Спр. материал / ОБМЕН В-В / 08. ОБМЕН ЭНЕРГИИ

15.3. ОБМЕН ЭНЕРГИИ

15.3.1. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

А. Жизнедеятельность организма обеспечива­ется рядом активных процессов, протекающих с использованием химической энергии. Эту

энергию клетки получают из белков, жиров и углеводов пищи путем перехода ее в форму, доступную для использования в организме. Такая энергия образуется в сложной цепи метаболических реакций, в которых выделя­ют три стадии (см. схему 15.1).

В первой стадии, которая реализуется главным образом в пищеварительном тракте,

крупные молекулы белков, жиров и углево­дов расщепляются ферментами на специфи­ческие структурные блоки — аминокислоты, жирные кислоты, глицерол, глюкозу и другие сахара.

Во второй стадии из этих продуктов обра­зуются еще более простые молекулы, общие для обмена разных веществ; к ним относят­ся, в частности, пируват, ацетилкоэнзим А, а-кетоглутарат, оксалоацетат, фумарат, сук-цинат.

Третья стадия — цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты, или цикл Кребса, приводит к окислению веществ до СО₂ и Н₂О. Освобождающиеся азотистые продукты обмена, как и вода с углекислым газом, удаляются органами выделения.

Вторая и третья стадии метаболизма разви­ваются внутриклеточно в различных тканях. В этих стадиях из продуктов расщепления пи­тательных веществ освобождается почти вся заключенная в них энергия, на первой стадии освобождается лишь 1 % энергии.

Б. Роль макроэргических соединений в об­мене энергии. Химическая энергия пищи ис­пользуется для образования АТФ или синтеза крупномолекулярных веществ. АТФ пред­ставляет собой донор свободной энергии в клетках. В обычных клетках АТФ использует­ся в течение одной минуты после ее образо­вания, скорость оборота АТФ очень велика.

Стабильность концентрации в клетке АТФ может поддерживаться рядом механизмов, одним из которых является образование кре-атинфосфата (КФ). Когда количество АТФ превышает определенный уровень, часть ее энергии используется для синтеза КФ, коли­чество которого при этом возрастает. При повышении же распада АТФ в условиях акти­вации энергетического обмена КФ использу­ется для ресинтеза АТФ.

Для синтеза АТФ (ГТФ) из аденозинди-фосфорной (гуанозиндифосфорной) и фос­форной (ФК) кислот используется химичес­кая энергия белков, жиров и углеводов — субстратов окисления. Если символом А обо­значить субстрат окисления, то преобразова­ние энергии в организме можно представить упрощенно в виде двух сопряженных между собой процессов — окисления и фосфорили-рования:

окисление — АН₂ + О = А + Н₂О + (химичес­кая энергия) + первичная теплота.

Фосфорилирование — АДФ + ФК = АТФ.

Существуют и бескислородные (анаэроб­ные) пути преобразования энергии, в кото-

рых могут быть использованы только углево­ды (анаэробный гликолиз); такие способы реализуются при недостаточном поступлении кислорода в организм, ткани и клетки. При полном прекращении дыхания и расходова­нии резервов кислорода эти процессы могут обеспечить потребность в энергии еще в те­чение 2 мин.

При максимальном мышечном сокраще­нии имеющихся в тканях запасов АТФ доста­точно лишь на 1 с. Энергия КФ, концентра­ция которого в 3—8 раз больше, чем АТФ, может поддержать такое сокращение в тече­ние еще нескольких секунд. При максималь­ном сокращении на протяжении нескольких секунд абсолютно необходим анаэробный гликолиз, в котором используются запасы гликогена. Ресинтез гликогена из образую­щейся при этом молочной кислоты возмо­жен, однако, лишь в аэробных условиях, поэ­тому после прекращения физической нагруз­ки потребление кислорода остается высоким в течение восстановительного периода, для­щегося от нескольких минут до часа. Этот процесс способствует погашению «кислород­ного долга» организма.

В. Соотношение прихода и расхода энер­гии. У адекватно питающегося взрослого че­ловека с достаточной двигательной активнос­тью обычно имеет место энергетическое рав­новесие: поступление в организм энергии со­ответствует ее расходу, как и равенство про­цессов анаболизма и катаболизма, отклоне­ния возникают лишь в определенных ситуа­циях.

Существуют периодические (биоритмоло­гические) колебания скорости реакций энер­гетического обмена. Так, в утренние часы и в летнее время года анаболические реакции не­сколько менее активны, чем в вечернее время суток и в зимние месяцы года.

Г. Преобразование энергии в организме. Конечной формой преобразований энергии является тепловая энергия. Часть энергии, заключенной в молекулах белков, жиров и углеводов, не используется для синтеза мак­роэргических соединений, а рассеивается в окружающую среду. Доля этой энергии — первичного тепла — соответствует примерно 35 % всей химической энергии пищевых ве­ществ. При распаде макроэргических соеди­нений часть их энергии также переходит в тепло, названное вторичным. Оно, как и пер­вичное тепло, выделяется в окружающую среду. В лучшем случае не более 27 %, а чаще 25 % всей химической энергии пищи исполь­зуется для функций (внутренней работы) ор­ганизма — транспорта, синтеза, секреции,

сокращения гладких и скелетных мышц. Эта энергия в последующем также переходит в тепловую.

Поскольку тепловая энергия представляет собой практически единственный эквивалент преобразующейся в организме химической энергии, интенсивность энергетического об­мена принято оценивать в единицах тепло­вой энергии. В Международной системе еди­ниц (СИ) в качестве основной единицы энергии принят джоуль (Дж):

1 Дж = 1 Вт в 1 с = 2,39-Ю⁴ ккал; 1 ккал = 4,19 кДж.