//

Энергетика питания и как эта энергия используется

Мы знаем, что вечного двигателя быть не может. Любой двигатель потребляет энергию. Часто это энергия, скрытая в химических веществах и освобождающаяся при их сгорании. Ну, например, в двигателе внутреннего сгорания используется бензин, то есть смесь углеводородов, в дизельном двигателе горит керосин, соляровое масло — это тоже смесь углеводородов, но содержащих большее число атомов углерода. Наисовременнейшие электрические двигатели используют энергию, получаемую с электростанций. А там эта электроэнергия вырабатывается сожжением органического топлива: угля, природного газа. От электростанций в наши дома тянутся трубы теплосети. Итак, энергия, получаемая сожжением, окислением органических продуктов, и передвигает нас в пространстве и согревает нас.

Вот мы сейчас сказали фразу, которая имеет двоякий смысл. Дело в том, что сжигать, окислять органические вещества приходится не только для того, чтобы мчаться в автомобиле или греться у батареи. Это необходимо и для того, чтобы подняться по лестнице, для того, чтобы билось наше сердце, чтобы температура нашего тела не опускалась ниже 36°.

Оказывается, человеческий организм — это своеобразный «двигатель внутреннего сгорания», преобразующий химическую энергию веществ в движение и тепло. Что же при этом служит топливом?

Пища, которую мы принимаем,— это белки, углеводы, жиры, витамины, соли, вода. Все эти компоненты жизненно важны, необходимы, у каждого своя функция в организме. Но горючее для животных и человека — это главным образом углеводы.

В молекуле каждого углевода атомов водорода вдвое больше, чем атомов кислорода — как в молекуле воды; есть в ней и атомы углерода. Отсюда и название «углеводы».

Молекула глюкозы содержит пять гидроксильных групп ОН (их присутствие характерно для молекул спиртов) и группу СНО (что отличает молекулы альдегидов). Говорят, что глюкоза — это одновременно и спирт и альдегид.

Глюкоза — весьма распространенное в природе соединение. Но очень часто она встречается не в свободном, а в связанном состоянии.

Молекула обычного сахара (его называют еще сахарозой) состоит из двух половинок — глюкозы и фруктозы. Но сцеплены они так, что альдегидная группа глюкозы не способна восстанавливать гидрат окиси меди. Однако гидроксильные группы легко обнаруживают себя (проведите соответствующую реакцию). Сахар легко распадается на составные части — глюкозу и фруктозу — при кипячении с кислотой.

Глюкоза может образовывать и длинные полимерные цепи. В зависимости от способа соединения получается либо крахмал, либо клетчатка. Клетчатка — это, попросту говоря, вата. Древесина состоит из клетчатки и лигнина.

Пища — это топливо, источник энергии. Как же это топливо сгорает, как эта энергия используется?

Вот мы за завтраком положили в рот кусочки хлеба и вареного картофеля. В хлебе содержится около 50 процентов крахмала, в картофеле его примерно 20 процентов. Мы съели рис или рисовую кашу. В рисе 80 процентов крахмала, а оболочка рисовых зерен содержит клетчатку. В завершение мы выпили стакан чая с сахаром. Итак, позавтракав, мы заправили организм топливом.

Говоря точнее, это еще не топливо, а сырье для него, нуждающееся в переработке (по аналогии можно заметить, что никто не использует в качестве горючего сырую нефть: ее предварительно разгоняют на фракции). Такая переработка происходит во рту. На крахмал, клетчатку, сахар действуют специальные органические катализаторы — ферменты. Они расщепляют сложные сахариды на глюкозные звенья. То, для чего кислоте требуется кипячение и много времени, ферменты делают при обычной температуре за считанные секунды. Каждая молекула крахмала или клетчатки распадается на тысячи молекул глюкозы. Расщепление полимеров завершается в желудке под действием кислого сока. Через стенки кишок глюкоза всасывается в кровь и разносится ею по всему организму.

Кровь выполняет функции переносчика топлива. Ее можно сравнить с газо- или нефтепроводом, с линией электропередачи. Благодаря крови каждая клетка регулярно получает свою порцию пищи—глюкозы. Но клетки расходуют глюкозу неравномерно: во время тяжелой работы топлива требуется больше, чем во время отдыха. Если в крови находится глюкозы больше, чем это требуется в данный момент клеткам, избыток сахара поступает с кровью в печень, где он снова полимеризуется в длинные молекулы животного крахмала гликогена.

Но вот молекула глюкозы проникла в клетку. Что с ней происходит? Превращения эти сложны, длительны, но сейчас они в общих чертах понятны ученым. В этих превращениях участвуют специальные ферменты и аккумулятор энергии — аденозин-трифосфат. Аденозинтрифосфат (сокращенно АТФ) — это довольно сложное соединение, которое может переходить в аденозиндифосфат (АДФ), отдавая энергию. Таким образом, в клетке происходят процессы двух типов: АТФ→АДФ (аккумулятор разряжается), АДФ→АТФ (аккумулятор заряжается).

Первым делом новоприбывшая в клетку молекула глюкозы реагирует с особым ферментом глюкокиназой и молекулой АТФ. Последняя при этом разряжается энергией, переходит в молекулу АДФ. Это необходимо: для того, чтобы извлечь из глюкозы заключенную в ней химическую энергию, сначала нужно подвести к ней энергию извне. Вспомните: прежде чем мы будем получать тепло от весело горящего костра, нужно затратить энергию зажженной спички, а то и полить сырые дрова керосином. Вот роль такой спички и выполняет на первых порах молекула АТФ.

Дальше начинаются сложные превращения глюкозы, реакции ее с различными веществами, расщепление на мелкие кусочки. В результате этих процессов молекулы АДФ превращаются в молекулы АТФ, то есть происходит зарядка аккумуляторов, клетка получает энергию. Промежуточное вещество таких превращений глюкозы — пировиноградная кислота СН₃СОСООН. Это соединение вовлекается в водоворот новых реакций и, реагируя с кислородом (который из воздуха доставляется в клетку той же кровью, точнее гемоглобином), превращается последовательно в лимонную, щавелево-янтарную, янтарную, яблочную кислоты и, наконец, в углекислый газ и воду, которые выносятся из клетки кровью. Вот в этом и заключен смысл дыхания: к клетке подводится вдыхаемый кислород, который окисляет глюкозу в углекислый газ и воду, выбрасываемые затем организмом. Вот почему мы вдыхаем кислород, а выдыхаем углекислый газ. Весь этот процесс включает 22 последовательные химические реакции и требует участия двух десятков различных ферментов.

Что же клетка получает в результате всех этих сложнейших манипуляций с химическими веществами? «Сгорание» одной молекулы глюкозы позволяет «подзарядить» 38 молекул АДФ, переводя их в АТФ. А это значит, что на одну грамм-молекулу (180 г) глюкозы выделяется 300 ккал энергии, которая запасается в клетках. Это очень много! КПД клетки равен 15 процентам (у паровой машины он не больше 20 процентов). Так что клетка работает весьма экономно.

Куда идет вся эта энергия? В первую очередь на поддержание нужной температуры организма (для человека — 36,6°). Это необходимо потому, что многие процессы в клетке не могут происходить при пониженной температуре. Энергия расходуется на протекание всех этих процессов: деление, размножение клеток, синтез белка и других веществ. Любая из таких химических реакций требует участия молекул АТФ, богатых энергией. Наконец, энергия потребляется при движении организма.

Углеводы не единственные соединения, обеспечивающие организм энергией. Второй вид «топлива» для живых существ — жиры. Они могут откладываться в тканях, выполняя те же функции, что и гликоген,— это как бы «бензобаки», хранилища топлива.

Жиры состоят из глицеридов органических кислот. Кислоты жидких растительных жиров именуются ненасыщенными — название говорит, что они содержат двойные связи между атомами углерода, входящими в их состав.

Присутствие двойной связи в веществе можно доказать при помощи реакции, открытой русским химиком Е.Е. Вагнером,— получением гликоля под действием марганцовокислого калия.

Еще одна составная часть пищи — белки. Они используются в основном для построения тела организма, для создания входящих в его состав белковых веществ. Но если организму не хватает энергии, он начинает сжигать аминокислоты белков. Это можно сравнить с тем случаем, когда в печке жгут ценные породы дерева. Конечно, топить можно и ореховым деревом и буком, но все-таки рациональнее делать из них красивую и прочную мебель.

Рейтинг: / 0
неактуальноактуально