Экзамен / Ответы на вопросы / 3.Макроэрги, их роль в жизнедеятельности. Виды работ, совершаемых в организме

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.

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 цитоплазме и в межклеточной среде.

4.Поддержание разности потенциалов на мембранах клеток.

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). Однако, любой, кому приходилось так стоять, знает, что при этом испытываешь достаточно сильное утомление, то есть физиологическая работа вовсе не равна нулю. Так же к нелепому результату приведёт попытка рассчитать работу при ходьбе по формуле

А = F^.S.

2. Синтез макромолекул. В организме человека каждый час распадается и синтезируется около 100 граммов белков, то есть белковый состав организма обновляется примерно в течение 3 суток. 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

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). Отсюда получаем: G_пот = ν.z.F.U (8)

Учитывая вклад всех трёх типов процессов (кроме мышечной работы) получим для общей затраты свободной энергии:

G = (9) Величина Δμ_{ЭХ =} (10)

называется изменением электрохимического потенциала.

Именно изменение электрохимического потенциала определяет характер и направление многих физико-химических

процессов, происходящих в клетках. Мы встретимся с этим на дальнейших лекциях и занятиях. Очевидно, что

ΔG = ν ·Δμ_ЭХ (12)