Энергетический обмен

АТФ и креатинфосфат: как клетка управляет энергией

Важнейший внутриклеточный переносчик энергии — АТФ (аденозинтрифосфат). Молекула образуется путем аэробного или анаэробного окисления (гликолиз, окислительное фосфорилирование), когда потенциальная энергия химических связей питательных веществ переходит в энергию макроэргических фосфатных связей.

Главная особенность АТФ — она не накапливается в клетке. Сразу после образования молекула расходуется на текущие нужды в течение одной минуты.

Для экстренных ситуаций существует креатинфосфат. Его расщепление выделяет энергию, необходимую для моментального восстановления (ресинтеза) АТФ. Это критически важно для поддержания стабильной концентрации АТФ и обеспечения «рывковой» мышечной активности.

Термодинамика живых систем

Энергетические процессы в организме подчиняются физическим законам термодинамики, но имеют свою специфику. Организм является открытой стационарной неравновесной системой, которая постоянно обменивается материей и энергией со средой.

• Первый закон (сохранение энергии): Энергия не берется из ниоткуда и не пропадает. В теле она превращается в механическую работу, кинетическую энергию или теплоту.
• Второй закон: Вся энергия делится на ту, что способна совершать полезную работу (свободная), и ту, что просто рассеивается в виде тепла. Мерой рассеянной, неупорядоченной энергии выступает энтропия.

Согласно принципу устойчивого неравновесия Э.С. Бауэра, живые системы никогда не приходят в состояние равновесия с окружающей средой. Они тратят внутреннюю энергию на то, чтобы постоянно работать против этого равновесия. Важное ограничение: организм не может использовать выделяемое тепло повторно — оно безвозвратно теряется.

Правило изодинамии Рубнера

Организм получает энергию преимущественно из питательных веществ. Правило изодинамии гласит, что нутриенты могут заменять друг друга исходя из их энергетической ценности (калорийности). Однако это правило имеет жесткие биохимические рамки:

1. Белки нельзя заменить ничем. Они выполняют пластическую (строительную) функцию, поэтому абсолютно необходимы.
2. Углеводы нельзя полностью заменить жирами. Существует правило: «жиры сгорают в пламени углеводов».
3. Жиры можно заменять углеводами только в определенной степени.

Солнечная энергия и пути расхода

Солнце — источник внеатомной электромагнитной энергии. Кванты света сталкиваются с электронами в атомах, переводя их на более высокие орбиты (в возбужденное состояние). Возвращаясь обратно, электрон отдает энергию, и атом получает способность вступать в химические реакции. Видимый свет и ИК-излучение имеют относительно низкую энергию, но ее хватает для запуска реакций (например, синтеза активных веществ в коже и сетчатке). Коротковолновое излучение (УФ, рентген, гамма) несет высокую энергию и способно разрушать ткани.

Трансформированная энергия расходуется на клеточный метаболизм, сокращение мышц, секрецию желез и нервное возбуждение. Уровень энергозатрат зависит от биологических данных (пол, возраст, вес), интенсивности нагрузки, хронобиологии (время суток, сезон) и факторов окружающей среды (температура, влажность, давление).

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Механизмы гликолиза и окислительного фосфорилирования
• Теория А. Сент-Дьерди о перемещении электронов
• Специфическое динамическое действие пищи
• Влияние гормонов на интенсивность энергетического обмена
• Методы калориметрии (прямая и непрямая)

Другие темы раздела «Обмен веществ и энергии»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.