защо

  • Marta Bartošovičová външен редактор
  • 19 август 2019 г.

Замисляли ли сте се защо трябва да дишаме? Можете просто да кажете, че дишаме, за да не се задушим. Но какво означава това? Защо не можем да живеем без да дишаме? Защо не можем да се задушим? Бихме могли да обобщим истинската причина по следния начин: Нуждаем се от енергия за живота си и получаваме енергия чрез химични реакции, които консумират кислород. Ето защо трябва да дишаме.

Какво е енергия и защо се нуждаем от нея

Често срещаме термина енергия, но не винаги знаем каква е тя. Натуралистите разбират термина енергия като способността на системата да върши работа. Колкото повече енергия има системата, толкова повече работа може да свърши и ние можем да я изчислим и изразим числено. Съвременната енергийна единица е един джаул (J), същата единица, която използваме, за да изразим количеството работа. Често се използва по-стара единица - калории (кал).

Енергията може да приеме няколко форми. Един прост пример е позиционна енергия на тялото, което зависи от теглото и височината му над земята, в която се намира. Колкото по-тежко е тялото и колкото по-високо е, толкова повече работа може да свърши. Например, когато го окачим на скрипец, това ни позволява да вдигнем друго тяло, така че да се спусне. Той губи част от позиционната си енергия и върши работата по вдигане на товар.

Повдигайки товара, ние увеличихме позиционната му енергия точно толкова, колкото е направила нашата система. Част от енергията на тежестта се превръща в други неизползваеми форми на енергия, като деформация на тежестта или отделяне на топлина при удар със земята. Въпреки това, общата енергия на системата, т.е. сумата от позиционните енергии на двете тела заедно с този неизползваем компонент, беше запазена. Стигаме до важен закон на физиката, който наричаме Закон за запазване на енергията или Първата теорема на термодинамиката. Това означава, че във всяка изолирана система (т.е. такава, която не обменя енергия с околната среда), цялата енергия се запазва. Той може да се премести от една част на системата в друга или да се промени от една форма в друга, но сумата винаги е една и съща.


Док. Mgr. Д-р Петер Полчич.

Друга форма на енергия е химична енергия, който се крие в химическите връзки между атомите в молекулите. При химичните реакции, когато има промени в химичните връзки, има и промени в енергията на отделните молекули. Такава енергия, в зависимост от реакцията, може да се използва за образуване на нови химически връзки, за извършване на работа или за генериране на топлина.

За да живеем, се нуждаем от постоянно снабдяване с енергия. Ако искаме да се движим, например да спортуваме, имаме нужда от енергия, която превръщаме в механична работа - движението на тялото си. Ние обаче се нуждаем от достатъчно енергия, дори ако не правим нищо и лежим на дивана. Трябва да управляваме мускулите, които ни поддържат живи, като сърцето. Трябва да управляваме мозъка и нервите, които работят дори когато не знаем за това. Нуждаем се от нашите клетки, за да поддържаме химичните реакции, които изграждат съединенията, необходими за всички биологични функции на нашето тяло. Тези реакции обикновено се нуждаят от енергия.

Как тялото ни печели енергия

Как е подредено в тялото ни? Ако малко опростим ситуацията, можем да разделим химичните реакции в клетките си на тези, при които хранителните вещества, погълнати от храната, като захари и мазнини, се разграждат. Получаваме енергия от тези реакции - ние ги наричаме катаболни реакции. Енергията, която получаваме по този начин, тогава ни е необходима анаболни реакции, тоест тези, в които от прости вещества образуваме по-сложни вещества, например веществата, които изграждат нашите клетки.

В допълнение към производството на химикали, ние използваме тази енергия за задвижване на различни телесни функции, като дейността на мозъка, всички органи и движение. За да може енергията, получена от катаболните реакции, да се използва за някоя от тези цели, клетките използват много добра стратегия. В катаболните реакции те инвестират енергия в образуването на специално химично съединение - аденозин трифосфат (АТФ). Състои се от аденозин дифосфат (ADP) чрез прикрепване на един остатък от фосфорна киселина. Той използва АТФ като „гориво“ за задвижване на почти всички енергоемки процеси. Това "гориво" пренася енергията в процеса и се самоизчерпва - разлага се обратно до ADP и останалата част от фосфорната киселина.

Док. Mgr. Д-р Питър Полчич, лекция в DUK 2019

Всеки ден човек консумира около толкова АТФ, колкото тежи. Разбираемо е, че телата ни не могат да носят толкова огромен запас от АТФ. Всъщност имаме около 100-200 g, в зависимост от това колко сме големи. Така че дори това, което консумираме средно за 3 минути. Това означава, че трябва постоянно да го обновяваме и използваме отново и отново. Ето защо трябва да разградим хранителните вещества и да възстановим доставката на АТФ.

Каква роля играят дишането и кислородът в това?

Какво общо има това с дишането? Много. За да получим възможно най-много енергия от храната, ние я разграждаме в химическите реакции, които те консумират кислород. По този начин можем да получим от тях толкова енергия, колкото да сме ги изгорили в огън. Докато при горенето в огън бихме освободили енергия от тези вещества като топлина, при катаболните реакции в нашите клетки те постепенно се трансформират в последователност от химични реакции, които ни позволяват да използваме тази енергия за производството на АТФ. Ако ги изгорите в огън и предотвратите достъпа на кислород, например като ги покриете, задушите огъня, реакцията няма да протече и няма да се отдели топлина.

Подобно ще бъде и в нашите клетки. Ако ядете Horalka, чиято енергийна стойност според опаковката е 1128 kJ или 270 kcal, за да получите тази енергия чрез разграждане в клетките, освен Horalka ви е необходим кислород. В присъствието на кислород, захарите и мазнините в Horalka се преобразуват химически въглероден двуокис, които издишваме.

Как работи в случай на разграждане на захарта? Захар в цитоплазмата в нашите клетки последователността от химични реакции се трансформира в пировиноградна киселина. За придобиването на енергия, т.е. образуването на АТФ, химическите реакции, при които веществата обменят електрони, са особено важни - ние ги наричаме редокс реакции. Няма много такива реакции при превръщането на захарта в пировиноградна киселина. От една молекула глюкозна захар, консумирана в този процес, получаваме само 2 молекули АТФ. Тази част от разграждането на глюкозата все още не изисква кислород. Следователно разграждането на захарта става по този начин в клетките на нашите мускули, когато работим усилено, дишаме и не успяваме да снабдим мускула с кислород. Пировиноградната киселина не може да влезе в следващата фаза на разграждане, която вече изисква кислород, и се превръща в млечна киселина. След това мускулът се уморява и не може да продължи усилието, тъй като не успява да произведе достатъчно АТФ, което е необходимо за неговата дейност.

Ако имаме достатъчно кислород, пировиноградната киселина преминава в митохондриите. Митохондрии са клетъчни органели, чиято важна роля е преобразуването на енергия и производството на АТФ. Ето защо понякога ги сравняваме с клетъчни електроцентрали. В митохондриите химичните трансформации продължават, докато пировиновата киселина се превърне във въглероден диоксид. Има повече редокс реакции. Електрони те постепенно се прехвърлят в кислород, така че тези реакции не могат да протичат без него. Електронният трансфер към кислорода, от която се образува вода, осигурява система от ензими - сложни протеинови комплекси, които се намират в мембраната на митохондриите и заедно ги наричаме дихателна верига.

Док. Питър Полчич подписва индекси със слушателите на DUK 2019

Електронният трансфер през дихателната верига задвижва образуването на АТФ, което се осигурява от друг ензимен комплекс, съхраняван в същата мембрана - АТФ синтаза. Начинът, по който дихателната верига и АТФ синтазата работят заедно за производството на АТФ, е много интересен и напомня на машините, използвани от хората в различни ситуации. В митохондриалната мембрана се намират както дихателната верига, така и АТФ синтазните комплекси. Дихателна верига той функционира като система от помпи, които, когато прехвърлят електрони в кислород, в същото време изпомпват протони през мембраната. По този начин те преобразуват енергията на химична реакция - прехвърлянето на електрони, в потенциална енергия, точно както ако носим товар на височина.

Мембраната е непроницаема за протони, но съдържа АТФ синтаза, която е проектирана така, че протоните да могат да преминават обратно през нея. Като сваляне на товар с ролка. По този начин те въртят част от АТФ синтазата и по този начин стимулират производството на АТФ. По този начин се получават до 38 молекули АТФ, когато една молекула глюкоза се разгради. Това са много повече от 2 молекули, които получаваме без кислород. И това е достатъчно, за да захрани всички функции, от които се нуждаем за цял живот.

Обобщение

Нуждаем се от енергия, за да осигурим всички жизненоважни функции. Една от основните форми на енергия, която можем да използваме, за да задвижваме тези функции, е енергията в химичните връзки на молекулите на аденозин трифосфат (АТФ). Получаваме енергия за образуването на аденозин трифосфат, като разграждаме хранителните вещества, особено захарите и мазнините. Нуждаем се от кислород за тяхното ефективно разграждане, което ни позволява да извлечем възможно най-много енергия от тях. Ето защо трябва да дишаме.

С лекция по темата „Защо трябва да дишаме?“ излязох док. Mgr. Д-р Петер Полчич., от Факултета по природни науки, Университет „Коменски“ в Братислава, в Детския университет „Коменски“ през 2019 г.

Док. Mgr. Д-р Петер Полчич. (1973), е университетски преподавател в Катедрата по биохимия, Факултет по природни науки, Университет Коменски в Братислава. Роден е в Братислава. След завършване на Средното индустриално химическо училище в Братислава (1988 - 1991), той продължава магистърската си подготовка (1991 - 1996), а по-късно и докторантурата си (1996 - 2001) по биохимия в Природонаучния факултет на Карловия университет. След дипломирането си той завършва докторантска стипендия в Института Волум, Университет за здраве и наука в Орегон, Портланд, Орегон, САЩ (2001 - 2004), където се фокусира върху моделирането на някои стъпки от програмираната от бозайници клетъчна смърт в клетките на дрождите. От завръщането си в Словакия работи в Катедрата по биохимия на Факултета по природни науки на Карловия университет в Братислава. В момента той се интересува от транспорта на вещества през митохондриалните мембрани и ролята на митохондриите в процеса на програмирана клетъчна смърт.

Шестата лекция в тазгодишния детски университет „Коменски“ се проведе на 7 август 2019 г. в театър „Арена“ в Братислава.

Редактирано и публикувано от: Marta Bartošovičová, NCP VaT в CVTI SR