вызывать и вентиляционные движения тела, особенно у крупных насекомых. Дорсовентральные мышцы, сокращаясь, делают тело насекомого более плоским, вследствие чего объем трахейной системы уменьшается и воздух выталкивается из нее наружу ("выдох"). Всасывание воздуха ("вдох") происходит пассивно, когда сегменты тела благодаря своей эластичности принимают исходную форму.

Судя по некоторым данным, грудные и брюшные дыхальца открываются и закрываются попеременно, и это в сочетании с вентиляционными движениями тела создает однонаправленный поток воздуха, который входит в тело насекомого через грудной его отдел и выходит через брюшной.

Трахейная система, безусловно, весьма эффективна в смысле газообмена, однако следует учитывать, что газообмен определяется здесь исключительно диффузией газообразного кислорода через ткани насекомого. Диффузия же, как известно, эффективна только на малых расстояниях, и это накладывает жесткие ограничения на размеры, которых могут достигать насекомые. Эти малые расстояния, на которых диффузия достаточно эффективна, не превышают 1 см; поэтому хотя и встречаются насекомые длиной до 16 см, их тело не должно при этом иметь в толщину более 2 см!

11.6.7. Рыбы

11.6.8. Амфибии

У лягушки газообмен может происходить тремя разными путями: через кожу (кожное дыхание), через эпителий, выстилающий ротовую полость (ротовое дыхание), и через легкие (легочное дыхание).

Кожное дыхание. Кожа лягушки обильно снабжена капиллярами и все время остается влажной — ее покрывает слизь, выделяемая слизистыми железами. Кислород воздуха растворяется в этой слизи и затем диффундирует в кровь. Это называется кожным дыханием. Поглощение кислорода кожей остается на протяжении всего года практически неизменным, поскольку концентрация кислорода в воздухе постоянна, а значит, остается постоянным и диффузионный градиент. В зимнее время почти весь необходимый животному кислород поступает в организм именно таким путем, весной же, когда лягушки наиболее активны, за счет кожного дыхания удовлетворяется иногда лишь четверть всей потребности в кислороде. Остальной кислород поступает через ротовую полость и легкие.

Ротовое дыхание. Заметные глазу движения горла у лягушки поддерживают постоянный газообмен между ротовой полостью и атмосферой. Это называется ротовым дыханием. Для вдоха рот и голосовая щель должны быть закрыты, ноздри открыты, а дно ротовой полости должно опускаться, что достигается сокращением грудино-подъязычных мышц, прикрепленных к подъязычному хрящу (рис. 11.28, А). Ротовая полость выстлана влажным, богатым кровеносными сосудами эпителием; именно здесь и происходит газообмен. Выдох наступает, когда сокращаются каменисто-подъязычные мышцы, также прикрепленные к подъязычному хрящу; при их сокращении дно ротовой полости поднимается.

Легочное дыхание. Легкие лягушки представляют собой пару полых мешков. Стенки их образуют многочисленные складки, но даже при этом поверхность их относительно невелика по сравнению с поверхностью легких млекопитающего. Выстилающий легкие эпителий увлажнен слизью и обильно снабжается кровью. От каждого легкого отходит короткая трубка, называемая бронхом. Два бронха соединяются, образуя трахею. Трахея переходит в небольшую полость-гортань, которая через голосовую щель сообщается с ротовой полостью (рис. 11.28,А).

Рис. 11.28. А. Вертикальный разрез через голову лягушки, на котором виден подъязычный хрящ и связанные с ним мышцы. Б. Вентиляция легких у лягушки

У лягушки постоянно повторяются хотя и редкие, но сильные глотательные движения, обеспечивающие вентиляцию легких. Последовательность событий при этом такова (рис. 11.28, Б, I-IV):

I. Рот закрыт, ноздри открыты, голосовая щель закрыта, дно ротовой полости опущено. Воздух входит в рото-глоточную полость.

II. Ноздри закрыты, голосовая щель открыта. Воздух из легких в результате сокращения мышц и эластической тяги легких проталкивается в рото-глоточную полость, смешиваясь со свежим воздухом, поступившим при вдохе.

III. Дно ротовой полости поднимается и одновременно происходят усиленные глотательные движения, в результате чего смешанный воздух проталкивается в легкие. Когда легкие заполнятся воздухом, голосовая щель закрывается, и воздух на некоторое время оказывается запертым в легких. В это время здесь и происходит газообмен между капиллярами легочного эпителия и воздухом, заполняющим легкие.

IV. Через короткое время происходит выдох. Ноздри закрываются, голосовая щель открывается и дно ротовой полости снова опускается. Воздух из легких засасывается в ротовую полость. Затем ноздри открываются, голосовая щель закрывается и дно ротовой полости поднимается. Воздух выходит наружу через ноздри.

11.6.9. Рептилии

Тело у рептилий одето роговым покровом, обычно непроницаемым для газов, поэтому кожное дыхание у них отсутствует. Газообмен происходит только в легких. Их легкие тоже представляют собой, по сути дела, мешки, но со значительно более сложной складчатостью, чем у амфибий. У рептилий имеются ребра, однако у них нет настоящей диафрагмы, которая отделяла бы грудную полость от брюшной. Вентиляция легких происходит за счет движения ребер, вызываемого сокращением межреберных мышц. Механизм дыхания очень сходен с таковым у млекопитающих.

11.6.10. Птицы

Птицы-гомойотермные животные, и для поддержания температуры тела им требуется весьма интенсивный метаболизм. Поэтому у них выработался в процессе эволюции и высокоэффективный механизм дыхания.

Легкие у птиц невелики; это компактные органы, состоящие из многочисленных ветвящихся воздухоносных трубочек, называемых бронхами. Мельчайшие из них, парабронхи, пронизаны многочисленными кровеносными сосудами; здесь и происходит газообмен. С легкими сообщаются большие тонкостенные воздушные мешки. Кровеносных сосудов в них мало, и они не участвуют в газообмене. По своему функциональному назначению воздушные мешки делятся на две группы: передние и задние, через которые воздух соответственно входит в дыхательную систему и выходит из нее.

Вентиляционные движения у птиц сложны, но в общем виде их можно свести к следующим этапам:

первый вдох — воздух поступает непосредственно в задние мешки (рис. 11.29);

первый выдох — воздух из задних мешков поступает в легкие;

второй вдох — воздух из легких переходит в передние мешки;

второй выдох — воздух из передних мешков выталкивается наружу.

Рис. 11.29. Легкие и система воздушных мешков птицы

Такой способ вентиляции обеспечивает однонаправленный поток воздуха — из задних мешков через легкие в передние мешки и затем наружу.

В состоянии покоя дыхательные движения происходят у птиц так же, как и у млекопитающих: межреберные мышцы, сокращаясь, производят вдох, а брюшные — выдох. В полете вентиляция легких усиливается в результате мощных сокращений грудных мышц, управляющих движениями сильно развитой грудины. В этих условиях легкие и воздушные мешки птицы пропускают большой объем воздуха, что необходимо для удовлетворения возросших метаболических потребностей.

Дыхательная система млекопитающего состоит из парных легких, расположенных в грудной полости, и ряда воздухоносных трубок, связывающих их с атмосферным воздухом. Путь воздуха включает следующие разделы: носовые ходы, глотку, гортань, трахею, бронхи, бронхиолы, легочные альвеолы. Двенадцать пар костных ребер окружают находящиеся в грудной полости сердце и легкие и служат им защитой. Сзади каждое ребро сочленяется с одним из грудных позвонков таким образом, что оно может подниматься и опускаться. Спереди десять пар ребер присоединены к костной пластине, которая называется грудиной. Остальные две пары называются свободными ребрами. Важными частями этой системы служат также межреберные мышцы, прикрепляющиеся к ребрам, и обширная диафрагма, отделяющая грудную полость от брюшной.

Воздух поступает в организм через две наружные ноздри, у каждой из которых имеется каемка волосков, задерживающих посторонние частицы. Носовые ходы выстланы ресничным эпителием, в котором имеются бокаловидные клетки, секретирующие слизь. Эта слизь выполняет две функции. Во-первых, она улавливает любые частички, которым удалось проскользнуть через каемку волосков, окружающую ноздри. Биение ресничек направляет затем эти частички к задней части ротовой полости, и здесь они проглатываются, так что попасть в воздухоносные пути уже никак не могут. Во-вторых, слизь увлажняет вдыхаемый воздух; здесь же, в носовых ходах, он и нагревается благодаря неглубоко залегающим кровеносным сосудам. В крыше задней части носовой полости находится обонятельный эпителий, состоящий из нейросенсорных и поддерживающих клеток, обильно снабжаемых кровью. Именно этот участок ответствен за распознавание запахов. Пройдя через носовые ходы, воздух попадает в глотку через два внутренних отверстия. К этому моменту он уже обычно освобожден от имевшихся в нем частиц, согрет, увлажнен, и животное распознало принесенные им запахи.

Далее воздух, прежде чем попасть в гортань, должен пройти через глотку. Через глотку проходят и воздух, и пища, поэтому щелевидное отверстие, ведущее в гортань (оно называется голосовой щелью), должно быть защищено от попадания пищи, которая могла бы закупорить дыхательные пути. Такой защитой служит имеющийся здесь треугольный клапан из хрящевой ткани — так называемый надгортанник.

Гортань — это полость перед входом в трахею, образованная девятью хрящами. Прикрепленные к ним мышцы позволяют этим хрящам двигаться относительно друг друга. В гортани горизонтально располагаются два ряда эластичных связок, называемых голосовыми связками. Когда воздух с силой проталкивается через голосовую щель, возникают звуковые волны. С изменением натяжения голосовых связок изменяется высота звука.

Из гортани воздух попадает в трахею — трубку, которая лежит непосредственно перед пищеводом и заканчивается в грудной полости. Стенки трахеи укреплены С-образными хрящами; благодаря этим хрящам она всегда остается открытой. Своей незамкнутой стороной С-образные хрящи обращены к пищеводу; они не позволяют трахее спадаться при вдохе (рис. 11.30). Изнутри трахея выстлана псевдо-многослойным ресничным цилиндрическим эпителием. В этом эпителии находятся секретирующие слизь бокаловидные клетки. В слизи застревают попавшие в трахею пылинки и микробы, а ритмичные биения ресничек, направленные в сторону ротовой полости (ее задней части), удаляют их из трахеи.

Рис. 11.30. Трахея и легкие человека. (G. М. Hughes, 1973, The vertebrate lung, Oxford Biology Readers, Nq 59.)

На нижнем конце трахея разделяется на два бронха. Правый бронх в свою очередь разделяется на три меньших бронха, каждый из которых направляется в одну из трех долей правого легкого. Аналогичным образом левый бронх разделяется на два бронха, заканчивающиеся в двух долях левого легкого (рис. 11.31). В обоих легких каждый бронх многократно делится на еще более тонкие трубки, называемые бронхиолами. Имеющиеся в бронхах С-образные хрящи в более мелких трубках замещены хрящевыми пластинками неправильной формы, а в бронхиолах, внутренний диаметр которых меньше 1 мм, хряща нет вовсе. Стенка состоит здесь только из гладкой мускулатуры, соединительной ткани с эластическими волокнами, обеспечивающими возможность растяжения и упругого сужения бронхиол, и выстилающего бронхиолы ресничного эпителия с секретирующими слизь клетками. Самые мелкие трубочки, называемые дыхательными бронхиолами, имеют в диаметре около 0,5 мм. Они в свою очередь делятся на многочисленные альвеолярные ходы, выстланные кубическим эпителием и оканчивающиеся альвеолярными мешочками, которые называются альвеолами (рис. 11.30, 11.32 и 11.33). Все вместе альвеолы и создают ту поверхность, на которой у млекопитающего происходит газообмен.

Рис. 11.31. Легкое человека, в которое введен специальный краситель, чтобы можно было видеть воздухоносные пути и кровеносные сосуды

Рис. 11.32. Гистологическое строение легочных альвеол

Рис. 11.33. Электронная микрофотография, на которой виден альвеолярный капилляр легкого собаки в продольном разрезе. (G.M. Hughes, 1973, The vertebrate lung, Oxford Biology Readers, № 59.)

В легких млекопитающего могут быть сотни миллионов альвеол с общей площадью поверхности в десятки квадратных метров. Толщина альвеолярной стенки составляет всего лишь около 0,0001 мм. Наружная сторона альвеолярной стенки покрыта густой сетью кровеносных капилляров; все они берут начало от легочной артерии и в конце концов объединяются, образуя легочную вену. Каждая альвеола выстлана влажным плоским эпителием. В альвеолярной стенке присутствуют также коллаген и эластические волокна, придающие ей гибкость и позволяющие альвеолам изменять свой объем при вдохе и выдохе.

Кислород, растворившийся в слое влаги на поверхности эпителия альвеол, диффундирует через тонкий барьер, состоящий из этого эпителия и из эндотелия капилляров, и поступает сначала в плазму крови. Затем он соединяется в эритроцитах с гемоглобином, который в результате этого превращается в оксигемоглобин. Углекислый газ (диоксид углерода) диффундирует в обратном направлении — из крови в полость альвеол.

Диаметр альвеолярных капилляров меньше диаметра эритроцитов, и эритроциты протискиваются через эти капилляры под напором крови. При этом большая доля их поверхности приходит в контакт с поверхностью альвеол, на которой осуществляется газообмен, и в эритроциты, таким образом, поступает больше кислорода. Кроме того, эритроциты движутся по капилляру относительно медленно, так что газообмен может происходить дольше. Когда кровь покидает альвеолы, парциальные давления кислорода и диоксида углерода в ней те же, что и в воздухе альвеолы.

11.7.1. Строение грудной клетки

Легкие, находящиеся в грудной клетке, отделены от ее стенок плевральной полостью — щелевидным пространством, выстланным эластичной прозрачной оболочкой (плеврой). Внутренний, висцеральный листок плевры покрывает легкие, а наружный, париетальный (пристеночный) листок выстилает стенки грудной клетки и диафрагму. Плевральная полость содержит жидкость, выделяемую плеврой. Эта жидкость увлажняет плевру и тем самым уменьшает трение между ее двумя листками при дыхательных движениях. Плевральная полость непроницаема для воздуха и давление в ней на 3-4 мм рт. ст. ниже, чем в легких. Это существенно, так как благодаря этому легкие заполняют практически всю грудную клетку. Отрицательное давление в плевральной полости поддерживается на протяжении всего входа, что позволяет альвеолам расширяться и заполнять любое дополнительное пространство, возникающее при расширении грудной клетки.

11.7.2. Механизм вентиляции

Воздух поступает в легкие и выходит из них благодаря работе межреберных мышц и диафрагмы; в результате их попеременного сокращения и расслабления объем грудной полости изменяется. Есть две группы межреберных мышц: наружные направлены под углом вниз и вперед, а внутренние — вниз и назад (рис. 11.34). Диафрагма состоит из кольцевых и радиальных мышечных волокон, расположенных вокруг центрального сухожильного участка.

Рис. 11.34. Схема расположения межреберных мышц

Вдох — это активный процесс. Наружные межреберные мышцы сокращаются, а внутренние расслабляются. Вследствие этого ребра отходят вперед, удаляясь от позвоночника. Одновременно сокращается, становясь более плоской, диафрагма. Оба этих действия приводят к увеличению объема грудной клетки. В результате давление в грудной клетке, а поэтому и в легких становится ниже атмосферного, так что воздух поступает внутрь и заполняет альвеолы до тех пор, пока давление в легких не сравняется с атмосферным (рис. 11.35).

Рис. 11.35. Схематическое изображение грудной клетки, поясняющее, какие движения совершаются при дыхании (вид сбоку; показано только одно ребро)

Выдох — процесс в обычных условиях в основном пассивный, происходящий под действием эластического сокращения растянутой легочной ткани и расслабления части дыхательных мышц. Наружные межреберные мышцы и диафрагма расслабляются, возвращаясь в прежнее положение и к прежним своим размерам, а внутренние межреберные мышцы сокращаются. Вследствие этого объем грудной клетки уменьшается и давление в ней становится выше атмосферного. Воздух поэтому выталкивается из легких, и выдох таким образом заканчивается. При физической нагрузке имеет место форсированное дыхание. В действие вводятся дополнительные мышцы, и выдох становится гораздо более активным процессом, требующим расхода энергии. Внутренние межреберные мышцы сокращаются более энергично и резко отводят ребра вниз. Сильнее сокращаются и брюшные мышцы, вызывая более активное движение диафрагмы вверх.

11.7.3. Регуляция дыхания

Непроизвольную регуляцию дыхания осуществляет дыхательный центр, находящийся в продолговатом мозге (рис. 11.36). Вентральная часть дыхательного центра ответственна за стимуляцию вдоха; ее называют центром вдоха (инспираторным центром). Дорсальная часть и обе латеральные тормозят вдох и стимулируют выдох; они носят собирательное название центра выдоха (экспираторного центра). Дыхательный центр связан с диафрагмой диафрагмальными и грудными нервами. Бронхи и альвеолы иннервируются ветвями одного из черепных нервов — блуждающего.

Рис. 11.36. Регуляция дыхания

Главным фактором, регулирующим частоту дыхания, служит концентрация СО₂ в крови. Когда уровень СО₂ повышается, хеморецепторы каротидных и аортальных телец посылают нервные импульсы в инспираторный центр. От него через диафрагмальные и грудные нервы поступают импульсы в диафрагму и межреберные мышцы, что ведет к их сокращению. Таким образом автоматически стимулируется вдох. При вдохе альвеолы расширяются и находящиеся в них и в бронхиальном дереве рецепторы растяжения посылают импульсы в экспираторный центр, который автоматически подавляет вдох. Дыхательные мышцы расслабляются, и начинается выдох. После выдоха альвеолы уже не растянуты, и рецепторы растяжения не подвергаются больше стимуляции. Поэтому экспираторный центр отключается и вдох может начаться снова. Весь этот цикл непрерывно и ритмично повторяется на протяжении всей жизни организма.

В известных пределах частота и глубина дыхания могут регулироваться произвольно. При такой регуляции импульсы, возникающие в головном мозге, передаются в дыхательный центр, который и выполняет соответствующие действия. Концентрация кислорода тоже влияет на дыхание (разд. 11.8). Однако в обычных условиях кислорода всегда бывает достаточно, и потому его влияние относительно невелико.

11.7.4. Объем легочного воздуха

Легкие человека вмещают в среднем около 5 л воздуха (рис. 11.37). В состоянии покоя человек вдыхает и выдыхает примерно 450 мл воздуха. Этот объем воздуха называется дыхательным объемом. Сверх этих 450 мл человек может вдохнуть еще около 1500 мл (дополнительный воздух), а после спокойного выдоха может выдохнуть дополнительно около 1500 мл (резервный воздух). Если сделать максимальный вдох, а затем максимальный выдох, то общее количество выдыхаемого воздуха (дыхательный + дополнительный + резервный) даст величину, называемую жизненной емкостью легких. После максимально глубокого выдоха в легких остается еще 1500 мл воздуха. Выдохнуть его не удается; он называется остаточным воздухом.

Рис. 11.37. Соотношение объемов воздуха: находящегося в легких

При вдохе из 450 мл вдыхаемого атмосферного воздуха в легкие попадает лишь около 300 мл, а приблизительно 150 мл остается в воздухоносных путях и в газообмене не участвует. При выдохе, который следует за вдохом, этот воздух выводится наружу неизмененным, не отличающимся по своему составу от атмосферного воздуха; его называют поэтому воздухом мертвого, или вредного, пространства. Воздух, достигающий легких, смешивается здесь с 3000 мл воздуха, уже находящегося в альвеолах. Вновь поступившая порция невелика по сравнению с объемом, к которому она добавляется; поэтому полное обновление всего находящегося в легких воздуха — по необходимости медленный процесс. Этот медленный и прерывистый обмен между атмосферным и альвеолярным воздухом сказывается на альвеолярном воздухе столь мало, что его состав остается практически постоянным (13,8% кислорода, 5,5% СО₂ и 80,7% азота). Интересно сравнить состав альвеолярного воздуха с составом воздуха вдыхаемого и выдыхаемого (табл. 11.4). Из таблицы видно, что одну пятую часть поступающего кислорода организм удерживает для своих нужд, тогда как выдыхаемое количество СО₂ в 100 раз больше того количества, которое поступает в организм при вдохе. В тесный контакт с кровью вступает альвеолярный воздух. По сравнению с вдыхаемым воздухом он содержит меньше кислорода, но больше CO₂.

Таблица 11.4. Сравнение состава вдыхаемого, альвеолярного и выдыхаемого воздуха (в объемных процентах)

11.7.5. Измерение дыхания

11.7.6. Основной обмен

Основным обменом (основным метаболизмом) называют минимальный уровень обмена веществ и энергетических затрат, необходимый только для поддержания жизни в состоянии полного покоя или сна. Для определения основного обмена необходимо, чтобы человек перед измерением в течение 12-18 ч находился в состоянии физического и психического покоя и не принимал никакой пищи. Это гарантирует, что к моменту измерения желудочно-кишечный тракт испытуемого будет пуст. Величина основного обмена зависит от возраста, пола, массы тела и состояния здоровья индивидуума, а также явным образом коррелирует с отношением поверхности тела к его объему.

11.7.7. Дыхательный коэффициент (ДК)

Рассмотрим следующее уравнение:

Из этого уравнения видно, что объем двуокиси углерода, образовавшейся за данное время при окислении углевода в процессе дыхания, равен объему потребленного за то же время кислорода (напомним, что моль любого газа при данных условиях температуры и давления занимает один и тот же объем). Отношение СО₂:О₂ называется дыхательным коэффициентом. Для углеводов дыхательный коэффициент равен 1,

Таким образом, из приведенного выше уравнения

11.15. Окисление жира трипальмитина в процессе дыхания описывается следующим уравнением:

Чему равен ДК для трипальмитина?

11.16. Чему равен ДК, когда глюкоза окисляется в анаэробных условиях до этанола и СО₂?

Изучение дыхательных коэффициентов дает ценные сведения о природе дыхательных субстратов и о типе метаболизма (табл. 11.5).

Таблица 11.5. Дыхательные коэффициенты для различных субстратов

11.17. Почему ДК у человека колеблется обычно в пределах от 0,7 до 1,0?

11.18. Из спирограммы, приведенной на рис. 11.39, определите:

а) частоту дыхания;

б) дыхательный объем;

в) легочную вентиляцию;

г) потребление кислорода.

Рис. 11.39. Спирограмма человека, находящегося в состоянии покоя

Опыт 11.2. Измерение потребления кислорода у мелких наземных беспозвоночных, например мокриц

Поглощение кислорода беспозвоночными измеряется в этом опыте при помощи манометра. Используемый прибор изображен на рис. 11.40.

Рис. 11.40. Прибор, с помощью которого можно измерять потребление кислорода мелкими наземными беспозвоночными

При дыхании кислород поглощается, а СО₂ выделяется, поэтому для поглощения СО₂ в прибор помещают натровую известь.

Таким путем изучают влияние температуры на поглощение кислорода. Температура воздуха, в котором находятся исследуемые организмы, поддерживается в течение опыта на заданном уровне при помощи водяной бани.

Манометр

Манометрическая жидкость

Шприц на 1 мл

2 пробирки

2 куска цинковой сетки (размеры определяются диаметром пробирок)

Стеклянные бусы (или любой другой не поглощающий материал, занимающий тот же объем, что и исследуемые организмы)

Зажимы и штативы

Водяная баня

Термометр

Таймер

Миллиметровая бумага

Винтовой зажим

Исследуемые организмы

Цинковая сетка

Натровая известь

Мелкие беспозвоночные, например мокрицы или личинки мясной мухи Натровая известь

1. Заполните манометр до половины манометрической жидкостью и к одному из его колен через трехходовой кран присоедините шприц на 1 мл.

2. Поместите в обе пробирки равные по объему количества натровой извести, а поверх нее — цинковую сетку.

3. В одну из пробирок ("Опыт") поместите несколько мокриц или личинок мясной мухи, а в другую ("Контроль") — равное по объему количество стеклянных бус. Животные не должны соприкасаться с натровой известью; цинковая сетка должна отделять их от натровой извести вполне надежно.

4. Присоедините манометр к двум пробиркам, как показано на рис. 11.40, и поставьте трехходовой кран и винтовой зажим в такое положение, чтобы манометр сообщался с атмосферным воздухом.

5. Укрепите прибор так, чтобы пробирки находились в водяной бане с температурой 20°С, и оставьте его при этой температуре с открытыми кранами не менее чем на 15 мин.

6. Закройте трехходовой кран и винтовой зажим, отметьте уровень манометрической жидкости и включите отсчет времени.

7. Через одинаковые промежутки времени отмечайте по шкале показания манометра.

8. По окончании опыта снова откройте трехходовой кран и винтовой зажим.

9. Постройте график изменения уровня манометрической жидкости в зависимости от времени.

10. Вычислите скорость поглощения кислорода.

11. Повторите тот же опыт несколько раз при различных температурах, например при 20, 25, 30, 35 и 40°С.

12. Постройте график зависимости потребления кислорода от температуры.

1. В качестве манометрической жидкости можно использовать подкрашенную воду, масло или ртуть. Чем меньше плотность жидкости, тем больше смещение уровня ее мениска.

2. Смещение уровня мениска определяют по шкале. Для этого V-образную трубку манометра укрепляют на доске, на которую наклеена полоска бумаги со шкалой. Можно наклеить шкалу и на одно из колен манометра.

3. Прежде чем вести отсчет, следует проверить герметичность прибора. Для этого в прибор с помощью шприца нагнетают воздух, чтобы вызвать смещение уровня манометрической жидкости. После этого закрывают трехходовой кран, отключая таким образом манометр от атмосферного воздуха. Если прибор герметичен, то разность уровней манометрической жидкости в двух коленах не должна уменьшаться.

11.8.1. Влияние высоты над уровнем моря и акклиматизация

При восхождении на высокие горы люди страдают от недостаточной насыщенности крови кислородом. Такое состояние называют аноксией или гипоксией. Возникает оно вследствие того, что с возрастанием высоты над уровнем моря парциальное давление кислорода, так же как и других газов, содержащихся в атмосферном воздухе, падает; на высоте 5450 м атмосферное давление равно, например, уже только 0,5 бар, т. е. здесь оно вдвое меньше, чем на уровне моря. И хотя воздух содержит здесь столько же процентов кислорода, концентрация О₂ на единицу объема вдвое меньше.

Дыхательная активность стимулируется хеморецепторами. На больших высотах усиление легочной вентиляции, вызванное потребностью в большем количестве кислорода, приводит к тому, что из крови в легкие переходит больше СO₂ и кислотность крови соответственно снижается. Возрастание щелочности (повышение рН) порождает состояние, известное как алкалоз. При более высоком рН активность хеморецепторов подавляется; легочная вентиляция становится недостаточной, и это вызывает недомогание и чувство сильной усталости.

Со временем дыхательная и кровеносная системы могут в известной мере приспособиться к низкому парциальному давлению кислорода, существующему на больших высотах. По истечении нескольких дней из организма начинает выводиться щелочная моча, в результате чего алкалоз уменьшается. Теперь, когда подавление хеморецепторов снято, легочная вентиляция снова усиливается и концентрация СО₂ опять становится главным химическим фактором, регулирующим интенсивность дыхания. Одновременно стимулируется кроветворная активность костного мозга — он начинает вырабатывать больше эритроцитов. Вследствие этого возрастает способность крови переносить кислород, и это частично компенсирует неполное ее насыщение кислородом в условиях пониженного парциального давления О₂. После того как все эти приспособительные изменения произойдут, можно считать, что организм акклиматизировался в новых условиях.

11.8.2. Млекопитающие, способные долгое время оставаться под водой

Тюлени могут оставаться под водой до 15 мин. Способность их крови к переносу кислорода гораздо выше, чем у человека: в 100 мл крови у них переносится от 30 до 40 мл кислорода.

При нырянии в дыхательной и кровеносной системах животного происходят значительные изменения, обеспечивающие перераспределение кислорода в теле животного и эффективное его использование. Происходит это обычно следующим образом. В начале ныряния рефлекторно снижается частота сердечных сокращений и замедляется ток крови. Кровяное давление в артериях остается при этом на прежнем уровне, так как сосуды сужаются. Некоторые сосуды сжимаются полностью, т. е. отключаются вообще, и характер кровоснабжения меняется; теперь кровью снабжаются только самые важные для жизни органы: сердце, головной мозг и некоторые другие части нервной системы. Эти изменения означают, что кислород в крови используется медленно, но при этом остается всегда доступным для тех органов, которые наиболее чувствительны к аноксии. В почти лишенных кислорода мышцах тюленя идет процесс анаэробного дыхания, поэтому в них накапливается молочная кислота. Однако, поскольку из мышц в общий кровоток поступает мало крови, эта молочная кислота не расходится по телу животного в больших количествах и не причиняет вреда. Когда животное, вынырнув на поверхность, делает первый вдох, этот вдох служит сигналом для повышения частоты сокращений сердца и для возобновления нормального тока крови во всех органах. Молочная кислота поступает теперь в кровь и подвергается в печени соответствующим превращениям. Воздух в легких быстро замещается свежим, так как количество воздуха, обмениваемого при каждом вдохе, составляет около 80% от его общего количества в легких.