Обмен и превращение энергии в организме


Популярные статьи:
Почечные колики


 Обмен энергией в организме

Материальной основой жизни являются белки. В состав клеток и тканей тела человека входит множество различных белковых веществ. В процессе жизнедеятельности организма они претерпевают сложнейшие изменения, беспрерывно распадаются на составные части и вновь воссоздаются, синтезируются.

 На восстановление составных частей клеток, тканей и органов требуются не только исходные материалы — аминокислоты, углеводы и т. д., но и значительное количество энергии. Любое движение, происходящее в живом организме, как бы оно ни проявлялось — всегда требует затраты энергии.

 А сколько энергии нужно для выполнения работы, которая идет внутри живого организма! Днем и ночью, например, сокращается и расслабляется сердце. Оно прогоняет по кровеносным сосудам кровь, несущую клеткам и тканям питательные вещества и кислород. Выделение пищеварительных соков, процессы всасывания также требуют затраты энергии. Ведь в течение суток, например, в желудке человека вырабатывается и выделяется более литра желудочного сока, а в кишечник поступает около литра сока поджелудочной железы и столько же кишечного сока и желчи.

 Удивительнейшей «работоспособностью» обладает такой орган, как наши почки. За 24 часа здесь фильтруется более 170 литров жидкости — «первичной мочи», из которых почти 169 литров всасывается обратно в кровь. В результате этого сложного процесса фильтрации и обратного всасывания образуется и выделяется всего один — полтора литра мочи, которая содержит конечные продукты обмена веществ.

 Таким образом, все физиологические процессы требуют расхода энергии, а следовательно, бесперебойного ее притока. Откуда же черпает организм энергетические ресурсы?

 Первичным источником энергии являются продукты питания: белки, жиры и углеводы – наша пища. Она подвергается в организме очень сложной химической обработке, в желудке и кишечнике белки расщепляются на аминокислоты, сложные углеводы (например, крахмал, гликоген) распадаются на более простые, главным образом глюкозу, а из жиров образуются глицерин, жирные кислоты и т. д. Вновь образовавшиеся вещества всасываются в кровь. В процессе расщепления сложных веществ, входящих в состав продуктов питания, выделяется энергия, но в столь незначительном количестве, что оно ни в коей мере не может удовлетворять потребности организма.

 Что служит основным источником энергии в нашем организме

 Давайте проследим за дальнейшей судьбой веществ, поступивших в кровь. Благодаря чрезвычайно разветвленной сети кровеносных сосудов и капилляров они вместе с кровью попадают во все участки организма. Эти вещества в кровеносном русле постепенно смешиваются с теми, которые образовались в результате распада белков, жиров и углеводов, входящих в состав самих органов и тканей. Вместе они составляют «фонд» разнообразных химических соединений. Очень важно, что из этого «фонда» организм может выбрать все необходимое ему для построения новых клеток, для восстановления разрушенных структур органов, для образования различных пищеварительных соков, «секрета» желез и, наконец, для образования легко «сгорающего» материала, окисление которого обеспечивает необходимые энергетические ресурсы.

 Можно ли более точно назвать вещества, образование которых в органах и тканях является подготовкой «горючего»?

 ЕДИНАЯ «СЕМЬЯ» КИСЛОТ

 Такими веществами являются относительно несложные по структуре органические кислоты. К их числу относится уксусная кислота в особой активной форме, пировиноградная, занимающая центральное место в окислительных процессах, затем янтарная, яблочная, щавелевоуксусная, кетоглутаровая и наконец лимонная.

 Все перечисленные органические кислоты составляют как бы «единую» семью, члены которой при окислении последовательно переходили из одной формы в другую. В биологической химии существует специальное название этих окислительно -восстановительных реакций: лимоннокислый цикл.

 Интересно отметить, что лимоннокислый цикл — характерная особенность большинства клеток и тканей человека, а также высокоорганизованных животных. Строго определенная последовательность окислительно-восстановительных реакций, происходящих в лимоннокислом цикле, вырабатывалась на протяжении миллионов лет в длительном процессе эволюции, приспособления живого организма к изменяющимся условиям внешней среды.

 Последовательность химических превращений в лимонно - кислом цикле обеспечивают белки - ферменты. Они обладают чрезвычайно высокой активностью и поэтому могут ускорять и направлять химические реакции, обеспечивая переход от одного звена лимоннокислого цикла к другому.

 Слов нет, все химические превращения лимоннокислого цикла достаточно сложны, и чтобы понять, откуда и как организм берет запасы энергии, необходимо хотя бы схематично рассказать об этих превращениях.

 Как же они происходят? Начнем со щавелевоуксусной кислоты. Она — единственная из «семьи» кислот, которая вступает в цель окислительных реакций и выходит из них без изменений. Пировиноградная кислота, образующаяся, например, при распаде глюкозы, превращается в углекислоту и активную форму уксусной кислоты. Последняя, соединяясь со щавелевоуксусной кислотой, образует лимонную, которая затем превращается в кетоглутаровую и угольную. Кетоглутаровая кислота через янтарную и яблочную переходит в щавелевоуксусную и угольную кислоту. Далее все реакции вновь повторяются.

 B результате множества строго последовательных химических реакций полностью исчезает пировиноградная кислота. Она окисляется до конечных продуктов — углекислого газа и воды.

 Углекислый газ из клеток органов и тканей, где протекало окисление пировиноградной кислоты, переходит в венозную кровь, затем в легочные альвеолы и удаляется из организма вместе с выдыхаемым воздухом.

 Вторым, очень важным моментом, связанным, с окислением пировиноградной кислоты, является повторное (пятикратное) отщепление водорода. Здесь следует сказать о наиболее характерной особенности окислительных процессов, происходящих в организме человека, а также животных. Она как раз и заключается в том, что водород не сразу вступает в реакцию с кислородом, доставляемым кровью к клеткам органов и тканей.

 В живом организме имеются специальные переносчики водорода. Они как бы принимают его на себя и постепенно, от одного переносчика к другому, переносят водород к кислороду. Благодаря этому энергия образования воды выделяется также постепенно, порциями. А ведь известно, что при соединении водорода с кислородом вода образуется со взрывом — взрывом гремучего газа. Например, было определено, что при образовании 18 граммов воды (ее молекулярный вес—18) освобождается 55 больших калорий. В живом организме энергия образования воды распределяется между многими промежуточными реакциями. Те же 55 больших калорий, конечно, также освобождаются при образовании 18 граммов воды, однако относительно небольшими порциями, которые не могут нанести какой бы то ни было ущерб организму.

 Из всех этих расчетов и рассуждений следует один очень важный вывод: наиболее значительнее количество энергии в организме человека, а также высокоорганизованных животных освобождается не при расщеплении белков, жиров м углеводов, входящих в состав пищи в пищеварительном тракте, а в процессе окисления пировиноградной кислоты или других органических веществ при переносе водорода к кислороду, завершающимся образованием воды.

превращение энергии в организме

На рисунке: Белки, жиры и углеводы, входящие в состав пищи, расщепляются в желудочно-кишечном тракте под действием пищеварительных соков на составные части. Образовавшиеся соединения разносятся кровью по всему телу (А) и попадают в различные органы, в том числе и в печень (Б).
На рисунке (В) показаны клетки печени с условным изображением происходящих в них процессов.
В результате сложных биохимических процессов в органах и тканях образуются различные органические кислоты. Они показаны в виде геометрических фигур, заполняющих ткань печени (1).
Под действием специальных белков — ферментов — эти органические кислоты расщепляются до конечных продуктов — углекислого газа (СО2) и воды (Н2О). Углекислый газ удаляется из организма через легкие при выдохе (2). Вода (3) образуется благодаря тому, что атомы водорода (2Н), освобождающиеся при расщеплении органических кислот, передаются кислороду (О), поступающему из воздуха, причем передача эта происходит не сразу, а постепенно с помощью специальных ферментов-переносчиков (4). Именно на этапах передачи водорода кислороду высвобождается значительное количество энергии.
Вся образовавшаяся энергия распределяется следующим образом: около 50 процентов энергии превращается в тепло (5); другая же половина энергии накапливается, аккумулируется в виде особых фосфорсодержащих соединений, основным представителем которых является аденозинтрифосфат — АТФ.
При дальнейшем расщеплении фосфорсодержащих соединений также выделяется свободная энергия. Эта энергия может легко превращаться в любой другой вид энергии: механическую (6) энергию, необходимую для деятельности мозга (7), химическую, идущую на образование и выделение различных соков в пищеварительном тракте (8), в энергию, которая необходима организму для «строительства» новых клеток и тканей (9).

 ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ В ОРГАНИЗМЕ

 Каким же образом освобождающаяся при окислении энергия используется организмом? Приблизительно половина энергии рассеивается в виде тепла. Оно крайне необходимо для поддержания постоянной температуры тела. Остальная часть энергии накапливается в виде богатых энергией фосфорных соединений.

 К числу таких соединений относится довольно большое количество веществ, в структуру которых входят непрочно связанные остатки фосфорной кислоты. Под влиянием различных ферментов они легко отщепляются, причем разрыв связей сопровождается освобождением большого количества свободной энергии, которая способна перейти а любой другой вид энергии — в механическую, электрическую, химическую, тепловую и т. д.

 Когда человек здоров, в составе его мозга, мышц, внутренних органов содержится достаточное количество богатых энергией фосфорных соединений. Расщепление этих веществ позволяет производить нам мышечную работу, обеспечивает энергию передачи возбуждения по нервным волокнам, дает энергию м для других, весьма различных проявлений жизни.

 Возможность образования в живом организме богатых энергией фосфорных соединений за счет энергии окисления была впервые доказана в 1930 году. Это одно из самых замечательных открытий в области биохимической энергетики.

 В дальнейшем ученые очень обстоятельно разработали проблему накопления, аккумуляции энергии в фосфорных соединениях. Прежде всего исследования показали, что универсальным веществом, накапливающим энергию, является аденозинтрифосфат (сокращенно он называется АТФ). В состав этого вещества входят три остатка фосфорной кислоты, причем два из них непрочно связаны с остальной частью молекулы АТФ. Когда в результате сложных химических превращений такие связи разрываются, то освобождается энергия, необходимая организму для самых различных процессов жизнедеятельности.

 Рассмотрим несколько примеров. Представьте себе работающее сердце. Огромное количество энергии требуется для проталкивания крови по сосудам. Энергия сокращения сердечной мышцы черпается из запасов АТФ. Далее во время сокращения сердечной мышцы ее клетки постоянно изнашиваются, разрушаются. Чтобы восстановить их структуру, также необходимы затраты АТФ.

 Естественно, что количество АТФ должно все время пополняться. Если сердце по той или иной причине не получит из крови достаточного количества легко окисляемых веществ, «горючего», а также кислорода, необходимых для образования АТФ, то неизбежно пострадает или сила сердечных сокращений или процесс восстановления изнашивающейся ткани сердца, в том и другом случае наступит нарушение сердечной деятельности. Примерно то же самое можно сказать о любом органе и организме в целом.

 Еще один пример. Всем известно, какие разнообразные процессы обмена веществ протекают в печени — органе, который образно называют важнейшей биохимической лабораторией организма. Здесь происходит образование конечного продукта азотистого обмена — мочевины, синтез многих белков, в том числе и тех, которые входят в состав крови, окисление и синтез жирных кислот и т. д.

 Все процессы биологического синтеза, протекающие в печени, идут с затраюй энергии и требуют постоянного расхода АТФ. При нормальном снабжении печеночных клеток кровью АТФ беспрерывно образуется за счет энергии окислительных процессов, но если снабжение печени кровью нарушится (например, у алкоголиков печеночные клетки замещаются соединительной тканью и в результате развивается цирроз печени) или притекающая кровь будет бедна кислородом, то траты АТФ не смогут своевременно восполняться. Это повлечет за собой постеленное нарушение процессов обмена веществ, происходящих в печени, тяжелое заболевание всего организма.

 Итак, для образования и постоянного пополнения АТФ чрезвычайно важно снабжать все ткани кислородом. Но только ли за счет энергии окислительных процессов образуется АТФ? Ведь даже а самых обычных условиях может наступить временный, относительный недостаток в снабжении организма иди отдельных его органов и тканей кислородом. Организм обладает замечательной способностью образовывать АТФ за счет сбраживания углеводов. Этот процесс происходит без потребления кислорода, но он дает организму немного энергии. И хотя эффективность процесса бескислородного распада углеводов невелика, он может на некоторое время поддержать жизнь организма. Правда, к недостатку кислорода очень чувствительны такие важнейшие органы, как мозг, сердце, почки. Поэтому кислородное голодание нарушает а первую очередь деятельность именно этих органов.

 Жизнь нашего организма может нормально протекать только при постоянном обмене веществ и энергией с окружающей средой,в движении, бесперебойной деятельности нервной системы и внутренних органов. Все проявления жизни связаны с использованием свободной энергии, которая содержится в клетках организма в виде богатых энергией фосфорных соединений. Непрерывный расход энергии требует постоянного ее пополнения. Вот почему так важно строго соблюдать рациональный режим труда, отдыха, питания - вести здоровый образ жизни.

загрузка...

загрузка...