Получение энергии для жизнедеятельности организма происходит в результате: Получение энергии для жизнедеятельности организма происходит в результате:а)размножения б)дыхания в) выделения г) роста.

Содержание

получение энергии для жизнедеятельности организма происходит в результате:а)размножения

1. К бактериям, осуществляющим хемосинтез, НЕ относятся:а) бактерии, окисляющие соединения сурьмы;б) бактерии, окисляющие тиосульфат;в) бактерии, окис … ляющие метанол; г) бактерии, окисляющие СО.2. В 1942–1943 годах при обороне Сталинграда большую опасность для осажденных советских войск представляла вспышка холеры. Справиться с ней удалось благодаря развёрнутой в городе лаборатории под руководством Зинаиды Виссарионовны Ермольевой. В чём, в соответствии с возможностями того времени, состояла основа профилактики и лечения холеры?а) кварцевание воздуха в помещениях;б) массовая раздача военным и мирному населению недавно открытого пенициллина;в) применение создаваемого прямо на месте препарата противохолерного бактериофага;г) введение обязательного ношения индивидуальных средств санитарной защиты.3. Представители какой группы микроорганизмов способны образовывать плодовые тела, приведенные на следующей фотографии?а) микобактерии;б) микоплазмы;в) миксомицеты;г) миксобактерии. 4. У какой группы водорослей известны только многоклеточные представители?а) бурые водоросли; б) красные водоросли;в) синезелёные водоросли;г) харовые водоросли.​

Какие химические вещества входят в состав клетки?

Подтип Черепные, или Позвоночные. Надкласс Рыбы. Классы Хрящевые и Костные рыбы. Конспект краткий СРОЧНО ДАЮ 15 БАЛЛОВ

Помогите с вопросами, дам +- 30 балов​

какие кости сочленчются с осевым скелетом? ​

помогите с вопросами пж​

Пигмент синего цвета, синтезируемый растением, нельзя встретить в лепестках цветков семейства:1)Бобовые2)Шиповниковые 3)губоцветы4)астровые​

В чём заключается биологическая роль витаминов? входят в состав ферментов поступают в организм с пищей являются конечными продуктами обмена вещест н … еобходимы организму в больших количествах

Из какой Частей состоит семя: Фасоль пшеницы миндаль лук ясень частуха

какой герой понравился больше всего и почему в рассказе солдатское сердце​

Получение энергии для жизнедеятельности организма происходит в результате?

1. К бактериям, осуществляющим хемосинтез, НЕ относятся:а) бактерии, окисляющие соединения сурьмы;б) бактерии, окисляющие тиосульфат;в) бактерии, окис … ляющие метанол; г) бактерии, окисляющие СО.2. В 1942–1943 годах при обороне Сталинграда большую опасность для осажденных советских войск представляла вспышка холеры. Справиться с ней удалось благодаря развёрнутой в городе лаборатории под руководством Зинаиды Виссарионовны Ермольевой. В чём, в соответствии с возможностями того времени, состояла основа профилактики и лечения холеры?а) кварцевание воздуха в помещениях;б) массовая раздача военным и мирному населению недавно открытого пенициллина;в) применение создаваемого прямо на месте препарата противохолерного бактериофага;г) введение обязательного ношения индивидуальных средств санитарной защиты.3. Представители какой группы микроорганизмов способны образовывать плодовые тела, приведенные на следующей фотографии?а) микобактерии;б) микоплазмы;в) миксомицеты;г) миксобактерии. 4. У какой группы водорослей известны только многоклеточные представители?а) бурые водоросли; б) красные водоросли;в) синезелёные водоросли;г) харовые водоросли.​

Какие химические вещества входят в состав клетки?

Подтип Черепные, или Позвоночные. Надкласс Рыбы. Классы Хрящевые и Костные рыбы. Конспект краткий СРОЧНО ДАЮ 15 БАЛЛОВ

Помогите с вопросами, дам +- 30 балов​

какие кости сочленчются с осевым скелетом? ​

помогите с вопросами пж​

Пигмент синего цвета, синтезируемый растением, нельзя встретить в лепестках цветков семейства:1)Бобовые2)Шиповниковые 3)губоцветы4)астровые​

В чём заключается биологическая роль витаминов? входят в состав ферментов поступают в организм с пищей являются конечными продуктами обмена вещест н … еобходимы организму в больших количествах

Из какой Частей состоит семя: Фасоль пшеницы миндаль лук ясень частуха

какой герой понравился больше всего и почему в рассказе солдатское сердце​

Урок 24. энергетика живой клетки — Естествознание — 10 класс

Энергетика живой клетки

Необходимо запомнить

ВАЖНО!

Обязательным условием существования биологических систем являются потоки энергии. В этом заключаются ключевые различия между живой и неживой природой. Ключевую роль в трансформации энергии обеспечивает клетка, как элементарная структура живого.

Из всего многообразия существующих форм энергии живые существа на нашей планете используют только две – световую и энергию химических связей. В зависимости от типа питания организмы разделают на

автотрофов (от греч. «авто» — сам, «трофос» — питание) и гетеротрофов (от греч. «гетерос» — другой, «трофос» — питание) .

Главным переносчиком энергии в клетке являются молекулы АТФ (аденозинтрифосфат) Энергия в АТФ запасается в виде высокоэнергетических химических связях между остатками фосфорной кислоты, которая освобождается при отщеплении фосфата:

АТФ → АДФ + Ф + E

Выделяемая энергия используется клетками для процессов выработки тепла, мышечных сокращений (мышечная клетка), для проведения нервного импульса (нервные клетки) и т.п.

Обратный процесс образования АТФ с затратой энергии, получил название

энергетический обмен.

Синтез макромолекул важнейших органических соединений, необходимых для построения структур клетки, обеспечения всех процессов жизнедеятельности клеток – пластический обмен — обеспечивается также энергией АТФ.

Независимо от типа питания, универсальным аккумулятором энергии живых организмов выступают молекулы АТФ. Такая схожесть иллюстрирует единство происхождения всего живого.

Фотосинтез

Процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием солнечной энергии получил название фотосинтез. Различают в фотосинтезе две фазы: световую и темовую.

В так называемой, световой фазе, кванты света выбивают электроны из молекулы хлорофилла ион начинает передаваться по специальным белковым переносчикам, расположенных на мембране хлоропластов. Под действием света одновременно происходит разложение воды (фотолиз). Энергия возбуждённого электрона используется на синтез АТФ и молекулу НАДФ (переносчик водорода) – в этом биологический смысл световой фазы фотосинтеза.

Побочными продуктами фотолиза воды становятся кислород и свободные электроны:

2О→ Н+ + 4е + О2

Сущность реакции темновой фазы можно выразить следующим уравнением:

СО2 + НАДФ∙Н + АТФ = С6Н12О6

+АДФ + НАДФ+

Фотосинтез, таким образом, является процессом превращения одной (световой) формы энергии в другую(химическую). Вся энергия биосферы запускается благодаря этому процессу. Другими словами, фотосинтез является отражением космических потоков энергии. Помимо этого, фотосинтезирующие организмы не только обеспечивают первичный синтез органических соединений, но и создают условия необходимые для существования других живых организмов.

Метаболизм

Поступившие вместе с пищей (или в результате фотосинтеза) органические вещества расщепляются на более простые (катаболизм или диссимиляция), которые служат для построения макромолекул органических соединений (анаболизм или ассимиляция). Эти процессы происходят в организме одновременно. Совокупность этих процессов получила название –

метаболизм. В результате его организм осуществляет обмен веществом и энергией с окружающей средой.

Наибольшее значение для энергетического обмена являются многостадийные реакции окисления глюкозы.

На стадии гликолиза (бескислородного расщепления) в цитоплазме клетки происходит ферментативное расщепление молекулы глюкозы с образованием более простой пировиноградной кислоты и молекул АТФ:

С6Н12О6 + 2 АДФ + 2 Ф → С3Н4О3 + 4Н+ + 2АТФ

Молекулы пировиноградной кислоты обладают значительной энергией, высвобождение которой происходит в митохондриях. В ходе так называемого

клеточного дыхания, образуется 30 молекул АТФ.

Суммарную реакцию окисления глюкозы можно представить следующим образом:

С6Н12О6+6О2+6Н2О+32АДФ+32Ф→6СО2+12Н2О +32АТФ

Некоторые микроорганизмы при недостатке кислорода расщепляют глюкозу в процессе анаэробного дыхания или брожения. В зависимости от конечных продуктов такого расцепления различают спиртовое брожение (с образование этанола), молочнокислое (молочная кислота). Последнее происходит и в мышцах, при недостатке кислорода, например во время длительной тренировки. Энергетический выход такого типа расщепления менее энергоэффективен.

Основным источником энергии для организмов является окисление глюкозы в митохондриях. При этом также может происходить окисление других органических соединений (белков, жиров), потребляемых, например, вместе с пищей. Расщепление жиров происходит с более значительным выделением энергии (чем углеводов), но этот процесс более длительный. Потреблённые белки в первую очередь идут на построение собственных белков клетки, и вовлекаются в энергетический обмен в крайних случаях. Поэтому питание должно быть сбалансированным.

Взаимосвязь энергетического и пластического обмена

Процессы аккумулирования энергии в молекулах АТФ (энергетический обмен) и использование запасённой энергии для синтеза необходимых веществ (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот) неразрывно связаны. Так синтез АТФ не возможен без разложения органических веществ, а синтез веществ клетки не возможен без энергии АТФ.

Оба процесса протекают одновременно и неотделимы друг от друга, обеспечивая жизнедеятельность организма. Таким образом, в клетках происходит трансформация вещества и энергии, которые лежат в основе существования жизни и непрерывного самообновления. Сходство процессов энергетического обмена в клетках всех живых организмов является доказательством единства их происхождения.

Вывод

Добытая энергия извне запасается в универсальных биологических аккумуляторах АТФ в виде химических связей.

В клетках происходят одновременно процессы энергетического и пластического обмена, это лежит в основе сохранения жизни. Взаимообмен энергией и веществом между живой и неживой природой является иллюстрацией принципа единства и взаимосвязи материального мира.

Сравнение энергетического и пластического обменов

Урок 24. энергетика живой клетки — Естествознание — 10 класс

Конспект на интерактивный видео-урок

по предмету «Естествознание» для «10» класса

Урок № 24.Энергетика живой клетки

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

  • Как энергия запасается в клетке;
  • Что такое метаболизм;
  • В чем суть процессов гликолиза, брожения и клеточного дыхания;
  • Какие процессы проходят на световой и темновой фазах фотосинтеза;
  • Как связаны процессы энергетического и пластического обмена;
  • Что представляет собой хемосинтез.

Глоссарий по теме:

Метаболизм (обмен веществ) — сложная цепь превращений веществ в организме начиная с момента их поступления из внешней среды и кончая удалением продуктов распада. Представляет собой совокупность процессов энергетического обмена (катаболизма диссимиляции) и пластического обмена (анаболизма, ассимиляции).

Энергетический обмен – это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Синтезированная АТФ становится универсальным источником энергии для жизнедеятельности организмов. Значение энергетического обмена – снабжение клетки энергией, которая необходима для жизнедеятельности.

Пластический обмен – это совокупность химических реакций образования (синтеза) из простых веществ с затратой энергии более сложные. Непосредственным поставщиком энергии в клетках выступает АТФ.

Фотосинтез – процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием солнечной энергии. Проходит в два этапа: световая фаза (происходит улавливание и фиксация энергии света в АТФ) и темновая (связывание углекислого газа в молекулы глюкозы с затратой энергии АТФ).

Хемосинтез — процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием энергии окисления неорганических веществ. Например, такой тип питания используют азотфиксирующие бактерии.

Клеточное или тканевое дыхание — совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов, в ходе которых происходит окисление углеводов, липидов и аминокислот до углекислого газа и воды.

Основная и дополнительная литература по теме урока :

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017.: с 115 — 118.

Электронные ресурсы:

Обмен веществ. Портал открытая биология // Электронный доступ: https://biology.ru/textbook/content.html

АТФ и её роль в клетке .Проект «вся биология» // Электронный доступ: http://www.sbio.info/materials/obbiology/obbkletka/stroenorg/12

Энергетика живой клетки. Научно-познавательный журнал «Познавайка» // Электронный доступ: http://www.poznavayka.org/biologiya/energiya-zhivoy-kletki/

Энергетика живой клетки. Журнал «В МИРЕ НАУКИ» №3, 2006 . БИОЛОГИЯ // электронный доступ: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/430308/430310?SSL=1

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Обязательным условием существования биологических систем являются потоки энергии. В этом заключается ключевое различие между живой и неживой природой. Энергия не хранится в клетке, а поступает извне. Ключевую роль в трансформации энергии обеспечивает клетка, как элементарная структура живого. Специальные биохимические механизмы трансформируют одни виды энергии в другие, для обеспечения необходимых функций клетки.

Основным источником энергии для всех живых существ планеты Земля, является энергия Солнца. Однако эта энергия может быть использована живым только после того, как она будет усвоена фотоавтотрофами (от греч. «фото» — свет, «авто» — сам, «трофос» — питание).

В процессе эволюции появились и другие организмы, которые научились потреблять готовые органические соединения для получения запасённой в них энергии – гетеротрофы (от греч. «гетерос» — другой, «трофос» — питание).

Некоторые виды микроорганизмов (хемоавтотрофы) приобрели способность к использованию энергии, выделяемой при окислении неорганических веществ.

Таким образом, из всего многообразия существующих форм энергии живые существа на нашей планете используют только две – световую и энергию химических связей.

Главный переносчик энергии в клетке

Световая энергия Солнца и энергия, заключённая в потребляемой пище, запасаются в особых бимолекулярных аккумуляторах – молекулах АТФ (аденозинтрифосфат). В молекулах АТФ энергия запасается в виде высокоэнергетических химических связях между остатками фосфорной кислоты, которая освобождается при отщеплении фосфата: АТФ → АДФ + Ф + E.

Выделяемая энергия используется клетками для процессов выработки тепла, мышечных сокращений (мышечная клетка), для проведения нервного импульса (нервные клетки) и т.п.

Обратный процесс образования АТФ с затратой энергии, получил название энергетический обмен.

Синтез макромолекул важнейших органических соединений, необходимых для построения структур клетки, обеспечения всех процессов жизнедеятельности клеток – пластический обмен — обеспечивается также энергией АТФ.

Независимо от типа питания, универсальным аккумулятором энергии живых организмов выступают молекулы АТФ, где добытая энергия извне запасается в виде химических связей. Такая схожесть иллюстрирует единство происхождения всего живого.

Метаболизм

Поступившие вместе с пищей (или в результате фотосинтеза) органические вещества расщепляются на более простые (катаболизм или диссимиляция), которые служат для постройки макромолекул органических соединений (анаболизм или ассимиляция). Эти процессы происходят в организме одновременно. Совокупность этих процессов получила название – метаболизм. В результате его организм осуществляет обмен веществом и энергией с окружающей средой. Наибольшее значение для энергетического обмена являются многостадийные реакции расщепления глюкозы.

На стадии гликолиза в цитоплазме клетки происходит ферментативное расщепление молекулы глюкозы с образованием более простой пировиноградной кислоты и молекул АТФ: С6Н12О6 + 2 АДФ + 2 Ф → 2С3Н4О3 + 4Н+ + 2АТФ

Молекулы пировиноградной кислоты обладают значительной энергией, высвобождение которой происходит в митохондриях. В ходе так называемого клеточного дыхания (аэробного расщепления), вещество распадается на углекислый газ, который впоследствии выделяется из клетки и воду. По последним исследованиям, при этом образуется 30 молекул АТФ.

Суммарную реакцию окисления глюкозы можно представить следующим образом:

С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О + 32 АДФ + 32 Ф → 6 СО2 + 12 Н2О + 32АТФ

Некоторые микроорганизмы при недостатке кислорода расщепляют глюкозу в процессе анаэробного дыхания или брожения. В зависимости от конечных продуктов такого расцепления различают спиртовое брожение (с образование этанола), молочнокислое (молочная кислота). Последнее происходит и в мышцах, при недостатке кислорода, например во время длительной тренировки. Энергетический выход такого типа расщепления менее энергоэффективен.

Основным источником энергии для организмов является окисление глюкозы в митохондриях. При этом также может происходить окисление других органических соединений (белков, жиров), потребляемых, например, вместе с пищей.

Фотосинтез

Фотоавтотрофы имеют уникальные ферментативные системы, способные трансформировать энергию солнечного света в энергию химической связи. Процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием солнечной энергии получил название фотосинтез. В растениях фотосинтезирующие комплексы сосредоточены в специальных органеллах – хлоропластах. Основной пигмент – хлорофилл – выполняет функцию световых «антенн», улавливая световые волны практически всех диапазонов, кроме зелёного. Стоит отметить, что это обуславливает окраску листьев растений.

В так называемой, световой фазе, кванты света выбивают электроны из молекулы хлорофилла, и он начинает передаваться по специальным белковым переносчикам, расположенных на мембране хлоропластов. Под действием света одновременно происходит разложение воды (фотолиз). В реакции высвобождается, в том числе катион водорода (Н+), необходимый для последующего биосинтеза, который захватывает молекула НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат): НАДФ+ + Н+→НАДФ∙Н

Энергия возбуждённого электрона заряжает известный нам биологический катализатор АТФ и молекулу НАДФ – в этом заключается биологический смысл световой фазы фотосинтеза.

Заметим, что побочными продуктами фотолиза воды становятся свободный кислород и свободные электроны, восстанавливающие хлорофилл: 2Н2О→ Н+ + 4е + О2

Дальнейший процесс может уже проходить без света. Сущность реакций темновой фазы можно выразить следующим уравнением: СО2 + НАДФ∙Н + АТФ = С6Н12О6 +АДФ + НАДФ+

Не сложно заметить, что выделяются вещества необходимые на начальном этапе фотосинтеза, что замыкает цикл. Энергия молекулярных аккумуляторов была использована для фиксации углекислого газа в энергию химических связей углевода.

Фотосинтез, таким образом, является процессом превращения одной (световой) формы энергии в другую(химическую). Вся энергия биосферы запускается благодаря этому процессу. Другими словами, фотосинтез является отражением космических потоков энергии. Помимо этого, фотосинтезирующие организмы не только обеспечивают первичный синтез органических соединений, но и создают условия необходимые для существования других живых организмов.

Взаимосвязь энергетического и пластического обмена

Не сложно заметить, что процессы аккумулирования энергии в молекулах АТФ (энергетический обмен) и использование запасённой энергии для синтеза необходимых веществ (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот) неразрывно связаны. Так синтез АТФ не возможен без разложения органических веществ, а синтез веществ клетки не возможен без энергии АТФ. Причём, заметим, что и фотосинтез представляет собой единство этих процессов: темновая фаза – пластический обмен, световая фаза – энергетический.

Оба процесса протекают одновременно и неотделимы друг от друга, обеспечивая жизнедеятельность организма. Таким образом, в клетках происходит трансформация вещества и энергии, которые лежат в основе существования жизни и непрерывного самообновления. Сходство процессов энергетического обмена в клетках всех живых организмов является доказательством единства их происхождения.

Вывод

В клетках происходят одновременно процессы энергетического и пластического обмена, это лежит в основе сохранения жизни. Взаимообмен энергией и веществом между живой и неживой природой является иллюстрацией принципа единства и взаимосвязи материального мира.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Выберите один ответ:

  • Универсальным аккумулятором энергии в клетке является:
  • Жиры;
  • Белки;
  • АТФ;
  • НАДФ∙Н.

Ответ: АТФ

Пояснение: универсальной «разменной валютой» в энергетике живой клетки выступает АТФ. При его распаде выделяется энергия, которая расходуется на все жизненно важные процессы.

Задание 2. Исправьте ошибки, анализируя текст с позиции энергетического обмена:

В рационе питания человека помимо белков растительных и животных не обязательно должны присутствовать углеводы и жиры. Отсутствие жиров в пище не приводит к истощению. Человек толстеет, если употребляет в пищу избыточное количество углеводов. На сое и рисе можно прожить.

Ответ: В рационе питания человека помимо белков растительных и животных не обязательно должны присутствовать углеводы и жиры. Отсутствие жиров в пище не приводит к истощению. Человек толстеет, если употребляет в пищу много жиров. Исключительно на сое и рисе можно благополучно прожить.

Пояснение: с точки зрения энергетического обмена, наиболее энергоэффективными являются жиры. При этом, жиры, поступающие с пищей, используются в том числе, для построения многих важных соединений, например гормонов. «Быстрая» энергия углеводов в избыточном количестве может приводить к полноте. Употребление только растительного белка в пищу, по сравнению с животным, является менее энергоэффективным и при отсутствии других источников энергии может приводить к истощению организма.

Что такое пищевая энергия | Tervisliku toitumise informatsioon

Потребность в пищевой энергии

Получаемая энергия должна покрывать индивидуальный расход энергии, соответствующий массе тела, телосложению, физической активности и хорошему здоровью. Дополнительная энергия нужна детям – для роста, беременным – для откладывания в тканях, кормящим матерям – для производства молока.

Суточный расход энергии состоит из следующих компонентов:
  • Расход энергии на базовый (основной) обмен веществ (PAV), то есть расход энергии в состоянии покоя, или базовый расход энергии нужен для дыхания, работы сердца, поддержания температуры тела и других жизненно необходимых функций.
  • Расход энергии на пищеварение и усвоение пищи – количество энергии, необходимое для переваривания пищи и усвоения содержащихся в ней питательных веществ.
  • Расход энергии в связи с физической деятельностью

Расход энергии измеряется в килоджоулях [кДж] (1 кДж = 0,24 ккал; 1 ккал = 4,184 кДж). В Эстонии для расчетов энергетической ценности и рекомендаций преимущественно используют килокалории.

Расход энергии в среднем больше у мужчин, чем у женщин. Это обусловлено в основном различиями между полами в росте и телосложении. Исходя из уровня физической активности (PAL), фактическая потребность в энергии двух людей одного пола, возраста и одинаковых параметров может сильно различаться. 

  • PAL 1,4 – сидячая работа, минимум физической активности в свободное время
  • PAL 1,6 – сидячая работа с легкой физической деятельностью, минимум физической активности в свободное время
  • PAL 1,8 – работа, требующая как стояния, так и активного движения, в свободное время физическая активность также высокая

Уровень физической активности подавляющего большинства людей 1,4; у более подвижных – 1,6. И только немногие (особо активные в спорте) люди достигают уровня 1,8.

Расход энергии (преимущественно PAV) увеличивают или сокращают следующие факторы:

  • холодная или жаркая среда, генетические особенности,
  • гормональный статус (напр., концентрация в крови гормонов щитовидной железы и роста),
  • активность симпатической нервной системы,
  • психологическая обстановка,
  • прием лекарственных препаратов и
  • многие болезненные состояния.
Расход энергии на базовый обмен веществ

Расход энергии на базовый обмен веществ (PAV) – индивидуальный расход энергии в состоянии полного умственного и физического покоя в термически нейтральной среде через 12 часов после последнего приема пищи. Расход энергии в состоянии покоя, который измеряется в более мягких условиях, чем расход энергии на базовый обмен веществ, как правило, на 5 процентов выше. Средний расход энергии сокращается во время сна: расход энергии на базовый обмен веществ во время сна на 10 % меньше, чем PAV в состоянии бодрствования. Несмотря на небольшие систематические различия, расход энергии во время сна, расход энергии на базовый обмен веществ (PAV) и расход энергии в состоянии покоя плотно коррелируют между собой, и эти понятия часто используют как синонимы. 

Повседневный расход энергии сильно зависит от массы тела и, в частности, от сухой (без жира) массы тела. Связь жировой массы с расходом энергии положительная, хотя расход энергии на единицу массы жира заметно меньше, чем расход энергии сухой массы тела. Поэтому индивидуальные различия в расходе энергии между двумя людьми одного веса лучше объясняются связью с сухой массой, чем с массой жира. Сухая масса включает массу скелетных мышц и органов. Расход энергии на базовый обмен веществ на килограмм у органов намного выше, чем у скелетных мышц. У взрослых PAV органов составляет 70–80 % расхода энергии в состоянии покоя, но сами органы составляют всего 5 % массы тела. Поэтому большая сухая масса сильнее влияет на расход энергии на базовый обмен веществ, а значимость скелетных мышц для расхода энергии в состоянии покоя невелика.

Индивидуальный расход энергии сухой массы колеблется примерно на 2,1 МДж (ок. 500 ккал) в день, что характеризует масштаб различий PAV при одинаковой сухой массе. Основными причинами различий в расходе энергии на базовый обмен веществ являются индивидуальная генетическая карта, телосложение, концентрации гормонов, энергетический баланс и физическая форма.

Расход энергии на переваривание и усвоение пищи

Расход энергии, необходимой для переваривания и усвоения пищи, повышается после еды и зависит от состава пищи. После приема пищи расход энергии на несколько часов повышается, но в основном (до 90 %) в течение четырех часов после еды. Расход энергии на переваривание и усвоение пищи у людей, питающихся сбалансированной смешанной пищей, обычно составляет в среднем 10 % повседневного расхода энергии, – около 5% энергии, получаемой из белков, и около 20 % энергии, получаемой из жиров. При употреблении углеводов расход энергии на переваривание и усвоение пищи составляет 10 %, но этот показатель может повыситься до 20% при избыточном потреблении глюкозы, когда этот избыток используется для производства жиров.

Расход энергии в связи с физической деятельностью

Физическая активность – это любое телодвижение, производимое скелетными мышцами и требующее дополнительного расхода энергии по сравнению с расходом на базовый обмен веществ. Подвижные занятия – подвид физической активности, представляющий собой добровольные действия, положительно влияющие на физическое, психологическое и социальное благополучие. 

Дневной уровень физической активности (PAL) – общий расход энергии сверх базового обмена веществ, который характеризует весь суточный расход энергии организма. Определенный таким образом уровень физической активности связан с повседневным расходом энергии и массой тела. 

Метаболический эквивалент (MET) – расход энергии во время какой-либо деятельности помимо базового обмена веществ, он зависит от физической активности в течение дня и от времени, затраченного на различную деятельность. Любой вид деятельности имеет свое значение МЕТ, и для расчета повседневного расхода энергии нужно подсчитать время, затраченное на разные виды деятельности. 

Дневной расход энергии на физическую активность распределяется между деятельностью, связанной с работой, и рекреационной деятельностью. Последняя, в свою очередь, подразделяется на физическую и не физическую деятельность, имеющие разные степени интенсивности. Деятельность, связанная с работой, также может быть разной интенсивности. Под физической инертностью понимается состояние, при котором расход энергии близок к уровню базового обмена веществ. К таким состояниям обычно относятся сидение и лежание в состоянии бодрствования.

Расчет энергетической ценности пищи

Содержащаяся в пище энергия становится доступной с помощью обмена веществ, то есть метаболизма. Пищевая ценность продукта определяется в лаборатории – путем измерения количества тепла, выделенного его органическими компонентами в результате окисления. Поскольку энергетическая ценность и перевариваемость питательных макроэлементов варьируется от продукта к продукту, в случае смешанной пищи удобно пользоваться стандартизированными средними значениями энергетической ценности и перевариваемости пищевых макроэлементов.

Принятые в Эстонии рекомендации по питанию основаны на следующих значениях энергетической ценности:

  • 1 г белка = 4 ккал, т.е. 17 кДж
  • 1 г жира = 9 ккал, т.е. 37 кДж
  • 1 г углеводов = 4 ккал (1 г пищевых волокон 2 ккал), т.е. 17 кДж
  • 1 г чистого алкоголя (не являющегося необходимым для организма пищевым веществом) 7 ккал, т.е. 29 кДж

Как уже известно, не вся получаемая с пищей энергия идет на покрытие энергетических потребностей организма. Объем доступной энергии различных питательных макроэлементов сильно колеблется, поскольку их метаболизм сам по себе требует разных количеств энергии. Кроме того, существуют большие различия в индивидуальном всасывании макроэлементов в зависимости от конкретной съеденной пищи, способа ее приготовления и кишечных факторов.

Потребность в энергии

Оценка потребности взрослых людей в энергии базируется на расходе энергии в состоянии покоя (PAV) и расходе энергии на определенный уровень физической активности (PAL). При оценке потребности взрослых людей в энергии в Северных странах рекомендуется брать за основу массу тела, которая соответствует индексу массы тела 23 с учетом индивидуального роста. Рекомендуемые значения потребности в энергии исходят из нормальной (здоровой) массы тела, ее стабильности и энергетического баланса. Но они не действуют в случае отрицательного или положительного баланса массы.

Средняя суточная потребность потребность в энергии для взрослых (ккал/сут.) при различной физической активности

Возраст

Приблизительный расход энергии на базовый обмен веществ (PAV)

Общая суточная потребность в энергии,
ккал

г.

ккал/кг

ккал/сут.

Сидячий образ жизни
PAL = 1,4

Умеренная активность
PAL = 1,6

Активный образ жизни
PAL = 1,8

Мужчины (70±10 кг)

1830

25

1750

2450

2800

3150

3160

24,1

1655

2350

2700

3050

6174*

20,2

1465

2000

2250

2550

Женщины (60±10 кг)

1830

23

1390

1950

2200

2500

3160

22,4

1320

1900

2150

2400

6174*

20,2

1200

1700

1950

2200

PAV – основной обмен веществ, PAL – уровень физической активности

Углеводы | Tervisliku toitumise informatsioon

Углеводы являются главным источником энергии в организме. Энергия, получаемая с содержащимися в пище углеводами, в основном вырабатывается из крахмала и сахаров, а также (в меньшей степени) из пищевых волокон и сахарных спиртов.

Основными источниками углеводов являются зерновые и картофель. Фрукты, фруктовый сок, ягоды и молоко также содержат сахара (моно- и дисахариды). Сладости, сладкие напитки, фруктовые сиропы, подслащенные кондитерские изделия и молочные продукты со вкусовыми добавками – основные источники добавленных сахаров. Добавленными сахарами называются сахара, добавляемые в продукты в процессе их обработки или приготовления. 

Понятия «углевод» и “сахар” – не одно и то же. Сахар – это условное обиходное понятие, используемое в основном в отношении сахарозы (т.н. столовый сахар), а также других водорастворимых простых углеводов со сладким вкусом (моно- и дисахариды, такие как глюкоза, фруктоза, лактоза, мальтоза).

  • Углеводы должны покрывать 50–60% суточной потребности в пищевой энергии.
  • Энергия, получаемая с добавленным сахаром, не должна превышать 10% суточной пищевой энергии.

Человеку с суточной потребностью в энергии 2000 ккал за день следует употреблять: от 0,5 x 2000 ккал / 4 ккал = 250 г до 0,6 x 2000 / 4 ккал = 300 г углеводов. При суточной потребности в энергии 2500 ккал рекомендуемое дневное количество углеводов 313–375 г, при 3000 ккал – 375–450 г.

Наш организм, а в особенности мозг, нуждается в постоянном снабжении глюкозой, обеспечивающей эффективность и результативность его работы. При длительном недостатке углеводов организм начинает синтезировать глюкозу из собственных белков, из-за чего заметно снижается его защитная способность в отношении факторов внешней среды.

С точки зрения пищевой ценности углеводы делятся на две больших группы:

В первую входят углеводы, которые перевариваются и всасываются, снабжая клетки тела в основном глюкозой, то есть гликемические углеводы (крахмал и сахара).

Во вторую группу входят пищевые волокна. 

Глюкоза – основное «топливо» для большинства клеток тела. Она откладывается в печени и мышцах в виде гликогена. Гликоген печени используется для поддержания в норме уровня глюкозы в крови в перерывах между едой, гликоген мышц является основным источником мышечной энергии.

В пищеварительном тракте человека, питающегося богатой крахмалом пищей, происходит расщепление крахмала, в результате которого образуется большое количество глюкозы. Наиболее богаты крахмалом зерновые и картофель.

Они не перевариваются и направляются в кишечник, образуя необходимый для его микрофлоры субстрат.

Углеводы выполняют в организме множество функций:
  • являются главным источником энергии в организме: 1 грамм углеводов = 4 ккал,
  • входят в состав клеток и тканей,
  • определяют группу крови,
  • входят в состав многих гормонов,
  • выполняют защитную функцию в составе антител,
  • играют роль запасного вещества в организме: аккумулирующийся в печени и мышцах гликоген – временный запас глюкозы, которой организм при необходимости может легко воспользоваться,
  • пищевые волокна необходимы для исправной работы пищеварительной системы.
Основные углеводы и их лучшие источники:
Моно- и дисахариды*, то есть простые углеводы, то есть сахара
Глюкоза, или виноградный сахармед, фрукты, ягоды, соки
Фруктоза, или фруктовый сахарфрукты, ягоды, соки, мед
Лактоза, или молочный сахармолоко и молочные продукты
Мальтоза, или солодовый сахарзерновые продукты
Сахароза, или столовый сахарсахарный тростник, сахарная свекла, столовый сахар, сахаросодержащие продукты, фрукты, ягоды
Олигосахариды
Мальтодекстринвырабатывается из крахмала, используется преимущественно как БАД. Содержится также в пиве и хлебе
Рафинозабобовые
Полисахариды
Крахмалкартофель, зерновые продукты, рис, макаронные изделия
Пищевые волокна (целлюлоза, пектин)зерновые, фрукты 

* дисахариды по структуре относятся к олигосахаридам

Пищевые волокна

Пищевые волокна содержатся только в растениях, например, целлюлоза и пектин встречаются в основном в цельнозерновых продуктах, фруктах и овощах, а также бобовых.

Обитающие в кишечнике микроорганизмы способны частично расщеплять пищевые волокна, которые являются пищей для микробов пищеварительного тракта, в свою очередь важных для защитных сил организма человека.

Пищевые волокна:
  • ​увеличивают объем пищевой кашицы, вызывая тем самым ощущение сытости,
  • ускоряют продвижение пищевой массы по тонкому кишечнику,
  • способствуют предотвращению запоров и могут предотвращать некоторые формы рака, заболевания сердечно-сосудистой системы и диабет II типа,
  • облегчают вывод из организма холестерина,
  • замедляют всасывание глюкозы, предотвращая слишком резкое возрастание уровня сахара в крови,
  • помогают поддерживать нормальную массу тела.

Пищевые волокна в организме не всасываются, но, благодаря частичному разложению в кишечнике под действием микрофлоры пищеварительного тракта, образуют жирные кислоты с короткой молекулярной цепью и дают около 2 ккал/г энергии.

Пищевые волокна можно подразделить на водорастворимые и нерастворимые. Поскольку они выполняют разные функции, следует ежедневно употреблять продукты, содержащие пищевые волокна обоих видов:

  • Овес, рожь, фрукты, ягоды, овощи и бобовые (горох, чечевицу, фасоль) – хорошие источники водорастворимых пищевых волокон.
  • Цельнозерновые продукты (ржаной хлеб, цельнозерновой пшеничный хлеб, сепик, крупы, цельнозерновые хлопья, цельнозерновой рис) – хорошие источники не растворимых в воде пищевых волокон.

Взрослый человек должен получать от 25 до 35 г пищевых волокон в день в зависимости от суточной потребности в энергии (ок. 13 г пищевых волокон на 1000 ккал). 

Рекомендуемое суточное количество пищевых волокон для ребенка старше одного года составляет 8–13 г на 1000 ккал потребленной энергии. Рекомендуемое суточное количество для ребенка можно приблизительно подсчитать по формуле «возраст + 7». Чрезмерное употребление пищевых волокон не рекомендуется, поскольку возникает опасность, что какое-либо необходимое организму минеральное вещество окажется связанным в труднорастворимом соединении, и организм не сможет его усвоить.

Рекомендации по увеличению потребления продуктов, богатых крахмалом и пищевыми волокнами:
  • Выбирая основное блюдо, предпочтите цельнозерновые макаронные изделия или рис и поменьше соуса.
  • В случае сосисок с отварным картофелем возьмите больше картофеля и меньше сосисок.
  • Добавляйте фасоль и горох в рагу, овощные запеканки или тушеные блюда. Этим вы повысите содержание в блюде пищевых волокон. Действуя таким образом, можно употреблять меньше мяса, блюда становятся экономнее, также сокращается количество употребляемых насыщенных жирных кислот.
  • Предпочтите цельнозерновой ржаной и пшеничный хлеб.
  • Выберите цельнозерновой рис: он содержит большое количество пищевых волокон.
  • Употребляйте на завтрак цельнозерновые хлопья или подмешивайте их в свои любимые хлопья.
  • Каша – отлично согревающий зимний завтрак, цельнозерновые овсяные хлопья со свежими фруктами, ягодами и йогуртом – освежающий летний завтрак.
  • Съедайте 3–5 ломтиков цельнозернового ржаного хлеба в день.
  • Съедайте за день по меньшей мере 500 г фруктов и овощей.
Сахар

Большинство людей норовят употреблять слишком много сахара, поскольку едят много сладостей, пирожных, выпечки и других богатых сахаром продуктов, пьют прохладительные и соковые напитки. Сахаров, содержащихся в необработанных продуктах, например, во фруктах и молоке, опасаться не стоит. Прежде всего следует сокращать употребление пищи, содержащей добавленный сахар.

Сахар добавляют во многие продукты, но больше всего его содержат:
  • прохладительные и соковые напитки: например, 500 мл лимонада могут содержать до 50 г, то есть 10-15 чайных ложек сахара,
  • сладости, конфеты, печенье,
  • варенье,
  • ​пирожные, торты, булочки, пудинги,
  • мороженое.

Основными недостатками многих богатых сахаром продуктов является, с одной стороны, относительно высокое содержание энергии, а с другой – как правило, довольно низкое содержание витаминов и минеральных веществ. Кроме того, многие насыщенные сахаром продукты содержат и много жира – например, шоколад, печенье, булочки, пирожные и мороженое.

Богатыми сахаром продуктами и напитками можно повредить зубы, если не уделять достаточного внимания гигиене полости рта. Зубы следует тщательно чистить не менее 2 раз в день, а между приемами пищи очищать, например, с помощью жевательной резинки. Если сахара, содержащиеся во фруктах, не так уж сильно вредят зубам, то в составе соков их структура уже расщеплена, и потому они настолько же вредны для зубов, как и любая другая богатая сахаром пища, особенно если употреблять их часто. Выпивать стакан фруктового сока в день все же рекомендуется (причем желательно вместе с пищей), поскольку он обогащает наш стол витаминами, минералами и фитохимикатами.

Употреблять меньше сахара – задача решаемая!

Что является главным источником энергии в организме человека? – блог justfood

Углеводы главный источник энергии

Давно известно, что ничто в мире не возникает из пустоты и не исчезает в никуда. В полной мере это касается наших энергетических запасов. Попробуем разобраться, что является главным источником энергии в организме человека и какие способы её пополнения можно назвать наиболее эффективными.

В отличие от растительного мира, успешно использующего метод фотосинтеза для преобразования солнечной энергии, человек лишён подобной возможности. Поэтому нам необходимо использовать пищу растительного и животного происхождения. При этом не забывая учитывать, что все продукты отличаются по своей энергетической ценности (не говоря уже о способности работать как на пользу, так и во вред).

Обсуждение калорийности тех или иных блюд уже давно у всех на слуху. Но что она представляет из себя обычным языком? На самом деле, всё довольно легко. Калория – это единица измерения энергии, имеющая несложную формулу вычисления: количество тепла, обеспечивающее повышение температуры 1 грамма воды на 1 градус. Соответственно, калорийность (она же – энергетическая ценность) – это тот объём энергии, который наш организм способен приобрести при полном усвоении употреблённого в пищу.

Белки, жиры и углеводы представляют из себя комплекс основных питательных веществ. При этом, роль ключевого энергетического «поставщика» отводится углеводам, уровень содержания которых отличается в разных продуктах. Кроме того, их принято подразделять на простые (быстрые) и сложные (медленные) – об особенностях каждого типа мы поговорим позже. Нежирное мясо и рыба представляют из себя продукты с высоким белковым содержанием, а, к примеру, масло (как растительного, так и животного происхождения) – источник жиров.

Также неотъемлемыми компонентами являются различные микроэлементы и витамины, однако, они, в первую очередь, служат процессам энергетического обмена.

Универсальной формулы, позволяющей установить точное количество (или соотношение) БЖУ для каждого попросту не существует, так как индивидуальные особенности каждого из нас, а также такие факторы, как рост, вес, уровень метаболизма, повседневная активность, образ жизни, наличие вредных привычек, регулярность занятий спортом – всё это напрямую влияет на то, каким должен быть рацион. Некоторые общие зависимости, конечно же, существуют – так, у людей, активно занимающихся спортивными тренировками, ежедневная норма потребления может быть достаточно высокой. А люди, ставящие себе цель похудеть, зачастую совершают серьёзную ошибку, думая, что достаточно понизить объём потребляемых калорий. Чаще всего, это не приводит ни к каким результатам в тех случаях, когда двигательная активность минимальна. Отсутствие занятий физкультурой в сочетании с сидячим образом жизни даже при минимальной калорийности потребляемой пищи способно не только не повлиять в лучшую сторону на ситуацию с излишним весом, но и содействовать дальнейшему его набору.

Рассмотрим подробнее механику преобразования еды в энергию. После попадания в желудок запускается процесс переваривания пищи, который не прекращается и при дальнейшем её продвижении в кишечник (именно поэтому вся система именуется желудочно-кишечной). Его целью является расщепление пищи на элементы, часть из которых попадает в кровь. Стоит отметить, что не вся полученная энергия тут же используется нами. Некоторая часть выполняет роль запаса, преобразуясь, в том числе, в жир. Чем меньше мы двигаемся, тем меньше калорий сжигаем, тем интенсивнее увеличивается жировая прослойка.

В начале статьи мы упомянули про простые и сложные углеводы. Настало время вспомнить про них и разъяснить отличие. Суть первых заключена уже в обозначении – их переваривание происходит максимально быстро, без дополнительных усилий, более того, то же самое касается и их усвоения. Здесь и проявляется их главное негативное свойство – они усиливают аппетит, провоцируя переедание и, как следствие – ускоренный набор веса. Все типы сахара относятся к простым разновидностям, поэтому от сладких и мучных изделий так легко потолстеть, и так хочется съесть «ещё одно» пирожное.

Сложные углеводы также проходят процесс расщепления до глюкозы, однако, он занимает намного больше времени. Благодаря им мы ощущаем чувство насыщения, одновременно часть из них – крахмал и гликоген – снабжают нас энергией. Во время еды повышается уровень глюкозы в крови и именно в виде гликогена избыточное её количество абсорбируется в мышцах и печени «про запас». Как только он начинает снижаться, происходит расщепление гликогена, в ходе которого вырабатывается дополнительная энергия. Также к числу сложных углеводов относятся пищевые волокна (клетчатка и пектин). Они не усваиваются организмом, но их нельзя назвать бесполезными, так как они играют важную роль в пищеварении, обеспечивая стабильную и бесперебойную работу ЖКТ.

Помимо общего объёма потребляемых калорий следует уделять внимание тому, чтобы количество БЖУ было сбалансированным. Здоровому человеку подойдут традиционные соотношения, а при наличии хронических заболеваний или прочих факторов (перечисленных выше) есть смысл получить предварительную консультацию у диетолога. В случае, если вы уже знаете рекомендуемую для себя ежедневную норму потребления, подходящим вариантом станет заказ готовых рационов питания с регулярной доставкой на дом или в офис – подобный сервис уже получил распространение в Москве и прилегающих ко МКАДу районах Московской области.

Как организм вырабатывает энергию?

Четыре метода создания АТФ (аденозинтрифосфата) — единица энергии

Энергия доставляется в организм через пищу, которую мы едим, и жидкости, которые мы пьем. Пища содержит много запасенной химической энергии; Когда вы едите, ваше тело расщепляет эти продукты на более мелкие компоненты и поглощает их, чтобы использовать в качестве топлива. Энергия поступает из трех основных питательных веществ: углеводов, белков и жиров, причем углеводы являются наиболее важным источником энергии.В случаях, когда углеводы были истощены, организм может использовать белки и жиры для получения энергии. Ваш метаболизм — это химические реакции в клетках организма, которые превращают эту пищу в энергию.

Большая часть энергии, необходимой телу, идет на отдых, известный как основной метаболизм. Это минимальное количество энергии, необходимое организму для поддержания жизненно важных функций, таких как дыхание, кровообращение и функции органов. Скорость, с которой энергия используется для таких функций, известна как скорость основного обмена (BMR) и варьируется в зависимости от генетики, пола, возраста, роста и веса.Ваш BMR падает с возрастом, потому что уменьшается мышечная масса.

Оптимальный энергетический обмен требует получения достаточного количества питательных веществ из наших продуктов, в противном случае наш энергетический обмен будет работать хуже, и мы будем чувствовать себя усталыми и вялыми. Все продукты дают вам энергию, а некоторые продукты, в частности, помогают повысить ваш энергетический уровень, например бананы (отличный источник углеводов, калия и витамина B6), жирная рыба, такая как лосось или тунец (хороший источник белка, жирных кислот и витаминов группы B), коричневый рис (источник клетчатки, витаминов и минералов) и яйца (источник белка).На самом деле существует много продуктов, которые обеспечивают обильное количество энергии, особенно те, которые содержат углеводы для получения доступной энергии, клетчатку или белок для медленного высвобождения энергии и необходимые витамины, минералы и антиоксиданты.

Продукты метаболизма на клеточном уровне превращаются в АТФ (аденозинтрифосфат)

в результате процесса, известного как клеточное дыхание. Именно этот химический АТФ клетка использует для получения энергии для многих клеточных процессов, включая сокращение мышц и деление клеток.Этот процесс требует кислорода и называется аэробным дыханием .

Глюкоза + кислород → Двуокись углерода + вода + Энергия (как АТФ)

Изначально крупные макромолекулы пищи расщепляются ферментами на простые субъединицы в процессе, известном как пищеварение. Белки расщепляются на аминокислоты, полисахариды — на сахара, а жиры — на жирные кислоты и глицерин — под действием определенных ферментов. После этого процесса более мелкие молекулы субъединиц должны попасть в клетки организма.Сначала они попадают в цитозоль (водную часть цитоплазмы клетки), где начинается процесс клеточного дыхания.

Аэробное дыхание

Существует четыре стадии аэробного клеточного дыхания для производства АТФ (энергетические клетки должны выполнять свою работу):

Стадия 1 Гликолиз (также известный как расщепление глюкозы)

Это происходит в цитоплазме и включает серию цепных реакций, известных как гликолиз, для превращения каждой молекулы глюкозы (шестиуглеродная молекула) в две меньшие единицы пирувата (трехуглеродная молекула).Во время образования пирувата образуются два типа активированных молекул-носителей (небольшие диффундирующие молекулы в клетках, которые содержат богатые энергией ковалентные связи), это АТФ и НАДН (восстановленный никотинамидадениндинуклеотид). На этой стадии образуются 4 молекулы АТФ и 2 молекулы. НАДН из глюкозы, но использует 2 молекулы АТФ, чтобы добраться туда, поэтому на самом деле получается 2 АТФ + 2 НАДН и пируват. Затем пируват переходит в митохондрии.

Этап 2 Реакция Link

Это связывает гликолиз со стадией 3 цикла лимонная кислота / Кребса, которая объясняется ниже.На этом этапе одна молекула углекислого газа и одна молекула водорода удаляются из пирувата (так называемое окислительное декарбоксилирование) с образованием ацетильной группы, которая присоединяется к ферменту, называемому КоА (Коэнзим А), с образованием ацетил-КоА, который затем готов к использоваться в цикле Лимонная кислота / Кребса. Ацетил-КоА необходим для следующего этапа.

Стадия 3 Цикл Лимонная кислота / Кребса

Имея место в митохондриях, ацетил-КоА (представляющий собой двухуглеродную молекулу) соединяется с оксалоацетатом (четырехуглеродная молекула) с образованием цитрата (шестиуглеродная молекула).Затем молекула цитрата постепенно окисляется, позволяя использовать энергию этого окисления для получения богатых энергией активированных молекул-носителей. Цепочка из восьми реакций образует цикл, потому что в конце оксалоацетат регенерируется и может вступить в новый виток цикла. Цикл обеспечивает предшественники, включая определенные аминокислоты, а также восстанавливающий агент НАДН, которые используются во многих биохимических реакциях.

Каждый виток цикла производит две молекулы диоксида углерода, три молекулы НАДН, одну молекулу ГТФ (гуанозинтрифосфат) и одну молекулу FADH 2 (восстановленный флавинадениндинуклеотид).

Поскольку две молекулы ацетил-КоА производятся из каждой используемой молекулы глюкозы, для каждой молекулы глюкозы требуется два цикла.

Этап 4 Цепь транспортировки электронов

На этой последней стадии переносчики электронов NADH и FADH 2, , которые получили электроны, когда они окисляли другие молекулы, передают эти электроны в цепь переноса электронов. Он находится во внутренней мембране митохондрий. Этот процесс требует кислорода и включает в себя перемещение этих электронов через ряд переносчиков электронов, которые претерпевают окислительно-восстановительные реакции (реакции, в которых происходят как окисление, так и восстановление).Это заставляет ионы водорода накапливаться в межмембранном пространстве.

Затем образуется градиент концентрации, когда ионы водорода диффундируют из этого пространства, проходя через АТФ-синтазу. Ток ионов водорода способствует каталитическому превращению АТФ-синтазы, которая, в свою очередь, фосфорилирует АДФ (добавляет фосфатную группу), производя АТФ. Конечная точка цепи возникает, когда электроны восстанавливают молекулярный кислород, что приводит к образованию воды.

Хотя существует теоретический выход 38 АТФ при расщеплении одной молекулы глюкозы, на самом деле считается, что фактически образуется 30-32 молекулы АТФ.

Этот процесс аэробного дыхания имеет место, когда организму требуется достаточно энергии, чтобы жить, а также выполнять повседневные действия и выполнять кардиоупражнения. Хотя этот процесс дает больше энергии, чем анаэробные системы, он также менее эффективен и может использоваться только при занятиях с меньшей интенсивностью.

Итак, если у вас МЕДЛЕННАЯ и СТАБИЛЬНАЯ потребность в энергии, ваша ЧИСТАЯ ЭНЕРГИЯ от аэробного дыхания равна 30-32 молекулам АТФ.

Глюкоза + кислород → Двуокись углерода + вода + Энергия (как 30-32 АТФ)

При этом организм выделяет углекислый газ и воду.Теоретически это сожжет наибольшее количество калорий.

В других физиологических условиях организм может получать энергию другими способами:

Существуют и другие энергетические процессы, которые организм использует для создания АТФ, они зависят от скорости, с которой требуется энергия, и от того, есть ли у них доступ к кислороду или нет.

Анаэробное дыхание

Мышцы человека могут дышать анаэробно, при этом кислород не требуется.Этот процесс относительно неэффективен, так как он имеет чистое производство энергии 2 молекул АТФ.

Это эффективно для интенсивных упражнений продолжительностью от 1 до 3 минут, таких как короткие спринты. Если интенсивные упражнения требуют больше энергии, чем может обеспечить доступный кислород, ваше тело будет частично сжигать глюкозу без кислорода (анаэробно). Без кислорода цепь переноса электронов не может работать. Следовательно, обычное количество молекул АТФ не может быть произведено. Анаэробный путь использует пируват, конечный продукт стадии гликолиза.Пируват восстанавливается до молочной кислоты НАДН, оставляя НАД + после восстановления. Эта реакция катализируется ферментом (лактатдегидрогеназой) и приводит к рециркуляции NAD + . Это позволяет продолжить процесс гликолиза.

Этот путь гликолиза дает 2 молекулы АТФ, которые могут использоваться в качестве энергии для сокращения мышц. Анаэробный гликолиз происходит быстрее, чем аэробное дыхание, поскольку на каждую расщепленную молекулу глюкозы вырабатывается меньше энергии, поэтому для удовлетворения потребностей необходимо более быстрое расщепление.

Молочная кислота (побочный продукт анаэробного дыхания) накапливается в мышцах, вызывая «ожог» во время напряженной деятельности. Если для выработки АТФ используется более нескольких минут этой активности, кислотность молочной кислоты увеличивается, вызывая болезненные спазмы. Дополнительный кислород, который вы вдыхаете после интенсивных упражнений, реагирует с молочной кислотой в ваших мышцах, расщепляя ее с образованием углекислого газа и воды.

Итак, подведем итоги: упражнения, которые выполняются с максимальной скоростью в течение от 1 до 3 минут, в значительной степени зависят от анаэробного дыхания для получения энергии АТФ.Кроме того, в некоторых выступлениях, таких как бег на 1500 метров или милю, система молочной кислоты используется преимущественно для «удара» в конце забега.

Следовательно, если вы выполняете ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УПРАЖНЕНИЯ в течение 1–3 минут, ТКАНИЙ КИСЛОРОДА НЕ ДОСТУПНЫ, поэтому вы увидите ЧИСТОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГИИ от анаэробного дыхания, равное 2 молекулам АТФ.

Бета-окисление / глюконеогенез или сжигание жира (аэробный липолиз)

Молекула жира состоит из глицериновой основы и трех жирнокислотных хвостов.Их называют триглицеридами. В организме они хранятся в основном в жировых клетках, называемых адипоцитами, составляющими жировую ткань. Чтобы получить энергию из жира, молекулы триглицеридов расщепляются на жирные кислоты в процессе, называемом «липолизом», происходящем в цитоплазме. Эти жирные кислоты окисляются до ацетил-КоА, который используется в цикле Лимонная кислота / Кребса. Поскольку одна молекула триглицерида дает три молекулы жирных кислот с 16 или более атомами углерода в каждой, молекулы жира дают больше энергии, чем углеводы, и являются важным источником энергии для человеческого тела (более 100 молекул АТФ, генерируемых на молекулу жирной кислоты).Следовательно, при низком уровне глюкозы триглицериды могут превращаться в молекулы ацетил-КоА и использоваться для выработки АТФ посредством аэробного дыхания.

Эта потребность возникает после любого периода отсутствия еды; даже при нормальном ночном голодании происходит мобилизация жира, так что к утру большая часть ацетил-КоА, входящего в цикл лимонной кислоты / Кребса, поступает из жирных кислот, а не из глюкозы. Однако после еды большая часть ацетил-КоА, входящего в цикл лимонная кислота / Кребса, поступает с глюкозой из пищи, а любой избыток глюкозы используется для пополнения истощенных запасов гликогена или для синтеза жиров.

Это МЕДЛЕННЫЙ, НЕ МЕДЛЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ, но имеет ЧИСТОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГИИ более 100 молекул АТФ.

АТФ Фосфокреатин (АТФ-ПК)

Эта энергетическая система состоит из АТФ (все мышечные клетки содержат небольшое количество АТФ) и фосфокреатина (ПК), которые обеспечивают немедленную энергию от распада этих высокоэнергетических субстратов.

Во-первых, АТФ, который хранится в поперечных мостиках миозина (внутри мышцы), расщепляется с образованием аденозиндифосфата (АДФ) и одной единственной молекулы фосфата.Затем фермент, известный как креатинкиназа, расщепляет фосфокреатин (ПК) до креатина и молекулы фосфата. Этот распад фосфокреатина (ПК) высвобождает энергию, которая позволяет аденозиндифосфату (АДФ) и молекуле фосфата повторно соединяться, образуя больше АТФ. Этот вновь образованный АТФ может затем расщепляться, чтобы высвободить энергию для обеспечения активности. Это будет продолжаться до тех пор, пока не истощатся запасы креатинфосфата.

Используйте эту систему для коротких, резких взрывных упражнений (10-30 секунд). Он не требует кислорода, но очень ограничен короткими периодами взрывных упражнений, таких как спринт или поднятие тяжестей / пауэрлифтинг.Вот почему креатиновые добавки помогают в таких упражнениях, обеспечивая достаточное количество креатинфосфата для обеспечения тех необходимых фосфатов. Система АТФ-КП обычно восстанавливается на 100% за 3 минуты; Итак, рекомендуемое время отдыха между тренировками высокой интенсивности составляет 3 минуты.

Короче говоря, для резких взрывных нагрузок, требующих БЫСТРОЙ, НЕМЕДЛЕННОЙ энергии, эта система производит КОПИЙНОЕ КОЛИЧЕСТВО АТФ до тех пор, пока креатинфосфат в мышцах не иссякнет.

Различные формы упражнений используют разные системы для выработки ATP
  • Для спринтеров / штангистов на короткие дистанции в качестве энергосистемы используется ATP-PC, поскольку она работает всего за несколько секунд
  • Во время интенсивных, прерывистых упражнений и в течение продолжительной физической активности энергетическая система обычно используется через гликогеновый путь (сжигание жира / отсутствие кислорода) https: // www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6019055/
  • В соревнованиях на выносливость, таких как марафонский бег, гребля и т. Д., Которые длятся неограниченное время, будет использоваться энергетический процесс аэробного дыхания.

Роль кишечных бактерий в регуляции энергии

Кишечные бактерии играют важную роль в извлечении питательных веществ и энергии, а также в регулировании энергии. Бактерии производят множество небольших молекул (известных как метаболиты), которые могут действовать как сигналы, которые могут модулировать аппетит, потребление, хранение и расход энергии, что рассматривается в обзорной статье «Модуляция энергетического метаболизма, зависящая от кишечной микробиоты».

Кишечные бактерии влияют на биодоступность полисахаридов, и как это происходит, неясно, но в этой статье 2016 года эта область исследований причинно-следственной связи микробиоты тонкого и толстого кишечника в регулировании веса и инсулинорезистентности исследуется подробно.

Побочные эффекты при низком уровне энергии

Неправильное управление уровнями энергии может привести к нарушению как физических, так и когнитивных функций.

Физические признаки могут включать: снижение выносливости, снижение силы и меньшую способность восстанавливаться после упражнений.

Эффекты, связанные с производительностью, могут включать: потерю внимания, медленную реакцию, плохое настроение, плохую рабочую память, неправильное принятие решений и уменьшение времени реакции.

Пищевые добавки для поддержки ваших энергетических процессов

Хотя есть много способов поддержать свою энергию, например, сбалансированное питание, достаточный сон и регулярные упражнения, для некоторых людей это не всегда возможно. В такие времена пищевые добавки могут помочь удовлетворить ваши общие потребности в энергии

Ацетил-кофермент А (Ацетил-КоА) является важной молекулой в метаболизме.Он доставляет ацетильную группу в цикл лимонная кислота / Кребса, высвобождая АТФ (энергию) и образуя диоксид углерода и воду. Важно иметь достаточное количество ацетил-КоА для подпитки цикла лимонной кислоты и обеспечения энергией.

Альфа-липоевая кислота (ALA), также известная как липоевая кислота или тиоктовая кислота, действует как антиоксидант и естественным образом присутствует в митохондриях. Альфа-липоевая кислота служит кофактором ферментов, которые участвуют в метаболизме клеток, вырабатывающих АТФ. Он действует как антиоксидант, удаляя свободные радикалы.Хотя организм может вырабатывать достаточно АЛК для основного энергетического метаболизма, он действует как антиоксидант, только когда он присутствует в больших количествах, как обсуждается в этой статье об альфа-липоевой кислоте в качестве пищевой добавки.

Аргинин участвует во многих метаболических процессах, как показано в этой статье. Новые метаболические роли L-аргинина в энергетическом обмене тела и возможные клинические применения. Эти процессы включают метаболизм белка и синтез креатина. Аргинин также является предшественником оксида азота (NO), важного нейромедиатора и вазодилататора.Сообщается, что добавление L-аргинина может увеличить регенерацию АТФ за счет активации пути AMP-киназы.

Ashwagandha, , хотя и не классифицируется как усилитель энергии, может влиять на физическую и умственную работоспособность. Он используется в качестве общего тонизирующего средства (для поддержания оптимальной выносливости, ощущения энергии и жизненных сил), адаптогена и антиоксиданта. Адаптогены — это нетоксичные растения, которые помогают организму противостоять стрессу, будь то физический, химический или биологический.Ашваганда также помогает поддерживать умственное равновесие и поддерживает обучение, память и вспоминание. Ашваганда может помочь снизить уровень кортизола (гормона, выделяемого в стрессовых ситуациях) у людей, находящихся в хроническом стрессе, согласно этой статье об исследовании корня ашваганды в снижении стресса и беспокойства у взрослых.

B Complex жидкость или капсулы B Complex включают смесь всех витаминов группы B, которые растворимы в воде и играют роль в поддержании ваших нормальных процессов выработки энергии.Вы можете узнать больше о нашем продукте B Complex в нашей статье Vitamin B.

Карнитин играет важную роль в энергетическом метаболизме, передавая длинноцепочечные жирные кислоты в митохондрии для бета-окисления. Он также помогает выводить метаболиты ацетил-кофермента А, связываясь с ними и выводя их с мочой. Карнитин — это общий термин для ряда соединений, которые включают L-карнитин и ацетил-L-карнитин. Продукты животного происхождения, такие как мясо, рыба, птица, являются лучшими источниками карнитина.Считается, что снижение функции митохондрий способствует процессу старения. Эта исследовательская работа по карнитину показала, что прием высоких доз ацетил-L-карнитина и альфа-липоевой кислоты снижает распад митохондрий.

Коэнзим Q10 (CoQ10) переносит электроны в цепи переноса электронов в процессе производства АТФ. В восстановленном виде это мощный антиоксидант. Это особенно важно для клеток, которым требуется высокая энергия, например, для клеток сердца, которые особенно чувствительны к дефициту CoQ10.Поскольку CoQ10 является липидо- или жирорастворимым, рекомендуется принимать этот продукт с пищей, содержащей жиры. Он содержится во многих продуктах питания, таких как сердце, печень, почки, шпинат, цветная капуста, брокколи и т. Д. CoQ10 снижается с возрастом, и когда уровень CoQ10 снижается, как показано в исследовании CoQ10 2014 года, ваши клетки не могут производить необходимую им энергию и это может привести к усталости.

Йод. Щитовидная железа улавливает йод из крови, поскольку он необходим для образования тироксина (Т4) и трийодтиронина (Т3).Это гормоны щитовидной железы, которые необходимы для нормальной функции щитовидной железы. Гормоны щитовидной железы помогают организму вырабатывать энергию. Когда уровень гормонов щитовидной железы низкий, организм не может вырабатывать столько энергии, как обычно. Поэтому недостаток йода может привести к усталости и слабости. Хорошими источниками йода являются моллюски и морская рыба, а также продукты растительного происхождения, такие как злаки и зерно.

Железо — важный минерал, который способствует нормальному метаболизму , дающему энергию, .Организму требуется железа, для производства гемоглобина, который представляет собой белок в красных кровяных тельцах, который переносит кислород по всему телу. Дефицит железа (анемия) может вызвать у вас чувство усталости и слабости. Витамин C включен в состав Metabolics Iron и витамин C, поскольку он увеличивает биодоступность железа.

Магний играет доминирующую роль в производстве и использовании АТФ, поскольку он образует комплексы Mg-ATP. Эти комплексы являются кофакторами нескольких киназ, активных во время гликолиза.Магний также регулирует активность нескольких ферментов, участвующих в цикле лимонной кислоты / Кребса. Вы можете узнать больше о магнии и его функциях в «Руководстве по магнию».

Ниацин, , также известный как Витамин B3 является предшественником коферментов никотинамидадениндинуклеотида (НАД) и НАД фосфата (НАДФ), которые участвуют во многих метаболических реакциях. НАД и его восстановленная форма НАДН играют важную роль в энергетическом метаболизме, передавая электроны в митохондриальной цепи переноса электронов.Ниацин также обладает антиоксидантными свойствами и предотвращает окислительный стресс. Продукты с высоким содержанием ниацина включают печень, курицу, тунец, лосось, авокадо, коричневый рис и арахис.

Рибофлавин, , также известный как , витамин В2, является компонентом флавопротеинов, флавинадениндинуклеотида (FAD) и флавинмононуклеотида (FMN). Они действуют как переносчики электронов в митохондриальной цепи переноса электронов и участвуют в окислении жирных кислот, поэтому цикл лимонной кислоты / Кребса способствует нормальному метаболизму, дающему энергию.Рибофлавин естественным образом содержится в яйцах, постном мясе, зеленых овощах и обогащенных злаках.

Рибоза — важный сахар, который является важным компонентом нуклеотидной РНК. Это источник энергии, получаемый из пищи, и топливо для митохондрий для производства АТФ, обеспечивающего клеточную энергию. Некоторые исследования, которые изучают влияние добавок рибозы на ресинтез адениновых нуклеотидов после интенсивных периодических тренировок, показывают, что добавки D-рибозы могут помочь восстановить запасы АТФ в мышечных клетках.Типичные продукты, содержащие рибозу, включают грибы, сыр, молоко и яйца.

Тиамин , также известный как Витамин B1 , способствует нормальному метаболизму, обеспечивающему выработку энергии. Гидрохлорид тиамина представляет собой солевую форму тиамина, необходимую для аэробного метаболизма, роста клеток, передачи нервных импульсов и синтеза ацетилхолина. При гидролизе гидрохлорид тиамина фосфорилируется до активной формы пирофосфата тиамина. Это кофермент для многих ферментативных активностей, связанных с метаболизмом жирных кислот, аминокислот и углеводов.Когда глюкоза расщепляется на энергию, тиамин является кофактором в процессе превращения пирувата в ацетилкофермент А. Пируват имеет решающее значение для многих аспектов метаболизма человека, что изучается в этом исследовании, посвященном регуляции метаболизма пирувата и заболеваниям человека. Тиамин естественным образом содержится во многих продуктах питания, включая цельнозерновые, макаронные изделия, рис, свинину, рыбу, бобовые, семена и орехи.

Витамин C, , также известный как L-аскорбиновая кислота , способствует нормальному метаболизму с высвобождением энергии.Он действует как антиоксидант, способный восстанавливать другие антиоксиданты. Витамин C также способствует всасыванию негемового железа в кишечнике, как подробно описано в этом исследовании функции витамина C. Люди не могут синтезировать витамин С эндогенно, поэтому он является важным диетическим компонентом. Продукты, богатые витамином С, включают брокколи, дыню, цветную капусту, капусту, киви, апельсиновый сок, папайю, красный, зеленый или желтый перец, сладкий картофель, клубнику и помидоры.

Витамин E — жирорастворимое соединение с антиоксидантной активностью, помогающее защитить клетки от повреждений, вызываемых свободными радикалами . Свободные радикалы — это соединения, которые образуются, когда наш организм превращает пищу, которую мы едим, в энергию. Встречающийся в природе витамин Е имеет восемь химических форм, известных как токотриенолы витамина Е (альфа-, бета-, гамма- и дельта-токоферол, а также альфа-, бета-, гамма и дельта-токотриенол). Орехи, семена и некоторые масла, как правило, содержат больше всего витамина Е на порцию.

Витамин К — жирорастворимый кофактор ферментов, участвующих в свертывании крови и метаболизме костей. Он действует как антиоксидант и может отдавать электроны.Существуют две формы, K1 и K2, различающиеся по двум основным структурам: филлохинон (K1) и менахинон (K2). Обзор различий между K1 и K2 2019 года показывает, что организм может усваивать в десять раз больше витамина K2, чем MK7, чем витамина K1. Витамин K2 содержится только в продуктах животного происхождения и ферментированных растительных продуктах, таких как натто.

Заключение

Metabolics предлагает широкий выбор пищевых добавок для удовлетворения ваших потребностей в питании и энергии.Хотя лучший способ добиться этого — это сбалансированная диета, упражнения, снижение подверженности стрессу и обеспечение хорошего сна, наши добавки предоставляют высококачественные ингредиенты, которые будут поддерживать вас на протяжении всего пути.

Если вы беременны, кормите грудью или принимаете лекарства, перед использованием этих продуктов рекомендуется проконсультироваться с врачом.

4.1 Энергия и метаболизм — Концепции биологии — 1-е канадское издание

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните, каковы метаболические пути
  • Сформулируйте первый и второй законы термодинамики
  • Объясните разницу между кинетической и потенциальной энергией
  • Описать эндергонические и экзэргонические реакции
  • Обсудите, как ферменты действуют как молекулярные катализаторы

Посмотрите видео о гетеротрофах.

Ученые используют термин биоэнергетика для описания концепции потока энергии (рис. 4.2) через живые системы, такие как клетки. Клеточные процессы , такие как построение и разрушение сложных молекул , происходят посредством ступенчатых химических реакций . Некоторые из этих химических реакций являются спонтанными и высвобождают энергию, тогда как другие требуют энергии для протекания. Точно так же, как живые существа должны постоянно потреблять пищу для пополнения своих запасов энергии, клетки должны постоянно производить больше энергии, чтобы восполнить то, что используется многими химическими реакциями, требующими энергии, которые постоянно происходят.Вместе, , все химические реакции , которые происходят внутри клеток, включая те, которые потребляют или генерируют энергию, называются метаболизмом клетки .

Рис. 4.2. В конечном счете, большинство форм жизни получают энергию от солнца. Растения используют фотосинтез для захвата солнечного света, а травоядные животные поедают растения для получения энергии. Плотоядные животные едят травоядных, и возможное разложение растительного и животного материала способствует пополнению запасов питательных веществ.

Учитывайте метаболизм сахара.Это классический пример одного из многих клеточных процессов, которые используют и производят энергию. Живые существа потребляют сахар в качестве основного источника энергии, потому что молекулы сахара имеют много энергии, хранящейся в их связях. По большей части фотосинтезирующие организмы, такие как растения, производят эти сахара. Во время фотосинтеза растения используют энергию (первоначально солнечного света) для преобразования газообразного углекислого газа (CO 2 ) в молекулы сахара (например, глюкозы: C 6 H 12 O 6 ).Они потребляют углекислый газ и выделяют кислород в качестве побочного продукта. Эта реакция кратко описана как:

6CO 2 + 6H 2 O + энергия ——-> C 6 H 12 O 6 + 6O 2

Поскольку этот процесс включает синтез молекулы, запасающей энергию, для его выполнения требуется подача энергии. Во время световых реакций фотосинтеза энергия обеспечивается молекулой, называемой аденозинтрифосфатом (АТФ) , которая является основным источником энергии для всех клеток.Так же, как доллар используется в качестве валюты для покупки товаров, клетки используют молекулы АТФ в качестве энергетической валюты для выполнения немедленной работы. Напротив, молекулы-накопители энергии, такие как глюкоза, потребляются только для того, чтобы расщепиться для использования своей энергии. Реакцию, которая собирает энергию молекулы сахара в клетках, нуждающихся в кислороде для выживания, можно описать обратной реакцией на фотосинтез. В этой реакции расходуется кислород и выделяется углекислый газ в качестве побочного продукта. Реакция резюмируется как:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 ——> 6CO 2 + 6H 2 O + энергия

Обе эти реакции включают много этапов.

Процессы производства и расщепления молекул сахара иллюстрируют два примера метаболических путей. Метаболический путь представляет собой серию химических реакций, в которых исходная молекула изменяется, шаг за шагом, через ряд промежуточных продуктов метаболизма, в конечном итоге приводя к конечному продукту. В примере метаболизма сахара первый метаболический путь синтезирует сахар из более мелких молекул, а другой путь расщепляет сахар на более мелкие молекулы. Эти два противоположных процесса — первый, требующий энергии, а второй — производящий энергию — называются анаболическими путями (строительные полимеры) и катаболическими путями (разрушение полимеров на их мономеры) соответственно.Следовательно, метаболизм состоит из синтеза (анаболизма) и деградации (катаболизма) (рис. 4.3).

Важно знать, что химические реакции метаболических путей не происходят сами по себе. Каждая стадия реакции ускоряется или катализируется белком, называемым ферментом. Ферменты важны для катализирования всех типов биологических реакций — как тех, которые требуют энергии, так и тех, которые выделяют энергию.

Рис. 4.3. Катаболические пути — это те пути, которые генерируют энергию за счет разрушения более крупных молекул.Анаболические пути — это те, которые требуют энергии для синтеза более крупных молекул. Оба типа путей необходимы для поддержания энергетического баланса клетки.

Термодинамика относится к изучению энергии и передачи энергии с участием физической материи. Материя, относящаяся к конкретному случаю передачи энергии, называется системой, а все, что находится вне этой материи, называется окружающей средой. Например, при нагревании кастрюли с водой на плите система включает плиту, кастрюлю и воду.Энергия передается внутри системы (между плитой, кастрюлей и водой). Есть два типа систем: открытая и закрытая. В открытой системе можно обмениваться энергией с окружающей средой. Плита открыта, потому что тепло может быть потеряно в воздухе. Закрытая система не может обмениваться энергией с окружающей средой.

Биологические организмы — открытые системы. Между ними и их окружением происходит обмен энергией, поскольку они используют энергию солнца для фотосинтеза или потребляют молекулы, накапливающие энергию, и выделяют энергию в окружающую среду, выполняя работу и выделяя тепло.Как и все в физическом мире, энергия подчиняется физическим законам. Законы термодинамики управляют передачей энергии внутри и между всеми системами во Вселенной.

В общем, энергия определяется как способность выполнять работу или создавать какие-либо изменения. Энергия существует в разных формах. Например, электрическая энергия, световая энергия и тепловая энергия — это разные виды энергии. Чтобы понять, как энергия поступает в биологические системы и выходит из них, важно понимать два физических закона, управляющих энергией.

Первый закон термодинамики гласит, что общее количество энергии во Вселенной постоянно и сохраняется. Другими словами, во Вселенной всегда было и будет точно такое же количество энергии. Энергия существует во многих различных формах . Согласно первому закону термодинамики, энергия может передаваться с места на место или преобразовываться в различные формы, , но не может быть создана или уничтожена . Передачи и преобразования энергии происходят вокруг нас постоянно.Лампочки преобразуют электрическую энергию в световую и тепловую. Газовые плиты преобразуют химическую энергию природного газа в тепловую. Растения совершают одно из самых биологически полезных преобразований энергии на Земле: преобразование энергии солнечного света в химическую энергию, хранящуюся в органических молекулах (рис. 4.2). Некоторые примеры преобразования энергии показаны на рисунке 4.4.

Задача всех живых организмов — получить энергию из окружающей среды в формах, которые они могут передавать или преобразовывать в полезную энергию для выполнения работы.Живые клетки эволюционировали, чтобы справиться с этой задачей. Химическая энергия, хранящаяся в органических молекулах, таких как сахара и жиры, передается и преобразуется через серию клеточных химических реакций в энергию в молекулах АТФ. Энергия в молекулах АТФ легко доступна для работы. Примеры типов работы, которую должны выполнять клетки, включают построение сложных молекул, транспортировку материалов, обеспечение движения ресничек или жгутиков и сокращение мышечных волокон для создания движения.

Рисунок 4.4 Показаны некоторые примеры передачи и преобразования энергии из одной системы в другую и из одной формы в другую. Пища, которую мы потребляем, обеспечивает наши клетки энергией, необходимой для выполнения функций организма, точно так же, как световая энергия дает растениям средства для создания необходимой им химической энергии. (кредит «мороженое»: модификация работы Д. Шэрон Прюитт; кредит «дети»: модификация работы Макса из Провиденса; кредитный «лист»: модификация работы Кори Занкера)

Основные задачи получения живой клетки, преобразование и использование энергии для работы может показаться простым.Однако второй закон термодинамики объясняет, почему эти задачи сложнее, чем кажется. Любые передачи и преобразования энергии никогда не бывают полностью эффективными . При каждой передаче энергии некоторое количество энергии теряется в непригодной для использования форме. В большинстве случаев это форма тепловой энергии. Термодинамически тепловая энергия определяется как неработающая энергия, передаваемая от одной системы к другой. Например, когда включается электрическая лампочка, часть энергии, преобразуемой из электрической энергии в световую, теряется в виде тепловой энергии.Точно так же часть энергии теряется в виде тепловой энергии во время клеточных метаболических реакций.

Важным понятием в физических системах является понятие порядка и беспорядка. Чем больше энергии теряется системой в свое окружение, тем менее упорядоченной и случайной является система. Ученые называют меру случайности или беспорядка в системе энтропией . Высокая энтропия означает высокий беспорядок и низкую энергию. Молекулы и химические реакции также имеют разную энтропию. Например, энтропия увеличивается, когда молекулы с высокой концентрацией в одном месте диффундируют и разлетаются.Второй закон термодинамики гласит, что энергия всегда будет теряться в виде тепла при передаче или преобразовании энергии.

Живые существа очень упорядочены, и для поддержания низкого уровня энтропии требуется постоянный подвод энергии.

Когда объект находится в движении, с ним связана энергия. Подумайте о шаре для разрушения. Даже медленно движущийся шар-разрушитель может нанести большой урон другим объектам. Энергия, связанная с движущимися объектами, называется кинетической энергией (Рисунок 4.5). Ускоряющаяся пуля, идущий человек и быстрое движение молекул в воздухе (выделяющих тепло) — все они обладают кинетической энергией.

А что, если тот же самый неподвижный шар для разрушения поднять с помощью крана на два этажа над землей? Если подвешенный шар для разрушения неподвижен, связана ли с ним энергия? Ответ положительный. Энергия, которая требовалась для подъема разрушающего шара, не исчезла, но теперь сохраняется в разрушающем шаре в силу его положения и силы тяжести, действующей на него.Этот вид энергии называется потенциальной энергией (рис. 4.5). Если мяч упадет, потенциальная энергия будет преобразована в кинетическую энергию до тех пор, пока вся потенциальная энергия не будет исчерпана, когда мяч упадет на землю. Шары-крушители тоже качаются, как маятник; во время качания происходит постоянное изменение потенциальной энергии (самая высокая в верхней части качания) на кинетическую энергию (самая высокая в нижней части качания). Другие примеры потенциальной энергии включают энергию воды, удерживаемой за плотиной, или человека, который собирается прыгнуть с парашютом из самолета.

Рисунок 4.5 У негазированной воды есть потенциальная энергия; движущаяся вода, например, в водопаде или в быстро текущей реке, обладает кинетической энергией. (кредит «дамба»: модификация работы «Паскаля» / Flickr; кредит «водопад»: модификация работы Фрэнка Гуалтьери)

Потенциальная энергия связана не только с расположением материи, но и со структурой материи. Даже пружина на земле имеет потенциальную энергию, если она сжата; то же самое происходит и с туго натянутой резинкой. На молекулярном уровне связи, которые удерживают атомы молекул вместе, существуют в определенной структуре, обладающей потенциальной энергией.Помните, что анаболические клеточные пути требуют энергии для синтеза сложных молекул из более простых, а катаболические пути высвобождают энергию, когда сложные молекулы расщепляются. Тот факт, что энергия может выделяться при разрыве определенных химических связей, означает, что эти связи обладают потенциальной энергией. Фактически, в связях всех пищевых молекул, которые мы едим, хранится потенциальная энергия, которая в конечном итоге используется для использования. Это потому, что эти связи могут высвобождать энергию при разрыве.Тип потенциальной энергии, которая существует в химических связях и высвобождается при разрыве этих связей, называется химической энергией. Химическая энергия отвечает за обеспечение живых клеток энергией из пищи. Высвобождение энергии происходит при разрыве молекулярных связей в молекулах пищи.

Посмотрите видео о килокалориях.

Концепция в действии


Посетите сайт и выберите «Маятник» в меню «Работа и энергия», чтобы увидеть изменение кинетической и потенциальной энергии маятника в движении.

После того, как мы узнали, что химические реакции высвобождают энергию при разрыве энергонакопительных связей, возникает следующий важный вопрос: как количественно и выражается энергия, связанная с этими химическими реакциями? Как можно сравнить энергию, выделяемую в результате одной реакции, с энергией другой реакции? Измерение свободной энергии используется для количественной оценки этой передачи энергии. Напомним, что согласно второму закону термодинамики, любая передача энергии связана с потерей некоторого количества энергии в непригодной для использования форме, такой как тепло.Свободная энергия, в частности, относится к энергии, связанной с химической реакцией, которая доступна после учета потерь. Другими словами, свободная энергия — это полезная энергия или энергия, доступная для выполнения работы.

Если во время химической реакции выделяется энергия, то изменение свободной энергии, обозначенное как ∆G (дельта G), будет отрицательным числом. Отрицательное изменение свободной энергии также означает, что продукты реакции имеют меньше свободной энергии, чем реагенты, потому что они выделяют некоторую свободную энергию во время реакции.Реакции, которые имеют отрицательное изменение свободной энергии и, следовательно, высвобождают свободную энергию, называются экзергоническими реакциями. Подумайте: ex эргономичный означает, что энергия ex в системе. Эти реакции также называются спонтанными реакциями, и их продукты имеют меньше накопленной энергии, чем реагенты. Необходимо провести важное различие между термином «спонтанный» и идеей немедленного протекания химической реакции. В отличие от повседневного использования этого термина, спонтанная реакция — это не реакция, которая возникает внезапно или быстро.Ржавчина железа — это пример спонтанной реакции, которая происходит медленно, мало-помалу, с течением времени.

Если химическая реакция поглощает энергию, а не высвобождает ее в балансе, то ∆G для этой реакции будет положительным значением. В этом случае у продуктов больше свободной энергии, чем у реагентов. Таким образом, продукты этих реакций можно рассматривать как молекулы, запасающие энергию. Эти химические реакции называются эндергоническими реакциями , а — несамопроизвольными .Эндергоническая реакция не будет происходить сама по себе без добавления свободной энергии.

Рисунок 4.6. Показаны некоторые примеры эндергонических процессов (требующих энергии) и экзэргонических процессов (тех, которые выделяют энергию). (кредит a: модификация работы Натали Мэйнор; кредит b: модификация работы Министерством сельского хозяйства США; кредит c: модификация работы Кори Занкера; кредит d: модификация работы Гарри Мальша)

Посмотрите на каждый из представленных процессов и решите если он эндергонический или экзэргонический.

Есть еще одна важная концепция, которую необходимо учитывать в отношении эндергонических и экзэргонических реакций. Экзергонические реакции требуют небольшого количества энергии для начала, прежде чем они смогут приступить к своим этапам высвобождения энергии. Эти реакции имеют чистое высвобождение энергии, но все же требуют некоторого ввода энергии вначале. Это небольшое количество энергии, необходимое для протекания всех химических реакций, называется энергией активации.

Концепция в действии


Посмотрите анимацию перехода от свободной энергии к переходному состоянию реакции.

Вещество, которое способствует протеканию химической реакции, называется катализатором, а молекулы, катализирующие биохимические реакции, называются ферментами. Большинство ферментов представляют собой белки и выполняют критическую задачу , снижая энергии активации химических реакций внутри клетки. Большинство реакций, критических для живой клетки, протекают слишком медленно при нормальной температуре, чтобы быть полезными для клетки. Без ферментов для ускорения этих реакций жизнь не могла бы существовать.Ферменты делают это, связываясь с молекулами реагентов и удерживая их таким образом, чтобы облегчить процессы разрыва и образования химических связей. Важно помнить, что ферменты не изменяют, является ли реакция экзергонической (спонтанной) или эндергонической. Это потому, что они не изменяют свободную энергию реагентов или продуктов. Они только уменьшают энергию активации, необходимую для продолжения реакции (рис. 4.7). Кроме того, сам фермент не изменяется в результате реакции, которую он катализирует.После того, как одна реакция катализируется, фермент может участвовать в других реакциях.

Рис. 4.7. Ферменты снижают энергию активации реакции, но не изменяют свободную энергию реакции.

Химические реагенты, с которыми связывается фермент, называются субстратами фермента. В зависимости от конкретной химической реакции может быть один или несколько субстратов. В некоторых реакциях один реагент-субстрат распадается на несколько продуктов. В других случаях два субстрата могут объединиться, чтобы создать одну большую молекулу.Два реагента также могут вступить в реакцию, и оба они станут модифицированными, но выходят из реакции в виде двух продуктов. Место внутри фермента, где связывается субстрат, называется активным сайтом фермента . Активный сайт — это место, где происходит «действие». Поскольку ферменты являются белками, в активном центре существует уникальная комбинация боковых цепей аминокислот. Каждая боковая цепь характеризуется разными свойствами. Они могут быть большими или маленькими, слабокислотными или основными, гидрофильными или гидрофобными, положительно или отрицательно заряженными или нейтральными.Уникальная комбинация боковых цепей создает очень специфическую химическую среду в активном центре. Эта специфическая среда подходит для связывания с одним конкретным химическим субстратом (или субстратами).

Активные сайты подвержены влиянию местной среды. Повышение температуры окружающей среды обычно увеличивает скорость реакции, катализируемой ферментами или иначе. Однако температуры за пределами оптимального диапазона снижают скорость, с которой фермент катализирует реакцию. Высокие температуры в конечном итоге вызывают денатурирование ферментов, необратимое изменение трехмерной формы и, следовательно, функции фермента.Ферменты также подходят для наилучшего функционирования в определенном диапазоне pH и концентрации соли, и, как и в случае с температурой, экстремальные значения pH и концентрации соли могут вызывать денатурирование ферментов.

В течение многих лет ученые считали, что связывание фермента с субстратом происходит простым способом «замок и ключ». Эта модель утверждает, что фермент и субстрат идеально сочетаются друг с другом за один мгновенный шаг. Однако текущие исследования поддерживают модель, называемую индуцированной подгонкой (рис. 4.8). Модель индуцированной подгонки расширяет модель замка и ключа, описывая более динамическое связывание между ферментом и субстратом.Когда фермент и субстрат объединяются, их взаимодействие вызывает легкий сдвиг в структуре фермента, который образует идеальную структуру связывания между ферментом и субстратом.

Концепция в действии


Просмотрите анимацию индуцированной посадки.

Когда фермент связывает свой субстрат, образуется комплекс фермент-субстрат. Этот комплекс снижает энергию активации реакции и способствует ее быстрому развитию одним из множества возможных способов. На базовом уровне ферменты способствуют химическим реакциям, в которых участвует более одного субстрата, объединяя субстраты вместе в оптимальной ориентации для реакции.Другой способ, которым ферменты способствуют реакции своих субстратов, — это создание оптимальной среды в активном центре для протекания реакции. Химические свойства, проистекающие из особого расположения R-групп аминокислот в активном центре, создают идеальную среду для реакции определенных субстратов фермента.

Комплекс фермент-субстрат также может снизить энергию активации за счет нарушения структуры связи, так что ее легче разорвать. Наконец, ферменты также могут снижать энергию активации, принимая участие в самой химической реакции.В этих случаях важно помнить, что фермент всегда возвращается в исходное состояние по завершении реакции. Одним из отличительных свойств ферментов является то, что они в конечном итоге остаются неизменными в результате катализируемых ими реакций. После того, как фермент катализирует реакцию, он высвобождает свой продукт (продукты) и может катализировать новую реакцию.

Рис. 4.8. Модель индуцированной подгонки представляет собой корректировку модели «замок-и-ключ» и объясняет, как ферменты и субстраты претерпевают динамические модификации во время переходного состояния, чтобы увеличить сродство субстрата к активному сайту.

Казалось бы, идеальным иметь сценарий, в котором все ферменты организма существуют в изобилии и оптимально функционируют во всех клеточных условиях, во всех клетках, во все времена. Однако множество механизмов гарантирует, что этого не произойдет. Клеточные потребности и условия постоянно меняются от клетки к клетке и со временем меняются внутри отдельных клеток. Необходимые ферменты клеток желудка отличаются от ферментов жировых клеток, клеток кожи, клеток крови и нервных клеток. Кроме того, клетка пищеварительного органа намного усерднее обрабатывает и расщепляет питательные вещества в течение времени, которое следует за едой, по сравнению со многими часами после еды.Поскольку эти клеточные потребности и условия меняются, должны меняться количества и функциональность различных ферментов.

Поскольку скорость биохимических реакций контролируется энергией активации, а ферменты ниже и определяют энергию активации химических реакций, относительные количества и функционирование различных ферментов в клетке в конечном итоге определяют, какие реакции будут протекать и с какой скоростью. Это определение строго контролируется в клетках. В определенных клеточных средах активность ферментов частично контролируется факторами окружающей среды, такими как pH, температура, концентрация соли и, в некоторых случаях, кофакторами или коферментами.

Ферменты также могут регулироваться способами, которые либо способствуют, либо снижают активность ферментов. Есть много видов молекул, которые подавляют или стимулируют функцию ферментов, и различные механизмы, с помощью которых они это делают. В некоторых случаях ингибирования фермента молекула ингибитора достаточно похожа на субстрат, чтобы она могла связываться с активным сайтом и просто блокировать связывание субстрата. Когда это происходит, фермент ингибируется посредством конкурентного ингибирования , потому что молекула ингибитора конкурирует с субстратом за связывание с активным сайтом.

С другой стороны, при неконкурентном ингибировании молекула ингибитора связывается с ферментом в месте, отличном от активного сайта, называемом аллостерическим сайтом , но все же удается блокировать связывание субстрата с активным сайтом. Некоторые молекулы ингибитора связываются с ферментами в том месте, где их связывание вызывает конформационное изменение, которое снижает сродство фермента к его субстрату. Этот тип торможения называется аллостерическим торможением (рис. 4.9).Большинство аллостерически регулируемых ферментов состоят из более чем одного полипептида, что означает, что они имеют более одной белковой субъединицы. Когда аллостерический ингибитор связывается с областью фермента, все активные центры белковых субъединиц слегка изменяются, так что они связывают свои субстраты с меньшей эффективностью. Есть аллостерические активаторы, а также ингибиторы. Аллостерические активаторы связываются с участками фермента, удаленными от активного сайта, вызывая конформационные изменения, которые увеличивают сродство активного сайта (ов) фермента к его субстрату (ам) (Рисунок 4.9).

Рис. 4.9. Аллостерическое ингибирование работает, косвенно вызывая конформационные изменения активного сайта, так что субстрат больше не подходит. Напротив, при аллостерической активации молекула активатора изменяет форму активного сайта, чтобы обеспечить лучшее прилегание субстрата.
Через призму коренных народов

Растения не могут убежать или спрятаться от своих хищников, и они разработали множество стратегий, чтобы отпугнуть тех, кто их съест. Подумайте о шипах, раздражителях и вторичных метаболитах: это соединения, которые напрямую не помогают растениям расти, а созданы специально для защиты от хищников.Вторичные метаболиты — наиболее распространенный способ отпугивания хищников. Некоторые примеры вторичных метаболитов — атропин, никотин, ТГК и кофеин. Люди обнаружили, что эти вторичные метаболиты являются богатым источником материалов для лекарств. Подсчитано, что 90% лекарств в современной аптеке имеют свои «корни» в этих вторичных метаболитах.

Лечение травами первых людей открыло миру эти вторичные метаболиты. Например, коренные народы издавна использовали кору ивовых кустарников и ольхи для приготовления чая, тонизирующего средства или припарок, чтобы уменьшить воспаление.Вы узнаете больше о воспалительной реакции иммунной системы в главе 11.

Рис. 4.10. Кора тихоокеанской ивы содержит соединение салицин.

И ива, и кора ольхи содержат соединение салицин. У большинства из нас в аптечке есть это соединение в виде салициловой кислоты или аспирина. Доказано, что аспирин уменьшает боль и воспаление, а попав в наши клетки, салицин превращается в салициловую кислоту.

Так как это работает? Салицин или аспирин действуют как ингибитор фермента.В воспалительной реакции ключевыми в этом процессе являются два фермента, COX1 и COX2. Салицин или аспирин специфически модифицируют аминокислоту (серин) в активном центре этих двух родственных ферментов. Эта модификация активных центров не позволяет нормальному субстрату связываться и, таким образом, нарушается воспалительный процесс. Как вы читали в этой главе, это делает его конкурентным ингибитором ферментов.

Фармацевтический разработчик лекарств

Рис. 4.11 Задумывались ли вы, как создаются фармацевтические препараты? (кредит: Дебора Остин)

Ферменты — ключевые компоненты метаболических путей.Понимание того, как работают ферменты и как их можно регулировать, — ключевые принципы, лежащие в основе разработки многих фармацевтических препаратов, представленных сегодня на рынке. Биологи, работающие в этой области, совместно с другими учеными разрабатывают лекарства (рис. 4.11).

Рассмотрим, к примеру, статины. Статины — это название одного класса лекарств, которые могут снижать уровень холестерина. Эти соединения являются ингибиторами фермента HMG-CoA редуктазы, который является ферментом, синтезирующим холестерин из липидов в организме.Ингибируя этот фермент, можно снизить уровень холестерина, синтезируемого в организме. Точно так же ацетаминофен, широко продаваемый под торговой маркой Tylenol, является ингибитором фермента циклооксигеназы. Хотя он используется для снятия температуры и воспаления (боли), его механизм действия до сих пор полностью не изучен.

Как обнаруживаются наркотики? Одна из самых больших проблем в открытии лекарств — это определение мишени для лекарства. Мишень лекарства — это молекула, которая буквально является мишенью лекарства.В случае статинов мишенью для лечения является HMG-CoA редуктаза. Цели лекарств определяются путем кропотливых лабораторных исследований. Одной идентификации цели недостаточно; ученым также необходимо знать, как мишень действует внутри клетки и какие реакции идут наперекосяк в случае болезни. Как только цель и путь определены, начинается фактический процесс разработки лекарств. На этом этапе химики и биологи работают вместе, чтобы разработать и синтезировать молекулы, которые могут блокировать или активировать определенную реакцию.Однако это только начало: если и когда прототип лекарства успешно выполняет свою функцию, он подвергается множеству тестов, от экспериментов in vitro до клинических испытаний, прежде чем он сможет получить одобрение Управления по контролю за продуктами и лекарствами США. магазин.

Многие ферменты не работают оптимально или даже не работают, если они не связаны с другими специфическими небелковыми вспомогательными молекулами. Они могут связываться либо временно посредством ионных или водородных связей, либо навсегда посредством более прочных ковалентных связей.Связывание с этими молекулами способствует оптимальной форме и функционированию соответствующих ферментов. Двумя примерами этих типов вспомогательных молекул являются кофакторы и коферменты. Кофакторы — это неорганические ионы, такие как ионы железа и магния. Коферменты — это органические вспомогательные молекулы, имеющие базовую атомную структуру, состоящую из углерода и водорода. Подобно ферментам, эти молекулы участвуют в реакциях, не меняя себя, и в конечном итоге перерабатываются и используются повторно. Витамины являются источником коферментов.Некоторые витамины являются предшественниками коферментов, а другие действуют непосредственно как коферменты. Витамин C является прямым коферментом множества ферментов, которые участвуют в создании важной соединительной ткани — коллагена. Следовательно, функция фермента частично регулируется обилием различных кофакторов и коферментов, которые могут поступать с пищей организма или, в некоторых случаях, вырабатываться организмом.

Рис. 4.12. Витамины являются важными коферментами или предшественниками коферментов и необходимы для правильного функционирования ферментов.Мультивитаминные капсулы обычно содержат смеси всех витаминов в разном процентном соотношении.

Ингибирование обратной связи в метаболических путях

Молекулы могут регулировать функцию ферментов разными способами. Однако остается главный вопрос: что это за молекулы и откуда они берутся? Как вы уже знаете, некоторые из них являются кофакторами и коферментами. Какие другие молекулы в клетке обеспечивают ферментативную регуляцию, такую ​​как аллостерическая модуляция, а также конкурентное и неконкурентное ингибирование? Возможно, наиболее подходящими источниками регуляторных молекул для ферментативного клеточного метаболизма являются продукты самих клеточных метаболических реакций.Наиболее эффективным и элегантным образом клетки эволюционировали, чтобы использовать продукты собственных реакций для подавления активности ферментов с помощью обратной связи. Подавление обратной связи предполагает использование продукта реакции для регулирования его собственного дальнейшего производства (рис. 4.12). Клетка реагирует на обилие продуктов замедлением производства во время анаболических или катаболических реакций. Такие продукты реакции могут ингибировать ферменты, катализирующие их производство, с помощью механизмов, описанных выше.

Рисунок 4.13 Метаболические пути — это серия реакций, катализируемых множеством ферментов. Ингибирование обратной связи, когда конечный продукт пути ингибирует вышестоящий процесс, является важным регуляторным механизмом в клетках.

Производство как аминокислот, так и нуклеотидов контролируется посредством ингибирования с обратной связью. Кроме того, АТФ является аллостерическим регулятором некоторых ферментов, участвующих в катаболическом распаде сахара, процессе, который создает АТФ. Таким образом, когда АТФ в избытке, клетка может предотвратить производство АТФ.С другой стороны, АДФ служит положительным аллостерическим регулятором (аллостерическим активатором) для некоторых из тех же ферментов, которые ингибируются АТФ. Таким образом, когда относительные уровни АДФ высоки по сравнению с АТФ, клетка начинает производить больше АТФ за счет катаболизма сахара.

Клетки выполняют жизненные функции посредством различных химических реакций. Метаболизм клетки — это комбинация химических реакций, которые происходят в ней. Катаболические реакции расщепляют сложные химические вещества на более простые и связаны с выделением энергии.Анаболические процессы создают сложные молекулы из более простых и требуют энергии.

При изучении энергии термин «система» относится к веществу и окружающей среде, участвующим в передаче энергии. Энтропия — это мера беспорядка системы. Физические законы, описывающие передачу энергии, являются законами термодинамики. Первый закон гласит, что общее количество энергии во Вселенной постоянно. Второй закон термодинамики гласит, что любая передача энергии включает некоторую потерю энергии в непригодной для использования форме, такой как тепловая энергия.Энергия бывает разных форм: кинетической, потенциальной и свободной. Изменение свободной энергии реакции может быть отрицательным (высвобождает энергию, экзергонический) или положительным (потребляет энергию, эндергоническим). Все реакции требуют начального ввода энергии, называемой энергией активации.

Ферменты — это химические катализаторы, которые ускоряют химические реакции за счет снижения их энергии активации. Ферменты имеют активный центр с уникальной химической средой, которая соответствует определенным химическим реагентам для этого фермента, называемым субстратами.Считается, что ферменты и субстраты связываются в соответствии с моделью индуцированной подгонки. Действие ферментов регулируется для сохранения ресурсов и оптимального реагирования на окружающую среду.

Глоссарий

энергия активации: количество начальной энергии, необходимой для протекания реакции

активный сайт: специфическая область на ферменте, где субстрат связывается

аллостерическое ингибирование: механизм ингибирования действия фермента, при котором регуляторная молекула связывается со вторым сайтом (не активным сайтом) и инициирует изменение конформации в активном сайте, предотвращая связывание с субстратом

анаболический: описывает путь, который требует ввода чистой энергии для синтеза сложных молекул из более простых

биоэнергетика: концепция потока энергии через живые системы

катаболический: описывает путь, по которому сложные молекулы распадаются на более простые, выделяя энергию в качестве дополнительного продукта реакции.

конкурентное ингибирование: общий механизм регуляции активности фермента, при котором молекула, отличная от субстрата фермента, способна связывать активный сайт и предотвращать связывание самого субстрата, тем самым подавляя общую скорость реакции фермента

endergonic: описывает химическую реакцию, которая приводит к продуктам, которые хранят больше химической потенциальной энергии, чем реагенты.

фермент: молекула, катализирующая биохимическую реакцию

exergonic: описывает химическую реакцию, которая приводит к продуктам с меньшей химической потенциальной энергией, чем реагенты, плюс высвобождение свободной энергии

ингибирование с обратной связью: механизм регулирования активности фермента, при котором продукт реакции или конечный продукт ряда последовательных реакций ингибирует фермент на более ранней стадии в серии реакций

тепловая энергия: энергия, передаваемая из одной системы в другую, которая не работает

кинетическая энергия: тип энергии, связанной с движущимися объектами

метаболизм: все химические реакции, происходящие внутри клеток, включая те, которые используют энергию, и те, которые выделяют энергию

неконкурентное ингибирование: общий механизм регуляции активности фермента, при котором регуляторная молекула связывается с сайтом, отличным от активного сайта, и предотвращает связывание активного сайта с субстратом; таким образом, молекула ингибитора не конкурирует с субстратом за активный центр; аллостерическое торможение — это форма неконкурентного торможения

потенциальная энергия: тип энергии, который относится к потенциалу совершать работу

субстрат: молекула, на которую действует фермент

термодинамика: наука о взаимосвязи тепла, энергии и работы

Метаболизм (для подростков) — Nemours Kidshealth

Что такое метаболизм?

Метаболизм (произносится: meh-TAB-uh-liz-um) — это химические реакции в клетках организма, которые превращают пищу в энергию.Нашему телу нужна эта энергия, чтобы делать все — от движения к мышлению до роста.

Определенные белки в организме контролируют химические реакции обмена веществ. Одновременно происходят тысячи метаболических реакций, которые регулируются организмом, чтобы наши клетки оставались здоровыми и работающими.

Как работает метаболизм?

После того, как мы съели пищу, пищеварительная система использует ферменты для:

  • расщепляет белки на аминокислоты
  • превращает жиры в жирные кислоты
  • превращают углеводы в простые сахара (например, глюкозу)

При необходимости организм может использовать сахар, аминокислоты и жирные кислоты в качестве источников энергии.Эти соединения всасываются в кровь, которая переносит их в клетки.

После того, как они попадают в клетки, другие ферменты ускоряют или регулируют химические реакции, участвующие в «метаболизме» этих соединений. Во время этих процессов энергия этих соединений может высвобождаться для использования организмом или накапливаться в тканях организма, особенно в печени, мышцах и жировых тканях.

Метаболизм — это балансирующее действие, включающее два вида деятельности, которые происходят одновременно:

  • наращивание тканей тела и запасов энергии (так называемый анаболизм)
  • разрушает ткани тела и запасы энергии, чтобы получить больше топлива для функций организма (так называемый катаболизм)

Анаболизм (произносится: uh-NAB-uh-liz-um), или конструктивный метаболизм, заключается в построении и хранении.Он поддерживает рост новых клеток, поддержание состояния тканей тела и накопление энергии для использования в будущем. При анаболизме маленькие молекулы превращаются в более крупные и сложные молекулы углеводов, белков и жиров.

Катаболизм (произносится: kuh-TAB-uh-liz-um), или деструктивный метаболизм, это процесс, который производит энергию, необходимую для всей активности клеток. Клетки расщепляют большие молекулы (в основном углеводы и жиры), чтобы высвободить энергию. Это обеспечивает топливо для анаболизма, нагревает тело и позволяет мышцам сокращаться, а тело двигаться.

По мере того, как сложные химические соединения распадаются на более простые вещества, организм выделяет продукты жизнедеятельности через кожу, почки, легкие и кишечник.

Что контролирует метаболизм?

Некоторые гормоны эндокринной системы помогают контролировать скорость и направление метаболизма. Тироксин, гормон, вырабатываемый и выделяемый щитовидной железой, играет ключевую роль в определении того, насколько быстро или медленно протекают химические реакции метаболизма в организме человека.

Другая железа, поджелудочная железа, вырабатывает гормоны, которые помогают определить, является ли основная метаболическая активность организма анаболической (произносится: ан-э-бол-ик) или катаболической (произносится: кат-э-бол-ик).Например, большая анаболическая активность обычно происходит после еды. Это потому, что еда увеличивает уровень глюкозы в крови — самого важного топлива для организма. Поджелудочная железа ощущает этот повышенный уровень глюкозы и выделяет гормон инсулин, который сигнализирует клеткам об увеличении их анаболической активности.

Метаболизм — сложный химический процесс. Поэтому неудивительно, что многие люди думают об этом в самом простом смысле: как о чем-то, что влияет на то, насколько легко наше тело набирает или теряет вес.Вот где нужны калории. Калории — это единица измерения, которая измеряет, сколько энергии конкретная пища дает организму. Плитка шоколада содержит больше калорий, чем яблоко, поэтому она дает организму больше энергии — а иногда это может быть слишком хорошо. Точно так же, как автомобиль хранит бензин в бензобаке до тех пор, пока он не понадобится для заправки двигателя, тело накапливает калории — в основном в виде жира. Если вы переполните бензобак автомобиля, он выльется на тротуар. Точно так же, если человек ест слишком много калорий, они «выливаются» в виде лишнего жира.

Количество калорий, сжигаемых за день, зависит от того, сколько человек тренируется, количества жира и мышц в его или ее теле и базальной скорости метаболизма (BMR) человека. BMR — это мера скорости, с которой тело человека «сжигает» энергию в виде калорий в состоянии покоя.

BMR может влиять на склонность человека набирать вес. Например, человек с низким BMR (который, следовательно, сжигает меньше калорий в состоянии покоя или во сне), как правило, со временем набирает больше фунтов жира, чем человек такого же роста со средним BMR, который ест такое же количество пищи и получает такое же количество упражнений.

На

BMR могут влиять гены человека и некоторые проблемы со здоровьем. На это также влияет состав тела — люди с большей мышечной массой и меньшим количеством жира обычно имеют более высокий BMR. Но люди могут изменить свой BMR определенным образом. Например, человек, который больше тренируется, не только сжигает больше калорий, но и становится более физически подготовленным, что увеличивает его или ее BMR.

5.9: Клеточное дыхание — Biology LibreTexts

Принесите S’mores!

Этот манящий костер можно использовать как для тепла, так и для света.Тепло и свет — это две формы энергии, которые высвобождаются при сжигании такого топлива, как древесина. Клетки живых существ также получают энергию за счет «горения». Они «сжигают» глюкозу в процессе, называемом клеточным дыханием.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): поленья для сжигания, которые преобразуют углерод в древесине в двуокись углерода и значительное количество тепловой энергии.

Внутри каждой клетки всех живых существ энергия необходима для осуществления жизненных процессов. Энергия требуется для разрушения и наращивания молекул, а также для переноса многих молекул через плазматические мембраны.Вся работа в жизни требует энергии. Также много энергии просто теряется в окружающую среду в виде тепла. История жизни — это история потока энергии — ее захвата, изменения формы, использования для работы и потери в виде тепла. Энергия, в отличие от материи, не может быть переработана, поэтому организмы требуют постоянного поступления энергии. Жизнь работает на химической энергии. Откуда живые организмы получают эту химическую энергию?

Откуда организмы получают энергию?

Химическая энергия, в которой нуждаются организмы, поступает из пищи.Пища состоит из органических молекул, которые хранят энергию в своих химических связях. Глюкоза — это простой углевод с химической формулой \ (\ mathrm {C_6H_ {12} O_6} \). Он хранит химическую энергию в концентрированной стабильной форме. В вашем теле глюкоза — это форма энергии, которая переносится в вашей крови и поглощается каждым из ваших триллионов клеток. Клетки выполняют клеточное дыхание для извлечения энергии из связей глюкозы и других молекул пищи. Клетки могут хранить извлеченную энергию в виде АТФ (аденозинтрифосфата).

Что такое АТФ?

Давайте подробнее рассмотрим молекулу АТФ, показанную на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Хотя он несет меньше энергии, чем глюкоза, его структура более сложна. «А» в АТФ относится к большей части молекулы — аденозина — комбинации азотистого основания и пятиуглеродного сахара. «Т» и «Р» обозначают три фосфата, связанные связями, которые удерживают энергию, фактически используемую клетками. Обычно разрывается только внешняя связь, чтобы высвободить или потратить энергию на работу клетки.

Молекула АТФ подобна перезаряжаемой батарее: ее энергия может использоваться клеткой, когда она распадается на АДФ (аденозиндифосфат) и фосфат, а затем «изношенная батарея» АДФ может быть перезаряжена с использованием новой энергии для присоединения новый фосфат и восстановить АТФ. Материалы пригодны для вторичной переработки, но помните, что энергия — нет! АДФ может быть далее восстановлен до АМФ (аденозинмонофосфат и фосфат, высвобождая дополнительную энергию. Как и в случае с АДТ, «перезаряженным» до АТФ, АМФ может перезаряжаться до АДФ.

Сколько энергии нужно для работы вашего тела? Одна клетка использует около 10 миллионов молекул АТФ в секунду и перерабатывает все свои молекулы АТФ примерно каждые 20-30 секунд.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Химическая структура АТФ состоит из 5-углеродного сахара (рибозы), присоединенного к азотистому основанию (аденину) и трех фосфатов. Когда ковалентная связь между концевой фосфатной группой и средней фосфатной группой разрывается, высвобождается энергия, которая используется клетками для выполнения работы.

Что такое клеточное дыхание?

Некоторые организмы могут производить себе пищу, а другие — нет. Автотроф — это организм, который может производить свою собственную пищу. Греческие корни слова autotroph означают «сам» ( auto ) «кормушка» ( troph ). Растения — самые известные автотрофы, но существуют и другие, в том числе определенные типы бактерий и водорослей. Океанические водоросли вносят огромное количество пищи и кислорода в глобальные пищевые цепи. Растения также являются фотоавтотрофами , типом автотрофов, которые используют солнечный свет и углерод из углекислого газа для синтеза химической энергии в форме углеводов. Гетеротрофы — это организмы, неспособные к фотосинтезу, поэтому они должны получать энергию и углерод из пищи, потребляя другие организмы. Греческие корни слова гетеротроф означают «другой» ( гетеро ) «кормушка» ( troph ), что означает, что их пища поступает от других организмов. Даже если пищевым организмом является другое животное, эта пища восходит к автотрофам и процессу фотосинтеза. Люди — гетеротрофы, как и все животные.Гетеротрофы прямо или косвенно зависят от автотрофов.

Клеточное дыхание — это процесс, при котором отдельные клетки расщепляют молекулы пищи, такие как глюкоза, и выделяют энергию. Процесс похож на горение, но не дает света или сильного тепла, как у костра. Это потому, что клеточное дыхание высвобождает энергию глюкозы медленно, многими небольшими шагами. Он использует выделяемую энергию для образования молекул АТФ, молекул-носителей энергии, которые клетки используют для поддержания биохимических процессов.Клеточное дыхание включает в себя множество химических реакций, но все они могут быть сведены в одно химическое уравнение:

\ [\ ce {C6h22O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6h3O + Energy} \ nonumber \]

, где выделяемая энергия выражается в химической энергии в АТФ (а не в тепловой энергии в виде тепла). Приведенное выше уравнение показывает, что глюкоза (\ (\ ce {C6h22O6} \)) и кислород (\ (\ ce {O_2} \)) реагируют с образованием диоксида углерода (\ (\ ce {CO_2} \)) и воды \ ( \ ce {H_2O} \), высвобождая при этом энергию. Поскольку кислород необходим для клеточного дыхания, это аэробный процесс .

Клеточное дыхание происходит в клетках всех живых существ, как автотрофов, так и гетеротрофов. Все они катаболизируют глюкозу с образованием АТФ. Реакции клеточного дыхания можно разделить на три основных этапа и промежуточный этап: гликолиз , Превращение пирувата , цикл Кребса (также называемый циклом лимонной кислоты) и окислительное фосфорилирование . Рисунок \ (\ PageIndex {3} \) дает обзор этих трех этапов, которые также подробно описаны ниже.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): клеточное дыхание происходит на этапах, показанных здесь. Процесс начинается с гликолиза. На этом первом этапе молекула глюкозы, которая имеет шесть атомов углерода, расщепляется на две трехуглеродные молекулы. Трехуглеродная молекула называется пируватом. Пируват окисляется и превращается в ацетил-КоА. Эти два этапа происходят в цитоплазме клетки. Ацетил-КоА попадает в матрицу митохондрий, где полностью окисляется до двуокиси углерода через цикл Кребса.Наконец, в процессе окислительного фосфорилирования электроны, извлеченные из пищи, движутся вниз по цепи переноса электронов во внутренней мембране митохондрии. Когда электроны движутся вниз по ETC и, наконец, к кислороду, они теряют энергию. Эта энергия используется для фосфорилирования АМФ с образованием АТФ.

Гликолиз

Первая стадия клеточного дыхания — гликолиз . Этот процесс показан в верхнем блоке на рисунке \ (\ PageIndex {3} \), где 6-углеродная молекула распадается на две 3-углеродные молекулы пирувата.АТФ производится в этом процессе, который происходит в цитозоле цитоплазмы.

Расщепление глюкозы

Слово гликолиз означает «расщепление глюкозы», что и происходит на этой стадии. Ферменты расщепляют молекулу глюкозы на две молекулы пирувата (также известного как пировиноградная кислота). Это происходит в несколько этапов, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {4} \). Глюкоза сначала расщепляется на глицеральдегид-3-фосфат (молекула, содержащая 3 атома углерода и фосфатную группу).В этом процессе используется 2 АТФ. Затем каждый глицеральдегид-3-фосфат превращается в пируват (молекулу с 3 атомами углерода). это производит два 4 АТФ и 2 НАДН.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): При гликолизе молекула глюкозы превращается в две молекулы пирувата.

Результаты гликолиза

Энергия необходима в начале гликолиза для расщепления молекулы глюкозы на две молекулы пирувата. Эти две молекулы переходят на II стадию клеточного дыхания. Энергия расщепления глюкозы обеспечивается двумя молекулами АТФ.В процессе гликолиза высвобождается энергия, которая используется для образования четырех молекул АТФ. В результате имеется чистый прирост на двух молекул АТФ во время гликолиза. электроны с высокой энергией также передаются молекулам, несущим энергию, называемым переносчиками электронов, посредством процесса
, известного как восстановление. Переносчиком электронов гликолиза является НАД + (никотинамидадениндифосфат) . Электроны переносятся на 2 НАД + с образованием двух молекул НАДН. Энергия, запасенная в НАДН, используется на стадии III клеточного дыхания для производства большего количества АТФ.В конце гликолиза было произведено следующее:
• 2 молекулы НАДН
• 2 чистые молекулы АТФ

Превращение пирувата в ацетил-КоА

В эукариотических клетках молекулы пирувата, образующиеся в конце гликолиза, транспортируются в митохондрии, которые являются участками клеточного дыхания. Если кислород доступен, аэробное дыхание будет продолжаться. В митохондриях пируват будет преобразован в двухуглеродную ацетильную группу (путем удаления молекулы диоксида углерода), которая будет захвачена соединением-носителем, называемым коэнзимом A (CoA), который производится из витамина B 5 .Полученное соединение называется ацетил-КоА, и его образование часто называют окислением или преобразованием пирувата (см. Рисунок \ (\ PageIndex {5} \). Ацетил-КоА может использоваться клеткой различными способами, но его основная функция заключается в доставке ацетильной группы, полученной из пирувата, на следующую стадию пути, цикл лимонной кислоты.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): пируват преобразуется в ацетил-КоА перед входом в цикл лимонной кислоты (цикл Кребса)

Цикл лимонной кислоты

Прежде чем вы прочитаете о последних двух стадиях клеточного дыхания, вам необходимо рассмотреть структуру митохондрии, в которой проходят эти две стадии.Как видно из рисунка \ (\ PageIndex {6} \), митохондрия имеет внутреннюю и внешнюю мембраны. Пространство между внутренней и внешней мембраной называется межмембранным пространством. Пространство, ограниченное внутренней мембраной, называется матрицей. В матрице происходит второй этап клеточного дыхания — цикл Кребса. Третий этап — транспорт электронов — происходит на внутренней мембране.

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Структура митохондрии определяется внутренней и внешней мембранами.Пространство внутри внутренней мембраны заполнено жидкостью, ферментами, рибосомами и митохондриальной ДНК. Это пространство называется матрицей. Внутренняя мембрана имеет большую площадь поверхности по сравнению с внешней мембраной. Поэтому мнется. Расширения складок называются кристами. Пространство между внешней и внутренней мембраной называется межмембранным пространством.

Напомним, что при гликолизе образуются две молекулы пирувата (пировиноградной кислоты). Пируват, который имеет три атома углерода, расщепляется и соединяется с КоА, что означает кофермент А.Продукт этой реакции — ацетил-КоА. Эти молекулы входят в матрицу митохондрии, где запускают цикл лимонной кислоты. Третий углерод из пирувата соединяется с кислородом с образованием диоксида углерода, который выделяется в качестве побочного продукта. Электроны высоких энергий также высвобождаются и захватываются в НАДН. Последующие реакции показаны на рисунке \ (\ PageIndex {7} \).

Этапы цикла лимонной кислоты (Кребса)

Цикл лимонной кислоты начинается, когда ацетил-КоА соединяется с четырехуглеродной молекулой, называемой ОАА (оксалоацетат; см. Нижнюю панель рисунка \ (\ PageIndex {7} \)).Это производит лимонную кислоту, которая имеет шесть атомов углерода. Вот почему цикл Кребса также называют циклом лимонной кислоты. После образования лимонной кислоты она проходит ряд реакций, высвобождающих энергию. Эта энергия улавливается молекулами АТФ и переносчиками электронов. Цикл Кребса имеет два типа энергонесущих электронных носителей: НАД + и ФАД. Перенос электронов в FAD во время цикла Креба дает молекулу FADH 2 . Двуокись углерода также выделяется как побочный продукт этих реакций.Заключительный этап цикла Кребса восстанавливает OAA, молекулу, которая начала цикл Кребса. Эта молекула нужна на следующем этапе цикла. Два оборота необходимы, потому что при расщеплении глюкозы гликолиз производит две молекулы пирувата.

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): В цикле лимонной кислоты ацетильная группа ацетил-КоА присоединяется к молекуле оксалоацетата с четырьмя атомами углерода с образованием молекулы цитрата с шестью атомами углерода. Цитрат окисляется в несколько этапов, высвобождая две молекулы диоксида углерода для каждой ацетильной группы, подаваемой в цикл.В этом процессе три молекулы NAD + восстанавливаются до NADH, одна молекула FAD восстанавливается до FADH 2 и одна ATP или GTP (в зависимости от типа клетки) продуцируется (фосфорилированием на уровне субстрата). Поскольку конечный продукт цикла лимонной кислоты также является первым реагентом, цикл протекает непрерывно в присутствии достаточного количества реагентов.

Результаты цикла лимонной кислоты

После второго поворота цикла лимонной кислоты исходная молекула глюкозы полностью разрушилась.Все шесть его атомов углерода объединились с кислородом с образованием диоксида углерода. Энергия от его химических связей была сохранена в 16 молекулах-носителях энергии. Эти молекулы:

  • 2 ATP
  • 8 НАДН
  • 2 FADH \ (_ 2 \)
  • 6 CO \ (_ 2 \): 2 CO \ (_ 2 \) от превращения ацетил-CoA и 4 CO \ (_ 2 \) из цикла лимонной кислоты.

Окислительное фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование — заключительный этап аэробного клеточного дыхания.Существует две стадии окислительного фосфорилирования: электронно-транспортная цепь и хемиосмос. На этих стадиях энергия НАДН и ФАДН 2 , возникающая в результате предыдущих стадий клеточного дыхания, используется для создания АТФ.

Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): Окислительное фосфорилирование: цепь переноса электронов и хемиосмос.

Цепь транспортировки электронов (ETC)

На этой стадии высокоэнергетические электроны высвобождаются из НАДН и ФАДН 2 , и они перемещаются по электронно-транспортным цепям, находящимся во внутренней мембране митохондрии.Цепь переноса электронов — это серия молекул, которые переносят электроны от молекулы к молекуле с помощью химических реакций. Эти молекулы составляют три комплекса цепи переноса электронов (красные структуры внутренней мембраны на рисунке \ (\ PageIndex {8} \)). Когда электроны проходят через эти молекулы, часть энергии электронов используется для перекачки ионов водорода (H +) через внутреннюю мембрану из матрицы в межмембранное пространство. Этот перенос ионов создает электрохимический градиент, который стимулирует синтез АТФ.Электроны из конечного белка ETC приобретаются молекулой кислорода, и он восстанавливается до воды в матрице митохондрии.

Хемиосмос

Прокачка ионов водорода через внутреннюю мембрану создает большую концентрацию этих ионов в межмембранном пространстве, чем в матрице, создавая электрохимический градиент. Этот градиент заставляет ионы течь обратно через мембрану в матрицу, где их концентрация ниже. Поток этих ионов происходит через белковый комплекс, известный как комплекс АТФ-синтазы (см. Синюю структуру на внутренней мембране на рисунке \ (\ PageIndex {8} \).АТФ-синтаза действует как белок канала, помогая ионам водорода проходить через мембрану. Поток протонов через АТФ-синтазу считается хемиосмосом. АТФ-синтаза также действует как фермент, образуя АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Именно поток ионов водорода через АТФ-синтазу дает энергию для синтеза АТФ. Пройдя через цепь переноса электронов, электроны с низкой энергией соединяются с кислородом, образуя воду.

Сколько АТФ?

Вы видели, как три стадии аэробного дыхания используют энергию глюкозы для производства АТФ.Сколько АТФ производится на всех трех стадиях вместе? Гликолиз производит 2 молекулы АТФ, а цикл Кребса производит еще 2 молекулы. Электронный транспорт от молекул NADH и FADH 2 , образованный в результате гликолиза, трансформации пирувата и цикла Кребса, создает еще 32 молекулы АТФ. Таким образом, в процессе клеточного дыхания из одной молекулы глюкозы может быть образовано до 36 молекул АТФ.

Обзор

  1. Какова цель клеточного дыхания? Кратко опишите процесс.
  2. Нарисуйте и объясните структуру АТФ (аденозинтрифосфат).
  3. Укажите, что происходит во время гликолиза.
  4. Опишите структуру митохондрии.
  5. Обрисуйте этапы цикла Кребса.
  6. Что происходит на этапе переноса электронов клеточного дыхания?
  7. Сколько молекул АТФ может быть произведено из одной молекулы глюкозы на всех трех стадиях клеточного дыхания вместе взятых?
  8. Испытывают ли растения клеточное дыхание? Почему или почему нет?
  9. Объясните, почему процесс клеточного дыхания, описанный в этом разделе, считается аэробным.
  10. Назовите три молекулы, несущие энергию, участвующие в клеточном дыхании.
  11. Энергия хранится в химическом веществе _________ в молекуле глюкозы.
  12. Верно или неверно . Во время клеточного дыхания НАДН и АТФ используются для производства глюкозы.
  13. Верно или неверно . АТФ-синтаза действует как фермент и как белок канала.
  14. Верно или неверно . Углероды из глюкозы попадают в молекулы АТФ в конце клеточного дыхания.
  15. На какой стадии аэробного клеточного дыхания вырабатывается больше всего АТФ?

Узнать больше

Посмотрите видео ниже, чтобы получить подробный обзор клеточного дыхания.

Метаболизм — лучший канал здоровья

Метаболизм относится ко всем химическим процессам, постоянно происходящим внутри вашего тела, которые обеспечивают жизнь и нормальное функционирование (поддержание нормального функционирования в организме называется гомеостазом). Эти процессы включают процессы, которые расщепляют питательные вещества из нашей пищи, и те, которые строят и восстанавливают наше тело.

Для построения и восстановления тела требуется энергия, которая в конечном итоге поступает из пищи.

Количество энергии, измеряемое в килоджоулях (кДж), сжигаемое вашим телом в любой момент времени, зависит от вашего метаболизма.

Достижение или поддержание здорового веса — это баланс. Если мы регулярно едим и выпиваем больше килоджоулей, чем необходимо для нашего метаболизма, мы сохраняем его в основном в виде жира.

Большая часть энергии, которую мы используем каждый день, используется для того, чтобы все системы нашего тела функционировали должным образом.Это вне нашего контроля. Однако, когда мы тренируемся, мы можем заставить метаболизм работать на нас. Когда вы активны, тело сжигает больше энергии (килоджоулей).


Наш метаболизм сложен — попросту говоря, он состоит из двух частей, которые тщательно регулируются организмом, чтобы обеспечить их баланс. Это:

  • Катаболизм — расщепление пищевых компонентов (таких как углеводы, белки и пищевые жиры) на их более простые формы, которые затем можно использовать для получения энергии и основных строительных блоков, необходимых для роста и восстановления.
  • Анаболизм — часть метаболизма, в которой наш организм строится или восстанавливается. Анаболизм требует энергии, которая в конечном итоге поступает из нашей пищи. Когда мы едим больше, чем нам необходимо для ежедневного анаболизма, избыток питательных веществ обычно откладывается в нашем теле в виде жира.

Скорость метаболизма (или общий расход энергии) вашего тела можно разделить на три компонента:

  • Базальный уровень метаболизма (BMR) — даже в состоянии покоя организму требуется энергия (килоджоули) для поддержания функционирования всех его систем. правильно (например, дыхание, поддержание сердцебиения для циркуляции крови, рост и восстановление клеток и регулировка уровня гормонов).BMR тела составляет наибольшее количество энергии, расходуемой ежедневно (50–80 процентов от вашего ежедневного потребления энергии).
  • Термический эффект пищи (также известный как термогенез) — ваше тело использует энергию для переваривания потребляемых вами продуктов и напитков, а также поглощает, транспортирует и сохраняет их питательные вещества. На термогенез приходится около 5–10 процентов потребляемой вами энергии.
  • Энергия, используемая во время физической активности — это энергия, используемая при физическом движении, и она наиболее сильно зависит от того, сколько энергии вы потребляете каждый день.Физическая активность включает запланированные упражнения (например, пробежку или занятия спортом), но также включает в себя все побочные действия (например, развешивание стирки, игры с собакой или даже ерзание!).

В расчете на умеренно активного человека (30–45 минут физической активности умеренной интенсивности в день), этот компонент составляет 20 процентов нашего ежедневного потребления энергии.

Базальная скорость метаболизма (BMR)

BMR означает количество энергии, необходимое вашему организму для поддержания гомеостаза.

Ваш BMR в значительной степени определяется вашей общей мышечной массой, особенно мышечной массой, потому что для поддержания мышечной массы требуется много энергии. Все, что снижает мышечную массу, снижает ваш BMR.

Поскольку ваш BMR составляет значительную часть вашего общего потребления энергии, важно сохранить или даже увеличить мышечную массу с помощью упражнений при попытке похудеть.

Это означает сочетание упражнений (особенно упражнений с отягощением и отягощениями для увеличения мышечной массы) с изменениями в сторону более здорового режима питания, а не только с диетическими изменениями, поскольку потребление слишком малого количества килоджоулей стимулирует организм замедлять метаболизм для сохранения энергии.

Поддержание сухой мышечной массы также помогает снизить вероятность травм во время тренировок, а упражнения увеличивают ежедневные затраты энергии.

Средний мужчина имеет BMR около 7 100 кДж в день, в то время как средняя женщина имеет BMR около 5 900 кДж в день. Расход энергии постоянный, но скорость меняется в течение дня. Уровень расхода энергии обычно самый низкий ранним утром.

Факторы, влияющие на наш BMR

На ваш BMR влияют несколько факторов, работающих в сочетании, в том числе:

  • Размер тела — более крупные взрослые тела имеют больше метаболизирующих тканей и больший BMR.
  • Количество безжировой мышечной ткани — мышцы быстро сжигают килоджоули.
  • Количество жира в организме — жировые клетки «вялые» и сжигают гораздо меньше килоджоулей, чем большинство других тканей и органов тела.
  • Экстренная диета, голодание или голодание — потребление слишком небольшого количества килоджоулей стимулирует организм замедлять обмен веществ для сохранения энергии. BMR может снизиться до 15 процентов, и если также будет потеряна мышечная ткань, это еще больше снизит BMR.
  • Возраст — метаболизм замедляется с возрастом из-за потери мышечной ткани, а также из-за гормональных и неврологических изменений.
  • Рост — младенцы и дети имеют более высокие энергетические потребности на единицу массы тела из-за энергетических потребностей роста и дополнительной энергии, необходимой для поддержания температуры тела.
  • Пол — как правило, у мужчин более быстрый метаболизм, потому что они, как правило, крупнее.
  • Генетическая предрасположенность — ваш метаболизм может частично определяться вашими генами.
  • Гормональный и нервный контроль — BMR контролируется нервной и гормональной системами. Гормональный дисбаланс может влиять на то, как быстро или медленно организм сжигает килоджоули.
  • Температура окружающей среды — если температура очень низкая или очень высокая, организму приходится усерднее работать, чтобы поддерживать нормальную температуру тела, что увеличивает BMR.
  • Инфекция или болезнь — BMR увеличивается, потому что организму приходится усерднее работать, чтобы построить новые ткани и создать иммунный ответ.
  • Объем физической активности — трудолюбивым мышцам нужно много энергии для сжигания. Регулярные упражнения увеличивают мышечную массу и учит тело сжигать килоджоули быстрее, даже в состоянии покоя.
  • Наркотики, такие как кофеин или никотин, могут увеличивать BMR.
  • Дефицит диеты — например, диета с низким содержанием йода снижает функцию щитовидной железы и замедляет метаболизм.

Термический эффект пищи

Ваш BMR повышается после еды, потому что вы используете энергию для еды, переваривания и метаболизма только что съеденной пищи. Повышение происходит вскоре после того, как вы начинаете есть, и достигает пика через два-три часа.

Это повышение BMR может составлять от 2 до 30 процентов, в зависимости от размера еды и типов съеденных продуктов.

Различные продукты повышают BMR на разную величину. Например:

  • Жиры повышают BMR на 0–5 процентов.
  • Углеводы повышают BMR на 5–10 процентов.
  • Белки повышают BMR на 20–30%.
  • Горячие острые продукты (например, продукты, содержащие перец чили, хрен и горчицу) могут иметь значительный термический эффект.

Энергия, используемая во время физической активности

Во время напряженной или интенсивной физической активности наши мышцы могут сжигать до 3000 кДж в час.Энергетический расход мышц составляет только 20 процентов от общего расхода энергии в состоянии покоя, но во время напряженных упражнений он может увеличиваться в 50 или более раз.

Энергия, используемая во время упражнений, — это единственная форма расхода энергии, которую мы можем контролировать.

Однако оценить энергию, потраченную во время упражнений, сложно, поскольку истинное значение для каждого человека будет варьироваться в зависимости от таких факторов, как их вес, возраст, состояние здоровья и интенсивность, с которой выполняется каждое действие.

В Австралии есть рекомендации по физической активности, которые рекомендуют количество и интенсивность активности в зависимости от возраста и стадии жизни. Для нашего общего здоровья важно ограничивать время, в течение которого мы ведем малоподвижный образ жизни (сидеть или бездельничать), и обеспечивать как минимум 30 минут физической активности умеренной интенсивности каждый день.

В качестве приблизительного ориентира:

  • Умеренная физическая нагрузка означает, что вы можете говорить во время тренировки, но не можете петь.
  • Энергичные упражнения означают, что вы не можете разговаривать и заниматься спортом одновременно.

Мышечная ткань имеет большой аппетит к килоджоулей. Чем больше у вас мышечной массы, тем больше килоджоулей вы сожжете.

Люди склонны полнеть с возрастом, отчасти потому, что тело медленно теряет мышцы. Неясно, является ли потеря мышечной массы результатом процесса старения или потому, что многие люди с возрастом становятся менее активными. Однако, вероятно, это больше связано с уменьшением активности. Исследования показали, что силовые тренировки и тренировки с отягощениями могут уменьшить или предотвратить потерю мышечной массы.

Если вам больше 40 лет, у вас уже есть какое-либо заболевание или вы какое-то время не тренировались, обратитесь к врачу перед началом новой фитнес-программы.


Гормоны помогают регулировать метаболизм. Некоторые из наиболее распространенных гормональных нарушений влияют на щитовидную железу. Эта железа выделяет гормоны, регулирующие многие метаболические процессы, включая расход энергии (скорость, с которой сжигаются килоджоули).

Заболевания щитовидной железы включают:

  • Гипотиреоз (недостаточная активность щитовидной железы) — метаболизм замедляется из-за того, что щитовидная железа не вырабатывает достаточное количество гормонов.Частая причина — аутоиммунное заболевание Хашимото. Некоторые из симптомов гипотиреоза включают необычную прибавку в весе, вялость, депрессию и запор.
  • Гипертиреоз (сверхактивная щитовидная железа) — железа выделяет большее количество гормонов, чем необходимо, и ускоряет обмен веществ. Наиболее частой причиной этого состояния является болезнь Грейвса. Некоторые из симптомов гипертиреоза включают повышенный аппетит, потерю веса, нервозность и диарею.

Наши гены — это схемы белков в нашем организме, а наши белки отвечают за пищеварение и метаболизм нашей пищи.

Иногда дефектный ген означает, что мы производим белок, который неэффективен для обработки нашей пищи, что приводит к нарушению обмена веществ. В большинстве случаев генетические нарушения обмена веществ можно лечить под наблюдением врача, уделяя особое внимание диете.

Симптомы генетических нарушений обмена веществ могут быть очень похожи на симптомы других нарушений и заболеваний, что затрудняет установление точной причины. Обратитесь к врачу, если подозреваете, что у вас нарушение обмена веществ.

Некоторые генетические нарушения обмена веществ включают:

  • Непереносимость фруктозы — неспособность расщеплять фруктозу, которая является типом сахара, содержащегося во фруктах, фруктовых соках, сахаре (например, тростниковом сахаре), меде и некоторых овощах. .
  • Галактоземия — неспособность преобразовать углеводную галактозу в глюкозу. Галактоза не встречается в природе сама по себе. Он вырабатывается, когда пищеварительная система расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу. Источники лактозы включают молоко и молочные продукты, такие как йогурт и сыр.
  • Фенилкетонурия (PKU) — неспособность превращать аминокислоту фенилаланин в тирозин. Высокий уровень фенилаланина в крови может вызвать повреждение головного мозга.Следует избегать продуктов с высоким содержанием белка и тех, которые содержат искусственный подсластитель аспартам.

Куда обратиться за помощью

Что такое метаболизм?

Метаболизм — это термин, который используется для описания всех химических реакций, участвующих в поддержании живого состояния клеток и организма. Обмен веществ можно условно разделить на две категории:

  • Катаболизм — распад молекул для получения энергии
  • Анаболизм — синтез всех соединений, необходимых клеткам

Метаболизм тесно связан с питанием и доступностью питательных веществ.Биоэнергетика — это термин, который описывает биохимические или метаболические пути, с помощью которых клетка в конечном итоге получает энергию. Формирование энергии — один из жизненно важных компонентов обмена веществ.

Изображение предоставлено: VectorMine / Shutterstock.com

Питание, обмен веществ и энергия

Питание — это ключ к обмену веществ. Пути метаболизма зависят от питательных веществ, которые они расщепляют, чтобы произвести энергию. Эта энергия, в свою очередь, требуется организму для синтеза таких молекул, как новые белки и нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК).

Питательные вещества, связанные с метаболизмом, включают такие факторы, как потребности организма в различных веществах, индивидуальные функции в организме, необходимое количество и уровень, ниже которого ухудшается состояние здоровья.

Основные питательные вещества поставляют энергию (калории) и поставляют необходимые химические вещества, которые сам организм не может синтезировать. Пища содержит множество веществ, которые необходимы для построения, содержания и восстановления тканей тела, а также для его эффективного функционирования.

Диета требует основных питательных веществ, таких как углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера и около 20 других неорганических элементов. Основные элементы представлены углеводами, липидами и белком. Кроме того, необходимы витамины, минералы и вода.

Углеводы в обмене веществ

Продукты питания содержат углеводы в трех формах: крахмал, сахар и целлюлозу (клетчатку). Крахмал и сахар являются основными и необходимыми источниками энергии для человека. Волокна увеличивают объем рациона.

Ткани организма зависят от глюкозы во всех сферах деятельности. Углеводы и сахара производят глюкозу в результате пищеварения или метаболизма.

Общая реакция горения глюкозы записывается как:

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 ——> 6 CO 2 + 6 H 2 O + энергия

Большинство людей потребляют около половины своего рациона в виде углеводов. Это происходит из таких продуктов, как рис, пшеница, хлеб, картофель и макаронные изделия.

Белки в обмене веществ

Белки являются основными строителями тканей в организме. Они являются частью каждой клетки тела. Белки помогают в структуре клеток, функциях, формировании гемоглобина для переноса кислорода, ферментах для выполнения жизненно важных реакций и множестве других функций в организме. Белки также жизненно важны для снабжения азотом генетического материала ДНК и РНК и производства энергии.

Белки необходимы для питания, поскольку содержат аминокислоты. Из 20 или более аминокислот человеческий организм не может синтезировать 8, и они называются незаменимыми аминокислотами.

Незаменимые аминокислоты включают:

  • Лизин
  • Триптофан
  • метионин
  • Лейцин
  • Изолейцин
  • Фенилаланин
  • Валин
  • Треонин

Продукты с высоким содержанием белка: яйца, молоко, соевые бобы, мясо, овощи и зерновые.

Жир в обмене веществ

Жиры — это концентрированные источники энергии. Они производят в два раза больше энергии, чем углеводы или белки, в пересчете на вес.

Функции жиров включают:

  • Помогает формировать клеточную структуру;
  • Образует защитную подушку и изоляцию вокруг жизненно важных органов;
  • Способствует усвоению жирорастворимых витаминов,
  • Обеспечение резервного хранилища энергии

Незаменимые жирные кислоты включают ненасыщенные жирные кислоты, такие как линолевая, линоленовая и арахидоновая кислоты. Их нужно принимать с пищей. Насыщенные жиры, наряду с холестерином, участвуют в артериосклерозе и сердечных заболеваниях.

Минералы и витамины в обмене веществ

Минералы, содержащиеся в пищевых продуктах, не вносят прямого вклада в энергетические потребности, но важны как регуляторы организма и играют роль в метаболических путях организма. В организме человека содержится более 50 элементов. Было обнаружено, что незаменимыми являются около 25 элементов, а это означает, что их дефицит вызывает определенные симптомы дефицита.

Важные минералы включают:

  • Кальций
  • фосфор
  • Утюг
  • Натрий
  • Калий
  • Хлорид-ионы
  • Медь
  • Кобальт
  • Марганец
  • Цинк
  • Магний
  • Фтор
  • Йод

Витамины — это незаменимые органические соединения, которые человеческий организм не может синтезировать сам по себе, и поэтому они должны присутствовать в рационе.Витамины, особенно важные для обмена веществ, включают:

  • Витамин А
  • B2 (рибофлавин)
  • Ниацин или никотиновая кислота
  • Пантотеновая кислота

Кредит изображения: Siberian Art / Shutterstock.com

Метаболические пути

Химические реакции метаболизма организованы в метаболические пути. Они позволяют преобразовать основные химические вещества из пищи с помощью последовательности ферментов через ряд этапов в другое химическое вещество.

Ферменты имеют решающее значение для метаболизма, потому что они позволяют организмам запускать желательные реакции, требующие энергии. Эти реакции также связаны с реакциями, высвобождающими энергию. Поскольку ферменты действуют как катализаторы, они позволяют этим реакциям протекать быстро и эффективно. Ферменты также позволяют регулировать метаболические пути в ответ на изменения в клеточной среде или сигналы от других клеток.

Список литературы

Дополнительная литература

АТФ и АДФ

АТФ и АДФ

Зачем организму еда

Ваш метаболизм — это совокупность химических реакций, которые происходят в ваших клетках для поддержания жизни.Некоторые из этих реакций используют накопленную энергию для создания вещей, что мы называем анаболизмом, в то время как другие реакции разрушают вещи, высвобождая энергию, которая может быть сохранена для будущего использования, и это называется катаболизмом. Представьте, что гамбургер из белков, жиров и углеводов, который вы едите на ужин, представляет собой набор кубиков лего разных цветов и форм. Чтобы организовать эти блоки в эту сложную структуру, потребовалось много энергии, а разрушение блоков высвобождает эту энергию и освобождает блоки, чтобы их можно было снова собрать в новые вещи.Ваше тело делает именно это, когда вы едите пищу. Вот краткая видеолекция, в которой резюмируется эта концепция.

Живые существа разделяют три основные категории продуктов питания (белки, жиры и углеводы) на составные части, отдельные блоки лего, по двум причинам. 1) После того, как пищевые атомы и группы атомов (молекул) расщеплены, они могут быть снова преобразованы в определенные виды вещей, которые нужны организму, такие как кости, мышцы, кожа, волосы, перья, мех, кора, листья и т. Д. и т.п.2) Разрушение молекул пищи высвобождает энергию, которая удерживала их вместе, и эта высвободившаяся энергия временно сохраняется в клетке для процесса восстановления. Для каждого из этих типов пищи требуется свой процесс расщепления, и мы рассмотрим их позже, но цель одна — взять энергию, которая удерживает эти молекулы пищи вместе, и высвободить ее, чтобы ее можно было хранить в форме, которая Ячейку можно использовать позже, чтобы построить то, что ей нужно. У клетки есть особый вид молекулы для хранения этой энергии, и она называется АТФ.

http://en.wikipedia.org/wiki/Adenosine_triphosphate

АТФ (аденозинтрифосфат) — важная молекула, обнаруженная во всех живых существах. Думайте об этом как о «энергетической валюте» клетки. Если клетке необходимо тратить энергию для выполнения задачи, молекула АТФ отщепляет один из трех своих фосфатов, превращаясь в АДФ (аденозиндифосфат) + фосфат. Энергия, удерживающая эту молекулу фосфата, теперь высвобождается и доступна для работы в клетке. Когда клетка имеет дополнительную энергию (полученную от расщепления потребленной пищи или, в случае растений, полученной посредством фотосинтеза), она накапливает эту энергию, повторно присоединяя свободную молекулу фосфата к АДФ, превращая ее обратно в АТФ.Молекула АТФ подобна перезаряжаемой батарее. Когда он полностью заряжен, это АТФ. Когда он исчерпал себя, это АДФ. Однако аккумулятор не выбрасывается, когда он разряжен — он просто снова заряжается.

http://en.wikipedia.org/wiki/Adenosine_diphosphate

ATP ß à ADP + P + энергия

Вот как это выглядит химически. Каждый фосфат — это PO 4 (кислород имеет заряд -2, а их 4, всего -8, а P имеет заряд +5, поэтому чистый заряд фосфатной группы составляет -3. .Если свободные атомы H, которые равны +1, добавляются к атомам O, которые не связаны с двумя вещами, то чистый заряд равен нулю.)

ß

АТФ АДФ

Бывают случаи, когда клетке требуется еще больше энергии, и она отщепляет другой фосфат, поэтому она переходит от АДФ, аденозиддифосфата, к АМФ, аденозинмонофосфата.

АТФ ß à ADP + P + энергия ß à AMP + P + энергия

ß

ADP AMP

В клетке есть и другие молекулы-аккумуляторы энергии, такие как НАД и ФАД, но система АТФ является наиболее распространенной и наиболее важной.Думайте о других как о разных марках перезаряжаемых батарей, которые выполняют одну и ту же работу. Далее мы исследуем некоторые пути, которые организм использует для расщепления продуктов разных типов.

А кислород? Зачем нам это нужно? Что будет, если над свечой поставить стакан? Вы морите огонь кислородом, и пламя гаснет. Если метаболическая реакция носит аэробный характер, ей требуется кислород. Купить почему? Вот аналогия. Подумайте о разжигании костра. Что вам нужно? Вам нужно топливо (дрова), вам нужно тепло (труднее разжечь огонь, когда холодно), и вам нужен кислород (потому что другое слово для обозначения горения — «окисление», и, как вы могли догадаться, это может произойти только в наличие кислорода).Окисление чего-либо приводит к потере электронов, что означает, что энергия (электроны) высвобождается, когда вы окисляете или сжигаете топливо. Ваша еда — это ваше топливо. Вы сжигаете топливо для получения энергии. Кислород нужен для сжигания топлива. Это происходит в митохондриях.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *