Din alimentele pe care le consumăm, se generează energie, care este necesară pentru implementarea tuturor funcțiilor corpului nostru - de la mers și capacitatea de a vorbi până la digestie și respirație. Dar de ce ne plângem adesea de lipsa de energie, iritabilitate sau letargie? Răspunsul constă în ce alimente mâncăm zilnic.
Generarea de energie electrică
Pe langa apa si aer, corpul nostru are nevoie in mod constant de un flux regulat de alimente, care sa ofere rezerve de energie necesare miscarii, respiratiei, termoreglarii, functionarii inimii, circulatiei sangelui si activitatii creierului. În mod uimitor, chiar și în repaus, creierul nostru consumă aproximativ 50% din energia stocată din alimentele pe care le consumăm, consumul de energie crescând dramatic în timpul intensului. activitatea creierului, de exemplu, în timpul examenelor. Cum are loc transformarea alimentelor în energie?
În procesul de digestie, descris mai detaliat în secțiunea relevantă (-79), alimentele sunt descompuse în molecule individuale de glucoză, care apoi intră în fluxul sanguin prin peretele intestinal. Odată cu fluxul sanguin, glucoza este transportată în ficat, unde este filtrată și stocată în rezervă. Glanda pituitară (o glandă din creier secretie interna) trimite un semnal pancreasului și glandelor tiroide pentru a elibera hormoni care obligă ficatul să elibereze glucoza acumulată în fluxul sanguin, după care sângele o livrează acelor organe și mușchi care au nevoie de ea.
După ce au ajuns la organul dorit, moleculele de glucoză pătrund în celule, unde sunt transformate într-o sursă de energie, care este disponibilă pentru utilizare de către celule. Astfel, procesul de alimentare constantă cu energie a organelor depinde de nivelul de glucoză din sânge.
Pentru a crește rezervele de energie ale organismului, trebuie să consumăm anumite tipuri de alimente, în special cele capabile să crească nivelul metabolismului și să mențină nivelul necesar de energie. Pentru a înțelege cum se întâmplă toate acestea, luați în considerare următoarele întrebări:
Cum se transformă alimentele în energie?
Există mitocondrii în fiecare celulă din corpul nostru. Aici, componentele care alcătuiesc produsele alimentare suferă o serie de transformări chimice, având ca rezultat formarea energiei. Fiecare celulă în acest caz este o centrală electrică în miniatură. În mod curios, numărul de mitocondrii din fiecare celulă depinde de cerințele energetice. Cu exerciții fizice regulate, crește pentru a oferi mai multă energie necesară. În schimb, un stil de viață sedentar duce la o scădere a producției de energie și, în consecință, la o scădere a numărului de mitocondrii. Convertirea la energie necesită nutrienți diferiți, fiecare dintre acestea determinând diferite etape ale procesului energetic (vezi Alimentația energetică). Prin urmare, alimentele consumate nu trebuie doar să fie satisfăcătoare, ci și să conțină toate tipurile de nutrienți necesari producerii de energie: carbohidrați, proteine și grăsimi.
ESTE FOARTE IMPORTANT SĂ LIMITAȚI CONȚINUTUL ÎN DIETA A PRODUSELOR CARE IAU ENERGIE SAU ÎNCEDIAȘTE FORMAREA EI. TOATE ASTFEL DE PRODUSE STIMULAZĂ ELIBERAREA HORMONULUI ADRENALINA.
Menținerea unui nivel constant de glucoză din sânge este importantă pentru ca organismul să funcționeze corect (vezi Menținerea nivelurilor normale de zahăr din sânge - 46). În acest scop, este de dorit să se acorde preferință alimentelor cu indice glicemic scăzut. Adăugând proteine și fibre la fiecare masă sau gustare, puteți ajuta la acumularea energiei de care aveți nevoie.
Carbohidrați și glucoză
Energia pe care o extragem din alimente provine mai mult din carbohidrați decât din proteine sau grăsimi. Carbohidrații sunt mai ușor transformați în glucoză și, prin urmare, sunt cea mai convenabilă sursă de energie pentru organism.
Glucoza poate fi utilizată imediat pentru nevoile energetice sau stocată în ficat și mușchi. Este stocat sub formă de glicogen, care, dacă este necesar, este ușor transformat din nou în el. În sindromul de luptă sau fugi (vezi), glicogenul este eliberat în fluxul sanguin pentru a furniza organismului energie suplimentară. Glicogenul este stocat într-o formă solubilă.
Proteinele trebuie echilibrate cu carbohidrații
În timp ce carbohidrații și proteinele sunt esențiale pentru toată lumea, proporțiile acestora pot fluctua în funcție de nevoile și obiceiurile individuale. Raportul optim este selectat individual prin încercare și eroare, dar vă puteți ghida după datele prezentate în tabelul de la pagina 43.
Atenție la proteine. Adăugați întotdeauna carbohidrați complecși de înaltă calitate, cum ar fi legumele dense sau cerealele. Predominanța alimentelor proteice duce la acidificarea mediului intern al organismului, în timp ce acesta ar trebui să fie ușor alcalin. Sistemul intern de autoreglare permite organismului să revină la o stare alcalină prin eliberarea calciului din oase. În cele din urmă, acest lucru poate perturba structura oaselor, duce la osteoporoză, în care apar adesea fracturi.
Băuturile sănătoase și gustările care conțin glucoză oferă o explozie rapidă de energie, dar efectul este de scurtă durată. Mai mult, este însoțită de epuizarea rezervelor de energie acumulate de organism. În timpul sportului cheltuiți multă energie, așa că vă puteți „alimenta” în fața lor cu caș de soia cu fructe de pădure proaspete.
Mâncare bună, bună dispoziție
Încercați să creșteți puțin aportul de proteine în timp ce scădeți carbohidrații sau invers, până când vă determinați nivelul optim de energie.
Nevoile de energie pe tot parcursul vieții
Nevoia de energie suplimentară apare în noi în diferite etape ale vieții. În copilărie, de exemplu, energia este necesară pentru creștere și învățare; în adolescență, pentru schimbările hormonale și fizice în timpul pubertății. În timpul sarcinii, nevoia de energie crește atât la mamă, cât și la făt, iar în timpul stresului, excesul de energie este cheltuit de-a lungul vieții. În plus, o persoană activă necesită mai multă energie decât oamenii obișnuiți.
Jefuitorii de energie
Este foarte important să se limiteze conținutul din alimentație al alimentelor care iau energie sau interferează cu formarea acesteia. Acestea includ alcool, ceai, cafea și băuturi gazoase, precum și prăjituri, biscuiți și dulciuri. Toate aceste alimente stimulează eliberarea hormonului adrenalină, care este produs în glandele suprarenale. Adrenalina se generează cel mai rapid în așa-numitul sindrom de luptă sau fugi, atunci când ceva ne amenință. Eliberarea de adrenalină mobilizează organismul la acțiune. Inima începe să bată mai repede, plămânii absorb mai mult aer, ficatul eliberează mai multă glucoză în sânge, iar sângele se grăbește acolo unde este cel mai necesar - de exemplu, la picioare. O producție crescută de adrenalină, în special cu o nutriție adecvată, poate duce la o senzație persistentă de oboseală.
Stresul este, de asemenea, considerat unul dintre hoții de energie, deoarece stresul eliberează glucoza stocată din ficat și mușchi, rezultând o explozie de energie pe termen scurt, urmată de o stare de oboseală prelungită.
Energie și emoții
În sindromul de luptă sau fugi, glicogenul (carbohidrații stocați) călătorește din ficat în fluxul sanguin, ducând la creșterea nivelului de zahăr din sânge. Din această cauză, stresul prelungit poate afecta grav nivelul zahărului din sânge. Cofeina și nicotina au un efect similar; acestea din urma favorizeaza secretia a doi hormoni - cortizonul si adrenalina - care interfereaza cu procesul de digestie si incurajeaza ficatul sa elibereze glicogenul stocat.
Alimente bogate în energie
Cele mai bogate in termeni energetici sunt alimentele care contin un complex de vitamine B: B1, B2, B3, B5, B6, B12, B9 (acid folic) si biotina. Toate se găsesc din abundență în boabele de mei, hrișcă, secară, quinoa (o cereală sud-americană foarte populară în Occident), porumb și orz. La boabele germinate, valoarea energetică crește de multe ori - valoarea nutritivă a răsadurilor este mărită de enzimele care favorizează creșterea. Multe vitamine B se găsesc și în ierburile proaspete.
Vitamina C, care este prezentă în fructe (de exemplu, portocale) și legume (cartofi, ardei), este de asemenea importantă pentru energia organismului; magneziu, care este abundent în verdețuri, nuci și semințe; zinc (gălbenuș de ou, pește, semințe de floarea soarelui); fier (cereale, seminte de dovleac, linte); cupru (coaja de nucă braziliană, ovăz, somon, ciuperci) și coenzima Q10, care se găsește în carnea de vită, sardine, spanac și alune.
Menținerea nivelului normal de zahăr din sânge
Cât de des a trebuit să te trezești dimineața într-o dispoziție proastă, simțindu-te letargic, copleșit și simțind o nevoie urgentă de a dormi încă o oră sau două? Și viața pare să nu fie o bucurie. Sau, poate, după ce ai fost chinuit până la prânz, te întrebi dacă poți ajunge la prânz. Este și mai rău când ești obosit după-amiaza, la sfârșitul zilei și nu ai idee cum vei ajunge acasă. Și acolo, până la urmă, mai trebuie să gătești cina. Și apoi - mănâncă. Și nu te întrebi: „Doamne, și unde s-a dus ultima putere?”
Oboseala constantă și lipsa de energie pot fi cauzate din diverse motive, dar cel mai adesea sunt rezultatul unei alimentații necorespunzătoare și/sau al alimentației neregulate, precum și al abuzului de stimulente care ajută la „rezistență”.
Depresia, iritabilitatea și schimbările de dispoziție, împreună cu sindromul premenstrual, crizele de furie, anxietatea și nervozitatea, pot rezulta din dezechilibre în producția de energie, malnutriție și diete frecvente la modă.
După ce am primit o idee despre cum și din ce energie este generată în corpul nostru, ne putem crește rapid energia, ceea ce nu numai că va menține eficiența și buna dispoziție pe tot parcursul zilei, ci va asigura și un somn profund sănătos pe timp de noapte.
Ecologia consumului Știință și tehnologie: Una dintre principalele probleme ale energiei alternative este furnizarea neuniformă a acesteia din surse regenerabile. Să luăm în considerare modul în care este posibil să se acumuleze tipuri de energie (deși pentru utilizare practică va trebui apoi să transformăm energia acumulată fie în electricitate, fie în căldură).
Una dintre principalele probleme ale energiei alternative este neuniformitatea furnizării acesteia din surse regenerabile. Soarele strălucește doar în timpul zilei și pe vremea fără nori, vântul fie sufla, fie se stinge. Iar cererea de energie electrică nu este constantă, de exemplu, este nevoie de mai puțin pentru iluminat în timpul zilei și mai mult seara. Și oamenilor le place când orașele și satele sunt inundate de lumini noaptea. Ei bine, sau cel puțin doar străzile sunt luminate. Așa că apare sarcina - să economisiți energia primită pentru o perioadă de timp pentru a o utiliza atunci când necesarul este maxim, iar aportul nu este suficient.
Există 6 tipuri principale de energie: gravitațională, mecanică, termică, chimică, electromagnetică și nucleară. Până acum, omenirea a învățat să creeze baterii artificiale pentru energia primelor cinci tipuri (ei bine, cu excepția faptului că stocurile disponibile de combustibil nuclear sunt de origine artificială). Așadar, vom lua în considerare modul în care este posibil să acumulăm și să stocăm fiecare dintre aceste tipuri de energie (deși pentru utilizare practică va trebui apoi să transformăm energia acumulată fie în electricitate, fie în căldură).
Acumulatoare de energie gravitațională
În dispozitivele de stocare de acest tip, în stadiul de acumulare a energiei, sarcina se ridică, acumulând energie potențială, iar la momentul potrivit coboară înapoi, returnând această energie cu beneficiu. Utilizarea de solide sau lichide ca sarcină aduce propriile caracteristici proiectării fiecărui tip. O poziție intermediară între ele este ocupată de folosirea substanțelor în vrac (nisip, plumb, bile mici de oțel etc.).
Stocarea de energie gravitațională în stare solidă
Esența stocării mecanice gravitaționale este că o anumită sarcină se ridică la o înălțime și la momentul potrivit este eliberată, forțând axa generatorului să se rotească pe parcurs. Un exemplu de implementare a acestei metode de stocare a energiei este un dispozitiv propus de Advanced Rail Energy Storage (ARES) din California. Ideea este simplă: într-o perioadă în care panourile solare și morile de vânt produc multă energie, trăsurile speciale grele sunt conduse pe munte cu ajutorul motoarelor electrice. Noaptea și seara, când nu sunt suficiente surse de energie pentru a alimenta consumatorii, mașinile se prăbușesc, iar motoarele, care funcționează ca generatoare, returnează energia stocată înapoi în rețea.
Aproape toate unitățile mecanice din această clasă au un design foarte simplu și, prin urmare, fiabilitate ridicată și durată lungă de viață. Timpul de stocare a energiei odată stocate este practic nelimitat, cu excepția cazului în care încărcătura și elementele structurale se prăbușesc în timp din cauza bătrâneții sau a coroziunii.
Energia stocată în solidele de ridicare poate fi eliberată într-un timp foarte scurt. Limitarea puterii primite de la astfel de dispozitive este impusă numai de accelerația gravitației, care determină rata maximă de creștere a vitezei de cădere a greutății.
Din păcate, consumul specific de energie al unor astfel de dispozitive este redus și este determinat de formula clasică E = m · g · h. Astfel, pentru a stoca energie pentru încălzirea a 1 litru de apă de la 20 ° C la 100 ° C, este necesar să ridicați o tonă de marfă la cel puțin 35 de metri (sau 10 tone la 3,5 metri). Prin urmare, atunci când devine necesară stocarea mai multă energie, aceasta duce imediat la nevoia de a crea structuri voluminoase și, drept consecință inevitabil, costisitoare.
Dezavantajul unor astfel de sisteme este, de asemenea, că calea pe care se deplasează încărcătura trebuie să fie liberă și destul de dreaptă și, de asemenea, este necesar să se excludă posibilitatea căderii accidentale în această zonă a lucrurilor, oamenilor și animalelor.
Depozitarea fluidelor gravitaționale
Spre deosebire de greutățile solide, atunci când utilizați lichide, nu este nevoie să creați arbori drepti cu o secțiune mare pentru întreaga înălțime de ridicare - lichidul se mișcă perfect de-a lungul țevilor curbe, a căror secțiune ar trebui să fie suficientă doar pentru a trece debitul maxim de proiectare. lor. Prin urmare, rezervoarele superioare și inferioare nu trebuie să fie amplasate unul sub celălalt, ci pot fi separate printr-o distanță suficient de mare.
Din această clasă aparțin centralele cu acumulare prin pompare (PSPP).
Există, de asemenea, acumulatori hidraulici la scară mai mică de energie gravitațională. În primul rând, pompăm 10 tone de apă dintr-un rezervor subteran (puț) într-un container de pe turn. Apoi apa din rezervor curge înapoi în rezervor sub acțiunea gravitației, rotind o turbină cu un generator electric. Durata de viață a unei astfel de unități poate fi de 20 de ani sau mai mult. Avantaje: la utilizarea unei turbine eoliene, aceasta din urmă poate acționa direct o pompă de apă; apa dintr-un rezervor de pe turn poate fi folosită pentru alte nevoi.
Din păcate, sistemele hidraulice sunt mai dificil de menținut în stare tehnică corespunzătoare decât cele cu stare solidă - în primul rând, aceasta se referă la etanșeitatea rezervoarelor și a conductelor și la funcționarea echipamentelor de oprire și pompare. Și încă o condiție importantă - în momentele de acumulare și utilizare a energiei, fluidul de lucru (cel puțin, o parte destul de mare din acesta) trebuie să fie într-o stare lichidă de agregare și să nu fie sub formă de gheață sau abur. Dar, uneori, în astfel de dispozitive de stocare este posibil să se primească energie suplimentară gratuită, de exemplu, atunci când se umple rezervorul superior cu topitură sau apă de ploaie.
Stocarea mecanică a energiei
Energia mecanică se manifestă în timpul interacțiunii, mișcării corpurilor individuale sau a particulelor acestora. Include energia cinetică de mișcare sau rotație a corpului, energia de deformare la îndoire, întindere, răsucire, comprimare a corpurilor elastice (arcuri).
Stocarea de energie giroscopică
În dispozitivele de stocare giroscopice, energia este stocată sub formă de energie cinetică a unui volant care se rotește rapid. Energia specifică stocată pentru fiecare kilogram din greutatea volantului este mult mai mare decât ceea ce poate fi stocat într-un kilogram de sarcină statică, chiar și atunci când este ridicat la o înălțime mare, iar cele mai recente dezvoltări high-tech promit o densitate de energie stocată comparabilă la stocul de energie chimică pe unitatea de masă din cele mai eficiente tipuri de combustibil chimic.
Un alt plus uriaș al volantului este capacitatea de a reveni rapid sau de a primi o putere foarte mare, limitată doar de rezistența la tracțiune a materialelor în cazul transmisiei mecanice sau de „debitul” transmisiilor electrice, pneumatice sau hidraulice.
Din păcate, volantele sunt sensibile la șocuri și rotații în alte planuri decât planul de rotație, deoarece acest lucru creează sarcini giroscopice uriașe care tind să îndoaie axa. În plus, timpul de stocare a energiei stocate în volant este relativ scurt și, pentru modelele convenționale, variază de obicei de la câteva secunde la câteva ore. În plus, pierderile de energie din cauza frecării devin prea vizibile... Cu toate acestea, tehnologiile moderne fac posibilă creșterea dramatică a timpului de depozitare - până la câteva luni.
În sfârșit, încă un moment neplăcut - energia stocată de volant depinde direct de viteza de rotație a acestuia, prin urmare, pe măsură ce se acumulează sau se eliberează energie, viteza de rotație se modifică tot timpul. În același timp, sarcina necesită foarte des o viteză de rotație stabilă, care să nu depășească câteva mii de rotații pe minut. Din acest motiv, sistemele pur mecanice pentru transmiterea puterii către volant și invers pot fi prea complexe de fabricat. Uneori, o transmisie electromecanica poate simplifica situatia folosind un motor-generator situat pe acelasi arbore cu un volant sau o cutie de viteze rigida asociata acestuia. Dar atunci sunt inevitabile pierderile de energie pentru încălzirea firelor și înfășurărilor, care pot fi mult mai mari decât pierderile pentru frecare și alunecare la variatoarele bune.
Deosebit de promițătoare sunt așa-numitele super volante, constând din spire de bandă de oțel, sârmă sau fibră sintetică de înaltă rezistență. Înfășurarea poate fi densă sau poate avea un spațiu liber special lăsat. În acest din urmă caz, pe măsură ce volantul se desfășoară, banda se întoarce din centrul său spre periferia de rotație, schimbând momentul de inerție al volantului, iar dacă banda este încărcată cu arc, atunci stochează o parte din energie în elastic. energia de deformare a arcului. Drept urmare, în astfel de volante, viteza de rotație nu este atât de direct legată de energia acumulată și este mult mai stabilă decât în cele mai simple structuri solide, iar consumul lor de energie este mult mai mare.
Pe lângă intensitatea lor energetică mai mare, ele sunt mai sigure în cazul diverselor accidente, deoarece, spre deosebire de fragmentele unui volant monolit mare, în energia lor și forța distructivă comparabilă cu ghiulele, fragmentele unui arc au mult mai puțină „letalitate” și de obicei încetinește destul de eficient un volant explodat din cauza frecării împotriva pereților corpului. Din același motiv, volantele solide moderne, proiectate să funcționeze în moduri apropiate de redistribuirea rezistenței materialelor, sunt adesea realizate nu monolitice, ci țesute din funii sau fibre impregnate cu un liant.
Design-urile moderne cu o cameră de rotație în vid și o suspensie magnetică a unui super volant din fibră Kevlar asigură o densitate de energie stocată de peste 5 MJ/kg și poate stoca energie cinetică timp de săptămâni sau luni. Potrivit estimărilor optimiste, utilizarea unei fibre „supercarbon” super-puternice pentru înfășurare va crește viteza de rotație și densitatea specifică a energiei stocate de multe ori mai mult - până la 2-3 GJ / kg (ei promit că o rotire a unui astfel de volantul care cântărește 100-150 kg va fi suficient pentru o rulare într-un milion de kilometri sau mai mult, adică pentru aproape toată durata de viață a mașinii!). Cu toate acestea, costul acestei fibre este încă de multe ori mai mare decât costul aurului, așa că nici șeicii arabi nu își pot permite încă astfel de mașini ... Puteți citi mai multe despre transmisiile cu volantă în cartea lui Nurbey Gulia.
Stocarea de energie girorezonantă
Acești acumulatori sunt același volant, dar din material elastic (de exemplu, cauciuc). Drept urmare, are proprietăți fundamental noi. Pe măsură ce viteza crește pe un astfel de volant, încep să se formeze „excrescențe” - „petale” - mai întâi se transformă într-o elipsă, apoi într-o „floare” cu trei, patru sau mai multe „petale” ... practic nu se schimbă, iar energia este stocată în valul rezonant de deformare elastică a materialului volantului, care formează aceste „petale”.
La sfârșitul anilor 1970 și începutul anilor 1980, N.Z. Garmash a fost angajat în astfel de proiecte în Donețk. Rezultatele pe care le-a obținut sunt impresionante - conform estimărilor sale, cu o viteză de funcționare a volantului de doar 7-8 mii rpm, energia stocată a fost suficientă pentru ca mașina să parcurgă 1.500 km față de 30 km cu un volant convențional de aceeași dimensiune. Din păcate, informații mai recente despre acest tip de unitate nu sunt cunoscute.
Acumulatoare mecanice care utilizează forțe elastice
Această clasă de dispozitive are o capacitate specifică de stocare a energiei foarte mare. Dacă este necesar să se respecte dimensiunile mici (câțiva centimetri), consumul său de energie este cel mai mare dintre dispozitivele mecanice de stocare. Dacă cerințele pentru caracteristicile de greutate și dimensiune nu sunt atât de stricte, atunci volantele mari de viteză ultra mare o depășesc ca capacitate energetică, dar sunt mult mai sensibile la factorii externi și au un timp de stocare a energiei mult mai scurt.
Depozitare mecanică cu arc
Comprimarea și îndreptarea arcului poate asigura un debit foarte mare și o alimentare cu energie pe unitatea de timp - poate cea mai mare putere mecanică dintre toate tipurile de dispozitive de stocare a energiei. Ca și în volante, este limitat doar de rezistența materialelor, dar arcurile implementează de obicei mișcarea de translație de lucru în mod direct, iar la volante nu se poate face fără o transmisie destul de complexă (nu este o coincidență că fie arcuri mecanice sunt folosite în pneumatică). arme sau canistre de gaz, care în ele sunt în esență arcuri cu gaz preîncărcate; înainte arme de foc Pentru lupta la distanță, au fost folosite și armele de primăvară - arcuri și arbalete, care cu mult înainte de noua eră au înlocuit complet praștia cu acumularea sa cinetică de energie în trupele profesioniste).
Energia stocată într-un arc comprimat poate fi stocată pentru mulți ani. Cu toate acestea, trebuie avut în vedere faptul că, sub influența deformării constante, orice material acumulează oboseală în timp, iar rețeaua cristalină a metalului arcului se schimbă lent, iar cu cât tensiunile interne sunt mai mari și cu cât temperatura mediului ambiant este mai mare, cu atât mai devreme și într-o măsură mai mare se va întâmpla acest lucru. Prin urmare, după câteva decenii, arcul comprimat, fără a se schimba în exterior, poate fi „descărcat” total sau parțial. Cu toate acestea, arcurile din oțel de înaltă calitate, dacă nu sunt expuse la supraîncălzire sau hipotermie, sunt capabile să funcționeze timp de secole fără nicio pierdere vizibilă a capacității. De exemplu, un ceas de perete mecanic antic dintr-o fabrică completă încă mai funcționează timp de două săptămâni - așa cum a făcut acum mai bine de jumătate de secol, când a fost fabricat.
Dacă este necesară „încărcarea” și „descărcarea” treptată și uniformă a arcului, mecanismul care asigură acest lucru poate fi foarte complex și capricios (uitați-vă în același ceas mecanic - de fapt, multe angrenaje și alte piese servesc tocmai acestui scop). Transmisia electromecanică poate simplifica situația, dar de obicei impune restricții semnificative asupra puterii instantanee a unui astfel de dispozitiv, iar atunci când se lucrează cu puteri mici (câteva sute de wați sau mai puțin), eficiența acestuia este prea scăzută. O sarcină separată este acumularea de energie maximă într-un volum minim, deoarece aceasta generează solicitări mecanice apropiate de rezistența maximă a materialelor utilizate, ceea ce necesită calcule deosebit de atente și o manoperă impecabilă.
Vorbind aici despre arcuri, trebuie să aveți în vedere nu numai metalul, ci și alte elemente solide elastice. Cele mai comune dintre ele sunt benzile de cauciuc. Apropo, în ceea ce privește energia stocată pe unitatea de masă, cauciucul depășește oțelul de zeci de ori, dar servește aproximativ aceeași perioadă de timp mai puțin și, spre deosebire de oțel, își pierde proprietățile după câțiva ani chiar și fără utilizare activă și cu condiții externe ideale – datorită îmbătrânirii chimice relativ rapide și a degradării materialului.
Stocare mecanică a gazelor
În această clasă de dispozitive, energia se acumulează datorită elasticității gazului comprimat. Când există un exces de energie, compresorul pompează gaz în butelie. Atunci când energia stocată trebuie utilizată, gazul comprimat este alimentat într-o turbină, care efectuează direct lucrările mecanice necesare sau rotește un generator electric. În loc de turbină, poți folosi un motor cu piston, care este mai eficient la putere mică (apropo, există și compresoare-motor cu piston reversibile).
Aproape fiecare compresor industrial modern este echipat cu un acumulator similar - un receptor. Adevărat, presiunea acolo depășește rar 10 atm și, prin urmare, rezerva de energie într-un astfel de receptor nu este foarte mare, dar chiar și aceasta permite de obicei de mai multe ori creșterea resurselor de instalare și economisirea energiei.
Un gaz comprimat la o presiune de zeci și sute de atmosfere poate furniza o densitate specifică suficient de mare a energiei stocate pentru un timp aproape nelimitat (luni, ani și la calitate superioară receptor și supape de închidere - zeci de ani - nu fără motiv au devenit atât de răspândite armele pneumatice care folosesc cartușe de gaz comprimat). Totuși, compresorul cu turbină sau motor alternativ inclus în instalație sunt dispozitive destul de complexe, capricioase și au o resursă foarte limitată.
O tehnologie promițătoare pentru crearea rezervelor de energie este comprimarea aerului folosind energia disponibilă într-un moment în care nu este nevoie imediată de aceasta din urmă. Aerul comprimat este racit si depozitat la o presiune de 60-70 atmosfere. Dacă este necesar să se consume energia stocată, aerul este extras din depozit, se încălzește și apoi intră într-o turbină cu gaz specială, unde energia aerului comprimat și încălzit rotește treptele turbinei, al cărei arbore este conectat la un generator electric care furnizează energie electrică sistemului de alimentare.
Pentru depozitarea aerului comprimat se propune, de exemplu, utilizarea minelor adecvate sau a rezervoarelor subterane special create în rocă sărată. Conceptul nu este nou, stocarea aerului comprimat într-o peșteră subterană a fost brevetată încă din 1948, iar prima centrală de stocare a energiei cu aer comprimat (CAES) cu o capacitate de 290 MW funcționează la centrala electrică Huntorf din Germania din 1978. În timpul etapei de compresie a aerului, o mare cantitate de energie se pierde sub formă de căldură. Această energie pierdută trebuie compensată prin aer comprimat înainte de etapa de expansiune în turbina cu gaz, pentru aceasta se folosește combustibil hidrocarburi, cu ajutorul căruia se ridică temperatura aerului. Aceasta înseamnă că instalațiile au o eficiență departe de sută la sută.
Există o cale promițătoare pentru îmbunătățirea eficacității CAES. Constă în reținerea și stocarea căldurii generate în timpul funcționării compresorului în timpul comprimării și răcirii aerului, cu reutilizarea ulterioară a acesteia la reîncălzirea aerului rece (așa-numita recuperare). Cu toate acestea, această opțiune CAES are dificultăți tehnice semnificative, în special în direcția creării unui sistem de conservare a căldurii pe termen lung. Dacă aceste probleme vor fi abordate, AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) ar putea deschide calea unor sisteme de stocare a energiei la scară largă, problemă care a fost ridicată de cercetătorii din întreaga lume.
Membrii startup-ului canadian Hydrostor au propus o altă soluție neobișnuită - de a pompa energie în bule subacvatice.
Stocarea energiei termice
În a noastră condiții climatice o parte foarte semnificativă (adesea cea mai mare parte) din energia consumată este cheltuită pentru încălzire. Prin urmare, ar fi foarte convenabil să acumulați căldură direct în dispozitivul de stocare și apoi să o primiți înapoi. Din păcate, în majoritatea cazurilor, densitatea energiei stocate este foarte scăzută, iar termenii de conservare a acesteia sunt foarte limitati.
Există acumulatori de căldură cu material de stocare a căldurii solide sau în topire; lichid; aburi; termochimic; cu element de incalzire electric. Acumulatoarele de căldură pot fi conectate la un sistem cu un cazan cu combustibil solid, un sistem solar sau un sistem combinat.
Stocarea energiei datorita capacitatii termice
În dispozitivele de stocare de acest tip, căldura se acumulează datorită capacității termice a substanței care servește drept fluid de lucru. Un exemplu clasic de acumulator de căldură este aragazul rusesc. A fost încălzit o dată pe zi și apoi a încălzit casa timp de 24 de ore. În zilele noastre, un acumulator de căldură este cel mai adesea înțeles ca rezervoare de stocare apa fierbinte, învelit cu material cu proprietăți ridicate de izolare termică.
Există, de asemenea, acumulatori de căldură pe bază de purtători de căldură solizi, de exemplu, în cărămizi ceramice.
Substanțe diferite au capacități termice diferite. Pentru majoritatea, este în intervalul de la 0,1 la 2 kJ / (kg K). Apa are o capacitate termică anormal de mare - capacitatea sa de căldură în fază lichidă este de aproximativ 4,2 kJ / (kg K). Doar litiul foarte exotic are o capacitate termică mai mare - 4,4 kJ / (kg · K).
Cu toate acestea, pe lângă capacitatea termică specifică (în masă), este necesar să se țină cont de capacitatea termică volumetrică, ceea ce face posibilă determinarea câtă căldură este necesară pentru a modifica temperatura aceluiași volum a diferitelor substanțe de către aceeasi suma. Se calculează din capacitatea termică specifică (masă) obișnuită prin înmulțirea acesteia cu densitatea specifică a substanței corespunzătoare. Capacitatea termică volumetrică ar trebui să fie ghidată de când volumul acumulatorului de căldură este mai important decât greutatea acestuia.
De exemplu, capacitatea termică specifică a oțelului este de numai 0,46 kJ / (kg K), dar densitatea este de 7800 kg / m3 și, să zicem, pentru polipropilenă - 1,9 kJ / (kg este doar 900 kg / m3. Prin urmare, cu același volum, oțelul va putea stoca de 2,1 ori mai multă căldură decât polipropilena, deși va fi de aproape 9 ori mai greu. Totuși, datorită capacității termice anormal de mare a apei, niciun material nu o poate depăși în ceea ce privește capacitatea termică volumetrică. Cu toate acestea, capacitatea termică volumetrică a fierului și a aliajelor sale (oțel, fontă) diferă de apă cu mai puțin de 20% - într-un metru cub pot stoca mai mult de 3,5 MJ de căldură pentru fiecare grad de schimbare a temperaturii, capacitatea de căldură volumetrică. de cupru este ceva mai mic - 3,48 MJ /(cub.m K). Capacitatea de căldură a aerului în condiții normale este de aproximativ 1 kJ / kg, sau 1,3 kJ / m3, așa că pentru a încălzi un metru cub de aer cu 1 °, este suficient să răciți puțin mai puțin de 1/3 litru de apă cu același lucru. grad (în mod natural, mai fierbinte decât aerul).
Datorită simplității dispozitivului (care ar putea fi mai simplu decât o bucată solidă staționară de solid sau un rezervor închis cu un purtător de căldură lichid?), astfel de dispozitive de stocare a energiei au un număr aproape nelimitat de cicluri de stocare-eliberare a energiei și o durată foarte lungă. durata de viață - pentru fluidele de transfer de căldură până când lichidul se usucă sau până când rezervorul este deteriorat din cauza coroziunii sau din alte motive, pentru starea solidă nu există aceste restricții. Dar timpul de depozitare este foarte limitat și, de regulă, variază de la câteva ore la câteva zile - pentru o perioadă mai lungă, izolația termică obișnuită nu mai este capabilă să rețină căldura, iar densitatea specifică a energiei stocate este scăzută.
În cele din urmă, trebuie subliniată încă o circumstanță - pentru o funcționare eficientă, nu numai capacitatea termică este importantă, ci și conductibilitatea termică a substanței acumulatorului de căldură. Cu o conductivitate termică ridicată, chiar și la schimbări destul de rapide ale condițiilor externe, acumulatorul de căldură va reacționa cu întreaga sa masă și, prin urmare, cu toată energia sa stocată - adică cât mai eficient posibil.
În cazul conductibilității termice slabe, doar partea de suprafață a acumulatorului de căldură va avea timp să reacționeze, iar schimbările pe termen scurt ale condițiilor externe pur și simplu nu vor avea timp să ajungă la straturile adânci și o parte semnificativă a substanței unui astfel de un acumulator de căldură va fi efectiv exclus de la lucru.
Polipropilena, menționată în exemplul considerat chiar mai sus, are o conductivitate termică de aproape 200 de ori mai mică decât oțelul și, prin urmare, în ciuda capacității termice specifice suficient de ridicate, nu poate fi un acumulator de căldură eficient. Cu toate acestea, din punct de vedere tehnic, problema se rezolvă cu ușurință prin organizarea de canale speciale pentru circulația lichidului de răcire în interiorul acumulatorului de căldură, dar este evident că o astfel de soluție complică semnificativ proiectarea, îi reduce fiabilitatea și consumul de energie și, cu siguranță, va necesita întreținere periodică, care este cu greu nevoie de o bucată de material monolitică.
Oricât de ciudat ar părea, uneori este necesar să se acumuleze și să se depoziteze nu căldură, ci rece. De mai bine de un deceniu, companiile operează în SUA care oferă „baterii” pe bază de gheață pentru instalarea în aparatele de aer condiționat. Noaptea, când există un surplus de energie electrică și se vinde la prețuri reduse, aparatul de aer condiționat îngheață apa, adică trece în regim de frigider. În timpul zilei, consumă de câteva ori mai puțină energie, funcționând ca un ventilator. Compresorul consumator de energie este oprit pentru această perioadă. ...
Acumularea de energie la schimbarea stării de fază a materiei
Dacă te uiți îndeaproape la parametrii termici ai diferitelor substanțe, poți observa că atunci când starea de agregare se schimbă (topire-întărire, evaporare-condens), are loc o absorbție sau eliberare semnificativă de energie. Pentru majoritatea substanțelor, energia termică a unor astfel de transformări este suficientă pentru a modifica temperatura aceleiași cantități din aceeași substanță cu multe zeci, sau chiar sute de grade în acele intervale de temperatură în care starea sa de agregare nu se modifică. Dar, după cum știți, până când starea de agregare a întregului volum al unei substanțe devine aceeași, temperatura acesteia este practic constantă! Prin urmare, ar fi foarte tentant să acumulați energie prin schimbarea stării de agregare - se acumulează multă energie, iar temperatura se schimbă puțin, astfel încât, în consecință, nu este necesar să se rezolve problemele asociate cu încălzirea la temperaturi mariși, în același timp, puteți obține o capacitate bună a unui astfel de acumulator de căldură.
Topire și cristalizare
Din păcate, în prezent, practic nu există substanțe ieftine, sigure și rezistente la descompunere, cu o energie mare de tranziție de fază, al căror punct de topire ar fi în intervalul cel mai relevant - aproximativ de la + 20 ° С la + 50 ° С (maximum + 70 ° С - aceasta este încă o temperatură relativ sigură și ușor de atins). De regulă, compușii organici complecși se topesc în acest interval de temperatură, care nu sunt deloc benefici pentru sănătate și sunt adesea oxidați rapid în aer.
Poate că cele mai potrivite substanțe sunt parafinele, punctul de topire al celor mai multe dintre ele, în funcție de tip, se situează în intervalul 40 ... 65 ° C (deși există și parafine "lichid" cu un punct de topire de 27 ° C sau mai puțin, precum și ozocherita naturală legată de parafine, al cărei punct de topire se află în intervalul 58..100 ° С). Atât parafinele, cât și ozokeritul sunt destul de sigure și sunt, de asemenea, folosite în scopuri medicale pentru încălzirea directă a punctelor dureroase de pe corp.
Cu toate acestea, cu o capacitate de căldură bună, conductivitatea lor termică este foarte scăzută - atât de mică încât parafina sau ozocherita aplicate pe corp, încălzite la 50-60 ° C, se simte doar plăcut cald, dar fără opărire, așa cum ar fi cu apa încălzită la aceeași temperatură.- acest lucru este bun pentru medicină, dar pentru un acumulator de căldură este un dezavantaj absolut. În plus, aceste substanțe nu sunt atât de ieftine, să zicem, prețul cu ridicata pentru ozokerit în septembrie 2009 a fost de aproximativ 200 de ruble pe kilogram, iar un kilogram de parafină a costat de la 25 de ruble (tehnice) la 50 și mai mult (alimente foarte purificate, adică adecvate). pentru utilizare în ambalajul produselor). Acestea sunt prețuri angro pentru loturi de câteva tone, la prețurile cu amănuntul sunt din ce în ce mai scumpe de cel puțin o dată și jumătate.
Ca rezultat, eficiența economică a acumulatorului de căldură cu parafină se dovedește a fi o întrebare mare, - la urma urmei, un kilogram sau două de parafină sau ozocherită este potrivită numai pentru încălzirea medicală a spatelui rupt pentru câteva zeci de minute și pentru a asigura o temperatură stabilă a unei locuințe mai mult sau mai puțin spațioase timp de cel puțin o zi, masa acumulatorului de căldură cu parafină trebuie măsurată în tone, astfel încât costul acestuia să se apropie imediat de costul unui autoturism (deși în segment de preț mai mic)!
Și temperatura tranziției de fază, în mod ideal, ar trebui totuși să corespundă exact intervalului confortabil (20..25 ° C) - altfel, va trebui să organizați un fel de sistem de control al schimbului de căldură. Cu toate acestea, punctul de topire în regiunea de 50..54 ° C, tipic pentru parafinele înalt purificate, în combinație cu căldura ridicată de tranziție de fază (puțin mai mult de 200 kJ / kg) este foarte potrivit pentru un acumulator de căldură conceput pentru a oferi alimentarea cu apa calda si incalzirea apei calde.singura problema este conductivitatea termica scazuta si pretul ridicat al parafinei.
Dar în caz de forță majoră, parafina în sine poate fi folosită ca combustibil cu o putere calorică bună (deși acest lucru nu este atât de ușor de făcut - spre deosebire de benzină sau kerosen, parafina lichidă și chiar mai solidă nu arde în aer, o fitilul sau alt dispozitiv este necesar pentru a alimenta în zona de ardere nu parafina în sine, ci doar vaporii acesteia)!
Un exemplu de sistem de stocare a energiei termice prin topire și cristalizare este sistemul de stocare a energiei termice TESS pe bază de siliciu, dezvoltat de compania australiană Latent Heat Storage.
Evaporare și condensare
Căldura de vaporizare-condensare, de regulă, este de câteva ori mai mare decât căldura de fuziune-cristalizare. Și se pare că nu sunt atât de puține substanțele care se evaporă în intervalul de temperatură necesar. Pe lângă disulfura de carbon, acetonă, eterul etilic etc., care este otrăvitor, mai există și alcoolul etilic (siguranța lui relativă este dovedită zilnic prin exemplul personal de milioane de alcoolici din întreaga lume!). În condiții normale, alcoolul fierbe la 78 ° C, iar căldura sa de vaporizare este de 2,5 ori mai mare decât căldura de fuziune a apei (gheață) și echivalează cu încălzirea aceleiași cantități de apă lichidă cu 200 °.
Totuși, spre deosebire de topire, când modificările de volum ale unei substanțe rareori depășesc câteva procente, în timpul evaporării, vaporii ocupă întregul volum furnizat acesteia. Iar dacă acest volum este nelimitat, atunci aburul se va evapora, luând cu sine irevocabil toată energia acumulată. Într-un volum închis, presiunea va începe imediat să crească, prevenind evaporarea unor noi porțiuni ale fluidului de lucru, așa cum este cazul în cea mai obișnuită oală sub presiune, prin urmare, doar un mic procent din substanța de lucru suferă o schimbare a stării. de agregare, în timp ce restul continuă să se încălzească în faza lichidă. Aici se deschide inventatorilor un domeniu larg de activitate - crearea unui acumulator de căldură eficient bazat pe evaporare și condensare cu o deplasare variabilă închisă ermetic.
Tranziții de fază de al doilea fel
Pe lângă tranzițiile de fază asociate cu o schimbare a stării de agregare, unele substanțe și în cadrul unei stări de agregare pot avea mai multe stări de fază diferite. O schimbare a unor astfel de stări de fază, de regulă, este, de asemenea, însoțită de o eliberare sau absorbție notabilă de energie, deși de obicei mult mai puțin semnificativă decât cu o schimbare a stării de agregare a unei substanțe. În plus, în multe cazuri, cu astfel de modificări, spre deosebire de o schimbare a stării de agregare, există o histerezis de temperatură - temperaturile tranzițiilor de fază directă și inversă pot diferi semnificativ, uneori cu zeci sau chiar sute de grade.
Stocarea energiei electrice
Electricitatea este cea mai convenabilă și versatilă formă de energie din lume astăzi. Nu este de mirare că stocarea energiei electrice este cea care se dezvoltă cel mai rapid. Din păcate, în cele mai multe cazuri, capacitatea specifică a dispozitivelor ieftine este mică, iar dispozitivele cu o capacitate specifică mare sunt încă prea scumpe pentru stocarea rezervelor mari de energie în utilizare în masă și au o durată foarte scurtă de viață.
Condensatoare
Cele mai populare dispozitive „electrice” de stocare a energiei sunt condensatoarele radio-tehnice convenționale. Au o rată extraordinară de acumulare și eliberare de energie - de regulă, de la câteva mii la multe miliarde de cicluri complete pe secundă și sunt capabile să funcționeze în acest fel într-un interval larg de temperatură timp de mulți ani sau chiar decenii. Combinând mai multe condensatoare în paralel, le puteți crește cu ușurință capacitatea totală până la valoarea dorită.
Condensatorii pot fi împărțiți în două clase mari - nepolare (de obicei „uscate”, adică care nu conțin un electrolit lichid) și polare (de obicei electrolitice). Utilizarea unui electrolit lichid oferă o capacitate specifică semnificativ mai mare, dar aproape întotdeauna necesită respectarea polarității la conectare. În plus, condensatoarele electrolitice sunt adesea mai sensibile la condițiile externe, în primul rând la temperatură, și au o durată de viață mai scurtă (în timp, electrolitul se evaporă și se usucă).
Cu toate acestea, condensatorii au două dezavantaje principale. În primul rând, este o densitate specifică foarte scăzută a energiei stocate și, prin urmare, o capacitate mică (față de alte tipuri de stocare). În al doilea rând, acesta este un timp scurt de stocare, care este de obicei calculat în minute și secunde și rareori depășește câteva ore și, în unele cazuri, este doar mici fracțiuni de secundă. Drept urmare, domeniul de aplicare al condensatorilor este limitat de diferite circuite electronice și de acumularea pe termen scurt suficientă pentru redresarea, corectarea și filtrarea curentului în inginerie electrică de putere - încă nu sunt suficiente pentru mai multe.
Supercondensatoare
Ionistorii, numiți uneori „supercondensatori”, pot fi priviți ca un fel de legătură intermediară între condensatorii electrolitici și bateriile electrochimice. Din prima, au moștenit un număr aproape nelimitat de cicluri de încărcare-descărcare, iar de la cele din urmă, curenți de încărcare și descărcare relativ mici (un ciclu complet de încărcare-descărcare poate dura o secundă, sau chiar mult mai mult). Capacitatea lor este, de asemenea, în intervalul dintre cei mai capaci condensatori și cele mai mici baterii - de obicei rezerva de energie este de la câteva până la câteva sute de jouli.
În plus, trebuie remarcat faptul că supercondensatorii sunt suficient de sensibili la temperatură și la timpul limitat de stocare al încărcării - de la câteva ore până la maximum câteva săptămâni.
Baterii electrochimice
Bateriile electrochimice au fost inventate în primele zile ale ingineriei electrice și acum pot fi găsite peste tot - de la telefoane mobile la avioane și nave. În general, ele funcționează pe baza anumitor reacții chimice și, prin urmare, ar putea fi atribuite următoarei secțiuni a articolului nostru - „Depozitarea energiei chimice”. Dar din moment ce acest punct nu este de obicei subliniat, dar se acordă atenție faptului că bateriile stochează energie electrică, le vom lua în considerare aici.
De regulă, atunci când este necesar să stocați o energie suficient de mare - de la câteva sute de kilojuli și mai mult - se folosesc baterii cu plumb-acid (de exemplu, orice mașină). Cu toate acestea, au dimensiuni considerabile și, cel mai important, greutate. Dacă aveți nevoie de o greutate ușoară și o mobilitate a dispozitivului, atunci se folosesc tipuri mai moderne de baterii - nichel-cadmiu, metal-hidrură, litiu-ion, polimer-ion etc. Au o capacitate specifică mult mai mare, dar și ele. au un cost specific de stocare a energiei.mult mai mare, deci utilizarea lor este de obicei limitata la dispozitive relativ mici si economice precum telefoane mobile, camere foto si video, laptop-uri etc.
Recent, bateriile litiu-ion de mare putere au început să fie folosite în mașinile hibride și vehiculele electrice. Pe lângă greutatea mai mică și capacitatea specifică mai mare, spre deosebire de cele cu plumb-acid, acestea permit utilizarea aproape completă a capacității lor nominale, sunt considerate mai fiabile și au o durată de viață mai lungă, iar eficiența lor energetică într-un ciclu complet depășește 90%, în timp ce eficiența energetică a bateriilor plumb-acid, atunci când ultimele 20% din capacitate sunt încărcate, capacitatea poate scădea la 50%.
În funcție de modul de utilizare, bateriile electrochimice (în primul rând cele puternice) sunt, de asemenea, împărțite în două clase mari - așa-numitele de tracțiune și cele de pornire. De obicei, o baterie de pornire poate funcționa destul de cu succes ca o baterie de tracțiune (principalul este să controlezi gradul de descărcare și să nu-l aduci la o astfel de adâncime care este permisă pentru bateriile de tracțiune), dar în aplicarea inversă, o sarcină prea mare curentul poate dezactiva foarte repede bateria de tracțiune.
Dezavantajele bateriilor electrochimice includ un număr foarte limitat de cicluri de încărcare-descărcare (în majoritatea cazurilor, de la 250 la 2000, și chiar și în absența funcționării active, majoritatea tipurilor de baterii se degradează după câțiva ani, pierzându-și proprietățile de consum. . ..
În același timp, durata de viață a multor tipuri de baterii nu merge de la începutul funcționării lor, ci din momentul fabricării. În plus, bateriile electrochimice se caracterizează prin sensibilitate la temperatură, un timp lung de încărcare, uneori de zeci de ori mai lung decât timpul de descărcare și necesitatea de a respecta metoda de utilizare (prevenirea descărcării profunde pentru bateriile cu plumb și, invers, , respectarea unui ciclu complet de încărcare-descărcare pentru hidrură metalică și multe alte tipuri de baterii). Timpul de stocare a încărcării este, de asemenea, destul de limitat - de obicei de la o săptămână la un an. Pentru bateriile vechi, nu doar capacitatea scade, ci și timpul de stocare, iar ambele pot fi reduse de multe ori.
Evoluțiile cu scopul de a crea noi tipuri de baterii electrice și de a îmbunătăți dispozitivele existente nu se opresc.
Stocarea energiei chimice
Energia chimică este energia „înmagazinată” în atomii substanțelor, care este eliberată sau absorbită prin reacțiile chimice dintre substanțe. Energia chimică este fie eliberată sub formă de căldură în timpul reacțiilor exoterme (de exemplu, arderea combustibilului), fie convertită în energie electrică în celulele galvanice și baterii. Aceste surse de energie se caracterizează prin randament ridicat (până la 98%), dar capacitate redusă.
Dispozitivele de stocare a energiei chimice vă permit să primiți energie în forma din care a fost stocată și în orice alta. Există soiuri „combustibil” și „non-combustibil”. Spre deosebire de dispozitivele de stocare termochimică la temperatură joasă (despre ele puțin mai târziu), care pot stoca energie pur și simplu fiind plasate într-un loc suficient de cald, nu te poți lipsi de tehnologii speciale și echipamente de înaltă tehnologie, uneori foarte voluminoase. În special, dacă, în cazul reacțiilor termochimice la temperatură joasă, amestecul de reactivi nu este de obicei separat și este întotdeauna în același recipient, reactivii pentru reacțiile la temperatură înaltă sunt stocați separat unul de celălalt și sunt combinați numai atunci când energia Este nevoie.
Stocarea energiei prin producerea de combustibil
În timpul etapei de stocare a energiei, are loc o reacție chimică, în urma căreia combustibilul este recuperat, de exemplu, hidrogenul este eliberat din apă - prin electroliză directă, în celule electrochimice folosind un catalizator sau prin descompunere termică, de exemplu, prin un arc electric sau lumina solară foarte concentrată. Oxidantul „eliberat” poate fi colectat separat (pentru oxigen este necesar într-un obiect izolat închis - sub apă sau în spațiu) sau „aruncat” ca fiind inutil, deoarece în momentul utilizării combustibilului, acest oxidant va fi destul de suficient în mediu și nu este nevoie să risipești spațiu și fonduri pentru depozitarea sa organizată.
În etapa de extracție a energiei, combustibilul uzat este oxidat cu eliberarea de energie direct în forma dorită, indiferent de modul în care a fost obținut acest combustibil. De exemplu, hidrogenul poate produce imediat căldură (atunci când este ars într-un arzător), energie mecanică (când este alimentat ca combustibil într-un motor cu ardere internă sau turbină) sau electricitate (când este oxidat într-o pilă de combustibil). De regulă, astfel de reacții de oxidare necesită inițiere suplimentară (aprindere), ceea ce este foarte convenabil pentru controlul procesului de recuperare a energiei.
Această metodă este foarte atractivă datorită independenței etapelor de stocare a energiei ("încărcare") și a utilizării acesteia ("descărcare"), a capacității specifice ridicate a energiei stocate în combustibil (zeci de megajouli pe kilogram de combustibil) și posibilitatea de depozitare pe termen lung (cu condiția ca recipientele să fie sigilate corespunzător - pentru mulți ani). Cu toate acestea, distribuția sa largă este împiedicată de dezvoltarea incompletă și costul ridicat al tehnologiei, pericolul ridicat de incendiu și explozie în toate etapele lucrului cu un astfel de combustibil și, în consecință, nevoia de personal înalt calificat în întreținerea și operarea acestor sisteme. . În ciuda acestor neajunsuri, în lume se dezvoltă diverse instalații care folosesc hidrogenul ca sursă de energie de rezervă.
Stocarea energiei prin reacții termochimice
Este de mult cunoscut un grup mare de reacții chimice, care într-un vas închis, atunci când sunt încălzite, merg într-o direcție cu absorbția energiei, iar când sunt răcite, în direcția opusă cu eliberarea de energie. Astfel de reacții sunt adesea numite termochimice. Eficiența energetică a unor astfel de reacții, de regulă, este mai mică decât atunci când se schimbă starea de agregare a unei substanțe, cu toate acestea, este, de asemenea, foarte vizibilă.
Astfel de reacții termochimice pot fi considerate ca un fel de schimbare a stării de fază a unui amestec de reactivi, iar problemele aici sunt aproximativ aceleași - este dificil să găsești un amestec ieftin, sigur și eficient de substanțe care să acționeze cu succes în acest fel. în intervalul de temperatură de la + 20 ° C la + 70 ° C. Cu toate acestea, o astfel de compoziție este cunoscută de multă vreme - este sarea lui Glauber.
Mirabilite (aka sarea lui Glauber, alias sulfat de sodiu decahidrat Na2SO4 · 10H2O) este obținută ca urmare a reacțiilor chimice elementare (de exemplu, atunci când sarea de masă este adăugată la acidul sulfuric) sau este extrasă sub formă „gata preparată” ca mineral.
Din punctul de vedere al acumulării de căldură, cea mai interesantă caracteristică a mirabilitei este că atunci când temperatura crește peste 32 ° C, apa legată începe să fie eliberată, iar în exterior arată ca o „topire” a cristalelor care se dizolvă în apa eliberată. de la ei. Când temperatura scade la 32 ° C, apa liberă este din nou legată de structura hidratului cristalin - are loc „cristalizarea”. Dar cel mai important este că căldura acestei reacții de hidratare-deshidratare este foarte mare și se ridică la 251 kJ/kg, ceea ce este vizibil mai mare decât căldura de topire-cristalizare „cinstă” a parafinelor, deși este cu o treime mai mică decât căldura de topire a gheții (apei).
Astfel, un acumulator de căldură bazat pe o soluție saturată de mirabilite (saturată exact la o temperatură peste 32 ° C) poate menține eficient temperatura la 32 ° C cu o resursă mare de stocare sau eliberare de energie. Desigur, această temperatură este prea scăzută pentru o sursă de apă caldă completă (un duș cu o astfel de temperatură este în cel mai bun caz perceput ca „foarte răcoros”), dar această temperatură poate fi destul de suficientă pentru încălzirea aerului.
Stocare de energie chimică fără combustibil
În acest caz, în stadiul de „încărcare” de la unele substanțe chimice, se formează altele, iar în timpul acestui proces, energia este stocată în noile legături chimice care se formează (de exemplu, varul stins este transformat într-o stare nestinsă cu ajutorul de încălzire).
La „descărcare”, are loc o reacție inversă, însoțită de eliberarea energiei stocate anterior (de obicei sub formă de căldură, uneori suplimentar sub formă de gaz care poate fi furnizat turbinei) - în special, asta se întâmplă exact. când varul este „stins” cu apă. Spre deosebire de metodele cu combustibil, pentru a începe o reacție, este de obicei suficient să combinați pur și simplu reactivii între ei - nu este necesară inițierea suplimentară a procesului (aprindere).
De fapt, acesta este un fel de reacție termochimică, însă, spre deosebire de reacțiile la temperatură joasă descrise atunci când se iau în considerare dispozitivele de stocare a energiei termice și nu necesită condiții speciale, aici vorbim de temperaturi de multe sute sau chiar mii de grade. Ca urmare, cantitatea de energie stocată în fiecare kilogram de substanță de lucru crește semnificativ, dar echipamentul este de multe ori mai complex, voluminos și mai scump decât sticlele goale de plastic sau un simplu rezervor de reactiv.
Necesitatea de a consuma o substanță suplimentară - să zicem, apă pentru stingerea varului - nu este un dezavantaj semnificativ (dacă este necesar, puteți colecta apa eliberată în timpul trecerii varului la starea de var nestins). Si aici conditii speciale depozitarea acestui var foarte neted, a cărui încălcare este plină nu numai de arsuri chimice, ci și de o explozie, traduce aceasta și metode similare în categoria celor care este puțin probabil să iasă în viață larg răspândită.
Alte tipuri de stocare a energiei
Pe lângă cele descrise mai sus, există și alte tipuri de dispozitive de stocare a energiei. Cu toate acestea, în prezent ele sunt foarte limitate în ceea ce privește densitatea energiei stocate și timpul de stocare a acesteia la un cost unitar ridicat. Prin urmare, în timp ce sunt mai folosiți pentru divertisment, și exploatarea lor în scopuri serioase nu este luată în considerare. Un exemplu sunt vopselele fosforescente, care stochează energie dintr-o sursă de lumină puternică și apoi strălucesc pentru câteva secunde sau chiar minute lungi. Modificările lor moderne nu conțin fosfor toxic pentru o lungă perioadă de timp și sunt destul de sigure chiar și pentru utilizarea în jucăriile pentru copii.
Dispozitivele de stocare a energiei magnetice supraconductoare o stochează în câmpul unei bobine magnetice DC mari. Poate fi convertit în curent electric alternativ după cum este necesar. Acumulatoarele de joasă temperatură sunt răcite cu heliu lichid și sunt disponibile pentru aplicații industriale. Unitățile de stocare la temperaturi înalte răcite cu hidrogen lichid sunt încă în curs de dezvoltare și pot deveni disponibile în viitor.
Dispozitivele de stocare a energiei magnetice supraconductoare au dimensiuni mari și sunt utilizate de obicei pentru perioade scurte de timp, cum ar fi în timpul comutărilor. publicat
Creșterea abundentă a copacilor grasi,
care rădăcinează pe nisipul sterp
aprobat, afirmă clar că
frunze grase grasime grasa din aer
absorb...
M. V. Lomonosov
Cum este stocată energia într-o celulă? Ce este metabolismul? Care este esența proceselor de glicoliză, fermentație și respirație celulară? Ce procese au loc în timpul fazelor de lumină și întuneric ale fotosintezei? Cum sunt legate procesele de metabolism energetic și plastic? Ce este chimiosinteza?
Lecție-prelecție
Capacitatea de a converti unele tipuri de energie în altele (energia radiațiilor în energia legăturilor chimice, energia chimică în energie mecanică etc.) este una dintre proprietățile fundamentale ale viețuitoarelor. Aici vom analiza în detaliu modul în care aceste procese sunt realizate în organismele vii.
ATF - PRINCIPALUL PURTĂTOR DE ENERGIE ÎN CELULĂ... Pentru implementarea oricăror manifestări ale activității vitale a celulelor, este nevoie de energie. Organismele autotrofe primesc energia inițială de la Soare în cursul reacțiilor de fotosinteză, în timp ce organismele heterotrofe folosesc compuși organici din alimente ca sursă de energie. Energia este stocată de celule în legăturile chimice ale moleculelor ATP (adenozin trifosfat), care sunt o nucleotidă formată din trei grupe fosfat, un rest de zahăr (riboză) și un rest de bază azotată (adenină) (Fig. 52).
Orez. 52. Molecula de ATP
Legătura dintre reziduurile de fosfat se numește de înaltă energie, deoarece atunci când este ruptă, este eliberată o cantitate mare de energie. De obicei, celula extrage energie din ATP prin scindarea doar a grupului fosfat terminal. În acest caz, se formează ADP (adenozin difosfat), acid fosforic și se eliberează 40 kJ / mol:
Moleculele de ATP joacă rolul de cip de negociere a energiei universale a celulei. Ele sunt livrate în locul în care are loc procesul intensiv energetic, fie că este vorba despre sinteza enzimatică a compușilor organici, lucrul proteinelor - motoare moleculare sau proteine de transport membranar etc. Sinteza inversă a moleculelor de ATP se realizează prin atașarea unui gruparea fosfat la ADP cu absorbție de energie. Stocarea energiei de către celulă sub formă de ATP se realizează în cursul reacțiilor schimb de energie... Este strâns legat de schimb plastic, timp în care celula produce compușii organici necesari funcționării sale.
SCHIMB DE SUBSTANȚE ȘI ENERGIE ÎN CELULĂ (METABOLISM)... Metabolismul este un ansamblu de reacții ale metabolismului plastic și energetic, interconectate. Celulele sintetizează constant carbohidrați, grăsimi, proteine, acizi nucleici. Sinteza compușilor are loc întotdeauna cu cheltuirea energiei, adică cu participarea indispensabilă a ATP. Sursele de energie pentru formarea ATP sunt reacțiile enzimatice de oxidare a proteinelor, grăsimilor și carbohidraților care intră în celulă. În timpul acestui proces, energia este eliberată și stocată în ATP. Oxidarea glucozei joacă un rol deosebit în metabolismul energetic al celulei. În acest caz, moleculele de glucoză suferă o serie de transformări succesive.
Prima etapă, numită glicoliza, trece în citoplasma celulelor și nu necesită oxigen. Ca rezultat al reacțiilor succesive care implică enzime, glucoza se descompune în două molecule de acid piruvic. În acest caz, se consumă două molecule de ATP, iar energia eliberată în timpul oxidării este suficientă pentru formarea a patru molecule de ATP. Ca rezultat, randamentul energetic al glicolizei este mic și se ridică la două molecule de ATP:
C 6 H1 2 0 6 → 2C 3 H 4 0 3 + 4H + + 2ATP
În condiții anaerobe (în absența oxigenului), transformările ulterioare pot fi asociate cu diferite tipuri de fermentaţie.
Toată lumea știe fermentarea acidului lactic(lapte acru), care apare din cauza activității ciupercilor și bacteriilor acidului lactic. Mecanismul este similar cu glicoliza, doar produsul final este acidul lactic. Acest tip de oxidare a glucozei apare în celule când oxigenul este deficitar, de exemplu în mușchii care lucrează intens. Apropiat în chimie de acidul lactic și fermentația alcoolică. Diferența constă în faptul că produsele fermentației alcoolice sunt alcoolul etilic și dioxidul de carbon.
Următoarea etapă, în timpul căreia acidul piruvic este oxidat în dioxid de carbon și apă, se numește respirație celulară ... Reacțiile respiratorii au loc în mitocondriile celulelor vegetale și animale și numai în prezența oxigenului. Aceasta este o serie de transformări chimice pentru a forma produsul final - dioxid de carbon. În diferite etape ale acestui proces, se formează produse intermediare de oxidare a substanței inițiale cu eliminarea atomilor de hidrogen. În același timp, se eliberează energie, care este „conservată” în legăturile chimice ale ATP, și se formează molecule de apă. Devine clar că tocmai pentru a lega atomii de hidrogen despărțiți este necesar oxigenul. Această serie de transformări chimice este destul de complexă și are loc cu participarea membranelor interioare ale mitocondriilor, a enzimelor și a proteinelor purtătoare.
Respirația celulară este foarte eficientă. Există o sinteză a 30 de molecule de ATP, încă două molecule se formează în timpul glicolizei și șase molecule de ATP - ca urmare a transformărilor produselor de glicoliză pe membranele mitocondriale. În total, ca urmare a oxidării unei molecule de glucoză, se formează 38 de molecule de ATP:
C 6 H 12 O 6 + 6H 2 0 → 6CO 2 + 6H 2 O + 38ATP
În mitocondrii au loc etapele finale de oxidare nu numai a zaharurilor, ci și a proteinelor și lipidelor. Aceste substanțe sunt folosite de celule în principal atunci când aportul de carbohidrați se epuizează. În primul rând, se consumă grăsimi, în timpul oxidării căreia se eliberează semnificativ mai multă energie decât dintr-un volum egal de carbohidrați și proteine. Prin urmare, grăsimea animală este principala „rezervă strategică” de resurse energetice. La plante, amidonul joacă rolul unei rezerve de energie. În timpul depozitării, ocupă mult mai mult spațiu decât cantitatea de grăsime echivalentă cu energie. Pentru plante, acest lucru nu servește ca o piedică, deoarece acestea sunt imobile și nu poartă, ca și animalele, provizii asupra lor. Puteți extrage energie din carbohidrați mult mai repede decât din grăsimi. Proteinele îndeplinesc multe funcții importante în organism, prin urmare sunt implicate în metabolismul energetic doar atunci când resursele de zaharuri și grăsimi sunt epuizate, de exemplu, în timpul înfometării prelungite.
FOTOSINTEZĂ. Fotosinteză este un proces prin care energia razelor solare este transformată în energia legăturilor chimice ale compușilor organici. În celulele vegetale, procesele asociate cu fotosinteza au loc în cloroplaste. În interiorul acestui organel există sisteme membranare în care sunt încorporați pigmenți care captează energia radiantă a Soarelui. Principalul pigment al fotosintezei este clorofila, care absoarbe în principal razele albastre și violete, precum și roșii ale spectrului. Lumina verde este reflectată, astfel încât clorofila însăși și părțile plantelor care o conțin par verzi.
Există două faze în fotosinteză - ușoarăși întuneric(fig. 53). Captarea și transformarea efectivă a energiei radiante au loc în timpul fazei de lumină. La absorbția cuantelor de lumină, clorofila trece într-o stare excitată și devine un donor de electroni. Electronii săi sunt transferați de la un complex proteic la altul de-a lungul lanțului de transport de electroni. Proteinele acestui lanț, ca și pigmenții, sunt concentrate pe membrana interioară a cloroplastelor. Când un electron trece de-a lungul lanțului purtător, acesta pierde energie, care este folosită pentru sinteza ATP. Unii dintre electronii excitați de lumină sunt utilizați pentru a reduce NDP (nicotinamidă adenin dinucleotiphosphate) sau NADPH.
Orez. 53. Produse ale reacțiilor fazelor luminoase și întunecate ale fotosintezei
Sub influența luminii solare, cloroplastele descompun și moleculele de apă - fotoliză; în acest caz, apar electroni, care compensează pierderile lor cu clorofilă; oxigenul se formează ca produs secundar:
Astfel, sensul funcțional al fazei luminoase este sinteza ATP și NADPH prin conversia energiei luminoase în energie chimică.
Lumina nu este necesară pentru faza întunecată a fotosintezei. Esența proceselor care au loc aici este că moleculele de ATP și NADP · H obținute în faza luminoasă sunt folosite într-o serie de reacții chimice care „fixează” CO2 sub formă de carbohidrați. Toate reacțiile fazei întunecate sunt efectuate în interiorul cloroplastelor, iar dioxidul de carbon ADP și NADP eliberat în timpul „fixării” sunt din nou utilizate în reacțiile fazei luminoase pentru sinteza ATP și NADP · H.
Ecuația generală a fotosintezei este următoarea:
INTERCONECTAREA ȘI UNITATEA PROCESELOR DE SCHIMB DE PLASTICE ȘI ENERGIE... Procesele de sinteză a ATP au loc în citoplasmă (glicoliză), în mitocondrii (respirația celulară) și în cloroplaste (fotosinteză). Toate reacțiile care apar în cursul acestor procese sunt reacții ale metabolismului energetic. Energia stocata sub forma de ATP este consumata in reactiile metabolismului plastic pentru producerea de proteine, grasimi, carbohidrati si acizi nucleici necesari activitatii vitale a celulei. Rețineți că faza întunecată a fotosintezei este un lanț de reacții, schimb plastic, iar faza luminoasă este energetică.
Relația și unitatea proceselor de energie și schimb plastic este bine ilustrată de următoarea ecuație:
Citirea acestei ecuații de la stânga la dreapta are ca rezultat oxidarea glucozei în dioxid de carbon și apă în timpul glicolizei și respirației celulare, asociată cu sinteza ATP (metabolismul energetic). Dacă îl citiți de la dreapta la stânga, obțineți o descriere a reacțiilor fazei întunecate a fotosintezei, când glucoza este sintetizată din apă și dioxid de carbon cu participarea ATP (metabolismul plastic).
CHIMOSINTEZA... Pe lângă fotoautotrofe, unele bacterii (bacteriile hidrogen, nitrificante, sulfuroase etc.) sunt și ele capabile să sintetizeze substanțe organice din cele anorganice. Ei realizează această sinteză datorită energiei eliberate în timpul oxidării substanțelor anorganice. Se numesc chimioautotrofe. Aceste bacterii chemosintetice joacă un rol important în biosferă. De exemplu, bacteriile nitrificatoare transformă sărurile de amoniu inaccesibile pentru asimilarea de către plante în săruri de acid azotic, care sunt bine absorbite de acestea.
Metabolismul celular este alcătuit din reacții de metabolism energetic și plastic. În cursul metabolismului energetic, se formează compuși organici cu legături chimice de înaltă energie - ATP. Energia necesară pentru aceasta provine din oxidarea compușilor organici în timpul reacțiilor anaerobe (glicoliză, fermentație) și aerobe (respirație celulară); din razele solare, a căror energie este absorbită în faza luminoasă (fotosinteză); din oxidarea compuşilor anorganici (chimiosinteză). Energia ATP este cheltuită pentru sinteza compușilor organici necesari celulei în cursul reacțiilor de metabolism plastic, care includ reacțiile fazei întunecate a fotosintezei.
- Care sunt diferențele dintre plastic și metabolismul energetic?
- Cum se transformă energia razelor solare în faza luminoasă a fotosintezei? Ce procese au loc în timpul fazei întunecate a fotosintezei?
- De ce se numește fotosinteza proces de reflectare a interacțiunii planetar-cosmice?
"Putem vorbi și despre moartea chimică a unei persoane, atunci când aprovizionarea cu energie psihică este epuizată.
Putem vorbi despre înviere atunci când energia psihică începe să se reînnoiască".
Ce este energia psihică?- Aceasta este energia dătătoare de viață de care depinde existența unei persoane. Nu există energie psihică (denumită în continuare PE) - nu există viață, nu există descompunere fizică, boală și moarte. Există PE - există o viață plină de creativitate, sănătate și fericire.
Sinonime pentru PE: grație, prana, energia chinezească Qi, focul lui Hermes, Kundalini, limbile de foc ale zilei Sfintei Treimi, Vril Bulwer-Lytton, energia liberă a lui Killy, Fluid Mesmer, Od Reichenbach, focul viu al lui Zoroastru, Sophia elenilor , Saraswati a hindușilor și mulți, mulți alții.
Semne de scădere a PE: oboseală psihică și fizică, somnolență, conștiință amorfă, iar în cazuri severe - greață.
Semne ale înroșirii PE: bucurie și optimism, activitate creativă, dorință de realizare și activitate fructuoasă.
Șapte moduri de a conserva PE
1. AURA. Ieșind din casă dimineața, conturează mental o coajă energetică în formă de ou de găină la o distanță de un cot alungit, astfel încât corpul tău să fie în centrul acestui ou auric. Astfel, vei consolida rețeaua de protecție a aurei tale, care protejează PE de intruziunile nedorite.
2. VAMPIRII. Încercați să evitați să comunicați cu oameni cu o privire plictisitoare și slabă, schimbătoare - aceștia sunt vampiri energetici, după ce ați comunicat cu care se instalează oboseala severă. Privirea unei persoane nu poate fi falsificată. Ochii sunt cel mai fiabil indicator al prezenței PE la o persoană. Cei care nu au propriul lor PE devin adesea un vampir energetic și încearcă (de multe ori inconștient) să-l fure pur și simplu apropiindu-se de aura donatorului.
3. MULTIME. V transport public, sau un loc similar de adunare a oamenilor, faceți discret o evaluare blitz a oamenilor care stau lângă tine. Dacă unul dintre ei ți-a cauzat o ușoară respingere, atunci îndepărtează-te de el în alt loc. Când aurele umane se ating, PE-ul tău curge în conformitate cu principiul magnetic într-o altă aură, iar PE-ul altei aure curge în a ta și nu există nicio modalitate de a împiedica acest schimb de energie - aceasta este o lege fermă.
4. MÂINI. În locuri publice, încercați să evitați contactul direct cu mâna goală cu obiecte și lucruri obișnuite, cum ar fi mânerele ușilor, balustradele, mânerele coșului de cumpărături etc. Dacă este posibil, atunci în sezonul de iarnă, nu vă scoateți mănușile și nu cumpărați mănuși subțiri, de exemplu, mănuși pentru copii. Dacă nu este posibil să evitați contactul direct cu mâinile goale, atunci găsiți locul cel mai puțin folosit. Mâinile omului emit fluxuri puternice de PE. La fiecare atingere, o persoană saturează cu PE acele obiecte pe care le-a atins mâna. Fii atent la lucrurile vechi, necunoscute. Ele pot purta o încărcătură de PE negativ, de la contact cu care vei cheltui o mare parte din PE pentru a-l neutraliza.
5. IRITAREA. Evitați, prin toate mijloacele, iritația, care poate fi deosebit de deranjantă în transportul public, în magazine, în timpul traficului intens pe șosea, la conducerea unei mașini, acasă etc. Iritația mentală creează un PE negativ, care vă distruge PE pozitiv.
6. INTIM. Plumb moderat viata intima, deoarece reproducerea lichidului seminal necesită un consum mare de PE.
7. ANIMALE. Nu țineți animalele acasă, astfel încât PE dumneavoastră să nu se scurgă la ele. Animalele, ca toate ființele vii, au propria lor aură cu propriul lor PE, care este mult mai scăzut ca calitate decât PE uman. Când aurele unei persoane și ale unui animal intră în contact, are loc același schimb de PE ca și între oameni. Nu-ți satura aura cu un PE animal mai mic.
Șapte moduri de a îmbunătăți PE
1. AERUL. Respirați natural mai des aer curat... Prana - PE solar este dizolvat în el. În orașele mari cu o populație de peste un milion de locuitori, aerul nu este curat, așa că încercați fie să ieșiți mai des în natură, fie chiar să vă mutați în afara orașului sau într-un oraș mic.
2. SPAȚIU. Spațiile universale nemărginite sunt pline cu energie cosmică care creează viață, care este asemănătoare cu PE umană. Trebuie doar să suni mental, să o scoți de acolo. Privește cerul înstelat și imaginează-ți că acesta este un ocean de energie, prin atingere, îți poți îmbunătăți cu ușurință energia vieții.
3. PRIETENIE. Fii mai prietenos cu toți cei din jurul tău. Nu vrei rău nimănui, nici măcar dușmanilor tăi. Bunătatea și o atitudine prietenoasă nu numai că generează radiații PE pozitive în aura ta, dar evocă și în oameni aceleași vibrații reciproce ale aurei lor. Oamenii prietenoși fac schimb de PE pozitiv cu alți oameni pur și simplu pentru că induc același PE pozitiv la alte persoane.
4. INIMA. Conducătorul principal al PE al unei persoane este inima lui. Ascultă-ți inima, nu creierul. Creierul rațional este adesea înșelat în evaluarea corectă a situației de viață și duce uneori la o fundătură. Inima nu este niciodată înșelată și știe mult mai multe decât își poate imagina mintea. Ascultă vocea inimii tale în tăcere și tăcere. Îți va spune cum să urmezi calea vieții, astfel încât la sfârșit să poți spune că ai trăit o viață fericită.
6. LEGUME ȘI FRUCTE. Mănâncă legume și fructe crude - sunt pline de depozite solare de PE. Încercați să nu mâncați alimente prăjite, așa cum untul prea fiert eliberează otrăvuri care vă ucid PE. Nu mâncați carne, este plină de energie invizibilă a fluidelor de descompunere cauzatoare de boli, care începe imediat după moartea animalului. Chiar și cea mai proaspătă carne este plină nu numai de PE animal scăzut, ci și de microbi energetici, atunci când este consumată, corpul tău va cheltui mult PE pentru a le neutraliza. Leguminoasele pot înlocui cu ușurință produsele din carne.
7. VIS. Înainte de a merge la culcare, nu-ți face griji și cu atât mai mult nu te certa cu familia ta. Încercați să nu vă uitați la programe TV negative și criminale care provoacă emoții proaste. Mai bine să vizionezi un film bun, să citești o carte bună sau să asculți muzică calmă. Înainte de a merge la culcare, fă un duș pentru a-ți curăța nu numai corpul de depozitele de transpirație, ci, mai important, pentru a spăla din aura ta acumulările de energie ale zilei trăite. Apa pură are capacitatea de a purifica PE. După ce s-a retras să doarmă într-un corp curat și un spirit calm și senin, PE se va repezi în straturile curate ale spațiului, unde va primi întărire și hrănire. Dimineata vei simti vigoare si putere sa traiesti ziua care vine cu demnitate.
Cum exact este stocată energia ATF(adenozin trifosfat) și cum se administrează pentru a face unele lucrări utile? Pare incredibil de dificil ca o energie abstractă să primească brusc un purtător material sub forma unei molecule în interiorul celulelor vii și să poată fi eliberată nu sub formă de căldură (ceea ce este mai mult sau mai puțin de înțeles), ci sub forma creării. altă moleculă. De obicei, autorii manualelor se limitează la sintagma „energia este stocată sub forma unei legături de înaltă energie între părțile unei molecule și este eliberată atunci când această legătură este ruptă, făcând o muncă utilă”, dar acest lucru nu explică nimic. .
În termeni cei mai generali, aceste manipulări cu molecule și energie au loc astfel: în primul rând. Sau sunt create în cloroplaste într-un lanț de reacții similare. Aceasta folosește energia obținută prin arderea controlată a nutrienților direct în interiorul mitocondriilor sau energia fotonilor luminii solare care cad pe molecula de clorofilă. Apoi, ATP este livrat în acele locuri ale celulei în care este necesar să se lucreze. Și atunci când una sau două grupe de fosfat sunt despărțite de acesta, este eliberată energie, care face această lucrare. În acest caz, ATP se descompune în două molecule: dacă numai o grupă de fosfat este separată, atunci ATP se transformă în ADP(adenozin difosfat, care diferă de adenozină TRIPfosfat numai prin absența aceleiași grupări fosfat separate). Dacă ATP renunță la două grupe fosfat deodată, atunci se eliberează mai multă energie, iar adenozină MONOfosfat rămâne din ATP ( AMF).
Evident, celula trebuie să efectueze și procesul opus, transformând moleculele de ADP sau AMP în ATP, astfel încât ciclul să se poată repeta. Dar aceste molecule „blank” pot pluti în siguranță lângă fosfații care lipsesc pentru a se transforma în ATP și nu se pot combina niciodată cu ei, deoarece o astfel de reacție combinată este nefavorabilă din punct de vedere energetic.
Care este „câștigul de energie” al unei reacții chimice este destul de simplu de înțeles dacă știi despre asta a doua lege a termodinamicii: în univers sau în orice sistem izolat de restul, dezordinea nu poate decât să crească. Adică, moleculele complexe aflate într-o celulă în ordine ordonată, în conformitate cu această lege, pot fi doar distruse, formând molecule mai mici sau chiar descompunându-se în atomi individuali, pentru că atunci ordinea va fi vizibil mai mică. Pentru a înțelege această idee, puteți compara o moleculă complexă cu un avion asamblat din Lego. Apoi moleculele mici, în care complexul se dezintegrează, vor fi asociate cu părți individuale ale acestui plan, iar atomii - cu cuburi Lego individuale. Privind un avion bine asamblat și comparându-l cu un morman de piese amestecate, devine clar de ce moleculele complexe conțin mai multă ordine decât cele mici.
O astfel de reacție de dezintegrare (a moleculelor, nu a unui avion) va fi favorabilă din punct de vedere energetic, ceea ce înseamnă că poate fi efectuată spontan, iar energia va fi eliberată în timpul dezintegrarii. Deși, de fapt, împărțirea avionului va fi benefică din punct de vedere energetic: în ciuda faptului că părțile în sine nu se vor despărți unele de altele și forța exterioară va trebui să umfle peste decuplarea lor sub forma unui copil care dorește să folosească aceste părți pentru altceva, el va cheltui pentru a transforma avionul într-un morman haotic de părți din energia obținută din consumul de alimente foarte ordonate. Și cu cât piesele sunt mai dens lipite împreună, cu atât mai multă energie va fi cheltuită, inclusiv eliberată sub formă de căldură. Concluzia: o bucată de chiflă (o sursă de energie) și avionul sunt transformate într-o masă dezordonată, moleculele de aer din jurul copilului sunt încălzite (ceea ce înseamnă că se mișcă mai aleatoriu) - există mai mult haos, adică divizarea avionul este benefic din punct de vedere energetic.
Rezumând, putem formula următoarele reguli care urmează din a doua lege a termodinamicii:
1. Odată cu scăderea cantității de ordine, se eliberează energie, apar reacții favorabile energetic
2. Odată cu creșterea cantității de comandă, energia este absorbită, apar reacții consumatoare de energie
La prima vedere, această mișcare inevitabilă de la ordine la haos face imposibilă inversarea proceselor, precum construirea unui singur ou fertilizat și molecule nutritive absorbite de vaca-mamă, fără îndoială, un vițel foarte ordonat în comparație cu iarba mestecată.
Dar totuși acest lucru se întâmplă, iar motivul pentru aceasta este că organismele vii au un singur cip care permite atât să susțină dorința Universului de a entropie, cât și să se construiască pe ei înșiși și pe urmașii lor: ei combină două reacții într-un singur proces, dintre care unul este favorabil din punct de vedere energetic, iar celălalt este consumator de energie... Printr-o astfel de combinație a celor două reacții, este posibil să se asigure că energia eliberată în timpul primei reacții se suprapune consumului de energie al celei de-a doua în exces. În exemplul unui avion, dezafectarea separată este consumatoare de energie, iar fără o sursă de energie terță parte sub forma unui coc distrus de metabolismul copilului, avionul ar rămâne pentru totdeauna.
Este ca și cum ai merge la vale pe o sanie: mai întâi, o persoană, în timp ce absoarbe alimente, stochează energia obținută ca urmare a proceselor favorabile din punct de vedere energetic de împărțire a unui pui foarte ordonat în molecule și atomi din corpul său. Și apoi își cheltuiește această energie, trăgând sania în sus pe munte. Mutarea saniei de la picior în vârf este neprofitabilă din punct de vedere energetic, așa că nu se vor rostogoli niciodată spontan acolo, acest lucru necesită un fel de energie externă. Și dacă energia primită din consumul de pui nu este suficientă pentru a depăși ascensiunea, atunci procesul de „sanii din vârful muntelui” nu se va întâmpla.
Sunt reacțiile consumatoare de energie ( reacție consumatoare de energie ) crește cantitatea de ordine prin absorbția energiei eliberate în timpul reacției conjugate. Iar echilibrul dintre eliberarea și consumul de energie în aceste reacții cuplate trebuie să fie întotdeauna pozitiv, adică combinarea lor va crește cantitatea de haos. Un exemplu de creștere entropie(tulburare) ( entropie[‘Entrə pɪ]) este eliberarea de căldură în timpul reacției de furnizare a energiei ( reacție de alimentare cu energie): particulele substanței adiacente moleculelor care au intrat în reacție primesc șocuri energetice de la cele care reacţionează, încep să se miște mai repede și mai haotic, împingând la rândul lor alte molecule și atomi ai acesteia și ai substanțelor învecinate.
Să ne întoarcem la obținerea energiei din alimente: o bucată de Banoffee Pie este mult mai ordonată decât masa rezultată care este mestecată în stomac. Care, la rândul său, constă din molecule mari, mai ordonate decât cele în care intestinele îl descompun. Și ei, la rândul lor, vor fi livrați celulelor corpului, unde atomii individuali și chiar electronii vor fi smulși din ele ... Și în fiecare etapă a creșterii haosului într-o singură bucată de tort, energia va fi eliberat, care este captat de organele și organitele celui care mănâncă fericit, stocându-l sub formă de ATP (intensiv energetic), permițându-i să construiască noi molecule necesare (intensive energetice) sau să încălzi corpul (de asemenea, energetic-). intens). Ca urmare, în sistemul „om – Banoffee Pie – Univers” există mai puțină ordine (datorită distrugerii prăjiturii și eliberării de energie termică de către organelele care o procesează), dar într-un corp uman separat există mai mult ordine în fericire (datorită apariției de noi molecule, părți de organite și organe celulare întregi).
Dacă ne întoarcem la molecula de ATP, după toată această retragere termodinamică, devine clar că este necesar să cheltuim energia obținută din reacții favorabile energetic pentru a o crea din părțile sale constitutive (molecule mai mici). Una dintre modalitățile de a-l crea este descrisă în detaliu, alta (foarte asemănătoare) este folosită în cloroplaste, unde energia fotonilor emiși de Soare este folosită în locul energiei gradientului de protoni.
Se pot distinge trei grupuri de reacții, în urma cărora se produce ATP (vezi diagrama din dreapta):
- scindarea glucozei și a acizilor grași în molecule mari în citoplasmă permite deja obținerea unei anumite cantități de ATP (o cantitate mică, pentru o moleculă de glucoză divizată în acest stadiu sunt doar 2 molecule de ATP obținute). Dar scopul principal al acestei etape este de a crea molecule care sunt utilizate în lanțul respirator al mitocondriilor.
- scindarea ulterioară a moleculelor obținute în etapa anterioară în ciclul Krebs, procedând în matricea mitocondrială, dă o singură moleculă de ATP, scopul ei principal fiind același ca în paragraful anterior.
- în cele din urmă, moleculele acumulate în etapele anterioare sunt folosite în lanțul respirator al mitocondriilor pentru producerea de ATP, iar aici este eliberat o mare parte (mai multe despre asta mai jos).
Dacă descriem toate acestea mai detaliat, privind aceleași reacții din punctul de vedere al obținerii și cheltuirii energiei, obținem asta:
0. Moleculele alimentare sunt arse (oxidate) cu grijă în degradarea primară care are loc în citoplasma celulei, precum și într-un lanț de reacții chimice numit „ciclul Krebs”, care are loc deja în matricea mitocondrială - alimentare electrică parte faza pregătitoare.
Ca rezultat al conjugării cu aceste reacții favorabile din punct de vedere energetic ale altor reacții, deja nefavorabile din punct de vedere energetic, de creare de noi molecule, se formează 2 molecule de ATP și câteva molecule de alte substanțe - consumatoare de energie parte a fazei pregătitoare. Aceste molecule formate întâmplător sunt purtători de electroni de înaltă energie, care vor fi utilizați în lanțul respirator al mitocondriilor în pasul următor.
1. Pe membranele mitocondriilor, bacteriilor și unor arhei are loc eliminarea energetică a protonilor și electronilor din moleculele obținute în etapa anterioară (dar nu din ATP). Trecerea electronilor prin complexele lanțului respirator (I, III și IV în diagrama din stânga) este indicată de săgeți galbene înfășurate, este prezentată trecerea prin aceste complexe (și prin urmare prin membrana mitocondrială interioară) a protonilor. prin săgeți roșii.
De ce nu pot fi pur și simplu despărțiți electronii din molecula purtătoare folosind un agent oxidant puternic, oxigenul, și să utilizeze energia eliberată? De ce să le transferăm de la un complex la altul, pentru că până la urmă ajung la același oxigen? Se pare că, cu cât diferența este mai mare în capacitatea de a atrage electroni în furnizarea de electroni ( reductor) și colectarea de electroni ( oxidant) dintre moleculele care participă la reacția de transfer de electroni, cu atât mai multă energie este eliberată în timpul acestei reacții.
Diferența în această capacitate în moleculele purtătoare de electroni și oxigen formate în ciclul Krebs este de așa natură încât energia eliberată în acest caz ar fi suficientă pentru sinteza mai multor molecule de ATP. Dar din cauza asta scădere bruscăîn energia sistemului, această reacție ar avea loc cu o putere aproape explozivă și aproape toată energia ar fi eliberată sub formă de căldură neprinsă, adică, de fapt, s-ar pierde.
Celulele vii împart această reacție în mai multe etape mici, mai întâi transferând electroni de la moleculele purtătoare slab atrăgătoare la primul complex puțin mai puternic de atragere din lanțul respirator, de la acesta la unul puțin mai puternic atrăgător. ubichinona(sau Coenzima Q10), a cărui sarcină este de a trage electronii către următorul complex respirator atrăgător, chiar mai puternic, care primește partea sa din energia din această explozie eșuată, lăsându-l să meargă să pompeze protoni prin membrană .. Și așa mai departe până când electronii se întâlnesc în sfârșit. cu oxigen, fiind atras de acesta, captând câțiva protoni și nu formează o moleculă de apă. Această împărțire a unei reacții puternice în pași mici permite ca aproape jumătate din energia utilă să fie direcționată către realizarea unei lucrări utile: în acest caz, spre crearea gradient electrochimic de protoni, despre care se va discuta în al doilea paragraf.
Cum exact energia electronilor transferați ajută la reacția conjugată consumatoare de energie de pompare a protonilor prin membrană abia începe să se dea seama. Cel mai probabil, prezența unei particule încărcate electric (electron) afectează configurația locului din proteina încorporată în membrana în care se află: astfel încât această schimbare provoacă tracția protonului în proteină și mișcarea acestuia prin canalul proteic. în membrană. Ceea ce este important este că, de fapt, energia obținută ca urmare a divizării electronilor de înaltă energie din molecula purtătoare și transferul lor final la oxigen este stocată sub forma unui gradient de protoni.
2. Energia protonilor acumulată ca urmare a evenimentelor de la punctul 1 pe partea exterioară a membranei și străduința de a ajunge în partea interioară constă din două forțe unidirecționale:
- electric(sarcina pozitivă a protonilor tinde să se deplaseze la locul de acumulare a sarcinilor negative de pe cealaltă parte a membranei) și
- chimic(ca și în cazul oricăror alte substanțe, protonii încearcă să se împrăștie uniform în spațiu, răspândindu-se din locuri cu concentrația lor mare în locuri unde sunt puțini)
Atracția electrică a protonilor către partea încărcată negativ a membranei interioare este o forță mult mai puternică decât tendința care decurge din diferența de concentrație a protonilor de a se deplasa într-un loc cu o concentrație mai mică (acest lucru este indicat de lățimea săgețile din diagrama de mai sus). Energia combinată a acestor forțe de atragere este atât de mare încât este suficientă atât pentru mișcarea protonilor în membrană, cât și pentru alimentarea reacției de însoțire consumatoare de energie: crearea de ATP din ADP și fosfat.
Să luăm în considerare mai detaliat de ce este nevoie de energie pentru aceasta și cum exact energia de aspirație a protonilor este convertită în energia unei legături chimice între două părți ale moleculei ATP.
Molecula ADP (în diagrama din dreapta) nu dorește să dobândească o altă grupare fosfat: atomul de oxigen de care se poate atașa această grupă este încărcat la fel de negativ ca fosfatul, ceea ce înseamnă că se resping reciproc. Și, în general, ADP nu va intra în reacții, este pasiv din punct de vedere chimic. Fosfatul, la rândul său, are propriul său atom de oxigen atașat de atomul de fosfor, care ar putea deveni locul conexiunii dintre fosfat și ADP la crearea unei molecule de ATP, astfel încât nici acesta nu poate da dovadă de inițiativă.
Prin urmare, aceste molecule trebuie să fie legate de o enzimă, desfășurată astfel încât legăturile dintre ele și atomii „în plus” să slăbească și să se rupă, iar apoi să aducă cele două capete active din punct de vedere chimic ale acestor molecule, pe care atomii le lipsesc și electroni în exces, la fiecare.
Ionii de fosfor (P +) și oxigen (O -) prinși în câmpul de atingere reciprocă sunt legați printr-o legătură covalentă puternică datorită faptului că iau împreună stăpânirea unui electron, care a aparținut inițial oxigenului. Această enzimă de procesare a moleculelor este ATP sintetazași primește energia pentru a-și schimba atât configurația, cât și aranjamentul reciproc al ADP și fosfat de la protonii care trec prin el. Este avantajos din punct de vedere energetic ca protonii să ajungă în partea cu încărcare opusă a membranei, unde, în plus, sunt puțini, iar singura cale este prin enzimă, „rotorul” căruia protonii se rotesc pe parcurs.
Structura ATP sintazei este prezentată în diagrama din dreapta. Elementul său care se rotește din cauza trecerii protonilor este evidențiat în violet, iar imaginea în mișcare de mai jos prezintă o diagramă a rotației sale și a creării moleculelor de ATP în același timp. Enzima funcționează aproape ca un motor molecular, transformând electrochimic energia curentului de protoni în energie mecanică frecarea a două seturi de proteine unul față de celălalt: „piciorul” rotativ se freacă de proteinele imobile ale „capacului de ciupercă”, în timp ce subunitățile „capacului” își schimbă forma. Această deformare mecanică se transformă în energie de legătură chimicăîn sinteza ATP, când moleculele de ADP și fosfat sunt procesate și desfășurate în modul necesar formării unei legături covalente între ele.
Fiecare ATP sintetază este capabilă să sintetizeze până la 100 de molecule de ATP pe secundă și aproximativ trei protoni trebuie să treacă prin sintetază pentru fiecare moleculă de ATP sintetizată. Majoritatea ATP sintetizat în celule se formează în acest fel și doar o mică parte este rezultatul prelucrării primare a moleculelor alimentare care are loc în afara mitocondriilor.
În orice moment, există aproximativ un miliard de molecule de ATP într-o celulă vie tipică. În multe celule, tot acest ATP este înlocuit (adică folosit și creat din nou) la fiecare 1-2 minute. Persoana medie în repaus folosește aproximativ aceeași masă de ATP la fiecare 24 de ore în repaus.
În general, aproape jumătate din energia eliberată în timpul oxidării glucozei sau acizilor grași în dioxid de carbon și apă este captată și utilizată pentru reacția nefavorabilă energetic de formare a ATP din ADP și fosfați. O eficiență de 50% este foarte bună, de exemplu, un motor de mașină pornește doar 20% din energia conținută în combustibil pentru muncă utilă. În același timp, restul energiei în ambele cazuri este disipată sub formă de căldură și, la fel ca unele mașini, animalele cheltuiesc în mod constant acest exces (deși nu complet, desigur) pentru a încălzi corpul. În timpul reacțiilor menționate aici, o moleculă de glucoză, divizată treptat în dioxid de carbon și apă, furnizează celulei cu 30 de molecule de ATP.
Deci, de unde provine energia și cum exact este stocată în ATP, totul este mai mult sau mai puțin clar. Rămâne de înțeles cum exact este eliberată energia stocată și ce se întâmplă în același timp la nivel molecular-atomic.
Legătura covalentă formată între ADP și fosfat se numește energie mare din doua motive:
- când este distrus, se eliberează multă energie
- electronii care participă la crearea acestei legături (adică se rotesc în jurul atomilor de oxigen și fosfor, între care se formează această legătură) sunt de înaltă energie, adică se află pe orbite „înalte” în jurul nucleelor atomilor. Și ar fi avantajos din punct de vedere energetic pentru ei să sară la un nivel inferior, eliberând excesul de energie, dar în timp ce se află chiar în acest loc, ținând împreună atomii de oxigen și fosfor, nu vor putea „sări”.
Această tendință a electronilor de a cădea într-o orbită mai convenabilă de energie joasă asigură atât ușurința ruperii legăturii de înaltă energie, cât și energia eliberată sub formă de foton (care este un purtător al interacțiunii electromagnetice). În funcție de ce molecule vor fi înlocuite de enzime cu molecula de ATP care se dezintegra, care moleculă va absorbi fotonul emis de electron, diferite variante evenimente. Dar de fiecare dată energia stocată sub forma unei conexiuni de înaltă energie va fi folosită pentru unele dintre nevoile celulei:
Scenariul 1: fosfatul poate fi transferat la o moleculă a unei alte substanțe. În acest caz, electronii de înaltă energie formează o nouă legătură, deja între fosfat și atomul extrem al acestei molecule primitoare. Condiția pentru o astfel de reacție este beneficiul său energetic: în această nouă legătură, electronul ar trebui să aibă ceva mai puțină energie decât atunci când făcea parte din molecula ATP, emițând o parte din energie sub formă de foton în exterior.
Scopul unei astfel de reacții este de a activa molecula receptor (în diagrama din stânga, este indicat V-OH): înainte de adăugarea de fosfat, acesta era pasiv și nu putea reacționa cu o altă moleculă pasivă A, dar acum ea este proprietara unei rezerve de energie sub forma unui electron de mare energie, ceea ce înseamnă că o poate cheltui undeva. De exemplu, pentru a atașa o moleculă la sine A, care este imposibil de atașat fără un astfel de truc cu urechile (adică energia mare a electronului de legare). În același timp, fosfatul este detașat, făcându-și treaba.
Rezultă următorul lanț de reacții:
1. ATF+ moleculă pasivă V ➡️ ADP+ moleculă activă datorită fosfatului atașat B-P
2. moleculă activată B-P+ moleculă pasivă A➡️ molecule conectate A-B+ despărțiți fosfatul ( R)
Ambele reacții sunt favorabile din punct de vedere energetic: fiecare dintre ele implică un electron de legătură de înaltă energie, care, atunci când o legătură este distrusă și alta este construită, își pierde o parte din energie sub formă de emisie de fotoni. Ca rezultat al acestor reacții, două molecule pasive s-au unit. Dacă luăm în considerare reacția conexiunii acestor molecule în mod direct (moleculă pasivă V+ moleculă pasivă A➡️ molecule conectate A-B), atunci se dovedește a fi costisitor din punct de vedere energetic și nu poate fi realizat. Celulele „fac imposibilul” prin împerecherea acestei reacții cu o reacție favorabilă energetic pentru a descompune ATP în ADP și fosfat în timpul celor două reacții descrise mai sus. Scindarea are loc în două etape, în fiecare dintre acestea o parte din energia electronului de legătură este cheltuită pentru a efectua o muncă utilă, și anume pentru a crea legăturile necesare între două molecule, din care a treia ( A-B), necesare pentru funcționarea celulei.
Scenariul 2: fosfatul poate fi separat dintr-o dată din molecula de ATP, iar energia eliberată este captată de o enzimă sau de o proteină de lucru și cheltuită pentru a face o muncă utilă.
Cum poți prinde ceva atât de imperceptibil ca o perturbare nesemnificativă a câmpului electromagnetic în momentul în care electronul cade pe o orbită inferioară? Este foarte simplu: cu ajutorul altor electroni și cu ajutorul unor atomi capabili să absoarbă fotonul eliberat de electron.
Atomii care alcătuiesc moleculele sunt ținuți împreună în lanțuri și inele puternice pe cheltuială (un astfel de lanț este proteina desfășurată din imaginea din dreapta). Și părți individuale ale acestor molecule sunt atrase unele de altele de interacțiuni electromagnetice mai slabe (de exemplu, legături de hidrogen sau forțe van der Waals), ceea ce le permite să fie transformate în structuri complexe. Unele dintre aceste configurații de atomi sunt foarte stabile și nicio perturbare a câmpului electromagnetic nu le va zgudui .. nu le va zgudui .. în general, sunt stabili. Și unele sunt destul de mobile, iar o lovitură electromagnetică ușoară este suficientă pentru a-și schimba configurația (de obicei, acestea nu sunt legături covalente). Și tocmai o astfel de lovitură le este dată de același purtător de fotoni care sosește al câmpului electromagnetic, emis de electronul care a trecut pe o orbită inferioară atunci când fosfatul este detașat.
Modificările configurației proteinelor care rezultă din defalcarea moleculelor de ATP sunt responsabile pentru unele dintre cele mai uimitoare întâmplări din celulă. Cu siguranță cei care sunt interesați de procesele celulare cel puțin la nivelul „vizionați-le animația pe youtube” au dat peste un videoclip care arată o moleculă de proteină kinesină, în sensul literal al cuvântului, mergând, rearanjandu-și picioarele, de-a lungul firului scheletului celulei, târând greutatea atașată de acesta.
Scindarea fosfatului din ATP este cea care asigură acest pas și iată cum:
Kinesin ( kinesină) se referă la un tip special de proteină, care tind să-și schimbe spontan conformaţie(poziția relativă a atomilor într-o moleculă). Lăsat singur, trece aleatoriu de la conformația 1, în care este atașat cu un „picior” la un filament de actină ( filament de actină) - cel mai subțire fir care se formează citoschelet celule ( citoschelet), în conformația 2, făcând astfel un pas înainte și stând pe două „picioare”. Se va trece de la conformația 2 cu probabilitate egală atât la conformația 3 (atașează piciorul din spate în față), cât și înapoi la conformația 1. Prin urmare, mișcarea kinesinei în nicio direcție nu are loc, pur și simplu flânzează fără țintă.
Dar totul se schimbă, de îndată ce se conectează cu molecula ATP. După cum se arată în diagrama din stânga, adăugarea de ATP la kinesină, care se află în conformația 1, duce la o schimbare a poziției sale spațiale și intră în conformația 2. Motivul pentru aceasta este influența electromagnetică reciprocă a ATP și kinesinei. molecule unele pe altele. Această reacție este reversibilă, deoarece nu a fost cheltuită energie, iar dacă ATP este detașat de kinesină, pur și simplu își va ridica „piciorul”, rămânând pe loc, și așteaptă următoarea moleculă de ATP.
Dar dacă persistă, atunci datorită atracției reciproce a acestor molecule, legătura care ține fosfatul în ATP este distrusă. Energia eliberată în același timp, precum și dezintegrarea ATP-ului în două molecule (care au un efect diferit asupra atomilor de kinezine cu câmpurile lor electromagnetice) duc la faptul că conformația kinezinei se modifică: „trage piciorul din spate” . Rămâne să facem un pas înainte, ceea ce se întâmplă în timpul detașării ADP și a fosfatului, care readuce kinesina la conformația sa originală 1.
Ca urmare a hidrolizei ATP, kinesina s-a deplasat spre dreapta și, de îndată ce următoarea moleculă i se alătură, va mai face câțiva pași, folosind energia stocată în ea.
Este important ca kinesina, care se află în conformația 3 cu ADP și fosfat atașați, să nu se poată întoarce la conformația 2 făcând un „pas înapoi”. Acest lucru se explică prin același principiu al respectării celei de-a doua legi a termoreglării: tranziția sistemului „kinesin + ATP” de la conformația 2 la conformația 3 este însoțită de eliberarea de energie, ceea ce înseamnă că tranziția inversă va fi energetică. consumatoare. Pentru ca acest lucru să se întâmple, trebuie să luați energie de undeva pentru a combina ADP cu fosfat, dar nu există de unde să o luați în această situație. Prin urmare, kinesina conectată la ATP este deschisă doar într-o direcție, ceea ce ne permite să facem munca utilă de a trage ceva de la un capăt la celălalt al celulei. Kinesina, de exemplu, este implicată în desprinderea cromozomilor unei celule în diviziune în timpul mitoză(procesul de diviziune a celulelor eucariote). Proteine musculare miozina trece de-a lungul filamentelor de actină, provocând contracția musculară.
Această mișcare este foarte rapidă: unii motor(responsabile pentru diferitele forme de motilitate celulară) proteinele implicate în replicarea genelor se grăbesc de-a lungul lanțului ADN cu o viteză de mii de nucleotide pe secundă.
Toate se mișcă în detrimentul hidroliză ATP (distrugerea moleculei cu atașarea la descompunerea rezultată a moleculelor mai mici de atomi prelevate din molecula de apă. Hidroliza este prezentată în partea dreaptă a diagramei de interconversie a ATP și ADP). Sau prin hidroliză GTF, care diferă de ATP doar prin faptul că conține o altă nucleotidă (guanină).
Scenariul 3: scindarea a două grupări fosfat din ATP sau altă moleculă similară care conține o nucleotidă duce la o eliberare și mai mare de energie decât atunci când este scindat un singur fosfat. O astfel de eliberare puternică vă permite să creați o coloană vertebrală puternică de zahăr-fosfat de molecule de ADN și ARN:
1. pentru ca nucleotidele să se poată atașa de catena de ADN sau ARN construită, acestea trebuie activate prin atașarea a două molecule de fosfat. Aceasta este o reacție consumatoare de energie, realizată de enzimele celulare.
2. enzima ADN sau ARN polimeraza (neprezentată în diagrama de mai jos) atașează o nucleotidă activată (GTP este prezentat în diagramă) la polinucleotida în construcție și catalizează scindarea a două grupări fosfat. Energia eliberată este folosită pentru a crea o legătură între gruparea fosfat a unei nucleotide și riboza alteia. Legăturile create ca urmare nu sunt de mare energie, ceea ce înseamnă că nu este ușor să le distrugi, ceea ce reprezintă un avantaj pentru construirea unei molecule care să conțină informațiile ereditare ale celulei sau să o transmită.
În natură, numai reacțiile favorabile energetic pot apărea spontan, ceea ce se datorează celei de-a doua legi a termodinamicii
Cu toate acestea, celulele vii pot combina două reacții, dintre care una dă puțin mai multă energie decât absoarbe cealaltă, și astfel pot realiza reacții consumatoare de energie. Reacțiile consumatoare de energie au ca scop crearea de molecule mai mari din molecule și atomi individuali, organele celulare și celule întregi, țesuturi, organe și ființe vii multicelulare, precum și stocarea energiei pentru metabolismul lor.
Stocarea energiei se realizează datorită distrugerii controlate și treptate a moleculelor organice (proces de furnizare de energie), cuplată cu crearea de molecule purtătoare de energie (proces consumator de energie). Astfel, organismele fotosintetice stochează energia fotonilor solari capturați de clorofilă.
Moleculele purtătoare de energie sunt împărțite în două grupe: stochează energie sub forma unei legături de înaltă energie sau sub forma unui electron de înaltă energie atașat. Cu toate acestea, în primul grup, energia mare este furnizată de același electron de înaltă energie, astfel încât putem spune că energia este stocată în cei conduși în nivel inalt electroni conținuți în diferite molecule
Energia stocată în acest fel este, de asemenea, cedată în două moduri: prin ruperea legăturii de înaltă energie sau prin transferul de electroni de înaltă energie pentru a le reduce treptat energia. În ambele cazuri, energia este eliberată sub formă de emisie prin transferul electronului la un nivel de energie mai scăzut al particulelor purtătoare a câmpului electromagnetic (foton) și căldură. Acest foton este captat în așa fel încât să se facă o muncă utilă (formarea unei molecule necesare metabolismului în primul caz și pomparea protonilor prin membrana mitocondrială în al doilea)
Energia stocată în gradientul de protoni este folosită pentru sinteza ATP, precum și pentru alte procese celulare care depășesc domeniul de aplicare al acestui capitol (cred că nimeni nu este jignit, având în vedere dimensiunea lui). Și ATP-ul sintetizat este utilizat așa cum este descris în paragraful anterior.
