Transformácia chemickej energie na prácu svalov

Alojz Marenčík

Úvod

Najúčinnejšou termodynamickou funkciou, ktorá popisuje zmeny chemickej energie a ku ktorým dochádza pri biologickej oxidácii látok, je Gibbsova energia. Ide o kvantitatívnu mieru využiteľnosti chemickej energie, t.j. jej premenu na užitočnú prácu ( chemickú, mechanickú, elektrickú ... ) za konštantného tlaku a teploty ( podmienky v živej bunke ). Gibbsova energia je tiež kritériom priebehu jednotlivých reakcií. Jej úbytok sa rovná práci vykonanej systémom (- ΔG = exergonická reakcia ) pri vratnom izotermickom a izobarickom deji zmenšenej o objemovú prácu ( volná entalpia ). Prírastok Gibbsovej energie vyžaduje vykonať ( vložiť ) prácu (+ ΔG = endorgonická reakcia ).

Metabolická oxidácia glukózy poskytuje za aerobných podmienok pri teplotě 25°C hodnotu ΔG^o = - 2820 kJ.mol^-1 , zatiaľ čo syntéza 1 mol ATP vykazuje priemerne ΔG^o ~ 35 kJ.mol^-1. V skutočnosti sa pri tejto oxidácii miesto 82 mólov ATP ( 2820 : 35 ) uvoľní maximálne 38 mólov ATP. Účinnosť pri takomto výpočte je približne 46%. Tieto hodnoty sa vzťahujú na látky v „štandardnom“ stave a pri koncentrácii 1 mol.dm^-3 a nie na ich skutočné koncentrácie v bunke. Ide preto len o hrubý odhad. Účinnosť tohto procesu in vivo sa odhaduje až na 70%. Príčinou takejto vysokej účinnosti využívania energie v živých systémoch je, že sa v nich „ palivo“ nespaľuje naraz, ako v tepelných strojoch, ale postupne v jednotlivých reakciách glykolýzy, Krebsovho cyklu a respiračného reťazca ( cca 30 reakcií ), čím sa Gibbsova energia znižuje len po relatívne malých stupňoch a preto jej účinnosť dosahuje také vysoké percento (70%) až pokým nedôjde k úplnému „ zhoreniu “.

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O ΔG = - 2820 kJ

Základné poznatky

Pri kvantitatívnom stanovení transformácie chemickej energie na prácu svalov budeme vychádzať z istých predpokladov a fyziologických konštánt :

Človek o hmotnosti 70 kg spotrebuje na bazálny metabolizmus, t.j. najnižšie množstvo energie, potrebné na udržanie potrebných funkcií za určitý čas (zvyčajne sa udáva množstvo energie spotrebované za 1 hodinu na l m² telesného povrchu v úplnom telesnom a duševnom pokoji) približne 7 000 kJ za deň. Všeobecne môžeme postupovať tak, že hmotnosť svojho tela vynásobíme číslom 100. Za hodinu to činí 292 kJ (7 000:24) a za minútu 4,86 kJ (292:60). Tieto energetické nároky kryjeme potravou a to predovšetkým cukrami C (1g C = 20 kJ), bielkovinami B (l g B = 20 kJ) a tukmi T (1 g T = 40 kJ). Pri výpočte vychádzame z hmotnosti človeka. (Na 1 kg hmotnosti človeka pripadá l g bielkovín). Rozdiel do celkovej potreby energie saturujeme cukrami. (Pozri príklad výpočtu).>

Srdce človeka vykonáva obrovskú prácu. Pri 72 tepoch za minútu a pri vývrhovom objeme jedného tepu 60 ml to je 4,32 l krvi (za hodinu 259 l a za deň 6 216 l krvi). V tomto objeme krvi (4,32), ktoré vytlačí srdce do krvného riečišťa  za minútu musí byť minimálne 4,86 kJ energie ( pozri predchádzajúci odstavec ). Tento energetický údaj (4,86 kJ.min^–1) zodpovedá približne 0,3 g glukózy [(178·4,86):2820]. Priamou oxidáciou 1 mólu glukózy, t.j. 180 g (mol. hmotnosť glukózy je 180) získame už uvedených 2 820 kJ. Jeden gram tejto látky obsahuje cca 15,6 kJ (2820:180).

Postup práce

Pred stanovením či už množstva spálenej glukózy, alebo množstva vynaloženej energie na istú pracovnú činnosť, musíme sa najprv naučiť merať tep srdca. Prakticky potrebujeme iba hodinky so sekundovou ručičkou. Merať začíname vtedy, keď je ručička hodín na dvanástke. Ešte pred tým pravú ruku si položíme dlaňou dohora na stôl a ľavou rukou vyhmatáme za zápästím tepnu. Jednotlivé tepy srdca počítame iba 30 sekúnd, hodnotu zapíšeme do tabuľky. Je to preto, že v prípade keď žiak pracuje sám, aby mal čas urobiť zápis. Treba ešte dodať, že túto činnosť robíme v sede v pokoji.

Po zmeraní tepu v nasledujúcej minúte vykonáme v časovom rozpätí cca 45 sekúnd 25 – 30 drepov. Po tomto výkone sa posadíme a začiatkom ďalšej minúty zmeriame tep tak, ako pri meraní v pokoji, t.j. za 30 sekúnd, hodnotu zapíšeme do tabuľky. Meranie opakujeme každú celú minútu až dovtedy, keď sa dostaneme na úroveň hodnôt pred pokusom.

Počet tepov nad „ normálnou“ hodnotou spočítame a vynásobíme hodnotou 0,081 kJ (4,86 : 60 ) pri stanovení spotreby energie, resp. hodnotou 0,005 g (0,3:60) pri stanovení spotreby glukózy.

Pracovný výkon vyjadrený zvýšenou tepovou frekvenciou srdca

Jeden „ vývrhový“ objem srdca je ekvivalentný 5 mg glukózy (0,3:60). V tabuľke sú hodnoty namerané pri 25 drepoch za 45 sekúnd.

Tepová frekvencia za minútu bola u pokusnej osoby v kľude 76 úderov. Po absolvovaní 25 drepov za približne 45 sekúnd prišlo k zvýšeniu hneď nasledujúcu minútu po tomto výkone na 98 tepov. Hodnoty tepovej frekvencie každú nasledujúcu minútu postupne klesajú až sa ustália na pôvodnej hodnote. Keď napokon spočítame rozdiely týchto hodnôt dostaneme číslo 44. Po vynásobení tohto čísla pri spotrebe glukózy 5 mg ( 0,005 g), čo pripadá na jeden tep, dostaneme hodnotu spotreby glukózy (0,22 g), ktorú sme pri tomto výkone „ spálili“. Po prepočte na spotrebu energie dostaneme hodnotu 3,56 kJ.

Tieto hodnoty spotreby energie pri istom výkone môžeme merať aj pri inej pracovnej činnosti. Keď chceme vypočítať celodennú energetickú spotrebu organizmu môžeme vychádzať z nasledovných hodnôt.

Príklad výpočtu krytia energetických nárokov

Záver

Predložený náčrt výpočtu transformácie chemickej energie na prácu svalov predkladáme ako nenáročný pokus pri ktorom si môžu žiaci overiť svoje vedomosti. Využívajú pri tom učivo fyziky, chémie a biológie v ich každodennej činnosti. Takýto postup môže do istej miery zatraktívniť učivo a poukázať na význam jeho osvojovania. Napokon k získavaniu trvalých vedomostí možno prispeje aj tento nápad, s ktorým máme už isté skúsenosti.

Použitá literatúra :

[1] Paulov, Š : Fyziológia živočíchov a človeka. – Slov. ped. nakl. Bratislava, 1980.

[2] Škárka, B., Ferenčík,M. : Biochémia. – Alfa Bratislava, 1983.

[3] Vodrážka, Z. : Fyzikální chemie pro biologické vědy. – Academia Praha, 1982.