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Nutzung von atoff als Energiespeicher. Welche Substanz ist der Energiespeicher in der Zelle? Eingehende Wissenskontrolle

ATP ist ein universeller Akkumulator biologischer Energie. Seine Rolle für alle Lebewesen wurde 1940 vom Akademiemitglied der Akademie der medizinischen Wissenschaften der UdSSR VA Engelgardt wie folgt formuliert: "Jede zelluläre Energiespeicherung erzeugt ATP, jeder Energieverbrauch in der Zelle wird von ATP bezahlt." Diese Regel gilt auch für Muskelzellen und Gehirnzellen, wo zusätzlich Energie angesammelt wird.

In der chinesischen Tradition gibt es das Konzept der vier Bigramme oder vier fundamentalen Energien: transzendental Energie, Energie Anfangs wird in Büchern nie darüber gesprochen, weil es allgegenwärtig ist und ohne es nichts existieren würde; ...

Das ATP-Molekül enthält drei Phosphorsäurereste. Die Bindungen zwischen ihnen (in Gegenwart des ATPase-Enzyms) werden leicht gebrochen. Wenn ein Molekül Phosphorsäure von einem ATP-Molekül abgespalten wird, werden 40 kJ Energie freigesetzt, daher werden die Bindungen als hochenergetisch (mit einer großen Energiemenge) bezeichnet.

Die Umwandlung von chemisch an ATP gebundener Energie in mechanische (für die Muskelkontraktion erforderlich), elektrische, Licht-, Schallenergie der Osmose und anderer Arten, die die Synthese von plastischen Substanzen in der Zelle, das Wachstum, die Entwicklung, die Möglichkeit der Übertragung von erblichen Eigenschaften, wird im Kopf der Elementarteilchen von Atmungsensembles aufgrund ihrer Anwesenheit in ihnen durchgeführt, d. h. in den gleichen Teilchen, in denen ihre Synthese stattfindet. Die beim Abbau von ATP freigesetzte Energie wird direkt in biologische Energie umgewandelt, die für die Synthese von Proteinen, Nukleotiden und anderen organischen Verbindungen notwendig ist, ohne die das Wachstum und die Entwicklung des Organismus nicht möglich ist. Die Energiereserven in ATP werden für Bewegung, Stromerzeugung, Licht, für die Ausführung jeglicher Funktionen der Zelle und ihrer Organellen verwendet.

Die ATP-Speicher in der Zelle sind begrenzt. In Muskelfasern können sie nur 30-40 Kontraktionen mit Energie versorgen, in den Zellen anderer Gewebe gibt es noch weniger davon. Um die ATP-Reserven wieder aufzufüllen, muss seine Synthese ständig erfolgen - aus (ADP) und anorganischem Phosphat, die unter Beteiligung des Enzyms ATP-Synthetase durchgeführt wird. Daher ist das Verhältnis zwischen den Konzentrationen von ATP und ADP (die Aktivität der ATP-Synthetase) von großer Bedeutung für die Steuerung des Prozesses der ATP-Synthese. Bei einem Mangel an ADP wird aufgrund der Anwesenheit von ATPase im aktiven Zentrum die Hydrolyse von ATP beschleunigt, was, wie erwähnt, mit dem oxidativen Prozess verbunden ist und vom Zustand der Wasserstoff- und Sauerstoffträger abhängt.

Je mehr NAD und weniger in seiner reduzierten Form, je mehr Cytochrom c und ADP oxidiert sind, desto höher ist die Rate der ATP-Synthese. Zusammen mit anderen Enzymen und Coenzymen wirken sie als Hauptregulatoren der Arbeit von Atmungsensembles in der ersten Stufe des Wasserstofftransfers vom Substrat NAD - NAD, in der zweiten Stufe - dem Träger von Elektronen zu Sauerstoff, Cytochromen und bei der Endstufe - das Verhältnis zwischen ATP und ADP.

Universeller biologischer Energiespeicher. In den ATP-Molekülen wird die Lichtenergie der Sonne und die in der verzehrten Nahrung enthaltene Energie gespeichert. Der Vorrat an ATP in der Zelle ist gering. Im Muskel reicht die ATP-Reserve also für 20-30 Kontraktionen. Bei erhöhter, aber kurzfristiger Arbeit arbeiten die Muskeln ausschließlich durch den Abbau des in ihnen enthaltenen ATP. Nach Beendigung der Arbeit atmet die Person schwer - während dieser Zeit erfolgt der Abbau von Kohlenhydraten und anderen Substanzen (Energie wird angesammelt) und die ATP-Versorgung in den Zellen wird wiederhergestellt.

18. Zelle

EUKARYOTEN (Eukaryoten) (aus dem Griechischen eu - gut, vollständig und karyon - der Kern), Organismen (alles außer Bakterien, einschließlich Cyanobakterien), die im Gegensatz zu Prokaryoten einen gebildeten Zellkern haben, der durch eine Kernmembran vom Zytoplasma abgegrenzt ist. Das genetische Material ist in Chromosomen enthalten. Eukaryontische Zellen haben Mitochondrien, Plastiden und andere Organellen. Der sexuelle Prozess ist charakteristisch.

19. Zelle, ein elementares Lebenssystem, die Grundlage für den Aufbau und das Leben aller Tiere und Pflanzen. Zellen existieren als eigenständige Organismen (z. B. Einzeller, Bakterien) und als Teil von vielzelligen Organismen, in denen es Keimzellen gibt, die der Fortpflanzung dienen, und Körperzellen (somatisch), die sich in Struktur und Funktion unterscheiden (z. B. Nerven, Knochen) , Muskel , sekretorisch). Die Zellgröße variiert von 0,1-0,25 Mikrometer (einige Bakterien) bis 155 mm (Straußeneier in der Schale).

Beim Menschen, im Körper eines Neugeborenen ca. 2 1012. In jeder Zelle werden 2 Hauptteile unterschieden: der Kern und das Zytoplasma, in denen sich die Organellen und Einschlüsse befinden. Pflanzenzellen sind normalerweise mit einer harten Schale bedeckt. Zellwissenschaft - Zytologie.

PROKARYOTEN (von lateinisch pro - vorwärts, statt griechisch karyon - Kern), Organismen, die im Gegensatz zu Eukaryoten keinen gebildeten Zellkern haben. Das genetische Material in Form einer zirkulären DNA-Kette liegt frei im Nukleotid und bildet keine echten Chromosomen. Es gibt keinen typischen sexuellen Prozess. Prokaryoten umfassen Bakterien, einschließlich Cyanobakterien (Blaualgen). Im System der organischen Welt bilden Prokaryonten ein Superreich.

20. PLASMATISCHE MEMBRAN(Zellmembran, Plasmalemma), eine biologische Membran, die das Protoplasma von Pflanzen- und Tierzellen umgibt. Beteiligt sich an der Regulierung des Stoffwechsels zwischen der Zelle und ihrer Umgebung.

21. ZELLEINSCHLÜSSE- Ansammlungen von Reservenährstoffen: Proteine, Fette und Kohlenhydrate.

22. GOLGY APPART(Golgi-Komplex) (benannt nach K. Golgi), ein Zellorganoid, das an der Bildung seiner Stoffwechselprodukte (verschiedene Geheimnisse, Kollagen, Glykogen, Lipide usw.) beteiligt ist, an der Synthese von Glykoproteinen.

23 LYSOSOMEN(von lys. und griech. soma - Körper), zelluläre Strukturen, die Enzyme enthalten, die Proteine, Nukleinsäuren, Polysaccharide spalten (lysieren) können. Beteiligen Sie sich an der intrazellulären Verdauung von Substanzen, die durch Phagozytose und Pinozytose in die Zelle gelangen.

24. MITOCHONDRIUM umgeben von einer äußeren Membran und sind daher bereits ein Kompartiment, das vom umgebenden Zytoplasma getrennt ist; außerdem ist der mitochondrieninnenraum durch eine innere membran in zwei kompartimente unterteilt. Die äußere Membran der Mitochondrien ist in ihrer Zusammensetzung den Membranen des endoplasmatischen Retikulums sehr ähnlich; die innere Membran der Mitochondrien, die Falten (Cristae) bildet, ist sehr proteinreich - vielleicht ist dies eine der proteinreichsten Membranen in der Zelle; darunter Proteine ​​der "Atmungskette", die für den Elektronentransfer verantwortlich sind; Trägerproteine ​​für ADP, ATP, Sauerstoff, CO in einigen organischen Molekülen und Ionen. Glykolyseprodukte, die aus dem Zytoplasma in die Mitochondrien gelangen, werden im inneren mitochondrialen Kompartiment oxidiert.

Proteine, die für den Elektronentransfer verantwortlich sind, befinden sich in der Membran, so dass beim Elektronentransfer Protonen auf eine Seite der Membran geschleudert werden - sie gelangen in den Raum zwischen äußerer und innerer Membran und sammeln sich dort an. Dadurch entsteht ein elektrochemisches Potential (aufgrund von Konzentrations- und Ladungsunterschieden). Dieser Unterschied bleibt aufgrund der wichtigsten Eigenschaft der inneren Mitochondrienmembran erhalten - sie ist für Protonen undurchlässig. Das heißt, unter normalen Bedingungen können Protonen selbst diese Membran nicht passieren. Aber es enthält spezielle Proteine, oder besser Proteinkomplexe, die aus vielen Proteinen bestehen und einen Kanal für Protonen bilden. Protonen passieren diesen Kanal unter der Wirkung der treibenden Kraft des elektrochemischen Gradienten. Die Energie dieses Prozesses wird von einem Enzym genutzt, das in denselben Proteinkomplexen enthalten ist und in der Lage ist, eine Phosphatgruppe an Adenosindiphosphat (ADP) zu binden, was zur Synthese von ATP führt.

Somit spielt das Mitochondrium die Rolle eines „Kraftwerks“ in der Zelle. Das Prinzip der ATP-Bildung in Chloroplasten von Pflanzenzellen ist im Allgemeinen das gleiche - die Verwendung eines Protonengradienten und die Umwandlung der Energie des elektrochemischen Gradienten in die Energie chemischer Bindungen.

25. PLASTIDE(aus dem Griechischen plastos - gemeißelt), zytoplasmatische Organellen von Pflanzenzellen. Oft enthalten sie Pigmente, die die Farbe der Plastiden verursachen. Höhere Pflanzen haben grüne Plastiden - Chloroplasten, farblose - Leukoplasten, verschiedenfarbige - Chromoplasten; Bei den meisten Algen werden Plastiden als Chromatophoren bezeichnet.

26. KERN ist der wichtigste Teil der Zelle. Es ist mit einer Zweimembranmembran mit Poren bedeckt, durch die einige Substanzen in den Zellkern eindringen, während andere in das Zytoplasma gelangen. Chromosomen sind die Hauptstrukturen des Zellkerns, Träger von Erbinformationen über die Eigenschaften des Organismus. Es wird bei der Teilung der Mutterzelle auf Tochterzellen und mit Keimzellen auf Tochterorganismen übertragen. Der Zellkern ist der Ort der DNA- und mRNA-Synthese. rRNA.

28. PHASEN DER MITOSE(Prophase, Metaphase, Anaphase, Telophase) - eine Reihe aufeinanderfolgender Veränderungen in der Zelle: a) Spiralisierung der Chromosomen, Auflösung der Kernmembran und des Nukleolus; b) die Bildung der Teilungsspindel, die Lage der Chromosomen im Zentrum der Zelle, die Anheftung der Filamente der Teilungsspindel an sie; c) die Divergenz der Chromatiden zu den entgegengesetzten Polen der Zelle (sie werden Chromosomen);

d) die Bildung eines Zellseptums, die Teilung des Zytoplasmas und seiner Organellen, die Bildung einer Kernhülle, das Auftreten von zwei Zellen aus einer mit dem gleichen Chromosomensatz (jeweils 46 in den menschlichen Zellen der Mutter und der Tochter).

Bei biochemischen Stoffumwandlungen werden chemische Bindungen aufgebrochen und dabei Energie freigesetzt. Es handelt sich um freie potentielle Energie, die von lebenden Organismen nicht direkt genutzt werden kann. Es muss transformiert werden. Es gibt zwei universelle Energieformen, die in einer Zelle für verschiedene Arten von Arbeit verwendet werden können:

1) Chemische Energie, Energie hochenergetischer Bindungen chemischer Verbindungen. Chemische Bindungen werden als makroergisch bezeichnet, wenn beim Aufbrechen eine große Menge an freier Energie freigesetzt wird. Verbindungen mit solchen Verbindungen sind energiereich. Das ATP-Molekül hat energiereiche Bindungen und hat bestimmte Eigenschaften, die seine wichtige Rolle im Energiestoffwechsel der Zellen bestimmen:

· Thermodynamische Instabilität;

· Hohe chemische Stabilität. Bietet eine effiziente Energiespeicherung, da sie die Energiedissipation in Form von Wärme verhindert;

· Die geringe Größe des ATP-Moleküls macht es leicht, in verschiedene Teile der Zelle zu diffundieren, wo es notwendig ist, Energie von außen zuzuführen, um chemische, osmotische oder chemische Arbeit zu verrichten;

· Die Änderung der freien Energie während der Hydrolyse von ATP hat einen Durchschnittswert, der es ihm ermöglicht, Energiefunktionen bestmöglich auszuführen, dh Energie von hochenergetischen auf niederenergetische Verbindungen zu übertragen.

ATP ist ein universeller Energiespeicher für alle lebenden Organismen, Energie wird in ATP-Molekülen für sehr kurze Zeit (die Lebensdauer von ATP-1/3 Sekunde) gespeichert. Es wird sofort zur Energiebereitstellung für alle momentan ablaufenden Prozesse aufgewendet.Die im ATP-Molekül enthaltene Energie kann für im Zytoplasma ablaufende Reaktionen (bei den meisten Biosynthesen sowie bei einigen membranabhängigen Prozessen) genutzt werden.

2) Elektrochemische Energie (Energie des Transmembranpotentials von Wasserstoff) Δ. Wenn Elektronen entlang der Redoxkette übertragen werden, tritt in lokalisierten Membranen eines bestimmten Typs, die als energieerzeugend oder konjugierend bezeichnet werden, eine ungleichmäßige Verteilung der Protonen im Raum auf beiden Seiten der Membran auf, dh ein quer orientierter oder transmembraner Wasserstoffgradient Δ, gemessen in Volt, erscheint auf der Membran, das resultierende Δ führt zur Synthese von ATP-Molekülen. Energie in Form von Δ kann in verschiedenen auf der Membran lokalisierten energieabhängigen Prozessen genutzt werden:



· Für die Aufnahme von DNA im Prozess der genetischen Transformation;

· Für den Transfer von Proteinen durch die Membran;

· Um die Bewegung vieler Prokaryoten zu gewährleisten;

· Um einen aktiven Transport von Molekülen und Ionen durch die Zytoplasmamembran sicherzustellen.

Nicht die gesamte bei der Oxidation von Stoffen gewonnene freie Energie wird in eine für die Zelle zugängliche Form umgewandelt und reichert sich in ATP an. Ein Teil der dabei entstehenden freien Energie wird in Form von Wärme, seltener Licht und elektrischer Energie abgegeben. Speichert die Zelle mehr Energie, als sie für alle energieverbrauchenden Prozesse aufwenden kann, synthetisiert sie eine große Menge hochmolekularer Speicherstoffe (Lipide). Bei Bedarf gehen diese Stoffe biochemische Umwandlungen ein und versorgen die Zelle mit Energie.

ATP ist die universelle Energie-"Währung" der Zelle. Eine der erstaunlichsten "Erfindungen" der Natur sind die Moleküle der sogenannten "hochenergetischen" Stoffe, in deren chemischer Struktur eine oder mehrere Bindungen als Energiespeicher dienen. In der lebenden Natur wurden mehrere ähnliche Moleküle gefunden, aber nur eines davon kommt im menschlichen Körper vor - Adenosintriphosphorsäure (ATP). Es ist ein ziemlich komplexes organisches Molekül, an das 3 negativ geladene Reste der anorganischen Phosphorsäure PO gebunden sind. Es sind diese Phosphorreste, die mit dem organischen Teil des Moleküls durch "hochenergetische" Bindungen verbunden sind, die während einer Vielzahl von intrazellulären Reaktionen leicht zerstört werden. Die Energie dieser Bindungen wird jedoch nicht in Form von Wärme im Raum abgegeben, sondern für die Bewegung oder chemische Wechselwirkung anderer Moleküle genutzt. Dank dieser Eigenschaft erfüllt ATP in der Zelle die Funktion eines universellen Energiespeichers (Akkumulators) sowie einer universellen "Währung". Schließlich nimmt fast jede chemische Umwandlung, die in einer Zelle stattfindet, entweder Energie auf oder gibt sie wieder ab. Nach dem Energieerhaltungssatz ist die Gesamtenergiemenge, die durch oxidative Reaktionen gebildet und in Form von ATP gespeichert wird, gleich der Energiemenge, die die Zelle für ihre Syntheseprozesse und zur Erfüllung beliebiger Funktionen verwenden kann. Als „Bezahlung“ für die Gelegenheit, diese oder jene Aktion auszuführen, ist die Zelle gezwungen, ihren ATP-Vorrat auszugeben. Besonders hervorzuheben ist in diesem Fall: Das ATP-Molekül ist so groß, dass es die Zellmembran nicht passieren kann. Daher kann das in einer Zelle gebildete ATP nicht von einer anderen Zelle verwendet werden. Jede Körperzelle ist gezwungen, ATP für ihren eigenen Bedarf in den Mengen zu synthetisieren, in denen sie ihre Funktionen erfüllen muss.

Drei Quellen der ATP-Resynthese in den Zellen des menschlichen Körpers. Anscheinend existierten die fernen Vorfahren der Zellen des menschlichen Körpers vor vielen Millionen Jahren, umgeben von Pflanzenzellen, die sie im Übermaß mit Kohlenhydraten versorgten, und es fehlte oder gar nicht an Sauerstoff. Es sind Kohlenhydrate, die der am häufigsten verwendete Bestandteil von Nährstoffen für die Energieproduktion im Körper sind. Und obwohl die meisten Zellen des menschlichen Körpers die Fähigkeit erworben haben, Proteine ​​und Fette als Energierohstoffe zu nutzen, können einige (zB Nerven, rote Blutkörperchen, männliche Fortpflanzungszellen) nur durch die Oxidation von Kohlenhydraten Energie produzieren.

Die Prozesse der primären Oxidation von Kohlenhydraten - oder besser gesagt Glukose, die in der Tat das Hauptoxidationssubstrat in Zellen ist - finden direkt im Zytoplasma statt: Dort befinden sich Enzymkomplexe, durch die das Glukosemolekül teilweise zerstört wird , und die freigesetzte Energie wird in Form von ATP gespeichert. Diesen Vorgang nennt man Glykolyse, er kann ausnahmslos in allen Zellen des menschlichen Körpers ablaufen. Als Ergebnis dieser Reaktion werden aus einem 6-Kohlenstoff-Molekül Glucose zwei 3-Kohlenstoff-Moleküle Brenztraubensäure und zwei Molekülen ATP gebildet.

Die Glykolyse ist ein sehr schneller, aber relativ ineffektiver Prozess. Die in der Zelle nach Abschluss der Glykolysereaktionen gebildete Brenztraubensäure wird fast sofort in Milchsäure umgewandelt und manchmal (zum Beispiel bei schwerer Muskelarbeit) in sehr großen Mengen ins Blut abgegeben, da es sich um ein kleines Molekül handelt, das frei die Zellmembran passieren. Solch eine massive Freisetzung von sauren Stoffwechselprodukten ins Blut stört die Homöostase, und der Körper muss spezielle homöostatische Mechanismen aktivieren, um die Folgen der Muskelarbeit oder anderer aktiver Maßnahmen zu bewältigen.

Die bei der Glykolyse entstehende Brenztraubensäure enthält noch viel potentielle chemische Energie und kann als Substrat für die weitere Oxidation dienen, was jedoch spezielle Enzyme und Sauerstoff erfordert. Dieser Prozess findet in vielen Zellen statt, die spezielle Organellen enthalten - Mitochondrien. Die innere Oberfläche der mitochondrialen Membranen besteht aus großen Lipid- und Proteinmolekülen, einschließlich einer großen Anzahl oxidativer Enzyme. Die im Zytoplasma gebildeten 3-Kohlenstoff-Moleküle, meist Essigsäure (Acetat), dringen in die Mitochondrien ein. Dort werden sie in einen kontinuierlich laufenden Reaktionszyklus eingebunden, bei dem aus diesen organischen Molekülen abwechselnd Kohlenstoff- und Wasserstoffatome abgespalten werden, die in Verbindung mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser werden. Bei diesen Reaktionen wird viel Energie freigesetzt, die in Form von ATP gespeichert wird. Jedes Molekül Brenztraubensäure, das einen vollständigen Oxidationszyklus in den Mitochondrien durchlaufen hat, ermöglicht es der Zelle, 17 ATP-Moleküle aufzunehmen. Somit liefert die vollständige Oxidation von 1 Glucosemolekül der Zelle 2 + 17x2 = 36 ATP-Moleküle. Ebenso wichtig ist, dass auch Fettsäuren und Aminosäuren, also die Bestandteile von Fetten und Proteinen, in den Prozess der mitochondrialen Oxidation einbezogen werden können. Dank dieser Fähigkeit machen Mitochondrien die Zelle relativ unabhängig von der Nahrungsaufnahme des Körpers: Auf jeden Fall wird die benötigte Energiemenge produziert.

Ein Teil der Energie wird in der Zelle in Form von Kreatinphosphat (CRP)-Molekülen gespeichert, die kleiner und mobiler als ATP sind. Es ist dieses kleine Molekül, das sich schnell von einem Ende der Zelle zum anderen bewegen kann – dorthin, wo die Energie im Moment am meisten gebraucht wird. KrF kann selbst keine Energie für Syntheseprozesse, Muskelkontraktionen oder die Weiterleitung eines Nervenimpulses abgeben: Dafür wird ATP benötigt. Auf der anderen Seite ist KrF jedoch leicht und praktisch verlustfrei in der Lage, die gesamte darin enthaltene Energie an das Adenazindiphosphat (ADP)-Molekül abzugeben, das sofort zu ATP wird und für weitere biochemische Umwandlungen bereit ist.

Somit wird die im Laufe der Zellfunktion verbrauchte Energie, d.h. ATP kann aufgrund von drei Hauptprozessen erneuert werden: anaerobe (sauerstofffreie) Glykolyse, aerobe (unter Beteiligung von Sauerstoff) mitochondriale Oxidation und auch aufgrund der Übertragung der Phosphatgruppe von KrF auf ADP.

Die Kreatinphosphatquelle ist die stärkste, da die Reaktion von KrF mit ADP sehr schnell abläuft. Allerdings ist der CNI-Vorrat in der Zelle meist gering – zum Beispiel können Muskeln aufgrund von CNI nicht länger als 6-7 s mit maximaler Anstrengung arbeiten. Dies reicht normalerweise aus, um die zweitstärkste – glykolytische – Energiequelle zu aktivieren. In diesem Fall ist die Nährstoffressource um ein Vielfaches größer, aber mit fortschreitender Arbeit tritt aufgrund der Bildung von Milchsäure eine zunehmende Spannung der Homöostase auf, und wenn diese Arbeit von großen Muskeln ausgeführt wird, kann sie nicht länger als 1,5-2 . dauern Protokoll. Aber während dieser Zeit werden Mitochondrien fast vollständig aktiviert, die in der Lage sind, nicht nur Glukose, sondern auch Fettsäuren zu verbrennen, deren Vorrat im Körper nahezu unerschöpflich ist. Daher kann eine aerobe mitochondriale Quelle sehr lange arbeiten, ihre Leistung ist jedoch relativ gering - 2-3 mal weniger als eine glykolytische Quelle und 5 mal weniger als eine Kreatinphosphatquelle.

Merkmale der Organisation der Energieproduktion in verschiedenen Geweben des Körpers. Unterschiedliche Gewebe haben unterschiedliche Sättigungsgrade der Mitochondrien. Die wenigsten davon befinden sich in Knochen und weißem Fett, vor allem in braunem Fett, Leber und Nieren. In Nervenzellen gibt es viele Mitochondrien. Muskeln haben keine hohe Konzentration an Mitochondrien, aber aufgrund der Tatsache, dass die Skelettmuskulatur das massivste Gewebe des Körpers ist (ca. 40% des Körpergewichts eines Erwachsenen), sind es die Bedürfnisse der Muskelzellen, die die Intensität und Richtung aller Energiestoffwechselprozesse. IA Arshavsky nannte es "die Energieregel der Skelettmuskulatur".

Mit zunehmendem Alter verändern sich gleichzeitig zwei wichtige Komponenten des Energiestoffwechsels: Das Verhältnis der Gewebemassen mit unterschiedlicher Stoffwechselaktivität ändert sich sowie der Gehalt der wichtigsten oxidativen Enzyme in diesen Geweben. Infolgedessen unterliegt der Energiestoffwechsel ziemlich komplexen Veränderungen, aber im Allgemeinen nimmt seine Intensität mit dem Alter ab, und zwar ziemlich deutlich.

Energieaustausch

Energieaustausch ist die wichtigste Funktion des Körpers. Jede Synthese, die Aktivität irgendeines Organs, jede funktionelle Aktivität wird unweigerlich den Energiestoffwechsel beeinflussen, da nach dem Erhaltungssatz, der keine Ausnahmen kennt, jede Handlung, die mit der Umwandlung eines Stoffes verbunden ist, mit einem Energieaufwand verbunden ist.

Energieverbrauch Organismus besteht aus drei ungleichen Teilen des Grundstoffwechsels, der Energieversorgung von Funktionen sowie des Energieverbrauchs für Wachstum, Entwicklung und Anpassungsprozesse. Die Beziehung zwischen diesen Teilen wird durch den individuellen Entwicklungsstand und die spezifischen Bedingungen bestimmt (Tabelle 2).

Grundumsatz- Dies ist das Mindestniveau der Energieproduktion, das unabhängig von der funktionellen Aktivität von Organen und Systemen immer existiert und niemals gleich Null ist. Der Grundstoffwechsel besteht aus drei Hauptarten des Energieverbrauchs: dem minimalen Niveau an Funktionen, sinnlosen Zyklen und reparativen Prozessen.

Der minimale Energiebedarf des Körpers. Die Frage nach dem Mindestniveau der Funktionen liegt auf der Hand: Auch bei völliger Ruhe (z. Leber und Magen-Darm-Trakt, Herz und Blutgefäße, Atemmuskulatur und Lungengewebe, tonische und glatte Muskulatur usw.

Vergebliche Zyklen. Weniger bekannt ist, dass in jeder Zelle des Körpers ständig Millionen von zyklischen biochemischen Reaktionen ablaufen, wodurch nichts produziert wird, aber eine gewisse Energiemenge benötigt wird, um sie durchzuführen. Dies sind die sogenannten sinnlosen Zyklen, Prozesse, die die "Kampffähigkeit" von Zellstrukturen erhalten, wenn keine wirkliche funktionelle Aufgabe vorliegt. Wie ein Kreisel verleihen sinnlose Zyklen der Zelle und all ihren Strukturen Stabilität. Der Energieaufwand für die Aufrechterhaltung jedes der sinnlosen Zyklen ist gering, aber es gibt viele von ihnen, und infolgedessen macht dies einen ziemlich beachtlichen Anteil des Grundenergieaufwands aus.

Reparative Prozesse. Zahlreiche komplex organisierte Moleküle, die an Stoffwechselprozessen beteiligt sind, werden früher oder später geschädigt, verlieren ihre funktionellen Eigenschaften oder werden sogar toxisch. Es sind kontinuierliche "Reparatur- und Wiederherstellungsarbeiten" erforderlich, bei denen beschädigte Moleküle aus der Zelle entfernt und an ihrer Stelle neue synthetisiert werden, die mit den vorherigen identisch sind. Solche Reparaturprozesse finden ständig in jeder Zelle statt, da die Lebensdauer eines Proteinmoleküls normalerweise 1-2 Wochen nicht überschreitet und es in jeder Zelle Hunderte Millionen gibt. Umwelteinflüsse - ungünstige Temperatur, erhöhter Strahlungshintergrund, Exposition gegenüber toxischen Substanzen und vieles mehr - können die Lebensdauer komplexer Moleküle erheblich verkürzen und dadurch die Spannung von Reparaturprozessen erhöhen.

Das minimale Funktionsniveau der Gewebe eines mehrzelligen Organismus. Die Funktion einer Zelle ist immer eine Gewissheit außerhalb der Arbeit... Bei einer Muskelzelle ist dies ihre Kontraktion, bei einer Nervenzelle - die Erzeugung und Weiterleitung eines elektrischen Impulses, bei einer Drüsenzelle - die Produktion von Sekreten und der Sekretionsvorgang, bei einer Epithelzelle - Pinozytose oder eine andere Form der Interaktion mit den umgebenden Geweben und biologischen Flüssigkeiten. Natürlich kann keine Arbeit ohne Energieaufwand für ihre Umsetzung durchgeführt werden. Jede Arbeit führt jedoch auch zu einer Veränderung der inneren Umgebung des Körpers, da die Abfallprodukte einer aktiven Zelle anderen Zellen und Geweben nicht gleichgültig sein können. Daher ist die zweite Stufe des Energieverbrauchs bei der Ausführung einer Funktion mit der aktiven Aufrechterhaltung der Homöostase verbunden, die manchmal einen sehr großen Teil der Energie verbraucht. Inzwischen verändert sich nicht nur die Zusammensetzung der inneren Umwelt im Zuge der Erfüllung funktionaler Aufgaben, sondern auch Strukturen, oft in Richtung Zerstörung. Bei der Kontraktion der Skelettmuskulatur (auch bei geringer Intensität) kommt es also immer zu Muskelfaserbrüchen, d.h. die Integrität des Formulars wird verletzt. Der Körper verfügt über spezielle Mechanismen zur Aufrechterhaltung der Formkonstanz (Homöomorphose), die die schnellste Wiederherstellung beschädigter oder veränderter Strukturen gewährleisten, was jedoch wiederum Energie verbraucht. Und schließlich ist es für einen sich entwickelnden Organismus sehr wichtig, die Haupttendenzen seiner Entwicklung beizubehalten, unabhängig davon, welche Funktionen durch die Exposition gegenüber bestimmten Bedingungen aktiviert werden müssen. Die Aufrechterhaltung der Invariabilität der Entwicklungsrichtung und -kanäle (Homöorese) ist eine weitere Form des Energieverbrauchs bei der Aktivierung von Funktionen.

Für einen sich entwickelnden Organismus sind Wachstum und Entwicklung selbst ein wichtiger Bestandteil des Energieverbrauchs. Jedoch sind die Prozesse der adaptiven Umordnung für jeden, auch für einen reifen Organismus, nicht weniger energieintensiv und im Wesentlichen sehr ähnlich. Hier zielen die Energieaufwendungen darauf ab, das Genom zu aktivieren, veraltete Strukturen (Katabolismus) und Synthese (Anabolismus) zu zerstören.

Die Kosten des Grundstoffwechsels und die Kosten für Wachstum und Entwicklung nehmen mit zunehmendem Alter deutlich ab und die Kosten für die Funktionserfüllung werden qualitativ unterschiedlich. Da es methodisch äußerst schwierig ist, den basalen Energieaufwand und den Energieaufwand auf die Prozesse des Wachstums und der Entwicklung zu trennen, werden sie meist unter dem Namen "BX".

Altersbedingte Dynamik des Grundumsatzes. Seit der Zeit von M. Rubner (1861) ist bekannt, dass bei Säugetieren mit zunehmendem Körpergewicht die Intensität der Wärmeproduktion pro Masseneinheit abnimmt; während die pro Flächeneinheit berechnete Austauschmenge konstant bleibt ("Flächenregel"). Diese Tatsachen haben noch keine zufriedenstellende theoretische Erklärung, und daher werden empirische Formeln verwendet, um den Zusammenhang zwischen Körpergröße und Stoffwechselrate auszudrücken. Für Säugetiere, einschließlich des Menschen, wird heute am häufigsten die Formel von M. Kleiber verwendet:

M = 67,7 P 0 75 kcal / Tag,

wobei M die Wärmeproduktion des gesamten Organismus und P das Körpergewicht ist.

Altersbedingte Veränderungen des Grundumsatzes können jedoch nicht immer mit dieser Gleichung beschrieben werden. Im ersten Lebensjahr nimmt die Wärmeproduktion nicht ab, wie es die Kleiber-Gleichung erfordert, sondern bleibt auf gleichem Niveau oder steigt sogar leicht an. Erst im Alter von einem Jahr wird in etwa die Stoffwechselrate erreicht (55 kcal/kg · Tag), die nach der Kleiber-Gleichung für einen Organismus mit 10 kg Körpergewicht "angenommen" wird. Erst ab einem Alter von 3 Jahren beginnt die Intensität des Grundstoffwechsels allmählich abzunehmen und erreicht erst in der Pubertät das Niveau eines Erwachsenen - 25 kcal / kg · Tag.

Energiekosten von Wachstums- und Entwicklungsprozessen. Häufig ist ein erhöhter Grundumsatz bei Kindern mit Wachstumskosten verbunden. Genaue Messungen und Berechnungen der letzten Jahre haben jedoch gezeigt, dass selbst die intensivsten Wachstumsprozesse in den ersten 3 Lebensmonaten nicht mehr als 7-8% des täglichen Energieverbrauchs verbrauchen und nach 12 Monaten nicht mehr als 1%. Darüber hinaus wurde der höchste Energieverbrauch des Körpers des Kindes im Alter von 1 Jahr festgestellt, wenn seine Wachstumsrate zehnmal niedriger ist als im Alter von sechs Monaten. Diese Stadien der Ontogenese, in denen die Wachstumsrate abnimmt und in Organen und Geweben aufgrund der Prozesse der Zelldifferenzierung signifikante qualitative Veränderungen auftreten, haben sich als viel "energieintensiver" erwiesen. Spezielle Studien von Biochemikern haben gezeigt, dass in Geweben, die in das Stadium von Differenzierungsprozessen eintreten (z. B. im Gehirn), der Gehalt an Mitochondrien stark ansteigt und folglich der oxidative Stoffwechsel und die Wärmeproduktion zunehmen. Die biologische Bedeutung dieses Phänomens besteht darin, dass im Prozess der Zelldifferenzierung neue Strukturen, neue Proteine ​​und andere große Moleküle gebildet werden, die die Zelle vorher nicht produzieren konnte. Dies erfordert wie jedes Neugeschäft besondere Energiekosten, während Wachstumsprozesse eine etablierte „Batch-Produktion“ von Proteinen und anderen Makromolekülen in der Zelle sind.

Im Zuge der weiteren individuellen Entwicklung wird eine Abnahme der Intensität des Grundstoffwechsels beobachtet. Es stellte sich heraus, dass sich der Beitrag verschiedener Organe zum Grundumsatz mit dem Alter ändert. Zum Beispiel beträgt das Gehirn (das einen signifikanten Beitrag zum Grundumsatz leistet) bei Neugeborenen 12% des Körpergewichts und bei einem Erwachsenen nur 2%. Auch innere Organe wachsen ungleichmäßig, die wie das Gehirn auch in Ruhe einen sehr hohen Energiestoffwechsel haben - 300 kcal / kg Tag. Gleichzeitig zeichnet sich Muskelgewebe, dessen relative Menge sich während der postnatalen Entwicklung fast verdoppelt, durch einen sehr geringen Stoffwechsel in Ruhe aus - 18 kcal / kg Tag. Bei einem Erwachsenen macht das Gehirn etwa 24 % des Grundumsatzes aus, die Leber 20 %, das Herz 10 % und die Skelettmuskulatur 28 %. Bei einem einjährigen Kind macht das Gehirn 53 % des Grundumsatzes aus, die Leber etwa 18 % und die Skelettmuskulatur nur 8 %.

Erholungsaustausch bei schulpflichtigen Kindern. Der Grundumsatz kann nur in der Klinik gemessen werden: Dies erfordert besondere Bedingungen. Aber der Ruheaustausch kann bei jedem Menschen gemessen werden: Es reicht aus, wenn er sich im Fastenzustand befindet und mehrere zehn Minuten in Muskelruhe ist. Der Ruheaustausch ist etwas höher als der Basisaustausch, aber dieser Unterschied ist nicht grundlegend. Die Dynamik altersbedingter Veränderungen des Ruhestoffwechsels wird nicht auf eine einfache Verringerung der Stoffwechselrate reduziert. Perioden, die durch eine schnelle Abnahme der Stoffwechselintensität gekennzeichnet sind, werden durch Altersintervalle ersetzt, in denen der Ruhestoffwechsel stabilisiert ist.

Gleichzeitig besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Art der Veränderung der Stoffwechselintensität und der Wachstumsrate (siehe Abb. 8 auf S. 57). Die Balken in der Abbildung zeigen das relative jährliche Wachstum des Körpergewichts. Es stellt sich heraus, dass die Abnahme der Intensität des Ruhestoffwechsels während dieser Zeit umso signifikanter ist, je größer die relative Wachstumsrate ist.

Ein weiteres Merkmal ist in der vorgestellten Abbildung zu erkennen - deutliche Geschlechtsunterschiede: Mädchen im untersuchten Altersbereich liegen den Jungen in Bezug auf die Veränderungen der Wachstumsraten und der Stoffwechselintensität etwa ein Jahr voraus. Gleichzeitig besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Intensität des Ruheaustauschs und der Wachstumsrate der Kinder während des Halbhöhensprungs - von 4 auf 7 Jahre. Im gleichen Zeitraum beginnt der Wechsel von Milchzähnen zu bleibenden Zähnen, was auch als einer der Indikatoren für die morphologische und funktionelle Reifung dienen kann.

Im weiteren Verlauf setzt sich die Intensitätsabnahme des Grundstoffwechsels fort und steht nun in engem Zusammenhang mit den Prozessen der Pubertät. In den frühen Stadien der Pubertät ist die Stoffwechselrate bei Jugendlichen etwa 30 % höher als bei Erwachsenen. Ein starker Abfall des Indikators beginnt im Stadium III, wenn die Gonaden aktiviert werden, und dauert bis zum Einsetzen der Pubertät an. Wie Sie wissen, fällt der pubertäre Wachstumsschub auch mit dem Erreichen des Stadiums III der Pubertät zusammen, d.h. und in diesem Fall bleibt die Regelmäßigkeit der Abnahme der Stoffwechselrate während der Perioden des intensivsten Wachstums bestehen.

Jungen bleiben in dieser Zeit in ihrer Entwicklung etwa 1 Jahr hinter Mädchen zurück. In strikter Übereinstimmung mit dieser Tatsache ist die Intensität der Stoffwechselprozesse bei Jungen immer höher als bei Mädchen im gleichen Kalenderalter. Diese Unterschiede sind gering (5-10%), aber sie bleiben während der gesamten Pubertätszeit stabil.

Thermoregulierung

Die Thermoregulation, d.h. die Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur des Körperkerns, wird durch zwei Hauptprozesse bestimmt: die Wärmeproduktion und die Wärmeübertragung. Die Wärmeproduktion (Thermogenese) hängt in erster Linie von der Intensität der Stoffwechselprozesse ab, während die Wärmeübertragung durch die Wärmeisolierung und einen ganzen Komplex ziemlich komplexer physiologischer Mechanismen, einschließlich vasomotorischer Reaktionen, der Aktivität der äußeren Atmung und des Schwitzens, bestimmt wird. In diesem Zusammenhang wird die Thermogenese auf die Mechanismen der chemischen Thermoregulation und die Methoden zur Änderung der Wärmeübertragung - auf die Mechanismen der physikalischen Thermoregulation - verwiesen. Mit zunehmendem Alter ändern sich sowohl diese als auch andere Mechanismen sowie ihre Bedeutung für die Aufrechterhaltung einer stabilen Körpertemperatur.

Altersbedingte Entwicklung thermoregulatorischer Mechanismen. Rein physikalische Gesetzmäßigkeiten führen dazu, dass mit zunehmender Masse und absoluten Abmessungen des Körpers der Beitrag der chemischen Thermoregulation abnimmt. Bei Neugeborenen beträgt der Wert der thermoregulatorischen Wärmeproduktion also etwa 0,5 kcal / kg h Hagel und bei einem Erwachsenen - 0,15 kcal / kg h Hagel.

Bei einer Abnahme der Umgebungstemperatur kann ein Neugeborenes die Wärmeproduktion auf fast die gleichen Werte wie ein Erwachsener erhöhen - bis zu 4 kcal / kg h. Aufgrund der geringen Wärmedämmung (0,15 ° m 2 h / kcal) der Bereich der chemischen Thermoregulation bei einem Neugeborenen ist sehr klein - nicht mehr als 5 °. Es ist zu beachten, dass die kritische Temperatur ( NS), bei der die Thermogenese eingeschaltet ist, beträgt +33 ° C für ein voll ausgetragenes Baby und sinkt im Erwachsenenzustand auf +27 ... + 23 ° C. Bei Kleidung jedoch, deren Wärmeisolierung normalerweise 2,5 KLO oder 0,45 Grad-m² beträgt, d.h. unter Bedingungen, die keine zusätzlichen Kosten für die Aufrechterhaltung der Körpertemperatur erfordern.

Nur während des Wechselvorgangs sollte das Kind der ersten Lebensmonate ausreichend leistungsfähige Mechanismen der Wärmeerzeugung enthalten, um eine Abkühlung zu verhindern. Darüber hinaus haben Kinder in diesem Alter spezielle, spezifische Mechanismen der Thermogenese, die bei Erwachsenen fehlen. Als Reaktion auf die Abkühlung beginnt ein Erwachsener zu zittern, einschließlich der sogenannten "kontraktilen" Thermogenese, dh zusätzlicher Wärmeproduktion in der Skelettmuskulatur (Kältetremor). Die strukturellen Merkmale des Körpers des Kindes machen einen solchen Mechanismus der Wärmeproduktion unwirksam, daher wird bei Kindern die sogenannte "nicht-kontraktile" Thermogenese aktiviert, die nicht in der Skelettmuskulatur, sondern in ganz anderen Organen lokalisiert ist.

Dies sind innere Organe (vor allem die Leber) und spezielles braunes Fettgewebe, das mit Mitochondrien (daher seine braune Farbe) gesättigt ist und eine hohe Energiekapazität besitzt. Die Aktivierung der Wärmeproduktion von braunem Fett bei einem gesunden Kind ist an einer Erhöhung der Hauttemperatur an den Stellen des Körpers zu erkennen, an denen sich braunes Fett oberflächlicher befindet - der interskapulären Region und dem Hals. Anhand der Temperaturänderung in diesen Bereichen kann man den Zustand der Thermoregulationsmechanismen des Kindes und den Grad seiner Verhärtung beurteilen. Der sogenannte "heiße Hinterkopf" eines Kindes in den ersten Lebensmonaten wird gerade mit der Aktivität von braunem Fett in Verbindung gebracht.

Während des ersten Lebensjahres nimmt die Aktivität der chemischen Thermoregulation ab. Bei einem 5-6 Monate alten Kind nimmt die Rolle der physikalischen Thermoregulation deutlich zu. Mit zunehmendem Alter verschwindet der Großteil des braunen Fetts, aber auch bis zum Alter von 3 Jahren bleibt die Reaktion des größten Teils des braunen Fetts, des Interscapularis, erhalten. Es gibt Berichte, dass bei Erwachsenen, die im Norden arbeiten, im Freien das braune Fettgewebe weiterhin aktiv funktioniert. Unter normalen Bedingungen ist bei einem Kind über 3 Jahren die Aktivität der nicht-kontraktilen Thermogenese begrenzt, und die dominierende Rolle bei der Erhöhung der Wärmeproduktion, wenn die chemische Thermoregulation aktiviert wird, beginnt eine spezifische kontraktile Aktivität der Skelettmuskulatur zu spielen - Muskeltonus und Muskel Zittern. Befindet sich ein solches Kind bei normaler Raumtemperatur (+20 °C) in Shorts und T-Shirt, wird in 80 von 100 Fällen die Wärmeproduktion aktiviert.

Die Stärkung der Wachstumsprozesse während des Halbwachstumssprungs (5-6 Jahre) führt zu einer Vergrößerung der Länge und Oberfläche der Gliedmaßen, was für einen regulierten Wärmeaustausch zwischen Körper und Umgebung sorgt. Dies wiederum führt dazu, dass ab 5,5-6 Jahren (besonders deutlich bei Mädchen) deutliche Veränderungen der thermoregulatorischen Funktion auftreten. Die Wärmeisolierung des Körpers wird erhöht und die Aktivität der chemischen Thermoregulation wird deutlich reduziert. Diese Methode zur Regulierung der Körpertemperatur ist wirtschaftlicher und er wird im Laufe der weiteren Altersentwicklung dominierend. Dieser Zeitraum der Thermoregulationsentwicklung ist empfindlich für Härtungsvorgänge.

Mit Beginn der Pubertät beginnt die nächste Stufe in der Entwicklung der Thermoregulation, die sich in einer Störung des entstehenden Funktionssystems äußert. Bei 11-12-jährigen Mädchen und 13-jährigen Jungen findet trotz der weiter abnehmenden Intensität des Ruheaustausches keine entsprechende Anpassung der Gefäßregulation statt. Erst im Jugendalter, nach Abschluss der Pubertät, erreichen die Möglichkeiten der Thermoregulation einen definitiven Entwicklungsstand. Durch die Erhöhung der Wärmeisolierung des eigenen Körpergewebes kann auch bei einer Temperatursenkung der Umgebung um 10-15 °C auf die Einbeziehung der chemischen Thermoregulation (d. h. zusätzliche Wärmeproduktion) verzichtet werden. Eine solche Reaktion des Körpers ist natürlich wirtschaftlicher und effizienter.

Ernährung

Alle für den menschlichen Körper notwendigen Stoffe, die zur Energiegewinnung und zum Aufbau des eigenen Körpers verwendet werden, stammen aus der Umwelt. Wenn ein Kind erwachsen wird, stellt sich am Ende des ersten Lebensjahres immer mehr auf eine unabhängige Ernährung um, und nach 3 Jahren unterscheidet sich die Ernährung des Kindes nicht wesentlich von der eines Erwachsenen.

Strukturbestandteile von Nährstoffen. Die menschliche Nahrung ist pflanzlichen und tierischen Ursprungs, besteht jedoch unabhängig davon aus den gleichen Klassen organischer Verbindungen - Proteine, Fette und Kohlenhydrate. Tatsächlich bilden dieselben Verbindungsklassen hauptsächlich den Körper der Person selbst. Gleichzeitig gibt es Unterschiede zwischen tierischen und pflanzlichen Lebensmitteln, und diese sind sehr wichtig.

Kohlenhydrate... Der häufigste Bestandteil pflanzlicher Nahrung sind Kohlenhydrate (meist in Form von Stärke), die die Grundlage der Energieversorgung des menschlichen Körpers bilden. Für einen Erwachsenen müssen Sie Kohlenhydrate, Fette und Proteine ​​im Verhältnis 4: 1: 1 zu sich nehmen. Da die Stoffwechselprozesse bei Kindern intensiver sind und vor allem auf die Stoffwechselaktivität des Gehirns zurückzuführen ist, das sich fast ausschließlich von Kohlenhydraten ernährt, sollten Kinder mehr kohlenhydrathaltige Nahrung erhalten – im Verhältnis 5:1:1. In den ersten Lebensmonaten erhält das Kind keine pflanzliche Nahrung, aber Muttermilch enthält relativ viele Kohlenhydrate: Sie ist ungefähr so ​​​​fett wie Kuhmilch, enthält 2-mal weniger Protein, aber 2-mal mehr Kohlenhydrate. Das Verhältnis von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen in der Muttermilch beträgt ungefähr 5: 2: 1. Künstliche Säuglingsnahrung zur Ernährung von Babys in den ersten Lebensmonaten wird auf Basis von etwa halbverdünnter Kuhmilch unter Zusatz von Fruktose, Glukose und anderen Kohlenhydraten hergestellt.

Fette. Pflanzliche Lebensmittel sind selten fettreich, aber die in pflanzlichen Fetten enthaltenen Bestandteile sind für den menschlichen Körper lebensnotwendig. Im Gegensatz zu tierischen Fetten enthalten pflanzliche Fette viele sogenannte mehrfach ungesättigte Fettsäuren. Dies sind langkettige Fettsäuren, in deren Struktur sich chemische Doppelbindungen befinden. Solche Moleküle werden von menschlichen Zellen zum Aufbau von Zellmembranen verwendet, in denen sie eine stabilisierende Rolle spielen und die Zellen vor dem Eindringen aggressiver Moleküle und freier Radikale schützen. Aufgrund dieser Eigenschaft haben pflanzliche Fette krebsbekämpfende, antioxidative und antiradikale Aktivität. Darüber hinaus sind in pflanzlichen Fetten meist viele wertvolle Vitamine der Gruppen A und E gelöst.Ein weiterer Vorteil von pflanzlichen Fetten ist das Fehlen von Cholesterin, das sich in menschlichen Blutgefäßen ablagern und deren sklerotische Veränderungen verursachen kann. Tierische Fette hingegen enthalten eine erhebliche Menge an Cholesterin, enthalten jedoch praktisch keine Vitamine und mehrfach ungesättigten Fettsäuren. Aber auch tierische Fette sind für den menschlichen Körper notwendig, da sie ein wichtiger Bestandteil der Energieversorgung sind und darüber hinaus Lipokinine enthalten, die dem Körper helfen, körpereigenes Fett aufzunehmen und zu verarbeiten.

Proteine. Auch in ihrer Zusammensetzung unterscheiden sich pflanzliche und tierische Proteine ​​deutlich. Obwohl alle Proteine ​​aus Aminosäuren bestehen, können einige dieser essentiellen Bausteine ​​von den Zellen des menschlichen Körpers synthetisiert werden, andere nicht. Letztere sind wenige, nur 4-5 Arten, aber sie können durch nichts ersetzt werden, daher werden sie als essentielle Aminosäuren bezeichnet. Pflanzliche Nahrung enthält fast keine essentiellen Aminosäuren – nur Hülsenfrüchte und Sojabohnen enthalten eine geringe Menge davon. Inzwischen sind diese Stoffe in Fleisch, Fisch und anderen tierischen Produkten weit verbreitet. Der Mangel an einigen essentiellen Aminosäuren hat einen dramatisch negativen Einfluss auf die Dynamik von Wachstumsprozessen und auf die Entwicklung vieler Funktionen, vor allem aber auf die Entwicklung des kindlichen Gehirns und Intellekts. Aus diesem Grund bleiben Kinder, die in jungen Jahren an langfristiger Mangelernährung leiden, oft lebenslang geistig behindert. Deshalb sollten Kinder auf keinen Fall bei der Verwendung von tierischer Nahrung eingeschränkt werden: zumindest Milch und Eier sowie Fisch. Anscheinend hängt dieser Umstand damit zusammen, dass Kinder unter 7 Jahren nach christlicher Tradition nicht fasten sollten, dh Tierfutter verweigern.

Makro- und Mikroelemente. Lebensmittel enthalten fast alle der Wissenschaft bekannten chemischen Elemente, eventuell mit Ausnahme von radioaktiven und Schwermetallen sowie Edelgasen. Einige Elemente wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor, Kalzium, Kalium, Natrium und einige andere sind in allen Nahrungsmitteln enthalten und gelangen in sehr großen Mengen in den Körper (zehn und hundert Gramm pro Tag). Solche Stoffe werden normalerweise als Makronährstoffe. Andere kommen in mikroskopisch kleinen Mengen in Lebensmitteln vor, weshalb sie als Mikronährstoffe bezeichnet werden. Dies sind Jod, Fluor, Kupfer, Kobalt, Silber und viele andere Elemente. Eisen wird oft als Spurenelement bezeichnet, obwohl seine Menge im Körper recht groß ist, da Eisen eine Schlüsselrolle bei der Sauerstoffübertragung im Körper spielt. Ein Mangel an einem der Mikronährstoffe kann zu schweren Erkrankungen führen. Jodmangel führt beispielsweise zur Entwicklung einer schweren Schilddrüsenerkrankung (sogenannter Kropf). Eisenmangel führt zu einer Eisenmangelanämie, einer Form der Anämie, die sich negativ auf die Leistungsfähigkeit, das Wachstum und die Entwicklung des Kindes auswirkt. In all diesen Fällen ist eine Ernährungskorrektur erforderlich, die Aufnahme von Lebensmitteln, die fehlende Elemente in der Ernährung enthalten. Jod kommt also in großen Mengen in Algen vor - Seetang, außerdem wird jodiertes Speisesalz in Geschäften verkauft. Eisen findet sich in Rinderleber, Äpfeln und einigen anderen Früchten sowie in Kindertoffee "Hämatogen", das in Apotheken verkauft wird.

Vitamine, Vitaminmangel, Stoffwechselerkrankungen. Vitamine sind organische Moleküle mittlerer Größe und Komplexität und werden normalerweise nicht von den Zellen des menschlichen Körpers produziert. Wir sind gezwungen, Vitamine aus der Nahrung aufzunehmen, da sie für die Arbeit vieler Enzyme notwendig sind, die biochemische Prozesse im Körper regulieren. Vitamine sind sehr instabile Substanzen, daher werden beim Kochen über dem Feuer die enthaltenen Vitamine fast vollständig zerstört. Nur Rohkost enthält Vitamine in nennenswerten Mengen, daher sind Gemüse und Obst die Hauptvitaminquelle für uns. Raubtiere sowie die Ureinwohner des Nordens, die sich fast ausschließlich von Fleisch und Fisch ernähren, bekommen ausreichend Vitamine aus rohen Tierprodukten. In gebratenem und gekochtem Fleisch und Fisch sind praktisch keine Vitamine enthalten.

Vitaminmangel äußert sich in verschiedenen Stoffwechselerkrankungen, die zusammenfassend als Vitaminmangel bezeichnet werden. Es gibt bereits etwa 50 Vitamine, die bereits entdeckt wurden, und jedes von ihnen ist für seinen eigenen "Ort" von Stoffwechselprozessen verantwortlich, und durch Vitaminmangel verursachte Krankheiten gibt es mehrere Dutzend. Skorbut, Beriberi, Pellagra und andere Krankheiten dieser Art sind weithin bekannt.

Vitamine werden in zwei große Gruppen eingeteilt: fettlöslich und wasserlöslich. Wasserlösliche Vitamine sind in großen Mengen in Gemüse und Obst enthalten, fettlösliche Vitamine häufiger in Samen und Nüssen. Oliven-, Sonnenblumen-, Mais- und andere Pflanzenöle sind wichtige Quellen für viele fettlösliche Vitamine. Vitamin D (Anti-Rachitis) kommt jedoch hauptsächlich in Fischöl vor, das aus der Leber von Kabeljau und einigen anderen Meeresfischen gewonnen wird.

In den mittleren und nördlichen Breiten nimmt die Menge an Vitaminen in den ab Herbst konservierten pflanzlichen Lebensmitteln bis zum Frühjahr stark ab, und viele Menschen - Einwohner nördlicher Länder - leiden an Vitaminmangel. Gesalzene und eingelegte Lebensmittel (Kohl, Gurken und einige andere), die viele Vitamine enthalten, helfen, diesen Zustand zu überwinden. Darüber hinaus werden Vitamine von der Darmflora produziert, daher wird ein Mensch bei einer normalen Verdauung mit vielen essentiellen B-Vitaminen in ausreichender Menge versorgt. Bei Kindern des ersten Lebensjahres hat sich die Darmflora noch nicht gebildet, daher sollten sie eine ausreichende Menge Muttermilch sowie Obst- und Gemüsesäfte als Vitaminquellen erhalten.

Der tägliche Bedarf an Energie, Proteinen, Vitaminen. Die täglich aufgenommene Nahrungsmenge hängt direkt von der Geschwindigkeit der Stoffwechselvorgänge ab, da die Nahrung die für alle Funktionen aufgewendete Energie vollständig kompensieren muss (Abb. 13). Obwohl die Intensität der Stoffwechselprozesse bei Kindern über 1 Jahr mit zunehmendem Alter abnimmt, führt eine Zunahme des Körpergewichts zu einer Erhöhung des gesamten (Brutto-)Energieverbrauchs. Dementsprechend steigt auch der Bedarf an essentiellen Nährstoffen. Nachfolgend finden Sie Referenztabellen (Tabellen 3-6), die die ungefähre tägliche Aufnahme von Nährstoffen, Vitaminen und essentiellen Mineralien durch Kinder zeigen. Hervorzuheben ist, dass die Tabellen die Masse der reinen Stoffe ohne Berücksichtigung des in einem Lebensmittel enthaltenen Wassers sowie organischer Stoffe, die nicht zu Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten gehören (z von Gemüse).

Das moderne Verständnis des Prozesses der oxidativen Phosphorylierung geht auf die Pionierarbeit von Belitser und Kalkar zurück. Kalkar fand heraus, dass die aerobe Phosphorylierung mit der Atmung verbunden ist. Belitser untersuchte im Detail die stöchiometrische Beziehung zwischen konjugierter Phosphatbindung und Sauerstoffaufnahme und zeigte, dass das Verhältnis der Zahl der anorganischen Phosphatmoleküle zur Zahl der absorbierten Sauerstoffatome

wenn die Atmung nicht weniger als zwei beträgt. Er wies auch darauf hin, dass die Übertragung von Elektronen vom Substrat auf Sauerstoff eine mögliche Energiequelle für die Bildung von zwei oder mehr ATP-Molekülen pro absorbiertem Sauerstoffatom ist.

Das NAD H-Molekül dient als Elektronendonor und die Phosphorylierungsreaktion hat die Form

Kurz gesagt wird diese Reaktion geschrieben als

Die Synthese von drei ATP-Molekülen in Reaktion (15.11) erfolgt durch die Übertragung von zwei Elektronen des NAD H-Moleküls entlang der Elektronentransportkette auf das Sauerstoffmolekül. In diesem Fall nimmt die Energie jedes Elektrons um 1,14 eV ab.

In der aquatischen Umgebung kommt es unter Beteiligung spezieller Enzyme zur Hydrolyse von ATP-Molekülen

Die Strukturformeln der an den Reaktionen (15.12) und (15.13) beteiligten Moleküle sind in Abb. 31.

Unter physiologischen Bedingungen befinden sich die an den Reaktionen (15.12) und (15.13) beteiligten Moleküle in unterschiedlichen Ionisationsstadien (ATP,). Daher sind chemische Symbole in diesen Formeln als bedingte Notation von Reaktionen zwischen Molekülen in verschiedenen Ionisationsstadien zu verstehen. Dabei hängt eine Zunahme der freien Energie AG bei der Reaktion (15.12) und ihre Abnahme bei der Reaktion (15.13) von der Temperatur, Ionenkonzentration und vom pH-Wert des Mediums ab. Unter Standardbedingungen eV kcal / mol). Wenn wir die entsprechenden Korrekturen unter Berücksichtigung der physiologischen pH-Werte und der Ionenkonzentration in den Zellen sowie der üblichen Werte der Konzentrationen von ATP- und ADP-Molekülen und anorganischem Phosphat im Zytoplasma der Zellen vornehmen, dann erhalten wir für die freie Hydrolyseenergie von ATP-Molekülen einen Wert von -0,54 eV (-12,5 kcal / mol). Die freie Hydrolyseenergie von ATP-Molekülen ist nicht konstant. Es kann auch an verschiedenen Stellen derselben Zelle nicht gleich sein, wenn sich diese Stellen in der Konzentration unterscheiden.

Seit dem Erscheinen von Lipmans bahnbrechender Arbeit (1941) ist bekannt, dass ATP-Moleküle in der Zelle die Rolle eines universellen Kurzzeitspeichers und Trägers chemischer Energie spielen, die in den meisten lebenswichtigen Prozessen verwendet wird.

Die Energiefreisetzung bei der Hydrolyse des ATP-Moleküls wird von der Umwandlung von Molekülen begleitet

In diesem Fall führt die Spaltung der durch das Symbol gekennzeichneten Bindung zur Abspaltung des Phosphorsäurerestes. Auf Lipmans Vorschlag hin wurde diese Bindung als "energiereiche Phosphatbindung" oder "hochenergetische Bindung" bezeichnet. Dieser Name ist äußerst unglücklich. Sie spiegelt in keiner Weise die Energetik der bei der Hydrolyse ablaufenden Prozesse wider. Die Freisetzung freier Energie wird nicht durch den Bruch einer Bindung verursacht (ein solcher Bruch erfordert immer einen Energieaufwand), sondern durch die Umlagerung aller an den Reaktionen beteiligten Moleküle, die Bildung neuer Bindungen und die Umlagerung der Solvathüllen während der Reaktion.

Beim Auflösen des NaCl-Moleküls in Wasser entstehen hydratisierte Ionen, der Energiegewinn bei der Hydratation überlagert sich mit dem Energieverbrauch beim Aufbrechen der Bindung im NaCl-Molekül. Es wäre seltsam, diesen Energiegewinn auf die „hochergische Bindung“ im NaCl-Molekül zurückzuführen.

Bei der Spaltung schwerer Atomkerne wird bekanntlich eine große Energiemenge freigesetzt, die nicht mit dem Aufbrechen von höherergischen Bindungen verbunden ist, sondern auf die Umlagerung von Spaltfragmenten und eine Abnahme der Kulop-Abstoßung zurückzuführen ist Energie zwischen Nukleonen in jedem Fragment.

Faire Kritik am Konzept der "makroergenen Verbindungen" wurde mehr als einmal geäußert. Dennoch ist dieses Konzept in der wissenschaftlichen Literatur weit verbreitet. Groß

Tabelle 8

Strukturformeln von phosphorylierten Verbindungen: a - Phosphoenollyruvat; b - 1,3-Diphosphoglycerat; c - Kreatinphosphat; - Glucose-I-Phosphat; - Glucose-6-phosphat.

dies ist kein Problem, wenn der Ausdruck "hochenergetische Phosphatbindung" herkömmlicherweise als kurze Beschreibung des gesamten Umwandlungszyklus verwendet wird, der in einer wässrigen Lösung mit der entsprechenden Anwesenheit anderer Ionen, pH usw. stattfindet.

Der von Biochemikern verwendete Begriff der Phosphatbindungsenergie charakterisiert also herkömmlich die Differenz zwischen der freien Energie der Ausgangsstoffe und der freien Energie der Produkte von Hydrolysereaktionen, bei denen Phosphatgruppen abgespalten werden. Dieses Konzept sollte nicht mit dem Konzept der chemischen Bindungsenergie zwischen zwei Atomgruppen in einem freien Molekül verwechselt werden. Letztere charakterisiert die Energie, die zum Aufbrechen der Bindung benötigt wird.

Die Zellen enthalten eine Reihe von phosphorylierten Verbindungen, deren Hydrolyse im Zytoplasma mit der Freisetzung von freier Energie verbunden ist. Die Werte der freien Standardhydrolyseenergien einiger dieser Verbindungen sind in der Tabelle angegeben. 8. Die Strukturformeln dieser Verbindungen sind in Abb. 1 dargestellt. 31 und 35.

Große negative Werte der freien Standardenergien der Hydrolyse sind auf die Hydratationsenergie negativ geladener Hydrolyseprodukte und die Umlagerung ihrer elektronischen Hüllen zurückzuführen. Vom Tisch. 8 folgt, dass der Wert der freien Standardhydrolyseenergie des ATP-Moleküls eine Zwischenposition zwischen "hochenergetischen" (Phosphoenolpyru-nat) und "niederenergetischen" (Glucose-6-phosphat) Verbindungen einnimmt. Dies ist einer der Gründe, warum das ATP-Molekül ein bequemer universeller Träger von Phosphatgruppen ist.

Mit Hilfe spezieller Enzyme verbinden ATP- und ADP-Moleküle Hoch- und Niedrigenergie

Phosphatverbindungen. Beispielsweise überträgt das Enzym Pyruvatkinase Phosphat von Phosphoenolpyruvat auf ADP. Als Ergebnis der Reaktion werden Pyruvat und ein ATP-Molekül gebildet. Dann kann das ATP-Molekül mithilfe des Enzyms Hexokinase die Phosphatgruppe auf D-Glucose übertragen und diese in Glucose-6-Phosphat umwandeln. Das Gesamtprodukt dieser beiden Reaktionen wird auf die Umwandlung reduziert

Es ist sehr wichtig, dass Reaktionen dieser Art nur über eine Zwischenstufe ablaufen können, an der notwendigerweise ATP- und ADP-Moleküle beteiligt sind.