проти

  • Марта Бартошовічова, зовнішній редактор
  • 19 серпня 2019 р

Ви коли-небудь задавались питанням, навіщо нам дихати? Можна просто сказати, що ми дихаємо, щоб не задихнутися. Але що це означає? Чому ми не можемо жити, не дихаючи? Чому ми не можемо задихнутися? Ми могли б узагальнити справжню причину наступним чином: нам потрібна енергія для нашого життя, і ми отримуємо енергію за допомогою хімічних реакцій, які споживають кисень. Тому ми повинні дихати.

Що таке енергія і навіщо вона нам потрібна

Ми часто стикаємося з терміном енергія, але ми не завжди знаємо, що це таке. Натуралісти розуміють термін енергія як здатність системи виконувати роботу. Чим більше енергії має система, тим більше роботи вона може зробити, і ми можемо обчислити та виразити її чисельно. Сучасна одиниця енергії - це один джоуль (J), та сама одиниця виміру, яку ми використовуємо для вираження обсягу роботи. Часто використовується старіша одиниця - калорії (кал).

Енергія може приймати кілька форм. Простий приклад позиційна енергія тіла, що залежить від його ваги та висоти над землею, в якій він знаходиться. Чим важче тіло і чим воно вище, тим більше роботи воно може зробити. Наприклад, коли ми вішаємо його на шків, це дозволяє нам підняти інше тіло, щоб воно само опустилося. Він втрачає частину позиційної енергії і виконує роботу з підняття вантажу.

Піднявши вантаж, ми збільшили його позиційну енергію рівно на стільки, скільки зробила наша система. Частина енергії ваги була перетворена в інші непридатні форми енергії, такі як деформація ваги або виділення тепла при ударі землею. Однак загальна енергія системи, тобто сума позиційних енергій обох тіл разом з цим непридатним компонентом, була збережена. Ми підійшли до важливого закону фізики, який ми називаємо Законом збереження енергії або Першою теоремою термодинаміки. Це означає, що в будь-якій ізольованій системі (тобто в тій, яка не обмінюється енергією з навколишнім середовищем) загальна енергія зберігається. Він може переходити з однієї частини системи в іншу або змінюватись з однієї форми на іншу, але сума завжди однакова.


Док. Мгр. Пітер Полчич, к.т.н.

Іншою формою енергії є хімічна енергія, яка прихована в хімічних зв’язках між атомами в молекулах. У хімічних реакціях, коли відбуваються зміни хімічних зв’язків, відбуваються також зміни енергії окремих молекул. Така енергія, залежно від реакції, може бути використана для утворення нових хімічних зв’язків, для роботи або для виробництва тепла.

Для того, щоб жити, нам потрібен постійний запас енергії. Якщо ми хочемо рухатися, наприклад, займатися спортом, нам потрібна енергія, яку ми перетворюємо на механічну роботу - рух нашого тіла. Однак нам потрібно достатньо енергії, навіть якщо ми нічого не робимо і лежимо на дивані. Нам потрібно керувати м’язами, які підтримують нас у житті, наприклад, серцем. Нам потрібно керувати мозком і нервами, які працюють, навіть коли ми про це не знаємо. Нам потрібні наші клітини, щоб підтримувати хімічні реакції, що утворюють сполуки, необхідні для всіх біологічних функцій нашого організму. Ці реакції зазвичай потребують енергії.

Як наше тіло отримує енергію

Як він влаштований у нашому тілі? Якщо трохи спростити ситуацію, ми можемо розділити хімічні реакції в наших клітинах на такі, в яких поживні речовини, що потрапляють з їжею, такі як цукор і жири, розщеплюються. Ми отримуємо енергію з цих реакцій - ми їх називаємо катаболічні реакції. Тоді нам потрібна енергія анаболічні реакції, тобто тих, в яких ми утворюємо складніші речовини з простих речовин, наприклад, речовин, що складають наші клітини.

На додаток до виробництва хімічних речовин, ми використовуємо цю енергію для живлення різних функцій організму, таких як діяльність мозку, усіх органів та руху. Для того щоб енергія, отримана в результаті катаболічних реакцій, була використана для будь-якої з цих цілей, клітини використовують дуже хорошу стратегію. В катаболічних реакціях вони вкладають енергію в утворення особливої ​​хімічної сполуки - аденозинтрифосфат (АТФ). Він складається з аденозиндифосфат (ADP) шляхом приєднання одного залишку фосфорної кислоти. Він використовує АТФ як "паливо" для живлення практично всіх енергоємних процесів. Це "паливо" передає енергію процесу і самовиснажується - воно розкладається назад до АДФ та решти фосфорної кислоти.

Док. Мгр. Пітер Полчич, доктор філософії, читав лекції в DUK 2019

Щодня людина споживає приблизно стільки ж АТФ, скільки важить. Зрозуміло, що наш організм не може нести такого величезного запасу АТФ. Насправді ми маємо близько 100-200 г, залежно від того, наскільки ми великі. Тож навіть того, що ми споживаємо в середньому за 3 хвилини. Це означає, що нам доводиться постійно поновлювати та використовувати його знову і знову. Ось чому нам потрібно розщеплювати поживні речовини та відновлювати запас АТФ.

Яку роль у цьому відіграє дихання та кисень?

Яке відношення це має до дихання? Багато. Для того, щоб отримати якомога більше енергії з їжею, ми розщеплюємо її під час хімічних реакцій, які вони споживають кисень. Таким чином ми можемо отримати від них стільки енергії, ніби спалили їх у вогні. Хоча при згорянні у вогні ми виділяємо енергію з цих речовин як тепло, в катаболічних реакціях у наших клітинах вони поступово перетворюються в послідовності хімічних реакцій, які дозволяють використовувати цю енергію для отримання АТФ. Якщо ви спалите їх у вогні та перешкодите доступу кисню, наприклад, накривши їх, задушивши вогонь, реакція не відбудеться і тепло не виділиться.

Подібно буде і в наших клітинах. Якщо ви їсте Хоралку, енергетична цінність якої, згідно з упаковкою, становить 1128 кДж або 270 ккал, щоб отримати цю енергію, розкладаючись в клітинах, вам, крім Горалки, потрібен кисень. У присутності кисню цукри та жири в Горалці хімічно перетворюються вуглекислий газ, який ми видихаємо.

Як це працює у разі деградації цукру? Цукор в цитоплазмі в наших клітинах послідовність хімічних реакцій перетворюється на піровиноградна кислота. Для набуття енергії, тобто утворення АТФ, особливо важливі хімічні реакції, в яких речовини обмінюються електронами - ми їх називаємо окисно-відновних реакцій. Таких реакцій при перетворенні цукру в піровиноградну кислоту не так багато. З однієї молекули цукру, що споживається в цьому процесі, ми отримуємо лише 2 молекули АТФ. Ця частина розпаду глюкози ще не потребує кисню. Тому розщеплення цукру відбувається таким чином у клітинах наших м’язів, коли ми важко працюємо, дихаємо і не встигаємо забезпечити м’яз киснем. Піровиноградна кислота не може перейти в наступну фазу деградації, яка вже потребує кисню, і перетворюється на молочна кислота. Потім м’яз втомлюється і не може продовжувати навантаження, оскільки йому не вдається виробляти достатньо АТФ, необхідного для його діяльності.

Якщо нам достатньо кисню, піровиноградна кислота переходить в мітохондрії. Мітохондрії - це клітинні органели, важлива роль яких - перетворення енергії та вироблення АТФ. Ось чому ми іноді порівнюємо їх із клітинними електростанціями. У мітохондріях хімічні перетворення тривають доти, поки піровиноградна кислота не перетвориться на вуглекислий газ. Існує більше окислювально-відновних реакцій. Електрони вони поступово переносяться на кисень, тому ці реакції не можуть проходити без нього. Перенесення електронів на кисень, з якого утворюється вода, забезпечує систему ферментів - складних білкових комплексів, які знаходяться в мембрані мітохондрій і разом їх називаємо дихальний ланцюг.

Док. Пітер Полчич підписує індекси зі слухачами DUK 2019

Перенос електрона через дихальний ланцюг зумовлює утворення АТФ, який забезпечується іншим ферментним комплексом, що зберігається в тій же мембрані АТФ-синтаза. Спосіб взаємодії дихального ланцюга та АТФ-синтази для вироблення АТФ дуже цікавий і нагадує машини, якими людина користується в різних ситуаціях. В мітохондріальній мембрані знаходяться як дихальний ланцюг, так і комплекси АТФ-синтази. Дихальний ланцюг він функціонує як система насосів, які, коли вони переносять електрони до кисню, одночасно перекачують протони через мембрану. Таким чином, вони перетворюють енергію хімічної реакції - перенесення електронів у потенційну енергію, як ніби ми несли вантаж на висоту.

Мембрана непроникна для протонів, але містить АТФ-синтазу, яка сконструйована таким чином, щоб протони могли через неї текти назад. Як опускання вантажу шківом. Роблячи це, вони обертають частину АТФ-синтази і тим самим стимулюють вироблення АТФ. Таким чином при розщепленні однієї молекули глюкози отримують до 38 молекул АТФ. Це набагато більше 2 молекул, які ми отримуємо без кисню. І цього достатньо, щоб забезпечити всі функції, необхідні нам для життя.

Резюме

Нам потрібна енергія для забезпечення всіх життєво важливих функцій. Однією з основних форм енергії, яку ми можемо використовувати для керування цими функціями, є енергія в хімічних зв’язках молекул аденозинтрифосфату (АТФ). Ми отримуємо енергію для утворення аденозинтрифосфату, розщеплюючи поживні речовини, особливо цукри та жири. Нам потрібен кисень для їх ефективної деградації, що дозволяє витягувати з них якомога більше енергії. Тому нам потрібно дихати.

З лекцією на тему "Навіщо нам потрібно дихати?" вийшов док. Мгр. Пітер Полчич, к.т.н., з факультету природничих наук Університету Коменського в Братиславі в Дитячому університеті Коменських у 2019 році.

Док. Мгр. Пітер Полчич, к.т.н. (1973), викладач університету на кафедрі біохімії природничого факультету університету Коменського в Братиславі. Народився в Братиславі. Закінчивши середню промислову хімічну школу в Братиславі (1988 - 1991), він продовжив магістратуру (1991 - 1996), а згодом і докторантуру (1996 - 2001) з біохімії на природничому факультеті Карлового університету. Після закінчення університету він закінчив постдокторську стипендію в Інституті Волума, Орегонський університет охорони здоров’я та науки, Портленд, Орегон, США (2001 - 2004), де зосередився на моделюванні деяких етапів програмованої загибелі клітин ссавців у дріжджових клітинах. З повернення до Словаччини він працює на кафедрі біохімії природничого факультету Карлового університету в Братиславі. В даний час його цікавить транспорт речовин через мембрани мітохондрій та роль мітохондрій у процесі запрограмованої загибелі клітин.

Шоста лекція цьогорічного Дитячого університету імені Коменського відбулася 7 серпня 2019 року в театрі «Арена» у Братиславі.

Відредаговано та опубліковано: Marta Bartošovičová, NCP VaT при CVTI SR