На этом этапе люди вплотную подошли к правильному решению, потому что кислый лимонный сок или, скажем, кислая капуста могут дать организму нужное количество витамина С. Однако вместо кислых растительных продуктов на кораблях стали использовать витриоловый эликсир – ароматизированный слабый раствор серной кислоты. Иногда, правда, мог использоваться уксус, но от него толку не было, поскольку в этом натуральном продукте витамина С содержится очень мало. Подобный подход к лечению цинги просуществовал добрую сотню лет, несмотря на то, что толку от него не было никакого.
В 1747 году судовой хирург британского военного корабля «Солсбери» Джон Линд решил провести эксперимент, который стал первым клиническим исследованием в истории медицины18. Когда у членов команды появились первые признаки цинги, Динд отобрал двенадцать моряков со схожими симптомами, разбил их на шесть пар и назначил им одинаковое питание. А вот лечение у каждой пары было своим. Первой ежедневно давали по кварте19 сидра, второй – витриоловый эликсир, третья получала уксус, четвертой давали по полпинты20 морской воды, пятой – по два апельсина и одному лимону; шестой – растертую смесь чеснока, хрена, горчичных зерен, перуанского бальзама21 и мирры22. Была у Линда и контрольная группа, члены которой не получали никакого лечения, за исключением слабительного.
Если вас удивило то, что в эксперименте участвовала морская вода, то на самом деле в этом нет ничего удивительного. Морской водой, которой за бортом всегда было вдоволь, моряки пытались лечить любые болезни, начиная с несварения желудка и заканчивая сифилисом.
За неделю стало ясно, что лучше всего от цинги помогают апельсины и лимоны. Один из членов пятой группы на седьмой день вернулся на службу, а другой чувствовал себя настолько хорошо, что стал помогать Линду в лазарете. Первая группа, получавшая сидр, в котором витамина С значительно меньше, чем в цитрусовых, выглядела не так хорошо, как пятая, но все же чувствовала себя лучше прочих групп.
Надо сказать, что цитрусовые попали в эксперимент Линда не случайно. О том, что эти плоды помогают при цинге, писал еще в первой половине XVII англичанин Джон Вудалл, главный хирург Английской Ост-Индской компании23. В трактате «Помощник хирурга», опубликованном в 1617 году, Вудалл указывал такие противоцинготные средства, как ложечница24, корень хрена, полынь, настурция, щавель, лаймы, лимоны, апельсины и тамаринд25 (все эти продукты богаты витамином С). Рекомендация Вудалла использовать их для лечения цинги была абсолютно верной, но на протяжении 130 лет никто на нее внимания не обращал. «Помощник хирурга» вообще не пользовался известностью. Точно так же не стал популярным и «Трактат о цинге» Джеймса Линда, опубликованный в 1753 году. Научная общественность его проигнорировала. Лишь в 1795 году Адмиралтейство26 приказало выдавать лимонный сок на всех британских кораблях. Произошло это после эксперимента, проведенного годом ранее по инициативе контр-адмирала Алана Гарднера. На борту корабля «Саффолк» во время двадцатитрехнедельного безостановочного плавания в Индию команде ежедневно выдавалось по 2/3 унции27 лимонного сока. Мера оказалась действенной – выраженных случаев цинги не наблюдалось.
А теперь давайте вернемся к энергетическому обмену.
На подготовительном этапе белковые молекулы расщепляются до аминокислот, жиры – до глицерина и карбоновых кислот, углеводы – до глюкозы, а нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов. Полимеры превращаются в кучи мономеров. Этот процесс в пищеварительном тракте осуществляется пищеварительными ферментами, а в клетках – ферментами лизосом.
Подготовительный этап энергетически нерезультативен для организма. Вся энергия, высвобождающаяся при расщеплении сложных органических веществ до простых, не усваивается организмом, а рассеивается в виде тепла. К сожалению. Значение подготовительного этапа заключается в подготовке материала для получения энергии – небольших органических молекул, а не в получении энергии как таковой.
Следующий этап – этап бескислородного окисления, также называют этапом гликолиза (расщепления глюкозы), поскольку главным источником энергии в клетке является глюкоза.
Гликолиз – это сложный многоступенчатый процесс, включающий в себя десять последовательных реакций. Во время этого процесса происходит дегидрирование глюкозы, которая в результате ряда ферментативных реакций превращается в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом суммарно образуются 2 молекулы АТФ и восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н228:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 + 2НАД+ → 2С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О + 2НАД·Н2
Структурная формула пировиноградной кислоты (С3Н4О3)
Дальнейшие превращения пировиноградной кислоты зависят от присутствия в клетке кислорода. Если кислорода нет, то у дрожжей29 и растений происходит спиртовое брожение, при котором сначала образуется уксусный альдегид (СН3СОН), а затем – этиловый спирт (С2Н5ОН):
С3Н4О3 → СО2 + СН3СОН,
СН3СОН + НАД·Н2 → С2Н5ОН + НАД+
У животных и некоторых бактерий при недостатке кислорода происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:
С3Н4О3 + НАД·Н2 → С3Н6О3 + НАД+
Структурная формула молочной кислоты (С3Н6О3)
В результате гликолиза одной молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж, из которых 120 кДж рассеивается в виде тепла, а 80 кДж запасается в связях АТФ. Надо отметить, что живые организмы относятся к энергии с ужасающей расточительностью. Мало того, что отдают в пространство ту энергию, которая выделяется при переваривании пищи, так еще и 3/5 энергии, извлекаемой из молекул глюкозы, теряют. Ужас!
Третий этап энергетического обмена – это кислородное окисление или дыхание (имеется в виду клеточное дыхание). Суть его заключается в полном расщеплении пировиноградной кислоты, которое происходит в митохондриях в присутствии кислорода. Пировиноградная кислота распадается до водорода и углекислого газа. Выделившаяся при этом энергия используется для синтеза АТФ. В общем виде этот процесс выглядит так:
С6Н12О6 + 6Н2О → 6СО2 + 4АТФ + 12Н2
Последним этапом является окисление пар атомов водорода с участием кислорода до воды с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ.
Суммарная реакция расщепления глюкозы до углекислого газа и воды выглядит следующим образом:
С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + 38АТФ + Qт (тепловая энергия)
Одна молекула глюкозы заряжает 38 «батареек», то есть восстанавливает 38 молекул АТФ. Неплохо, но в идеале их могло бы быть 95 (если бы усваивалась вся извлекаемая из молекулы глюкозы энергия).
Молекула АТФ
Зачем вообще нужна АТФ?
Почему бы природе не устроить так, чтобы живые организмы напрямую использовали содержащуюся в глюкозе энергию? Выше уже говорилось о том, что молекулы АТФ нужны для транспортировки энергии от места высвобождения и связывания к месту использования. Но почему бы не доставлять к месту использования непосредственно молекулы глюкозы? Они же мельче, чем молекулы АТФ.
Дело в том, что, с точки зрения клеточных реакций, при окислении молекулы глюкозы выделяется очень много энергии, гораздо больше, чем нужно для питания одного клеточного процесса. Молекулу глюкозы образно можно сравнить с оптовым складом энергии, а АТФ – с розничной фасовкой товара.
Обмен жиров (липидов), углеводов и белков можно охарактеризовать одной фразой: «Съеденные полимеры расщепляются на мономеры, из которых организм вырабатывает нужные ему полимеры».
Все знают, что запасы энергии животные организмы откладывают в виде жиров30. И это совершенно правильно, ведь жиры – это наиболее энергоемкая группа органических веществ. Однако в организме животных наряду с жирами существует и другая форма энергетического запаса – углеводная. Это гликоген, похожий на крахмал углеводный полимер, состоящий из множества молекул глюкозы. Он представляет собой форму запаса глюкозы у животных.
Вот зачем нам нужен гликоген? Неужели мы не можем обойтись без его запасов в клетках печени и скелетных мышц, а также и в других клетках? У нас же есть жировой запас, более энергоемкий, чем углеводный…
Энергоемкость – дело хорошее. Удобнее, а, значит, выгоднее постоянно таскать на себе энергию в виде жиров, а не в виде углеводов. Но есть одна загвоздка – извлечение энергии из жиров представляет собой довольно длительный процесс. Расщепить гликоген на глюкозу, а глюкозу на воду и углекислый газ гораздо быстрее. А «успех – это успеть», не так ли? Гликоген представляет возможность быстрого получения энергии, а уже следом за ним «подтягиваются» жиры. Основной энергозапас мы храним в компак