У животных запас углеводов имеется в виде гликогена, который является полисахаридом, откладывающимся в цитоплазме клеток в виде гранул и расщепляющимся до глюкозы, если в организме присутствует её недостаточность. Большой запас гликогена есть в печени (около 6% от массы печени), а также в мышцах (около 1% массы мышц).

Целлюлоза является клетчаткой, которая и есть первостепенный строительный материал во всем растительном мире. В составе одной макромолекулы крахмала имеется от нескольких сотен до нескольких тысяч звеньев, а в составе молекулы целлюлозы звеньев более 10000. Целлюлоза образует волокна, придающие растениям прочность и жесткость. Волокно целлюлозы по своей прочности превышает прочность стальной проволоки такого же диаметра.

Крахмал, гликоген и целлюлоза имеют одну и ту же химическую формулу (C6H10O5)n. А вот по своим физическим и биологическим свойствам они очень отличаются, и в организме их утилизация происходит при помощи различных ферментов.

Хемиосмосис, гликолиз и цикл Кребса

По современным сведениям, утилизация энергии, которая запасена в углеводах, происходит в три этапа. Каждый следующий этап зависит от результата предыдущего. Гликолиз является анаэробным превращением глюкозы в пируват, из которого в последствие производится АТР.

• Глюконика — «энергетика изнутри». Часть 3
• Глюконика — «энергетика изнутри». Часть 1

Аэробный процесс окисления фосфорилирования (цикл Кребса) сопряжен с конечным продуктом гликолиза – пируватом - при его окислении. На данном этапе происходит производство дополнительных молекул АТФ, а так же NADH, который является универсальным переносчиком электронов в клетках, и еще FADH2.

Хемиосмосис (chemiosmosis) происходит в мембранах митохондрий, и контролируется некоторыми ферментами при участии молекул FADH2 и NADH, именно это и приводит к дополнительному образованию АТФ.

Когда все три процесса природной энергетики окончены, мы из 1 молекулы глюкозы получаем 38 молекул АТФ. В АТФ содержится много энергии, потому что там имеется две фосфоводородные связи. Когда происходит разрыв этих связей, то энергия выходит и может быть использована при метаболизме. Энергия гидролиза 1 фосфата может высвободить 30 кДж/моль, при разрыве следующего фосфата происходит высвобождение еще 30 кДж/моль.

Потребление организмом АТФ происходит постоянно. В сутки организм человека потребляет около 40 кг АТФ, тогда как общая масса АТФ в организме человека исчисляется около 50г. АТФ не может долго хранится, в течение суток происходят сотни, а иногда и тысячи циклов. Если человек имеет большие нагрузки, то расход АТФ порядка 500г/мин. В сумме количество АТФ, выработанное в сутки, в несколько раз превышает массу животного, хотя в любой момент времени количества этого вещества в организме содержится в сотни и тысячи раз меньше данного значения.

Если брать по типу функционирования, то пара АТФ-АДФ будет являться двухтактным молекулярным двигателем, который может по истечении каждого цикла вернутся в первоначальное состояние. Фундаментальным отличием двигателя in vivo от двигателя с внутренним сгоранием и турбины заключается в том, что они:

1)         Функционируют при температуре среды

2)         Есть контроль функционирования каждой молекулы

3)         Не имеют отходов

4)         Более экономно и намного эффективнее

Глюконика как индустрия

Для обеспечения жизнедеятельности в мире живого энергетика имеет стыковку с множеством процессов.

 

Живая природа является очень консервативной на фоне того, как целые поколения технологий во всех ключевых областях промышленности в начале XXI века меняются очень часто. Уже миллиарды лет происходит функционирование без особых изменений одних и тех же биологических механизмов. Гликолиз, фотосинтез, цикл Кребса, хемиосмосис и работа мышцы это неизменные механизмы энергетики, которые являются универсальными. Можно ли сделать двигатели, которые будут функционировать по тому же принципу, что и мышцы? Естественно. Нет непреодолимых технологических трудностей. Новую область энергетики назвали глюконика, ведь это более естественно и правильно. Даже если для данных исследований будут нужны 100 млрд. долл. и долгие десятилетия международных усилий. Все это с лихвой окупиться. Ведь мышцы могут функционировать: а) при комнатной температуре воздуха, б) очень эффективно и в) находятся в полном балансе с природой и не происходит выброса отходов ни в организм, ни в природу.

То же самое можно сказать и про большинство механизмов живой природы, где есть универсальное топливо в виде глюкозы или её производных.

Естественно, что глюконика на сегодня является комплексной проблемой энергетики. Во время развития электроэнергетики тоже требовалось создание ряда взаимосвязанных систем (электромоторов, генераторов, энергосетей, способных передавать энергию на большие расстояния, трансформаторов, электростанций и т.д.), и сейчас, для того чтобы создать глюконику в виде индустрии, необходимо создать множество различных технологий, при этом первое их поколение должно завершится по возможности одновременно. Вот лишь некоторые из них:

1.         Получение при фотосинтезе глюкозы не вызывает проблем, ведь на земле десятки тысяч тонн глюкозы вырабатывается в секунду в растениях и фитопланктоне.

2.         Необходимость в переводе глюкозы в формы, которые способны на долгое время сохранятся, и быть удобными для транспортировки по глюкопроводам. В качестве этих форм может выступать крахмал, гликоген и любые другие производные глюкозы. Лучше всего прибегать к ферментативным процессам, которые имеются в природе.

3.         Утилизация глюкозы при помощи разложения её на составляющие (ATP и NADH). Процессы эти происходят в цикле Кребса, хемиосмосисе и митохондриях, нужно выделить в отдельный процесс.

4.         Стыковка энергии, которая освободилась при разложении глюкозы и её продуктов, с технологиями. Первоначально это должно быть в качестве превращения химической энергии глюкозы в электрическую и механическую энергии. В природе такие процессы есть. Мышца организма способна преобразовать эту энергию в механическую. А электрический скат преобразует энергию глюкозы в электрическую энергию. Возможны и другие формы по стыковке энергии, но они должны быть аналогичными естественным природным. В организме хамелеона происходит превращение энергии в  цветовые картины и гаммы. А восприятие зрительных сигналов осуществляется глазом.