Енергія не може виникнути нізвідки або зникнути в нікуди, вона може тільки перетворюватися з одного виду в інший.
Вся енергія на Землі береться від Сонця. Рослини здатні перетворювати сонячну енергію в хімічну (фотосинтез).
Люди не можуть безпосередньо використовувати енергію Сонця, однак ми можемо отримувати енергію з рослин. Ми їмо або самі рослини, або м'ясо тварин, які їли рослини. Людина отримує всю енергію з їжі і пиття.
Всю необхідну для життєдіяльності енергію людина отримує разом з їжею. Одиницею вимірювання енергії є калорія. Одна калорія - це кількість тепла, необхідне для нагрівання 1 кг води на 1 ° С. Більшу частину енергії ми отримуємо з таких поживних речовин:
- Вуглеводи - 4ккал (17кДж) на 1г
- Білки (протеїн) - 4ккал (17кДж) на 1г
- Жири - 9ккал (37кДж) на 1г
Вуглеводи (цукру і крохмаль) є найважливішим джерелом енергії, найбільше їх міститься в хлібі, рисі і макаронах. Добрими джерелами протеїну служать м'ясо, риба і яйця. Вершкове і рослинне масло, а також маргарин майже повністю складаються з жирних кислот. Волокниста їжа, а також алкоголь також дають організму енергію, але рівень їх споживання сильно відрізняється у різних людей.
Вітаміни та мінерали самі по собі не дають організму енергію, однак, вони беруть участь у важливих процесах енергообміну в організмі.
Яким чином ми отримуємо енергію з їжі?
Обмін речовин і енергії (метаболізм) - сукупність процесів перетворення речовин і енергії, що відбуваються в живих організмах, і обмін речовинами і енергією між організмом і навколишнім середовищем. Обмін речовин і енергії є основою життєдіяльності організмів і належить до числа найважливіших специфічних ознак живої матерії, що відрізняють живе від неживого. В обміні речовин, або метаболізм, забезпеченому найскладнішої регулюванням на різних рівнях, бере участь безліч ферментних систем. В процесі обміну надійшли в організм речовини перетворюються у власні речовини тканин і в кінцеві продукти, що виводяться з організму. При цих перетвореннях звільняється і поглинається енергія.
Клітинний метаболізм виконує чотири основні специфічні функції: вилучення енергії з навколишнього середовища і перетворення її в енергію макроергічних (високоергіческіх) з'єднань в кількості, достатній для забезпечення всіх енергетичних потреб клітини; освіту з екзогенних речовин (або отримання в готовому вигляді) проміжних сполук, що є попередниками високомолекулярних компонентів клітини; синтез білків, нуклеїнових кислот, вуглеводів, ліпідів і інших клітинних компонентів з цих попередників; синтез і руйнування спеціальних біомолекул, освіту і розпад яких пов'язані з виконанням специфічних функцій даної клітини.
АТФ клітини - розмінна валюта. Для енергетичного обміну клітини дуже важливі так звані зв'язані хімічні реакції. У кожній такій реакції зв'язуються воєдино два різних процеси: один, що супроводжується виділенням енергії, і інший, що вимагає її витрат. В результаті виявляється, що перший (енергодающіх) процес стає рушійною силою для другого процесу, яке споживає енергію.
На початку 40-х років відомий біохімік Ф. Ліпман висловив гіпотезу, що різні реакції звільнення енергії в клітині завжди пов'язані з однією і тією ж реакцією, а саме синтезом АТФ з її попередників - аденозіндіфосфорной кислоти (АДФ) і неорганічної ортофосфорної кислоти (Н3РО4) . З іншого боку, реакції розщеплення (гідролізу) АТФ до АДФ і Н3РО4 пов'язані, по Липману, з вчиненням різних типів корисної роботи. Іншими словами, утворення АТФ служить універсальним накопичувачем енергії, а розщеплення АТФ - універсальним постачальником енергій.
Було встановлено, що внутрішньоклітинний дихання, тобто окислення водню карбонових кислот киснем, пов'язане з синтезом АТФ. Освіта АТФ було показано також при гліколізі (розщеплення вуглеводів до молочної кислоти під час відсутності кисню), В 50-і роки американський біохімік Д. Арнон продемонстрував синтез АТФ у рослин за рахунок енергії світла.
У той же час були описані численні випадки енергозабезпечення роботи клітини за рахунок гідролізу АТФ. З'ясувалося, що синтез білків, жирів, вуглеводів, нуклеїнових кислот з відповідних мономерів «оплачується» енергією АТФ. Було виявлено розщеплення АТФ скорочувальним м'язовим білком. Це відкриття дозволило зрозуміти, яким чином забезпечується енергією робота м'язи. До теперішнього часу безсумнівна причетність АТФ також і до багатьох інших процесів, що споживають енергію.
Отже, клітина використовує енергетичні ресурси, щоб отримати АТФ, а потім витрачає цей АТФ, щоб оплатити різні види роботи.
Де і як утворюється АТФ?
Першою системою, для якої з'ясували механізм утворення АТФ, виявився гліколіз - допоміжний тип енергозабезпечення, який включається в умовах браку кисню. При гліколізі молекула глюкози розщеплюється навпіл і отримані уламки окислюються до молочної кислоти.
Таке окислення пов'язане з приєднанням фосфорної кислоти до кожного з фрагментів молекули глюкози, тобто з їх фосфорилюванням. Подальший перенесення фосфатних залишків з фрагментів глюкзи на АДФ дає АТФ.
Після того, як їжа проковтується, вона деякий час знаходиться в шлунку. Там під впливом травних соків починається її перетравлювання. Цей процес триває в тонкому кишечнику, в результаті компоненти їжі розпадаються на більш дрібні одиниці, і стає можливою їх абсорбція через стінки кишечника в кров. Після цього організм може використовувати поживні речовини на виробництво енергії, яка виробляється і зберігається у вигляді аденозин трифосфат (АТФ).
Молекула АТФ складається з аденозину і трьох фосфатних груп, з'єднаних в ряд. Запаси енергії «зосереджені» в хімічних зв'язках між фосфатними групами. Щоб вивільнити цю потенційну енергію одна фосфатна група повинна від'єднатися, тобто АТФ розпадається до АДФ (аденозин дифосфат) з виділенням енергії.
У кожній клітині міститься дуже обмежена кількість АТФ, яке зазвичай витрачається за лічені секунди. Для відновлення АДФ до АТФ потрібна енергія, яка і виходить в процесі окислення вуглеводів, протеїну і жирних кислот в клітинах.
Після того, як живильні речовини абсорбуються в організмі, деяка їх частина відкладається в запас як резервне паливо у вигляді глікогену або жиру.
Глікоген також відноситься до класу вуглеводів. Запаси його в організмі обмежені і зберігаються в печінці і м'язової тканини. Під час фізичних навантажень глікоген розпадається до глюкози, і разом з жиром і глюкозою, що циркулює в крові, забезпечує енергією працюючі м'язи. Пропорції витрачаються поживних речовин залежать від типу і тривалості фізичних вправ.
Глікоген складається з молекул глюкози, з'єднаних в довгі ланцюжки. Якщо запаси глікогену в організмі в нормі, то надлишкові вуглеводи, що надходять в організм, будуть перетворюватися з жир.
Зазвичай протеїн і амінокислоти не використовуються в організмі як джерела енергії. Однак при дефіциті поживних речовин на тлі підвищених енерговитрат амінокислоти, що містяться в м'язовій тканині, можуть також витрачатися на енергію. Протеїн, що надходить з їжею, може служити джерелом енергії і перетворюватися в жир в тому випадку, якщо потреби в ньому, як в будівельному матеріалі, повністю задоволені.
Як витрачається енергія під час фізичного навантаження?
Початок фізичного навантаження. На самому початку фізичного навантаження, або коли енерговитрати різко зростають (спринт), потреба в енергії більше, ніж рівень, з яким відбувається синтез АТФ з допомогою окислення вуглеводів. Спочатку вуглеводи «спалюються» анаеробно (без участі кисню), це процес супроводжується виділенням молочної кислоти (лактату). В результаті звільняється деяка кількість АТФ - менше, ніж при аеробного реакції (за участю кисню), але швидше.
Іншим «швидким» джерелом енергії, що йде на синтез АТФ, є креатин фосфат. Невеликі кількості цієї речовини містяться в м'язовій тканині. При розпаді креатин фосфату звільняється енергія, необхідна для відновлення АДФ до АТФ. Цей процес протікає дуже швидко, і запасів креатин фосфату в організмі вистачає лише на 10-15 секунд "вибуховий" роботи, тобто креатин фосфат є своєрідним буфером, що покриває короткостроковий дефіцит АТФ.
Початковий період фізичного навантаження. В цей час в організмі починає працювати аеробний метаболізм вуглеводів, припиняється використання креатин фосфату і освіту лактату (молочної кислоти). Запаси жирних кислот мобілізуються і стають доступними як джерело енергії для працюючих м'язів, при цьому підвищується рівень відновлення АДФ до АТФ за рахунок окислення жирів.
Основний період фізичного навантаження. Між п'ятої та п'ятнадцятої хвилиною після початку тренування в організмі підвищена потреба в АТФ стабілізується. Протягом тривалої, відносно рівній по інтенсивності тренування синтез АТФ підтримується за рахунок окислення вуглеводів (глікогену і глюкози) і жирних кислот. Запаси креатин фосфату в цей час поступово відновлюються.
Креатин є амінокислотою, яка синтезується в печінці з аргініну і гліцину. Саме креатин дозволяє спортсменам витримувати високі навантаження з більшою легкістю. Завдяки його дії в м'язах людини затримується виділення молочної кислоти, яка і викликає численні м'язові болі. З іншого боку креатин дозволяє виробляти сильні фізичні навантаження завдяки вивільненню великої кількості енергії в організмі.
При зростанні навантаження (наприклад, при бігу в гору) витрата АТФ збільшується, причому, якщо це зростання значне, організм знову переходить на анаеробне окислення вуглеводів з утворенням лактату і використання креатин фосфату. Якщо організм не встигає відновлювати рівень АТФ, може швидко настати стан втоми.