Как запасается и переносится энергия

Мы уже знаем, что энергия, "законсервированная" в пище, "расконсервируется" путем распада питательных веществ на более простые вещества, и процесс этой "расконсервации" называется катаболизмом. Если полученная энергия будет сразу уходить в пространство, то человеку станет очень жарко, потому что энергии выделяется достаточно много. Но, к счастью, в пространство уходит только небольшая часть энергии, а все остальное запаковывается в специальные молекулы, главные из которых - это фосфаты (органические соединения фосфорной кислоты) и коферменты окислительно-восстановительных реакций.

Как запасается и переносится энергия
помните из курса школьной химии окислительно-восстановительные реакции? Их суть состоит в отрыве электронов у одних атомов и присоединении экспроприированных электронов к другим атомам. Типичные для человека экспроприаторы электронов, которые чаще всего участвуют в "переделе собственности", могут быть выстроены по рангу, и ранжирование получится такое:
H (водород) < C (углерод) < S (сера) < N (азот) < O (кислород)

Водород в этом ряду самый слабенький, а кислород - самый ухватистый. "Слабость" водорода часто приводит к тому, что отрывают не просто электрон с одного атома водорода, а целых два электрона с двух атомов, при этом один получившийся протон (то есть атом водорода без электрона) отправляется свободно гулять (и понижать pH, ибо что такое, в сущности, это самое pH? Концентрация этих самых протонов, посчитанная по страшной формуле с дробями и логарифмами), а другой вместе с двумя электронами захватывается специальными переносчиками и утаскивается туда, где в нем есть необходимость.

АТФ, АДФ и прочие фосфаты

— Вы ведь едите много рыбы, Дживс?
— Да, довольно много, милорд.
— Берти Вустер мне говорил. Поглощаете палтуса и сардины в неимоверных количествах, он рассказывал. И ваш колоссальный интеллект он объясняет содержащимся в рыбе фосфором.
(П.Г. Вудхауз, "Не позвать ли нам Дживса?")
Как запасается и переносится энергия
Дживс, конечно, был большим умницей, но вряд ли его колоссальный интеллект объяснялся только фосфором. А вот присущая ему энергия таки могла им объясняться. Роль фосфора в метаболизме человека вообще сложно переоценить. Любая химическая реакция, какую ни возьми, проходит либо с выделением энергии, либо с ее поглощением, и поставщиком энергии обычно служит АТФ - вещество, содержащее целых три фосфатные группы, а значит - две высокоэнергетические связи. Многие вещества не вступают в реакции при обычных условиях (читай, при температуре тела и давлении, равном давлению внутри человеческих клеток), а вот если их специальным образом активировать - то вступают. И очень часто в роли активации выступает фосфорилирование - то есть перенос фосфатной группы с вещества-донора (которым выступает АТФ или еще какой-нибудь фосфат) на активируемое вещество. Более того, фосфорилирование часто запирает вещество там, где ему надлежит находиться и не выпускает вещество наружу. А перенос фосфатных групп контролируется и регулируется ферментами, которые называются фосфотрансферазы, или чуть более по-простому - киназы.
Пример такого запирания - запирание фосфорилированной глюкозы в клетке. Процесс выглядит так:
  • В крови появляется избыток глюкозы => поджелудочная железа тут же выделяет инсулин;
  • Инсулин соединяется с рецепторами на мембране клетки-мишени => в клетке тут же подается сигнал подогнать белки-переносчики глюкозы;
  • Белки-переносчики, которые только и ждали сигнала в специальных гоночных пузыриках-везикулах, рвутся с места и несутся к мембране => при соприкосновении с мембраной везикула распадается, а белки "протыкают" мембрану, образуя канальцы для прохода глюкозы;
  • Глюкоза проходит через мембрану по канальцам => канальцы отваливаются от мембраны, подхватываются сборщиками мусора и утилизируются, а глюкоза тут же фосфорилируется;
  • Начинается процесс утилизации глюкозы клеткой, то есть гликолиз.

Еще одно замечательное свойство АТФ заключается в том, что при наличии определенных условий эта молекула хорошо отдает фосфатную группу, но при отсутствии этих условий АТФ эту группу не отдает. То есть спонтанно реакции происходить не могут, а значит, их можно регулировать и направлять. Одним из таких условий является действие определенных ферментов, при этом еще одним необходимым условием является обязательное присутствие ионов магния.

Обмен магния напрямую связан с обменом фосфора и кальция и регулируется витамином D. Физиологически концентрация магния внутри клеток больше, чем чем вне клеток, что объяснимо его биохимической ролью.
Как запасается и переносится энергия
АТФ напрямую участвует в сокращении мышц. Не будет достаточного количества АТФ - мышцы не смогут сокращаться. Но как уже было упомянуто ранее, АТФ нельзя запасти впрок. Однако ведь человек выполняет механическую работу, занимается спортом, откуда тогда берется энергия? Для запасания энергии впрок служат другие фосфаты, например, креатинфосфат, концентрация которого в поперечнополосатых мышцах выше, чем в любых других тканях (и даже выше, чем в гладких мышцах - в несколько раз). Креатинфосфат служит буферной системой запасания фосфатов, и по активности фермента креатинкиназы можно судить о состоянии энергетических запасов человека.

комплексно, вместе с уровнем креатинина, который коррелирует с уровнем креатина (см. ниже).

Белок миозин - один из главных компонентов сократительных волокон мышц. Миозин при связывании с АТФ меняет форму и остается в таком состоянии. Но АТФ начинает отцеплять от себя один из фосфатных остатков и превращается в АДФ (дифосфат), который уже не держится на миозине и отцепляется от миозина сам. Белок снова при этом меняет форму, а к этой форме снова цепляется АТФ (поскольку может!), и все происходит сначала. Когда одно и то же изменение формы происходит сразу с большим количеством белков, получается, что сокращается и затем удлиняется целая фибрилла - мышечное волокно. А когда много таких фибрилл одновременно сокращаются, то получаем сокращение мышцы целиком.

Но это еще не все. Наступает момент, когда все АТФ израсходованы, а получившиеся в результате АДФ нужного эффекта не дают. Тогда вступает в процесс вторая буферная система: под действием специального фермента аденилаткиназы начинается перераспределение фосфатных остатков между молекулами АДФ: из двух АДФ получается одна АТФ и одна АМФ (монофосфат), таким образом работа мышц может продолжаться.

Но и это еще не все. Наступает момент, когда все АДФ израсходованы, и кроме АМФ ничего не осталось. Но до этого обычно дело не доходит, если есть запас креатинфосфата. Креатинфосфат - это третья буферная система для мышечной активности. Фермент креатинкиназа при необходимости переносит фосфатную группу с креатинфосфата на АДФ, и получается нужный АТФ. Следует заметить, что происходит это гораздо быстрее, чем при катаболизме; когда же потребность в энергии ослабевает, то полученные в результате катаболизма АТФ используются для пополнения запасов креатинфосфата.

Финальным аккордом в этой статье прозвучит количественная характеристика темпов образования АТФ. В сутки у среднестатистического человека АТФ образуется до 70 килограмм. Это не опечатка. Количество АТФ, синтезированного за сутки человеческим организмом, сравнимо с весом самого человека и даже может его превышать. Но при этом в каждый момент времени в организме находится всего лишь мизер от этого количества. Как так? А просто АТФ постоянно распадается. Вот и получается как с деньгами в банках (не в стеклянных): оборот большой, а реально денег может быть пшик, прибегут вкладчики за деньгами - и банк - не банк уже, а банкрот...

А в следующей статье поговорим подробнее про окисление и восстановление, а самое главное - про коферменты окислительно-восстановительных реакций, которые тоже выполняют функцию канализирования и переноса энергии.

Продолжение следует

Литература: