Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Обмен энергии в организме
Источники энергии

Известно, что организм человека в состоянии относи­тельного покоя использует в сутки около 8000 кДж энергии. Большая часть энергии расходуется на био­синтез веществ: 1700 кДж — на синтез белков, жиров, углеводов и 3700 кДж — на синтез АТФ. Меньшая часть энергии используется для поддержания работы сердца и дыхательных мышц (1130 кДж), транспорт веществ (900 кДж). Значительно увеличивается рас­ход энергии при выполнении напряженной физичес­кой работы. Энерготраты спортсмена составляют примерно 21 000 кДж ∙ сут^-1.

Организм человека получает энергию из внешней среды с растительной и животной пищей в виде угле­водов, жиров и белков.

Первичным источником энергии для всех живых организмов является энергия солнца. Солнечная энергия накапливается зелеными растениями в орга­нических веществах в процессе их фотосинтеза (рис. 11). Зеленый пигмент растений хлорофилл спо­собен аккумулировать кванты энергии солнечного света (hv) при синтезе органических веществ из угле­кислого газа и воды. Схема уравнения процесса фо­тосинтеза молекулы глюкозы имеет вид

В организме человека энергия химических связей органических веществ извлекается только в процессе их катаболического распада и окисления. При этом высвобождается свободная энергия. Так, например, при окислении глюкозы молекулярным кислородом высвобождается около 2880 кДж ∙ моль^-1 свободной энергии:

С₆Н₁₂O₆ + 6O₂ 6СO₂ + 6Н₂O - ∆Q⁰

Рис. 11 Схема преобразования энергии

При окислении пальмитиновой кислоты, которая входит в состав жи­ров организма, высвобождается 9 788 кДж ∙ моль^-1 энергии:

С16Н₃₂O₂ +23O₂ → 16СO₂ + 146Н₂O - ∆Q⁰

Распад питательных веществ и высвобождение из них свободной энергии происходит постепенно в несколько этапов (см. главу 2). Под сво­бодной энергией понимают ту часть потенциальной химической энергии питательных веществ, которая в организме может использоваться для выполнения полезной работы в условиях постоянной температуры и давления. Свободная энергия в клетках не может использоваться непос­редственно в процессах жизнедеятельности. Она в большей степени ак­кумулируется в химических связях высокоэнергетических (макроэргических) соединений, в основном в молекулах АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Только энергия макроэргических соединений может использоваться клетками для обеспечения ее многих функций. Эта энергия способна превращаться в другие формы энергии (см. рис. 11).

Изменение уровня свободной энергии в биохимии принято выражать в джоулях (Дж) или калориях (кал) на 1 моль вещества. Одна калория соот­ветствует 4,184 Дж. Калория — это количество тепла, необходимое для по­вышения температуры 1 г воды от 14,5 до 15,5 "С.

Таким образом, аккумуляторами и носителями свободной энергии в клетках организма являются высокоэнергетические соединения. В центре энергетического обмена клетки находятся адениннуклеотиды — АТФ и АДФ: АТФ принадлежит роль универсального источника энергии в клеточ­ном метаболизме и поддержании многих функций организма; АДФ используется для синтеза АТФ.

К высокоэнергетическим относятся вещества, имеющие химические связи, при гидролизе которых выделяется более 21 кДж ∙ моль^-1 свобод­ной энергии. Такие химические связи, как и сами вещества, еще называ­ют макроэргическими.

Большинство макроэргических веществ являются фосфорорганически­ми соединениями. Они могут передавать свой фосфат на другие вещес­тва. Поэтому макроэргическими называют вещества с высоким потенциа­лом переноса фосфатной группы (табл. 3). Высвобождаемая при их гид­ролизе свободная энергия (∆Q⁰) используется для переноса фосфата на молекулу вещества, у которого потенциал свободной энергии ниже. Реак­ция присоединения фосфата называется фосфорилированием.

ТАБЛИЦА 3 Высокоэнергети­ческие соединения организма и величина стандартной свободной энергии их гидролиза при оптимальных условиях (-∆Q⁰)

Самый высокий потенциал свободной энергии имеют фосфоэнолпируват, 1,3-дифосфоглицерат и креатинфосфат (табл. 3). Свободная энергия их гидролиза в стандартных (оптимальных) условиях достигает 12 ккал. Поэтому они легко переносят свою фосфатную группу на другие вещества, в первую очередь на АДФ, которая в клетке выполняет роль универсаль­ного акцептора высокоэнергетического фосфата и используется для обра­зования АТФ.

АТФ находится в середине шкалы между веществами с высоким и низким потенциалом переноса фосфатной группы (см. табл. 3). Свобод­ная энергия ее гидролиза ниже предыдущих соединений и составляет 7—8 ккал. Поэтому АТФ может переносить свой фосфат на вещества с более низким энергетическим потенциалом, например на глюкозу (рис. 12).

Макроэргические связи в молекуле АТФ довольно устойчивы в водной среде, тогда как более высокоэнергетические вещества в воде нестабиль­ны. В связи с этим в молекулах АТФ накапливается свободная энергия и используется в нужный момент для выполнения биологической работы. Поэтому АТФ принадлежит главная роль в обмене энергии в клетках орга­низма.

Имеющиеся в клетках другие нуклеотиды — ГТФ, УТФ, ЦТФ — также высокоэнергетические вещества, однако используются они как источни­ки энергии только в отдельных биохимических процессах: ГТФ — при синтезе белка, УТФ — при синтезе полисахаридов, ЦТФ — при синтезе липидов.

Рис. 12 Роль цикла АТФ ⇆ АДФ в обмене энергии в клетках организма человека