Зачем клеткам кислород кратко
Обновлено: 08.07.2024
Вы, наверно, знаете, что дыхание необходимо для того, чтобы в организм с вдыхаемым воздухом поступал кислород, необходимый для жизни, а при выдохе организм выделяет наружу углекислый газ.
Дышит все живое - и животные, и птицы, и растения.
А зачем живым организмам так необходим кислород, что без него невозможна жизнь? И откуда в клетках берется углекислый газ, от которого организму нужно постоянно освобождаться?
Дело в том, что каждая клеточка живого организма представляет собой маленькое, но очень активное биохимическое производство. А вы знаете, что никакое производство невозможно без энергии. Все процессы, которые протекают в клетках и тканях, протекают с потреблением большого количества энергии.
Откуда же она берется?
С пищей, которую мы едим, - из углеводов, жиров и белков. В клетках эти вещества окисляются. Чаще всего цепь превращений сложных веществ приводит к образованию универсального источника энергии - глюкозы. В результате окисления глюкозы высвобождается энергия. Вот для окисления как раз и нужен кислород. Энергию, которая высвобождается в результате этих реакций, клетка запасает в виде особых высокоэнергетических молекул - они, как батарейки, или аккумуляторы, отдают энергию по необходимости. А конечным продуктом окисления питательных веществ являются вода и углекислый газ, который удаляются из организма: из клеток он поступает в кровь, которая переносит углекислый газ в легкие, и там он выводится наружу в процессе выдоха. За один час через легкие человек выделяет от 5 до 18 литров углекислого газа и до 50 граммов воды.
Кстати.
Высокоэнергетические молекулы, которые являются "топливом" для биохимических процессов, называются АТФ - аденозинтрифосфорная кислота. У человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ составляет менее 1 минуты. Человеческий организм синтезирует около 40 кг АТФ в день, но при этом вся она практически тут же тратится, и запаса АТФ в организме практически не создаётся. Для нормальной жизнедеятельности необходимо постоянно синтезировать новые молекулы АТФ. Вот почему без поступления кислорода живой организм может прожить максимум несколько минут.
А бывают ли живые организмы, которые не нуждаются в кислороде?
Да, бывают. Такие организмы называются анаэробными (греч. "ан" - отсутствие, "аэр" - воздух), в противоположность аэробам - тем организмам, которые не могут жить без кислорода. К анаэробам относятся организмы, которые живут в среде, лишенной кислорода - многие бактерии, некоторые грибы, водоросли и некоторые животные, например, практически все гельминты (т. е. глисты - паразитные черви). Часть анаэробов умеет "переключаться" с анаэробного типа дыхания на аэробный - они называются факультативными анаэробами; а часть вообще не переносит кислорода, погибает от его присутствия - это облигатные анаэробы (например, возбудитель столбняка - столбнячная палочка).
С процессами анаэробного дыхания знаком каждый из нас! Так, брожение теста или кваса - это пример анаэробного процесса, осуществляемого дрожжами: они окисляют глюкозу до этанола (спирта); процесс скисания молока - это результат работы молочнокислых бактерий, которые осуществляют молочнокислое брожение - превращают молочный сахар лактозу в молочную кислоту.
Зачем нужно кислородное дыхание, если есть бескислородное?
Затем, что аэробное окисление в разы эффективнее, чем анаэробное. Сравните: в процессе анаэробного расщепления одной молекулы глюкозы образуется всего 2 молекулы АТФ, а в результате аэробного распада молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ! Для сложных организмов с высокой скоростью и интенсивностью обменных процессов анаэробного дыхания просто не хватит для поддержания жизни - так электронная игрушка, которой для работы требуется 3-4 батарейки, просто не включится, если в нее вставить только одну батарейку.
А в клетках человеческого организма возможно бескислородное дыхание?
Конечно! Первый этап распада молекулы глюкозы, который называется гликолизом, проходит без присутствия кислорода. Гликолиз - это процесс, общий практически для всех живых организмов. В процессе гликолиза образуется пировиноградная кислота (пируват). Именно она отправляется по пути дальнейших превращений, приводящих к синтезу АТФ как при кислородном, так и бескислородном дыхании.
Так, в мышцах запасы АТФ очень малы - их хватает только на 1-2 секунды мышечной работы. Если мышце необходима кратковременная, но активная деятельность, первым в ней мобилизуется анаэробное дыхание - оно быстрее активируется и дает энергию примерно на 90 секунд активной работы мышцы. Если же мышца активно работает более двух минут, то подключается аэробное дыхание: при нем производство АТФ происходит медленно, но энергии оно дает достаточно, чтобы поддерживать физическую активность в течение длительного времени (до нескольких часов).
Метаболизм в организме. Значение кислорода
Для обеспечения жизнедеятельности любого живого организма необходимо постоянно поддерживать определенный уровень обмена веществ как между органами и тканями внутри организма, так и с внешней средой. Из внешней среды организм получает питательные вещества, которые он частично превращает в собственные ткани, во внешнюю среду отдает продукты своей жизнедеятельности ненужные или даже вредные для организма. Таким образом, наличие обмена веществ определяет сам факт жизни организма.
Для обеспечения обмена веществ необходима энергия. В организме высших животных энергия образуется в результате сложных биохимических реакций, основу которых составляют процессы окисления.
Основным субстратом, подвергающимся окислению, являются углеводы. Доля углеводов как субстрата для выработки энергии среди других веществ, составляет более 80%. В процессе окисления принимают участие также жирные кислоты и амиокислоты.
Единственным окислителем является кислород (аэробный гликолиз). При недостатке кислорода начинает функционировать более древний механизм выработки энергии — анаэробный гликолиз, эффективность которого в 18 раз меньше.
В процессе сложных биохимических преобразований вещества, участвующие в обменных процессах, расщепляются в основном до воды, двуокиси углерода (углекислый газ) и мочевины, которые и удаляются из организма соответствующими органами. В здоровом организме этот окислительный процесс сопровождается выделением энергии, составляющей приблизительно 3000-3500 Ккал.
Поскольку выработка энергии является одним из наиболее важных критериев жизнедеятельности организма, то постоянный контроль (мониторинг) этого параметра может быть существенным фактором получения информации. Особенно актуальной регистрация энергетики является у больных в критических состояниях при проведении реанимации и интенсивной терапии.
Основной проблемой для поддержания обмена веществ является проблема кислорода, т.к. его запасы столь незначительны, что позволяют осуществлять жизнедеятельность организма всего лишь несколько минут.
Содержание кислорода в крови при дыхании атмосферным воздухом составляет 850 мл., при дыхании 100% кислородом — 950 мл. Запасы кислорода в легких содержатся в их функциональной остаточной емкости (ФОЕ) и при дыхании воздухом составляют 450 мл, а при дыхании 100% кислородом — 3000 мл. В незначительных количествах (250-300 мл) кислород содержится в тканях в растворенном или связанном состоянии. Таким образом, общие запасы кислорода в организме составляют около 1,5 литров при дыхании воздухом и несколько больше четырех литров при дыхании 100% кислородом.
Если учесть, что в покое человек потребляет около 250 мл кислорода в 1 минуту, а при физической нагрузке и различных патологических состояниях потребление 02 увеличивается в несколько раз, то становится очевидным, что запасов кислорода может хватить не более, чем на 5-6 минут.
Именно поэтому в процессе эволюции высших организмов появились системы органов, призванных обеспечить в организме непрерывное поступление кислорода.
Это прежде всего система крови, в которой кислород аккумулируется в виде раствора в плазме и химической связи с гемоглобином.
Это система органов дыхания (ротовая полость, глотка, гортань, трахея, бронхи и легкие), в которой осуществляется переход кислорода из внешней среды в кровь и углекислого газа из крови во внешнюю среду (газообмен).
Это система органов кровообращения, которая обеспечивает транспорт кислорода к органам и тканям и выведение углекислого газа.
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.
Почему мы не можем жить без кислорода
Все знают, что кислород — важный химический элемент для всего живого. В атмосфере содержится до 21% О2, и жизнь и для нас, и для животных, которые населяют нашу планету, без него фактически не представляется возможной.
Под действием кислорода происходит выработка большого количества АТФ. Без кислорода это тоже возможно, но этот процесс идет гораздо менее эффективно и этого не хватит, чтобы обеспечить нашу жизнедеятельность. Да, конечно, есть много живых организмов, которым кислород не нужен — они нашли для себя другой окислитель, который можно использовать, и прекрасно себя чувствуют. Мы так не умеем, и я думаю, вряд ли когда-либо сумеем.
Без АТФ невозможно существование клеток, поэтому давно было понятно, что каким-то образом они должны реагировать на недостаток кислорода. Но до работ Питера Рэтклифа, Уильяма Келина и Грегга Семенцы было неясно, как именно наши клетки понимают, что в какой-то момент кислорода в среде становится недостаточно. Примечательно, что эти ученые представляют довольно разные области. Но, работая в своих направлениях, они параллельно пришли к одному и тому же и смогли изучить эти механизмы.
С чего все началось
Как известно, в эритроцитах находится гемоглобин, и именно он связывает кислород и доставляет его к тканям. Но здесь необходимо упомянуть о таком гормоне, как эритропоэтин. Он выбрасывается в кровь почками (некоторым образом его могут синтезировать также клетки печени) и служит сигналом для организма, чтобы вырабатывалось большее количество эритроцитов. Это, в свою очередь, приводит к тому, что ткани и клетки больше снабжаются кислородом.
Исследователи, которым была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине в 2019 году, как раз изучали, как происходит образование этого гормона в организме, а именно — в каких случаях запускается его синтез. Грегг Семенца обнаружил регуляторный элемент — энхансер (небольшой участок ДНК, который после связывания с ним факторов транскрипции стимулирует транскрипцию с основных промоторов гена или группы генов — прим.ред.), который усиливает производство эритропоэтина. Параллельно такую работу проводил и Питер Рэтклиф.
Послебыло обнаружено, что именно с этим регуляторным элементом связывается какой-то белковый фактор, Грег Семенца назвал его HIF-фактор (Hypoxia-inducible factor). Далее выяснилось, что этот белок на самом деле не один. HIF состоит из двух частей: HIF-alpha, содержание которого зависит от концентрации кислорода, и HIF-beta, содержание которого не зависит от концентрации кислорода.
Таким образом, ученые обнаружили, что есть последовательность, с которой связывается регуляторный фактор и которая запускает гены в ответ на недостаток кислорода. В дальнейшем они показали, что это касается не только эритропоэтина, этот процесс запускается повсеместно, поскольку всем клеткам жизненно важно отвечать на недостаток кислорода.
Стоит отметить, что до исследования, связанного с HIF, Уильям Келин работал с другим объектом: он занимался исследованием довольно редкого синдрома под названием болезнь Гиппеля–Линдау. Ученый обнаружил, что при нарушении работы гена VHL (Von Hippel–Lindau) запускалось образование различных опухолей, как правило, это были опухоли спинного, головного мозга. Таким образом стало понятно, что этот ген очень важен для того, чтобы опухоли не развивались.
Также в процессе исследования обнаружилось, что в организме людей, у которых была нарушена работа белка, кодируемого этим геном, также было много различных продуктов, которые запускают фактор HIF. То есть он есть у них в больших количествах, и при этом никуда не убирается организмом, даже несмотря на нормальное количество кислорода в среде. Это натолкнуло на мысль, что VHL и HIF связаны. Эту загадку ученые разгадывали уже совместно, и вот к чему они пришли.
Если в среде недостаточно кислорода, то HIF-фактор уходит в ядро и связывается с той самой регуляторной последовательностью, которую обнаружил Грегг Семенца. Таким образом, запускается работа генов, которые нужны при ответе на гипоксию – низкое содержание кислорода в среде.
Что еще показали ученые
Какие еще гены, помимо эритропоэтина, регулируются этим фактором? Это гены, которые запускаются при ангиогенезе, то есть при образовании и росте сосудов. Кроме того, это характерно для всех ферментов, которые участвуют в метаболизме. И наконец, это те гены, которые тем или иным образом способствуют выживанию или, наоборот, смерти клетки.
При активации генов, которые находятся под контролем фактора HIF-alpha, происходит усиление процессов гликолиза: глюкоза расщепляется, что в итоге дает нам энергию, или, иными словами, ту самую АТФ, которая нужна клетке. В нормальных условиях клетка может получить 36 молекул, а без кислорода — всего лишь две. То есть в таких условиях гены под контролем HIF-фактора пытаются сделать хоть что-то.
HIF-фактор может служить защитой от гибели клетки, если организм находится в условиях гипоксии короткое время. Но, если процесс хронический, они, напротив, запускают гибель клетки.
На что могут повлиять эти открытия на практике
На практике эти результаты открывают новые возможности по дальнейшему изучению адаптации организма к условиям, для которых характерно низкое содержание кислорода. Это не только высокогорье или морские глубины, но и космос.
Кроме того, это может стать причиной серьезного пересмотра патогенеза многих заболеваний. Учитывая новые знания, можно более эффективно лечить заболевания, связанные с нарушением снабжения органов и тканей кислородом. Можно также улучшить состояния пожилых людей, которые не могут в полной мере ответить на гипоксию тканей.
И наконец, HIF-фактор является сегодня довольно перспективной мишенью для исследователей, которые изучают способы блокирования роста опухолей. Уже обнаружено, что этот фактор бывает чрезвычайно активен в опухолевых клетках. Это приводит к тому, что опухоль прекрасно живет и развивается, обрастает новыми сосудами, которые питают ее кислородом. Ученые предположили, что, если блокировать этот фактор, мы сможем либо убить опухоль, либо хотя бы ослабить ее, предотвратить метастазирование. И сейчас разрабатываются ингибиторы для того, чтобы предотвратить действие HIF-фактора и попытаться сделать опухоли более уязвимыми.
Нобелевская премия по физиологии и медицине 2019 года присуждена трем ученым – американцам Уильяму Кэлину и Греггу Семензе и британцу Питеру Рэтклиффу “за открытие того, как клетки распознают уровень кислорода и адаптируются к нему”.
Члены Нобелевского комитета подчеркнули фундаментальную важность открытия: способность усваивать кислород критически важна для всех животных организмов на Земле, включая человека. Мы можем долго прожить без еды, достаточно долго – без воды, но мы не можем не дышать. Это связано с тем, что кислород, который мы вдыхаем, постоянно вовлечен в фундаментальные процессы извлечения энергии, которая необходима для жизни нашего организма. Сегодняшние лауреаты обнаружили генетический механизм, который позволяет организму регулировать уровни кислорода в разных частях тела и управлять ими.
“Это может прозвучать банально, но открытие сегодняшних лауреатов – то, что войдет в учебники биологии. Дети в возрасте 12-13 лет будут изучать это, потому что это очень, очень базовый аспект работы клеток“, — сказал член Нобелевского комитета профессор Рэндон Джонсон.
Зачем вообще нужен кислород
Наверное, каждому очевидно, что кислород (O 2 ) очень нужен. Перекрытие его поступления в организм – при инфаркте, утоплении, повешении, сильном задымлении — приводит к быстрой смерти. Без кислорода невозможна жизнь не только такого сложного организма, как человеческий, но и куда более простых организмов и клеток. Кислород внутри клеток на самом базовом уровне участвует в процессах извлечения энергии из питательных веществ. Будь то углеводы или жиры, кислород нужен, чтобы окислить их – в этом процессе выделяется энергия, необходимая для всех без исключения процессов в нашем организме – биосинтеза белков, из которых состоит все внутри нас, их транспорта и всех более сложных функций, включая иммунитет и само дыхание.
В разных условиях в окружающей среде содержится разное количество кислорода, поэтому при его недостатке телу нужно, во-первых, перераспределять его так, чтоб он шел на самое необходимое, а во-вторых, — сигнализировать нам о том, что кислорода мало и его нужно искать. То же касается уровней кислорода в разных частях тела и органах – иногда его сильнее расходует мозг, иногда – мышцы. Тогда нужно лучше снабжать их, выравнивать уровень.
Что сделали нобелиаты
Здесь важно понять, как же реагирует на гипоксию организм. Кислорода мало, значит, его нужно лучше переносить и извлекать, а для этого нам нужно больше красных кровяных тех – эритроцитов (тех самых, что содержат гемоглобин, который измеряют врачи – низкий гемоглобин означает проблемы со снабжением органов кислородом). Чтобы эритроцитов стало больше, при гипоксии организм выделяет гормон эритропоэтин, который и запускает их синтез. Слово эритропоэтин тоже знакомо – в связи с допинговыми скандалами. Больше кислорода в мышцах – больше спортивные успехи, поэтому спортсменами становятся те, у кого изначально хороший гемоглобин и много эритропоэтина.
А потом хочется еще сильнее повысить его уровень, и для этого используются как легальные, так и, к сожалению, нелегальные способы. Однако, запомним, что в обычной жизни эритропоэтин – не допинг или яд, а гормон, которому мы обязаны жизнью, а наши клетки – возможностью дышать, получать нужное количество кислорода. Еще с начала XX века был известен механизм гормонального контроля производства красных кровяных телец, но ученые не могли разобраться, как его запускает дефицит кислорода?
У здорового человека этот механизм критичен для метаболизма вообще – процесса выработки энергии из пищи, для компенсации при физических нагрузках, адаптации к горам, развитию эмбриона и контролю иммунитета. Он также важен при болезнях – анемии, инсультах, инфарктах, инфекциях и ранах, — везде, где необходимо локальное усиленное снабжение кислородом. Есть исследования, которые на основании этого механизма пытаются бороться с раковыми опухолями – если опухоль “посадить” на кислородный голод, она не сможет развиваться и расти.
О ком речь
Кэлин и Семенза родились в Нью-Йорке. Кэлин работает в медицинском институте Ховарда Хьюджеса, Семенза – в Университете Джонса Хопкинса. Сэр Питер Рэтклифф родился в Ланкашире и сейчас работает в Оксфорде.
Во время пресс-конференции, посвященной оглашению премии, секретарь Нобелевского комитета по физиологии и медицине Томас Перлманн рассказал, что ему удалось пообщаться со всеми тремя лауреатами.
Иногда на пресс-конференции организуют телефонные интервью с лауреатами, однако в этот раз никого из них на связи не было, на вопросы отвечал только Нобелевский комитет.
Размера премии в этом году составляет девять миллионов крон, и они будут разделены поровну между всеми тремя лауреатами.
Немного истории
Всего с 1901 года было присуждено 109 Нобелевских премий в физиологии и медицине – премии не всегда вручались во время мировых войн и в нескольких других случаях. Лауреатами стали 216 человек – правила Нобелевского комитета позволяют каждый год наградить от одного до трех человек. Среди них всего 12 женщин. Самым молодым лауреатом был Фредерик Бантинг – он получил премию в 1923 году в возрасте 32 лет за открытие инсулина. Самым старым – Пейтон Роус, он получил премию в 1966, когда ему было 87 лет.
Роус был награжден за открытие в области гормонального лечения рака простаты. Один раз премия в области физиологии и медицины была присуждена посмертно – в 2011 году Ральфу Штайнману присудили премию за изучение механизма иммунного ответа, но он умер за три дня до этого. Хотя Нобелевские премии запрещено присуждать посмертно, Нобелевский комитет не стал пересматривать решение , так как заявил, что лауреат умер уже после принятия решения о присуждении.
Читайте также: