Energie je přitom uložena v molekulách ATP. Zásobování buněk energií

Jak přesně se energie ukládá ATP(adenosintrifosfát) a jak se daruje dělat nějakou užitečnou práci? Zdá se neuvěřitelně komplikované, že nějaká abstraktní energie najednou přijme hmotný nosič ve formě molekuly umístěné uvnitř živých buněk a že se může uvolnit nikoli ve formě tepla (což je víceméně jasné), ale ve formě vytvoření další molekuly. Obvykle se autoři učebnic omezují na frázi „energie je uložena ve formě vysokoenergetické vazby mezi částmi molekuly a je rozdána, když je tato vazba přerušena, a dělá užitečnou práci“, ale to nic nevysvětluje.

Obecně řečeno, tyto manipulace s molekulami a energií probíhají následovně: za prvé. Nebo vznikají v chloroplastech v řetězci podobných reakcí. Tím se plýtvá energie získaná z řízeného spalování živin přímo uvnitř mitochondrií nebo energie fotonů slunečního záření dopadajících na molekulu chlorofylu. Poté je ATP dodáván do těch míst v buňce, kde je třeba udělat nějakou práci. A když se z něj odštěpí jedna nebo dvě fosfátové skupiny, uvolní se energie, která tuto práci vykonává. Současně se ATP rozkládá na dvě molekuly: pokud se odštěpí pouze jedna fosfátová skupina, ATP se změní na ADP(adenosin DIfosfát, který se liší od adenosin TRIfosfátu pouze nepřítomností velmi oddělené fosfátové skupiny). Pokud se ATP vzdal dvou fosfátových skupin najednou, uvolní se více energie a z ATP zůstane adenosin-MONOfosfát ( AMF).

Je zřejmé, že buňka musí provést opačný proces, přeměnit molekuly ADP nebo AMP na ATP, aby se cyklus mohl opakovat. Ale tyto „prázdné“ molekuly mohou snadno plavat vedle fosfátů, které jim chybí pro přeměnu na ATP, a nikdy se s nimi nespojí, protože taková asociační reakce je energeticky nepříznivá.

Co je "energetický přínos" chemické reakce, je docela jednoduché pochopit, pokud o tom víte druhý termodynamický zákon: ve vesmíru nebo v jakémkoli systému izolovaném od zbytku může nepořádek jen růst. To znamená, že komplexně organizované molekuly, které jsou v buňce v řádném pořadí, v souladu s tímto zákonem, mohou být zničeny pouze tím, že vytvoří menší molekuly nebo se dokonce rozpadnou na jednotlivé atomy, protože pak bude pořadí znatelně menší. Pro pochopení této myšlenky můžete porovnat složitou molekulu s letadlem sestaveným z Lega. Pak se malé molekuly, na které se ta složitá rozpadne, spojí s jednotlivými částmi tohoto letadla a atomy s jednotlivými Lego kostkami. Když se podíváme na úhledně sestavenou rovinu a porovnáme ji se změtí částí, je jasné, proč složité molekuly obsahují více řádu než malé.

Takováto rozpadová reakce (molekul, nikoli letadla) bude energeticky příznivá, což znamená, že může být provedena spontánně a při rozpadu se uvolní energie. I když ve skutečnosti bude rozdělení letadla energeticky přínosné: nehledě na to, že části samotné se od sebe nerozdělí a vnější síla v podobě dítěte, které chce tyto části použít na něco jiného, ​​bude muset nafoukne se nad jejich odpojením, vynaloží energii získanou konzumací vysoce uspořádaného jídla, aby proměnil letadlo v chaotickou hromadu dílů. A čím pevněji jsou části slepeny k sobě, tím více energie bude vynaloženo, včetně uvolněné ve formě tepla. Sečteno a podtrženo: kus housky (zdroj energie) a letadlo se promění v chaotickou hmotu, molekuly vzduchu kolem dítěte se zahřívají (a proto se pohybují více náhodně) - je zde větší chaos, to znamená, že rozdělení letadla je energeticky příznivý.

Když to shrneme, můžeme formulovat následující pravidla vyplývající z druhého termodynamického zákona:

1. S poklesem množství řádu se uvolňuje energie, dochází k energeticky příznivým reakcím

2. S nárůstem množství řádu dochází k absorpci energie, dochází k reakcím spotřebovávajícím energii

Na první pohled tento nevyhnutelný pohyb od řádu k chaosu znemožňuje zvrátit procesy, jako je stavba jediného oplodněného vajíčka a molekul živin absorbovaných matkou krávou, která je ve srovnání s rozžvýkaným teletem z trávy nepochybně velmi uspořádaná.

Ale přesto se to děje a důvodem je, že živé organismy mají jednu vlastnost, která jim umožňuje podporovat touhu vesmíru po entropii a budovat sebe a své potomky: spojit dvě reakce do jednoho procesu, z nichž jedna je energeticky příznivá a druhá energeticky náročná. Takovou kombinací dvou reakcí je možné zajistit, že energie uvolněná během první reakce více než pokryje energetické náklady druhé reakce. V příkladu s letadlem je jeho samostatné rozebírání energeticky náročné a bez vnějšího zdroje energie v podobě housky zničené chlapcovým metabolismem by letadlo stálo navždy.

Je to jako jet z kopce na saních: nejprve si člověk při jídle ukládá energii získanou v důsledku energeticky příznivých procesů štěpení vysoce uspořádaného kuřete na molekuly a atomy v těle. A pak tuto energii utrácí a táhne saně do hory. Pohyb saní zdola nahoru je energeticky nevýhodný, takže se tam nikdy samovolně nekutálejí, to vyžaduje nějakou energii třetí strany. A pokud energie získaná konzumací kuřete nestačí k překonání stoupání, pak k procesu „kutálení se z hory na saních“ nedojde.

Jedná se o energeticky náročné reakce ( energeticky náročná reakce ) zvýšit množství řádu absorbováním energie uvolněné ve sdružené reakci. A rovnováha mezi uvolňováním a spotřebou energie v těchto sdružených reakcích musí být vždy pozitivní, to znamená, že jejich kombinace zvýší množství chaosu. Příklad zvýšení entropie(porucha) ( entropie[‘entrəpɪ]) je uvolňování tepla během reakce poskytující energii ( reakce dodávky energie): částice látky sousedící s reagovanými molekulami dostávají energetické rázy od reagujících, začnou se pohybovat rychleji a chaotičtěji a tlačí postupně další molekuly a atomy této a sousedních látek.

Zpět k získávání energie z jídla: kousek Banoffee Pie je mnohem uspořádanější než výsledná žvýkací hmota, která se dostala do žaludku. Která se zase skládá z větších, uspořádanějších molekul než těch, na které je rozdělí střeva. A ty se zase dostanou do buněk těla, kde se z nich odtrhnou jednotlivé atomy a dokonce i elektrony... A v každé fázi nárůstu chaosu v jediném kousku dortu bude energie uvolňují, které zachytí orgány a organely šťastného jedlíka, uloží je ve formě ATP (spotřeba energie), umožní stavbu nových potřebných molekul (spotřeba energie) nebo pro zahřátí těla (také energeticky- konzumní). Výsledkem je, že v systému „člověk - Banoffee Pie - Universe“ je méně pořádku (kvůli zničení koláče a uvolnění tepelné energie organelami, které jej zpracovávají), ale v jediném lidském těle se štěstí stát se uspořádanějším (vzhledem ke vzniku nových molekul, částí organel a celých buněčných orgánů).

Pokud se vrátíme k molekule ATP, po celé této termodynamické digresi je jasné, že její vytvoření z základní části(menší molekuly) je nutné vynaložit energii přijatou z energeticky příznivých reakcí. Jeden způsob jeho vytvoření je podrobně popsán, jiný (velmi podobný) se používá v chloroplastech, kde se místo energie protonového gradientu využívá energie fotonů emitovaných Sluncem.

Existují tři skupiny reakcí, které produkují ATP (viz obrázek vpravo):

• štěpení glukózy a mastných kyselin na velké molekuly v cytoplazmě již umožňuje získat určité množství ATP (malé, na jednu molekulu glukózy rozštěpenou v této fázi připadají pouze 2 molekuly ATP). Ale hlavním cílem této fáze je vytvořit molekuly, které se používají v mitochondriálním dýchacím řetězci.
• další štěpení molekul získaných v předchozí fázi Krebsova cyklu, ke kterému dochází v mitochondriální matrici, dává pouze jednu molekulu ATP, jeho hlavní cíl je stejný jako v předchozím odstavci.
• konečně jsou molekuly nahromaděné v předchozích fázích využity v dýchacím řetězci mitochondrií k produkci ATP a zde se ho uvolňuje hodně (více o tom níže).

Pokud to vše popíšeme podrobněji a podíváme se na stejné reakce z hlediska výroby a výdeje energie, dostaneme toto:

0. Molekuly potravy jsou jemně spáleny (oxidovány) při primárním rozkladu, ke kterému dochází v cytoplazmě buňky, stejně jako v řetězci chemické reakce pod názvem "Krebsův cyklus", který probíhá již v matrix mitochondrií - produkující energii součástí přípravné fáze.

V důsledku konjugace s těmito energeticky příznivými reakcemi jiných, již energeticky nepříznivých reakcí tvorby nových molekul, vznikají 2 molekuly ATP a několik molekul dalších látek - energeticky náročné součástí přípravné fáze. Tyto společně se tvořící molekuly jsou nosiči vysokoenergetických elektronů, které budou v další fázi použity v mitochondriálním dýchacím řetězci.

1. Na membránách mitochondrií, bakterií a některých archeí dochází k energetickému odštěpování protonů a elektronů z molekul získaných v předchozí fázi (ne však z ATP). Průchod elektronů komplexy dýchacího řetězce (I, III a IV na schématu vlevo) je znázorněn žlutými vinutými šipkami, průchod těmito komplexy (a tedy vnitřní mitochondriální membránou) protonů je znázorněn červené šipky.

Proč nelze elektrony jednoduše odštěpit od nosné molekuly pomocí silného oxidačního činidla, kyslíku, a uvolněnou energii lze využít? Proč je přenášet z jednoho komplexu do druhého, protože nakonec dojdou ke stejnému kyslíku? Ukazuje se, že čím větší je rozdíl ve schopnosti přitahovat elektrony v elektronodárném ( redukční činidlo) a sběr elektronů ( oxidační činidlo) molekul zapojených do reakce přenosu elektronů, tím více energie se při této reakci uvolní.

Rozdíl v této schopnosti molekul nosiče elektronu a kyslíku vzniklých v Krebsově cyklu je takový, že uvolněná energie by v tomto případě stačila na syntézu několika molekul ATP. Ale kvůli tak prudkému poklesu energie systému by tato reakce probíhala s téměř výbušnou silou a téměř veškerá energie by se uvolnila ve formě nezachyceného tepla, tedy ve skutečnosti promarněného.

Živé buňky na druhou stranu rozdělují tuto reakci do několika malých fází, nejprve přenášejí elektrony ze slabě atraktivních nosných molekul do o něco atraktivnějšího prvního komplexu v dýchacím řetězci, z něj do ještě o něco atraktivnějšího. ubichinon(nebo koenzym Q-10), jehož úkolem je táhnout elektrony k dalšímu, ještě o něco silněji přitahujícímu dýchacímu komplexu, který přijímá svou část energie z této neúspěšné exploze a nechá ho pumpovat protony přes membránu.. A tak dále, dokud se elektrony konečně nesetkají s kyslíkem, přitahován, pohltí pár protonů a nevytvoří molekulu vody. Takové rozdělení jedné silné reakce na malé kroky umožňuje téměř polovinu užitečné energie nasměrovat na užitečnou práci: v tomto případě na vytváření protonový elektrochemický gradient o kterých bude řeč ve druhém odstavci.

Jak přesně energie přenesených elektronů napomáhá spojené energii spotřebovávající reakci pumpování protonů přes membránu, se teprve začíná zjišťovat. Přítomnost elektricky nabité částice (elektronu) s největší pravděpodobností ovlivní konfiguraci místa v proteinu uloženém v membráně, kde se nachází: takže tato změna vyprovokuje proton, aby byl vtažen do proteinu a prošel proteinovým kanálem. v membráně. Důležité je, že ve skutečnosti se energie získaná odštěpením vysokoenergetických elektronů z molekuly nosiče a jejich konečným přenosem na kyslík ukládá ve formě protonového gradientu.

2. Energie protonů nahromaděných v důsledku událostí z bodu 1 na vnější straně membrány a majících tendenci dostat se na vnitřní stranu se skládá ze dvou jednosměrných sil:

• elektrický(kladný náboj protonů má tendenci jít do místa akumulace negativních nábojů na druhé straně membrány) a
• chemikálie(stejně jako v případě jakékoli jiné hmoty se protony snaží rovnoměrně rozptýlit v prostoru a šíří se z míst s vysokou koncentrací do míst, kde je jich málo)

Elektrická přitažlivost protonů k negativní straně vnitřní membrány je mnohem silnější než tendence protonů přesunout se na místo s nižší koncentrací v důsledku rozdílu v koncentraci protonů (toto je naznačeno šířkou šipek v diagramu výše). Kombinovaná energie těchto hnacích sil je tak velká, že stačí k pohybu protonů uvnitř membrány ak pohonu doprovodné reakce náročné na energii: tvorby ATP z ADP a fosfátu.

Uvažujme podrobněji, proč to vyžaduje energii a jak přesně se energie aspirace protonů přeměňuje na energii chemické vazby mezi dvěma částmi molekuly ATP.

Molekula ADP (v diagramu vpravo) nechce získat další fosfátovou skupinu: atom kyslíku, ke kterému se tato skupina může připojit, je nabitý stejně negativně jako fosfát, což znamená, že se navzájem odpuzují. Obecně platí, že ADP nebude reagovat, je chemicky pasivní. Fosfát má zase na ten atom fosforu navázaný vlastní atom kyslíku, který by se mohl stát místem vazby mezi fosfátem a ADP při vytváření molekuly ATP, takže ani on nemůže převzít iniciativu.

Proto musí být tyto molekuly spojeny jedním enzymem, rozvinuty tak, aby vazby mezi nimi a „nadbytečnými“ atomy zeslábly a přerušily se a následně přivedly dva chemicky aktivní konce těchto molekul, na kterých atomy pociťují nedostatek a přebytek. elektronů, navzájem.

Ionty fosforu (P +) a kyslíku (O -), které spadly do pole vzájemného dosahu, jsou vázány silnou kovalentní vazbou díky tomu, že se společně zmocní jednoho elektronu, který původně patřil kyslíku. Tento enzym zpracovávající molekuly je ATP syntáza a energii na změnu jeho konfigurace a relativní pozice Přijímá ADP a fosfát z protonů, které jím procházejí. Pro protony je energeticky výhodné dostat se na opačně nabitou stranu membrány, kde je jich navíc málo a jediná cesta vede přes enzym, jehož „rotor“ protony současně rotují.

Struktura ATP syntázy je znázorněna na obrázku vpravo. Jeho rotující prvek v důsledku průchodu protonů je zvýrazněn nachový a pohyblivý obrázek níže ukazuje schéma jeho rotace a tvorby molekul ATP. Enzym funguje téměř jako molekulární motor, otáčí se elektrochemický aktuální energie protonů v mechanická energie tření dvou sad bílkovin o sebe: rotující „noha“ se otírá o nepohyblivé bílkoviny „kloboučku houby“, zatímco podjednotky „kloboučku“ mění svůj tvar. Tato mechanická deformace se stává energie chemické vazby při syntéze ATP, kdy jsou molekuly ADP a fosfátu zpracovány a rozbaleny způsobem nezbytným pro vytvoření kovalentní vazby mezi nimi.

Každá ATP syntáza je schopna syntetizovat až 100 molekul ATP za sekundu a na každou syntetizovanou molekulu ATP musí syntetázou projít asi tři protony. Většina ATP syntetizovaného v buňkách vzniká právě tímto způsobem a jen malá část je výsledkem primárního zpracování molekul potravy, ke kterému dochází mimo mitochondrie.

V každém okamžiku je v typické živé buňce asi miliarda molekul ATP. V mnoha buňkách je veškerý tento ATP nahrazen (tj. použit a znovu vytvořen) každé 1-2 minuty. Průměrný člověk v klidu spotřebuje každých 24 hodin množství ATP přibližně rovné jeho vlastní hmotnosti.

Obecně platí, že téměř polovina energie uvolněné při oxidaci glukózy nebo mastných kyselin na oxid uhličitý a vodu je zachycena a využita pro energeticky nepříznivou reakci tvorby ATP z ADP a fosfátů. Účinnost 50 % není špatná, například motor automobilu vloží do užitečné práce pouze 20 % energie obsažené v palivu. Zbytek energie se přitom v obou případech odvádí ve formě tepla a stejně jako některá auta i zvířata tento přebytek neustále (i když ne zcela samozřejmě) vynakládají na zahřátí těla. V procesu zde zmíněných reakcí zásobuje jedna molekula glukózy, postupně rozložená na oxid uhličitý a vodu, buňku 30 molekulami ATP.

Takže s tím, odkud energie pochází a jak přesně je uložena v ATP, je vše víceméně jasné. Zbývá pochopit jak přesně je uložená energie předána a co se v tomto případě stane na molekulárně-atomové úrovni.

Kovalentní vazba vytvořená mezi ADP a fosfátem se nazývá vysoká energie ze dvou důvodů:

• Když se porouchá, uvolňuje spoustu energie.
• elektrony podílející se na tvorbě této vazby (to znamená, že se točí kolem atomů kyslíku a fosforu, mezi nimiž tato vazba vzniká), jsou vysokoenergetické, to znamená, že jsou na „vysokých“ oběžných drahách kolem jader atomů. A energeticky by pro ně bylo prospěšné skočit na nižší úroveň, uvolňovat přebytečnou energii, ale dokud budou právě na tomto místě a upevňují atomy kyslíku a fosforu, nebudou moci „skákat“.

Tato touha elektronů spadnout na příhodnější nízkoenergetickou dráhu zajišťuje jak snadnou destrukci vysokoenergetické vazby, tak energii uvolněnou ve formě fotonu (který je nositelem elektromagnetické interakce). V závislosti na tom, které molekuly budou nahrazeny enzymy za kolabující molekulu ATP, která molekula bude absorbovat foton emitovaný elektronem, mohou nastat různé varianty událostí. Ale pokaždé energie uložená ve formě vysokoenergetické vazby bude využita pro některé potřeby buňky:

Scénář 1: fosfát může být přenesen na molekulu jiné látky. V tomto případě vysokoenergetické elektrony tvoří novou vazbu, již mezi fosfátem a extrémním atomem této recipientní molekuly. Podmínkou pro uskutečnění takové reakce je její energetický přínos: v této nové vazbě musí mít elektron o něco menší energii, než když byl součástí molekuly ATP, přičemž část energie vyzařuje ve formě fotonu směrem ven.

Účelem takové reakce je aktivovat molekulu příjemce (na obrázku vlevo je vyznačena V-OH): před přidáním fosfátu byla pasivní a nemohla reagovat s jinou pasivní molekulou A, ale nyní je vlastníkem zásoby energie v podobě vysokoenergetického elektronu, což znamená, že ji může někde utratit. Například pro připojení molekuly k sobě A, který bez takové finty s ušima (tedy vysokou energií vazebného elektronu) nelze přichytit. Fosfát se poté uvolní, když vykonal svou práci.

Výsledkem je řetězec reakcí:

1. ATP+ pasivní molekula V ➡️ ADP+ aktivní molekula díky připojenému fosfátu V-R

2. aktivovaná molekula V-R+ pasivní molekula A➡️spojené molekuly A-B+ odštěpený fosfát ( R)

Obě tyto reakce jsou energeticky příznivé: na každé z nich se podílí vysokoenergetický vazebný elektron, který při porušení jedné vazby a vzniku druhé ztrácí část své energie ve formě emise fotonů. V důsledku těchto reakcí se spojí dvě pasivní molekuly. Pokud vezmeme v úvahu reakci přímého spojení těchto molekul (pasivní molekula V+ pasivní molekula A➡️spojené molekuly A-B), pak se to ukazuje jako energeticky nákladné a nemůže se uskutečnit. Buňky „udělají nemožné“ spárováním této reakce s energeticky příznivým štěpením ATP na ADP a fosfát během dvou výše popsaných reakcí. K štěpení dochází ve dvou fázích, v každé z nich je část energie vazebného elektronu vynaložena na užitečnou práci, konkrétně na vytvoření nezbytných vazeb mezi dvěma molekulami, z nichž se získá třetí ( A-B) nezbytné pro fungování buňky.

Scénář 2: fosfát může být odštěpen současně z molekuly ATP a uvolněná energie je zachycena enzymem nebo pracovním proteinem a vynaložena na užitečnou práci.

Jak můžete zachytit něco tak nepostřehnutelného, ​​jako je zanedbatelná porucha elektromagnetického pole v okamžiku, kdy elektron spadne na nižší dráhu? Velmi jednoduše: pomocí dalších elektronů a pomocí atomů schopných absorbovat foton emitovaný elektronem.

Atomy, které tvoří molekuly, jsou drženy pohromadě v silných řetězcích a kruzích pomocí (takovým řetězcem je nesložený protein na obrázku vpravo). A oddělené části těchto molekul jsou k sobě přitahovány slabšími elektromagnetickými interakcemi (například vodíkovými vazbami nebo van der Waalsovými silami), což jim umožňuje formovat se do složitých struktur. Některé z těchto konfigurací atomů jsou velmi stabilní a žádné narušení elektromagnetického pole jimi neotřese... neotřese se... obecně jsou stabilní. A některé jsou docela mobilní a ke změně konfigurace jim stačí mírný elektromagnetický kopanec (nejsou to většinou kovalentní vazby). A právě takový kopanec jim dává právě přilétající fotonový nosič elektromagnetického pole, emitovaný elektronem, který při odpojení fosfátu přešel na nižší oběžnou dráhu.

Změny v konfiguraci proteinů v důsledku rozpadu molekul ATP jsou zodpovědné za nejúžasnější děje, ke kterým v buňce dochází. Určitě ti, kteří se zajímají o buněčné procesy alespoň na úrovni „podívejte se na jejich animaci na youtube“, narazili na video ukazující molekulu proteinu kinesin, doslova chodí, přeskupuje nohy, podél vlákna buněčné kostry, táhne náklad k němu připojený.

Toto krokování zajišťuje štěpení fosfátu z ATP a zde je návod, jak:

kinesin ( kinesin) označuje zvláštní typ proteinu, který má tendenci spontánně měnit svůj konformace(vzájemná poloha atomů v molekule). Ponechaný sám, náhodně přechází z konformace 1, ve které je připojen jednou „nohou“ k aktinovému vláknu ( aktinové vlákno) - nejtenčí tvarování závitu cytoskelet buňky ( cytoskelet), do konformace 2, čímž uděláme krok vpřed a postavíme se na dvě „nohy“. Z konformace 2 přejde se stejnou pravděpodobností jak do konformace 3 (připojuje zadní nohu k přední), tak zpět do konformace 1. Kinesin se proto nepohybuje žádným směrem, jen se bezcílně toulá.

Ale vše se změní, jakmile se spojí s molekulou ATP. Jak je znázorněno na obrázku vlevo, přidání ATP ke kinesinu v konformaci 1 vede ke změně jeho prostorové polohy a přechází do konformace 2. Důvodem je vzájemné elektromagnetické ovlivnění molekul ATP a kinesinu na sebe navzájem. . Tato reakce je vratná, protože nebyla vynaložena žádná energie, a pokud se ATP oddělí od kinesinu, jednoduše zvedne „nohu“, zůstane na místě a bude čekat na další molekulu ATP.

Ale pokud to přetrvává, pak kvůli vzájemné přitažlivosti těchto molekul je vazba, která drží fosfát v ATP, zničena. Současně uvolněná energie, stejně jako rozpad ATP na dvě molekuly (které již svými elektromagnetickými poli působí na atomy kinesinu jinak) vedou k tomu, že se mění konformace kinesinu: „tahá za zadní nohu “. Zbývá udělat krok vpřed, což se stane, když se ADP a fosfát oddělí a vrátí kinesin do své původní konformace 1.

V důsledku hydrolýzy ATP se kinesin přesunul doprava, a jakmile se k němu připojí další molekula, provede dalších pár kroků s využitím energie v něm uložené.

Je důležité, aby se kinesin, který je v konformaci 3 s připojeným ADP a fosfátem, nemohl vrátit do konformace 2 tím, že udělá „krok zpět“. To se vysvětluje stejným principem souladu s druhým zákonem termoregulace: přechod systému „kinesin + ATP“ z konformace 2 do konformace 3 je doprovázen uvolněním energie, což znamená, že obrácený přechod bude energeticky- konzumní. Aby k tomu došlo, musíte odněkud vzít energii, abyste spojili ADP s fosfátem, a v této situaci ji není odkud vzít. Proto je kinesin připojený k ATP otevřený pouze jedním směrem, což vám umožňuje dělat užitečnou práci přetahováním něčeho z jednoho konce buňky na druhý. Kinesin se například podílí na oddělování chromozomů dělící se buňky během mitóza(proces dělení eukaryotických buněk). Svalový protein myosin probíhá podél aktinových vláken a způsobuje svalovou kontrakci.

Tento pohyb je velmi rychlý: nějaký motor(zodpovědný za různé formy buněčná mobilita), proteiny zapojené do genové replikace se řítí podél řetězce DNA rychlostí tisíců nukleotidů za sekundu.

Všechny procházejí hydrolýza ATP (destrukce molekuly s přidáním atomů odebraných z molekuly vody na menší molekuly vzniklé rozkladem. Hydrolýza je znázorněna na pravé straně diagramu vzájemné přeměny ATP a ADP). Nebo hydrolýzou GTP, který se od ATP liší pouze tím, že obsahuje další nukleotid (guanin).

Scénář 3: odstranění dvou fosfátových skupin najednou z ATP nebo jiné podobné molekuly obsahující nukleotid vede k ještě většímu uvolnění energie, než když je odstraněn pouze jeden fosfát. Takové silné uvolnění vám umožní vytvořit silnou cukr-fosfátovou páteř molekul DNA a RNA:

1. aby se nukleotidy mohly spojit s budovaným řetězcem DNA nebo RNA, musí být aktivovány připojením dvou molekul fosfátu. Toto je energeticky náročná reakce prováděná buněčnými enzymy.

2. enzym DNA nebo RNA polymeráza (neznázorněno na obrázku níže) připojí aktivovaný nukleotid (GTP je znázorněn na obrázku) k polynukleotidu ve výstavbě a katalyzuje štěpení dvou fosfátových skupin. Uvolněná energie je využita k vytvoření vazby mezi fosfátovou skupinou jednoho nukleotidu a ribózou druhého. Vazby vzniklé ve výsledku nejsou vysokoenergetické, což znamená, že je není snadné zničit, což je výhoda pro stavbu molekuly, která obsahuje nebo přenáší dědičnou informaci buňky.

V přírodě může samovolně docházet pouze k energeticky příznivým reakcím, což je dáno druhým termodynamickým zákonem

Živé buňky však mohou kombinovat dvě reakce, z nichž jedna dává o něco více energie, než druhá absorbuje, a tak provádět reakce spotřebovávající energii. Energeticky náročné reakce jsou zaměřeny na vytváření větších molekul, buněčných organel a celých buněk, tkání, orgánů a mnohobuněčných živých bytostí z jednotlivých molekul a atomů, jakož i na ukládání energie pro jejich metabolismus.

Ukládání energie se provádí řízenou a postupnou destrukcí organických molekul (energetický proces) ve spojení s tvorbou molekul přenášejících energii (energeticky náročný proces). Fotosyntetické organismy takto ukládají energii slunečních fotonů zachycených chlorofylem.

Molekuly-nosiče energie se dělí do dvou skupin: akumulující energii ve formě vysokoenergetické vazby nebo ve formě připojeného vysokoenergetického elektronu. V první skupině však vysokou energii poskytuje stejný vysokoenergetický elektron, takže můžeme říci, že energie je uložena v elektronech hnaných na vysokou úroveň, které jsou součástí různých molekul

Takto uložená energie se také vydává dvěma způsoby: zničením vysokoenergetické vazby nebo přenosem vysokoenergetických elektronů k postupnému snižování jejich energie. V obou případech se energie uvolňuje ve formě emise elektronem přecházejícím na nižší energetickou hladinu částice-nosiče elektromagnetického pole (fotonu) a tepla. Tento foton je zachycen takovým způsobem, že je vykonána užitečná práce (v prvním případě tvorba molekuly nezbytné pro metabolismus a ve druhém pumpování protonů mitochondriální membránou)

Energie uložená ve formě protonového gradientu se využívá k syntéze ATP, ale i k dalším buněčným procesům, které jsou nad rámec této kapitoly (myslím, že se vzhledem k její velikosti nikdo neurazí). A syntetizovaný ATP se používá tak, jak je popsáno v předchozím odstavci.

"Při vyčerpání zásob psychické energie lze také mluvit o chemické smrti člověka.

Můžeme mluvit o vzkříšení, kdy se psychická energie začíná doplňovat".

Co je to psychická energie? Je to životodárná energie, na které závisí existence člověka. Neexistuje žádná Psychická energie (dále jen PE) – neexistuje život, fyzický rozklad, přichází nemoc a smrt. Existuje PE - existuje život plný tvůrčího vzestupu, zdraví a štěstí.

Synonyma pro PE: milost, prána, čínská energie čchi, oheň Hermes, Kundaliní, ohnivé jazyky dne Nejsvětější Trojice, Bulwer-Lyttonův Vril, volná energie Killy, Mesmerova tekutina, Reichenbachův Od, živý oheň Zoroaster, Sophia z Hellenes , Saraswati z hinduistů a mnoho, mnoho dalších.

Známky poklesu PE: duševní a fyzická únava, ospalost, amorfní vědomí a v těžkých případech - nevolnost.

Známky přílivu PE: radost a optimismus, tvůrčí činnost, touha po úspěchu a plodné činnosti.

Sedm způsobů, jak ušetřit PE

1. AURA. Když ráno odcházíte z domu, mentálně si kolem sebe nakreslete na vzdálenost nataženého lokte energetickou skořápku ve tvaru slepičí vejce tak, aby vaše tělo bylo ve středu tohoto aurického vejce. Posílíte tak ochrannou síť své aury, která chrání váš PE před nežádoucími průniky.

2. UPÍŘI. Snažte se vyhnout komunikaci s lidmi s vyhaslým a zakaleným, proměnlivým pohledem - to jsou energetičtí upíři, po komunikaci s nimiž nastupuje ostrá únava. Vzhled člověka nelze předstírat. Oči jsou nejspolehlivějším indikátorem přítomnosti PE u lidí. Ti, kteří nemají vlastní PE, se často stávají energetickým upírem a snaží se ho (často nevědomě) ukrást pouhým přiblížením se k auře dárce.

3. DAV. V veřejná doprava, nebo podobné přeplněné místo, nenápadně proveďte rychlé posouzení poblíž stojící lidé. Pokud vám jeden z nich způsobil mírné odmítnutí, přesuňte se od něj na jiné místo. Když se lidské aury dostanou do kontaktu, vaše PE magneticky proudí do jiné aury a PE jiné aury proudí do vaší a neexistuje způsob, jak této výměně energie zabránit – to je pevný zákon.

4. RUCE. V na veřejných místech snažte se vyhnout přímému kontaktu holýma rukama s běžně používanými předměty a věcmi, jako jsou kliky dveří, zábradlí, madla nákupního košíku atd. Pokud je to možné, pak v zimní sezóně nesundávejte rukavice a nekupujte tenké, například dětské. Pokud neexistuje způsob, jak se vyhnout přímému kontaktu s holýma rukama, pak najděte místo, které je nejméně používané. Lidské ruce vyzařují silné proudy PE. Při každém dotyku člověk nasytí svým PE ty předměty, kterých se ruka dotkla. Dávejte pozor na staré, neznámé věci. Mohou nést náboj negativního PE, při jehož kontaktu strávíte spoustu svého PE na jeho neutralizaci.

5. PODRÁŽDĚNÍ. Rozhodně se vyvarujte podráždění, které může být nepříjemné zejména ve veřejné dopravě, v obchodech, při hustém provozu na silnici při jízdě autem, v domácí život atd. Duševní podráždění vytváří negativní PE, který ničí váš pozitivní PE.

6. INTIM. Vést mírný intimní život, protože reprodukce semenné tekutiny vyžaduje velkou spotřebu PE.

7. ZVÍŘATA. Nenechávejte zvířata doma, aby k nim váš PE neutekl. Zvířata, stejně jako všechno živé, mají svou vlastní auru s vlastní PE, která je kvalitativně mnohem nižší než PE člověka. Při kontaktu aury člověka a zvířete dochází ke stejné výměně PE jako mezi lidmi. Nenasyťte svou auru spodním zvířecím PE.

Sedm způsobů, jak zlepšit PE

1. VZDUCH. Dýchejte přirozenější, čistý vzduch. Je v něm rozpuštěna prána, solární PE. Ve velkých městech nad milion obyvatel není čistý vzduch, proto se snažte buď častěji vyrazit do přírody, nebo se dokonce přestěhovat z města či do malého města.

2. PROSTOR. Neohraničené vesmírné prostory jsou naplněny vesmírnou životodárnou energií, která je podobná lidské PE. Stačí mentálně zavolat a vytáhnout to odtamtud. Podívejte se na hvězdnou oblohu a představte si, že je to oceán energie, jehož dotykem snadno posilujete svou životní energii.

3. PŘÁTELSKÝ. Buďte přátelští ke všem kolem vás. Nepřej nikomu nic zlého, dokonce ani svým nepřátelům. Laskavost a přátelský přístup nejenže dávají vzniknout pozitivnímu PE záření ve vaší auře, ale také vyvolávají v lidech stejné vibrace odezvy jako jejich aura. Přátelští lidé si vyměňují pozitivní PE s ostatními lidmi jednoduše proto, že v ostatních lidech vyvolávají stejné pozitivní PE.

4. SRDCE. Hlavním vládcem PE člověka je jeho srdce. Poslouchejte své srdce, ne svůj mozek. Racionální mozek je často klamán při správném posouzení životní situace a někdy vede do slepé uličky. Srdce není nikdy oklamáno a ví mnohem víc, než si mysl dokáže představit. Naslouchejte hlasu svého srdce v klidu a tichu. Řekne vám, jak jít cestou života, abyste na jejím konci mohli říct, že jste prožili šťastný život.

6. ZELENINA A OVOCE. Jezte syrovou zeleninu a ovoce – jsou plné slunečních usazenin PE. Snažte se nejíst smažená jídla. převařené máslo uvolňuje jedy, které zabíjejí vaše PE. Nejezte maso, je plné neviditelné energie choroboplodných tekutin rozkladu, který začíná bezprostředně po smrti zvířete. I to nejčerstvější maso je plné nejen nízkého živočišného PE, ale i energetických mikrobů, při jejichž konzumaci vaše tělo vydá spoustu PE na jejich neutralizaci. Luštěniny mohou snadno nahradit masné výrobky.

7. SEN Než půjdete spát, nebojte se, a ještě víc se svou rodinou nepřísahejte. Snažte se nesledovat negativní a kriminální televizní pořady, které způsobují špatné emoce. Je lepší se podívat na dobrý film nebo si přečíst dobrá kniha nebo poslouchat uklidňující hudbu. Před spaním se osprchujte, abyste nejen vyčistili své tělo od usazenin potu, ale co je důležitější, abyste z aury odplavili nahromaděnou energii dne. Čistá voda má vlastnost čištění PE. Poté, co šel spát v čistém těle a klidném, mírumilovném duchu, se vaše PE vrhne do čistých vrstev vesmíru, kde se mu dostane posílení a výživy. Ráno pocítíte živost a sílu prožít nadcházející den důstojně.

bohatý růst tlustých stromů,
které jsou zakořeněné na neúrodném písku
schválil své vlastní, to jasně uvádí
mastné pláty mastného tuku ze vzduchu
absorbovat...
M. V. Lomonosov

Jak se v buňce ukládá energie? Co je metabolismus? Co je podstatou procesů glykolýzy, fermentace a buněčného dýchání? Jaké procesy probíhají ve světlé a tmavé fázi fotosyntézy? Jak spolu souvisí procesy výměny energie a plastů? Co je chemosyntéza?

Lekce-přednáška

Schopnost přeměnit jeden druh energie na jiný (energii záření na energii chemických vazeb, chemickou energii na energii mechanickou atd.) je jednou ze základních vlastností živých tvorů. Zde podrobně zvážíme, jak se tyto procesy realizují v živých organismech.

ATP – HLAVNÍ NOSIČ ENERGIE V BUŇCE. Pro realizaci jakýchkoli projevů vitální aktivity buněk je zapotřebí energie. Autotrofní organismy přijímají počáteční energii ze Slunce během fotosyntézních reakcí, zatímco heterotrofní organismy využívají jako zdroj energie organické sloučeniny z potravy. Energii ukládají buňky v chemických vazbách molekul ATP (adenosintrifosfát), což jsou nukleotidy sestávající ze tří fosfátových skupin, cukerného zbytku (ribózy) a zbytku dusíkaté báze (adenin) (obr. 52).

Rýže. 52. Molekula ATP

Vazba mezi fosfátovými zbytky se nazývá makroergní, protože když se rozbije, velký počet energie. Normálně buňka získává energii z ATP odstraněním pouze koncové fosfátové skupiny. V tomto případě se tvoří ADP (adenosindifosfát), kyselina fosforečná a uvolňuje se 40 kJ / mol:

Molekuly ATP hrají roli univerzálního energetického vyjednávacího čipu buňky. Jsou dodávány na místo energeticky náročného procesu, ať už se jedná o enzymatickou syntézu organických sloučenin, práci proteinů – molekulárních motorů nebo membránových transportních proteinů apod. Reverzní syntéza molekul ATP se provádí připojením fosfátu skupiny k ADP s absorpcí energie. Ukládání energie ve formě ATP buňkou se provádí během reakcí energetický metabolismus. Je úzce spojen s výměna plastu při které buňka produkuje organické sloučeniny nezbytné pro její fungování.

METABOLISMUS A ENERGIE V BUŇCE (METABOLISMUS). Metabolismus - souhrn všech reakcí plastického a energetického metabolismu, vzájemně propojené. V buňkách neustále probíhá syntéza sacharidů, tuků, bílkovin, nukleových kyselin. Syntéza sloučenin vždy přichází s vynaložením energie, tedy s nepostradatelnou účastí ATP. Zdroje energie pro tvorbu ATP jsou enzymatické reakce oxidace bílkovin, tuků a sacharidů vstupujících do buňky. Tento proces uvolňuje energii, která je uložena v ATP. Oxidace glukózy hraje zvláštní roli v energetickém metabolismu buněk. Molekuly glukózy procházejí řadou po sobě jdoucích transformací.

První etapa, tzv glykolýza, probíhá v cytoplazmě buněk a nevyžaduje kyslík. V důsledku postupných reakcí zahrnujících enzymy se glukóza rozkládá na dvě molekuly kyseliny pyrohroznové. V tomto případě jsou spotřebovány dvě molekuly ATP a energie uvolněná během oxidace je dostatečná k vytvoření čtyř molekul ATP. Výsledkem je, že energetický výtěžek glykolýzy je malý a činí dvě molekuly ATP:

C 6 H1 2 0 6 → 2C 3 H 4 0 3 + 4H + + 2ATP

Za anaerobních podmínek (v nepřítomnosti kyslíku) mohou být další přeměny spojeny s různými typy kvašení.

Každý ví mléčné kvašení(kysání mléka), ke kterému dochází v důsledku činnosti mléčných hub a bakterií. Mechanismem je podobný glykolýze, pouze konečným produktem je zde kyselina mléčná. K tomuto typu oxidace glukózy dochází v buňkách s nedostatkem kyslíku, například v těžce pracujících svalech. Blízko v chemii k mléčnému a alkoholovému kvašení. Rozdíl je v tom, že produkty alkoholového kvašení jsou ethylalkohol a oxid uhličitý.

Další stupeň, během kterého se kyselina pyrohroznová oxiduje na oxid uhličitý a vodu, se nazývá buněčné dýchání. Reakce související s dýcháním probíhají v mitochondriích rostlinných a živočišných buněk a pouze za přítomnosti kyslíku. Jedná se o sérii chemických přeměn před vznikem konečného produktu – oxidu uhličitého. V různých fázích tohoto procesu vznikají meziprodukty oxidace výchozí látky za eliminace atomů vodíku. V tomto případě se uvolňuje energie, která se „zakonzervuje“ v chemických vazbách ATP, a vznikají molekuly vody. Je zřejmé, že právě k navázání odštěpených atomů vodíku je zapotřebí kyslík. Tato série chemických transformací je poměrně složitá a probíhá za účasti vnitřních membrán mitochondrií, enzymů a nosných proteinů.

Buněčné dýchání má velmi vysokou účinnost. Dochází k syntéze 30 molekul ATP, další dvě molekuly vznikají při glykolýze a šest molekul ATP – jako výsledek transformace produktů glykolýzy na mitochondriálních membránách. Celkem se v důsledku oxidace jedné molekuly glukózy vytvoří 38 molekul ATP:

C6H12O6 + 6H20 → 6CO2 + 6H20 + 38ATP

V mitochondriích probíhají konečné fáze oxidace nejen cukrů, ale i bílkovin a lipidů. Tyto látky jsou buňkami využívány hlavně při ukončení zásobování sacharidy. Nejprve se spotřebuje tuk, při jehož oxidaci se uvolní mnohem více energie než ze stejného objemu sacharidů a bílkovin. Tuk u zvířat je proto hlavní „strategickou rezervou“ energetických zdrojů. V rostlinách hraje škrob roli energetické rezervy. Při skladování zabírá podstatně více místa než energeticky ekvivalentní množství tuku. Pro rostliny to není překážka, protože jsou nehybné a nenosí na sobě rezervy, jako zvířata. Ze sacharidů můžete získat energii mnohem rychleji než z tuků. Bílkoviny plní v těle mnoho důležitých funkcí, proto se do energetického metabolismu zapojují až při vyčerpání zdrojů cukrů a tuků, například při dlouhodobém hladovění.

FOTOSYNTÉZA. Fotosyntéza- je proces, při kterém se energie slunečního záření přeměňuje na energii chemických vazeb organických sloučenin. V rostlinných buňkách probíhají v chloroplastech procesy související s fotosyntézou. Uvnitř této organely jsou systémy membrán, ve kterých jsou zapuštěny pigmenty, které zachycují zářivou energii Slunce. Hlavním pigmentem fotosyntézy je chlorofyl, který pohlcuje především modré a fialové a také červené paprsky spektra. Zelené světlo se odráží, takže samotný chlorofyl a části rostlin, které ho obsahují, vypadají zeleně.

Fotosyntéza má dvě fáze - světlo A temný(obr. 53). K vlastnímu zachycení a přeměně zářivé energie dochází během světelné fáze. Při pohlcování světelných kvant přechází chlorofyl do excitovaného stavu a stává se donorem elektronů. Jeho elektrony jsou přenášeny z jednoho proteinového komplexu do druhého podél elektronového transportního řetězce. Proteiny tohoto řetězce jsou stejně jako pigmenty koncentrovány na vnitřní membráně chloroplastů. Když elektron prochází nosným řetězcem, ztrácí energii, která se využívá k syntéze ATP. Některé z elektronů excitovaných světlem se používají ke snížení NDP (nikotinamid adenindinukleotifosfát) nebo NADPH.

Rýže. 53. Produkty reakcí světlé a tmavé fáze fotosyntézy

Vlivem slunečního záření v chloroplastech také dochází k štěpení molekul vody - fotolýza; v tomto případě vznikají elektrony, které kompenzují jejich ztrátu chlorofylem; Kyslík vzniká jako vedlejší produkt:

Funkční význam světelné fáze tedy spočívá v syntéze ATP a NADP·H přeměnou světelné energie na chemickou energii.

Temná fáze fotosyntézy nevyžaduje světlo. Podstatou procesů, které zde probíhají, je, že molekuly ATP a NADP·H získané ve světelné fázi jsou použity v řadě chemických reakcí, které „fixují“ CO2 ve formě sacharidů. Všechny reakce temné fáze probíhají uvnitř chloroplastů a ADP a NADP uvolněné při „fixaci“ oxidu uhličitého se opět využívají v reakcích světlé fáze pro syntézu ATP a NADP H.

Celková rovnice fotosyntézy je následující:

VZTAH A JEDNOTA PROCESŮ VÝMĚNY PLASTŮ A ENERGIE. Procesy syntézy ATP probíhají v cytoplazmě (glykolýza), v mitochondriích (buněčné dýchání) a v chloroplastech (fotosyntéza). Všechny reakce probíhající během těchto procesů jsou reakcemi výměny energie. Energie uložená ve formě ATP je vynakládána v reakcích výměny plastů na produkci bílkovin, tuků, sacharidů a nukleových kyselin nezbytných pro život buňky. Všimněte si, že temná fáze fotosyntézy je řetězec reakcí, plastická výměna a světlá fáze je energie.

Vztah a jednotu procesů výměny energie a plastů dobře ilustruje následující rovnice:

Čtením této rovnice zleva doprava dostaneme proces oxidace glukózy na oxid uhličitý a vodu během glykolýzy a buněčného dýchání, spojený se syntézou ATP (energetický metabolismus). Pokud si to přečtete zprava doleva, pak získáte popis reakcí temné fáze fotosyntézy, kdy se glukóza syntetizuje z vody a oxidu uhličitého za účasti ATP (plastický metabolismus).

CHEMOSYNTÉZA. Kromě fotoautotrofů jsou také některé bakterie (vodíkové, nitrifikační, sirné bakterie atd.) schopny syntetizovat organické látky z látek anorganických. Tuto syntézu provádějí díky energii uvolněné při oxidaci anorganických látek. Říká se jim chemoautotrofy. Tyto chemosyntetické bakterie hrají důležitou roli v biosféře. Například nitrifikační bakterie přeměňují amonné soli, které jsou pro rostliny nedostupné, na soli kyseliny dusičné, které jsou jimi dobře absorbovány.

Buněčný metabolismus je tvořen reakcemi energetického a plastového metabolismu. V průběhu energetického metabolismu dochází ke vzniku organických sloučenin s makroergickými chemickými vazbami - ATP. Energie potřebná k tomu pochází z oxidace organických sloučenin během anaerobních (glykolýza, fermentace) a aerobních (buněčné dýchání) reakcí; ze slunečních paprsků, jejichž energie je absorbována ve fázi světla (fotosyntéza); z oxidace anorganických sloučenin (chemosyntéza). Energie ATP se vynakládá na syntézu organických sloučenin nezbytných pro buňku v průběhu plastických výměnných reakcí, které zahrnují reakce temné fáze fotosyntézy.

• Jaké jsou rozdíly mezi plastovým a energetickým metabolismem?
• Jak se energie slunečního světla přeměňuje na světelnou fázi fotosyntézy? Jaké procesy probíhají během temné fáze fotosyntézy?
• Proč se fotosyntéza nazývá proces odrazu planetárně-kosmické interakce?

Z potravy, kterou konzumujeme, se vyrábí energie, která je nezbytná pro realizaci jakýchkoli funkcí našeho těla – od chůze a schopnosti mluvit až po trávení a dýchání. Proč si ale často stěžujeme na nedostatek energie, podrážděnost nebo letargii? Odpověď spočívá v tom, jaké potraviny tvoří náš každodenní jídelníček.

Výroba elektřiny

Kromě vody a vzduchu potřebuje naše tělo neustále pravidelný přísun potravy, která zajišťuje energetické zásoby nezbytné pro pohyb, dýchání, termoregulaci, činnost srdce, krevní oběh a mozkovou činnost. Je zarážející, že i v klidu náš mozek spotřebovává asi 50 % energie uložené z požitého jídla a spotřeba energie se dramaticky zvyšuje při intenzivní mozkové aktivitě, například při zkouškách. Jak se jídlo přeměňuje na energii?

Proces trávení, podrobněji popsaný v odpovídající části (-79), rozkládá potravu na jednotlivé molekuly glukózy, které se pak dostávají přes střevní stěnu do krevního oběhu. Krevním oběhem se glukóza přenáší do jater, kde se filtruje a ukládá do rezervy. Hypofýza (endokrinní žláza umístěná v mozku) signalizuje slinivce a štítné žláze, aby uvolnily hormony, které způsobí, že játra uvolní nahromaděnou glukózu do krevního oběhu, načež ji krev dodá těm orgánům a svalům, které ji potřebují.

Po dosažení požadovaného orgánu molekuly glukózy proniknou do buněk, kde se přemění na zdroj energie, který je dostupný pro použití buňkami. Proces neustálého zásobování orgánů energií tedy závisí na hladině glukózy v krvi.

Abychom zvýšili energetické zásoby těla, musíme konzumovat určité druhy potravin, zejména takové, které mohou zvýšit úroveň metabolismu a udržet potřebnou úroveň energie. Chcete-li pochopit, jak se to všechno děje, zvažte následující otázky:

Jak se jídlo přeměňuje na energii?

Každá buňka v našem těle obsahuje mitochondrie. Zde složky, které tvoří potravinářské produkty, procházejí řadou chemických přeměn, jejichž výsledkem je tvorba energie. Každá buňka je v tomto případě miniaturní elektrárna. Je zvláštní, že počet mitochondrií v každé buňce závisí na energetických potřebách. Při pravidelném cvičení se zvyšuje, aby zajistila větší produkci potřebné energie. A naopak, sedavý obrazživot vede ke snížení produkce energie a v důsledku toho ke snížení počtu mitochondrií. K přeměně na energii jsou potřeba různé živiny, z nichž každá přispívá k různým krokům v procesu výroby energie (viz Energy Foods). Konzumované jídlo by proto mělo nejen zasytit, ale také obsahovat všechny druhy živin potřebných pro tvorbu energie: sacharidy, bílkoviny a tuky.

VELMI DŮLEŽITÉ JE OMEZIT VE SVÉ JÍDLE POTRAVINY, KTERÉ BEROU ENERGII NEBO BRÁNÍ JEJÍ TVORBU. VŠECHNY TAKOVÉ PRODUKTY STIMULUJÍ UVOLŇOVÁNÍ HORMONU ADRENALINU.

Pro správné fungování těla je důležité udržovat konstantní hladinu glukózy v krvi (viz Udržování normální hladiny cukru v krvi, - 46). Za tímto účelem je žádoucí upřednostňovat potraviny s nízkým glykemickým indexem. Přidáním bílkovin a vlákniny do každého jídla nebo svačiny přispíváte k akumulaci dostatečného množství potřebné energie.

Sacharidy a glukóza

Energie, kterou získáváme z jídla, pochází spíše ze sacharidů než z bílkovin nebo tuků. Sacharidy se snadněji přeměňují na glukózu a jsou proto pro tělo nejpohodlnějším zdrojem energie.

Glukóza může být využita pro energetické potřeby okamžitě, nebo uložena do zásoby v játrech a svalech. Ukládá se ve formě glykogenu, který se v případě potřeby na něj opět snadno přemění. Při syndromu bojuj nebo uteč (viz) se glykogen uvolňuje do krevního řečiště, aby tělu dodal další energii. Glykogen je skladován v rozpustné formě.

Bílkoviny musí být vyvážené sacharidy

Přestože každý potřebuje sacharidy a bílkoviny, jejich poměry se mohou lišit v závislosti na individuálních potřebách a zvyklostech. Optimální poměr se volí individuálně metodou pokusu a omylu, ale můžete se řídit údaji uvedenými v tabulce na straně 43.

S proteiny opatrně. Vždy do nich přidejte kvalitní komplexní sacharidy, jako je hutná zelenina nebo obilná zrna. Převaha bílkovinných potravin vede k okyselení vnitřního prostředí organismu, přičemž by mělo být mírně zásadité. vnitřní systém samoregulace umožňuje tělu návrat do alkalizovaného stavu uvolněním vápníku z kostí. V konečném důsledku to může narušit strukturu kostí, což vede k osteoporóze, při které často dochází ke zlomeninám.

Zdravé nápoje a svačiny obsahující glukózu poskytují rychlou energetickou podporu, ale účinek je krátkodobý. Navíc je doprovázena vyčerpáním energetických zásob nahromaděných v těle. Při sportu utratíte spoustu energie, a tak před nimi můžete „natankovat“ sójový tvaroh s čerstvým ovocem.

Dobré jídlo, dobrá nálada

Zkuste mírně zvýšit příjem bílkovin a zároveň snížit sacharidy nebo naopak, dokud nezjistíte optimální hladinu energie.

Energetické nároky po celý život

Potřeba další energie v nás vzniká v různých fázích života. V dětství je například energie potřebná pro růst a učení, dospívání- zajistit hormonální a fyzické změny v období puberty. V těhotenství se u matky i u plodu zvyšuje potřeba energie a při stresu se přebytečná energie utrácí po celý život. Navíc člověk vedoucí aktivní životní styl potřebuje více energie než běžní lidé.

Zloději energie

Je velmi důležité omezit ve stravě obsah produktů, které odebírají energii nebo zabraňují její tvorbě. Mezi tyto potraviny patří alkohol, čaj, káva a šumivé nápoje, stejně jako dorty, sušenky a sladkosti. Všechny takové produkty stimulují uvolňování hormonu adrenalinu, který se tvoří v nadledvinách. Nejrychleji se adrenalin produkuje při tzv. syndromu „bojuj nebo uteč“, kdy nás něco ohrožuje. Uvolnění adrenalinu mobilizuje tělo k akci. Srdce začne bít rychleji, plíce absorbují více vzduchu, játra uvolňují do krve více glukózy a krev se vrhne tam, kde je jí nejvíce potřeba – například do nohou. Neustále zvýšená produkce adrenalinu, zejména při správné výživě, může vést k přetrvávajícímu pocitu únavy.

Stres je také považován za jeden z plýtvačů energie, protože stres uvolňuje uloženou glukózu z jater a svalů, což má za následek krátkodobý příval energie následovaný stavem dlouhodobé únavy.

Energie a emoce

Při syndromu bojuj nebo uteč se glykogen (uložené sacharidy) přesouvá z jater do krevního oběhu, což vede ke zvýšení hladiny cukru v krvi. Vzhledem k tomu může dlouhodobý stresový stav vážně ovlivnit hladinu cukru v krvi. Kofein a nikotin mají podobný účinek; ty druhé podporují sekreci dvou hormonů, kortizonu a adrenalinu, které narušují trávení a způsobují, že játra uvolňují uložený glykogen.

Jídlo bohaté na energii

Energeticky nejbohatší jsou potraviny obsahující komplex vitamínů skupiny B: B1, B2, B3, B5, B6, B12, B9 (kyselina listová) a biotin. Všechny se hojně vyskytují v prosu, pohance, žitu, quinoa (jihoamerická obilnina velmi oblíbená na Západě), kukuřici a ječmeni. V klíčících zrnech se energetická hodnota mnohonásobně zvyšuje - nutriční hodnota klíčky zvyšují enzymy podporující růst. Hodně vitamínů B najdeme také v čerstvých bylinkách.

Pro energii těla je důležitý i vitamín C, který je obsažen v ovoci (například pomeranče) a zelenině (brambory, paprika); hořčík, který je hojný v zeleni, ořechách a semenech; zinek ( žloutek, ryby, slunečnicová semínka); železo (zrna, dýňová semínka, čočka); měď (skořápka para ořechů, oves, losos, houby), stejně jako koenzym Q10, který je obsažen v hovězím mase, sardinkách, špenátu a arašídech.

Udržování normální hladiny cukru v krvi

Jak často jste se museli ráno probudit se špatnou náladou, cítit se letargicky, ohromeni a pociťovat naléhavou potřebu spát další hodinu nebo dvě? A zdá se, že život není žádná radost. Nebo si možná po flákání do poledne říkáte, jestli stihnete oběd. Ještě horší je, když vás únava přemůže po obědě, ke konci pracovního dne, a vy netušíte, jak se dostat domů. A pak musíte uvařit večeři. A pak - jíst. A neptejte se sami sebe: "Pane, kam se poděly poslední síly?"

Může být způsobena neustálá únava a nedostatek energie různé důvody, ale nejčastěji jsou důsledkem špatné stravy a / nebo nepravidelného stravování, stejně jako zneužívání stimulantů, které pomáhají "vydržet".

Deprese, podrážděnost a změny nálad spolu s premenstruačním syndromem, záchvaty vzteku, úzkostí a nervozitou mohou být důsledkem nerovnováhy v produkci energie, podvýživy a častých módních diet.

Po získání představy o tom, jak a z jaké energie se v našem těle tvoří, můžeme v krátké době navýšit naši energii, což nám umožní nejen udržet si výkonnost a dobrou náladu po celý den, ale také zajistit zdravé hluboký spánek v noci.

Tento materiál je založen na článku „Přehled typů zařízení pro uchovávání energie“, dříve publikovaném na http://khd2.narod.ru/gratis/accumul.htm, s přidáním několika odstavců z jiných zdrojů, například http ://battery-info. cs/alternativy.

Jedním z hlavních problémů alternativní energie je její nerovnoměrná dodávka z obnovitelných zdrojů. Slunce svítí jen ve dne a za bezoblačného počasí vítr buď fouká, nebo utichá. Ano, a potřeba elektřiny není konstantní, např. přes den si svítí méně a večer více. A lidem se líbí, když jsou města a vesnice v noci zaplaveny osvětlením. No, nebo alespoň ulice jsou osvětlené. Vyvstává tedy úkol - přijatou energii po určitou dobu šetřit, aby byla využita, když je její potřeba maximální a průtok nestačí.

HPP TaumSauk v USA. I přes svůj nízký výkon je známý po celém světě díky hornímu bazénu ve tvaru srdce.

Existují také menší hydraulické akumulátory. gravitační energie. Nejprve přečerpáme 10 tun vody z podzemní nádrže (studny) do kontejneru na věži. Poté voda z nádrže pod působením gravitace proudí zpět do nádrže a roztáčí turbínu s elektrickým generátorem. Životnost takového pohonu může být 20 let i více. Výhody: při použití větrné turbíny může tato přímo pohánět vodní čerpadlo, vodu z nádrže na věži lze využít pro jiné potřeby.

Hydraulické systémy jsou bohužel náročnější na údržbu. technický stav než pevné - jedná se především o těsnost nádrží a potrubí a provozuschopnost uzavíracích a čerpacích zařízení. A ještě jedna důležitá podmínka - v momentech akumulace a využití energie musí být pracovní tekutina (alespoň její dost velká část) v kapalném skupenství agregace a nesmí být ve formě ledu nebo páry. Někdy je však v takových akumulátorech možné získat další volnou energii, například při doplňování horní nádrže taveninou nebo dešťovou vodou.

Mechanické ukládání energie

Mechanická energie se projevuje interakcí, pohybem jednotlivých těles nebo jejich částic. Zahrnuje kinetickou energii pohybu nebo rotace tělesa, energii deformace při ohýbání, natahování, kroucení, stlačení pružných těles (pružin).

Gyroskopické ukládání energie

Ufimcevův gyroskopický akumulátor.

V gyroskopických akumulátorech se energie ukládá ve formě kinetické energie rychle rotujícího setrvačníku. Specifická energie uložená na kilogram hmotnosti setrvačníku je mnohem větší, než kolik lze uložit do kilogramu statické hmotnosti, a to i při jeho zvednutí do velké výšky, a nejnovější vývoj v oblasti špičkových technologií slibuje hustotu akumulované energie srovnatelnou s chemickou energií na jeden kilogram. jednotkové hmotnosti nejúčinnějších typů chemických paliv. Dalším velkým plusem setrvačníku je schopnost rychle se vrátit nebo přijmout velmi velký výkon, omezený pouze pevností materiálů v tahu v případě mechanická převodovka nebo "kapacita" elektrických, pneumatických nebo hydraulických převodů.

Setrvačníky jsou bohužel citlivé na otřesy a rotace v jiných rovinách, než je rovina rotace, protože to vytváří obrovské gyroskopické zatížení, které má tendenci ohýbat nápravu. Kromě toho je doba akumulace energie akumulované setrvačníkem relativně krátká a u konvenčních konstrukcí se obvykle pohybuje od několika sekund do několika hodin. Kromě toho jsou ztráty energie v důsledku tření příliš patrné... moderní technologie umožňuje dramaticky prodloužit dobu skladování - až na několik měsíců.

Na závěr ještě jeden nepříjemný moment - energie akumulovaná setrvačníkem přímo závisí na jeho rychlosti otáčení, takže jak se energie akumuluje nebo uvolňuje, rychlost otáčení se neustále mění. Zátěž přitom velmi často vyžaduje stabilní rychlost otáčení nepřesahující několik tisíc otáček za minutu. Z tohoto důvodu mohou být čistě mechanické systémy pro přenos výkonu na a ze setrvačníku příliš složité na výrobu. Někdy může situaci zjednodušit elektromechanický převod využívající motorgenerátor umístěný na stejné hřídeli jako setrvačník nebo s ním spojený tuhou převodovkou. Ale pak jsou nevyhnutelné energetické ztráty pro topné dráty a vinutí, které mohou být mnohem vyšší než ztráty třením a prokluzem u dobrých variátorů.

Obzvláště perspektivní jsou tzv. super setrvačníky, skládající se ze svitků ocelové pásky, drátu nebo vysokopevnostního syntetického vlákna. Vinutí může být husté nebo může mít speciálně ponechaný prázdný prostor. V druhém případě, když se setrvačník odvíjí, cívky pásku se pohybují od jeho středu k okraji rotace, čímž se mění moment setrvačnosti setrvačníku, a pokud je páska pružinová, ukládá část energie do energie. pružné deformace pružiny. V důsledku toho u takových setrvačníků není rychlost otáčení tak přímo spojena s akumulovanou energií a je mnohem stabilnější než u nejjednodušších jednodílných konstrukcí a jejich spotřeba energie je znatelně vyšší. Kromě větší energetické náročnosti jsou bezpečnější v případě různých havárií, protože na rozdíl od úlomků velkého monolitického setrvačníku, srovnatelného energeticky a ničivou silou s dělovými koulemi, mají úlomky pružiny mnohem menší „škodlivou sílu“ a obvykle docela účinné. zpomalit prasklý setrvačník v důsledku tření o stěny skříně. Ze stejného důvodu jsou moderní pevné setrvačníky navržené pro provoz v režimech blízkých redistribuci síly materiálu často vyrobeny ne monolitické, ale tkané z kabelů nebo vláken impregnovaných pojivem.

Moderní konstrukce s vakuovou rotační komorou a magnetickým zavěšením supersetrvačníku z kevlarového vlákna poskytují hustotu uložené energie více než 5 MJ/kg a dokážou ukládat kinetickou energii na týdny a měsíce. Podle optimistických odhadů použití vysoce výkonného „superuhlíkového“ vlákna pro navíjení mnohonásobně zvýší rychlost otáčení a měrnou hustotu uložené energie - až 2-3 GJ / kg (slibují, že jedno roztočení takový setrvačník o hmotnosti 100-150 kg vystačí na nájezd milión kilometrů a více, tedy prakticky na celou životnost vozu!). Cena tohoto vlákna je však stále mnohonásobně vyšší než cena zlata, takže si takové stroje zatím nemohou dovolit ani arabští šejkové ... Více podrobností o pohonech setrvačníku najdete v knize Nurbey Gulia.

Gyrorezonanční ukládání energie

Tyto pohony jsou stejný setrvačník, ale vyrobené z elastického materiálu (například pryže). Díky tomu má zásadně nové vlastnosti. S rostoucí rychlostí se na takovém setrvačníku začnou tvořit „výrůstky“ - „okvětní lístky“ - nejprve se změní na elipsu, poté na „květinu“ se třemi, čtyřmi nebo více „okvětními lístky“ ... Navíc po vytvoření začíná „okvětní lístky“, rychlost otáčení setrvačníku se již prakticky nemění a energie se ukládá v rezonanční vlně pružné deformace materiálu setrvačníku, který tyto „okvětní lístky“ tvoří.

Koncem 70. a začátkem 80. let se N. Z. Garmash zabýval takovými stavbami v Doněcku. Jeho výsledky jsou působivé – podle jeho odhadů při provozních otáčkách setrvačníku pouhých 7–8 tisíc otáček stačila akumulovaná energie vozu na ujet 1500 km oproti 30 km s konvenčním setrvačníkem stejné velikosti. Novější informace o tomto typu pohonu bohužel nejsou známy.

Mechanické akumulátory využívající elastické síly

Tato třída zařízení má velmi velkou specifickou kapacitu akumulované energie. Pokud je potřeba dodržet malé rozměry (několik centimetrů), je jeho energetická náročnost nejvyšší mezi mechanickými zásobníky. Pokud nejsou požadavky na hmotnostní a rozměrové charakteristiky tak přísné, pak velké ultrarychlostní setrvačníky jej překonávají energetickou náročností, ale jsou mnohem citlivější na vnější faktory a mají mnohem kratší dobu skladování energie.

Pružinové mechanické akumulátory

Stlačení a prodloužení pružiny může zajistit velmi velký průtok a dodávku energie za jednotku času - možná nejvyšší mechanický výkon ze všech typů zařízení pro uchovávání energie. Stejně jako u setrvačníků je limitován pouze pevností materiálů v tahu, ale pružiny většinou realizují pracovní translační pohyb přímo a u setrvačníků se neobejdete bez poměrně složitého převodu (není náhoda, že pneumatické zbraně využívají buď mechanické hlavní pružiny, popř. plynové kanystry, které jsou v podstatě předem nabité vzduchové pružiny; až střelné zbraně pro boj na dálku se používaly i pružinové zbraně - luky a kuše, které dávno před novou dobou zcela nahradily prak s akumulací kinetické energie u profesionálních jednotek).

Skladovatelnost akumulované energie ve stlačené pružině může být mnoho let. Je však třeba mít na paměti, že pod vlivem neustálé deformace se v jakémkoliv materiálu časem akumuluje únava a krystalová mřížka pružinového kovu se pomalu mění a čím větší jsou vnitřní pnutí a čím vyšší je teplota okolí, tím dříve a ve větší míře se tak stane. Proto se po několika desetiletích může stlačená pružina, aniž by se externě měnila, ukázat jako zcela nebo částečně „vybitá“. Avšak vysoce kvalitní ocelové pružiny, pokud nejsou vystaveny přehřátí nebo podchlazení, jsou schopny pracovat po staletí bez viditelné ztráty kapacity. Například staré mechanické nástěnné hodiny z jedné plné továrny stále běží dva týdny – stejně jako před více než půl stoletím, kdy byly vyrobeny.

Pokud je potřeba pružinu postupně rovnoměrně "nabíjet" a "vybíjet", může být mechanismus, který to zajišťuje, velmi složitý a vrtošivý (podívejte se na stejné mechanické hodinky - ve skutečnosti k tomuto účelu slouží spousta ozubených kol a dalších dílů ). Elektromechanický převod může situaci zjednodušit, ale obvykle výrazně omezuje okamžitý výkon takového zařízení a při práci s nízkými výkony (několik set wattů nebo méně) je jeho účinnost příliš nízká. Samostatným úkolem je akumulace maximální energie v minimálním objemu, protože v tomto případě dochází k mechanickému namáhání, které se blíží konečné pevnosti použitých materiálů, což vyžaduje obzvláště pečlivé výpočty a dokonalé zpracování.

Když už mluvíme o pružinách, je třeba mít na paměti nejen kovové, ale i další elastické pevné prvky. Nejběžnější mezi nimi jsou gumičky. Mimochodem, pokud jde o energii uloženou na jednotku hmotnosti, guma převyšuje ocel desetinásobně, ale také slouží přibližně stejně krát méně a na rozdíl od oceli ztrácí své vlastnosti po několika letech i bez aktivního používání a s ideální vnější podmínky.podmínky - v důsledku poměrně rychlého chemického stárnutí a degradace materiálu.

Mechanický zásobník plynu

V této třídě zařízení se energie ukládá díky pružnosti stlačeného plynu. Při přebytku energie kompresor čerpá plyn do válce. Při požadavku na využití akumulované energie je stlačený plyn přiváděn do turbíny, která přímo vykonává potřebnou mechanickou práci nebo roztáčí elektrický generátor. Místo turbíny lze použít pístový motor, který je efektivnější při nízkém výkonu (mimochodem existují i ​​reverzní pístové motory-kompresory).

Téměř každý moderní průmyslový kompresor je vybaven podobnou baterií - přijímačem. Je pravda, že tlak tam zřídka přesahuje 10 atm, a proto energetická rezerva v takovém přijímači není příliš velká, ale i to obvykle umožňuje několikrát zvýšit zdroj instalace a ušetřit energii.

Plyn stlačený na tlak desítek a stovek atmosfér může poskytnout dostatečně vysokou měrnou hustotu akumulované energie po téměř neomezenou dobu (měsíce, roky a při vysoké kvalitě přijímače a ventilů - desítky let - není bezdůvodně se tak rozšířily pneumatické zbraně používající náboje se stlačeným plynem). Kompresor s turbínou nebo pístový motor zahrnutý v instalaci jsou však poměrně složitá, rozmarná zařízení a mají velmi omezené zdroje.

Slibnou technologií pro vytváření energetických zásob je stlačování vzduchu na úkor dostupné energie v době, kdy ta není přímo potřeba. Stlačený vzduch se ochladí a skladuje při tlaku 60-70 atmosfér. V případě potřeby využití nahromaděné energie je vzduch z akumulátoru odsáván, ohříván a následně vstupuje do speciální plynové turbíny, kde energie stlačeného a ohřátého vzduchu roztáčí stupně turbíny, jejíž hřídel je napojen na el. generátor, který vyrábí elektřinu do energetického systému.

Pro skladování stlačeného vzduchu se navrhuje např. využití vhodných důlních děl nebo speciálně vytvořených podzemních nádrží v solných horninách. Koncept není nový, skladování stlačeného vzduchu v podzemní jeskyni bylo patentováno již v roce 1948 a od roku 1978 funguje v elektrárně Huntorf v Německu první zařízení na skladování energie stlačeného vzduchu (CAES) o výkonu 290 MW. . Během fáze stlačování vzduchu se ztrácí velké množství energie ve formě tepla. Tato ztracená energie musí být kompenzována stlačeným vzduchem před expanzním stupněm v plynové turbíně, pro který se používá uhlovodíkové palivo, pomocí kterého se zvyšuje teplota vzduchu. To znamená, že instalace zdaleka nejsou 100% účinné.

Existuje slibný směr pro zlepšení účinnosti CAES. Spočívá v zadržování a akumulaci tepla uvolněného při provozu kompresoru ve fázi stlačování vzduchu a chlazení s jeho následným opětovným využitím při dohřevu studeného vzduchu (tzv. rekuperace). Tato verze CAES má však značné technické potíže, zejména ve směru vytváření dlouhodobého systému akumulace tepla. Pokud se tyto problémy vyřeší, AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) by mohl připravit cestu pro rozsáhlé systémy pro skladování energie, což je problém, na který upozornili výzkumníci z celého světa.

Členové kanadského startupu Hydrostor další neobvyklé řešení – pumpovat energii do podvodních bublin.

Skladování tepelné energie

V našem klimatické podmínky velmi významná (často hlavní) část spotřebované energie se vynakládá na vytápění. Proto by bylo velmi vhodné teplo akumulovat přímo v zásobníku a následně ho přijímat zpět. Bohužel ve většině případů je hustota akumulované energie velmi nízká a doba její uchování je velmi omezená.

Existují tepelné akumulátory s pevným nebo spotřebním tepelně akumulačním materiálem; kapalina; parní; termochemické; s elektrickým topným tělesem. Akumulátory tepla lze zapojit do systému s kotlem na tuhá paliva, solárním systémem nebo kombinovaným systémem.

Akumulace energie díky tepelné kapacitě

V akumulátorech tohoto typu se teplo akumuluje díky tepelné kapacitě látky sloužící jako pracovní tekutina. Klasickým příkladem tepelného akumulátoru jsou ruská kamna. Topilo se jednou denně a pak přes den vytápěla dům. Akumulátorem tepla se v dnešní době nejčastěji rozumí akumulační nádrže horká voda obložena materiálem s vysokými tepelně izolačními vlastnostmi.

Existují také tepelné akumulátory na bázi pevných nosičů tepla, například v keramických cihlách.

Různé látky mají různé tepelné kapacity. U většiny se pohybuje v rozmezí od 0,1 do 2 kJ/(kg K). Voda má anomálně vysokou tepelnou kapacitu - její tepelná kapacita v kapalné fázi je přibližně 4,2 kJ/(kg K). Vyšší tepelnou kapacitu má pouze velmi exotické lithium - 4,4 kJ/(kg·K).

Nicméně kromě specifické teplo(podle hmotnosti) je třeba vzít v úvahu a objemová tepelná kapacita, který umožňuje určit, kolik tepla je potřeba ke změně teploty stejného objemu různých látek o stejné množství. Vypočítá se z obvyklé měrné (hmotnostní) tepelné kapacity vynásobením měrnou hustotou odpovídající látky. Objemová tepelná kapacita by se měla řídit, když je objem tepelného akumulátoru důležitější než jeho hmotnost. Například měrná tepelná kapacita oceli je pouze 0,46 kJ / (kg K), ale hustota je 7800 kg / m3 a, řekněme, pro polypropylen - 1,9 kJ / (kg K) - více než 4krát více, ale jeho hustota je pouze 900 kg/m3. Proto se stejným hlasitost ocel bude schopna uchovat 2,1krát více tepla než polypropylen, ačkoli bude téměř 9krát těžší. Vzhledem k anomálně vysoké tepelné kapacitě vody ji však žádný materiál v objemové tepelné kapacitě nepřekoná. Objemová tepelná kapacita železa a jeho slitin (ocel, litina) se však od vody liší o necelých 20 % - v jednom metru krychlovém dokážou uložit více než 3,5 MJ tepla na každý stupeň změny teploty, objemová tepelná kapacita mědi je o něco méně - 3,48 MJ /(kub. m K). Tepelná kapacita vzduchu je za normálních podmínek přibližně 1 kJ / kg, nebo 1,3 kJ / m3, takže k ohřátí metru krychlového vzduchu o 1 ° stačí zchladit o něco méně než 1/3 litru voda o stejný stupeň (přirozeně teplejší než vzduch).

Díky jednoduchosti zařízení (co může být jednoduššího než nepohyblivý pevný kus pevné hmoty nebo uzavřený zásobník s kapalným chladivem?) mají taková zařízení pro ukládání energie téměř neomezený počet cyklů akumulace-návratu energie a jsou velmi dlouhodobý servis - u kapalných nosičů tepla do vyschnutí kapaliny nebo do poškození nádrže korozí nebo z jiných důvodů, pro pevné skupenství žádná taková omezení nejsou. Doba skladování je však velmi omezená a zpravidla se pohybuje od několika hodin až po několik dní - po delší dobu již klasická tepelná izolace není schopna udržet teplo a měrná hustota akumulované energie je nízká.

Na závěr je třeba zdůraznit ještě jednu okolnost - pro efektivní provoz je důležitá nejen tepelná kapacita, ale také tepelná vodivost látky tepelného akumulátoru. Při vysoké tepelné vodivosti i na dosti rychlé změny vnějších podmínek bude tepelný akumulátor reagovat celou svou hmotou, a tedy veškerou akumulovanou energií - tedy co nejefektivněji. V případě špatné tepelné vodivosti stihne zareagovat pouze povrchová část tepelného akumulátoru a krátkodobé změny vnějších podmínek se do hlubokých vrstev prostě nestihnou dostat a značná část hmoty takového tepelný akumulátor bude skutečně vyřazen z práce. Polypropylen, zmíněný v příkladu diskutovaném výše, má tepelnou vodivost téměř 200krát menší než ocel, a proto, i přes poměrně velkou měrnou tepelnou kapacitu, nemůže být účinným akumulátorem tepla. Technicky je však problém snadno vyřešit uspořádáním speciálních kanálů pro cirkulaci chladicí kapaliny uvnitř tepelného akumulátoru, ale je zřejmé, že takové řešení výrazně komplikuje konstrukci, snižuje její spolehlivost a spotřebu energie a jistě bude vyžadovat pravidelnou údržbu. , což je pro monolitický kus hmoty sotva nutné.

Ač se to může zdát zvláštní, někdy je potřeba akumulovat a skladovat ne teplo, ale chlad. Společnosti v USA již více než deset let nabízejí „akumulátory“ na bázi ledu pro instalaci do klimatizací. V noci, když je dostatek elektřiny a prodává se za snížené ceny, klimatizace zmrazí vodu, to znamená, že přejde do režimu chladničky. Během dne spotřebuje několikrát méně energie a funguje jako ventilátor. Energeticky náročný kompresor je po tuto dobu vypnutý. Přečtěte si více.

Akumulace energie při změně fázového stavu hmoty

Pokud se pozorně podíváte na tepelné parametry různých látek, můžete vidět, že při změně stavu agregace (tavení-tvrdnutí, vypařování-kondenzace) dochází k výrazné absorpci nebo uvolnění energie. U většiny látek je tepelná energie takových přeměn dostatečná ke změně teploty stejného množství téže látky o mnoho desítek či dokonce stovek stupňů v těch teplotních rozsazích, kde se její stav agregace nemění. Ale jak víte, dokud se stav agregace celého objemu látky nezmění, její teplota je téměř konstantní! Proto by bylo velmi lákavé akumulovat energii změnou stavu agregace - energie je naakumulováno hodně, teplota se mění jen málo, takže ve výsledku by nebylo nutné řešit problémy spojené s ohřevem až na vysoké teploty, a přitom můžete získat dobrou kapacitu takového akumulátoru tepla.

Tání a krystalizace

Bohužel v současné době prakticky neexistují levné, bezpečné a odolné vůči rozkladu látky s vysokou energií fázového přechodu, jejichž bod tání by ležel v nejrelevantnějším rozmezí - přibližně od +20°С do +50°С (max. +70°С - to je stále relativně bezpečná a snadno dosažitelná teplota). V tomto rozmezí teplot zpravidla tají složité organické sloučeniny, které nejsou v žádném případě zdraví prospěšné a na vzduchu často rychle oxidují.

Snad nejvhodnějšími látkami jsou parafíny, jejichž bod tání se většinou pohybuje v závislosti na odrůdě v rozmezí 40..65 °C (existují však i „tekuté“ parafíny s bodem tání 27 °C popř. méně, stejně jako přírodní ozokerit příbuzný parafinům, jehož bod tání je v rozmezí 58 až 100 °C). Parafíny i ozokerit jsou zcela bezpečné a používají se i pro lékařské účely k přímému ohřevu bolavých míst na těle. Při dobré tepelné kapacitě je však jejich tepelná vodivost velmi malá - tak malá, že parafín nebo ozokerit nanesený na tělo, zahřátý na 50-60 °C, je pouze příjemně horký, ale ne opaření, jako by tomu bylo u vody ohřáté na stejná teplota, - pro medicínu je to dobré, ale pro akumulátor tepla je to absolutní mínus. Navíc tyto látky nejsou tak levné, například velkoobchodní cena ozoceritu v září 2009 byla asi 200 rublů za kilogram a kilogram parafínu stál od 25 rublů (technický) do 50 a více (vysoce čištěné potraviny, tzn. vhodné pro použití v balení potravin). Jedná se o velkoobchodní ceny za šarže několika tun, maloobchodní ceny jsou minimálně jedenapůlkrát dražší.

Jako výsledek ekonomická účinnost parafínový tepelný akumulátor se ukazuje jako velká otázka - vždyť kilogram či dva parafínu či ozoceritu se hodí jen k lékařskému zahřátí zlomené kříže na pár desítek minut a k zajištění stabilní teploty více či méně prostorné obydlí alespoň na jeden den, hmotnost parafínového tepelného akumulátoru by se měla měřit v tunách, aby se jeho cena okamžitě přiblížila ceně automobilu (i když v nižším cenovém segmentu)! Ano, a teplota fázového přechodu by v ideálním případě měla stále přesně odpovídat komfortnímu rozsahu (20..25 ° C) - jinak musíte stále organizovat nějaký systém řízení výměny tepla. Nicméně teplota tání v oblasti 50 až 54 °C, typická pro vysoce čištěné parafíny, v kombinaci s vysokým teplem fázového přechodu (o něco více než 200 kJ / kg) se velmi dobře hodí pro akumulátor tepla určený pro zajišťují dodávku teplé vody a ohřev vody, jediným problémem je nízká tepelná vodivost a vysoká cena parafínu. Ale v případě vyšší moci lze jako palivo s dobrou výhřevností použít samotný parafín (i když to není tak snadné - na rozdíl od benzínu nebo petroleje kapalný a ještě více pevný parafín na vzduchu nehoří, knot nebo jiné zařízení je nutné přivádět do spalovací zóny nikoli samotný parafín, ale pouze jeho páry)!

Příkladem zařízení pro akumulaci tepelné energie založeného na efektu tavení a krystalizace je systém skladování tepelné energie na bázi křemíku TESS, který vyvinula australská společnost Latent Heat Storage.

Odpařování a kondenzace

Teplo vypařování-kondenzace je zpravidla několikanásobně vyšší než teplo tání-krystalizace. A zdá se, že látek, které se vypařují ve správném teplotním rozmezí, není zas tak málo. Kromě upřímně toxického sirouhlíku, acetonu, ethyletheru atd. existuje také etylalkohol (jeho relativní bezpečnost denně dokazují osobním příkladem miliony alkoholiků po celém světě!). Za normálních podmínek alkohol vře při 78 °С a jeho výparné teplo je 2,5krát větší než skupenské teplo tání vody (ledu) a odpovídá zahřátí stejného množství kapalné vody o 200 °. Na rozdíl od tání, kdy změny objemu látky zřídka překročí několik procent, během odpařování zabírá pára celý objem, který je jí poskytnut. A pokud je tento objem neomezený, pak se pára vypaří a nenávratně s sebou vezme veškerou nahromaděnou energii. V uzavřeném objemu začne okamžitě stoupat tlak, který zabrání odpařování nových podílů pracovní tekutiny, jako je tomu u nejběžnějších tlakových hrnců, takže pouze malé procento pracovní látky zaznamená změnu skupenství. agregace, zatímco zbytek se dále zahřívá a je v kapalné fázi. Vynálezcům se tak otevírá velké pole působnosti – vytvoření účinného tepelného akumulátoru na bázi odpařování a kondenzace s hermetickým proměnným pracovním objemem.

Fázové přechody druhého druhu

Kromě fázových přechodů spojených se změnou stavu agregace mohou mít některé látky v rámci stejného stavu agregace několik různých fázových stavů. Změna takových fázových stavů je zpravidla také doprovázena znatelným uvolněním nebo absorpcí energie, i když obvykle mnohem méně významnou než změnou stavu agregace látky. Navíc v mnoha případech při takových změnách na rozdíl od změny stavu agregace dochází k teplotní hysterezi - teploty přímých a reverzních fázových přechodů se mohou výrazně lišit, někdy o desítky nebo i stovky stupňů.

Skladování elektrické energie

Elektřina je nejpohodlnější a nejuniverzálnější forma energie moderní svět. Není divu, že nejrychleji se rozvíjejí zařízení pro ukládání elektrické energie. Bohužel ve většině případů je specifická kapacita levných zařízení malá a zařízení s vysokou specifickou kapacitou jsou stále příliš drahá na to, aby ukládala velké množství energie. hromadná aplikace a velmi krátkou životnost.

Kondenzátory

Nejmasivnějšími "elektrickými" zařízeními pro ukládání energie jsou konvenční rádiové kondenzátory. Mají obrovskou rychlost akumulace a uvolňování energie - zpravidla od několika tisíc do mnoha miliard úplných cyklů za sekundu a jsou schopny pracovat tímto způsobem v širokém teplotním rozsahu po mnoho let nebo dokonce desetiletí. Kombinací několika kondenzátorů paralelně můžete snadno zvýšit jejich celkovou kapacitu na požadovanou hodnotu.

Kondenzátory lze rozdělit do dvou velkých tříd – nepolární (obvykle „suché“, tedy neobsahující kapalný elektrolyt) a polární (obvykle elektrolytické). Použití kapalného elektrolytu poskytuje výrazně vyšší měrnou kapacitu, ale téměř vždy vyžaduje respektování polarity při připojení. Elektrolytické kondenzátory jsou navíc často citlivější na vnější podmínky, především na teplotu, a mají kratší životnost (po čase se elektrolyt odpařuje a vysychá).

Kondenzátory však mají dvě velké nevýhody. Za prvé se jedná o velmi nízkou měrnou hustotu akumulované energie a tedy malou (ve srovnání s jinými typy akumulačních zařízení) kapacitu. Za druhé se jedná o krátkou dobu skladování, která se obvykle počítá v minutách a sekundách a zřídka přesahuje několik hodin a v některých případech jde pouze o malé zlomky sekundy. Tím se rozsah kondenzátorů omezuje na různé elektronické obvody a krátkodobou akumulaci postačující pro usměrňování, korekce a filtrování proudu v silové elektrotechnice - na víc stále nestačí.

Které se někdy nazývají „superkondenzátory“, lze považovat za jakýsi mezičlánek mezi nimi elektrolytické kondenzátory a elektrochemické baterie. Od prvního zdědili téměř neomezený počet cyklů nabití-vybití a od druhého relativně nízké nabíjecí a vybíjecí proudy (úplný cyklus nabití-vybití může trvat sekundu nebo i mnohem déle). Jejich kapacita je také v rozmezí mezi nejkapacitnějšími kondenzátory a malými bateriemi - obvykle se energetická rezerva pohybuje od několika do několika stovek joulů.

Dále je třeba poznamenat poměrně vysokou citlivost ionistorů na teplotu a omezenou dobu skladování náboje - od několika hodin až po několik týdnů maximálně.

Elektrochemické baterie

Elektrochemické baterie byly vynalezeny na úsvitu rozvoje elektrotechniky a nyní je lze nalézt všude – od mobilního telefonu po letadla a lodě. Obecně lze říci, že fungují na základě některých chemických reakcí, a proto by se daly přiřadit k další části našeho článku - "Skladování chemické energie". Ale protože tento bod obvykle není zdůrazněn, ale pozornost je věnována skutečnosti, že baterie akumulují elektřinu, budeme je zde zvažovat.

Zpravidla, pokud je potřeba skladovat dostatečně velkou energii - od několika set kilojoulů i více - se používají olověné akumulátory (příkladem je jakýkoliv automobil). Mají však značné rozměry a hlavně hmotnost. Pokud je vyžadována nízká hmotnost a mobilita zařízení, pak více moderní typy baterie - nikl-kadmiové, metalhydridové, lithium-iontové, polymer-iontové atd. Mají mnohem vyšší měrnou kapacitu, nicméně měrné náklady na skladování energie jsou znatelně vyšší, takže jejich použití je většinou omezeno na relativně malé a ekonomické zařízení, jako jsou mobilní telefony, fotoaparáty a videokamery, notebooky atd.

V poslední době se v hybridních autech a elektromobilech začaly používat výkonné lithium-iontové baterie. Kromě nižší hmotnosti a vyšší měrné kapacity, na rozdíl od olověných, umožňují téměř plné využití své jmenovité kapacity, jsou považovány za spolehlivější a mají delší životnost a jejich energetická účinnost v celém cyklu přesahuje 90 %, přičemž energetická účinnost olověných baterií při nabíjení posledních 20 % kapacity může klesnout až na 50 %.

Podle způsobu použití se také elektrochemické baterie (především výkonné) dělí na dvě velké třídy - tzv. trakční a startovací. Obvykle může startovací baterie docela úspěšně fungovat jako trakční baterie (hlavní je řídit stupeň vybití a nezavádět ji do takové hloubky, která je pro trakční baterie přijatelná), ale při obráceném použití příliš velký zatěžovací proud může velmi rychle vyřadit trakční baterii.

Mezi nevýhody elektrochemických baterií patří velmi omezený počet cyklů nabití-vybití (ve většině případů od 250 do 2000, a pokud nejsou dodržována doporučení výrobců, mnohem méně), a dokonce i při absenci aktivního používání většina typů baterií po několika letech degradují a ztrácejí své spotřebitelské vlastnosti. Životnost mnoha typů baterií přitom nejde od začátku jejich provozu, ale od okamžiku výroby. Kromě toho se elektrochemické baterie vyznačují citlivostí na teplotu, dlouho nabití, někdy i desítkykrát delší, než je doba vybíjení, a nutnost dodržení způsobu použití (zamezení hlubokého vybití u olověných baterií a naopak dodržení úplného cyklu nabití-vybití u metalhydridových a mnoha dalších typů baterie). Doba skladování nabití je také poměrně omezená - obvykle od týdne do roku. U starých baterií klesá nejen kapacita, ale i doba skladování a obojí lze mnohonásobně zkrátit.

Chemické skladování energie

chemická energie - to je energie "uložená" v atomech látek, která se uvolňuje nebo absorbuje při chemických reakcích mezi látkami. Chemická energie se buď uvolňuje ve formě tepelné energie při exotermických reakcích (například spalování paliva), nebo se přeměňuje na elektrickou energii v galvanických článcích a bateriích. Tyto zdroje energie se vyznačují vysokou účinností (až 98 %), ale nízkou kapacitou.

Zařízení pro ukládání chemické energie umožňují přijímat energii jak ve formě, ve které byla uložena, tak v jakékoli jiné. Existují „palivové“ a „nepalivové“ odrůdy. Na rozdíl od nízkoteplotních termochemických akumulátorů (o nich si povíme později), které dokážou akumulovat energii pouhým umístěním na dosti teplém místě, se zde neobejdete bez speciálních technologií a high-tech zařízení, někdy velmi neskladných. Konkrétně, zatímco v případě nízkoteplotních termochemických reakcí se směs reaktantů obvykle neodděluje a je vždy ve stejné nádobě, reaktanty pro vysokoteplotní reakce se skladují odděleně od sebe a spojují se pouze tehdy, když je energie potřeboval.

Akumulace energie běžícím palivem

Během fáze akumulace energie probíhá chemická reakce, v jejímž důsledku dochází k redukci paliva, např. vodík se uvolňuje z vody - přímou elektrolýzou, v elektrochemických článcích pomocí katalyzátoru nebo tepelným rozkladem řekněme tzv. elektrický oblouk nebo vysoce koncentrované sluneční světlo. „Uvolněné“ okysličovadlo může být shromažďováno samostatně (pro kyslík je to nutné v podmínkách uzavřeného izolovaného objektu - pod vodou nebo ve vesmíru) nebo „vyhozeno“ jako zbytečné, protože v době použití paliva toto okysličovadlo bude být docela dost uvnitř životní prostředí a není třeba utrácet místo a peníze na jeho organizované skladování.

Ve fázi získávání energie je vyrobené palivo oxidováno za uvolnění energie přímo v požadované formě, bez ohledu na to, jak bylo toto palivo získáno. Například vodík může okamžitě poskytnout teplo (při spalování v hořáku), mechanickou energii (když je dodáván jako palivo do motoru s vnitřním spalováním nebo turbína) nebo elektřina (při oxidaci v palivovém článku). Takové oxidační reakce zpravidla vyžadují další iniciaci (zapálení), což je velmi výhodné pro řízení procesu extrakce energie.

Ukládání energie pomocí termochemických reakcí

Již dlouho je široce známá velká skupina chemických reakcí, které v uzavřené nádobě při zahřívání jdou jedním směrem s pohlcováním energie a při ochlazování opačným směrem s uvolňováním energie. Takové reakce se často nazývají termochemické. Energetická účinnost takových reakcí je zpravidla nižší než při změně stavu agregace látky, ale je také velmi patrná.

Takové termochemické reakce lze považovat za určitou změnu fázového stavu směsi činidel a problémy jsou zde přibližně stejné - je obtížné najít levnou, bezpečnou a účinnou směs látek, která úspěšně funguje tímto způsobem v rozsahu teplot od +20°C do +70°C. Jedno podobné složení je však známo již delší dobu – jde o Glauberovu sůl.

Mirabilit (aka Glauberova sůl, aka síran sodný Na 2 SO 4 10H 2 O dekahydrát) se získává jako výsledek elementárních chemických reakcí (například když se chlorid sodný přidává do kyseliny sírové) nebo se těží v „hotové formě“ jako minerální.

Z hlediska akumulace tepla nejvíce zajímavá vlastnost mirabilite spočívá v tom, že když teplota stoupne nad 32 °C, začne se uvolňovat vázaná voda a navenek to vypadá jako „tavení“ krystalů, které se rozpouštějí ve vodě z nich uvolněné. Při poklesu teploty na 32°C je volná voda opět vázána na strukturu krystalického hydrátu – dochází k „krystalizaci“. Ale co je nejdůležitější, teplo této hydratačně-dehydratační reakce je velmi vysoké a činí 251 kJ/kg, což je znatelně více než teplo „poctivého“ tání-krystalizace parafínů, i když o třetinu méně než teplo tání ledu. (voda).

Akumulátor tepla na bázi nasyceného roztoku mirabilitu (nasyceného právě při teplotách nad 32°C) tak dokáže efektivně udržovat teplotu na 32°C s dlouhým zdrojem akumulace nebo vracení energie. Tato teplota je samozřejmě příliš nízká pro plnohodnotný přívod teplé vody (sprcha s takovou teplotou je vnímána v nejlepším případě jako „velmi chladná“), ale tato teplota může být dostačující k ohřevu vzduchu.

Více o tepelném akumulátoru na bázi mirabilitu si můžete přečíst na webu DelaySam.ru.

Bezpalivové skladování chemické energie

Plechovka kávy zahřátá hašením vápna.

V tomto případě ve fázi „nabíjení“ některé chemikálie tvoří jiné a během tohoto procesu se energie ukládá do nově vytvořených chemických vazeb (například hašené vápno se zahříváním převádí do stavu nehašeného vápna).

Při "vybití" dochází k reverzní reakci doprovázené uvolněním dříve nahromaděné energie (obvykle ve formě tepla, někdy navíc ve formě plynu, který lze přivádět do turbíny) - konkrétně k tomu dochází když se vápno "uhasí" vodou. Na rozdíl od palivových metod k nastartování reakce obvykle stačí reaktanty jednoduše vzájemně propojit – není potřeba dodatečné zahájení procesu (zapálení).

Ve skutečnosti se jedná o druh termochemické reakce, ale na rozdíl od nízkoteplotních reakcí popsaných při uvažování o zařízeních pro skladování tepelné energie a nevyžadujících žádné zvláštní podmínky, zde hovoříme o teplotách mnoha stovek nebo dokonce tisíců stupňů. V důsledku toho se výrazně zvyšuje množství energie uložené v každém kilogramu pracovní látky, ale zařízení je mnohonásobně složitější, objemnější a dražší než prázdné. plastové lahve nebo jednoduchou nádrž na činidlo.

Potřeba spotřebovávat další látku - řekněme vodu na hašené vápno - není významnou nevýhodou (v případě potřeby můžete sbírat vodu uvolněnou, když vápno přejde do stavu nehašeného vápna). Ale speciální podmínky skladování tohoto velmi nehašeného vápna, jehož porušení je plné nejen chemických popálenin, ale také výbuchu, přenášejí tyto a podobné metody do kategorie těch, které pravděpodobně nevyjdou v širokém životě.

Jiné typy skladování energie

Kromě výše popsaných existují i ​​další typy zařízení pro ukládání energie. V současnosti jsou však velmi omezené co do hustoty akumulované energie a doby jejího skladování při vysokých měrných nákladech. Proto jsou sice spíše využívány pro zábavu a jejich provozování pro nějaké seriózní účely se neuvažuje. Příkladem jsou fosforeskující barvy, které ukládají energii z jasného světelného zdroje a poté svítí několik sekund nebo dokonce dlouhé minuty. Jejich moderní úpravy neobsahují dlouhodobě jedovatý fosfor a jsou zcela bezpečné i pro použití v dětských hračkách.

Supravodivé zásobníky magnetické energie ji ukládají v poli velké magnetické cívky se stejnosměrným proudem. Podle potřeby jej lze přeměnit na střídavý elektrický proud. Nízkoteplotní zásobníky jsou chlazeny kapalným héliem a jsou k dispozici pro průmyslové provozy. Vysokoteplotní skladovací nádrže chlazené kapalným vodíkem jsou stále ve vývoji a mohou být dostupné v budoucnu.

Supravodivá magnetická zařízení pro uchovávání energie mají značnou velikost a obvykle se používají po krátkou dobu, například během přepínání.

Tento článek s největší pravděpodobností nereflektuje všechny možné způsoby akumulace a úspory energie. Další možnosti můžete nahlásit buď v komentářích nebo e-mailem na adresu kos at altenergiya dot ru.