Биологическое окисление происходит в митохондриях — особых внутриклеточных образованиях, которые являются энергетическими станциями клетки. Митохондрии имеют вид шарообразных или вытянутых пузырьков размером от одного до нескольких десятков микрон. В митохондриях-то, как раз и происходят окислительно-восстановительные реакции. В результате этих реакций высвобождается энергия. Самое большое количество митохондрий можно увидеть в печеночных и мышечных клетках — там, где энергия наиболее интенсивно синтезируется и потребляется. В клетках печени, например, митохондрии могут занимать до 22 % всего объема, и в каждой клетке их можно насчитать больше тысячи. Суть окислительно-восстановительных реакций, протекающих в митохондриях с выходом энергии кратко можно выразить следующим образом: карбоновые кислоты окисляются кислородом воздуха до углерода с водородом, отщепленным от карбоновых кислот.
Окисление водорода кислородом — это реакция гремучего газа О2+2Н2О. В лабораторных условиях она сопровождается взрывом. Если бы такая реакция происходила в живой клетке одномоментно, клетка погибла бы в результате выделения слишком большого количеств, энергии. Она бы попросту сгорела. Мудрая природа сделала процесс выделения энергии в клетке поэтапным. Высвобождающаяся в процессе биологического окисления энергия откладывается впрок и особым об разом консервируется.
Если рассмотреть отдельно взятую митохондрию под электронным микроскопом, то можно увидеть две полупроницаемые оболочки две мембраны: наружную и внутреннюю. Наружная мембрана гладкая, а вот внутренняя образует большое количество складок — крист. Эти кристы служат для увеличения поверхности мембраны, ведь именно в ней идет непосредственное образование энергии. Пространство между двумя мембранами митохондрии заполнено студнеобразной жидкостью. Окисление глюкозы и карбоновых кислот происходит в наружной мембране митохондрий. Если возникает необходимость в малых количествах энергии или при небольших или умеренных нагрузках, то выработка энергии идет бескислородным путем. Одна молекула глюкозы расщепляется на 2 молекулы молочной кислоты. При этом выделяется энергия, которая аккумулируется в виде 2-х молекул АТФ. АТФ — это универсальное топливо всех живых клеток. Аккумуляция энергии в виде АТФ просто необходима, т. к. энергия выделяется в одно время, а используется в другое, вырабатывается в одном месте, а потребляется в другом. АТФ как аккумулятор энергии позволяет организму использовать полученную энергию в различных органах и в любое время, вне зависимости от создавшейся ситуации. АТФ является своеобразным энергетическим «товарным складом». Энергия на таком складе запасается, но где и когда она будет израсходована, никто не знает. Неравномерность расхода энергии в течение суток и неизвестность того, какое количество энергии будет израсходовано за один раз, наводит на мысль о том, что чем больше по объему будет такой склад, тем лучше для организма. При больших и сверхмаксимальных нагрузках выработка энергии осуществляется уже с помощью кислорода. Глюкоза распадается на более простые, чем молочная кислота части и вступает в наружной мембране в цикл Кребса. Цикл Кребса — это целая цепь химических реакций. В этих реакциях водород постепенно, маленькими порциями отщепляется от одного окисляемого вещества и передается другому, от другого третьему и т. д., до тех пор, пока не соединится с кислородом воздуха с образованием воды. Энергия при этом высвобождается тоже не сразу, а постепенно, частями, аккумулируясь в виде АТФ. При кислородном окислении одной молекулы глюкозы образуются уже не 2, а целых 38 молекул АТФ.
Как образуется АТФ? При переносе атомов водорода (и соответствующих ему электронов) от одного вещества к другому образуется перепад концентраций ионов водорода. В результате такого перепада концентраций электронов наружная мембрана митохондрий заряжается положительно, а внутренняя — отрицательно. Образуется энергетический мембранный потенциал, т. е. попросту говоря, разница полюсов, как в батарейке. Энергия возникшей разницы потенциалов и затрачивается на синтез АТФ. Получается, что каждая митохондрия — это живая миниатюрная батарейка.
Если окисление происходит во внешней мембране митохондрий, то АТФ синтезируется во внутренней. Митохондрия — одно из самых поразительных изобретений природы. Если вдуматься, то митохондрии есть ни что иное, как живые молекулярные электростанции! Внутренняя мембрана митохондрий содержит так называемые дыхательные ферменты. Одни дыхательные ферменты присоединяют и отсоединяют атом водорода, передавая его с вещества на вещество. Другие отвечают за передачу электронов. В результате работы дыхательных ферментов и происходит генерация электрического мембранного потенциала, который запускает синтез АТФ. В процессе совершения химической, осмотической и механической работы, как, оказалось, расходуется не только энергия, запасенная в виде АТФ. Все виды работ могут совершаться и непосредственно за счет использования электрического мембранного потенциала без участия АТФ. Такой электрический потенциал между двумя мембранами митохондрий наряду с АТФ есть конвертируемая форма энергии в живой клетке. АТФ растворима в воде и хорошо подходит для использования в водной среде. Мембранный потенциал используется для совершения работы внутри липидных клеточных мембран, которые обладают водоотталкивающими свойствами. От такой работы зависит очень многое, в т. ч. и чувствительность клеток к гормонам, работа белков, каналов, через которые различные вещества проникают — внутрь клетки и выводятся из нее и т. д.
Совокупность окислительно-восстановительных реакций, протекающих в клетке, с использованием кислорода и называется «дыханием». Дыхание — это длинная цепь окислительно-восстановительных реакций, где водород, а так же электроны переносятся с окисляемых веществ на кислород воздуха. Путь прохождения водорода и электронов с окисляемого вещества на кислород является довольно длинным. Такой длинный путь имеет большое физиологическое значение, т. к. позволяет постепенно использовать энергию, освобождающуюся в результате переноса водорода и электронов от одних веществ к другим. Без постепенности, как мы уже знаем, бывают только взрывы.
Кислород — самый эффективный конечный присоединитель электронов. Самым эффективным он является потому, что позволяет добиться наибольшего выхода энергии по сравнению с другими веществами, способными присоединять электроны.
Основное количество энергии все ткани и органы получают за счет кислородного окисления веществ. Бескислородное окисление в обычных условиях является второстепенным, как менее эффективное в энергетическом отношении. Кислородное и бескислородное окисление в нормальных тканях сосуществуют, дополняя друг друга. Энергетически малоэффективное бескислородное окисление является в организме тем резервным механизмом, который может очень сильно активизироваться в экстремальных условиях. Бескислородное окисление может стать тем спасательным кругом, который позволяет клеткам выжить даже в условиях тяжелого, чрезмерно выраженного кислородного голодания.
Классическим примером здесь может послужить работа скелетной мышцы. При очень большой нагрузке (интенсивный бег, тяжелое базовое упражнение и т. д.) мышцы ставятся в экстремальные условия. Возникает опасный для мышечных клеток энергетический дефицит. Тут же срабатывает защитный механизм: интенсивность бескислородного окисления, например, в поперечно-полосатой мышце возрастает в 100, а иногда даже в 1000 раз и более по сравнению со спокойным состоянием. Чем выше уровень тренированности, тем большая интенсивность бескислородного окисления может быть достигнута при больших нагрузках.
В спортивной литературе мы постоянно встречаем утверждения о том, что силовая мышечная работа осуществляется за счет бескислородного (анаэробного) окисления. Такие утверждения требуют уточнения. Прежде всего: какая мышечная работа? Те мышцы, которые сформировались у человека в процессе эволюции, не предназначены для совершения больших усилий. Они невелики по объему и осуществляют свою работу в основном за счет кислородного окисления поставщиков энергии. Силовые тренировки ставят мышцы в неестественные для них условия. Это и заставляет мышцу включать аварийное бескислородное окисление. Бескислородное окисление, хотя и является малоэффективным в энергетическом отношении процессом, совершенно необходимо организму для быстрого реагирования на бескислородные условия и экстремальные нагрузки. Ведь при экстремальных нагрузках организм переходит на бескислородный путь окисления только лишь потому, что кислородные транспортные системы просто не успевают, да и не могут доставить к работающему органу адекватное количество кислорода. В организме высокотренированного спортсмена даже очень тяжелая силовая работа обеспечивается энергией на 50 % за счет бескислородного окисления и на 50 % за счет окисления кислородного.
