Журнал "Здоровье" №8 (104) 1963

Химия дыхания

Действительный член Академии медицинских наук СССР профессор С. Е. Северин

Жизнь человека начинается с дыхания. Еще со школьных лет мы знаем, что наш организм из атмосферного воздуха поглощает кислород и, выделяет углекислый газ.

В настоящее время благодаря успехам всего комплекса биологических наук, и особенно химии и биохимии, сложнейший процесс дыхания глубоко изучен. Но, прежде чем достичь этого, наука о дыхании прошла долгий путь.

Учение о дыхании зародилось на заре человеческой культуры. Знаменитый римский врач Гален приписывал несколько функций дыханию. По его мнению, оно должно поддерживать и умерять «огонь, пылающий в сердце», нагнетать воздух в артерии, удалять продукты горения, возникшие в сердце. В начале XVII века, когда был открыт замкнутый круг кровообращения, стало ясно, что непосредственного сообщения между кровью и атмосферным воздухом нет. Гипотеза «об охлаждении и очищении дыханием пламени и жара сердца» была окончательно отвергнута в результате простого опыта итальянского ученого Борелли. Он ввел термометр в полость сердца живого оленя и установил, что температура там не поднималась выше 40 градусов.

Данные химической науки впервые привлек к толкованию сущности дыхания Леонардо да Винчи. Именно он указал на сходство между горением и дыханием: животное не может жить в атмосфере, в которой не горит пламя. А значительно позднее, в XVIII веке, французский химик Лавуазье экспериментально доказал, что при дыхании из внешней среды поглощается кислород и выделяется углекислота.

Весь сложный процесс дыхания состоит из внешнего — легочного и внутреннего — тканевого. Внешнее дыхание осуществляют наши легкие. В них насчитывается свыше 700 миллионов мелких пузырьков — альвеол. У взрослого человека поверхность альвеол очень велика — в среднем около 90 квадратных метров. Легкие покрыты тончайшим лисином плевры, которая переходит на внутреннюю поверхность грудной клетки. Благодаря этому наружная поверхность леших герметически отделена от атмосферного давления.

Сами по себе легкие не сжимаются и не растягиваются, они подчиняются движениям грудной клетки. Когда сокращаются межреберные мышцы и диафрагма, объем грудной полости увеличивается. В этот момент легкие растягиваются и давление воздуха в них становится ниже атмосферного. В результате воздух устремляется в легкие и происходит вдох. При расслаблении дыхательных мышц объем грудной полости уменьшается и воздух из легких вытесняется в окружающую среду. При обычном спокойном дыхании взрослый человек каждый раз вдыхает и выдыхает около 500 кубических сантиметров воздуха.

Состав альвеолярного воздуха остается довольно постоянным при вдохе и выдохе. И это имеет большое физиологическое значение для поддержания постоянства внутренней среды организма. Благодаря альвеолярному воздуху, выполняющему роль защитного барьера, кровь непосредственно не соприкасается с окружающим нас воздухом. Стенки легочных альвеол необычайно тонки, они состоят всего лишь из одного слоя особых клеток, к которым подходят кровеносные капилляры. Именно здесь и происходит газообмен между кровью и воздухом.

В результате длительных и точных исследований удалось установить, что 100 кубических сантиметров крови, проходя через капилляры леших, теряют 6 кубических сантиметров углекислоты и приобретают 7 кубических сантиметров кислорода. В минуту вся кровь, циркулирующая в организме (3–4 литра), успевает приблизительно два с половиной раза пройти через легкие. За это время в нее поступит около 500 кубических сантиметров кислорода, а в альвеолярный воздух из крови перейдет около 450 кубических сантиметров углекислоты. Этот пример убедительно показывает, что в легких происходит интенсивный обмен газов, а химический состав альвеолярного воздуха изменяется совсем незначительно.

Процесс обмена газов в организме очень сложен. Углекислота в крови содержится в растворенном, и в связанном состоянии: в виде углекислых солей — бикарбонатов и соединения с гемоглобином, называемого карбогемоглобином. Соединение это непрочное, в капиллярах легких оно распадается, а освободившаяся углекислота попадает в альвеолярный воздух и удаляется из организма.

В 1933 году было сделано важное открытие, которое значительно обогатило понимание обмена углекислого газа. Два английских исследователя Мельдрум и Рафтан установили, что красные кровяные тельца — эритроциты — содержат очень активный ускоритель химических процессов, катализатор — фермент карбоангидразу. Он-то и обеспечивает весьма быструю химическую реакцию соединения углекислого газа с водой. Для наглядности приведем формулу этой реакции:

Реакция слева направо происходит в кровеносных капиллярах различных тканей. В таком связанном виде бóльшая часть углекислоты доставляется кровью к легким, где ташке очень быстро происходит обратная химическая реакция с выделением углекислого газа (СO₂).

Кислород, поступающий вместе с атмосферным воздухом в альвеолы, переходит в кровь и связывается с гемоглобинам, который находится в эритроцитах. Один грамм гемоглобина способен присоединить 1,36 кубического сантиметра кислорода, превращаясь в окай гемоглобин. Каждые 100 кубических сантиметров крови содержат около 14 граммов гемоглобина, которые присоединяют примерно 19 кубических сантиметров кислорода. В артериальной крови почти весь гемоглобин соединен с кислородом, поэтому и цвет ее алый, ярко-красный.

Распад оксигемоплобина на гемоглобин и кислород происходит в мельчайших кровеносных капиллярах, пронизывающих все ткани и органы тела человека. Причем на скорость реакции влияют многие факторы и, в частности, температура. Повышение температуры, например, в сокращающейся мышце или секретирующей железе обусловливает лучшее снабжение их кислородом.

Мы кратко, в общих чертах, рассказали о процессах, происходящих в капиллярах легких, о химии легочного дыхания. Но, как мы знаем, во всех тканях и органах, в каждой клетке организма человека непрерывно происходят процессы обмена веществ и энергии. Кровь доставляет клеткам питательные вещества и кислород, а уносит от них продукты обмена веществ и углекислоту. Дыхание обеспечивает газообмен не только в наших легких, но и в тканях. Здесь происходят очень сложные химические процессы окисления. Стенки клеток, из которых построен весь наш организм, представляют собой полупроницаемые мембраны. Через них легко проходят молекулы различных веществ и газов.

Окислительные процессы в клетке завершаются образованием конечных продуктов — воды и углекислого газа. Формула воды — H₂O — наверное, известна всем. Но в клетке два атома водорода и атом кислорода просто соединиться не могут. Почему? Да потому, что кислород, доставленный сюда кровью, химически не активен. Водород же в клетке находится в связанном состоянии, он входит в состав молекул какого-либо органического вещества, например глюкозы. Чтобы началась реакция между кислородом и водородом, в действие должна вступить сложная система дыхательных ферментов кленки.

Это очень активные химические катализаторы. Они сначала расщепляют глюкозу, а затем отрывают водород и переносят электроны водорода на кислород, делая его химически, активным отрицательно заряженным ионом. И только после столь сложных превращений образуются вода и углекислый газ.

Интересно отметить, что окислительные процессы в клетке происходят медленно, как бы ступенчато. В результате такого медленного сгорания питательных веществ в клетке также постепенно освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности организма. В этом и состоит биологический смысл сложного процесса дыхания.

Ученые подсчитали, что образование 18 граммов воды сопровождается освобождением 55 больших калорий энергии. Эта энергия частично — около 50 процентов — вдет на образование тепла в организме, а частично накапливается в клетках в виде непрочных химических соединений. Распадаясь, они освобождают энергию в такой форме, которая легко используется на различные процессы, протекающие в организме. Именно эта форма энергии превращается в энергию, необходимую для нормальной деятельности внутренних органов, для работы мозга, мышц, синтеза белков, нуклеиновых кислот и т. д.

Возникает вопрос: в какой части клетки происходит последний этап дыхания? Современная техника оптических исследований стала очень совершенной. Например, электронный микроскоп дает увеличение в сотни тысяч раз. Эти технические возможности открыли исследователям много нового в изучении строения клетки.

Помимо ядра и заключенного в нем ядрышка, в протоплазме клеток были обнаружены тельца разной величины и формы. Сравнительно большие образования, имеющие, как правило, вытянутую форму, ученые назвали митохондриями; более мелкие структуры округлой формы — микросомами. Все составные части клетки сообщаются друг с другом благодаря многочисленным каналам и полупроницаемым перепонкам.

Исследования показали также, что различные структуры клетки выполняют свои, совершенно определенные функции. Так, в ядре образуются нуклеиновые кислоты, направляющие по определенному пути синтез белка в организме. Местом синтеза белка являются микросомы. Митохондрии представляют собой главные «силовые станции» клетки, ее органы дыхания. Здесь по преимуществу протекают окислительные процессы.

Митохондрии имеют две оболочки. Внутренняя образует многочисленные складки, создающие перегородки, которые как бы делят содержимое митохондрий на несколько камер. В складках оболочек сосредоточены дыхательные ферменты. Они расположены в строгом порядке, благодаря которому процесс дыхания протекает не случайно, а в определенной последовательности.

Окислительные процессы, происходящие в митохондриях, замечательны еще и тем, что именно здесь образуются и накапливаются вещества с непрочными связями, разрыв которых сопровождается выделением энергии. К числу таких веществ в первую очередь относится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Это вещество, образовавшись в митохондриях, переходит в окружающую среду, где в зависимости от особенностей клетки может быть использовано на различные нужды организма.

Что же может нарушать дыхание? Причин таких много. Например, недостаток кислорода в атмосферном воздухе высоко над уровнем моря. Заполнение альвеол жидкостью (отек, воспаление легких) может исключить возможность газообмена в легочных капиллярах, и организм начнет испытывать кислородное голодание. Отравление, например, угарным газом лишает гемоглобин крови способности присоединить кислород; наркотические вещества, различные яды разрушают дыхательные ферменты и т. д.

Бывают случаи, когда в организме начинает неправильно распределяться энергия, освобождающаяся в митохондриях в процессе клеточного дыхания. Так, при заболеваниях щитовидной железы, связанных с усиленной выработкой гормона тироксина, нарушается образование богатых энергией соединений (АТФ). При этом увеличивается образование тепла в организме, ослабляется функция мышц, деятельность сердца. Несмотря на то что человек много ест, он худеет, чувствует слабость, температура тела у него, как правило, повышена.

Чтобы дыхание — важнейшая функция нашего организма — было более совершенным, его надо постоянно тренировать. Особенно полезны ежедневная утренняя гимнастика, систематические занятия физкультурой, прогулки на свежем воздухе. Если у нетренированных людей во время тяжелой мышечной работы через легкие проходит 50–70 литров воздуха в минуту, то у тренированных — 100–150 литров. Это значит, что работающие мышцы получают достаточное количество кислорода, в них быстрее протекают восстановительные процессы. Правильное понимание сущности отдельных звеньев процесса дыхания позволяет врачам распознавать и предупреждать различные заболевания, своевременно принимать лечебные меры.