3)Макроэрги

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. 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 запомнить, что понятия работы в физике и в физиологии заметно различаются. Простейший пример: с точки зрения физики человек, стоящий по стойке «смирно» не выполняет никакой работы. Однако любой, кому приходилось так стоять, знает, что при этом испытываешь достаточно сильное утомление, то есть физиологическая работа вовсе не равна нулю.

2. Синтез макромолекул. В организме человека каждый час распадается и синтезируется около 100 г белков, то есть белковый состав организма обновляется примерно в течении 3-х суток. На это затрачивается значительная свободная энергия

(от 25 000 кДж/ моль до 200 000 кДж/моль для разных белков). Эту энергию можно подсчитать по формуле:

где–число синтезированных молей,- изменение химического потенциала при синтезе данного белка.

3.Поддержание разницы концентраций. Во всех клетках концентрация многих веществ внутри клетки С_внутр заметно ( часто- во много раз ) отличается от концентрации снаружи С_нар.

Например, калия в цитоплазме много больше, чем в межклеточной жидкости, а натрия наоборот, больше снаружи. Эта разница концентраций необходима для жизнедеятельности клеток. Диффузия ионов и молекул через мембрану стремится выравнять концентрации, поэтому в клетках существуют особые механизмы ( их часто называют насосами ), которые переносят вещество через мембрану против разности концентраций. На работу этих насосов тратится заметное количество свободной энергии, которое можно подсчитать по формуле

G = RТ.ln,

где –число молей перенесенного вещества.

4. Создание разности потенциалов на мембранах.

Цитоплазма всех клеток заряжена отрицательно по отношению к межклеточной среде. Другими словами, на мембранах всех клеток существует постоянная разность потенциалов, называемая потенциалом покоя (ПП). Кроме того, во многих клетках в ответ на внешнее воздействие (раздражение) возникает кратковременная (импульсная) разность потенциалов, называемая потенциалом дейтствия (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 W_{электр.} рассчитывается по известной формуле:

G = W_электр = q.U ; q- заряд перенесенных ионов. q=.z.F, где – число молей ионов, перенесенных через мембрану,z – валентность иона , F – число Фарадея, то есть заряд одного моля ионов ( F = 96 500 Кл/моль ) . Отсюда получаем: G = zFU

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

называется изменением электрохимического потенциала.

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%.