Етапи вивільнення вільної енергії в організмі

Вільна енергія для організму може надходити лише з їжею. Вона акумульована в складних хімічних зв'язках білків, жирів і вуглеводів. Для того, щоб звільнити цю енергію, живильні речовини спочатку піддаються гідролізу, а потім - окислюванню в анаеробних чи аеробних умовах.

У процесі гідролізу, що здійснюється в шлунково-кишковому тракті, вивільняється незначна частина вільної енергії (менш 0,5%). Вона не може бути використана для нестатків біоенергетики, тому що не акумулюється макроергами типу АТФ. Вона перетворюється лише в теплову енергію (первинну теплоту), що використовується організмом для підтримування температурного гомеостазу.

2-й етап вивільнення енергії — це процес анаеробного окислювання. Зокрема, таким способом вивільняється близько 5% усієї вільної енергії з глюкози при окислюванні до молочної кислоти. Ця енергія, однак, акумулюється макроергом АТФ і використовується на здійснення корисної роботи, наприклад, для скорочення мязів, для роботи натрій-калієвого насоса, але, в остаточному підсумку, вона теж перетворюється в теплоту, що називається вторинною теплотою.

3-й етап — основний етап вивільнення енергії— до 94,5% всієї енергії, що здатна вивільнитися в умовах організму. Здійснюється цей процес у циклі Кребса: у ньому відбувається окислювання піровиноградної кислоти (продукт окислювання глюкози) і ацетилкоензима А (продукт окислювання амінокислот і жирних кислот). У процесі аеробного окислювання вільна енергія вивільняється в результаті відриву водню і переносу його електронів і протонів по ланцюзі дихальних ферментів на кисень. При цьому звільнення енергії йде не миттєво, а поступово, тому велику частину цієї вільної енергії (приблизно 52—55%) вдається акумулювати в енергію макроерга (АТФ). Інша частина в результаті «недосконалості» біологічного окислювання губиться у виді первинної теплоти.

Після використання вільної енергії, запасеної в АТФ, для здійснення корисної роботи вона перетворюється у вторинну теплоту. Таким чином, уся вільна енергія, що вивільняється при окислюванні живильних речовин, в остаточному підсумку, перетворюється в теплову енергію. Тому завмер кількості теплової енергії, що виділяє організм, є методом визначення енерготрат організму. У результаті окислювання глюкоза, амінокислоти і жирні кислоти в організмі перетворюються у вуглекислий газ і воду. Якщо в спеціальній Судині (калориметрична бомба Бертло) спалювати білки, вуглеводи і жири в атмосфері кисню до цих же кінцевих продуктів, то вивільняється наступне кількість енергії:

при спалюванні 1 г білку — 5,4 ккал,

при спалюванні 1г жиру — 9,3 ккал,

при спалюванні 1г вуглеводів — 4,1 ккал.

Ці величини одержали назву «калорических еквівалентів». В умовах організму калорическіе еквіваленти 1г вуглеводів і 1г жиру такі ж, як і в калориметричній бомбі, тому що спалювання відбувається до тих же кінцевих продуктів, тобто до СО2 і Н20. Відповідно до закону Гесса, термодинамічний ефект реакції, який веде до утворення тих самих продуктів, однаковий і не залежить від проміжних стадій перетворень. Для білка в умовах організму калоріческий еквівалент нижче, ніж у бомбі —4,1, а не 5,4 ккал/м, тому що білок в організмі окисляється нецілком, частина його залишає організм у виді сечовини, аміаку, амонію.

Отже, в умовах організму при окислюванні 1г білку вивільняється 4,1 ккал, при цьому на окислювання витрачається 0,966 л кисню і виділяється 0,777л СО2: 1 г білка + 0,966л 02 = 4,1 ккал + 0,777л СО2. З цієї реакції випливає, що якщо в організмі окисляється білок і на це витрачається 1л кисню, то повинно вивільнятися 4,6 ккал енергії. Ця величина одержала назву калорический коефіцієнт кисню, чи калорический еквівалент кисню (КЭК).

Якщо розрахувати відношення обсягу вуглекислого газу до обсягу кисню, то воно дорівнює 0,777/0,966 = 0,8. Ця величина називається дихальним коефіцієнтом (ДК).

Якщо в умовах організму окисляється 1 г вуглеводів, то реакцію можна записати в такий спосіб: 1г вуглеводів + 0,833л 02 = 4,1ккал + 0,833л СО2.

Таким чином, якщо на окислювання йдуть тільки вуглеводи, то при споживанні 1л кисню вивільняється 5,05 ккал, а дихальний коефіцієнт дорівнює 0,833/0,833 = 1.

При окислюванні 1г жиру: 1 г жиру + 2,019л О2 = 9,3 ккал + 1,413 л СО2. Таким чином, якщо в організмі окисляються тільки жири і використаний 1л кисню, то при цьому виділиться 4,69 ккал. Величина ДК при окислюванні жирів складає 1,413/ 2,019 = 0,7.

Коли в організмі одночасно окисляються жири, білки, вуглеводи, то ДК може коливатися від 0,7 (окислювання тільки одних жирів) до 1,0 (окислювання одних вуглеводів), а в середньому — 0,85.

При ДК, рівному 0,85, при спалюванні 1л кисню вивільняється 4,862ккал. Приведені розрахунки показують, що знання обсягу спожитого кисню і видохнутого вуглекислого газу (наприклад, за 1 хвилину) дозволяє визначити на основі обчислення ДК — що окисляється (білки? жири? вуглеводи?) і тим самим визначити калоріческий еквівалент кисню, а на його основі розрахувати кількість енергії, що звільняється.

Наприклад, людина за 1 хвилину поглинув 0,250л кисню, видихнув 0,212л вуглекислого газу. Отже, ДК = 0,212/0,250 = 0,85. Калоріческий еквівалент кисню при ДК, рівному 0,85, відповідно до розрахунків і експериментальних даних, складає 4,862 ккал/л кисні. Тоді при споживанні 0,250л кисню виділиться 0,250 х 4,862 = 1,22ккал.

Тому що в нашому прикладі виміри були зроблені в розрахунку на 1 хвилину, то швидкість вивільнення енергії в даному випадку складає 1,22 ккал/хв.

Якщо допустити, що протягом години (доби) споживання кисню буде таким же, а величина ДК — на рівні 0,85, то цей розрахунок можна екстраполювати на годину (60 х 1,22 ккал = 73,2 ккал/година) чи на добу (24 х-60 х 1,22 = 1756,8 ккал/доба).