Источники энергии для организмов. Источник энергии для нашего организма

Обмен веществ и энергии - это взаимосвязанные процессы, разделение которых связано только с удобством изучения. Ни один из этих процессов в отдельности не существует. При окислении энергия химических связей, содержащаяся в питательных веществах, освобождается и употребляется организмом. За счет перехода одних видов энергии в другие и поддерживаются все жизненные функции организма. Наряду с этим общее число энергии не изменяется. Соотношение между числом энергии, поступающей с пищей, и величиной энергетических затрат называется энергетическим балансом.

Сказанное возможно проиллюстрировать на примере деятельности сердца. Сердце делает огромную работу. Любой час оно выбрасывает в аорту около 300 л крови. Эта работа совершается за счет сокращения сердечной мускулы, в которой наряду с этим протекают интенсивные окислительные процессы. Благодаря освобождающейся энергии обеспечивается механическое сокращение мышц, и в конечном итоге вся энергия переходит в тепловую, которая рассеивается в организме и отдается им в окружающее пространство. Аналогичные процессы идут в каждом органе человеческого тела. И в каждом случае в конечном счете химическая, электрическая, механическая и другие виды энергии трансформируются в тепловую и рассеиваются во окружающую среду. Количество энергии, расходуемое на исполнение физической работы, определяют как коэффициент нужного действия (кпд). Его средняя величина - 20-25%, у спортсменов КПД выше. Установлено, что 1 г белка при окислении выделяет 4,1 ккал, 1 г жира - 9,3, air углеводов - 4,1 ккал. Зная содержание белков, жиров и углеводов в пищевых продуктах (табл. 1), возможно установить их калорийность, либо энергетическую цена.

Мышечная деятельность, деятельный двигательный режим, физические упражнения и спорт связаны со большим расходом энергии. В некоторых случаях он может быть около 5 000 какое количество, а в дни интенсивных и объемных тренировок у спортсменов и того более. Такое повышение энергозатрат нужно учитывать при составлении пищевого рациона. В то время, когда в пище присутствует много белка, существенно удлиняется процесс ее переваривания (от двух до четырех часов). За один раз целесообразно принимать до 70 г белка, поскольку излишки его начинают преобразовываться в жир. А представители некоторых видов спорта (к примеру, гимнасты, бодибилдеры и др.) всячески избегают накопления лишнего жира и предпочитают энергию получать из растительной пищи (к примеру, фруктовая пища связана с образованием стремительных углеводов).

Питательные вещества возможно замещать, учитывая их калоричес-кую ценность. Вправду, с энергетической точки зрения 1 г углевода эквивалентен (изодинамичен) 1 г белка, поскольку у них однообразный калорический коэффициент (4,1 ккал), а 1 г белка либо углевода эквивалентен 0,44 г жира (калорический коэффициент жира 9,3 ккал). Из этого следует, что человек, дневный расход энергии которого 3 000 ккал, может всецело удовлетворить энергетические потребности организма, потребляя в день 732 г углеводов. Но для организма ответственна не только неспециализированная калорийность пищи. В случае если человек достаточно долго потребляет лишь жиры либо белки, либо углеводы, в его организме появляются глубокие трансформации в обмене веществ. Наряду с этим нарушаются пластические процессы в протоплазме клеток, отмечается сдвиг азотистого равновесия, образуются и накапливаются токсические продукты.

Таблица 1. Состав наиболее серьёзных пищевых продуктов (в % сырого вещества)

Говядина средняя жирная

Желток куриного яйца

Белок куриного яйца

Для обычной жизнедеятельности организм должен получать оптимальное количество полноценных белков, жиров, углеводов, минеральных солей и витаминов, каковые находятся в разных пищевых продуктах. Уровень качества пищевых продуктов определяется их физиологической ценностью. Наиболее полезными пищевыми продуктами являются молоко, масло, творог, яйца, мясо, рыба, зерновые, фрукты, овощи, сахар.

Люди различных профессий затрачивают при своей деятельности различное количество энергии. К примеру, занимающийся интеллектуальным трудом в сутки тратит менее 3000 громадных калорий. Человек, занимающийся тяжелым физическим трудом, за сутки затрачивает в 2 раза больше энергии (табл. 2).

Энергетический расход (ккал/сут) для лиц разных категорий труда

Тяжелый физический Механизированный Умственный

Бессчётные изучения продемонстрировали, что мужчине среднего возраста, занимающемуся и умственным, и физическим трудом в течение 8-10 ч, нужно потреблять в сутки 118 г белков, 56 г жиров, 500 г углеводов. В пересчете это образовывает около 3 000 ккал. Для детей, людей пожилого возраста, для лиц занимающихся тяжелым физическим трудом, требуются личные, научно обоснованные нормы питания. Пищевой рацион составляется с учетом пола, возраста человека и характера его деятельности. Громадное значение имеет режим питания. В зависимости от возраста, рода работы и других параметров устанавливается 3-6-разовое питание в день с определенным процентным содержанием пищи на любой прием.

Так, дабы сохранять энергетический баланс, поддерживать обычную массу тела, снабжать высокую работоспособность и профилактику разного рода патологических явлений в организме, нужно при полноценном питании расширить расход энергии за счет увеличения двигательной активности, что значительно стимулирует обменные процессы.

Наиболее значимая физиологическая константа организма - то предельное число энергии, которое человек расходует в состоянии полного спокойствия. Эта константа называется основным обменом. Нервная система, сердце, дыхательная мускулатура, почки, печень и другие органы непрерывно функционируют и потребляют определенное количество энергии. Сумма этих затрат энергии и образовывает величину основного обмена.

Основной обмен человека определяют при соблюдении следующих условий: при полном физическом и психическом покое; в положении лежа; в утренние часы; натощак, т.е. через 14ч по окончании последнего приема пищи; при температуре комфорта (20°С). Нарушение любого из этих условий ведет к отклонению обмена веществ в сторону увеличения. За 1 ч минимальные энергетические затраты организма взрослого человека составляют в среднем 1 ккал на 1 кг массы тела.

Основной обмен есть личной константой и зависит от пола, возраста, массы и роста человека. У здорового человека он может держаться на постоянном уровне в течение ряда лет. В детском возрасте величина основного обмена существенно выше, чем в пожилом. Деятельное состояние приводит к заметной интенсификации обмена веществ. Обмен веществ при этих условиях называется рабочим обменом. В случае если основной обмен взрослого человека равен 1700- 1800 ккал, то рабочий обмен в 2-3 раза выше. Так, основной обмен есть исходным фоновым уровнем потребления энергии. Резкое изменение основного обмена возможно серьёзным диагностическим показателем переутомления, перенапряжения и недовосстановления либо заболевания.

Конспект по экологии

Главнейшим источником энергии, определяющим тепловой баланс и термический режим биосферы Земли, является лучистая энергия Солнца.

Солнце освещает и обогревает Землю, поставляя энергию, которую зеленые растения используют для синтеза соединений, обеспечивающих их жизнедеятельность и потребляемых в пищу практически всеми остальными организмами. Кроме того, солнечная энергия поддерживает круговорот важнейших химических веществ и является движущей силой климатических и метеорологических систем, перераспределяющих тепло и влагу на земной поверхности.

Энергия Солнца излучается в космос в виде спектра ультрафиолетового, видимого светового и инфракрасного излучения и других форм лучистой или электромагнитной энергии.

Поверхности Земли достигают в основном ближнее ультрафиолетовое излучение, видимый свет и ближнее инфракрасное излучение. Около 34% лучистой энергии Солнца, достигшей поверхности Земли, сразу же отражается назад в космос облаками, пылью и другими веществами, находящимися в атмосфере, а также собственно поверхностью Земли. Подавляющая часть из остающихся 66% идет на нагревание атмосферы и суши, испарение и круговорот воды, преобразуется в энергию ветров. И лишь незначительная доля этой энергии (0,5%) улавливается зелеными растениями и используется в процессе фотосинтеза для образования органических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности организмов.

Основная доля вредного ионизирующего излучения Солнца. Особенно ультрафиолетовой радиации, поглощается молекулами озона (О3) в верхней части атмосферы (стратосфере) и водяным паром в нижней части атмосферы. Без этого экранирующего эффекта большинство современных форм жизни на Земле не могло бы существовать.

Таким образом, все живое на Земле существует за счёт незагрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

Растения используют всего лишь 0,5 % солнечного света, достигающего Земли. Даже если бы люди существовали исключительно за счет солнечной энергии, они бы использовали еще меньшую часть ее. Таким образом, поступающей на Землю солнечной энергии вполне достаточно для удовлетворения любых мыслимых потребностей человечества. Поскольку вся солнечная энергия в конечном счете превращается в тепло, увеличение ее использования для хозяйственных нужд не должно повлиять на динамику биосферы. Солнечная энергия – абсолютно чистая энергия, имеющаяся в неисчерпаемом объеме и по неизменной цене (бесплатно). На ее поступление не влияют политическое эмбарго и экономические трудности. В то же время, она слишком рассеяна: чтобы она служила человечеству, ее надо сконцентрировать, и это препятствие вполне преодолимо.

Говоря об энергии, следует иметь в виду, что энергия – это способность производить работу или теплообмен между двумя объектами, обладающими разной температурой. Энергия различается по качеству или способности совершать полезную работу. Качество энергии – это мера ее эффективности. Энергия высокого качества характеризуется большой степенью упорядоченности, или концентрации, а значит, высокой способностью производить полезную работу. В качестве примеров носителей таких форм энергии можно привести электричество, каменный уголь, бензин, концентрированную солнечную энергию, а также высокотемпературное тепло и др. Энергии низкого качества свойственны неупорядоченность и малая способность производить полезную работу. Пример носителя такой энергии – низкотемпературное тепло в воздухе вокруг нас, в реке, озере, океане. Например, общее количество тепла в Атлантическом океане значительно превышает количество энергии высокого качества в нефтяных скважинах Саудовской Аравии. Но тепло настолько рассеяно в океане, что мы не в состоянии его использовать.

Говоря об энергии, следует напомнить о двух законах природы, которым энергия подчиняется.

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии): энергия не возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной форму в другую. Закон подразумевает, что в результате превращений энергии никогда нельзя получить её больше, чем затрачено: выход энергии всегда равен её затратам; нельзя из ничего получить нечто, за все нужно платить.

Второй закон термодинамики: при любых превращениях энергии часть её теряется в виде тепла. Это низкотемпературное тепло обычно рассеивается в окружающей среде и неспособно выполнять полезную работу.

При сгорании бензина высококачественной химической энергии в двигателе автомобиля в механическую и электрическую энергию превращается около 1%, остальные 99% в виде бесполезного тепла рассеиваются в окружающей среде и, в конечном счете, теряются в космическом пространстве. В лампе накаливания 5% электрической энергии превращается в полезное световое излучение, а 95% в виде тепла рассеивается в окружающей среде. Согласно первому закону термодинамики, энергия никогда не истощится, поскольку она не может ни возникать, ни исчезать. Но согласно второму закону термодинамики, общее количество концентрированной высококачественной энергии, которую мы можем получить из всех источников, постоянно сокращается, превращаясь в низкокачественную энергию. Мы не только не можем получить нечто из ничего, мы не в состоянии нарушить выравнивание качества энергии.

Большая часть неотражённой земной поверхностью солнечной радиации, в соответствии со вторым законом термодинамики, преобразуется в низкотемпературную тепловую энергию (излучение «дальнего» ИК диапазона) и излучается обратно в космическое пространство; количество энергии, возвращающейся в космос в виде тепла, зависит от наличия в атмосфере молекул воды, диоксида углерода, метана, оксида азота, озона и некоторых форм твердых частиц. Эти вещества, действуя наподобие избирательного фильтра, позволяют некоторым высококачественным формам лучистой энергии Солнца пройти сквозь атмосферу к земной поверхности и в то же время задерживают и поглощают (и повторно излучают назад) часть возникающего потока низкокачественного теплового излучения Земли.

Одной из важнейших характеристик состояния термодинамической системы является энтропия (превращение – <греч.>) - отношение количества теплоты, введённого в систему или отведённого от неё, к термодинамической температуре: dS = dQ/T . Можно утверждать, что энтропия характеризует количество энергии в системе, недоступной для совершения работы, т. е. недоступной для использования. Система обладает низкой энтропией, если в ней происходит непрерывное рассеяние упорядоченной энергии и превращение её в другой, менее упорядоченный вид, например, превращение энергии света или пищи в тепловую энергию. Поэтому часто энтропию определяют как меру неупорядоченности системы. Важнейшей особенностью организмов является их способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. состояние с низкой энтропией.

Любое нагретое тело, в том числе и живое, будет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой окружающей среды. В конечном счёте энергия любого тела может быть рассеяна в тепловой форме, после чего наступает состояние термодинамического равновесия, и любые энергетические процессы становятся невозможными, т. е. система приходит в состояние максимальной энтропии или минимальной упорядоченности.

Для того чтобы энтропия организма не возрастала в результате непрерывного рассеяния энергии путём её превращения из форм с высокой степенью упорядоченности (например, химической энергии пищи) в тепловую форму с минимальной степенью упорядоченности, организм должен непрерывно накапливать упорядоченную энергию извне, т. е. как бы извлекать извне "упорядоченность" или отрицательную энтропию.

Живые организмы извлекают отрицательную энтропию из пищи, используя упорядоченность ее химической энергии. Для того чтобы экологические системы и биосфера в целом имели возможность извлекать из окружающей среды отрицательную энтропию, необходима энергетическая дотация, которая в действительности и получается в виде даровой солнечной энергии. Растения в процессе автотрофного питания – фотосинтеза создают органическое вещество с повышенным уровнем упорядоченности его химических связей, что и обусловливает уменьшение энтропии. Травоядные животные поедают растения, которых, в свою очередь, поедают хищники и т. д.

Углеводы – универсальный источник энергии для всех живых существ. Они являются главными в энергетическом обмене веществ человека. Только при распаде 1 молекулы получается столько энергии, сколько не получается при расщеплении жира. Универсальным источником он считается потому, что не имеет противопоказаний и обязательно должен употребляться человеком ежедневно.

Немного химии

Любая молекула углевода состоит из атомов С, Н и О. Самым массовым является водород, так как он считается самым простым элементом из всех существующих. На втором месте по количеству располагается углерод, а на третьем – кислород. Именно углерод является базовым элементом и именно он образует цепи, которые бывают разветвленные и неразветвленные. Чем сложнее устроена молекула, тем больше энергии она дает (кроме неусваиваемых углеводов).

Все углеводы, которые потребляет человек, делятся на просты и сложные. Разделение главным образом происходит по морфологическим различиям. Однако при изменении морфологии происходит и изменение вкуса и биохимических свойств. Чем более простое строение, тем более сладкий вкус и легкая усваиваемость. Самые сложные углеводы и клетчатка вообще не подвергаются разложению и выводятся в неизменном виде из организма человека.

Простые углеводы

Также их называют сахарами из-за их сладкого вкуса. Они представляют собой неразветвленные цепи с разным количеством атомов углерода. Простые углеводы являются быстрыми источниками энергии. Из-за своей простой структуры они не нуждаются в дополнительном расщеплении и поэтому сразу поступают в кровь. Уже спустя 10 минут простые углеводы значительно повышают концентрацию глюкозы в крови.

Глюкоза

Другое название – виноградный сахар. Содержится во фруктах. Также в значительных количествах в ягодах и меде. Не имеет противопоказаний. Однако, при сахарном диабете стоит заменить на сахарозу.

Фруктоза

Также можно называть фруктовым сахаром. Исходя из названия, можно догадаться, что содержится во фруктах.

Галактоза

Является единственным простым сахаром животного происхождения. Галактоза является частью молочного сахара (лактозы).

Дисахариды

Именно дисахариды считаются основными источниками энергии для организма человека. Их особенностью строения является то, что они состоят из двух простых сахаров. Несмотря на то что они состоят из простых углеводов, они не такие сладкие. Наименее сладким является лактоза. Однако, из сахарозы производится сахар, который мы привыкли добавлять в чай. С точки зрения энергетического обмена, дисахариды содержат большее количество энергии. Но их расщепление требует времени, поэтому только спустя 30-60 минут можно отметить явное повышение концентрации глюкозы в крови.

Сахароза

Или другое название – тростниковый сахар. В своем составе имеет глюкозу и фруктозу.

Мальтоза

Солодковый сахар, или мальтоза, является главным компонентом таких веществ, как крахмал и гликоген.

Лактоза

Молочный сахар является главным компонентом молока млекопитающих животных. В первые дни жизни лактоза является основным источником энергии для человека. Существует лактозная недостаточность, при которой употребление молочного сахара вызывает неприятные диспепсические расстройства у человека. Исключение лактозы из рациона не приведет к тяжелым последствиям, однако, стоит компенсировать недостаток другими углеводами.

Полисахариды

Все сложные углеводы можно разделить на те, которые усваиваются, и которые не усваиваются и не являются источником энергии, но выполняют не менее важные функции в процессах пищеварения.

В качестве усваиваемых углеводов можно выделить крахмал и гликоген. Все они являются высокомолекулярными соединениями. Количество их мономеров может доходить до сотен и даже тысяч. Такая сложная морфология и обуславливает длительное переваривание. Полисахариды можно разделить на гомополисахариды и гетерополисахариды. Различие в том, что у одних мономером является одно вещество, а у других – разные.

Крахмал

В основном содержится в растениях во всех его частях (луковицы, клубень, семена). Относиться к резервным полисахаридам.

Гликоген

Является основным и главным источником энергии в организме человека. При необходимости гликоген превращается в глюкозу для восполнения недостатка.

Неусваиваемые углеводы

К неусваиваемым углеводам можно отнести клетчатку и пектиновые вещества. Они являются полисахаридами, но из-за своего сложно строения не могут подвергаться расщеплению пищеварительными ферментами. Их роль в энергетическом обмене невелика. При распаде этого вида углеводов выделяется совсем незначительное количество энергии, которое даже не учитывается.

Они не расщепляются ферментами желудка и кишечника и практически в неизменном виде выводятся из организма через ЖКТ. Неусваиваемые углеводы могут задерживать воду в организме, влияют на перистальтику кишечника и способствуют образованию желчи для лучшего пищеварения.

Углеводы в пище и организме

Основной функцией углеводов является поддержание энергии организма на необходимом уровне, при котором человек сможет выполнять активную физическую и умственную деятельность и при этом не чувствовать усталости.

Углеводы должны составлять 60-70% нашего рациона. Именно за счет них калорийность пищи достигает необходимых значений. В среднем, человек должен потреблять 1500 ккал, то есть около 1100 должно приходиться на углеводы. Стоит отдать предпочтение кашам, хлебобулочным изделиям из муки грубого помола, овощам.

Потребление углеводов должно быть индивидуальным и зависеть физических данных и активности в течение всего дня. В среднем, для здорового человека нормой является 350-500 гр. Однако, если много энергии траться на умственную или физическую нагрузку, то количество должно быть увеличено.

В молодом возрасте стоит увеличить потребление углеводов, так как они необходимы для построения организма. В пожилом возрасте, наоборот, стоит уменьшить количество, так как энергии тратится немного, а излишки будут откладываться в жир. Это в итоге приведет к ожирению и сахарному диабету.

Большая часть энергии углеводов поступает к нам из зерновых культур. На втором месте – сахар, а на третьем – овощи и фрукты. Стоит отдать предпочтение овощам и зерновым культурам.

Продукты растительного происхождения содержат как простые углеводы, так и сложные. Их соотношение влияет на сладкий вкус фрукта. При снижении количества крахмала, полисахарида, вкус становится более сладким, так как преобладают простые сахара.

Всасывание в кровь

Все продукты, содержащие углеводы всасываются в кровь с разной скоростью. Это связано с их морфологическим строением – чем более разветвленные цепи и больше углеродных остатков, тем дольше происходит переваривание.

Самыми быстрыми источниками энергии являются простые углеводы. У них нет необходимости подвергаться расщеплению пищеварительными ферментами, поэтому они начинают всасываться уже в ротовой полости. Эта особенность важна для людей больных сахарным диабетом, так как для восстановления концентрации глюкозы у них немного времени. Также быстрые углеводы полезно употреблять перед экзаменами, важными встречами и спортивными соревнованиями или тренировками.

Дисахариды должны подвергаться действию ферментов, поэтому их всасывание будет дольше. Главными источниками энергии для организма человека являются полисахариды. Так как они не всасываются моментально, они создают резерв энергии в организме. Эта энергия поступает постепенно в течение 2-6 часов. Преимуществом полисахаридов в том, что они не вызывают резкого повышения глюкозы в крови. Поэтому все диетологи говорят, что утро стоит начинать с каши.

Органы и их потребление глюкозы

Нервная система является самой чувствительной к недостатку глюкозы. У нейронов нет возможности откладывать энергию в резерв, поэтому они потребляют ее сразу. Нервной системе необходимо около 140 гр в течение суток. Эритроцитам необходимо около 40 гр. Мышечная ткань потребляет глюкозу в зависимости от энергетических потребностей, и поэтому число постоянно варьирует. Все остальные органы и системы могут использовать гликоген для получения глюкозы посредством его окисления.

Гликоген содержится в печени и мышцах. Его среднее количество 300-400 гр. При увеличении поступления глюкозы она откладывается в жир, если физическая активность не покрывает это количество энергии. При повышенной физической нагрузке тратиться сначала гликоген, а уже потом жировые запасы.

Самым чувствительным к недостатку глюкозы считается головной мозг. Поэтому при длительном голодании, когда развивается гипогликемия, могут появляться неприятные симптомы. К ним относятся:

головокружение;
потеря сознания;
тошнота;
слабость;
помутнение в глазах;
чрезмерная потливость;
дрожание рук и судороги.

Углеводы нельзя заменить белками или жирами, они обязательно должны быть в рационе каждого. При соблюдении диеты или при похудении исключать их нельзя, стоит лишь снизить их количество, но они все равно должны преобладать количественно над жирами и белками.

Универсальностью углеводов является то, что они всасываются практически в неизменном виде, в то время как при расщеплении белков образуется много продуктов распада, которые в большом количестве могут вызывать интоксикацию. Поэтому основным источником энергии в организме являются углеводы.

Вся энергия на Земле берется от Солнца. Растения способны превращать солнечную энергию в химическую (фотосинтез).

Люди не могут напрямую использовать энергию Солнца, однако мы можем получать энергию из растений. Мы едим либо сами растения, либо мясо животных, которые ели растения. Человек получает всю энергию из еды и питья.

Пищевые источники энергии

Всю необходимую для жизнедеятельности энергию человек получает вместе с пищей. Единицей измерения энергии является калория. Одна калория - это количество тепла, необходимое для нагрева 1 кг воды на 1°С. Большую часть энергии мы получаем из следующих питательных веществ:

- Углеводы - 4ккал (17кДж) на 1г
- Белки (протеин) - 4ккал (17кДж) на 1г
- Жиры - 9ккал (37кДж) на 1г

Углеводы (сахара и крахмал) являются важнейшим источником энергии, больше всего их содержится в хлебе, рисе и макаронах. Хорошими источниками протеина служат мясо, рыба и яйца. Сливочное и растительное масло, а также маргарин почти полностью состоят из жирных кислот. Волокнистая пища, а также алкоголь также дают организму энергию, но уровень их потребления сильно отличается у разных людей.

Витамины и минералы сами по себе не дают организму энергию, однако, они принимают участие в важнейших процессах энергообмена в организме.

Энергетическая ценность различных пищевых продуктов сильно отличается. Здоровые люди достигают сбалансированности своей диеты потреблением самой разнообразной пищи. Очевидно, что, чем более активный образ жизни ведет человек, тем больше он нуждается в пище, или тем более энергоемкой она должна быть.

Самым важным источником энергии для человека являются углеводы. Сбалансированная диета обеспечивает организм разными видами углеводов, но большая часть энергии должна поступать из крахмала. В последние годы немало внимания уделялось изучению связи между компонентами питания людей и различными болезнями. Исследователи сходятся во мнении, что людям необходимо уменьшать потребление жирной пищи в пользу углеводов.

Каким образом мы получаем энергию из пищи?

После того, как пища проглатывается, она некоторое время находится в желудке. Там под воздействием пищеварительных соков начинается ее переваривание. Этот процесс продолжается в тонком кишечнике, в результате компоненты пищи распадаются на более мелкие единицы, и становится возможной их абсорбция через стенки кишечника в кровь. После этого организм может использовать питательные вещества на производство энергии, которая вырабатывается и хранится в виде аденозин трифосфат (АТФ).

Молекула АТФ из аденозина и трех фосфатных групп, соединенных в ряд. Запасы энергии «сосредоточены» в химических связях между фосфатными группами. Чтобы высвободить эту потенциальную энергию одна фосфатная группа должна отсоединиться, т.е. АТФ распадается до АДФ (аденозин дифосфат) с выделением энергии.

Аденозинтрифосфат (сокр. АТФ, англ. АТР) -- нуклеотид, играет исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах; в первую очередь соединение известно как универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. АТФ является основным переносчиком энергии в клетке.

В каждой клетке содержится очень ограниченное количество АТФ, которое обычно расходуется за считанные секунды. Для восстановления АДФ до АТФ требуется энергия, которая и получается в процессе окисления углеводов, протеина и жирных кислот в клетках.

Запасы энергии в организме.

После того, как питательные вещества абсорбируются в организме, некоторая их часть откладывается в запас как резервное топливо в виде гликогена или жира.

Гликоген также относится к классу углеводов. Запасы его в организме ограничены и хранятся в печени и мышечной ткани. Во время физических нагрузок гликоген распадается до глюкозы, и вместе с жиром и глюкозой, циркулирующей в крови, обеспечивает энергией работающие мышцы. Пропорции расходуемых питательных веществ зависят от типа и продолжительности физических упражнений.

Гликоген состоит из молекул глюкозы, соединенных в длинные цепочки. Если запасы гликогена в организме в норме, то избыточные углеводы, поступающие в организм, будут превращаться с жир.

Обычно протеин и аминокислоты не используются в организме как источники энергии. Однако при дефиците питательных веществ на фоне повышенных энергозатрат аминокислоты, содержащиеся в мышечной ткани, могут также расходоваться на энергию. Протеин, поступающий с пищей, может служить источником энергии и превращаться в жир в том случае, если потребности в нем, как в строительном материале, полностью удовлетворены.

Как расходуется энергия во время тренировки?

Начало тренировки

В самом начале тренировки, или когда энергозатраты резко возрастают (спринт), потребность в энергии больше, чем уровень, с которым происходит синтез АТФ с помощью окисления углеводов. Вначале углеводы «сжигаются» анаэробно (без участия кислорода), это процесс сопровождается выделением молочной кислоты (лактата). В результате освобождается некоторое количество АТФ - меньше, чем при аэробной реакции (с участием кислорода), но быстрее.

Другим «быстрым» источником энергии, идущим на синтез АТФ, является креатин фосфат. Небольшие количества этого вещества содержатся в мышечной ткани. При распаде креатин фосфата освобождается энергия, необходимая для восстановления АДФ до АТФ. Этот процесс протекает очень быстро, и запасов креатин фосфата в организме хватает лишь на 10-15 секунд «взрывной» работы, т.е. креатин фосфат является своеобразным буфером, покрывающим краткосрочный дефицит АТФ.

Начальный период тренировки

В это время в организме начинает работать аэробный метаболизм углеводов, прекращается использование креатин фосфата и образование лактата (молочной кислоты). Запасы жирных кислот мобилизуются и становятся доступными как источник энергии для работающих мышц, при этом повышается уровень восстановления АДФ до АТФ за счет окисления жиров.

Основной период тренировки

Между пятой и пятнадцатой минутой после начала тренировки в организме повышенная потребность в АТФ стабилизируется. В течение продолжительной, относительно ровной по интенсивности тренировки синтез АТФ поддерживается за счет окисления углеводов (гликогена и глюкозы) и жирных кислот. Запасы креатин фосфата в это время постепенно восстанавливаются.

Креатин является аминокислотой, которая синтезируется в печени из аргинина и глицина. Именно креатин позволяет спортсменам выдерживать высочайшие нагрузки с большей легкостью. Благодаря его действию в мышцах человека задерживается выделение молочной кислоты, которая и вызывает многочисленные мышечные боли. С другой стороны креатин позволяет производить сильные физические нагрузки благодаря высвобождению большого количества энергии в организме.

При возрастании нагрузки (например, при беге в гору) расход АТФ увеличивается, причем, если это возрастание значительное, организм вновь переходит на анаэробное окисление углеводов с образованием лактата и использование креатин фосфата. Если организм не успевает восстанавливать уровень АТФ, может быстро наступить состояние усталости.

Какие источники энергии используются в процессе тренировки?

Углеводы являются самым важным и самым дефицитным источником энергии для работающих мышц. Они необходимы при любом виде физической активности. В организме человека углеводы хранятся в небольших количествах в виде гликогена в печени и в мышцах. Во время тренировки гликоген расходуется, и вместе с жирными кислотами и глюкозой, циркулирующей в крови, используется как источник мышечной энергии. Соотношение различных используемых источников энергии зависит от типа и продолжительности упражнений.

Несмотря на то, что в жире больше энергии, его утилизация происходит медленнее, и синтез АТФ через окисление жирных кислот поддерживается использованием углеводов и креатин фосфата. Когда запасы углеводов истощаются, организм становится не в состоянии переносить высокие нагрузки. Таким образом, углеводы являются источником энергии, лимитирующим уровень нагрузки во время тренировки.

Факторы, ограничивающие энергозапасы организма во время тренировки

Первоначальным источником энергии для живых организмов служит энергия солнечного света. Фототрофы - растения и фотосинтезирующие микроорганизмы - непосредственно используют световую энергию для синтеза сложных органических веществ (жиров, белков, углеводов и др.), являющихся вторичными источниками энергии. Гетеротрофы, к которым относятся животные, используют химическую энергию, выделяющуюся при окислении органических веществ, синтезированных растениями.

Биоэнергетические процессы можно разделить на процессы производства и аккумуляции энергии и процессы, в которых за счет запасенной энергии выполняется полезная работа (Рис.1.1). Фотосинтез - основной биоэнергетический процесс на Земле. Это сложная многоступенчатая система фотофизических, фотохимических и темновых биохимических процессов, в которых энергия солнечного света трансформируется в химическую или электрохимическую формы энергии. В первом случае это энергия, заключенная в сложных органических молекулах, а во втором - энергия градиента протонов на мембранах, которая также преобразуется в химическую форму. В фотосинтезирующих организмах кванты солнечного света поглощаются молекулами хлорофилла и переводят их электроны в возбужденное состояние с повышенной энергией. Именно за счет энергии возбужденных электронов в молекулах хлорофилла фотосинтетическая система фототрофов из простых молекул углекислого газа и воды синтезирует глюкозу и другие органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, нуклеотиды и т.д.), из которых впоследствии в организме строятся углеводы, белки, жиры и нуклеиновые кислоты. Продуктом этих реакций также является молекулярный кислород.

Суммарное уравнение основных реакций фотосинтеза:

6 CO 2 + 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 (глюкоза) + 6 O 2 ,

где hн - энергия фотонов.

Глобальная роль фотосинтеза исключительно велика. Мощность солнечного излучения порядка 10 26 Вт. Из нее до поверхности Земли доходит около 2 10 17 Вт, а из этой величины примерно 4 10 13 Вт используется фотосинтезирующими организмами для синтеза органических веществ (Самойлов, 2004). Эта энергия поддерживает жизнь на Земле. За счет нее синтезируется около 7,510 10 тонн биомассы в год (в расчете на углерод). При этом порядка 4 10 10 тонн углерода фиксируется фитопланктоном в океане и 3,510 10 тонн - растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами на суше.

Человечество потребляет продукты фотосинтеза в виде пищи, съедая органические вещества, первично произведенные растениями или вторично произведенные животными, поедающими растения, и в виде топлива, в качестве которого на 90 % используются ранее запасенные продукты фотосинтеза - нефть и уголь (остальную энергию дают атомные и гидроэлектростанции).

Извлечение энергии, накопленной фототрофными организмами, и ее последующее использование осуществляется в процессах питания и дыхания. При прохождении по пищеварительному тракту пища размельчается, клетки разрушаются и биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, жиры и углеводы) расщепляются на низкомолекулярные мономеры (аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты и сахара), которые в кишечнике всасываются в кровь и транспортируются по всему организму. Из них клетки извлекают атомы водорода, несущие высокоэнергетические электроны, энергию которых удается частично запасать в виде молекул аденозинтрифосфата (adenosine triphosphate, ATP). ATP - универсальный источник энергии, используемый как батарейка, там и тогда, где и когда необходимо выполнить полезную работу.