3) Применение первого начала термодинамики к живым организмам.

Справедливость первого начала (закона сохранения энергии) для живых организмов никогда не вызывала сомнений, более того, оно впервые было сформулировано именно для живых организмов (Р. Майер, Г. Гельмгольц).

Энергия пищи тратится на совершение живым организмом работы, на изменение его внутренней энергии и частично отдается в окружающую среду в форме тепла.

Для животных и человека практически единственным источником свободной энергии являются пищевые продукты. Если свободную энергию, получаемую при их усвоении, обозначить G_ПИЩИ, то первое начало можно записать в таком виде:

G_ПИЩИ = ΔU + A + Q (3)

то есть энергия пищи идёт:

а) на повышение внутренней энергии организма;

б) на совершение работы и

в) на теплоотдачу в окружающую среду (организм всегда должен отдавать тепло, иначе он перегреется, что несовместимо с жизнью).

Если рассматривать состояние здорового организма за достаточно большой промежуток времени, то легко убедиться, что внутренняя энергия организма в большинстве случаев лишь колеблется в некоторых пределах, но в среднем остаётся постоянной (ΔU = 0). Тогда

G_ПИЩИ = A + Q (4)

Эта формула называется уравнением энергетического баланса. Она многократно была проверена на животных и людях. В частности, она служит основой для разработки самых разнообразных норм питания. Однако, надо помнить, что для больного человека или для человека, находящегося в необычных (экстремальных) условиях, формула (4) может быть неприменима, так как в этих случаях внутренняя энергия организма может существенно меняться (ΔU ≠ 0).

Вопрос №3

1) Макроэрги, их роль в жизнедеятельности.

Макроэрги – вещества, обеспечивающие энергией все клетки организма. Важнейшим из таких веществ является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

В обычных условиях основная часть АТФ и других макроэргов возникает за счет аэробного синтеза. Однако, при недостатке кислорода (гипоксии), возникающем, например, при усиленной физической нагрузке или при подъеме на большую высоту, а также при некоторых заболеваниях анаэробный синтез может иметь существенное значение.

Основные пути использования свободной энергии (совершения работы) в организме.

Когда мы говорим, что заметная доля свободной энергии пищи идет на совершение работы, мы не должны рассматривать только мышечную работу. Последняя является важным, но далеко не единственным путем использования свободной энергии.

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.

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

(АТФ) (АДФ) (около30 кДж/моль)

• На совершение работы используется около 40% энергии АТФ, или 20% от исходной энергии пищи.

• Остальная энергия опять-таки превращается в тепло и уходит из организма.

• Таким образом, КПД организма составляет около 20%.

• 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.