Превращение энергии в организме

В организм животных энергия поступает в составе питательных веществ корма (пищи). Потенциальная энергия белков, жиров, углеводов аккумулирована в химических связях их молекул. Эта энергия должна обеспечить расходы на поддержание жизни и синтез продукции (молока, яиц, шерсти, белка и жира в теле, рост).

Освобождение энергии питательных веществ происходит небольшой степени при переваривании высокомолекулярных соединений до мономеров в желудочно-кишечном тракте, а главным образом в клетках органов и тканей. Энергетика обмена в клетках основывается на 3-х главных принципах, которые отличают ее от энергетических процессов в неживой природе:

1) химическая энергия превращается в работу и другие формы энергии без предварительного превращения ее в тепловую. Организм – это хемодинамический, а не тепловой двигатель, энергия используется в нем с большей эффективностью;

2) освобождение энергии происходит поэтапно, небольшими порциями, что предохраняет организм от «энергетического взрыва» и обеспечивает более полную утилизацию энергии;

3) сохранение и использование энергии, освободившейся при распаде углеводов, белков и жиров, осуществляется путем превращения ее в энергию других веществ (макроэргов) главным образом АТФ, являющихся биологическими аккумуляторами энергии.

Освобождение и аккумуляция энергии в клетках происходят в процессе биологического окисления в цикле трикарбоновых кислот с освобождением водорода H₂ и образованием углекислого газа, CO₂.

Основное количество образующегося водорода при помощи специфических переносчиков коферментов дегидрогеназ (НАД, НАДФ, ФАД) поступает в так называемую цепь биологического окисления или дыхательную цепь. В дыхательной цепи происходит окисление водорода (поэтапный переход электронов с более высокого на более низкий энергетический уровень) и передача его на конечный акцептор – кислород. В ходе процесса постоянно освобождается энергия, которая частично (30-40 %) выделяется в виде тепла, в основном (60-70 %) аккумулируется в макроэргических связях АТФ.

Путь синтеза АТФ за счет энергии, образовавшейся при окислении водорода в дыхательной цепи, называется окислительным фосфорилированием. Полное окисление глюкозы дает 38 молекул АТФ.

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 38 АДФ = 6CO₂ + 6 H₂О + 38 АТФ

Энергия АТФ, фиксированная в ее фосфатных связях велика, в среднем (без учета источника образования) – 42 кДж/моль (10 ккал/моль). Однако, на образование 1 моля АТФ из углеводов необходимо 74 кДж, из жиров – 75-84 кДж, из аминокислот – 92 кДж. Следовательно, превращение углеводов в АТФ более эффективно, чем из белков.

АТФ – это «текущий» источник энергии для организма, ее запасы сравнительно невелики и постоянно обновляются. Резервным источником энергии являются гликоген печени и мышц, кетоновые тела, триглицериды жировой ткани.

Химическая энергия в виде АТФ является универсальной «энергетической валютой» может необратимо превращаться во все формы энергии (механическую, электрическую, тепловую). Энергия АТФ обеспечивает процессы мышечного сокращения, активного мембранного транспорта, передачи информации, биосинтеза.

Как и образование АТФ, ее распад и перенос энергии сопряжены с энергетическими затратами. Эта энергия (составляющая около половины всей химической энергии АТФ) не может быть использована организмом, освобождается в виде первичного тепла и выводится из организма.

Таким образом, потенциальная энергия питательных веществ = потерям тепла + выполненная работа + энергия отложения продукции.

В конечном итоге энергия выполненной работы превращается в тепловую и выделяется в виде вторичного тепла. (Тепло при работе сердца, трение крови о сосуды, при сокращении мышц).

Так как все источники энергии могут быть превращены в тепло для их выражения используют тепловые единицы.

Единицы энергии. Энергию измеряют в калориях или джоулях. 1 калория равна количеству тепла, необходимого для повышения температуры 1 мл воды на 1ºС в промежутке между 14,5-15,5ºС. Джоуль – это энергия необходимая для ускорения тепла массой 1 кг на 10 см/сек. 1кал=4,184 Дж. 1 джоуль (Дж) = 0,239 кал. Калория и джоуль – очень маленькие величины, поэтому измерения проводят в килокалориях (1000 калорий), килоджоулях (1000 джоулей), мегакалориях (1 млн. калорий) и мегаджоулях (1 млн. джоулей)

1 л кислорода (в окислительном метаболизме) = 20,08 кДж