Основные энерготраты клеток и организмов

В клетках полученная энергия трансформируется, аккумулируется и используется для выполнения различных видов работы:

  • • механической (движение клеток и внутриклеточных частиц);
  • • химической (синтез новых низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений);
  • • осмотической (перенос молекул через мембраны, создающий градиенты их концентраций);
  • • электрохимической (перенос ионов против градиента концентрации и градиента электрического потенциала; при этом генерируются биопотенциалы);
  • • электрической (создание разности электрических потенциалов);
  • • оптической (высвечивание фотонов — биолюминесценция).

Энерготраты организма зависят от множества факторов: мышечной работы, приема пищи, эмоционального напряжения, необходимости в терморегуляции, реакций на изменение окружающей среды и т. д. Для того чтобы оценить минимальные собственные энергетические траты организма, исключая влияние внешних факторов, физиологи вводят понятие «основной обмен». Это энерготраты, измеренные в 5-6 часов утра, когда в соответствии с суточным ритмом интенсивность метаболизма наиболее низкая, в состоянии бодрствования, натощак. Человек при этом лежит в постели. Из его рациона за два дня до этого исключается белковая пища. При этом в помещении поддерживается температура 20-22 °C и относительная влажность 50-60 %. Классический метод определения энерготрат организма — прямая калориметрия. Но калориметр для таких крупных объектов, как человек, — весьма сложная и объемная установка. Чаще пользуются непрямым методом, основанном на линейной зависимости энерготрат организма от объема потребленного кислорода.

Основной обмен здорового мужчины средних лет — порядка 1,0-1,2 ккал/кг-час. При массе тела 70 кг это 1800 ккал в сутки, что соответствует мощности 90 Вт. У женщин основной обмен на 7-10 % ниже. С возрастом основной обмен понижается. При физической нагрузке энерготраты увеличиваются и могут в 15 раз превышать величину основного обмена, измеренного в состоянии покоя.

Из 1800 ккал/сут. основного обмена примерно половина (900 ккал/сут.) превращается в тепловую энергию и отдается организмом во внешнюю среду путем излучения, испарения жидкости, теплопроводности и конвекции. Остальная половина идет на выполнение полезной работы по синтезу биомолекул (—415 ккал/сут.), транспорту веществ через мембраны (~215 ккал/сут.) и мышечному сокращению (~270 ккал/сут.).

Из этих процессов отметим большую энергоемкость биосинтетических процессов (~23 % от основного обмена). Так, энергетические траты по синтезу разных белков оцениваются в пределах 3000-50 000 ккал/моль. Например, для синтеза одной белковой молекулы с молекулярной массой 40 кДа необходимо порядка 103 молекул АТР, а для синтеза молекулы ДНК — 108 молекул АТР. Клеточные белки интенсивно обновляются. Так, у человека массой 70 кг за сутки обновляется примерно 2,5 кг белков, в том числе обновление белков стромы клеток составляет 1 %, а ферментов — 10 % в час. Поэтому суммарные энерготраты на биосинтез белков значительно превышают расходы на синтез других веществ. Единственное исключение — АТР: за сутки организм взрослого человека синтезирует количество АТР, примерно равное массе его тела.

Значительная энергия (~12 % от основного обмена) тратится клетками на транспорт веществ: ионов, низкомолекулярных метаболитов и макромолекул в клетку и из клетки, между цитозолем и органеллами или между разными участками внутри клетки. За счет этих процессов генерируются биопотенциалы и создаются концентрационные градиенты, являющиеся движущей силой многих процессов переноса.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >