3. Клеточное дыхание
3.1 Не поджигайте мешок сахара
Итак, начнем обзор клеточного дыхания — той части нашей энергетической системы, которой необходим кислород. Кислород содержится в воздухе, который мы вдыхаем.
Причина, по которой мы начинаем с клеточного дыхания, состоит в том, что именно в этой точке любой вид "топлива" имеет один и тот же метаболизм. Мы можем съесть белок, углеводы или жир. Эти макронутриенты пойдут сначала своим метаболическим путями, но все пути пересекутся потом в одной точке. Так что сначала поговорим о том, что общего у всех типов "топлива", а позже вернемся к отличиям.
На рисунке показана общая цель катаболической порции метаболизма, или, иначе, катаболизма. И хотя здесь изображен сахар, на его месте мог бы быть белок или жир. Обычно, когда мы говорим про сахар в теле, то мы имеем в виду глюкозу. Здесь же показан мешок со столовым сахаром (сахарозой), состоящий из глюкозы и фруктозы. Но эти детали сейчас не важны. Гораздо важнее то, что общая реакция в теле будет в некотором роде эквивалентна поджиганию мешка с сахаром. При сгорании сахара углерод, кислород и водород, содержащиеся в нем, преобразуется соответственно в углекислый газ и воду.
Воду вы даже и не заметите, поскольку она испарится, а углекислый газ уйдет с дымом. Вся энергия в этом случае потеряется в виде тепла. Вы и сделать с ней ничего не успеете. Сжигать сахар нужно так, чтобы подать освободившуюся энергию при горении на вход в другие реакции или процессы, которым нужна эта энергия.
По сути реакция сгорания сахара аналогична горению октана в бензине, когда вы ведёте машину. Октан, конечно, несколько другая молекула, но вы её также "раздираете" на части, используя кислород и также получаете углекислый газ и воду. И конечно, вы не поджигаете весь бензобак разом, вам же надо доехать из точки А в точку B, а не взлететь на воздух. Вместо этого ваш железный друг сжигает крошечное количество топлива в каждый момент времени. Энергия извлекается постепенно и эффективно используется для совершения механической работы.
В нашем теле мы также постепенно извлекаем энергию, но делаем это поэффективнее, чем автомобиль. Ранее мы уже говорили, что КПД автомобиля около 20%; мы же с вами способны применять для полезной работы около 50% доступной энергии, иногда чуть больше, поскольку должны отдавать много тепла в окружающую среду, чтобы компенсировать порядок, создаваемый внутри нас (см.
Термодинамика, энергия и порядок)
Да, мы намного более эффективны, чем автомобиль, но подход у нас схожий. Обратите внимание на ступенчатую кривую в левой части рисунка: мы берем немного кислорода из воздуха, и в каждом шаге высвобождаем немного энергии, которую можем довольно эффективно использовать для полезной работы. И на каждом шаге нам нужно совсем немного
энергии активации, ведь реакция идёт за счет ферментов, которым достаточно тепла нашего тела. С другой стороны, чтобы поджечь мешок сахара, нам нужно преодолеть огромную энергию активации, буквально разведя под ним костёр. Внутри тела такой номер бы не прошёл, да и кончился бы плачевно.
Итак, много маленьких шагов по сжиганию топлива нам нужны потому, что 1) только так мы можем применить доступную нам небольшую энергию активации (тепло тела) и ферменты в качестве
помощников-катализаторов, и 2) только маленькие порции энергии могут быть использованы эффективно
Далее мы разберём в деталях то, как эти маленькие "шажки" дают нам еще и огромную гибкость в использовании разного "топлива". Например, иногда мы не будем полностью окислять топливо в энергию. Возьмём немного, а остальную часть пустим на другие процессы.