Перед тем как рассмотреть процесс использования АТФ, разберемся в сути этого универсального источника жизненной энергии. АТФ (аденозинтрифосфат) состоит из трех элементов: аденина (пуринового основания), D-рибозы (пентозы, относящейся к классу пятиуглеродных моносахаридов) и трех остатков фосфорной кислоты. Потребляемая клеткой энергия высвобождается, когда фермент забирает у АТФ фосфат, конвертируя химическую энергию, заключенную в связях между элементами, в энергию механическую. После потери фосфата АТФ превращается в АДФ (аденозиндифосфат). Как вы помните, в главе 1 (раздел «АТФ-синтаза: соединение ЭТЦ и окислительного фосфорилирования») мы говорили о том, что благодаря АТФ-синтазе фосфат вновь прикрепляется к АТФ во внутренней мембране митохондрии, воссоздавая АТФ.
Так как клетка обеспечивается двумя базовыми ингредиентами — электронами из пищи и кислородом из воздуха, — этот цикл беспрепятственно повторяется миллионы раз в секунду в каждой клетке нашего организма. Непрерывная рециркуляция АТФ позволяет клетке постоянно наполняться энергией. Однако если клетка испытывает серьезный дефицит либо в кислороде, либо в топливе, то ее функционирование нарушается.
Показательный пример кислородной депривации — состояние после инфаркта миокарда. Инфаркт миокарда возникает в случае блокировки артерии, по которой кровь доставляется в сердечную мышцу. Последняя продолжает работать с прежней скоростью, но на холостом ходу, так как в нее не поступает кислород, без которого невозможен нормальный синтез АТФ. Сейчас наука не может определить, локализованы ли запасы АТФ в определенных участках организма или они свободно перемещаются по телу, но можно с уверенностью утверждать, что есть определенные зоны особенно высокой его концентрации (например, в сердечной мышце или в области движения ионов через мембрану). Так или иначе, безотносительно к тому, где находится АТФ, после того как он высвобождает свою энергию и превращается в АДФ, должно произойти воссоздание АТФ, которая покидает митохондрию, следуя туда, где есть потребность в энергии. Небольшое количество АДФ находится в цитозоле (жидкой растворимой части цитоплазмы клетки, заполняющей пространство между органоидами), где и возвращается в состояние АТФ (без проникновения в митохондрии). Эта АТФ обычно связана с клеточными мембранами, обеспечивая энергию, необходимую для контроля движения ионов через них.
Все это хорошо, но возникает вопрос: если митохондрии обеспечивают 90 % потребностей клетки в энергии, то как обеспечивается передача АТФ в ее «уголки»? Молекулы АТФ, синтезированные внутри митохондрии, должны вернуться в цитозоль, где используется ее энергия. В то же время АДФ из цитозоли должен возвращаться в митохондрии, чтобы там вернуться в состояние АТФ. Сами по себе АТФ и АДФ не способны пройти сквозь мембрану митохондрий, поэтому при участии специального фермента — АТФ-АДФ транслоказы, расположенной во внутренней мембране митохондрий, АТФ транспортируется в цитоплазму в обмен на АДФ. Представьте себе целлюлозно-бумажный завод, который использует переработанные материалы, например новая бумага производится из старой. Для того чтобы этот завод работал без сбоев, новую бумагу следует отправлять за его пределы, чтобы она была использована, а затем возвращена и вновь переработана. Цикл переработки может быть нарушен и в том случае, если сырье не поступает в систему, и если новая бумага не удаляется из нее, чтобы снова вернуться в качестве сырья. Конечно, в целях производства бумаги теоретически можно использовать первичную древесную массу, однако для этого нужно выращивать деревья (на что уходят годы), после чего тратить серьезные ресурсы на превращение их в сырье. Похожим образом дело обстоит и в клеточном микромире. АТФ требуется для использования в качестве топлива и расщепления до АДФ, после чего АДФ возвращается в митохондрии и служит материалом для синтеза новых молекул АТФ. Синтез же АДФ с нуля — слишком долгий и энергоемкий процесс, подобный выращиванию деревьев.
Пища и кислород: ингредиенты для производства энергии
Базовые условия существования сложного живого организма — пища и кислород — являются ингредиентами, необходимыми митохондриям для производства энергии. Основным (и наиболее легкодоступным) видом клеточного топлива является глюкоза — простой сахар, содержащий 6 атомов углерода, извлекаемый и пищи, которую мы едим. Если мы потребляем больше питательных веществ, чем требуется для удовлетворения потребности в энергии, то ее остатки сохраняются в виде гликогена. Большинство из нас отличается от жвачных животных и не ест на протяжении всего дня без перерыва. Поэтому гликоген по мере необходимости идет в дело, расщепляясь до глюкозы. Первый этап в рамках этого процесса называется гликолизом. Гликолиз протекает в цитозоле. Так как он происходит рядом с клеточной мембраной, ученые считают, что гликолиз направлен прежде всего на генерацию энергии, обеспечивающей прохождение ионов через клеточную мембрану. Несмотря на то что гликолиз способен быстро привести к синтезу большого количества АТФ, этого количества далеко не достаточно для долгосрочного удовлетворения потребности клетки в энергии. При непосредственном расщеплении молекулы глюкозы появляются только две молекулы АТФ. Если же расщеплению подвергается гликоген, то создается три молекулы АТФ.
В ходе нормального углеводного метаболизма шестиуглеродная молекула глюкозы расщепляется на две трехуглеродные молекулы пирувата, которые затем проникают в митохондрию и принимают участие во втором каскаде реакций производства энергии: цикле Кребса.
Поскольку клетка обеспечена достаточным количеством кислорода, пируваты трансформируются и расщепляются в рамках цикла Кребса, откуда новые химические соединения переходят к третьему циклу реакций: дыхательной электротранспортной цепи переноса электронов (ЭТЦ).
Однако в том случае, если клетка испытывает недостаток в кислороде, например в случаях чрезвычайно наряженной физической активности или при значительной закупорке артерий, то нормальное функционирование цикла Кребса нарушается и пируваты превращаются в молочную кислоту (а ее производные называются лактатами). Появление молочной кислоты вызывает падение уровня pH
[18] (что означает повышение кислотности), а это, в свою очередь, служит клетке сигналом о том, что ей требуется дополнительная энергия. Однако если концентрация молочной кислоты становится слишком высокой, то начинается клеточный стресс. На макроуровне он проявляется как жжение и боль в грудной клетке при физической активности (стенокардия). Речь идет об ишемической болезни сердца (ИБС), которая возникает при недостаточности питания сердечной мышцы, когда коронарный кровоток в силу неких его деформаций приносит недостаточное количество кислорода к тканям миокарда.
Итак, несмотря на то что гликолиз является жизненно важным процессом, а глюкоза доступна для большинства из нас, он не представляет собой наиболее эффективный способ производства энергии, точно так же как глюкоза — не идеальный источник энергии. Идеальный источник энергии — жирные кислоты. Жирные кислоты синтезируются в ходе процесса, называемого бета-окислением (β-окисление). Их сжигание обеспечивает 60–70 % всей энергии, которую вырабатывает и потребляет клетка. Именно здесь в игру вступает L-карнитин — природное вещество, родственное витаминам группы В (о нем мы подробно поговорим в главе 3, которая так и называется: «L-карнитин»). Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для длинноцепочечных жирных кислот, однако эта проблема решается тем, что они проникают в митохондриальный матрикс, где и осуществляется бета-окисление. Нужно подчеркнуть, что L-карнитин — это единственная молекула, способная переносить длинноцепочечные жирные кислоты в матрикс. Без нее наш организм не смог бы использовать длинноцепочечные жирные кислоты для производства энергии.
