Известно, что организм человека в состоянии относительного покоя использует в сутки около 8000 кДж энергии.
Большая часть энергии расходуется на биосинтез веществ: 1700 кДж — на синтез белков, жиров, углеводов и 3700 кДж — на синтез АТФ.
Меньшая часть энергии используется для поддержания работы сердца и дыхательных мышц (1130 кДж), транспорт веществ (900 кДж).
Значительно увеличивается расход энергии при выполнении напряженной физической работы. Энерготраты спортсмена составляют примерно 21 000 кДж в сутки.
Организм человека получает энергию из внешней среды с растительной и животной пищей в виде углеводов, жиров и белков.
В организме человека энергия химических связей органических веществ извлекается только в процессе их катаболического распада и окисления.
При этом высвобождается свободная энергия.
Так, например, при окислении глюкозы молекулярным кислородом высвобождается около 2880 кДж свободной энергии:
Распад питательных веществ и высвобождение из них свободной энергии происходит постепенно в несколько этапов (см. Обмен веществ в организме. Ч.4. Распад и извлечение.).
Под свободной энергией понимают ту часть потенциальной химической энергии питательных веществ, которая в организме может использоваться для выполнения полезной работы в условиях постоянной температуры и давления.
Свободная энергия в клетках не может использоваться непосредственно в процессах жизнедеятельности. Она в большей степени аккумулируется в химических связях высокоэнергетических (макроэргических) соединений, в основном в молекулах АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Только энергия макроэргических соединений может использоваться клетками для обеспечения ее многих функций. Эта энергия способна превращаться в другие формы энергии.
Изменение уровня свободной энергии в биохимии принято выражать в джоулях (Дж) или калориях (кал) на 1 моль вещества. Одна калория соответствует 4,184 Дж. Калория — это количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 г воды от 14,5 до 15,5 °С.
Таким образом, аккумуляторами и носителями свободной энергии в клетках организма являются высокоэнергетические соединения.
В центре энергетического обмена клетки находятся адениннуклеотиды — АТФ и АДФ: АТФ принадлежит роль универсального источника энергии в клеточном метаболизме и поддержании многих функций организма; АДФ используется для синтеза АТФ.
К высокоэнергетическим относятся вещества, имеющие химические связи, при гидролизе которых выделяется более 21 кДж свободной энергии. Такие химические связи, как и сами вещества, еще называют макроэргическими.
Большинство макроэргических веществ являются фосфорорганическими соединениями. Они могут передавать свой фосфат на другие вещества. Поэтому макроэргическими называют вещества с высоким потенциалом переноса фосфатной группы.
Высвобождаемая при их гидролизе свободная энергия используется для переноса фосфата на молекулу вещества, у которого потенциал свободной энергии ниже.
Реакция присоединения фосфата называется фосфорилированием.
Макроэргические связи в молекуле АТФ довольно устойчивы в водной среде, тогда как более высокоэнергетические вещества в воде нестабильны.
В связи с этим в молекулах АТФ накапливается свободная энергия и используется в нужный момент для выполнения биологической работы.
Поэтому АТФ принадлежит главная роль в обмене энергии в клетках организма.
Обмен энергии в организме. Ч.2. АТФ — универсальный источник энергии в организме.