Журнал "Здоровье" №2 (74) 1961

Превращение энергии в организме

Член-корреспондент Академии наук СССР профессор С. Е. Северин

Рисунки Е. Смирнова

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.

Из всех этих расчетов и рассуждений следует один очень важный вывод: наиболее значительное количество энергии в организме человека, а также высокоорганизованных животных освобождается не при расщеплении белков, жиров и углеводов, входящих в состав пищи «пищеварительном тракте, а в процессе окисления пировиноградной кислоты или других органических веществ и при переносе водорода к кислороду, завершающемся образованием воды.

Чем меньше кислорода в окружающей среде, тем труднее образуется АТФ в организме

Каким же образом освобождающаяся при окислении энергия используется организмом?

Приблизительно половина энергии рассеивается в виде тепла. Оно крайне необходимо для поддержания постоянной температуры тела. Остальная часть энергии накапливается в виде богатых энергией фосфорных соединений.

Что представляют собой эти вещества? Как понять выражение «богатые энергией» соединения?

К числу таких соединений относится довольно большое количество веществ, в структуру которых входят непрочно связанные остатки фосфорной кислоты. Под влиянием различных ферментов они легко отщепляются, причем разрыв связей сопровождается освобождением большого количества свободной энергии, которая способна перейти в любой другой вид энергии — в механическую, электрическую, химическую, тепловую и т. д.

Когда человек здоров, в составе его мозга, мышц, внутренних органов содержится достаточное количество богатых энергией фосфорных соединений. Расщепление этих веществ позволяет производить нам мышечную работу, обеспечивает энергию передачи возбуждения по нервным волокнам, дает энергию и для других, весьма различных проявлений жизни.

Возможность образования в живом организме богатых энергией фосфорных соединений за счет энергии окисления была впервые доказана советским ученым, академиком В. А. Энгельгардтом в 1930 году. Это одно из самых замечательных открытий в области биохимической энергетики за последние десятилетия.

В дальнейшем наши и зарубежные ученые очень обстоятельно разработали проблему накопления, аккумуляции энергии в фосфорных соединениях. Прежде «сего исследования показали, что универсальным веществом, накапливающим энергию, является аденозинтрифосфат (сокращенно он называется АТФ). В состав этого вещества входят три остатка фосфорной кислоты, причем два из них непрочно связаны с остальной частью молекулы АТФ. Когда в результате сложных химических превращений такие связи разрываются, то освобождается энергия, необходимая организму для самых различных процессов жизнедеятельности.

Рассмотрим несколько примеров. Представьте себе работающее сердце. Огромное количество энергии требуется для проталкивания крови по сосудам. Энергия сокращения сердечной мышцы черпается из запасов АТФ. Далее во время сокращения сердечной мышцы ее клетки постоянно изнашиваются, разрушаются. Чтобы восстановить их структуру, также необходимы затраты АТФ.

Естественно, что количество АТФ должно все время пополняться. Если сердце по той или иной причине не получит из крови достаточного количества легко окисляемых веществ, «горючего», а также кислорода, необходимых для образования АТФ, то неизбежно пострадает или сила сердечных сокращений или процесс восстановления изнашивающейся ткани сердца. В том и другом случае наступит нарушение сердечной деятельности. Примерно то же самое можно сказать о любом органе и организме а целом.

Еще один пример. Всем известно, какие разнообразные процессы обмена веществ протекают в печени — органе, который образно называют важнейшей биохимической лабораторией организма. Здесь Происходит образование конечного продукта азотистого обмена — мочевины, синтез многих белков, в том числе и тех, которые входят в состав крови, окисление и синтез жирных кислот и т. д.

Все процессы биологического синтеза, протекающие в печени, идут с затратой энергии и требуют постоянного расхода АТФ. При нормальном снабжении печеночных клеток кровью АТФ беспрерывно образуется за счет энергии окислительных процессов. Но если снабжение печени кровью нарушится (например, у алкоголиков печеночные клетки замещаются соединительной тканью и в результате развивается цирроз печени) или притекающая кровь будет бедна кислородом, то траты АТФ не смогут своевременно восполняться. Это повлечет за собой постепенное нарушение процессов обмена веществ, происходящих в печени, тяжелое заболевание всего организма.

Итак, для образования и постоянного пополнения АТФ чрезвычайно важно снабжать все ткани кислородом.

Но только ли за счет энергии окислительных процессов образуется АТФ? Ведь даже а самых обычных условиях может наступить временный, относительный недостаток в снабжении организма или отдельных его органов и тканей кислородом.

Организм обладает замечательной способностью образовать АТФ за счет сбраживания углеводов. Этот процесс происходит без потребления кислорода, но он дает организму немного энергии. И хотя эффективность процесса бескислородного распада углеводов невелика, он может на некоторое время поддержать жизнь организма. Правда, к недостатку кислорода очень чувствительны такие важнейшие органы, как мозг, сердце, почки. Поэтому кислородное голодание нарушает в первую очередь деятельность именно этих органов.

В печени, отравленной алкоголем, плохо синтезируется АТФ

Жизнь нашего организма может нормально протекать только при постоянном обмене веществ с окружающей средой, движении, бесперебойной деятельности нервной системы и внутренних органов.

Все проявления жизни связаны с использованием свободной энергии, которая содержится в клетках организма в виде богатых энергией фосфорных соединений.

Непрерывный расход энергии требует постоянного ее пополнения. Вот почему так важно строго соблюдать рациональный режим труда, отдыха, питания.

Многие ученые ряда стран продолжают настойчивые исследования обмена энергии а организме.

Нет сомнений я том, что настанет время, когда будут полностью разгаданы все промежуточные звенья энергетических превращений в органах и тканях. Тогда мы сможем управлять этими процессами, с еще большим успехом обеспечивать человеку силу, бодрость, работоспособность — словом, полное здоровье.

На дверях этого светлого двухэтажного особняка, расположившегося недалеко от Останкинского лесопарка, можно прочесть табличку с необычным названием: Дом школьника.

Здесь проводят время группы продленного дня трех ближайших школ. Утром сюда спешат ребята, которые учатся во второй смене, а когда они уходят в школу, Дом заполняют учащиеся первой смены.

День в Доме начинается физкультурной зарядкой. Потом ребята завтракают и делают уроки. В Доме школьника 10 учебных групп, каждой отведена отдельная комната. Небольшие удобные стоянки с откидной крышкой, стулья по Росту, в шкафах — домашние платья: ребята надевают их вместо ученической формы и чувствуют себя как дома.

А когда сделаны уроки, можно и отдохнуть. Дети много гуляют на свежем воздухе, часто ходят в Останкинский лесопарк, бывают в Главном ботаническом саду. А сколько интересных развлечений, игр, полезных дел ждет их в самом Доме школьника! Здесь есть уютная игротека, помещения для работы кружков, библиотека, хорошо оборудованный спортивный зал.

Ребята играют в волейбол, баскетбол, увлекаются гимнастикой.

Дети, посещающие Дом школьника, любят труд. В своем садике они сами подрезают деревья, окапывают их. Работая летом в комбинате декоративного садоводства, они получили там семена и рассаду и посадили вокруг дома цветы.

А для своих подшефных — малышей из детского сада — школьники смастерили подставки для карандашей, кукольную мебель, девочки искусно сшили мягкие игрушки — совсем как из магазина! Маленькие мастерицы посещают кружок юных умельцев. Здесь их учат красиво вышивать, шить: девочки умеют сшить себе платье, сарафан, рубашку.

Ребята сами себя обслуживают. Если вы придете в Дом школьника в часы обеда, то увидите в столовой дежурных: они разносят блюда, убирают со столов. Сами делают ребята уборку а своих учебных комнатах, а санитары вместе с медицинской сестрой В. В. Скоробогатченко проверяют чистоту комнат, следят, чтобы никто не забыл вымыть руки перед едой.

Четкий режим дисциплинирует детей, приучает их к порядку, благотворно отражается на их здоровье.

Дом школьника пользуется большой популярностью. В каждой группе сейчас по 30 ребят. Конечно, одному воспитателю трудно уделить достаточно внимания каждому, особенно во время приготовления уроков.

Пора подумать о расширении Дома школьника — ведь здесь делают большое и важное дело: помогают семье и школе вырастить здоровых, трудолюбивых, любознательных детей.

И. Е. Рассовская

Москва

Хорошо готовить уроки за удобным столиком, под наблюдением педагога

За огромными окнами — зимняя Москва. Невольно заглядишься…