Баланс энергии в организме человека

Животные организмы получают энергию, уже запасенную в углеводах, через пищу. Следовательно, они способствуют увеличению энтропии среды. В митохондриях клеток этих организмов энергия, запасенная в углеводах, переводится в форму свободной энергии, подходящей для синтеза молекул других веществ, а также для обеспечения механической, электрической и осмотической работы клеток. Освобождение энергии, запасенной в углеводах, осуществляется в результате дыхания — аэробного и анаэробного. При аэробном дыхании расщепление молекул, содержащих запасенную энергию, происходит путем гликолиза и в цикле Кребса. При анаэробном дыхании действует только гликолиз. Таким образом, жизнедеятельность клеток животных организмов обеспечивается в основном энергией, источником которой служат реакции окисления-восстановления «топлива» (глюкозы и жирных кислот), в процессе которых происходит перенос электронов от одного соединения (окисление) к другому (восстановление). С окислительно-восстановительными реакциями сопряжено фосфорилирование. Эти реакции протекают как при фотосинтезе, так и дыхании.

Организм — открытая саморегулирующая система, она поддерживает и реплицирует себя посредством  использования энергии, заключенной в пище, либо генерируемой Солнцем. Непрерывно поглощая энергию и вещества, жизнь не «стремится» к равновесию между упорядоченностью и неупорядоченностью, между высокой молекулярной организацией и дезорганизацией. Напротив, для живых существ характерна упорядоченность как в их структуре и функциях, так и в превращении и использовании энергии. Таким образом, сохраняя внутреннюю упорядоченность, но, получая свободную энергию с солнечным светом или пищей, живые организмы возвращают в среду эквивалентное количество энергии, но в менее полезной форме, в основном в виде тепла, которое, рассеиваясь, уходит во Вселенную.

Процессы обмена веществ  и энергии подвержены регуляции, причем существует множество регулирующих механизмов. Главнейшим механизмом регуляции  метаболизма является контроль количества ферментов. К числу регулирующих механизмов относят также контроль скорости расщепления субстрата ферментами, а также контроль каталитической активности ферментов.

Метаболизм подвержен  так называемому обратному аллостерическому контролю, заключающемуся в том, что во многих биосинтетических путях первая реакция может быть ингибирована (подавлена) конечным продуктом. Можно сказать, что такое ингибирование происходит по принципу обратной связи. В регуляции обмена веществ и энергии имеет значение и то, что метаболические пути синтеза и распада почти всегда разобщены, причем у эукариотов это разобщение усиливается компартментализацией клеток.

Например, местом окисления  жирных кислот в клетках являются митохондрии, тогда как их синтез происходит в цитозоле. Многие реакции метаболизма подвержены некоторой регуляции со стороны так называемого энергетического статуса клетки, показателем которого является энергетический заряд, определяемый суммой молярных фракций АТФ и АДФ. Энергетический заряд в клетке всегда постоянен. Синтез АТФ ингибируется высоким зарядом, тогда как использование АТФ стимулируется таким же зарядом.

12.АТФ – универсальная макроэнергетическая молекула

 

В цитоплазме каждой клетки, а также в митохондриях, хлоропластах и ядрах содержится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Она поставляет энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. С помощью АТФ клетка синтезирует новые молекулы белков, углеводов, жиров, избавляется от отходов, осуществляет активный транспорт веществ, биение жгутиков и ресничек и т. д.

Молекула АТФ представляет собой нуклеотид, образованный азотистым основанием аденином, пятиуглеродным сахаром рибозой и тремя остатками фосфорной кислоты. Фосфатные группы в молекуле АТФ соединены между собой высокоэнергетическими (макроэргическими) связями:

Химические  свойства

Систематическое наименование АТФ:

9-β-D-рибофуранозиладенин-5'-трифосфат, или

9-β-D-рибофуранозил-6-амино-пурин-5'-трифосфат.

Химически АТФ представляет собой трифосфорный эфир аденозина, который является производным аденина и рибозы.

Пуриновое азотистое основание — аденин — соединяется β-N-гликозидной связью с 1'-углеродом рибозы. К 5'-углероду рибозы последовательно присоединяются три молекулы фосфорной кислоты, обозначаемые соответственно буквами: α, β и γ.

АТФ относится к так  называемым макроэргическим соединениям, то есть к химическим соединениям, содержащим связи, при гидролизе которых происходит освобождение значительного количества энергии. Гидролиз макроэргических связей молекулы АТФ, сопровождаемый отщеплением 1 или 2 остатков фосфорной кислоты, приводит к выделению, по различным данным, от 40 до 60 кДж/моль.

АТФ + H₂O → АДФ + H₃PO₄ + энергия

АТФ + H₂O → АМФ + H₄P₂O₇ + энергия

Высвобожденная энергия  используется в разнообразных процессах, протекающих с затратой энергии.

Роль в организме

Главная роль АТФ в  организме связана с обеспечением энергией многочисленных биохимических реакций. Являясь носителем двух высокоэнергетических связей, АТФ служит непосредственным источником энергии для множества энергозатратных биохимических и физиологических процессов. Всё это реакции синтеза сложных веществ в организме: осуществление активного переноса молекул через биологические мембраны, в том числе и для создания трансмембранного электрического потенциала; осуществления мышечного сокращения.

Помимо энергетической АТФ выполняет в организме  ещё ряд других не менее важных функций:

• Вместе с другими нуклеозидтрифосфатами АТФ является исходным продуктом при синтезе нуклеиновых кислот.
• Кроме того, АТФ отводится важное место в регуляции множества биохимических процессов. Являясь аллостерическим эффектором ряда ферментов, АТФ, присоединяясь к их регуляторным центрам, усиливает или подавляет их активность.
• АТФ является также непосредственным предшественником синтеза циклического аденозинмонофосфата — вторичного посредника передачи в клетку гормонального сигнала.
• Также известна роль АТФ в качестве медиатора в синапсах.

Пути синтеза

В организме АТФ синтезируется  путём фосфорилирования АДФ:

АДФ + H₃PO₄ + энергия → АТФ + H₂O.

Фосфорилирование АДФ  возможно двумя способами: субстратное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование (используя энергию окисляющихся веществ). Основная масса АТФ образуется на мембранах митохондрий в ходе окислительного фосфорилирования H-зависимой АТФ-синтазой. Субстратное фосфорилирование АТФ не требует участия мембранных ферментов, оно происходит в процессе гликолиза или путём переноса фосфатной группы с других макроэргических соединений.

Реакции фосфорилирования АДФ и последующего использования АТФ в качестве источника энергии образуют циклический процесс, составляющий суть энергетического обмена.

В организме АТФ является одним из самых часто обновляемых  веществ, так у человека продолжительность  жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин. В течение суток одна молекула АТФ проходит в среднем 2000—3000 циклов ресинтеза (человеческий организм синтезирует около 40 кг АТФ в день), то есть запаса АТФ в организме практически не создаётся, и для нормальной жизнедеятельности необходимо постоянно синтезировать новые молекулы АТФ.

 

А..АТФ: структура

В АТФ цепочка из трех фосфатных остатков связана с 5'-OH-группой аденозина (см. с. 86). Фосфатные группы обозначаются как α, β и γ. Рибоза связана с α-фосфатом фосфоэфирной связью. Три фосфатных остатка соединены между собой менее устойчивыми фосфоангидридными связями. При физиологических значениях рН АТФ несет четыре отрицательных заряда. Собственно действующим коферментом является комплекс АТФ с ионом Mg²⁺, координационно связанным с α- и β-фосфатом.

Б. Фосфоангидридные связи

Показанная на схеме  А формула с изображением фосфатных  остатков с простыми и двойными связями не совсем точно отражает распределение зарядов: в АТФ атомы кислорода всех трех фосфатных остатков несут примерно одинаковый отрицательный заряд, в то время как атомы фосфора заряжены положительно. Одной из причин относительной нестабильности фосфоангидридных связей является сильное отталкивание отрицательно заряженных атомов кислорода, которое ослабевает при гидролитическом отщеплении концевой фосфатной группы. Поэтому такие реакции являются высоко экзоэргическими. Кроме того, при гидролизе АТФ возникает свободный фосфат-анион, который лучше гидратирован и более эффективно стабилизирован за счет сопряжения, чем соответствующий остаток в АТФ. Это также способствует высоко экзоэргическому характеру гидролиза АТФ.

В. Свободная  энергия гидролиза высокоэнергетических связей

Изменение свободной  энергии ΔG^o' (см. с. 16) гидролиза фосфоангидридных связей в АТФ при рН 7 в стандартных условиях составляет от -30 до -35 кДж/моль. Независимо от того, какая из ангидридных связей АТФ при этом расщепляется, величина ΔG^o' остается практически постоянной (1-3). Даже расщепление пирофосфата (4) дает в итоге более -30 кДж/моль, в то время как расщепление сложноэфирной связи между рибозой и фосфатом высвобождает только -9 кДж/моль (5). В клетке действительное изменение свободной энергии при гидролизе АТФ ΔG' еще гораздо выше, так как концентрации АТФ, АДФ и неорганического фосфата (Р_i) существенно более низки, чем в стандартных условиях, а АТФ присутствует в избытке по сравнению с АДФ (см. с. 24). На величину ΔG' влияют также величина рН и концентрация ионов Mg²⁺. Предположительно в физиологических условиях энергия гидролиза АТФ до АДФ и неорганического фосфата равна примерно -50 кДж/моль.

Немногие соединения содержат связи с энергией гидролиза, достаточной, чтобы за счет энергетического сопряжения обеспечить синтез АТФ из АДФ и Р_i (субстратное фосфорилирование, см. с. 152). К таким молекулам с высоким потенциалом переноса групп (см. с. 24) принадлежат фосфоенолпируват (6) и 1,3-дифосфоглицерат (7). Оба соединения являются промежуточными продуктами гликолиза (см. с. 152). Также «богаты энергией» ацильные производные кофермента А (8), такие, как сукцинил-КоА, гидролиз которого до сукцината сопряжен в цитратном цикле с синтезом ГТФ (см. с. 138). Другой богатой энергией фосфатной связью обладает креатинфосфат, с помощью которого в мышце при необходимости может регенерироваться АТФ.

13.Основные  положения теории биологического  поля

 

Объектом клеточного поля являются молекулы. Оно создает  и поддерживает в живых системах специфические для них молекулярную упорядоченность, которая, в свою очередь, имеет динамический характер.

По Э. Бауэру молекулы упорядочиваются:

• непрерывно и направленно
• необратимо
• устойчиво равновесна

Клеточное поле анизотропно. Анизотропность определяет специфику поля и клеток данного вида.

Поле непрерывно и  преемственно, т.е. нет состояния  живой системы без поля, при  делении клетки делится и её поле.

Клетка создает вокруг себя поле, соответственно клетки влияют друг на друга своими полями. В каждой точке любого клеточного комплекса существует синтезированное общее поле, свойства которого зависит от конфигурации целого.

Поле использует энергию, освобождает при экзотермических  химических реакциях в живых системах для сообщающихся молекул субстрата (белкам, пептидам) упорядоченную направленность движений.

Пройденный путь молекулой  определяется запасом её энергии. Передвижение в поле совершают лишь возбужденные поглощенной энергией молекулы.

Если поле обладает значительным grad, то непосредственное последствие его воздействия на возбужденные молекулы должно было быть их значительным разреженным в центральной части клеточного тела, т.е. по соседству с ядром и скопление на периферии клетки.

Продвижение по направленности векторов поля совершают лишь возбужденные до определенного уровня молекулы за счет запаса энергии возбуждения. В клетке должен существовать grad  скорости циркуляции невозбужденных молекул. К ядру должны непрерывно притекать невозбужденные молекулы, и, наоборот, возбужденные отходить от него под влиянием поля. Это предполагает особенно интенсивный метаболизм  преимущественно экзотермического характера вблизи ядра.

Часть свободной энергии  экзотермических процессов метаболизма  затрачивается на продвижение молекул  под влиянием поля, что осуществляет лишь в том случае, если молекулы сообщают известный запас или избыток энергии.

Необходимо допустить  появление при ферментативном расщеплении  в живых системах, как и в  растворе, некоторые количества свободных  радикалов, рекомбинация которых и  доставляет энергию, соответствующую  ультрафиолетовым фотонам.

В случае поглощения энергии  свободных молекул в растворе, безразлично, будет ли она входить  в состав неорганических и органических систем, т.к. она немедленно (через 10^(-8) сек) высвечивается в виде флуоресценции (излучательный переход возбужденного состояния с самого нижнего синглетного колебательного уровня S₁ в основное состояние S_0).

Энергия, поглощенная  молекулой, не должна обязательно высвечиваться  именно той молекулой, которой она  была поглощена, но может переходить в пределах общего энергетического уровня.

2 000 молекул хлорофилла – это «единица действия», поглощающая 4 фотона видимого света, который циркулирует по системам до встречи в 1 молекуле  СО2.

Для поддержания нормальной эволюции конфигурации хромозом затрачивает  энергия, и их момент конфигурации определяется их полем, путем его взаимодействия на молекулярные процессы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14.Заключение

В среднем, человек живет 70-80 лет. С момента рождения и до смерти организм работает беспрерывно, перерабатывая, образуя, затрачивая и расходуя энергию для обеспечения нашей жизнедеятельности.

Выше приводятся все  аспекты образования и расхода  энергии в человеке.

Человеку необходимо поддерживать постоянство внутренней среды, а для этого необходимо выполнять следующие правила: