Вопрос №3

1)Макроэрги, их роль в жизнедеятельности.

В живых организмах свободная энергия, получаемая при усвоении пищи, почти целиком выделяется в ходе биологического окисления, происходящего на внутренних мембранах митохондрий. Примерно 50% этой энергии диссипирует (выделяется в виде тепла, которое целиком уходит в окружающую среду). Остальные 50% тратятся на синтез так называемых макроэргов – веществ, обеспечивающих энергией все клетки организма. Важнейшим из таких веществ является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Работа в живом организме производится за счёт энергии, выделяющейся при отщеплении от АТФ концевой фосфатной группы НРО₃ (обычно обозначаемой одно буквой Ф) и переносе этой группы на какое-то другое вещество, чаще всего – на воду:

АТФ-аза

↓

А-Ф-Ф~Ф + Н₂О → А-Ф-Ф + Н₃ РО₄ + энергия (около30 кДж/моль)

(АТФ) (АДФ)

Реакция катализируется ферментом АТФ-азой. Количество энергии, выделяющееся при переносе фосфатной группы, может колебаться (в зависимости от условий реакции) от 26 до 38 килоджоулей на моль; обычно принимают среднюю цифру 30 кДж на моль. Другими словами, изменение химического потенциала при отщеплении фосфатной группы примерно равно 30 кДж/моль.

На совершение работы используется около 40% этой энергии, или 20% от исходной энергии пищи. Остальная энергия опять-таки превращается в тепло и уходит из организма. Таким образом, КПД организма составляет около 20%.

Резюмируя, можно сказать, что живые организмы отличаются прежде всего тем, что роль промежуточного звена между источником свободной энергии и работой в них выполняет не тепловая энергия, а химическая (энергия АТФ и других макроэргов).

Синтез макроэргов происходит, и основном, за счёт окисления мономеров, на которые расщепляются в кишечнике пищевые продукты. Важнейшим из этих мономеров является глюкоза. За счёт энергии, выделяющейся при окислении 1 моля глюкозы, может синтезироваться 36 молей АТФ. Это так называемый аэробный синтез; он требует расхода кислорода. Кроме того, 2 моля АТФ могут синтезироваться без участия кислорода при других реакциях (анаэробный синтез). Таким образом, за счёт энергии 1 моля глюкозы всего может синтезироваться 38 молей АТФ. Близкие цифры характерны и для других макроэргов.

2)Виды работ, совершаемых в организме.

. Основными направлениями затраты энергии являются:

1. Мышечная работа.

2. Синтез сложных молекул, в первую очередь – белков.

3. Поддержание разницы концентраций многих веществ (в первую очередь ионов) в цитоплазме и в межклеточной среде.

4. Поддержание разности потенциалов на мембранах клеток.

Рассмотрим эти процессы подробнее.

1. Мышечная работа не требует особых пояснений, однако, надо иметь в виду, что понятия работы в физике и в физиологии заметно различаются. Простейший пример: с точки зрения физики человек, стоящий по стойке «смирно» не совершает никакой работы (путь равен нулю

2. Синтез макромолекул. (белков) На это затрачивается значительная энергия (от 25 000 кДж/моль до 200 000 кДж/моль для разных белков). Эту энергию можно подсчитать по формуле: G_синт = ν·Δμ (5), где ν – число синтезированных молей, Δμ – изменение химического потенциала при синтезе данного белка.

3. Поддержание разности концентраций. Во всех клетках концентрация большинства веществ внутри клетки заметно (часто во много раз) отличается от концентрации снаружи. Например, ионов калия в цитоплазме гораздо больше, чем в межклеточной жидкости, а ионов натрия, наоборот, намного больше снаружи. Такая разница концентраций необходима для жизнедеятельности клеток. Ионы (и прочие вещества) под действием разности концентраций достаточно быстро проникают через мембрану (это называют „пассивным транспортом“). Для того, чтобы концентрации внутри и снаружи не выровнялись (что несовместимо с жизнью клетки), в мембранах клеток существуют особые механизмы (их часто называют насосами), которые переносят вещества против разности концентраций. На работу таких насосов тратится заметное количество свободной энергии, которое можно подсчитать по формуле G_КОНЦ=v*RT*InC₁/C₂ (6)

где ν – число молей перенесенного вещества; С₁ и С₂ - концентрации по одну и другую стороны мембраны.

4. Создание разности потенциалов на мембранах. Цитоплазма всех клеток заряжена отрицательно по отношению к межклеточной жидкости. Другими словами, на мембранах всех клеток существует постоянная разность потенциалов, называемая потенциалом покоя (ПП). Кроме того, во многих клетках в ответ на раздражение возникает кратковременная разноcть потенциалов (потенциал действия, ПД). На создание ПП и ПД нужна свободная энергия, которая в данном случае тратится на перенос ионов через мембрану против разности потенциалов U. Эта энергия рассчитывается по известной формуле G_пот = q.U (7), где q – заряд перенесенных ионов, равный: q = ν^.z^.U, где ν – число молей ионов, перенесенных через мембрану, z – валентность иона, F = число Фарадея, то есть заряд одного моля одновалентных ионов (F = 96 500 Кл /моль).