Как еда становится силой? Энергетический обмен простыми словами⁠⁠

Наше тело постоянно нуждается в энергии и внутри каждого из нас есть свой реактор, который нам в этом помогает. Сам процесс даже, скорее, напоминает ядерную реакцию, но как конкретно происходит выработка энергии? Сегодня будем разбираться

Что такое энергия на молекулярном уровне?

Сегодня мы поговорим о том, как молекулы пищи превращаются в полезную энергию. Наши тела имеют несколько способов получения энергии, в частности, извлекая молекулы, богатые энергией, из пищи, которую мы едим, и превращая их в ATФ (аденозинтрифосфат). Это ключевая молекула в процессе получения энергии. Ее нужно будет запомнить.

Энергия в молекуле ATФ (аденозинтрифосфат) содержится в химических связях между фосфатными группами. Эти связи называются фосфоангидридными связями. Когда одна из этих связей разрывается (например, когда молекула ATФ превращается в АДФ, аденозиндифосфат), высвобождается энергия, которую клетки могут использовать для различных процессов, таких как сокращение мышц, синтез белков и другие биологические реакции.

Этапы энергетического обмена

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — включает три этапа:

1. Подготовительный этап: Сложные органические вещества (белки, углеводы, жиры) расщепляются на более простые молекулы (например, белки → аминокислоты, углеводы → глюкоза). Энергия высвобождается в виде тепла, без образования АТФ.

2. Анаэробный этап (гликолиз): Происходит в цитоплазме клетки. Глюкоза расщепляется на два пирувата, образуя 2 АТФ и 2 НАДН. Этот процесс не требует кислорода.

3. Аэробный этап (клеточное дыхание): В митохондриях пируват превращается в ацетил-КоА и участвует в цикле Кребса, где образуются 2 АТФ, углекислый газ, НАДН и ФАДН₂. Большая часть АТФ (34 молекулы) синтезируется в электрон-транспортной цепи митохондрий за счет окислительного фосфорилирования.

Производство ATФ в организме

Главный способ — это использование углеводов и, собственно, глюкозы. Глюкоза — это молекула, состоящая из углерода, водорода и кислорода, и именно она используется в первом процессе — гликолизе, в ходе которого глюкоза расщепляется на молекулу пирувата. Этот процесс требует некоторого количества ATФ, но в итоге мы получаем два ATФ, которые нам полезны. (позже будет понятно почему) Гликолиз — анаэробный процесс, то есть процесс, который не требует кислорода, но это только первый шаг, и наш организм может извлечь гораздо больше ATФ, если использовать кислород.

Как происходит дальнейшее производство ATФ?

После того как глюкоза в процессе гликолиза превращается в пируват, она отправляется в митохондрии — это как энергетические фабрики наших клеток. Там пируват встречается с молекулами НАД. Молекула НАД (никотинамидадениндинуклеотид) — это своего рода "перевозчик" энергии в клетке, что позволяет клетке эффективно получать энергию для жизнедеятельности. Они забирают электроны (частицы с энергией) и переносят их в нужное место, где они помогут создать еще больше ATФ.

Митохондрии, как мощные станции, с помощью специальных процессов (цикл Кребса и окислительное фосфорилирование) могут производить много ATФ, используя энергию из пищи.

Фосфорилирование — это процесс, при котором к молекуле добавляется фосфатная группа (PO₄²⁻). Простыми словами, фосфорилирование можно сравнить с включением "энергии" в молекулу. Когда молекула получает фосфатную группу, она становится активной и может участвовать в дальнейших реакциях. Эти процессы также нуждаются в ферментах, которые помогают сэкономить энергию и ускоряют химические реакции. После цикла Кребса и фосфорилирования мы можем получить до 38 молекул ATФ из одной молекулы глюкозы.

Роль гликогена в запасах энергии

Наши тела также имеют механизм для хранения энергии в виде гликогена. Гликоген — это форма хранения глюкозы, которая легко используется, когда необходимо быстро получить энергию.

Основные запасы гликогена находятся в печени и скелетных мышцах. Когда уровень глюкозы в крови низкий, печень может расщеплять гликоген на глюкозу, чтобы пополнить запасы энергии. Во время физической активности мышцы также используют гликоген, чтобы получить энергию для сокращений. Но что делать, если глюкозы в крови недостаточно, например, во время голодания или при длительных физических нагрузках?

Энергия из жиров и гликогена

Кроме глюкозы, наш организм может использовать жиры и более сложные углеводы для получения энергии. Жиры — это ещё более энергоемкие молекулы. Когда наш организм нуждается в энергии, он может превращать

Например, молекула жира с 16 углеродами может дать целых 131 молекулу ATФ, что в 3 раза больше, чем от одной молекулы глюкозы! Поэтому жиры — это отличный источник энергии, который наш организм использует, когда ему нужно много сил.

Как происходит расщепление жиров?

Когда глюкоза в крови становится дефицитной, организм начинает использовать жиры как источник энергии. Для этого жиры сначала расщепляются на жирные кислоты и глицерин. Эти молекулы поступают в митохондрии, где жирные кислоты преобразуются в ацетил-CoA, который затем участвует в цикле Кребса, аналогично глюкозе.

Этот процесс позволяет извлекать гораздо больше ATФ, чем при использовании только глюкозы. В зависимости от длины углеродных цепей в молекуле жира, мы можем получить до 131 молекулы ATФ из одного молекулы жира. Это гораздо больше, чем из одной молекулы глюкозы, что делает жиры отличным источником энергии для организма.

Преимущества жиров как источника энергии

Жиры содержат больше энергии на грамм, чем углеводы, и могут служить долговременным источником энергии. Однако, несмотря на такую энергоемкость, жиры используются не так быстро, как углеводы, и требуют больше времени для переработки. Поэтому, в зависимости от физической активности и состояния организма, мы используем углеводы и жиры в разной степени, чтобы поддерживать нужный уровень энергии.

Энергия и её хранение в организме

Наш организм использует различные источники энергии для поддержания жизнедеятельности, от глюкозы до жиров. Глюкоза обеспечивает быстрый доступ к энергии, в то время как жиры служат долговременным и более энергоемким источником. Так что, внутри каждого из нас есть собственный реактор, который способен расщеплять молекулы пищи, превращая их в энергию, необходимую для жизни

Спасибо, что читаете, и, конечно, лайкаете, это помогает писать дальше ❤️

Я веду блог «PROSTO», где рассказываю про науку, космос и технологии простым языком. Каждую неделю – новая статья и возможность расширить свои горизонты.