atunci când

  • Marta Bartošovičová editor extern
  • 19 august 2019

Te-ai întrebat vreodată de ce trebuie să respirăm? Ai putea spune pur și simplu că respirăm, astfel încât să nu ne sufocăm. Dar ce înseamnă asta? De ce nu putem trăi fără respirație? De ce nu ne putem sufoca? Am putea rezuma adevăratul motiv astfel: Avem nevoie de energie pentru viața noastră și obținem energie prin reacții chimice care consumă oxigen. De aceea trebuie să respirăm.

Ce este energia și de ce avem nevoie de ea

Deseori întâlnim termenul de energie, dar nu știm întotdeauna ce este. Naturaliștii înțeleg termenul de energie ca fiind capacitatea unui sistem de a lucra. Cu cât sistemul are mai multă energie, cu atât poate lucra mai mult și îl putem calcula și exprima numeric. Unitatea modernă de energie este un Joule (J), aceeași unitate pe care o folosim pentru a exprima cantitatea de muncă. O unitate mai veche este adesea folosită - calorii (cal).

Energia poate lua mai multe forme. Un exemplu simplu este energia de poziție a corpului, care depinde de greutatea și înălțimea sa deasupra solului în care se află. Cu cât corpul este mai greu și cu cât este mai înalt, cu atât poate face mai multă muncă. De exemplu, atunci când îl agățăm de un scripete, ne permite să ridicăm un alt corp, astfel încât să scadă. Își pierde o parte din energia pozițională și face treaba de a ridica o sarcină.

Ridicând sarcina, am crescut energia sa de poziție la fel de mult ca și sistemul nostru. O parte din energia greutății a fost transformată în alte forme de energie inutilizabile, cum ar fi deformarea greutății sau eliberarea căldurii la impactul cu solul. Cu toate acestea, energia totală a sistemului, adică suma energiilor poziționale ale ambelor corpuri împreună cu această componentă inutilizabilă, a fost păstrată. Ajungem la o lege importantă a fizicii, pe care o numim Legea Conservării Energiei sau Prima Teoremă a Termodinamicii. Aceasta înseamnă că, în orice sistem izolat (adică unul care nu schimbă energia cu mediul), energia totală este conservată. Se poate muta dintr-o parte a sistemului în alta sau se poate schimba de la o formă la alta, dar suma este întotdeauna aceeași.


Doc. Mgr. Dr. Peter Polčic.

O altă formă de energie este energie chimica, care se ascunde în legăturile chimice dintre atomii din molecule. În reacțiile chimice, atunci când există modificări ale legăturilor chimice, există și modificări ale energiei moleculelor individuale. O astfel de energie, în funcție de reacție, poate fi utilizată pentru a forma noi legături chimice, pentru a face lucrări sau pentru a genera căldură.

Pentru a trăi, avem nevoie de un aport constant de energie. Dacă vrem să ne mișcăm, de exemplu, să facem sport, avem nevoie de energie pe care o transformăm în lucru mecanic - mișcarea corpului nostru. Cu toate acestea, avem nevoie de suficientă energie chiar dacă nu facem nimic și ne întindem pe canapea. Trebuie să conducem mușchii care ne mențin în viață, cum ar fi inima. Trebuie să conducem creierul și nervii care funcționează chiar și atunci când nu știm despre asta. Avem nevoie de celulele noastre pentru a menține reacțiile chimice care alcătuiesc compușii necesari pentru toate funcțiile biologice ale corpului nostru. Aceste reacții au de obicei nevoie de energie.

Modul în care corpul nostru câștigă energie

Cum este aranjat în corpul nostru? Dacă simplificăm puțin situația, putem împărți reacțiile chimice din celulele noastre în cele în care sunt descompuse substanțele nutritive ingerate de alimente, cum ar fi zaharurile și grăsimile. Obținem energie din aceste reacții - le numim reacții catabolice. Energia pe care o obținem în acest fel, atunci avem nevoie reacții anabolice, adică cele în care formăm substanțe mai complexe din substanțe simple, de exemplu, substanțele care alcătuiesc celulele noastre.

Pe lângă producția de substanțe chimice, folosim această energie pentru a conduce diverse funcții corporale, cum ar fi activitatea creierului, a tuturor organelor și a mișcării. Pentru ca energia obținută din reacțiile catabolice să fie utilizată în oricare dintre aceste scopuri, celulele folosesc o strategie foarte bună. În reacțiile catabolice, ele investesc energie în formarea unui compus chimic special - adenozin trifosfat (ATP). Se compune din adenozin difosfat (ADP) prin atașarea unui reziduu de acid fosforic. Folosește ATP ca „combustibil” pentru a alimenta practic toate procesele consumatoare de energie. Acest „combustibil” transferă energie procesului și se epuizează de sine - se descompune înapoi la ADP și la restul acidului fosforic.

Doc. Mgr. Peter Polčic, dr., A ținut conferința la DUK 2019

În fiecare zi, o persoană consumă cam atât ATP cât cântărește. Înțeles, corpurile noastre nu pot transporta o cantitate atât de mare de ATP. De fapt, avem aproximativ 100-200 g, în funcție de cât de mari suntem. Deci nici măcar ceea ce consumăm în medie în 3 minute. Acest lucru înseamnă că trebuie să îl reînnoim și să-l folosim în mod continuu. De aceea, trebuie să descompunem substanțele nutritive și să restabilim alimentarea cu ATP.

Ce rol joacă respirația și oxigenul în acest sens?

Ce legătură are asta cu respirația? Mult. Pentru a obține cât mai multă energie din alimente, o descompunem în reacțiile chimice pe care le consumă oxigen. Astfel putem obține de la ei cât de multă energie, de parcă i-am fi ars într-un foc. În timp ce ardem în foc, vom elibera energie din aceste substanțe sub formă de căldură, în reacțiile catabolice din celulele noastre ele se transformă treptat într-o succesiune de reacții chimice care ne permit să folosim această energie pentru a produce ATP. Dacă le ardeți în foc și împiedicați accesul la oxigen, de exemplu acoperindu-le, sufocând focul, reacția nu va avea loc și nu va fi eliberată căldură.

Va fi similar în celulele noastre. Dacă mâncați Horalka, a cărei valoare energetică este, conform ambalajului, 1128 kJ sau 270 kcal, pentru a obține această energie prin descompunerea în celule, aveți nevoie de oxigen în plus față de Horalka. În prezența oxigenului, zaharurile și grăsimile din Horalka sunt transformate chimic în dioxid de carbon, pe care le expirăm.

Cum funcționează în cazul degradării zahărului? Zahăr în citoplasma din celulele noastre, secvența reacțiilor chimice se transformă în acid piruvic. Pentru achiziționarea de energie, adică formarea ATP, reacțiile chimice în care substanțele schimbă electroni sunt deosebit de importante - le numim reacții redox. Nu există multe astfel de reacții în conversia zahărului în acid piruvic. Dintr-o moleculă de zahăr de glucoză consumată în acest proces, obținem doar 2 molecule de ATP. Această parte a descompunerii glucozei nu necesită încă oxigen. Prin urmare, descompunerea zahărului are loc astfel în celulele mușchilor noștri, atunci când lucrăm din greu, respirăm și nu reușim să alimentăm mușchiul cu oxigen. Acidul piruvic nu poate intra în următoarea fază de degradare, care necesită deja oxigen și este transformat în acid lactic. Apoi mușchiul obosește și nu poate continua efortul, deoarece nu reușește să producă suficient ATP, de care are nevoie pentru activitatea sa.

Dacă avem suficient oxigen, acidul piruvic trece în mitocondrii. Mitocondriile sunt organite celulare al căror rol important este conversia energiei și producția de ATP. De aceea uneori le comparăm cu centralele electrice celulare. În mitocondrii, transformările chimice continuă până când acidul piruvic este transformat în dioxid de carbon. Există mai multe reacții redox. Electroni acestea sunt transferate treptat în oxigen, astfel încât aceste reacții nu pot avea loc fără acesta. Transferul de electroni în oxigen, din care se formează apa, oferă un sistem de enzime - complexe proteice complexe care se găsesc în membrana mitocondriilor și împreună le numim lant respirator.

Doc. Peter Polčic semnează indexuri cu ascultătorii DUK 2019

Transferul de electroni prin lanțul respirator determină formarea ATP, care este asigurată de un alt complex enzimatic stocat în aceeași membrană - ATP sintază. Modul în care lanțul respirator și ATP sintaza lucrează împreună pentru a produce ATP este foarte interesant și amintește de mașinile folosite de oameni în diferite situații. Atât lanțul respirator, cât și complexele ATP sintază se găsesc în membrana mitocondrială. Lanț respirator funcționează ca un sistem de pompe care, atunci când transferă electroni în oxigen, pompează în același timp protoni peste membrană. Aceștia convertesc astfel energia unei reacții chimice - transferul de electroni, în energie potențială, la fel ca și cum am transporta o sarcină la o înălțime.

Membrana este impermeabilă la protoni, dar conține ATP sintază, care este proiectată astfel încât protonii să poată reveni prin ea. Ca și cum ai coborî o sarcină cu un scripete. Procedând astfel, ei învârt o parte a ATP sintază și astfel conduc producția de ATP. În acest fel, degradarea unei molecule de glucoză produce până la 38 de molecule de ATP. Aceasta este mult mai mult de 2 molecule pe care le obținem fără oxigen. Și asta este suficient pentru a alimenta toate caracteristicile de care avem nevoie pentru viață.

rezumat

Avem nevoie de energie pentru a asigura toate funcțiile vitale. Una dintre principalele forme de energie pe care le putem folosi pentru a conduce aceste funcții este energia din legăturile chimice ale moleculelor de adenozin trifosfat (ATP). Obținem energie pentru formarea adenozin trifosfatului prin descompunerea nutrienților, în special a zaharurilor și a grăsimilor. Avem nevoie de oxigen pentru degradarea lor eficientă, ceea ce ne permite să extragem cât mai multă energie din ele. De aceea trebuie să respirăm.

Cu o prelegere pe această temă "De ce trebuie să respirăm?" a ieșit doc. Mgr. Dr. Peter Polčic., de la Facultatea de Științe, Universitatea Comenius din Bratislava, la Universitatea Comenius pentru copii în 2019.

Doc. Mgr. Dr. Peter Polčic. (1973), este profesor universitar la Departamentul de Biochimie, Facultatea de Științe, Universitatea Comenius din Bratislava. S-a născut la Bratislava. După absolvirea Școlii Secundare Industriale de Chimie din Bratislava (1988 - 1991), și-a continuat studiile de masterat (1991 - 1996) și ulterior doctoratul (1996 - 2001) în biochimie la Facultatea de Științe, Universitatea Charles. După absolvire, a absolvit o bursă postdoctorală la Vollum Institute, Oregon Health & Science University, Portland, OR, SUA (2001 - 2004), unde s-a concentrat pe modelarea câtorva pași ai morții celulare programate de mamifere în celulele de drojdie. De la întoarcerea sa în Slovacia, a lucrat la Departamentul de Biochimie, Facultatea de Științe, Universitatea Charles din Bratislava. În prezent, este interesat de transportul substanțelor prin membranele mitocondriale și de rolul mitocondriilor în procesul morții celulare programate.

Cea de-a șasea prelegere de la Universitatea Comenius pentru copii din acest an a avut loc pe 7 august 2019 la Teatrul Arena din Bratislava.

Editat și publicat de: Marta Bartošovičová, NCP VaT la CVTI SR