Convert JPG to PDF online - convert-jpg-to-pdf.net

Дыхание для человека — синоним жизни. Пока я дышу, пока мое сердце бьется — я жив. Дыхание столь естественно для нас, что люди обычно не замечают его и не задумываются о том, как оно происходит и что за ним стоит. К счастью, этот пробел в общечеловеческой любознательности активно заполняют ученые всех мастей, от медиков до химиков и физиков. Попробуем взглянуть на дыхание глазами биолога.

Для современного биолога дыхание — не только и не столько «вдох-выдох, нос сопит, стекла запотели». Для биолога дыхание — это сложный биохимический процесс получения необходимой нашему телу энергии путем реакций различных питательных веществ с кислородом. Дыхание, по сути, — это то же самое, что горение, то есть реакция окисления веществ кислородом воздуха. Только происходит оно гораздо более медленно, постепенно и под жестким контролем организма.

Наши дыхательные пути и легкие решают проблему доставки кислорода из воздуха в кровь и высвобождения из крови углекислого газа. Наш желудочно-кишечный тракт обеспечивает поступление в кровь питательных веществ из пищи. Кровь доставляет кислород и питательные вещества ко всем клеткам нашего тела. Внутри практически каждой клетки есть специальные сложные структуры — органеллы, названные митохондриями, которые отвечают за главный этап дыхания — за «сжигание» питательных веществ кислородом и получение необходимой для жизни клетки энергии. Тут и начинается самое интересное.

Митохондрии — это вытянутые пузырьки внутри клетки, отделенные от остального ее содержимого двумя тонкими мембранами, состоящими из липидов и гидрофобных белков — жирных, нерастворимых в воде молекул (рис. 5). Эти мембраны — самое главное в процессе дыхания. Мембраны похожи на тонкие масляные пленки; они непроницаемы для большинства

водорастворимых молекул и ионов. Мембраны играют важнейшую роль в жизни клетки, надежно отделяя клетку от окружающей среды, а клеточные органеллы — от прочего внутриклеточного содержимого (цитоплазмы).

Внешняя мембрана митохондрий — гладкая, а внутренняя многократно складчата. В качестве аналогии можно представить еще не надутый воздушный шар, который смяли и засунули внутрь маленького воздушного шарика, а затем начали надувать. Маленький шарик снаружи будет круглый и гладкий, а большой шар внутри будет сморщенный и весь в складках.

Такое странное устройство мембран необходимо митохондриям, чтобы увеличить площадь внутренней мембраны. Ведь именно в этой мембране, прочно засев в ее жирной толще, находятся белки-ферменты, осуществляющие дыхание, т.е. окисление питательных веществ кислородом.

Дыхательные ферменты работают подобно миниатюрным насосам: сжигая «топливо», они перекачивают с одной стороны мембраны на другую электроны, а в обратную сторону — ионы водорода. Электроны несут отрицательный заряд, а ионы водорода — положительный. В результате работы дыхательных ферментов внутренняя мембрана митохондрии заряжается как конденсатор: внутри митохондрии получается минус, а снаружи — плюс. Жирная мембрана является хорошим электрическим изолятором и надежно держит высокое напряжение. Без этого митохондриям не обойтись — ведь напряженность электрического поля на внутренней мембране превышает 200 киловольт на сантиметр!

Затем энергия, накопленная в виде разности потенциалов на внутренней мембране митохондрий, используется для синтеза «энергетической валюты» клетки — аденозинтрифосфата (АТФ). Это — последний этап дыхания. Наверняка вам рассказывали про АТФ на уроках биологии еще в школе. Полученные молекулы АТФ покидают митохондрии, распределяются по всей клетке и используются везде, где необходимо провести энергозатратную химическую реакцию, будь то синтез ДНК, РНК или белков, транспорт ионов или питательных веществ в клетку или из нее, движение внутриклеточных органелл и т.д. При этом АТФ расщепляется с выделением необходимой энергии, а продукты его распада отправляются в митохондрии, чтобы там, на внутренней мембране, вновь соединиться в АТФ в процессе дыхания. Масштаб этого процесса иллюстрируется цифрой: взрослый человек образует в день 40 кг АТФ, чтобы расщепить все это количество за тот же срок при совершении разных видов работы. Таким образом, АТФ работает в клетке «универсальным посредником» между всевозможными питательными веществами, которые мы потребляем (чтобы получить необходимую для жизни энергию), и разнообразными биохимическими реакциями, в которых эта энергия используется.