Геннадий Гарбузов - Ионы водорода лечат рак Страница 7

Энергетическая проблема раковых клеток

Основы биоэнергетики клеток

Любое живое существо нуждается в постоянном притоке энергии извне. Биоэнергетика изучает одну из основных функций любого живого организма – способность обеспечить себя энергией за счет каких-либо внешних энергетических источников. Биоэнергетика позволяет нам заглянуть внутрь энергетических процессов, происходящих в организме, и понять, каким образом мы можем ими управлять.

В организме человека биополимеры пищи распадаются в желудочно-кишечном тракте на жирные кислоты и глицерин, полисахариды – на моносахариды. Мономеры превращаются в организме в небольшие по величине моно-, ди– и трикарбоновые кислоты, которые уже способны окисляться с выделением определенного количества энергии.

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. Именно в них 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.

Аэробная энергетика, или Дыхание клетки

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.

Карбоновые кислоты могут образовываться в клетке за счет метаболизма, катаболических процессов клетки, а также поступать извне через кровь в качестве конечных продуктов распада.

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 количества энергии. Она бы попросту сгорела. Процесс выделения энергии в клетке происходит поэтапно. Высвобождающаяся в процессе биологического окисления энергия откладывается впрок и особым образом консервируется.

Митохондрии – биоэнергостанции клеток

У всех эвкариот генетическая информация содержится не только в хромосомах клеточного ядра, но и в митохондриях – самовоспроизводящихся полуавтономных органеллах клетки, имеющих собственный геном. 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.

В них встроены белковые компоненты дыхательной цепи – ферменты, участвующие в преобразовании энергии химических связей окисляемых питательных веществ в энергию молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Такой «конвертируемой валютой» клетка оплачивает все свои энергетические потребности.

Анаэробная энергетика, или Гликолиз в здоровых клетках

При возникновении необходимо в малых количествах энергии или при небольших либо умеренных нагрузках выработка энергии идет бескислородным путем. Одна молекула глюкозы расщепляется на 2 молекулы молочной кислоты. При этом выделяется энергия, которая аккумулируется в виде 2 молекул АТФ.

Аэробная энергетика (аэробизм)

АТФ – универсальное топливо всех живых клеток. Аккумуляция энергии в виде АТФ просто необходима, так как энергия выделяется в одно время, а используется в другое, вырабатывается в одном месте, а потребляется в другом. АТФ как аккумулятор позволяет организму использовать полученную энергию в различных органах и в любое время вне зависимости от создавшейся ситуации. При больших и сверхмаксимальных нагрузках выработка энергии осуществляется уже с помощью кислорода. Глюкоза распадается на более простые, чем молочная кислота, части и вступает в цикл Кребса.

Цикл Кребса – 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 возникает перепад ионов водорода. В результате такого перепада концентраций электронов наружная мембрана митохондрий заряжается положительно, а внутренняя – отрицательно. Образуется энергетический мембранный потенциал. Энергия возникшей разницы потенциалов и затрачивается на синтез АТФ.

Если окисление происходит во внешней мембране митохондрий, то АТФ синтезируется во внутренней.

Митохондрия – одно из самых поразительных изобретений природы. Если вдуматься, то митохондрии есть не 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.

Совокупность окислительно-восстановительных реакций, протекающих в клетке с использованием кислорода, и называется дыханием. Дыхание – это длинная цепь окислительно-восстановительных реакций, где водород, а также электроны переносятся с окисляемых веществ на кислород воздуха. Путь прохождения водорода и электронов с окисляющего вещества на кислород является довольно длинным. Он имеет большое физиологическое значение, так как позволяет постепенно использовать энергию, освобождающуюся в результате переноса водорода и электронов от одних веществ к другим.

Кислород – самый эффективный конечный присоединитель электронов (акцептор). Наиболее 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.) мышца оказывается в экстремальных условиях. Возникает опасный для мышечных клеток энергетический дефицит. Тут же срабатывает защитный механизм: интенсивность бескислородного окисления, например в поперечно-полосатой мышце, возрастает в 100–1000 раз по сравнению со спокойным состоянием. Чем выше уровень тренированности, тем большая интенсивность бескислородного окисления может быть достигнута при больших нагрузках.

Электрогомеостаз и онкология

Чтобы получить полноценный ответ на все глубинные вопросы онкологии, возникла необходимость разработать и признать новую теорию электрогомеостаза клетки, основанную на управлении основными жизненными процессами клетки путем поддержания и сохранения оптимального соотношения электрозарядов в ее органеллах.