Доставяне и освобождаване на енергия в организма

В живите организми непрекъснато се извършват химични превръщания, в резултат на което свободната енергия намалява. По тази причина те не могат да съществуват ако не си доставят енергия от външната среда. Животинските организми получават тази енергия чрез приемане на хранителни вещества – въглехидрати, мазнини и белтъци. При рационално хранене 55-60% от енергията се доставя от въглехидратите, 25-30% от мазнините и 10-15% от белтъците. При разграждането на различните хранителни вещества се доставя различно количество енергия:

• 39 kJ от 1 g мазнини;
• 17,2 kJ от 1 g въглехидрати;
• 17,2 kJ от 1 g белтъци.

Една част от освободената енергия при разграждането на хранителните вещества се отделя като топлина, която има значение за поддържане на телесната температура. Друга част се използва за синтез на макроергични съединения, от които енергията се освобождава по контролируем начин. Основното макроергично съединение, което се използва в организма, е аденозин трифосфатът (АТФ). АТФ е източник на енергия за извършване на биологична работа по време на мускулното съкращение, за осъществяване на активен транспорт през клетъчната мембрана и за енергозависимите процеси за синтез на хранителни вещества. В мускулите се намира още едно важно макроергично съединение – креатинфосфат. В междинната обмяна във всички клетки се използват макроергични тиоестери – ацилови деривати на меркаптаните (като ацетил-коензим А) и нуклеотиди с макроергични връзки (гуанозин трифосфат).

Образуване на АТФ

В цитоплазмата на клетките се намира малък резерв от АТФ, който може да задоволи енергийните и нужди само за 1 минута. По тази причина АТФ се ресинтезира непрекъснато. За едно денонощие се образуват и изразходват около 63 килограма АТФ. Това макроергично съединение може да се синтезира по два пътя – анаеробен в цитоплазмата и аеробен в митохондриите. Въглехидратите са единствените хранителни вещества, които могат да доставят енергия по анаеробен път. Процесът на анаеробно разграждане на глюкозата се нарича гликолиза. Тя протича бързо, но е свързана със синтез на малко количество АТФ – 2 молекули АТФ за една молекула глюкоза. По тази причина анеробното синтезиране на АТФ не може да бъде основен начин за обезпечаване на енергийните нужди на клетките. Изключение правят еритроцитите, бързо съкращаващите се мускулни влакна и клетките на бъбречната медула. Всички останали клетки си доставят енергия чрез окисление на хранителните вещества в митохондриите. Така голяма част от освободената енергия се използва за синтез на АТФ чрез процеси на окислително фосфорилиране. Аеробният метаболизъм е много по-ефективен в сравнение с анаеробния, тъй като по-голяма част от химичната енергия се съхранява под формата на макроергични съединения. Окислението на една молекула глюкоза по аеробен път до СО₂ и Н₂О води до отделяне на 36 или на 38 молекули АТФ, а при окислението на една молекула палмитинова киселина се отделят 129 молекули АТФ. Скоростта, с която АТФ се образува чрез окислително фосфорилиране, зависи от няколко фактора:

• от скоростта на изразходване на АТФ – когато скоростта на изразходване на АТФ от клетката е висока, образуването му също се осъществява с висока скорост, поради увеличеното количество АДФ.;
• снабдяването на клетките с кислород и със субстрати за окисление (глюкоза, мастни киселини, лактат, аминокиселини). Това зависи от дейността на дихателната, сърдечно-съдовата, храносмилателната и ендокринната система.

Респираторен квотиент

При окислението на хранителните вещества се консумира кислород и се образува въглероден диоксид. Респираторен квотиент се нарича отношението между образувания въглероден диоксид и използвания кислород.

РК = СО₂ / О₂,

където газовете са в молове или в обеми при стандартна температура и налягане. Стойността на респираторния квотиент за въглехидратите е 1, за мазнините 0,7, а за белтъците 0,8-0,85. Ниската стойност на респираторния квотиент за мазнините позволява те да се използват като при храненето на болни с нарушена дихателна функция. Увеличаването на порцията на мазнините ще доведе до по-малка продукция на въглероден диоксид за същия обем използван кислород. Това ще намали изискванията към белодробната вентилация. Респираторният квотиент не е идентичен с дихателното обемно отношение. Дихателното обемно отношение (ДОО) представлява отношението между обема издишан въглероден диоксид и обема консумиран кислород за определен период от време. ДОО зависи от вида на окисляваните хранителни вещества и от процесите, в които се образува въглероден диоксид и се изразходва кислород. По тези причини при тежка физическа работа и по време на възстановителния период след нея се ДОО има различни стойности от респираторния квотиент.

Енергиен еквивалент на кислорода (ЕЕК) се нарича количеството енергия, което се освобождава при консумирането на 1 литър кислород. За трите вида хранителни вещества, ЕЕК има следните стойности:

• въглехидрати – 21,1 kJ/l;
• белтъци – 20 kJ/l;
• мазнини – 19,6 kJ/l;

Различната стойност на ЕЕК прави използването на всяко едно от трите вида хранителни вещества само при определени обстоятелства. Въглехидратите са основния източник на енергия при работа с максимална мощност, защото те могат да се разграждат анаеробно и да доставят енергия бързо и имат най-висока стойност на ЕЕК. Мазнините са подходящ енергиен източник при продължителни натоварвания, при които няма ограничения в доставянето на кислород за тяхното окисление, защото те освобождават най-голямо количество енергия при окислението си и имат най-нисък ЕЕК.