Энергия в дыхании. Роль митохондрий

Автор статьи: Наталья Гудкова (выпускница 1 курса инструкторского обучения по международной сертификационной программе “Осознанное дыхание”).

Можно ли дышать энергией? Вроде бы ответ лежит на поверхности: дышим мы воздухом, получая из окружающей среды кислород (О2) и отдавая некоторые продукты распада (CO2, H2O и т.д.). Никакую энергию мы в себя не вдыхаем.

Однако каждый наш вдох и выдох — это часть большого, отлаженного эволюцией метаболического процесса, в результате которого наш организм синтезирует и накапливает полезную энергию, которую потом использует для жизнедеятельности. Получается, что дыхание и энергия тесно связаны друг с другом. И чтобы понять насколько, нужно чуть подробнее погрузиться в процесс под названием «клеточное дыхание».

Известно, что на вдохе кислород направляется в легочные альвеолы, затем — в кровь, из крови — поступает к тканям и клеткам. Здесь начинается клеточное дыхание.

Клеточное дыхание — это процесс окисления органических веществ, в результате которого синтезируются молекулы АТФ (аденозинтрифосфат). В них накапливается энергия, которую потом клетки могут использовать для выполнения работы. Окислителем в данном случае выступает кислород. 

Устройство митохондрий и их роль в клеточном дыхании

Процесс клеточного дыхания происходит в митохондриях. Их еще называют «энергетическими станциями». В среднем каждая клетка организма содержит до 2000 митохондрий и каждая из них синтезирует молекулы АТФ, которые поставляют энергию для формирования белков, углеводов, жиров, избавления от отходов, транспорта вещества и других задач.

Митохондрия содержит две мембраны — гладкую внешнюю и складчатую внутреннюю. Внутренняя мембрана “складывается” в перегородки под названием кристы. Количество крист зависит от того, насколько активно в тканях идут окислительные процессы — чем быстрее, тем больше крист. Например, их много в клетках мозга, печени и сердца.

На внешней мембране митохондрии расположены поры для проникновения веществ. Внутренняя мембрана, напротив, не пропускает молекулы, за исключением O2, CО2, H2O. Внешняя мембрана отделяет митохондрию от цитоплазмы, а внутренняя обеспечивает работу дыхательной цепи для синтеза АТФ. 

Абсолютно все органеллы митохондрии участвуют в процессе клеточного дыхания. Благодаря этой слаженной работе у живых организмов возможен энергообмен, который играет огромную роль абсолютно на всех этапах жизни.

Этапы клеточного дыхания

1. Первым этапом энергообмена является гликолиз. Глюкоза (сахар) проходит ряд превращений, в результате которых образуются две молекулы пировиноградной кислоты/пирувата (С3Н4О3) и две молекулы НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид). Параллельно образуется АТФ, а НАД+ превращается в НАДН.
2. На втором этапе окисляется пируват. Он превращается в молекулу с 2 углеродами. К ней прибавляется кофермент А и получается ацетил-КоА. Попутно выделяется CO2 и образуется НАДН.
3. Третий этап называют цикл Кребса (в честь немецкого биохимика Ханса Кребса, исследовавшего аэробный обмен). Здесь ацетил-КоА соединяется с молекулой, где 4 углерода. Происходит длинный цикл реакций, в результате которых образуется АТФ, НАДН, ФАДН2 (флавинадениндинуклеотид) и выделяется CO2.
4. Четвертый этап называется “окислительное фосфорилирование”. Молекулы НАДН и ФАДН2 отдают электроны в транспортную цепь на внутренней мембране митохондрии и снова превращаются в НАД+ и ФАД. На внешней стороне крист остаются протоны. Электроны переходят на внутреннюю поверхность крист и вместе с О2 образуют отрицательный активный кислород. 

Противоположные заряды, расположенные по обе стороны, создают электрическое поле, и, в результате, начинает действовать протонный канал. Через этот канал протоны направляются внутрь митохондрии, создавая высокий уровень энергии. Большая ее часть идет на АТФ, а часть выделяется в виде тепла. 

(Этапы клеточного дыхания описаны согласно учебникам биохимии «Биология: клетки и ткани», Д. К. Обухов, В.Н. Кириленкова, 2019 г. и «Биологическая химия», Е.С. Северин, Т.Л. Алейникова, Е.В. Осипов, С. А. Силаева, 2008 г.)

При распаде молекулы глюкозы через все вышеописанные этапы, образуется 38 молекул АТФ. Во время гликолиза запасаются 2 молекулы, а вот на остальных стадиях накапливаются 36 молекул. Важно еще раз отметить, что эти процессы просто не могут протекать без кислорода. За исключением гликолиза. Но в таком случае, это — процесс брожения. Из-за отсутствия кислорода для дыхательной цепи не хватает электронных акцепторов. В таких условиях пируват восстанавливается до лактата (молочной кислоты), который поступает в кровь. В процессе брожения выделяется всего 2 молекулы АТФ[1].

Получается, что чем больше кислорода поступает в наш организм, тем интенсивнее проходят окислительные процессы, и тем активнее идет синтез АТФ. Кислород является наиважнейшим элементом эффективной продукции энергии.

Зачем нам АТФ?

В каждый момент времени объем АТФ в организме не превышает 250 г. Этого хватит лишь на несколько секунд максимальной нагрузки. Почему же организм не запасает столь важный элемент? Ответ заключается в том, что 1 моль АТФ весит 507,19 г — а это довольно много. (Данные по учебнику «Taschenatlas der Biochemie» Jan Koolman, Klaus-Heinrich Rohm, 1998)

1 моль АТФ дает 40 — 60 кДж энергии или 9,5 — 14,3 Ккал. Человек с усредненным весом в 70 кг затрачивает примерно до 700 Ккал, чтобы преодолеть 10 км. Получается, что для такой дистанции ему потребуется практически 30 кг АТФ. Очевидно, что чем больше килокалорий вам необходимо потратить, тем больше АТФ вам потребуется.

Поэтому организм не создает запаса АТФ, а постоянно синтезирует его.

Полученную при распаде АТФ энергию организм использует абсолютно во всех процессах жизнедеятельности — от микро до макроуровня. На клеточном уровне энергия нужна в первую очередь для того, чтобы шли метаболические процессы. На уровне тканей и органов — чтобы все системы (кровеносная, дыхательная, нервная, пищеварительная и т.д.) могли слаженно выполнять свою работу. Во внешнем мире — чтобы человек мог совершать действия, справляться с нагрузками, взаимодействовать с миром. 

Однако важно понимать, что энергия расходуется не только на физическое тело, но и на эмоциональные, ментальные и даже духовные процессы. Когда человек проживает любые сильные эмоции, то задействуются фактически все системы организма, и на их работу необходима энергия. Гнев, радость, печаль, раздражение, удивление — на любые эмоции затрачивается энергетический ресурс. Решая сложные задачи или просто постоянно думая о личных проблемах, человек использует свой интеллект. В этот момент мозг совершает активную работу по поиску подходящего решения и ему тоже нужно много энергии. Наш “центральный компьютер” является координатором всех операций в организме и соответственно использует львиную долю энергии и питательных веществ. Однако будет заблуждением считать, что энергия расходуется только на интенсивную, “заметную” во внешнем мире работу. Даже сидя в медитации или склонившись в молитве, человек все равно бесконечно тратит и синтезирует энергию. В какой-то момент любому человеку этой энергии просто перестает хватать. Эмоциональное выгорание, физическая усталость, рутина, пресыщение, психотравма, негативные мысли — абсолютно все это отбирает драгоценный ресурс. Поэтому «энергетическая таблетка» АТФ так жизненно необходима нам всем.

Отдельно нужно отметить, что организм также затрачивает усилия и для самого использования энергии АТФ. Получается, что часть выработанного “заряда” еще уходит на то, чтобы поддерживать сам процесс синтеза/распада. Получается, что тканям достается не весь объем энергии в чистом виде. Это лишний раз показывает, что абсолютно каждый процесс жизнедеятельности на планете зависит от потребления энергии.

Дыхательные практики и энергия

Важно осознавать, что в течение жизни наш организм постоянно обновляется. И чтобы это динамическое обновление происходило непрерывно, затрачивается колоссальное количество энергии. А кроме этого естественного обновления (поддержания жизни другими словами), человеку еще нужно общаться с другими людьми, ходить на работу, заниматься семейными делами, учиться, развиваться и решать миллион проблем, которые валятся на голову современного цивилизованного представителя homo sapiens.

Живые организмы давно научились использовать для получения энергии дыхание и делают это довольно успешно. Однако в естественном режиме дыхания взрослый здоровый человек задействует далеко не все дыхательные ресурсы, а значит использует не все возможности для выработки энергии. Получается, что потенциально мы можем помочь своему организму естественным образом синтезировать большее количество АТФ.

Во время дыхательных практик применяется волевой режим дыхания, когда с помощью внимания и прилагаемых усилий можно увеличить глубину и скорость дыхания, задействовать разные дыхательные зоны и каналы. (Перечисленные параметры входят в схему “7 параметров дыхания”, разработанную Любовью Богдановой, руководителем Международного центра изучения и практики осознанного дыхания. В схему входят скорость, глубина, усилие, пропорции, дыхательные зоны, звуки и дыхательные каналы). Благодаря этому происходит интенсивное обогащение организма кислородом, который так необходим для синтеза «энергетической молекулы» АТФ.

Кроме того, как утверждается в исследовании[5], проведенном группой австралийских ученых в 2018 году, регулярные аэробные тренировки увеличивают число митохондрий и улучшают качество их работы. В научной статье поясняется, что сначала нагрузки вызывают разрушение митохондрий, но потом образуются новые органеллы — больше и объемнее. Получается, что количество «энергетических станций», которые производят АТФ, увеличивается. Соответственно, растет и количество продуцируемого АТФ.

Наблюдая за тем, как мы дышим во время интенсивных нагрузок, можно заметить, что организм естественным образом начинает «добирать» кислород, чтобы ускорить синтез/распад АТФ и пополнить энергетические запасы. Дыхание становится глубоким, интенсивным, выдох следует сразу за вдохом. Это наблюдение и знание о роли кислорода в эффективной работе митохондрий используется во время энергетических дыхательных практик.

Главным критерием энергодыхания является как раз связность — то есть отсутствие пауз между вдохом и выдохом.

На вдохе мы направляем митохондриям необходимый для окисления кислород, запускаем метаболический процесс, в ходе которого выделяется энергия, а на выдохе выводим продукты распада. Поскольку вдох сразу переходит в выдох, а выдох во вдох, процесс зацикливается, и мы запускаем бесконечный процесс синтеза энергии в наших маленьких внутренних «электростанциях».

Практик, построенных на связном дыхании, довольно много. Все они могут различаться по параметрам (настройкам) дыхания, которые даются инструктором или заданы автором метода или многовековой традицией:

• скорость. связное дыхание может быть медленным и размеренным, очень быстрым и ритмичным, а может соответствовать естественному режиму дыхания;
• глубина. глубина при связном дыхании может быть маленькой, средней или большой;
• усилие. можно прикладывать на вдохе, можно на выдохе, а можно вообще не прикладывать;
• дыхательная зона. дышать связным дыханием можно верхней, средней или нижней дыхательной зоной или сразу всеми;
• звуки дыхания. во время связного дыхания может происходить звукоизвлечение на вдохе или на выдохе;
• дыхательный канал. дышать связно можно и ртом, и носом.

Энергетические дыхательные практики дают довольно быстрый и явный эффект. Так для подъема внутренней энергии используют «20 связных дыханий» Леонарда Орра и его метод ребефинга, холотропное дыхание Станислава Грофа, дыхание Вима Хофа, праническое дыхание Джасмухин, йогические методы бхастрика, капалабхати, когерентное дыхание и еще великое множество вариантов. Всех их объединяет связный тип дыхания.

Однако даже практики, построенные на других принципах, позволят «раздышаться» и потенциально увеличат способность синтезировать энергию за счет улучшения оксигенации организма. А энергия в конечном итоге — это ключ к питанию, восстановлению, росту, активности, здоровью, красоте и молодости. Вот поэтому так важно наладить бесперебойные поставки кислорода к своим микроскопическим «энергетическим станциям» — митохондриям.

Получается, что энергией дышать еще как можно и учиться этому нужно! Несомненно, освоение дыхательных практик под руководством наставника займет некоторое время. Однако получив это знание один раз, можно открыть доступ к бесконечному источнику энергии на всю жизнь. Источнику, который всегда — в любое время и в любом месте — будет находиться под рукой. Множество людей на нашей планете уже черпают энергию из этого “фонтана вечной жизни”. Настало и ваше время открыть для себя силу дыхания!

Источники

1. «Биология: клетки и ткани. Учебное пособие для среднего профессионального образования», Д. К. Обухов, В.Н. Кириленкова, изд. «Юрайт», Москва, 2019 г — https://studme.org/372641/geografiya/kletochnoe_dyhanie_mitohondrii_sintez
2. «Биологическая химия», Е.С. Северин, Т.Л. Алейникова, Е.В. Осипов, С. А. Силаева, изд. ООО «Медицинское информационное агентство», Москва, 2008 г — https://www.iephb.ru/wp-content/uploads/Severin.-Biohimiya.pdf
3. «Taschenatlas der Biochemie» Jan Koolman, Klaus-Heinrich Rohm, 1998 «Наглядная биохимия» / Ян Кольман, Клаус-Генрих Рем (Перевод с немецкого профессора, д-ра биол. наук Л. В. Козлова, канд. биол. наук Е. С. Левиной и канд. хим. наук П. Д. Решетова), изд. «Мир», Москва, 2000 г — http://www.chem.msu.ru/rus/teaching/kolman/03.htm
4. Handbook of Chemistry and Physics Edited By John Rumble, CRC Press, Boca Raton, Florida, USA, 2021 [электронная версия] —https://hbcp.chemnetbase.com/faces/contents/ContentsSearch.xhtml
5. «Principles of Exercise Prescription, and How They Influence Exercise-Induced Changes of Transcription Factors and Other Regulators of Mitochondrial Biogenesis», Cesare Granata, Nicholas A. Jamnick & David J. Bishop, Sports Medicine, 2018 — https://link.springer.com/article/10.1007/s40279-018-0894-4
6. «Control of respiration and ATP synthesis in mammalian mitochondria and cells» Guy C. BROWN, Department of Biochemistry and Molecular Biology, University College London, 1992 — https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1132689/
7. «Coupling of Phosphorylation to Electron and Hydrogen Transfer by a Chemi-Osmotic type of Mechanism», Peter Mitchell, 1961 — https://www.nature.com/articles/191144a0