Zastosowanie ATP jako akumulatora energii. Jaką substancją jest akumulator energii w komórce? Kontrola wejściowa wiedzy

ATP to uniwersalny magazyn energii biologicznej. Jego rola dla wszystkich żywych istot została sformułowana przez akademika Akademii Nauk Medycznych ZSRR V. A. Engelgardta w 1940 roku w następujący sposób: „Każde magazynowanie energii komórkowej tworzy ATP, każde zużycie energii w komórce jest opłacane przez ATP”. Ta zasada odnosi się również do komórek mięśniowych i mózgowych, gdzie energia jest dodatkowo magazynowana.

W tradycji chińskiej istnieje pojęcie czterech schematów lub czterech podstawowych energie: transcendentalny energia, energia na początku nigdy nie wspomina się o niej w książkach, ponieważ jest wszechobecna i bez niej nic by nie istniało; ...

Cząsteczka ATP zawiera trzy reszty kwasu fosforowego. Wiązania między nimi (w obecności enzymu ATPazy) łatwo ulegają zerwaniu. Kiedy jedna cząsteczka ATP oddzieli się od jednej cząsteczki kwasu fosforowego, uwalniane jest 40 kJ energii, dlatego wiązania nazywane są makroergicznymi (niosącymi dużą ilość energii).

Przekształcenie energii chemicznie związanej w ATP na energię mechaniczną (niezbędną do skurczu mięśni), elektryczną, świetlną, dźwiękową osmozy i inne jej rodzaje, które zapewniają syntezę substancji plastycznych w komórce, wzrost, rozwój, możliwość przenoszenia dziedzicznego cechy, odbywa się w głowie cząstek elementarnych zespołów oddechowych ze względu na obecność w nich, tj. w tych samych cząstkach, w których zachodzi jego synteza. Energia uwalniana podczas rozpadu ATP jest bezpośrednio przekształcana w energię biologiczną, która jest niezbędna do syntezy białek, nukleotydów i innych związków organicznych, bez których wzrost i rozwój organizmu jest niemożliwy. Zapasy energii w ATP są wykorzystywane do wykonywania ruchów, generowania elektryczności, światła, wykonywania dowolnej funkcji komórki i jej organelli.

Podaż ATP w komórce jest ograniczona. We włóknach mięśniowych mogą dostarczać energii tylko na 30-40 skurczów, a w komórkach innych tkanek jest ich jeszcze mniej. Aby uzupełnić rezerwy ATP, jego synteza musi zachodzić w sposób ciągły – z (ADP) i nieorganicznego fosforanu, co odbywa się przy udziale enzymu syntetazy ATP. Dlatego też stosunek stężeń ATP do ADP (aktywność syntetazy ATP) ma duże znaczenie dla kontrolowania procesu syntezy ATP. Przy braku ADP, ze względu na obecność ATPazy w centrum aktywnym, przyspieszona zostanie hydroliza ATP, która, jak zauważono, jest związana z procesem utleniania i zależy od stanu nośników wodoru i tlenu.

Im więcej NAD i mniej jego zredukowanej formy, im bardziej utleniony cytochrom ci ADP, tym wyższa szybkość syntezy ATP. Wraz z innymi enzymami i koenzymami głównymi regulatorami pracy zespołów oddechowych są w pierwszym etapie przenoszenia wodoru z substratu NAD-NAD, w drugim – nośnik elektronów do tlenu, cytochromy, a w końcowym etapie – stosunek ATP do ADP.

Uniwersalny akumulator energii biologicznej. Energia świetlna Słońca i energia zawarta w spożywanym pożywieniu jest magazynowana w cząsteczkach ATP. Podaż ATP w komórce jest niewielka. Tak więc w mięśniu rezerwa ATP wystarcza na 20-30 skurczów. Przy wzmożonej, ale krótkotrwałej pracy mięśnie pracują wyłącznie dzięki rozszczepieniu zawartego w nich ATP. Po skończonej pracy osoba ciężko oddycha - w tym okresie następuje rozkład węglowodanów i innych substancji (kumulowana jest energia) oraz przywracana jest podaż ATP w komórkach.

18. KLATKA

EUKARYOTES (eukariota) (z greckiego eu - dobry, całkowicie i karion - rdzeń), organizmy (wszystko oprócz bakterii, w tym cyjanobakterie), które w przeciwieństwie do prokariontów mają uformowane jądro komórkowe, oddzielone od cytoplazmy błoną jądrową. Materiał genetyczny zawarty jest w chromosomach. Komórki eukariotyczne mają mitochondria, plastydy i inne organelle. Charakterystyczny jest proces seksualny.

19. KLATKA, elementarny system życia, podstawa budowy i życia wszystkich zwierząt i roślin. Komórki istnieją jako niezależne organizmy (np. pierwotniaki, bakterie) oraz jako część organizmów wielokomórkowych, w których znajdują się komórki płciowe służące do rozmnażania oraz komórki organizmu (somatyczne), różniące się budową i funkcjami (np. nerwowe, kostne, mięśniowe , sekretarka). Rozmiary komórek wahają się od 0,1-0,25 mikrona (niektóre bakterie) do 155 mm (jajo strusia w skorupce).

U ludzi, w ciele noworodka, około. 2 1012. W każdej komórce rozróżnia się 2 główne części: jądro i cytoplazmę, w których znajdują się organelle i wtrącenia. Komórki roślinne są zwykle pokryte twardą skorupą. Nauką o komórce jest cytologia.

PROKARYOTES (z łac. pro - forward, zamiast greckiego karion - jądro), organizmy, które w przeciwieństwie do eukariontów nie mają dobrze uformowanego jądra komórkowego. Materiał genetyczny w postaci kolistej nici DNA leży swobodnie w nukleotydzie i nie tworzy prawdziwych chromosomów. Nie ma typowego procesu seksualnego. Prokarionty obejmują bakterie, w tym cyjanobakterie (sinice). W systemie świata organicznego prokarionty stanowią superkrólestwo.

20. MEMBRANA PLAZMATYCZNA(błona komórkowa, plazmalemma), błona biologiczna otaczająca protoplazmę komórek roślinnych i zwierzęcych. Uczestniczy w regulacji metabolizmu między komórką a jej otoczeniem.

21. WŁĄCZENIA KOMÓREK- Nagromadzenie zapasowych składników odżywczych: białek, tłuszczów i węglowodanów.

22. APARTAMENT GOLGI(kompleks Golgiego) (nazwany na cześć K. Golgiego), organoid komórkowy zaangażowany w tworzenie produktów przemiany materii (różne sekrety, kolagen, glikogen, lipidy itp.), w syntezie glikoprotein.

23 LIZOSOM(z liz. i gr. soma - ciało), struktury komórkowe zawierające enzymy, które mogą rozkładać (lizować) białka, kwasy nukleinowe, polisacharydy. Uczestniczą w trawieniu wewnątrzkomórkowym substancji wnikających do komórki poprzez fagocytozę i pinocytozę.

24. MITOCHONDRIA otoczone zewnętrzną błoną, a zatem już przedziałem, oddzielonym od otaczającej cytoplazmy; ponadto wewnętrzna przestrzeń mitochondriów jest również podzielona na dwa przedziały przez błonę wewnętrzną. Zewnętrzna błona mitochondriów ma bardzo podobny skład do błon retikulum endoplazmatycznego; wewnętrzna błona mitochondriów, która tworzy fałdy (cristae), jest bardzo bogata w białka - być może jest to jedna z najbardziej bogatych w białko błon w komórce; wśród nich są białka „łańcucha oddechowego” odpowiedzialne za transport elektronów; białka nośnikowe dla ADP, ATP, tlenu, CO w niektórych cząsteczkach organicznych i jonach. Produkty glikolizy wchodzące do mitochondriów z cytoplazmy są utleniane w wewnętrznym przedziale mitochondriów.

Białka odpowiedzialne za przenoszenie elektronów znajdują się w błonie, dzięki czemu podczas procesu przenoszenia elektronów protony wyrzucane są na jedną stronę błony - dostają się do przestrzeni między błoną zewnętrzną i wewnętrzną i tam się gromadzą. Powoduje to potencjał elektrochemiczny (z powodu różnic w stężeniach i ładunkach). Różnica ta jest utrzymywana ze względu na najważniejszą właściwość wewnętrznej błony mitochondrialnej – jest ona nieprzepuszczalna dla protonów. Oznacza to, że w normalnych warunkach same protony nie mogą przejść przez tę błonę. Ale zawiera specjalne białka, a raczej kompleksy białkowe, składające się z wielu białek i tworzące kanał dla protonów. Protony przechodzą przez ten kanał pod działaniem siły napędowej gradientu elektrochemicznego. Energia tego procesu jest wykorzystywana przez enzym zawarty w tych samych kompleksach białkowych i zdolny do przyłączenia grupy fosforanowej do adenozynodifosforanu (ADP), co prowadzi do syntezy ATP.

Mitochondria pełnią więc w komórce rolę „stacji energetycznej”. Zasada tworzenia ATP w chloroplastach komórek roślinnych jest zasadniczo taka sama - zastosowanie gradientu protonowego i zamiana energii gradientu elektrochemicznego na energię wiązań chemicznych.

25. PLASTIDY(z greckiego plastos - ukształtowany), organelle cytoplazmatyczne komórek roślinnych. Często zawierają pigmenty, które określają kolor plastydu. W roślinach wyższych zielone plastydy to chloroplasty, bezbarwne plastydy to leukoplasty, różnokolorowe plastydy to chromoplasty; w większości alg plastydy nazywane są chromatoforami.

26. RDZEŃ- najważniejsza część komórki. Pokryta jest membraną z podwójną błoną z porami, przez które niektóre substancje wnikają do jądra, podczas gdy inne do cytoplazmy. Chromosomy to główne struktury jądra, nośniki dziedzicznej informacji o cechach organizmu. Przenosi się w procesie podziału komórki macierzystej na komórki potomne, a wraz z komórkami zarodkowymi - na organizmy potomne. Jądro jest miejscem syntezy DNA i mRNA. rRNA.

28. FAZY MITOZY(profaza, metafaza, anafaza, telofaza) – szereg następujących po sobie zmian w komórce: a) spiralizacja chromosomów, rozpuszczanie otoczki jądrowej i jąderka; b) tworzenie wrzeciona podziału, umiejscowienie chromosomów w centrum komórki, przyczepienie do nich nici wrzeciona c) rozbieżność chromatyd do przeciwległych biegunów komórki (stają się one chromosomami);

d) tworzenie przegrody komórkowej, podział cytoplazmy i jej organelli, tworzenie błony jądrowej, pojawienie się dwóch komórek z jednej z tym samym zestawem chromosomów (po 46 w komórkach macierzystych i potomnych osoby).

W procesie biochemicznych przemian substancji dochodzi do zerwania wiązań chemicznych, czemu towarzyszy uwolnienie energii. Jest to wolna energia potencjalna, której organizmy żywe nie mogą bezpośrednio wykorzystać. Musi zostać nawrócony. Istnieją dwie uniwersalne formy energii, które można wykorzystać w komórce do wykonywania różnego rodzaju pracy:

1) Energia chemiczna, energia wiązań makroergicznych związków chemicznych. Wiązania chemiczne nazywane są makroergicznymi, jeśli po ich zerwaniu uwalniana jest duża ilość energii swobodnej. Związki mające takie wiązania są makroergiczne. Cząsteczka ATP posiada wiązania makroergiczne, posiada pewne właściwości, które decydują o jej ważnej roli w metabolizmie energetycznym komórek:

· Niestabilność termodynamiczna;

· Wysoka stabilność chemiczna. Zapewnia wydajną oszczędność energii, ponieważ zapobiega rozpraszaniu energii w postaci ciepła;

· Niewielki rozmiar cząsteczki ATP ułatwia dyfuzję do różnych części komórki, gdzie do wykonania pracy chemicznej, osmotycznej lub chemicznej potrzebna jest energia z zewnątrz;

· Zmiana energii swobodnej podczas hydrolizy ATP ma wartość średnią, która pozwala mu najlepiej pełnić funkcje energetyczne, czyli przenosić energię ze związków wysokoenergetycznych do niskoenergetycznych.

ATP jest uniwersalnym akumulatorem energii dla wszystkich żywych organizmów, energia jest magazynowana w cząsteczkach ATP przez bardzo krótki czas (żywotność ATP wynosi 1/3 sekundy). Jest natychmiast zużywana na dostarczanie energii dla wszystkich zachodzących procesów.Energia zawarta w cząsteczce ATP może być wykorzystana w reakcjach zachodzących w cytoplazmie (w większości biosyntezy, a także w niektórych procesach zależnych od błony).

2) Energia elektrochemiczna (przezbłonowa energia potencjalna wodoru)Δ. Kiedy elektrony są przenoszone wzdłuż łańcucha redoks, w zlokalizowanych błonach określonego typu, zwanych energetycznie lub sprzęganymi, następuje nierównomierny rozkład protonów w przestrzeni po obu stronach błony, tj. występuje poprzecznie zorientowany lub transbłonowy gradient wodoru Δ na błonie, mierzony w woltach, wynikowy Δ prowadzi do syntezy cząsteczek ATP. Energia w postaci Δ może być wykorzystana w różnych procesach zależnych od energii zlokalizowanych na błonie:

Do wchłaniania DNA w procesie transformacji genetycznej;

Do przenoszenia białek przez błonę;

Aby zapewnić ruch wielu prokariotów;

· Zapewnienie aktywnego transportu cząsteczek i jonów przez błonę cytoplazmatyczną.

Nie cała energia swobodna uzyskana podczas utleniania substancji jest przekształcana w formę dostępną dla komórki i gromadzona w ATP. Część wytworzonej darmowej energii jest rozpraszana w postaci energii cieplnej, rzadziej światła i energii elektrycznej. Jeśli komórka magazynuje więcej energii, niż może wydać na wszystkie energochłonne procesy, syntetyzuje dużą ilość wielkocząsteczkowych substancji rezerwowych (lipidów). W razie potrzeby substancje te ulegają przemianom biochemicznym i dostarczają komórkom energii.

ATP jest uniwersalną „walutą” energetyczną komórki. Jednym z najbardziej zdumiewających „wynalazków” natury są molekuły tzw. substancji „makroergicznych”, w których strukturze chemicznej znajduje się jedno lub więcej wiązań pełniących funkcję magazynów energii. Kilka podobnych cząsteczek znaleziono w dzikich zwierzętach, ale tylko jedna z nich, kwas adenozynotrifosforowy (ATP), znajduje się w ludzkim ciele. Jest to dość złożona cząsteczka organiczna, do której przyłączone są 3 ujemnie naładowane reszty nieorganicznego kwasu fosforowego PO. To właśnie te reszty fosforu są połączone z organiczną częścią cząsteczki wiązaniami „makroergicznymi”, które łatwo ulegają zniszczeniu podczas różnych reakcji wewnątrzkomórkowych. Jednak energia tych wiązań nie jest rozpraszana w przestrzeni w postaci ciepła, ale jest wykorzystywana do ruchu lub interakcji chemicznych innych cząsteczek. To dzięki tej właściwości ATP pełni funkcję uniwersalnego magazynu energii (akumulatora) w komórce, a także uniwersalnej „waluty”. W końcu prawie każda przemiana chemiczna zachodząca w komórce albo pochłania, albo uwalnia energię. Zgodnie z prawem zachowania energii, całkowita ilość energii powstająca w wyniku reakcji utleniania i zmagazynowana w postaci ATP jest równa ilości energii, którą komórka może wykorzystać do swoich procesów syntezy i wykonywania dowolnych funkcji . Jako „zapłatę” za możliwość wykonania tej lub innej czynności, komórka jest zmuszona wydać zapas ATP. W tym przypadku należy podkreślić, że cząsteczka ATP jest tak duża, że ​​nie jest w stanie przejść przez błonę komórkową. Dlatego ATP wytworzone w jednej komórce nie może być wykorzystane przez inną komórkę. Każda komórka organizmu jest zmuszona do samodzielnej syntezy ATP na swoje potrzeby w ilościach, w jakich jest ona niezbędna do wykonywania jej funkcji.

Trzy źródła resyntezy ATP w komórkach ludzkiego ciała. Podobno dalecy przodkowie komórek ludzkiego ciała istnieli wiele milionów lat temu, otoczeni komórkami roślinnymi, które dostarczały im nadmiaru węglowodanów, a tlenu było za mało lub wcale. To właśnie węglowodany są najczęściej wykorzystywanym składnikiem składników odżywczych do produkcji energii w organizmie. I chociaż większość komórek ludzkiego ciała nabyła zdolność wykorzystywania białek i tłuszczów jako surowców energetycznych, niektóre (na przykład komórki nerwowe, czerwonej krwi, płci męskiej) są w stanie wytwarzać energię tylko dzięki utlenianiu węglowodanów .

Procesy pierwotnego utleniania węglowodanów - a raczej glukozy, która w rzeczywistości stanowi główny substrat utleniania w komórkach - zachodzą bezpośrednio w cytoplazmie: to tam znajdują się kompleksy enzymatyczne, dzięki którym częściowo znajduje się cząsteczka glukozy zniszczone, a uwolniona energia jest magazynowana w postaci ATP. Proces ten nazywany jest glikolizą, może zachodzić bez wyjątku we wszystkich komórkach ludzkiego ciała. W wyniku tej reakcji z jednej 6-węglowej cząsteczki glukozy powstają dwie 3-węglowe cząsteczki kwasu pirogronowego i dwie cząsteczki ATP.

Glikoliza to bardzo szybki, ale stosunkowo nieefektywny proces. Powstający w komórce kwas pirogronowy po zakończeniu reakcji glikolizy niemal natychmiast zamienia się w kwas mlekowy i czasami (np. podczas ciężkiej pracy mięśni) dostaje się do krwi w bardzo dużych ilościach, ponieważ jest to mała cząsteczka, która może swobodnie przez nią przechodzić błona komórkowa. Tak masowe uwalnianie do krwi kwaśnych produktów przemiany materii zaburza homeostazę, a organizm musi włączyć specjalne mechanizmy homeostatyczne, aby poradzić sobie z konsekwencjami pracy mięśni lub innego aktywnego działania.

Powstający w wyniku glikolizy kwas pirogronowy nadal zawiera dużo potencjalnej energii chemicznej i może służyć jako substrat do dalszego utleniania, ale wymaga to specjalnych enzymów i tlenu. Proces ten zachodzi w wielu komórkach zawierających specjalne organelle – mitochondria. Wewnętrzna powierzchnia błon mitochondrialnych składa się z dużych cząsteczek lipidów i białek, w tym dużej liczby enzymów oksydacyjnych. Wewnątrz mitochondriów przenikają cząsteczki 3-węglowe powstałe w cytoplazmie - zwykle jest to kwas octowy (octan). Tam są włączone w ciągły cykl reakcji, podczas których atomy węgla i wodoru są naprzemiennie oddzielane od tych organicznych cząsteczek, które w połączeniu z tlenem zamieniają się w dwutlenek węgla i wodę. W reakcjach tych uwalniana jest duża ilość energii, która jest magazynowana w postaci ATP. Każda cząsteczka kwasu pirogronowego, po przejściu pełnego cyklu utleniania w mitochondriach, pozwala komórce uzyskać 17 cząsteczek ATP. Zatem całkowite utlenienie 1 cząsteczki glukozy dostarcza komórce 2+17x2 = 36 cząsteczek ATP. Równie ważne jest to, że kwasy tłuszczowe i aminokwasy, czyli składniki tłuszczów i białek, również mogą zostać włączone do procesu utleniania mitochondriów. Dzięki tej zdolności mitochondria czynią komórkę względnie niezależną od tego, jakie pokarmy spożywa organizm: w każdym razie uzyskana zostanie niezbędna ilość energii.

Część energii jest magazynowana w komórce w postaci cząsteczki fosforanu kreatyny (CrP), która jest mniejsza i bardziej mobilna niż ATP. To właśnie ta mała cząsteczka może szybko przemieszczać się z jednego końca komórki na drugi – tam, gdzie w danej chwili energia jest najbardziej potrzebna. Sam CrF nie może dostarczać energii do procesów syntezy, skurczu mięśni lub przewodzenia impulsu nerwowego: wymaga to ATP. Ale z drugiej strony CRF łatwo i praktycznie bez strat jest w stanie oddać całą zawartą w nim energię cząsteczce adenazynodifosforanu (ADP), która natychmiast zamienia się w ATP i jest gotowa do dalszych przemian biochemicznych.

Tym samym energia zużywana podczas funkcjonowania komórki, czyli ATP można odnowić dzięki trzem głównym procesom: beztlenowej (beztlenowej) glikolizie, tlenowej (z udziałem tlenu) oksydacji mitochondrialnej, a także dzięki przeniesieniu grupy fosforanowej z CrF do ADP.

Najsilniejsze jest źródło fosforanu kreatyny, ponieważ reakcja CrF z ADP jest bardzo szybka. Jednak podaż CrF w komórce jest zwykle niewielka – np. mięśnie mogą pracować z maksymalnym wysiłkiem dzięki CrF nie dłużej niż 6-7 s. Zwykle wystarcza to do uruchomienia drugiego najpotężniejszego - glikolitycznego - źródła energii. W tym przypadku zasób składników odżywczych jest wielokrotnie większy, ale w miarę postępu pracy wzrasta napięcie w homeostazie na skutek powstawania kwasu mlekowego, a jeśli taką pracę wykonują duże mięśnie, nie może ona trwać dłużej niż 1,5- 2 minuty. Ale w tym czasie prawie całkowicie aktywowane są mitochondria, które są w stanie spalić nie tylko glukozę, ale także kwasy tłuszczowe, których podaż w organizmie jest niemal niewyczerpana. Zatem tlenowe źródło mitochondrialne może działać bardzo długo, chociaż jego moc jest stosunkowo niska – 2-3 razy mniej niż źródło glikolityczne i 5 razy mniej niż moc źródła fosforanu kreatyny.

Cechy organizacji produkcji energii w różnych tkankach ciała. Różne tkanki mają różne nasycenie mitochondriów. Najmniej znajdują się w kościach i białym tłuszczu, a przede wszystkim w brązowym tłuszczu, wątrobie i nerkach. W komórkach nerwowych jest sporo mitochondriów. Mięśnie nie posiadają wysokiego stężenia mitochondriów, jednak z uwagi na to, że mięśnie szkieletowe są najmasywniejszą tkanką ciała (ok. 40% masy ciała osoby dorosłej), to właśnie potrzeby komórek mięśniowych w dużej mierze determinują intensywność i kierunek wszystkich procesów metabolizmu energetycznego. IA Arshavsky nazwał tę „regułę energetyczną mięśni szkieletowych”.

Wraz z wiekiem zmieniają się jednocześnie dwa ważne składniki metabolizmu energetycznego: zmienia się stosunek mas tkanek o różnej aktywności metabolicznej, a także zawartość najważniejszych enzymów oksydacyjnych w tych tkankach. W efekcie metabolizm energetyczny ulega dość złożonym zmianom, ale generalnie jego intensywność maleje wraz z wiekiem i dość znacząco.

wymiana energii

wymiana energii jest najbardziej integralną funkcją ciała. Wszelkie syntezy, aktywność dowolnego narządu, każda czynność funkcjonalna nieuchronnie wpływa na metabolizm energetyczny, ponieważ zgodnie z prawem zachowania, które nie ma wyjątków, każdemu aktowi związanemu z transformacją materii towarzyszy wydatek energii.

Koszty energii Organizmy składają się z trzech nierównych części podstawowego metabolizmu, dostarczania energii do funkcji, a także kosztów energii dla wzrostu, rozwoju i procesów adaptacyjnych. Stosunek tych części zależy od etapu rozwoju osobniczego i specyficznych warunków (tab. 2).

Podstawowy metabolizm- jest to minimalny poziom produkcji energii, który zawsze istnieje, niezależnie od czynnościowej czynności narządów i układów, i nigdy nie jest równy zeru. Na metabolizm podstawowy składają się trzy główne rodzaje wydatkowania energii: minimalny poziom funkcji, jałowe cykle i procesy naprawcze.

Minimalne zapotrzebowanie energetyczne organizmu. Kwestia minimalnego poziomu funkcji jest dość oczywista: nawet w warunkach całkowitego odpoczynku (na przykład spokojnego snu), gdy na organizm nie działają żadne czynniki aktywujące, konieczne jest utrzymanie określonej aktywności mózgu i gruczołów dokrewnych, wątroba i przewód pokarmowy, serce i naczynia krwionośne, mięśnie oddechowe i tkanka płucna, mięśnie wzmacniające i gładkie itp.

Próżne cykle. Mniej znany jest fakt, że w każdej komórce ciała nieustannie zachodzą miliony cyklicznych reakcji biochemicznych, w wyniku których nic nie jest wytwarzane, ale do ich realizacji potrzebna jest pewna ilość energii. Są to tak zwane jałowe cykle, procesy, które zachowują „zdolność bojową” struktur komórkowych przy braku rzeczywistego zadania funkcjonalnego. Niczym bączek, jałowe cykle zapewniają stabilność komórce i wszystkim jej strukturom. Wydatek energetyczny na utrzymanie każdego z jałowych cykli jest niewielki, ale jest ich wiele, co w efekcie przekłada się na dość znaczną część podstawowego wydatku energetycznego.

procesy naprawcze. Wiele kompleksowo zorganizowanych cząsteczek biorących udział w procesach metabolicznych prędzej czy później zaczyna ulegać uszkodzeniu, tracąc swoje właściwości funkcjonalne, a nawet nabywając toksyczne. Potrzebne są ciągłe „prace naprawcze i odbudowujące”, usuwające z komórki uszkodzone molekuły i syntetyzujące w ich miejsce nowe, identyczne z poprzednimi. Takie procesy naprawcze zachodzą stale w każdej komórce, ponieważ czas życia każdej cząsteczki białka zwykle nie przekracza 1-2 tygodni, a w każdej komórce są ich setki milionów. Czynniki środowiskowe - niekorzystna temperatura, zwiększone promieniowanie tła, narażenie na substancje toksyczne i wiele innych - mogą znacznie skrócić żywotność złożonych cząsteczek i w efekcie zwiększyć stres procesów naprawczych.

Minimalny poziom funkcjonowania tkanek organizmu wielokomórkowego. Funkcjonowanie komórki jest zawsze jakaś Praca na zewnątrz. Dla komórki mięśniowej jest to jej skurcz, dla komórki nerwowej jest to wytwarzanie i przewodzenie impulsu elektrycznego, dla komórki gruczołowej jest to produkcja tajemnicy i akt sekrecji, dla komórki nabłonkowej jest to to pinocytoza lub inna forma interakcji z otaczającymi tkankami i płynami biologicznymi. Oczywiście żadna praca nie może być wykonana bez nakładów energii na jej realizację. Ale każda praca prowadzi ponadto do zmiany wewnętrznego środowiska organizmu, ponieważ produkty przemiany materii aktywnej komórki mogą nie być obojętne na inne komórki i tkanki. Dlatego drugi rzut zużycia energii podczas pełnienia funkcji wiąże się z aktywnym utrzymywaniem homeostazy, co czasami pochłania bardzo znaczną część energii. Tymczasem w trakcie wykonywania zadań funkcjonalnych zmienia się nie tylko skład środowiska wewnętrznego, często zmieniają się struktury, często w kierunku destrukcji. Tak więc przy skurczu mięśni szkieletowych (nawet o niewielkiej intensywności) zawsze występują pęknięcia włókien mięśniowych, tj. integralność formy jest zepsuta. Organizm posiada specjalne mechanizmy utrzymywania stałości kształtu (homeomorfozy), które zapewniają szybką regenerację uszkodzonych lub zmienionych struktur, ale znowu zużywa to energię. I wreszcie, bardzo ważne jest, aby rozwijający się organizm zachował główne tendencje swojego rozwoju, niezależnie od tego, jakie funkcje muszą zostać uruchomione w wyniku ekspozycji na określone warunki. Utrzymanie niezmienności kierunku i kanałów rozwoju (homeoreza) to kolejna forma zużycia energii podczas aktywacji funkcji.

Dla rozwijającego się organizmu ważnym elementem zużycia energii jest sam wzrost i rozwój. Jednak dla każdego, w tym dojrzałego organizmu, procesy adaptacyjnych przegrupowań są nie mniej energochłonne pod względem objętości i bardzo podobne w istocie. Tutaj wydatki energetyczne mają na celu aktywację genomu, niszczenie przestarzałych struktur (katabolizm) i syntezę (anabolizm).

Koszty metabolizmu podstawowego oraz koszty wzrostu i rozwoju znacznie spadają z wiekiem, a koszty pełnienia funkcji różnią się jakościowo. Ponieważ metodycznie niezwykle trudno jest oddzielić podstawowy wydatek energetyczny od wydatku energetycznego na procesy wzrostu i rozwoju, są one zwykle rozpatrywane razem pod nazwą „BX”.

Dynamika wieku podstawowego metabolizmu. Od czasów M. Rubnera (1861) wiadomo, że u ssaków wraz ze wzrostem masy ciała maleje intensywność wytwarzania ciepła na jednostkę masy; natomiast kwota wymiany obliczona na jednostkę powierzchni pozostaje stała („reguła powierzchni”). Fakty te nadal nie mają zadowalającego wyjaśnienia teoretycznego, dlatego do wyrażenia związku między wielkością ciała a tempem metabolizmu stosuje się wzory empiryczne. W przypadku ssaków, w tym ludzi, formuła M. Kleibera jest obecnie najczęściej stosowana:

M \u003d 67,7 P 0,75 kcal / dzień,

gdzie M to produkcja ciepła przez cały organizm, a P to masa ciała.

Jednak za pomocą tego równania nie zawsze można opisać związane z wiekiem zmiany w podstawowym metabolizmie. W ciągu pierwszego roku życia produkcja ciepła nie spada, jak wymagałoby tego równanie Klaibera, ale utrzymuje się na tym samym poziomie lub nawet nieznacznie wzrasta. Dopiero w pierwszym roku życia osiąga się w przybliżeniu intensywność przemiany materii (55 kcal/kg dziennie), która jest „wymagana” zgodnie z równaniem Klaibera dla organizmu o masie 10 kg. Dopiero od 3 roku życia intensywność podstawowej przemiany materii zaczyna stopniowo spadać i osiąga poziom osoby dorosłej – 25 kcal/kg dziennie – dopiero w okresie dojrzewania.

Koszt energetyczny procesów wzrostu i rozwoju. Często zwiększona podstawowa przemiana materii u dzieci wiąże się z kosztami wzrostu. Jednak dokładne pomiary i obliczenia przeprowadzone w ostatnich latach wykazały, że nawet najbardziej intensywne procesy wzrostu w pierwszych 3 miesiącach życia nie wymagają więcej niż 7-8% dobowego poboru energii, a po 12 miesiącach nie przekraczają 1%. Ponadto najwyższy poziom energochłonności organizmu dziecka odnotowano w wieku 1 roku, kiedy tempo jego wzrostu staje się 10-krotnie mniejsze niż w wieku 6 miesięcy. Istotnie bardziej „energochłonne” były te etapy ontogenezy, w których tempo wzrostu spada, aw narządach i tkankach zachodzą istotne zmiany jakościowe w wyniku procesów różnicowania komórkowego. Specjalne badania biochemików wykazały, że w tkankach wchodzących w etap procesów różnicowania (na przykład w mózgu) gwałtownie wzrasta zawartość mitochondriów, a w konsekwencji wzrasta metabolizm oksydacyjny i produkcja ciepła. Biologiczne znaczenie tego zjawiska polega na tym, że w procesie różnicowania komórek powstają nowe struktury, nowe białka i inne duże cząsteczki, których komórka wcześniej nie była w stanie wytworzyć. Jak każda nowa firma, wymaga to specjalnych kosztów energii, podczas gdy procesy wzrostu są ustaloną „seryjną produkcją” białka i innych makrocząsteczek w komórce.

W procesie dalszego rozwoju osobniczego obserwuje się zmniejszenie intensywności podstawowego metabolizmu. Okazało się, że wraz z wiekiem zmienia się udział różnych narządów w podstawowej przemianie materii. Na przykład mózg (który ma znaczący udział w głównym metabolizmie) u noworodków stanowi 12% masy ciała, au dorosłego tylko 2%. Równie nierównomiernie rosną narządy wewnętrzne, które podobnie jak mózg mają bardzo wysoki poziom metabolizmu energetycznego nawet w spoczynku - 300 kcal/kg dziennie. Jednocześnie tkanka mięśniowa, której względna ilość prawie podwaja się w okresie rozwoju poporodowego, charakteryzuje się bardzo niskim tempem metabolizmu w spoczynku – 18 kcal/kg dziennie. U osoby dorosłej mózg odpowiada za około 24% podstawowej przemiany materii, wątroba za 20%, serce za 10%, a mięśnie szkieletowe za 28%. U rocznego dziecka mózg odpowiada za 53% podstawowej przemiany materii, wątroba za 18%, a mięśnie szkieletowe za zaledwie 8%.

Wymiana odpoczynku u dzieci w wieku szkolnym. Pomiar metabolizmu podstawowego możliwy jest tylko w klinice: wymaga to specjalnych warunków. Ale wymianę spoczynkową można zmierzyć u każdej osoby: wystarczy, aby mógł pościć i odpoczywać przez kilkadziesiąt minut. Spoczynkowy kurs wymiany jest nieco wyższy niż podstawowy kurs wymiany, ale ta różnica nie jest fundamentalna. Dynamika zmian metabolizmu spoczynkowego związanych z wiekiem nie sprowadza się do prostego obniżenia intensywności metabolizmu. Okresy charakteryzujące się szybkim spadkiem intensywności metabolizmu zastępowane są przedziałami wiekowymi, w których stabilizuje się metabolizm spoczynkowy.

Jednocześnie stwierdza się ścisły związek między charakterem zmiany intensywności metabolizmu a tempem wzrostu (por. ryc. 8 na s. 57). Słupki na rysunku pokazują względne roczne przyrosty masy ciała. Okazuje się, że im większe względne tempo wzrostu, tym większy spadek tempa spoczynkowego metabolizmu w tym okresie.

Na rysunku widać jeszcze jedną cechę – wyraźne różnice między płciami: dziewczęta w badanym przedziale wiekowym wyprzedzają chłopców o około rok pod względem zmian tempa wzrostu i intensywności metabolizmu. Jednocześnie stwierdza się ścisły związek między intensywnością spoczynkowego metabolizmu a tempem wzrostu dzieci podczas skoku połowicznego - od 4 do 7 lat. W tym samym okresie rozpoczyna się zmiana zębów mlecznych na stałe, które mogą również służyć jako jeden ze wskaźników dojrzewania morfofunkcjonalnego.

W procesie dalszego rozwoju zmniejsza się intensywność podstawowego metabolizmu, teraz w ścisłym związku z procesami dojrzewania. W początkowym okresie dojrzewania tempo przemiany materii u nastolatków jest o około 30% wyższe niż u dorosłych. Gwałtowny spadek indeksu rozpoczyna się na etapie III, kiedy gonady są aktywowane i trwa do początku dojrzewania. Jak wiadomo, zryw dojrzewania płciowego zbiega się również z osiągnięciem III stadium dojrzewania, tj. iw tym przypadku utrzymuje się regularność zmniejszania intensywności metabolizmu w okresach najintensywniejszego wzrostu.

Chłopcy w swoim rozwoju w tym okresie pozostają w tyle za dziewczętami o około 1 rok. Zgodnie z tym faktem intensywność procesów metabolicznych u chłopców jest zawsze wyższa niż u dziewcząt w tym samym wieku kalendarzowym. Różnice te są niewielkie (5-10%), ale stabilne przez cały okres dojrzewania.

termoregulacja

Termoregulacja, czyli utrzymywanie stałej temperatury wnętrza ciała, determinowane jest dwoma głównymi procesami: wytwarzaniem ciepła i przenoszeniem ciepła. Produkcja ciepła (termogeneza) zależy przede wszystkim od intensywności procesów metabolicznych, natomiast odbiór ciepła jest uwarunkowany izolacją termiczną i całym zespołem dość złożonych mechanizmów fizjologicznych, w tym reakcji naczynioruchowych, aktywności oddychania zewnętrznego i pocenia się. W tym zakresie termogenezę przypisuje się mechanizmom termoregulacji chemicznej, a metody zmiany wymiany ciepła określa się mianem mechanizmów termoregulacji fizycznej. Wraz z wiekiem zmieniają się zarówno te, jak i inne mechanizmy, a także ich znaczenie w utrzymaniu stabilnej temperatury ciała.

Rozwój wieku mechanizmów termoregulacji. Prawa czysto fizyczne prowadzą do tego, że wraz ze wzrostem masy i wymiarów bezwzględnych ciała maleje udział termoregulacji chemicznej. Tak więc u noworodków wartość produkcji ciepła termoregulacyjnego wynosi około 0,5 kcal/kg h deg, a u osoby dorosłej 0,15 kcal/kg h deg.

Noworodek, gdy temperatura otoczenia spada, może zwiększyć produkcję ciepła do prawie takich samych wartości jak dorosły, nawet do 4 kcal/kg h. Jednak ze względu na niską izolację termiczną (0,15 st. m 2 h/kcal), zakres termoregulacji chemicznej u noworodka jest bardzo mały - nie więcej niż 5 °. Należy wziąć pod uwagę, że temperatura krytyczna ( Cz), przy której aktywuje się termogeneza, wynosi +33 °C dla dziecka donoszonego, w stanie dorosłym spada do +27 ... +23°C. Natomiast w ubraniach, których izolacyjność termiczna wynosi zwykle 2,5 KLO, czyli 0,45 st.-m 2 h/kcal, temperatura krytyczna spada do +20 °C, więc dziecko w zwykłych ubraniach w temperaturze pokojowej jest w termoneutralnym środowisko, tj. w warunkach, które nie wymagają dodatkowych kosztów utrzymania temperatury ciała.

Dopiero podczas procedury zmiany ubrania, aby zapobiec wychłodzeniu, dziecko w pierwszych miesiącach życia powinno mieć wystarczająco silne mechanizmy wytwarzania ciepła. Co więcej, dzieci w tym wieku mają specjalne, specyficzne mechanizmy termogenezy, których nie ma u dorosłych. Osoba dorosła w odpowiedzi na ochłodzenie zaczyna drżeć, w tym tzw. termogenezę „skurczową”, czyli dodatkową produkcję ciepła w mięśniach szkieletowych (zimne dreszcze). Cechy konstrukcyjne ciała dziecka sprawiają, że taki mechanizm wytwarzania ciepła jest nieskuteczny, dlatego u dzieci aktywowana jest tzw. termogeneza „bezskurczowa”, zlokalizowana nie w mięśniach szkieletowych, ale w zupełnie innych narządach.

Są to narządy wewnętrzne (przede wszystkim wątroba) oraz specjalna brązowa tkanka tłuszczowa, nasycona mitochondriami (stąd jej brązowy kolor) i posiadająca wysokie zdolności energetyczne. Aktywację produkcji ciepła brunatnego tłuszczu u zdrowego dziecka można zaobserwować poprzez wzrost temperatury skóry w tych częściach ciała, w których brunatny tłuszcz jest zlokalizowany bardziej powierzchownie – w okolicy międzyłopatkowej i szyi. Zmieniając temperaturę w tych obszarach, można ocenić stan mechanizmów termoregulacji dziecka, stopień jego stwardnienia. Tak zwany „gorący kark” dziecka w pierwszych miesiącach życia związany jest właśnie z aktywnością brązowego tłuszczu.

W pierwszym roku życia zmniejsza się aktywność termoregulacji chemicznej. U dziecka w wieku 5-6 miesięcy znacznie wzrasta rola termoregulacji fizycznej. Wraz z wiekiem większość tłuszczu brunatnego zanika, ale jeszcze przed ukończeniem 3 roku życia reakcja największej części tłuszczu brunatnego, tłuszczu międzyłopatkowego, pozostaje. Istnieją doniesienia, że ​​u osób dorosłych pracujących na północy, na świeżym powietrzu, nadal aktywnie funkcjonuje brunatna tkanka tłuszczowa. W normalnych warunkach u dziecka w wieku powyżej 3 lat aktywność termogenezy nieskurczowej jest ograniczona, a swoista aktywność skurczowa mięśni szkieletowych - napięcie mięśniowe i drżenie mięśni - zaczyna odgrywać wiodącą rolę w zwiększaniu produkcji ciepła w przypadku termoregulacji chemicznej jest aktywowany. Jeśli takie dziecko znajdzie się w normalnej temperaturze pokojowej (+20°C) w szortach i koszulce, to w 80 przypadkach na 100 uruchamia się w nim produkcja ciepła.

Wzmocnienie procesów wzrostu podczas skoku półwzrostu (5-6 lat) prowadzi do zwiększenia długości i powierzchni kończyn, co zapewnia uregulowaną wymianę ciepła organizmu z otoczeniem. To z kolei prowadzi do tego, że począwszy od wieku 5,5-6 lat (szczególnie wyraźnie u dziewcząt) zachodzą istotne zmiany funkcji termoregulacyjnej. Zwiększa się izolacja termiczna organizmu, a aktywność termoregulacji chemicznej jest znacznie zmniejszona. Ta metoda regulacji temperatury ciała jest bardziej ekonomiczna i to on staje się dominujący w miarę dalszego rozwoju wieku. Ten okres rozwoju termoregulacji jest wrażliwy na zabiegi hartowania.

Wraz z początkiem dojrzewania rozpoczyna się kolejny etap rozwoju termoregulacji, który objawia się załamaniem rozwijającego się układu funkcjonalnego. U 11-12-letnich dziewcząt i 13-letnich chłopców, pomimo postępującego spadku intensywności metabolizmu spoczynkowego, nie dochodzi do odpowiedniej korekty regulacji naczyniowej. Dopiero w okresie dojrzewania, po zakończeniu okresu dojrzewania, możliwości termoregulacji osiągają definitywny poziom rozwoju. Zwiększenie izolacji termicznej tkanek własnego ciała pozwala obejść się bez włączenia termoregulacji chemicznej (tj. Dodatkowa produkcja ciepła) nawet wtedy, gdy temperatura otoczenia spada o 10-15 ° C. Ta reakcja organizmu jest oczywiście bardziej ekonomiczna i wydajna.

Odżywianie

Wszystkie niezbędne dla ludzkiego organizmu substancje, które służą do wytwarzania energii i budowania własnego ciała, pochodzą ze środowiska. Wraz z wiekiem dziecka, pod koniec pierwszego roku życia, coraz częściej przechodzi na samodzielne żywienie, a po 3 latach żywienie dziecka niewiele różni się od żywienia osoby dorosłej.

Składniki strukturalne substancji spożywczych.Żywność dla ludzi jest pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, ale niezależnie od tego składa się z tych samych klas związków organicznych – białek, tłuszczów i węglowodanów. W rzeczywistości te same klasy związków tworzą zasadniczo ciało samej osoby. Jednocześnie istnieją różnice między pokarmami pochodzenia zwierzęcego i roślinnego i to dość istotne.

Węglowodany. Najbardziej masywnym składnikiem pokarmów roślinnych są węglowodany (najczęściej w postaci skrobi), które stanowią podstawę zaopatrzenia organizmu człowieka w energię. Dla osoby dorosłej wymagane jest przyjmowanie węglowodanów, tłuszczów i białek w proporcji 4:1:1. Ponieważ procesy metaboliczne u dzieci są bardziej intensywne, a głównie z powodu aktywności metabolicznej mózgu, który żywi się prawie wyłącznie węglowodanami, dzieci powinny otrzymywać więcej pokarmu węglowodanowego – w proporcji 5:1:1. W pierwszych miesiącach życia dziecko nie otrzymuje pokarmów roślinnych, ale w mleku kobiet jest stosunkowo dużo węglowodanów: jest to mniej więcej taki sam tłuszcz jak mleko krowie, zawiera 2 razy mniej białka, ale 2 razy więcej węglowodanów. Proporcja węglowodanów, tłuszczów i białek w mleku ludzkim wynosi około 5:2:1. Sztuczne mieszanki do żywienia dzieci w pierwszych miesiącach życia przygotowywane są na bazie około dwukrotnie rozcieńczonego mleka krowiego z dodatkiem fruktozy, glukozy i innych węglowodanów.

Tłuszcze. Pokarmy roślinne rzadko są bogate w tłuszcze, ale składniki zawarte w tłuszczach roślinnych są niezbędne dla organizmu człowieka. W przeciwieństwie do tłuszczów zwierzęcych, tłuszcze roślinne zawierają wiele tak zwanych wielonienasyconych kwasów tłuszczowych. Są to długołańcuchowe kwasy tłuszczowe z podwójnymi wiązaniami w swojej strukturze. Takie cząsteczki są wykorzystywane przez ludzkie komórki do budowy błon komórkowych, w których pełnią rolę stabilizującą, chroniąc komórki przed inwazją agresywnych cząsteczek i wolnych rodników. Dzięki tej właściwości tłuszcze roślinne mają działanie przeciwnowotworowe, przeciwutleniające i przeciwrodnikowe. Ponadto w tłuszczach roślinnych rozpuszczona jest zazwyczaj duża ilość cennych witamin A i E. Kolejną zaletą tłuszczów roślinnych jest brak w nich cholesterolu, który może odkładać się w naczyniach krwionośnych człowieka i powodować ich zmiany miażdżycowe. Przeciwnie, tłuszcze zwierzęce zawierają znaczną ilość cholesterolu, ale praktycznie nie zawierają witamin i wielonienasyconych kwasów tłuszczowych. Jednak tłuszcze zwierzęce są również niezbędne dla organizmu człowieka, ponieważ są ważnym składnikiem zaopatrzenia w energię, a ponadto zawierają lipokininy, które pomagają organizmowi przyswajać i przetwarzać własny tłuszcz.

Wiewiórki. Białka roślinne i zwierzęce również różnią się znacznie składem. Chociaż wszystkie białka składają się z aminokwasów, niektóre z tych niezbędnych elementów budulcowych mogą być syntetyzowane przez komórki ludzkie, podczas gdy inne nie. Tych ostatnich jest niewiele, tylko 4-5 gatunków, ale nie da się ich niczym zastąpić, dlatego nazywa się je aminokwasami egzogennymi. Pokarmy roślinne prawie nie zawierają niezbędnych aminokwasów - tylko rośliny strączkowe i soja zawierają ich niewielką ilość. Tymczasem w mięsie, rybach i innych produktach pochodzenia zwierzęcego substancje te są szeroko reprezentowane. Brak niektórych aminokwasów egzogennych ma ostry negatywny wpływ na dynamikę procesów wzrostu i rozwój wielu funkcji, przede wszystkim na rozwój mózgu i intelektu dziecka. Z tego powodu dzieci, które w młodym wieku cierpią z powodu długotrwałego niedożywienia, często pozostają upośledzone umysłowo na całe życie. Dlatego dzieci w żadnym wypadku nie powinny ograniczać się do spożywania pokarmu dla zwierząt: przynajmniej mleka i jajek, a także ryb. Najwyraźniej ta sama okoliczność wiąże się z faktem, że dzieci poniżej 7 roku życia, zgodnie z tradycjami chrześcijańskimi, nie powinny pościć, to znaczy odmawiać pokarmu zwierzęcego.

Makro- i mikroelementy. Produkty spożywcze zawierają prawie wszystkie pierwiastki chemiczne znane nauce, z możliwym wyjątkiem metali radioaktywnych i ciężkich, a także gazów obojętnych. Niektóre pierwiastki, takie jak węgiel, wodór, azot, tlen, fosfor, wapń, potas, sód i inne, wchodzą w skład wszystkich produktów spożywczych i dostają się do organizmu w bardzo dużych ilościach (dziesiątki i setki gramów dziennie). Takie substancje są powszechnie określane jako makroelementy. Inne znajdują się w żywności w mikroskopijnych dawkach, dlatego nazywane są pierwiastkami śladowymi. Są to jod, fluor, miedź, kobalt, srebro i wiele innych pierwiastków. Żelazo jest często określane jako pierwiastki śladowe, chociaż jego ilość w organizmie jest dość duża, ponieważ żelazo odgrywa kluczową rolę w transporcie tlenu w organizmie. Brak któregokolwiek z pierwiastków śladowych może spowodować poważną chorobę. Na przykład brak jodu prowadzi do rozwoju ciężkiej choroby tarczycy (tzw. wola). Brak żelaza prowadzi do anemii z niedoboru żelaza – postaci anemii, która niekorzystnie wpływa na sprawność, wzrost i rozwój dziecka. We wszystkich takich przypadkach konieczna jest korekta żywieniowa, włączenie do diety produktów zawierających brakujące elementy. Tak więc jod znajduje się w dużych ilościach w wodorostach - wodorosty morskie, ponadto jodowana sól kuchenna jest sprzedawana w sklepach. Żelazo znajduje się w wątrobie wołowej, jabłkach i niektórych innych owocach, a także w toffi dla dzieci Hematogen sprzedawanym w aptekach.

Witaminy, beri-beri, choroby metaboliczne. Witaminy to organiczne cząsteczki średniej wielkości i złożoności, które nie są normalnie wytwarzane przez komórki ludzkiego ciała. Jesteśmy zmuszeni pozyskiwać witaminy z pożywienia, gdyż są one niezbędne do pracy wielu enzymów regulujących procesy biochemiczne w organizmie. Witaminy są bardzo nietrwałymi substancjami, więc gotowanie w ogniu prawie całkowicie niszczy zawarte w nich witaminy. Tylko surowa żywność zawiera zauważalną ilość witamin, dlatego warzywa i owoce są dla nas głównym źródłem witamin. Drapieżne zwierzęta, a także rdzenni mieszkańcy Północy, którzy jedzą prawie wyłącznie mięso i ryby, otrzymują wystarczającą ilość witamin z surowych produktów zwierzęcych. W smażonym i gotowanym mięsie i rybach praktycznie nie ma witamin.

Brak witamin objawia się różnymi chorobami metabolicznymi, które łączy się pod nazwą beri-beri. Obecnie odkryto około 50 witamin, a każda z nich odpowiada odpowiednio za własne „miejsce” procesów metabolicznych, a istnieje kilkadziesiąt chorób wywołanych przez beri-beri. Powszechnie znane są szkorbut, beri-beri, pelagra i inne tego typu choroby.

Witaminy dzielą się na dwie duże grupy: rozpuszczalne w tłuszczach i rozpuszczalne w wodzie. Witaminy rozpuszczalne w wodzie znajdują się w dużych ilościach w warzywach i owocach, natomiast witaminy rozpuszczalne w tłuszczach występują częściej w nasionach i orzechach. Oliwka, słonecznik, kukurydza i inne oleje roślinne są ważnymi źródłami wielu witamin rozpuszczalnych w tłuszczach. Jednak witamina D (przeciw krzywicy) znajduje się głównie w oleju rybim, który jest pozyskiwany z wątroby dorsza i niektórych innych ryb morskich.

Na środkowych i północnych szerokościach geograficznych, wiosną, w żywności roślinnej zachowanej od jesieni, ilość witamin gwałtownie spada, a wiele osób - mieszkańców krajów północnych - doświadcza beri-beri. Słone i kwaśne pokarmy (kapusta, ogórki i niektóre inne), bogate w wiele witamin, pomagają przezwyciężyć ten stan. Ponadto witaminy są wytwarzane przez mikroflorę jelitową, dlatego przy prawidłowym trawieniu człowiek otrzymuje wiele najważniejszych witamin z grupy B w wystarczających ilościach. U dzieci w pierwszym roku życia mikroflora jelitowa nie została jeszcze ukształtowana, dlatego powinny otrzymywać wystarczającą ilość mleka matki, a także soków owocowych i warzywnych jako źródła witamin.

Dzienne zapotrzebowanie na energię, białka, witaminy. Ilość spożywanego dziennie pokarmu zależy bezpośrednio od tempa procesów metabolicznych, ponieważ pokarm musi w pełni kompensować energię zużywaną na wszystkie funkcje (ryc. 13). Chociaż intensywność procesów metabolicznych maleje wraz z wiekiem u dzieci powyżej 1 roku życia, to wzrost ich masy ciała prowadzi do wzrostu całkowitego (brutto) zużycia energii. W związku z tym wzrasta również zapotrzebowanie na niezbędne składniki odżywcze. Poniżej znajdują się tabele referencyjne (Tabele 3-6) przedstawiające przybliżone dzienne spożycie składników odżywczych, witamin i niezbędnych minerałów dla dzieci. Należy podkreślić, że tabele podają masę substancji czystych bez uwzględnienia wody zawartej w jakiejkolwiek żywności, a także substancji organicznych niezwiązanych z białkami, tłuszczami i węglowodanami (np. celuloza, która stanowi masę warzyw).

Współczesne rozumienie procesu fosforylacji oksydacyjnej sięga pionierskich prac Belitzera i Kalkara. Kalkar odkrył, że fosforylacja tlenowa jest związana z oddychaniem. Belitzer szczegółowo zbadał stechiometryczną zależność między wiązaniem sprzężonych fosforanów a pobieraniem tlenu i wykazał, że stosunek liczby cząsteczek nieorganicznego fosforanu do liczby zaabsorbowanych atomów tlenu

kiedy oddech jest równy co najmniej dwóm. Wskazał również, że przeniesienie elektronów z podłoża do tlenu jest możliwym źródłem energii do tworzenia dwóch lub więcej cząsteczek ATP na atom pochłoniętego tlenu.

Cząsteczka NADH służy jako donor elektronów, a reakcja fosforylacji ma postać

Krótko mówiąc, ta reakcja jest zapisana jako

Synteza trzech cząsteczek ATP w reakcji (15.11) zachodzi w wyniku przeniesienia dwóch elektronów cząsteczki NADH wzdłuż łańcucha transportu elektronów do cząsteczki tlenu. W tym przypadku energia każdego elektronu spada o 1,14 eV.

W środowisku wodnym przy udziale specjalnych enzymów hydrolizuje się cząsteczki ATP

Wzory strukturalne cząsteczek biorących udział w reakcjach (15.12) i (15.13) pokazano na ryc. 31.

W warunkach fizjologicznych cząsteczki biorące udział w reakcjach (15.12) i (15.13) znajdują się w różnych stadiach jonizacji (ATP, ). Dlatego symbole chemiczne w tych wzorach należy rozumieć jako warunkowy zapis reakcji między cząsteczkami znajdującymi się na różnych etapach jonizacji. W związku z tym wzrost energii swobodnej AG w reakcji (15.12) i jej spadek w reakcji (15.13) zależą od temperatury, stężenia jonów i wartości pH ośrodka. W standardowych warunkach eV kcal/mol). Jeśli wprowadzimy odpowiednie korekty uwzględniające fizjologiczne wartości pH i stężenie jonów wewnątrz komórek, a także zwykłe wartości stężeń cząsteczek ATP i ADP oraz fosforanów nieorganicznych w cytoplazmie komórek, wtedy dla energii swobodnej hydrolizy cząsteczek ATP otrzymujemy wartość -0,54 eV (-12,5 kcal/mol). Energia swobodna hydrolizy cząsteczek ATP nie jest wartością stałą. Może nie być taki sam nawet w różnych miejscach tej samej komórki, jeśli te miejsca różnią się koncentracją.

Od pojawienia się pionierskiej pracy Lipmana (1941) wiadomo było, że cząsteczki ATP w komórce pełnią funkcję uniwersalnego, krótkoterminowego magazynu i nośnika energii chemicznej wykorzystywanej w większości procesów życiowych.

Uwolnieniu energii podczas hydrolizy cząsteczki ATP towarzyszy przemiana cząsteczek

W takim przypadku zerwanie wiązania wskazanego symbolem prowadzi do usunięcia reszty kwasu fosforowego. Zgodnie z sugestią Lipmana takie wiązanie stało się znane jako „energetyczne wiązanie fosforanowe” lub „wiązanie makroergiczne”. Ten tytuł jest wyjątkowo niefortunny. W ogóle nie odzwierciedla energetyki procesów zachodzących podczas hydrolizy. Uwalnianie energii swobodnej nie jest spowodowane pęknięciem jednego wiązania (takie pęknięcie zawsze wymaga wydatku energii), ale przegrupowaniem wszystkich cząsteczek biorących udział w reakcjach, utworzeniem nowych wiązań i przegrupowaniem powłok solwatów podczas reakcja.

Gdy cząsteczka NaCl rozpuszcza się w wodzie, powstają uwodnione jony, a zysk energii podczas uwodnienia pokrywa utratę energii, gdy wiązanie w cząsteczce NaCl zostaje zerwane. Dziwne byłoby przypisywanie tego przyrostu energii „wiązaniu wysokoenergetycznym” w cząsteczce NaCl.

Jak wiadomo, podczas rozszczepiania ciężkich jąder atomowych uwalniana jest duża ilość energii, co nie wiąże się z zerwaniem jakichkolwiek wiązań wysokoergicznych, ale jest spowodowane przegrupowaniem fragmentów rozszczepienia i spadkiem energii Odpychanie kulopowe między nukleonami w każdym fragmencie.

Uczciwa krytyka koncepcji „wiązań makroergicznych” została wyrażona więcej niż jeden raz. Niemniej jednak pomysł ten został szeroko wprowadzony do literatury naukowej. Duża

Tabela 8

Wzory strukturalne związków fosforylowanych: a - fosfoenolirubian; b-1,3-difosfoglicerynian; c - fosforan kreatyny; - glukozo-I-fosforan; - glukozo-6-fosforan.

Nie ma w tym problemu, jeśli wyrażenie „wysokoergiczne wiązanie fosforanowe” stosuje się warunkowo, jako krótki opis całego cyklu przemian zachodzących w roztworze wodnym przy odpowiedniej obecności innych jonów, pH itp.

Tak więc koncepcja energii wiązania fosforanowego, stosowana przez biochemików, warunkowo charakteryzuje różnicę między energią swobodną substancji wyjściowych a energią swobodną produktów reakcji hydrolizy, w których odszczepiają się grupy fosforanowe. Tego pojęcia nie należy mylić z pojęciem energii wiązania chemicznego między dwiema grupami atomów w wolnej cząsteczce. Ta ostatnia charakteryzuje energię potrzebną do zerwania połączenia.

Komórki zawierają szereg związków fosforylowanych, których hydroliza w cytoplazmie wiąże się z uwolnieniem wolnej anergii. Wartości standardowych energii swobodnych hydrolizy niektórych z tych związków podano w tabeli. 8. Wzory strukturalne tych związków przedstawiono na ryc. 31 i 35.

Duże ujemne wartości standardowych swobodnych anergii hydrolizy wynikają z energii hydratacji ujemnie naładowanych produktów hydrolizy i przegrupowania ich powłok elektronowych. Z tabeli. Z 8 wynika, że ​​wartość standardowej energii swobodnej hydrolizy cząsteczki ATP zajmuje pozycję pośrednią między związkami „wysokoenergetycznymi” (fosfoenolopironian) i „niskoenergetycznymi” (glukozo-6-fosforan). To jeden z powodów, dla których cząsteczka ATP jest wygodnym uniwersalnym nośnikiem grup fosforanowych.

Za pomocą specjalnych enzymów cząsteczki ATP i ADP komunikują się między wysokoenergetyczną i niskoenergetyczną

związki fosforanowe. Na przykład, enzym kinaza pirogronianowa przenosi fosforan z fosfoenolopirogronianu do ADP. W wyniku reakcji powstaje pirogronian i cząsteczka ATP. Ponadto, za pomocą enzymu heksokinazy, cząsteczka ATP może przenieść grupę fosforanową na D-glukozę, zamieniając ją w glukozo-6-fosforan. Całkowity produkt tych dwóch reakcji zostanie sprowadzony do przemiany

Bardzo ważne jest, aby reakcje tego typu mogły przejść jedynie przez etap pośredni, w którym koniecznie biorą udział cząsteczki ATP i ADP.