लैक्टिक एसिड (मांसपेशियों में जमा होने से दर्द हो सकता है) रक्त द्वारा यकृत में पहुंचाया जाता है, जहां यह ग्लूकोसोजेनेसिस के दौरान ग्लूकोज में परिवर्तित हो जाता है।

अल्कोहल किण्वन के दौरान खमीर कोशिकाओं में अल्कोहल बनता है।

एसिटाइल-सीओए - का उपयोग एचएफए, कीटोन बॉडी, कोलेस्ट्रॉल आदि के संश्लेषण के लिए किया जाता है या क्रेब्स चक्र में ऑक्सीकरण किया जाता है।

पानी और कार्बन डाइऑक्साइड सामान्य चयापचय में शामिल हैं या शरीर से उत्सर्जित होते हैं।

पेंटोज का उपयोग न्यूक्लिक एसिड, ग्लूकोज (ग्लूकोनोजेनेसिस) और अन्य पदार्थों के संश्लेषण के लिए किया जाता है।

NADPH2 HFA पदार्थों, प्यूरीन बेस आदि के संश्लेषण में भाग लेता है। या CPE में ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जाता है।

• ऊर्जा को एटीपी के रूप में संग्रहीत किया जाता है, जो तब शरीर में पदार्थों के संश्लेषण, गर्मी रिलीज, मांसपेशियों के संकुचन आदि के लिए उपयोग किया जाता है।

शरीर में ग्लूकोज का परिवर्तन काफी जटिल प्रक्रिया है जो विभिन्न एंजाइमों की कार्रवाई के तहत होता है। तो ग्लूकोज से लैक्टिक एसिड तक के मार्ग में 11 रासायनिक प्रतिक्रियाएं शामिल हैं, जिनमें से प्रत्येक को अपने स्वयं के एंजाइम द्वारा त्वरित किया जाता है।

स्कीम नंबर 8। अवायवीय ग्लाइकोलाइसिस।

शर्करा

ADP Hexokinase, आयन Mg

ग्लूकोज 6 फॉस्फेट

Phosphoglucoisomerase

फ्रुक्टोज-6-फॉस्फेट

एडीपी फ़ॉस्फ़रॉस्टोकिनेस, एडीजी आयन

फ्रुक्टोज-1,6-diphosphate

aldolase

3-फॉस्फोडॉक्साइसेक्टोन 3-फॉस्फोग्लिसरॉल्डिहाइड (3-PHA)

एनएडीएच + एच 3-पीएचए डिहाइड्रोजनेज

1,3-डिपोस्फोग्लिसरिक एसिड

एटीपी फॉस्फोग्लाइसेरेट मुतासे

2-फॉस्फोग्लिसरिक एसिड

H2O एनोलेज़

फॉस्फोनिओलफ्रुविक एसिड

एटीपी पाइरूवेट किनसे, एमजी आयनों

पाइरुविक एसिड पीवीसी

कभी लैक्टेट डिहाइड्रोजनेज

दुग्धाम्ल।

ग्लाइकोलाइसिस कोशिकाओं के कोशिका द्रव्य में होता है और इसे माइटोकॉन्ड्रियल श्वसन श्रृंखला की आवश्यकता नहीं होती है।

ग्लूकोज सभी अंगों और ऊतकों, विशेष रूप से तंत्रिका तंत्र, एरिथ्रोसाइट्स, गुर्दे और वृषण की कोशिकाओं के लिए ऊर्जा के मुख्य स्रोतों में से एक है।

मस्तिष्क को लगभग पूरी तरह से आपूर्ति की गई ग्लूकोज द्वारा आपूर्ति की जाती है। आईवीएच मस्तिष्क की कोशिकाओं में प्रवेश नहीं करता है। इसलिए, जब रक्त में ग्लूकोज की एकाग्रता कम हो जाती है, तो मस्तिष्क का कामकाज बाधित होता है।

ग्लुकोनियोजेनेसिस।

एनारोबिक स्थितियों के तहत, कंकाल की मांसपेशी समारोह के लिए ग्लूकोज ऊर्जा का एकमात्र स्रोत है। ग्लूकोज से बनने वाला लैक्टिक एसिड फिर रक्तप्रवाह, यकृत में प्रवेश करता है, जहां इसे ग्लूकोज में बदल दिया जाता है, जिसे बाद में मांसपेशियों (खसरा चक्र) में वापस कर दिया जाता है।

गैर-कार्बोहाइड्रेट पदार्थों को ग्लूकोज में बदलने की प्रक्रिया को कहा जाता है ग्लुकोनियोजेनेसिस।

ग्लूकोनेोजेनेसिस का जैविक महत्व इस प्रकार है:

शरीर में कार्बोहाइड्रेट की कमी होने पर पर्याप्त स्तर पर ग्लूकोज की एकाग्रता बनाए रखना, उदाहरण के लिए, उपवास या मधुमेह के दौरान।

लैक्टिक एसिड, पाइरूविक एसिड, ग्लिसरॉल, ग्लाइकोजेनस अमीनो एसिड से ग्लूकोज का गठन, क्रेब्स चक्र के अधिकांश मध्यवर्ती चयापचयों में होता है।

ग्लूकोजोजेनेसिस मुख्य रूप से यकृत और गुर्दे के प्रांतस्था में होता है। आवश्यक एंजाइमों की कमी के कारण मांसपेशियों में यह प्रक्रिया नहीं होती है।

ग्लूकोनोजेनेसिस की कुल प्रतिक्रिया:

2PVK + 4ATF + 2GTP + 2NADH + H + 4H2O

ग्लूकोज + 2NAD + 4ADP + 2GDF + 6H3PO4

इस प्रकार, ग्लूकोजोजेनेसिस की प्रक्रिया में, प्रत्येक ग्लूकोज अणु के लिए 6 उच्च-ऊर्जा यौगिकों और 2NADH + H तक की खपत होती है।

बड़ी मात्रा में अल्कोहल का सेवन ग्लूकोनोजेनेसिस को रोकता है, जिससे मस्तिष्क की कार्यक्षमता कम हो सकती है। ग्लूकोनोजेनेसिस की दर निम्नलिखित स्थितियों में बढ़ सकती है:

जब उपवास करते हैं।

बढ़ी हुई प्रोटीन पोषण।

भोजन में कार्बोहाइड्रेट की कमी।

मधुमेह।

ग्लुकुरोनिक ग्लूकोज चयापचय मार्ग।

यह मार्ग मात्रात्मक दृष्टि से महत्वहीन है, लेकिन डिटॉक्सिफिकेशन फ़ंक्शन के लिए बहुत महत्वपूर्ण है: चयापचय और विदेशी पदार्थों के अंतिम उत्पाद, ग्लूकोसुराइड के रूप में ग्लुकुरोनिक एसिड (यूडीपी-ग्लुकुरोनिक एसिड) के सक्रिय रूप से बंधे, आसानी से शरीर से उत्सर्जित होते हैं। ग्लूकोजोनिक एसिड ही ग्लाइकोसामिनोग्लाइकेन्स का एक आवश्यक घटक है: हाइलूरोनिक एसिड, हेपरिन, आदि। मनुष्यों में, ग्लूकोज टूटने के इस मार्ग के परिणामस्वरूप, यूडीपी-ग्लुकुरोनिक एसिड का गठन होता है।

मोटे वृक्षों की प्रचुर वृद्धि,
जो बंजर रेत पर जड़
स्वीकृत, स्पष्ट रूप से कहा गया है कि
वसायुक्त हवा से चिकना वसा छोड़ता है
सोख लेना ...
एम.वी. लोमोनोसोव

ऊर्जा को एक सेल में कैसे संग्रहीत किया जाता है? चयापचय क्या है? ग्लाइकोलिसिस, किण्वन और सेलुलर श्वसन की प्रक्रियाओं का सार क्या है? प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश और अंधेरे चरणों के दौरान क्या प्रक्रियाएं होती हैं? ऊर्जा और प्लास्टिक चयापचय की प्रक्रियाएं कैसे संबंधित हैं? रसायन विज्ञान क्या है?

सबक व्याख्यान

कुछ प्रकार की ऊर्जा को दूसरों में परिवर्तित करने की क्षमता (विकिरण ऊर्जा रासायनिक बांड की ऊर्जा, यांत्रिक ऊर्जा में रासायनिक ऊर्जा, आदि) जीवित चीजों के मूल गुणों में से एक है। यहां हम विस्तार से विचार करेंगे कि जीवित जीवों में इन प्रक्रियाओं का एहसास कैसे होता है।

ATF - सेल में ऊर्जा के मुख्य वाहक... कोशिकाओं की महत्वपूर्ण गतिविधि के किसी भी अभिव्यक्तियों के कार्यान्वयन के लिए, ऊर्जा की आवश्यकता होती है। ऑटोट्रॉफ़िक जीव प्रकाश संश्लेषण प्रतिक्रियाओं के दौरान सूर्य से प्रारंभिक ऊर्जा प्राप्त करते हैं, जबकि हेटरोट्रोफ़िक जीव ऊर्जा के स्रोत के रूप में भोजन से कार्बनिक यौगिकों का उपयोग करते हैं। ऊर्जा अणुओं के रासायनिक बंधों में कोशिकाओं द्वारा संग्रहीत होती है एटीपी (एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट), जो एक न्यूक्लियोटाइड हैं जिसमें तीन फॉस्फेट समूह, एक चीनी (राइबोस) अवशेष और एक नाइट्रोजनस बेस (एडेनिन) अवशेष (छवि 52) शामिल हैं।

चित्र: 52. एटीपी अणु

फॉस्फेट अवशेषों के बीच के बंधन को मैक्रोर्जिक कहा जाता है, क्योंकि जब यह टूट जाता है, तो बड़ी मात्रा में ऊर्जा जारी होती है। आमतौर पर सेल केवल टर्मिनल फॉस्फेट समूह को क्लीटिंग करके एटीपी से ऊर्जा निकालता है। इस मामले में, एडीपी (एडेनोसिन डिपोस्फेट), फॉस्फोरिक एसिड बनता है और 40 केजे / मोल जारी किया जाता है:

एटीपी अणु कोशिका की सार्वभौमिक ऊर्जा सौदेबाजी चिप की भूमिका निभाते हैं। उन्हें उस स्थान पर पहुंचाया जाता है जहां ऊर्जा-गहन प्रक्रिया होती है, चाहे वह कार्बनिक यौगिकों का एंजाइमेटिक संश्लेषण हो, प्रोटीन का कार्य - आणविक मोटर्स या झिल्ली परिवहन प्रोटीन, आदि। एटीपी अणुओं के रिवर्स संश्लेषण को ऊर्जा अवशोषण के साथ एडीपी में फॉस्फेट समूह संलग्न करके किया जाता है। एटीपी के रूप में सेल द्वारा ऊर्जा का भंडारण प्रतिक्रियाओं के दौरान किया जाता है ऊर्जा विनिमय... यह निकट से संबंधित है प्लास्टिक विनिमय, जिसके दौरान कोशिका अपने कामकाज के लिए आवश्यक कार्बनिक यौगिकों का उत्पादन करती है।

सेल (मेटाबोलिज्म) में प्रकाशन और ऊर्जा का आदान-प्रदान... चयापचय, प्लास्टिक और ऊर्जा चयापचय की सभी प्रतिक्रियाओं का एक समूह है, जो एक दूसरे से जुड़ा हुआ है। कोशिकाओं में कार्बोहाइड्रेट, वसा, प्रोटीन, न्यूक्लिक एसिड का संश्लेषण लगातार चल रहा है। यौगिकों का संश्लेषण हमेशा ऊर्जा के व्यय के साथ होता है, अर्थात एटीपी की अपरिहार्य भागीदारी के साथ। एटीपी के गठन के लिए ऊर्जा के स्रोत सेल में प्रवेश करने वाले प्रोटीन, वसा और कार्बोहाइड्रेट के ऑक्सीकरण की एंजाइमेटिक प्रतिक्रियाएं हैं। इस प्रक्रिया के दौरान, ऊर्जा को एटीपी में जारी और संग्रहीत किया जाता है। ग्लूकोज का ऑक्सीकरण कोशिका के ऊर्जा चयापचय में एक विशेष भूमिका निभाता है। ग्लूकोज अणु क्रमिक परिवर्तनों की एक श्रृंखला से गुजरते हैं।

पहला चरण, कहा जाता है ग्लाइकोलाइसिसकोशिकाओं के साइटोप्लाज्म में गुजरता है और ऑक्सीजन की आवश्यकता नहीं होती है। एंजाइमों से संबंधित लगातार प्रतिक्रियाओं के परिणामस्वरूप, ग्लूकोज पाइरूविक एसिड के दो अणुओं में टूट जाता है। इस मामले में, दो एटीपी अणुओं का सेवन किया जाता है, और ऑक्सीकरण के दौरान जारी ऊर्जा चार एटीपी अणुओं के गठन के लिए पर्याप्त है। नतीजतन, ग्लाइकोलाइसिस की ऊर्जा उपज छोटी है और दो एटीपी अणुओं की मात्रा है:

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

एनारोबिक स्थितियों (ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में) के तहत, विभिन्न परिवर्तनों को विभिन्न प्रकारों के साथ जोड़ा जा सकता है किण्वन.

सब को पता है लैक्टिक एसिड किण्वन (खट्टा दूध), जो लैक्टिक एसिड कवक और बैक्टीरिया की गतिविधि के कारण होता है। यह तंत्र में ग्लाइकोलाइसिस के समान है, केवल अंतिम उत्पाद लैक्टिक एसिड है। इस प्रकार के ग्लूकोज ऑक्सीकरण कोशिकाओं में होता है जब ऑक्सीजन की कमी होती है, उदाहरण के लिए तीव्रता से काम करने वाली मांसपेशियों में। लैक्टिक एसिड और मादक किण्वन के लिए रसायन विज्ञान में बंद करें। अंतर इस तथ्य में निहित है कि मादक किण्वन के उत्पाद एथिल अल्कोहल और कार्बन डाइऑक्साइड हैं।

अगला चरण, जिसके दौरान पाइरूविक एसिड को कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में ऑक्सीकरण किया जाता है, कहा जाता है कोशिकीय श्वसन... श्वसन संबंधी प्रतिक्रियाएं पौधे और पशु कोशिकाओं के माइटोकॉन्ड्रिया में होती हैं, और केवल ऑक्सीजन की उपस्थिति में होती है। यह अंतिम उत्पाद बनाने के लिए रासायनिक परिवर्तनों की एक श्रृंखला है - कार्बन डाइऑक्साइड। इस प्रक्रिया के विभिन्न चरणों में, हाइड्रोजन परमाणुओं के उन्मूलन के साथ प्रारंभिक पदार्थ के ऑक्सीकरण के मध्यवर्ती उत्पाद बनते हैं। उसी समय, ऊर्जा जारी की जाती है, जो एटीपी के रासायनिक बंधों में "संरक्षित" होती है, और पानी के अणु बनते हैं। यह स्पष्ट हो जाता है कि हाइड्रोजन परमाणुओं को विभाजित करने के लिए यह ठीक है कि ऑक्सीजन की आवश्यकता है। रासायनिक परिवर्तनों की यह श्रृंखला काफी जटिल है और माइटोकॉन्ड्रिया, एंजाइम, और वाहक प्रोटीन के आंतरिक झिल्ली की भागीदारी के साथ होती है।

सेलुलर श्वसन बहुत कुशल है। 30 एटीपी अणुओं का एक संश्लेषण होता है, ग्लाइकोलाइसिस के दौरान दो और अणु बनते हैं, और छह एटीपी अणु - माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली पर ग्लाइकोलाइसिस उत्पादों के परिवर्तनों के परिणामस्वरूप। कुल में, एक ग्लूकोज अणु के ऑक्सीकरण के परिणामस्वरूप, 38 एटीपी अणु बनते हैं:

C 6 H 12 O 6 + 6H 2 0 → 6CO 2 + 6H 2 O + 38ATP

माइटोकॉन्ड्रिया में, न केवल शर्करा के ऑक्सीकरण के अंतिम चरण, बल्कि प्रोटीन और लिपिड भी होते हैं। इन पदार्थों का उपयोग कोशिकाओं द्वारा मुख्य रूप से किया जाता है जब कार्बोहाइड्रेट की आपूर्ति बाहर चल रही होती है। सबसे पहले, वसा का सेवन किया जाता है, जिसमें ऑक्सीकरण के दौरान कार्बोहाइड्रेट और प्रोटीन की एक समान मात्रा से काफी अधिक ऊर्जा जारी होती है। इसलिए, पशु वसा ऊर्जा संसाधनों का मुख्य "रणनीतिक आरक्षित" है। पौधों में, स्टार्च एक ऊर्जा आरक्षित की भूमिका निभाता है। जब संग्रहीत किया जाता है, तो यह अपनी ऊर्जा के बराबर वसा की तुलना में काफी अधिक जगह लेता है। पौधों के लिए, यह एक बाधा के रूप में काम नहीं करता है, क्योंकि वे स्थिर हैं और जानवरों की तरह खुद को आपूर्ति नहीं करते हैं। आप वसा से बहुत तेजी से कार्बोहाइड्रेट से ऊर्जा निकाल सकते हैं। प्रोटीन शरीर में कई महत्वपूर्ण कार्य करते हैं, इसलिए वे ऊर्जा चयापचय में केवल तभी शामिल होते हैं जब शर्करा और वसा के संसाधन लंबे समय तक भुखमरी के दौरान नष्ट हो जाते हैं।

प्रकाश संश्लेषण. प्रकाश संश्लेषण एक ऐसी प्रक्रिया है जिसके द्वारा सूर्य की किरणों की ऊर्जा को कार्बनिक यौगिकों के रासायनिक बंधों की ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है। पादप कोशिकाओं में प्रकाश संश्लेषण से जुड़ी प्रक्रियाएं क्लोरोप्लास्ट में होती हैं। इस ऑर्गेनेल के अंदर झिल्ली तंत्र होते हैं जिसमें वर्णक सन्निहित होते हैं जो सूर्य की उज्ज्वल ऊर्जा को कैप्चर करते हैं। प्रकाश संश्लेषण का मुख्य वर्णक क्लोरोफिल है, जो मुख्य रूप से नीले और बैंगनी, साथ ही स्पेक्ट्रम की लाल किरणों को अवशोषित करता है। हरे रंग का प्रकाश परावर्तित होता है, इसलिए क्लोरोफिल और पौधों के कुछ हिस्सों में यह हरे रंग का दिखाई देता है।

प्रकाश संश्लेषण में, दो चरणों को प्रतिष्ठित किया जाता है - रोशनी तथा अंधेरा (अंजीर। 53)। प्रकाश चरण के दौरान रेडिएंट ऊर्जा का वास्तविक कब्जा और परिवर्तन होता है। प्रकाश क्वांटा के अवशोषण पर, क्लोरोफिल एक उत्तेजित अवस्था में गुजरता है और इलेक्ट्रॉन दाता बन जाता है। इसके इलेक्ट्रॉनों को इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के साथ एक प्रोटीन कॉम्प्लेक्स से दूसरे में स्थानांतरित किया जाता है। इस श्रृंखला के प्रोटीन, पिगमेंट की तरह, क्लोरोप्लास्ट की आंतरिक झिल्ली पर केंद्रित होते हैं। जब एक इलेक्ट्रॉन वाहक श्रृंखला के साथ गुजरता है, तो यह ऊर्जा खो देता है, जिसका उपयोग एटीपी के संश्लेषण के लिए किया जाता है। प्रकाश से उत्साहित कुछ इलेक्ट्रॉनों का उपयोग एनडीपी (निकोटीनैमाइड एडेनिन डाइन्यूक्लियोटेफॉस्फेट), या एनएडीपीएच को कम करने के लिए किया जाता है।

चित्र: 53. प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश और अंधेरे चरणों की प्रतिक्रियाओं के उत्पाद

सूर्य के प्रकाश के प्रभाव में, क्लोरोप्लास्ट भी पानी के अणुओं को विभाजित करते हैं - photolysis; इस मामले में, इलेक्ट्रॉन उत्पन्न होते हैं जो क्लोरोफिल के साथ उनके नुकसान की भरपाई करते हैं; ऑक्सीजन एक उप-उत्पाद के रूप में बनता है:

इस प्रकार, प्रकाश चरण का कार्यात्मक अर्थ प्रकाश ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करके एटीपी और एनएडीपीएच का संश्लेषण है।

प्रकाश संश्लेषण के अंधेरे चरण के लिए प्रकाश की आवश्यकता नहीं होती है। यहां होने वाली प्रक्रियाओं का सार यह है कि प्रकाश चरण में प्राप्त एटीपी और एनएडीपी · एच अणुओं का उपयोग रासायनिक प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला में किया जाता है जो कार्बोहाइड्रेट के रूप में सीओ 2 को "ठीक" करते हैं। अंधेरे चरण की सभी प्रतिक्रियाएं क्लोरोप्लास्ट के अंदर की जाती हैं, और "फिक्सेशन" के दौरान जारी कार्बन डाइऑक्साइड एडीपी और एनएडीपी फिर से एटीपी और एनएडीपीएच के संश्लेषण के लिए प्रकाश चरण प्रतिक्रियाओं में उपयोग किया जाता है।

प्रकाश संश्लेषण का समग्र समीकरण इस प्रकार है:

संबंध और प्लास्टिक और ऊर्जा की उपलब्धता प्रक्रियाओं की एकता... माइटोकॉन्ड्रिया (कोशिकीय श्वसन) और क्लोरोप्लास्ट (प्रकाश संश्लेषण) में साइटोप्लाज्म (ग्लाइकोलाइसिस) में एटीपी संश्लेषण प्रक्रियाएं होती हैं। इन प्रक्रियाओं के दौरान होने वाली सभी प्रतिक्रियाएं ऊर्जा चयापचय की प्रतिक्रियाएं हैं। एटीपी के रूप में संग्रहीत ऊर्जा का उपयोग सेल की महत्वपूर्ण गतिविधि के लिए आवश्यक प्रोटीन, वसा, कार्बोहाइड्रेट और न्यूक्लिक एसिड के उत्पादन के लिए प्लास्टिक चयापचय की प्रतिक्रियाओं में किया जाता है। ध्यान दें कि प्रकाश संश्लेषण का काला चरण प्रतिक्रियाओं, प्लास्टिक विनिमय की एक श्रृंखला है, और प्रकाश चरण ऊर्जावान है।

ऊर्जा और प्लास्टिक विनिमय की प्रक्रियाओं के संबंध और एकता को निम्नलिखित समीकरण द्वारा अच्छी तरह से चित्रित किया गया है:

एटीपीपी (ऊर्जा चयापचय) के संश्लेषण से जुड़े ग्लाइकोलिसिस और सेलुलर श्वसन के दौरान ग्लूकोज के ऑक्सीकरण में कार्बन डाइऑक्साइड और पानी के बाएं से दाएं परिणामों में इस समीकरण को पढ़ना। यदि आप इसे दाएं से बाएं पढ़ते हैं, तो आपको प्रकाश संश्लेषण के अंधेरे चरण की प्रतिक्रियाओं का वर्णन मिलता है, जब एटीपी (प्लास्टिक चयापचय) की भागीदारी के साथ ग्लूकोज को पानी और कार्बन डाइऑक्साइड से संश्लेषित किया जाता है।

chemosynthesis... फोटोओटोट्रॉफ़्स के अलावा, कुछ बैक्टीरिया (हाइड्रोजन, नाइट्राइजिंग, सल्फर बैक्टीरिया आदि) भी अकार्बनिक लोगों से कार्बनिक पदार्थों को संश्लेषित करने में सक्षम हैं। वे अकार्बनिक पदार्थों के ऑक्सीकरण के दौरान जारी ऊर्जा के कारण इस संश्लेषण को करते हैं। उन्हें केमोआटोट्रॉफ़ कहा जाता है। ये कीमोसाइनेटिक बैक्टीरिया जीवमंडल में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। उदाहरण के लिए, नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया पौधों द्वारा नाइट्रिक एसिड लवण में आत्मसात करने के लिए दुर्गम में अमोनियम लवण को परिवर्तित करते हैं, जो उनके द्वारा अच्छी तरह से अवशोषित होते हैं।

सेल चयापचय ऊर्जा और प्लास्टिक चयापचय की प्रतिक्रियाओं से बना है। ऊर्जा चयापचय के दौरान, उच्च ऊर्जा रासायनिक बांडों के साथ कार्बनिक यौगिकों का निर्माण होता है - एटीपी। इसके लिए आवश्यक ऊर्जा अवायवीय (ग्लाइकोलाइसिस, किण्वन) और एरोबिक (सेलुलर श्वसन) प्रतिक्रियाओं के दौरान कार्बनिक यौगिकों के ऑक्सीकरण से आती है; सूरज की किरणों से, जिनमें से ऊर्जा प्रकाश चरण (प्रकाश संश्लेषण) में अवशोषित होती है; अकार्बनिक यौगिकों (केमोसिंथेसिस) के ऑक्सीकरण से। एटीपी ऊर्जा को प्लास्टिक चयापचय प्रतिक्रियाओं के पाठ्यक्रम में सेल के लिए आवश्यक कार्बनिक यौगिकों के संश्लेषण पर खर्च किया जाता है, जिसमें प्रकाश संश्लेषण के अंधेरे चरण की प्रतिक्रियाएं शामिल हैं।

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खपत की पारिस्थितिकी। विज्ञान और प्रौद्योगिकी: वैकल्पिक ऊर्जा की मुख्य समस्याओं में से एक नवीकरणीय स्रोतों से इसकी असमान आपूर्ति है। आइए विचार करें कि ऊर्जा के प्रकारों को कैसे जमा करना संभव है (हालांकि व्यावहारिक उपयोग के लिए हमें फिर संचित ऊर्जा को बिजली या गर्मी में परिवर्तित करने की आवश्यकता होगी)।

वैकल्पिक ऊर्जा की मुख्य समस्याओं में से एक नवीकरणीय स्रोतों से इसकी असमान आपूर्ति है। सूरज केवल दिन के दौरान चमकता है और बादल रहित मौसम में, हवा या तो फूल जाती है या नीचे गिर जाती है। और बिजली की मांग स्थिर नहीं है, उदाहरण के लिए, दिन के दौरान प्रकाश की आवश्यकता कम है और शाम को अधिक। और लोग इसे पसंद करते हैं जब शहरों और गांवों को रात में रोशनी से भर दिया जाता है। खैर, या कम से कम सिर्फ सड़कों पर जलाया जाता है। इसलिए कार्य उत्पन्न होता है - प्राप्त ऊर्जा को बचाने के लिए कुछ समय के लिए इसका उपयोग करने के लिए जब इसकी आवश्यकता अधिकतम होती है, और सेवन पर्याप्त नहीं होता है।

ऊर्जा के 6 मुख्य प्रकार हैं: गुरुत्वाकर्षण, यांत्रिक, थर्मल, रासायनिक, विद्युत चुम्बकीय और परमाणु। अब तक, मानव जाति ने पहले पाँच प्रकार (अच्छी तरह से, सिवाय इसके कि परमाणु ईंधन के उपलब्ध भंडार कृत्रिम मूल के हैं) की ऊर्जा के लिए कृत्रिम बैटरी बनाना सीखा है। इसलिए हम विचार करेंगे कि इन प्रकार की प्रत्येक ऊर्जा को संचित करना और संग्रहीत करना कैसे संभव है (हालांकि व्यावहारिक उपयोग के लिए हमें फिर संचित ऊर्जा को बिजली या गर्मी में बदलने की आवश्यकता होगी)।

गुरुत्वाकर्षण ऊर्जा का संचायक

इस प्रकार के संचायक में, ऊर्जा संचय के चरण में, भार ऊपर उठता है, संभावित ऊर्जा का संचय होता है, और सही समय पर यह वापस गिर जाता है, इस ऊर्जा को उपयोगी रूप से वापस करता है। लोड के रूप में ठोस या तरल पदार्थ का उपयोग प्रत्येक प्रकार के डिजाइन में अपनी विशेषताओं को लाता है। उनके बीच एक मध्यवर्ती स्थिति थोक पदार्थों (रेत, लीड शॉट, छोटी स्टील की गेंदों, आदि) के उपयोग द्वारा कब्जा कर ली जाती है।

गुरुत्वाकर्षण ठोस राज्य ऊर्जा भंडारण

गुरुत्वाकर्षण यांत्रिक भंडारण का सार यह है कि एक निश्चित भार एक ऊंचाई तक बढ़ जाता है और सही समय पर छोड़ा जाता है, जिससे जनरेटर अक्ष को रास्ते में घूमने के लिए मजबूर किया जाता है। ऊर्जा भंडारण की इस पद्धति के कार्यान्वयन का एक उदाहरण कैलिफोर्निया स्थित उन्नत रेल ऊर्जा भंडारण (ARES) कंपनी द्वारा प्रस्तावित एक उपकरण है। यह विचार सरल है: ऐसे समय में जब सौर पैनल और पवन चक्कियां बहुत अधिक ऊर्जा का उत्पादन करती हैं, विशेष भारी कारों को बिजली की मोटरों का उपयोग करके पहाड़ से निकाला जाता है। रात और शाम को, जब उपभोक्ताओं को प्रदान करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा स्रोत नहीं होते हैं, तो कारें नीचे चली जाती हैं, और मोटर्स, जो जनरेटर के रूप में काम करते हैं, संग्रहीत ऊर्जा को ग्रिड में वापस कर देते हैं।

इस वर्ग की लगभग सभी यांत्रिक ड्राइवों में एक बहुत ही सरल डिजाइन है, और इसलिए उच्च विश्वसनीयता और लंबी सेवा जीवन है। एक बार संग्रहीत ऊर्जा का भंडारण समय व्यावहारिक रूप से असीमित है, जब तक कि लोड और संरचनात्मक तत्व बुढ़ापे या जंग से उखड़ जाते हैं।

उठाने वाले ठोस पदार्थों में संग्रहीत ऊर्जा को बहुत कम समय में जारी किया जा सकता है। ऐसे उपकरणों से प्राप्त शक्ति पर सीमा केवल गुरुत्वाकर्षण के त्वरण द्वारा लगाई जाती है, जो गिरते वजन की गति में वृद्धि की अधिकतम दर निर्धारित करती है।

दुर्भाग्य से, ऐसे उपकरणों की विशिष्ट ऊर्जा खपत अधिक नहीं है और शास्त्रीय सूत्र ई \u003d एम · जी · एच द्वारा निर्धारित की जाती है। इस प्रकार, 20 डिग्री सेल्सियस से 100 डिग्री सेल्सियस तक 1 लीटर पानी को गर्म करने के लिए ऊर्जा स्टोर करने के लिए, कम से कम 35 मीटर (या प्रति टन 10 मीटर प्रति 3.5 मीटर) कार्गो को उठाना आवश्यक है। इसलिए, जब अधिक ऊर्जा को संग्रहित करना आवश्यक हो जाता है, तो यह तुरंत एक अनिवार्य परिणाम, महंगी संरचनाओं के रूप में भारी बनाने की आवश्यकता की ओर जाता है।

इस तरह की प्रणालियों का नुकसान यह भी है कि जिस रास्ते से मालगाड़ी चलती है वह स्वतंत्र और पर्याप्त रूप से सीधी होनी चाहिए, और यह इस तरह की चीजों, लोगों और जानवरों के क्षेत्र में गिरने की संभावना को बाहर करने के लिए भी आवश्यक है।

गुरुत्वाकर्षण द्रव भंडारण

ठोस भार के विपरीत, तरल पदार्थों का उपयोग करते समय, पूरे उठाने की ऊँचाई के लिए एक बड़े खंड के साथ सीधे शाफ्ट बनाने की आवश्यकता नहीं होती है - तरल पूरी तरह से घुमावदार पाइपों के साथ चलता है, जिनमें से केवल अधिकतम डिजाइन प्रवाह के माध्यम से गुजरने के लिए पर्याप्त होना चाहिए। इसलिए, ऊपरी और निचले जलाशयों को एक दूसरे के नीचे स्थित नहीं होना पड़ता है, लेकिन एक बड़ी दूरी तक अलग किया जा सकता है।

पंप किए गए भंडारण बिजली संयंत्र (पीएसपीपी) इस वर्ग के हैं।

गुरुत्वाकर्षण ऊर्जा के छोटे पैमाने पर हाइड्रोलिक संचायक भी हैं। सबसे पहले, हम एक भूमिगत जलाशय (कुएं) से 10 टन पानी टॉवर पर एक कंटेनर में पंप करते हैं। फिर गुरुत्वाकर्षण की कार्रवाई के तहत टैंक से पानी एक जनरेटर के साथ टरबाइन को घुमाते हुए वापस टैंक में बहता है। ऐसी ड्राइव का सेवा जीवन 20 वर्ष या उससे अधिक हो सकता है। लाभ: पवन टरबाइन का उपयोग करते समय, उत्तरार्द्ध सीधे पानी पंप चला सकता है, टॉवर पर एक टैंक से पानी का उपयोग अन्य आवश्यकताओं के लिए किया जा सकता है।

दुर्भाग्य से, हाइड्रोलिक सिस्टम ठोस-अवस्था वाले लोगों की तुलना में उचित तकनीकी स्थिति में बनाए रखने के लिए अधिक कठिन हैं - सबसे पहले, यह टैंक और पाइपलाइनों की जकड़न और शट-ऑफ और पंपिंग उपकरणों की गतिशीलता की चिंता करता है। और एक और महत्वपूर्ण स्थिति - ऊर्जा के संचय और उपयोग के क्षणों में, कार्यशील तरल पदार्थ (कम से कम, इसका काफी बड़ा हिस्सा) एकत्रीकरण की तरल अवस्था में होना चाहिए, और बर्फ या भाप के रूप में नहीं होना चाहिए। लेकिन कभी-कभी ऐसे भंडारण उपकरणों में अतिरिक्त ऊर्जा प्राप्त करना संभव होता है, कहते हैं, जब ऊपरी जलाशय को पिघल या बारिश के पानी से भरते हैं।

यांत्रिक ऊर्जा भंडारण

यांत्रिक ऊर्जा बातचीत, व्यक्तिगत निकायों या उनके कणों की गति के दौरान स्वयं प्रकट होती है। इसमें शरीर की गति या घुमाव की गतिज ऊर्जा, झुकने, खींचने, मोड़ने, लोचदार निकायों (स्प्रिंग्स) के संपीड़न के दौरान विरूपण की ऊर्जा शामिल है।

जाइरोस्कोपिक ऊर्जा भंडारण

जाइरोस्कोपिक भंडारण उपकरणों में, ऊर्जा तेजी से घूमने वाले चक्का के गतिज ऊर्जा के रूप में संग्रहीत होती है। प्रत्येक किलोग्राम वजन के लिए संग्रहीत विशिष्ट ऊर्जा स्थैतिक भार के एक किलोग्राम में संग्रहीत की जा सकती है, भले ही यह एक महान ऊंचाई पर उठा हो, और नवीनतम उच्च तकनीक के विकास में प्रति यूनिट रासायनिक ऊर्जा के स्टॉक के लिए संग्रहीत ऊर्जा का घनत्व का वादा किया जाता है, जो सबसे कुशल प्रकार के रासायनिक द्रव्यमान है। ईंधन।

फ्लाईव्हील का एक और विशाल प्लस यांत्रिक ट्रांसमिशन या इलेक्ट्रिक, वायवीय या हाइड्रोलिक ट्रांसमिशन के "थ्रूपुट" के मामले में सामग्री की तन्य शक्ति द्वारा सीमित रूप से जल्दी से लौटने या प्राप्त करने की क्षमता है।

दुर्भाग्य से, फ्लाईव्हील रोटेशन के विमान के अलावा अन्य विमानों में झटके और घुमाव के लिए संवेदनशील होते हैं, क्योंकि इससे भारी गाइरोस्कोपिक भार पैदा होता है जो धुरी को मोड़ते हैं। इसके अलावा, चक्का में संग्रहीत ऊर्जा का भंडारण समय अपेक्षाकृत कम है और पारंपरिक डिजाइनों के लिए आमतौर पर कुछ सेकंड से लेकर कई घंटों तक होता है। इसके अलावा, घर्षण के कारण ऊर्जा की हानि भी ध्यान देने योग्य हो जाती है ... हालांकि, आधुनिक प्रौद्योगिकियां भंडारण के समय को कई महीनों तक नाटकीय रूप से बढ़ा सकती हैं।

अंत में, एक और अप्रिय क्षण - फ्लाईव्हील द्वारा संग्रहीत ऊर्जा सीधे इसकी रोटेशन की गति पर निर्भर करती है, इसलिए, जैसे ही ऊर्जा जमा होती है या जारी की जाती है, रोटेशन की गति हर समय बदल जाती है। उसी समय, लोड को अक्सर एक स्थिर घूर्णी गति की आवश्यकता होती है, कई हजार आरपीएम से अधिक नहीं। इस कारण से, विशुद्ध रूप से यांत्रिक प्रणालियों के लिए और फ्लाईव्हील से बिजली पहुंचाने के लिए निर्माण करने के लिए बहुत जटिल हो सकता है। कभी-कभी एक इलेक्ट्रोमैकेनिकल ट्रांसमिशन उसी शाफ्ट पर स्थित मोटर-जनरेटर का उपयोग करके स्थिति को सरल कर सकता है जिसमें एक चक्का या इसके साथ जुड़ा हुआ कठोर गियरबॉक्स होता है। लेकिन फिर तारों और वाइंडिंग को गर्म करने के लिए ऊर्जा की हानि अपरिहार्य है, जो अच्छे वेरिएंट में घर्षण और पर्ची के नुकसान से बहुत अधिक हो सकती है।

विशेष रूप से होनहार तथाकथित सुपर फ्लाईव्हील हैं, जिसमें स्टील टेप, तार या उच्च शक्ति वाले सिंथेटिक फाइबर शामिल हैं। घुमावदार घनी हो सकती है, या इसमें विशेष रूप से खाली जगह हो सकती है। बाद के मामले में, जैसा कि फ्लाईव्हील अनइंस्टॉल होता है, टेप अपने केंद्र से रोटेशन की परिधि में जाता है, फ्लाईव्हील की जड़ता के क्षण को बदल देता है, और यदि टेप वसंत है, तो यह वसंत की लोचदार विरूपण ऊर्जा में कुछ ऊर्जा संग्रहीत करता है। नतीजतन, इस तरह के चक्का में, रोटेशन की गति सीधे संचित ऊर्जा से संबंधित नहीं होती है और सबसे सरल एक-टुकड़ा संरचनाओं की तुलना में बहुत अधिक स्थिर होती है, और उनकी ऊर्जा की खपत काफ़ी अधिक होती है।

उनकी अधिक ऊर्जा तीव्रता के अलावा, वे विभिन्न दुर्घटनाओं की स्थिति में सुरक्षित होते हैं, क्योंकि, एक बड़ी अखंड चक्का के टुकड़े के विपरीत, उनकी ऊर्जा और विनाशकारी शक्ति में तोप के गोले की तुलना में, एक वसंत के टुकड़े बहुत कम "घातक" होते हैं और आमतौर पर काफी प्रभावी रूप से एक फट फ्लाईव्हील के लिए धीमा कर देते हैं। शरीर की दीवारों के खिलाफ घर्षण का खाता। इसी कारण से, आधुनिक ठोस फ्लाईव्हील्स, जो सामग्री की ताकत के पुनर्वितरण के करीब मोड में संचालित करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, अक्सर अखंड नहीं होते हैं, लेकिन एक बांधने की मशीन के साथ लगाए गए केबलों या फाइबर से बुना हुआ होता है।

वैक्यूम रोटेशन चेंबर के साथ आधुनिक डिजाइन और केवलर फाइबर से बने सुपर फ्लाईव्हील का चुंबकीय निलंबन 5 MJ / kg से अधिक का ऊर्जा संग्रह प्रदान करता है, और हफ्तों या महीनों तक गतिज ऊर्जा को संग्रहीत कर सकता है। आशावादी अनुमानों के अनुसार, घुमावदार के लिए एक सुपर-मजबूत "सुपरकारबन" फाइबर के उपयोग से रोटेशन ऊर्जा की गति और विशिष्ट घनत्व में कई गुना अधिक वृद्धि होगी - 2-3 जीजे / किग्रा तक (वे वादा करते हैं कि 100-150 किलोग्राम वजन वाले इस तरह के चक्का का एक स्पिन एक रन के लिए पर्याप्त होगा। एक लाख किलोमीटर या उससे अधिक, यानी कार के पूरे जीवनकाल के लिए!)। हालांकि, इस फाइबर की लागत अभी भी सोने की लागत से कई गुना अधिक है, इसलिए अरब शेख भी ऐसी मशीनों को अभी तक नहीं खरीद सकते हैं ... आप नर्बी गुलिया की पुस्तक में फ्लाईव्हील ड्राइव के बारे में अधिक पढ़ सकते हैं।

Gyroresonant ऊर्जा भंडारण

ये संचायक समान चक्का हैं, लेकिन लोचदार सामग्री (उदाहरण के लिए, रबर) से बने होते हैं। नतीजतन, इसमें मौलिक रूप से नए गुण हैं। जैसे-जैसे एक चक्का की गति बढ़ती जाती है, "आगे बढ़ना" - "पंखुड़ियों" का निर्माण शुरू हो जाता है - पहले यह एक दीर्घवृत्त में बदल जाता है, फिर "फूल" में तीन, चार या अधिक "पंखुड़ियों" के साथ ... उसी समय, "पंखुड़ियों" के बनने के बाद, चक्का के घूमने की गति पहले से ही हो जाती है। व्यावहारिक रूप से परिवर्तन नहीं होता है, और ऊर्जा चक्का सामग्री के लोचदार विरूपण के गुंजयमान लहर में संग्रहीत होती है, जो इन "पंखुड़ियों" को बनाती है।

1970 के दशक के अंत और 1980 के दशक की शुरुआत में, NZ। Garmash डोनेट्स्क में इस तरह के डिजाइनों में लगे हुए थे। उनके द्वारा प्राप्त परिणाम प्रभावशाली हैं - उनके अनुमानों के अनुसार, केवल 7-8 हजार आरपीएम की एक फ़्लाइव्हील ऑपरेटिंग गति के साथ, संग्रहीत ऊर्जा कार के लिए एक ही आकार के पारंपरिक फ्लाईव्हील के साथ 1,500 किमी बनाम 30 किमी की यात्रा करने के लिए पर्याप्त थी। दुर्भाग्य से, इस प्रकार की ड्राइव के बारे में अधिक हाल की जानकारी अज्ञात है।

लोचदार बलों का उपयोग करके यांत्रिक संचायक

उपकरणों के इस वर्ग में एक उच्च विशिष्ट ऊर्जा भंडारण क्षमता है। यदि छोटे आयामों (कई सेंटीमीटर) का अनुपालन करना आवश्यक है, तो इसकी ऊर्जा खपत यांत्रिक भंडारण उपकरणों में सबसे अधिक है। यदि वजन और आकार विशेषताओं की आवश्यकताएं इतनी कठोर नहीं हैं, तो बड़े अल्ट्रा-हाई-स्पीड फ्लाईव्हील्स इसे ऊर्जा क्षमता में पार कर लेते हैं, लेकिन वे बाहरी कारकों के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं और ऊर्जा भंडारण का समय बहुत कम होता है।

वसंत यांत्रिक भंडारण

वसंत का संपीड़न और विस्तार समय की प्रति यूनिट बहुत उच्च प्रवाह दर और ऊर्जा आपूर्ति प्रदान कर सकता है - शायद सभी प्रकार के ऊर्जा भंडारण उपकरणों के बीच सबसे बड़ी यांत्रिक शक्ति। चक्का के रूप में, यह केवल सामग्री की ताकत से सीमित होता है, लेकिन स्प्रिंग्स आमतौर पर सीधे कार्यशील आंदोलन का एहसास करते हैं, और चक्का में कोई भी एक जटिल संचरण के बिना नहीं कर सकता है (यह कोई संयोग नहीं है कि या तो यांत्रिक मुख्य रूप से वायवीय हथियारों में उपयोग किया जाता है, या गैस कनस्तर, जो उनके में होता है) वास्तव में, वे पहले से चार्ज किए गए गैस स्प्रिंग्स हैं; आग्नेयास्त्रों के आगमन से पहले, वसंत हथियारों का उपयोग कुछ दूरी पर लड़ाई के लिए भी किया जाता था - धनुष और क्रॉसबो, जो नए युग से बहुत पहले, पूरी तरह से पेशेवर सैनिकों में ऊर्जा के अपने संचय संचय के साथ गोले को दबा देते थे)।

एक संकुचित वसंत में संग्रहीत ऊर्जा को कई वर्षों तक संग्रहीत किया जा सकता है। हालांकि, यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि निरंतर विकृति के प्रभाव में, कोई भी सामग्री समय के साथ थकान को जमा करती है, और वसंत धातु के क्रिस्टल जाली धीरे-धीरे बदलती है, और अधिक से अधिक आंतरिक तनाव और उच्च तापमान परिवेश, जितनी जल्दी और अधिक हद तक ऐसा होगा। इसलिए, कई दशकों के बाद, संपीड़ित वसंत, बाहरी रूप से बदलने के बिना, पूरे या आंशिक रूप से "छुट्टी" हो सकता है। हालांकि, उच्च-गुणवत्ता वाले स्टील स्प्रिंग्स, यदि वे ओवरहीटिंग या हाइपोथर्मिया के संपर्क में नहीं हैं, तो क्षमता के दृश्यमान हानि के बिना सदियों तक काम करने में सक्षम हैं। उदाहरण के लिए, एक पूर्ण कारखाने से एक एंटीक मैकेनिकल दीवार घड़ी अभी भी दो सप्ताह तक चलती है - जैसा कि आधी सदी पहले बनी थी जब यह बनी थी।

यदि यह धीरे-धीरे और समान रूप से "चार्ज" और "डिस्चार्ज" वसंत के लिए आवश्यक है, तो यह प्रदान करने वाला तंत्र बहुत जटिल और जटिल हो सकता है (एक ही यांत्रिक घड़ी में देखें - वास्तव में, कई गियर और अन्य भाग इस बहुत उद्देश्य की सेवा करते हैं)। इलेक्ट्रोमैकेनिकल ट्रांसमिशन स्थिति को सरल बना सकता है, लेकिन यह आमतौर पर इस तरह के डिवाइस की तात्कालिक शक्ति पर महत्वपूर्ण प्रतिबंध लगाता है, और जब कम शक्तियों (कई सौ वाट या उससे कम) के साथ काम करते हैं, तो इसकी दक्षता बहुत कम है। एक अलग कार्य एक न्यूनतम मात्रा में अधिकतम ऊर्जा का संचय है, क्योंकि यह प्रयुक्त सामग्री की अंतिम ताकत के करीब यांत्रिक तनाव पैदा करता है, जिसके लिए विशेष रूप से सावधानीपूर्वक गणना और त्रुटिहीन कारीगरी की आवश्यकता होती है।

यहां स्प्रिंग्स के बारे में बोलते हुए, किसी को न केवल धातु, बल्कि अन्य लोचदार ठोस तत्वों को भी ध्यान में रखना चाहिए। उनमें से सबसे आम रबर बैंड हैं। वैसे, द्रव्यमान की प्रति यूनिट संग्रहीत ऊर्जा के मामले में, रबर दर्जनों बार स्टील से अधिक होता है, लेकिन यह लगभग उसी समय कम मात्रा में कार्य करता है, और, स्टील के विपरीत, यह सक्रिय उपयोग के बिना और आदर्श बाहरी के साथ कुछ वर्षों के बाद भी अपने गुणों को खो देता है। स्थितियां - अपेक्षाकृत तेजी से रासायनिक उम्र बढ़ने और सामग्री के क्षरण के कारण।

यांत्रिक गैस भंडारण

उपकरणों के इस वर्ग में, संपीड़ित गैस की लोच के कारण ऊर्जा जमा होती है। जब ऊर्जा की अधिकता होती है, तो कंप्रेसर सिलेंडर में गैस पंप करता है। जब संग्रहीत ऊर्जा का उपयोग करने की आवश्यकता होती है, तो संपीड़ित गैस एक टरबाइन को आपूर्ति की जाती है, जो सीधे आवश्यक यांत्रिक कार्य करती है या एक बिजली जनरेटर को घुमाती है। एक टरबाइन के बजाय, आप एक पिस्टन इंजन का उपयोग कर सकते हैं, जो कम शक्ति पर अधिक कुशल है (वैसे, प्रतिवर्ती पिस्टन इंजन-कंप्रेशर्स भी हैं)।

लगभग हर आधुनिक औद्योगिक कंप्रेसर एक समान संचायक से सुसज्जित है - एक रिसीवर। सच है, वहाँ दबाव शायद ही कभी 10 एटीएम से अधिक हो जाता है, और इसलिए इस तरह के रिसीवर में ऊर्जा आरक्षित बहुत बड़ी नहीं है, लेकिन यहां तक \u200b\u200bकि यह आमतौर पर स्थापना संसाधन को कई बार बढ़ाने और ऊर्जा बचाने के लिए संभव बनाता है।

गैस, दसियों और सैकड़ों वायुमंडलों के दबाव से संकुचित, लगभग असीमित समय (महीनों, वर्षों) और रिसीवर और शट-ऑफ वाल्वों की एक उच्च गुणवत्ता के साथ संग्रहित ऊर्जा का पर्याप्त उच्च विशिष्ट घनत्व प्रदान कर सकता है - दसियों साल, यह बिना कारण के संकुचित कनस्तरों का उपयोग करने वाले वायवीय हथियारों के बिना है। गैस, इतनी व्यापक हो गई)। हालांकि, टरबाइन या एक प्रत्यागामी इंजन के साथ कंप्रेसर इंस्टॉलेशन में शामिल हैं बल्कि जटिल, कैप्टिक डिवाइस हैं और बहुत सीमित संसाधन हैं।

ऊर्जा भंडार बनाने के लिए एक आशाजनक तकनीक एक समय में उपलब्ध ऊर्जा का उपयोग करके हवा का संपीड़न है जब बाद की कोई तत्काल आवश्यकता नहीं होती है। संपीड़ित हवा को 60-70 वायुमंडल के दबाव में ठंडा और संग्रहीत किया जाता है। यदि संग्रहीत ऊर्जा का उपभोग करना आवश्यक है, तो हवा को भंडारण से निकाला जाता है, गर्म होता है, और फिर एक विशेष गैस टरबाइन में प्रवेश करता है, जहां संकुचित और गर्म हवा की ऊर्जा टरबाइन के चरणों को घुमाती है, जिसमें से शाफ्ट एक इलेक्ट्रिक जनरेटर से जुड़ा होता है जो बिजली प्रणाली को बिजली की आपूर्ति करता है।

संपीड़ित हवा के भंडारण के लिए, यह प्रस्तावित है, उदाहरण के लिए, उपयुक्त खानों का उपयोग करने के लिए या विशेष रूप से नमक की चट्टान में भूमिगत टैंक बनाया गया। यह अवधारणा नई नहीं है, एक भूमिगत गुफा में संपीड़ित हवा का भंडारण 1948 की शुरुआत में पेटेंट कराया गया था, और 290 मेगावाट की क्षमता वाला पहला संपीड़ित वायु ऊर्जा भंडारण (सीएईएस) संयंत्र 1978 से जर्मनी में हंटॉर्फ पावर प्लांट में चल रहा है। हवा के संपीड़न चरण के दौरान, गर्मी के रूप में ऊर्जा की एक बड़ी मात्रा खो जाती है। गैस टरबाइन में विस्तार चरण से पहले इस खोई हुई ऊर्जा को संपीड़ित हवा द्वारा मुआवजा दिया जाना चाहिए, इसके लिए, हाइड्रोकार्बन ईंधन का उपयोग किया जाता है, जिसकी मदद से हवा का तापमान बढ़ाया जाता है। इसका मतलब है कि प्रतिष्ठानों में एक सौ प्रतिशत दक्षता है।

सीएईएस की दक्षता में सुधार के लिए एक आशाजनक अवसर है। इसमें कंप्रेसर के संचालन के दौरान उत्पन्न होने वाली गर्मी को बनाए रखने और हवा को ठंडा करने और उसके बाद के पुन: उपयोग के साथ, जब ठंडी हवा को दोबारा गर्म किया जाता है (तथाकथित रीकूप्रेशन)। हालांकि, इस सीएईएस विकल्प में महत्वपूर्ण तकनीकी कठिनाइयां हैं, विशेष रूप से एक दीर्घकालिक गर्मी संरक्षण प्रणाली बनाने की दिशा में। इन समस्याओं को हल करके, एए-सीएईएस (एडवांस्ड एडियाबेटिक-सीएईएस) बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के लिए मार्ग प्रशस्त कर सकता है, एक समस्या जिसे दुनिया भर के शोधकर्ताओं द्वारा उठाया गया है।

कनाडाई स्टार्टअप हाइड्रोस्टोर के सदस्यों ने एक और असामान्य समाधान का प्रस्ताव दिया है - पानी के नीचे के बुलबुले में ऊर्जा पंप करना।

ऊष्मा ऊर्जा भंडारण

हमारी जलवायु परिस्थितियों में, खपत की जाने वाली ऊर्जा का एक बहुत महत्वपूर्ण (अक्सर मुख्य) हिस्सा हीटिंग पर खर्च किया जाता है। इसलिए, भंडारण उपकरण में सीधे गर्मी जमा करना और फिर इसे वापस प्राप्त करना बहुत सुविधाजनक होगा। दुर्भाग्य से, ज्यादातर मामलों में, संग्रहीत ऊर्जा का घनत्व बहुत कम है, और इसके संरक्षण का समय बहुत सीमित है।

ठोस या पिघलने वाली गर्मी भंडारण सामग्री के साथ गर्मी संचयक होते हैं; तरल; भाप; thermochemical; विद्युत ताप तत्व के साथ। हीट संचयकों को एक ठोस ईंधन बॉयलर, एक सौर प्रणाली या एक संयुक्त प्रणाली के साथ एक प्रणाली से जोड़ा जा सकता है।

गर्मी क्षमता के कारण ऊर्जा भंडारण

इस प्रकार के भंडारण उपकरणों में, कार्यशील तरल पदार्थ के रूप में कार्य करने वाले पदार्थ की गर्मी क्षमता के कारण गर्मी जमा होती है। गर्मी संचयकर्ता का एक उत्कृष्ट उदाहरण रूसी स्टोव है। इसे दिन में एक बार गर्म किया जाता था और फिर घर को 24 घंटे के लिए गर्म किया जाता था। आजकल, एक ऊष्मा संचायक का अर्थ अक्सर गर्म पानी के भंडारण के लिए टैंक होता है, जिसे उच्च तापीय रोधन गुणों वाली सामग्री के साथ रखा जाता है।

उदाहरण के लिए, सिरेमिक ईंटों में ठोस गर्मी वाहक पर आधारित गर्मी संचयक भी हैं।

विभिन्न पदार्थों में अलग-अलग ऊष्मा क्षमता होती है। अधिकांश के लिए, यह 0.1 से 2 kJ / (kg · K) की सीमा में है। पानी में असामान्य रूप से उच्च ताप क्षमता होती है - तरल चरण में इसकी गर्मी क्षमता लगभग 4.2 kJ / (kg K) होती है। केवल बहुत ही विदेशी लिथियम में उच्च ताप क्षमता होती है - 4.4 kJ / (kg · K)।

हालांकि, विशिष्ट गर्मी क्षमता (द्रव्यमान द्वारा) के अलावा, यह आवश्यक है कि वॉल्यूमेट्रिक ताप क्षमता को ध्यान में रखा जाए, जिससे यह निर्धारित करना संभव हो जाता है कि एक ही राशि द्वारा विभिन्न पदार्थों के एक ही मात्रा के तापमान को बदलने के लिए कितनी गर्मी की आवश्यकता होती है। इसकी गणना सामान्य विशिष्ट (द्रव्यमान) ताप क्षमता से करके संबंधित पदार्थ के विशिष्ट घनत्व से गुणा करके की जाती है। जब ताप संचयक का आयतन उसके भार से अधिक महत्वपूर्ण होता है तो वॉल्यूमेट्रिक ताप क्षमता को निर्देशित किया जाना चाहिए।

उदाहरण के लिए, स्टील की विशिष्ट गर्मी क्षमता केवल 0.46 kJ / (kg K) है, लेकिन घनत्व 7800 kg / m3 है, और, पॉलीप्रोपाइलीन के लिए - कहते हैं, 1.9 kJ / (kg K) - 4 गुना से अधिक, लेकिन इसका घनत्व केवल 900 किग्रा / एम 3 है। इसलिए, एक ही वॉल्यूम के लिए, स्टील पॉलीप्रोपाइलीन की तुलना में 2.1 गुना अधिक गर्मी स्टोर कर सकता है, हालांकि यह लगभग 9 गुना भारी होगा। हालांकि, पानी की असामान्य रूप से उच्च गर्मी क्षमता के कारण, कोई भी सामग्री इसे वाष्पशील गर्मी क्षमता के मामले में पार नहीं कर सकती है। हालांकि, लोहे और इसके मिश्र धातुओं (स्टील, कच्चा लोहा) की ऊष्मा की क्षमता 20% से कम पानी से भिन्न होती है - एक घन मीटर में वे तापमान परिवर्तन के प्रत्येक डिग्री के लिए 3.5 MJ से अधिक गर्मी का भंडारण कर सकते हैं, तांबे की वाष्पशील ताप क्षमता थोड़ी कम होती है - 3.48 MJ /(cube.m K)। सामान्य परिस्थितियों में हवा की गर्मी क्षमता लगभग 1 kJ / किग्रा, या 1.3 kJ / m3 है, इसलिए 1 क्यूबिक मीटर हवा को 1 ° तक गर्म करने के लिए, यह एक ही डिग्री (स्वाभाविक रूप से, हवा से अधिक गर्म) द्वारा 1/3 लीटर पानी से थोड़ा कम ठंडा करने के लिए पर्याप्त है )।

डिवाइस की सादगी के कारण (जो ठोस के स्थिर ठोस टुकड़े या तरल गर्मी वाहक के साथ एक बंद जलाशय से अधिक सरल हो सकता है?), इस तरह के ऊर्जा भंडारण उपकरणों में लगभग असीमित संख्या में ऊर्जा भंडारण-रिलीज चक्र और एक बहुत लंबी सेवा जीवन होता है, जब तक कि तरल सूख नहीं जाता है या जलाशय के क्षतिग्रस्त होने तक गर्मी हस्तांतरण तरल पदार्थ होते हैं। जंग या अन्य कारणों से, ठोस-राज्य के लिए ये प्रतिबंध नहीं हैं। लेकिन भंडारण का समय बहुत सीमित है और, एक नियम के रूप में, कई घंटों से लेकर कई दिनों तक होता है - एक लंबी अवधि के लिए, साधारण थर्मल इन्सुलेशन अब गर्मी को बनाए रखने में सक्षम नहीं है, और संग्रहीत ऊर्जा का विशिष्ट घनत्व कम है।

अंत में, एक और परिस्थिति पर जोर दिया जाना चाहिए - प्रभावी संचालन के लिए, न केवल गर्मी क्षमता महत्वपूर्ण है, बल्कि गर्मी संचय पदार्थ की तापीय चालकता भी है। एक उच्च तापीय चालकता के साथ, यहां तक \u200b\u200bकि बाहरी परिस्थितियों में काफी तेजी से बदलाव के साथ, गर्मी संचयकर्ता अपने पूरे द्रव्यमान के साथ प्रतिक्रिया करेगा, और इसलिए इसकी सभी संग्रहीत ऊर्जा के साथ - अर्थात, यथासंभव कुशलता से।

खराब तापीय चालकता के मामले में, गर्मी संचयकर्ता के केवल सतह भाग के पास प्रतिक्रिया करने का समय होगा, और बाहरी परिस्थितियों में अल्पकालिक बदलावों के लिए गहरी परतों तक पहुंचने का समय नहीं होगा, और इस तरह के गर्मी संचयक के पदार्थ का एक महत्वपूर्ण हिस्सा वास्तव में काम से बाहर रखा जाएगा।

पॉलीप्रोपाइलीन, ऊपर वर्णित उदाहरण में उल्लिखित है, जिसमें स्टील की तुलना में लगभग 200 गुना कम तापीय चालकता है, और इसलिए, पर्याप्त रूप से बड़ी विशिष्ट गर्मी क्षमता के बावजूद, यह एक प्रभावी गर्मी संचयक नहीं हो सकता है। हालांकि, तकनीकी रूप से, गर्मी संचयकर्ता के अंदर शीतलक को प्रसारित करने के लिए विशेष चैनलों के आयोजन से समस्या आसानी से हल हो जाती है, लेकिन यह स्पष्ट है कि इस तरह के एक समाधान डिजाइन को काफी जटिल करता है, इसकी विश्वसनीयता और ऊर्जा की खपत को कम करता है, और निश्चित रूप से आवधिक रखरखाव की आवश्यकता होगी, जिसे सामग्री के अखंड टुकड़े की शायद ही आवश्यकता होती है।

जैसा कि यह अजीब लग सकता है, कभी-कभी यह संचय और गर्मी, लेकिन ठंड को संग्रहीत करने के लिए आवश्यक है। पिछले एक दशक से, कंपनियां अमेरिका में काम कर रही हैं जो एयर कंडीशनर में स्थापना के लिए बर्फ-आधारित "बैटरी" की पेशकश करती हैं। रात में, जब बिजली की बहुतायत होती है और इसे कम दरों पर बेचा जाता है, तो एयर कंडीशनर पानी को जमा देता है, अर्थात यह रेफ्रिजरेटर मोड में बदल जाता है। दिन में, यह कई बार कम ऊर्जा की खपत करता है, पंखे के रूप में काम करता है। इस समय के लिए ऊर्जा-भूखे कंप्रेसर को बंद कर दिया जाता है। ...

पदार्थ की अवस्था को बदलते समय ऊर्जा का संचय

यदि आप विभिन्न पदार्थों के थर्मल मापदंडों को करीब से देखते हैं, तो आप देख सकते हैं कि जब एकत्रीकरण की स्थिति बदलती है (पिघलने-सख्त, वाष्पीकरण-संघनन), तो ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण अवशोषण या रिलीज होता है। अधिकांश पदार्थों के लिए, ऐसे परिवर्तनों की ऊष्मीय ऊर्जा समान पदार्थ के तापमान को कई दसियों से बदलने के लिए पर्याप्त है, या उन तापमान सीमाओं में भी सैकड़ों डिग्री है जहां इसकी एकत्रीकरण की स्थिति नहीं बदलती है। लेकिन, जैसा कि आप जानते हैं, जब तक किसी पदार्थ की संपूर्ण मात्रा के एकत्रीकरण की स्थिति एक और समान नहीं हो जाती है, तब तक उसका तापमान व्यावहारिक रूप से स्थिर रहता है! इसलिए, एकत्रीकरण की स्थिति में परिवर्तन के कारण ऊर्जा संचय करने के लिए यह बहुत ही आकर्षक होगा - बहुत सारी ऊर्जा जमा होती है, और तापमान में थोड़ा बदलाव होता है, जिससे परिणामस्वरूप, आपको उच्च तापमान पर हीटिंग से जुड़ी समस्याओं को हल करने की आवश्यकता नहीं होगी, और साथ ही, आप इस तरह के गर्मी संचायक की एक अच्छी क्षमता प्राप्त कर सकते हैं।

पिघलने और क्रिस्टलीकरण

दुर्भाग्य से, वर्तमान में उच्च चरण संक्रमण ऊर्जा के साथ व्यावहारिक रूप से कोई सस्ता, सुरक्षित और सड़न-रोधी पदार्थ नहीं हैं, जो पिघलने का तापमान सबसे अधिक प्रासंगिक सीमा में होगा - लगभग 20 ° С से + 50 ° С (अधिकतम + 70 ° С) तक। यह अभी भी एक अपेक्षाकृत सुरक्षित और आसानी से प्राप्य तापमान है)। एक नियम के रूप में, जटिल कार्बनिक यौगिक इस तापमान रेंज में पिघलते हैं, जो स्वास्थ्य के लिए फायदेमंद नहीं हैं और अक्सर हवा में तेजी से ऑक्सीकरण करते हैं।

शायद सबसे उपयुक्त पदार्थ पैराफिन हैं, जिनमें से अधिकांश का पिघलने बिंदु, ग्रेड के आधार पर, सीमा 40 ... 65 ° C में है (हालांकि 27 डिग्री सेल्सियस या उससे कम पिघलने बिंदु के साथ "तरल" पैराफिन भी हैं, साथ ही साथ पैराफिन से संबंधित प्राकृतिक ozokerite भी हैं। वह गलनांक जिसकी सीमा 58..100 ° C) है। पैराफिन और ओजेरोसाइट दोनों ही काफी सुरक्षित हैं और शरीर पर घावों के सीधे हीटिंग के लिए चिकित्सा प्रयोजनों के लिए भी उपयोग किए जाते हैं।

हालांकि, एक अच्छी गर्मी क्षमता के साथ, उनकी तापीय चालकता बहुत कम है - इतना छोटा है कि पैराफिन या ऑज़ोकोराइट शरीर पर लागू होता है, 50-60 डिग्री सेल्सियस तक गरम होता है, केवल सुखद रूप से गर्म महसूस होता है, लेकिन स्केलिंग नहीं, क्योंकि यह उसी तापमान पर गर्म पानी के साथ होगा। - यह दवा के लिए अच्छा है, लेकिन एक गर्मी संचायक के लिए यह एक पूर्ण नुकसान है। इसके अलावा, ये पदार्थ इतने सस्ते नहीं हैं, कहते हैं, सितंबर 2009 में ऑज़ोकोराइट के लिए थोक मूल्य लगभग 200 रूबल प्रति किलोग्राम था, और एक किलोग्राम पैराफिन की लागत 25 रूबल (तकनीकी) से 50 और अधिक (अत्यधिक शुद्ध भोजन), यानी। उत्पाद पैकेजिंग में उपयोग के लिए उपयुक्त)। ये कई टन की खेप के थोक मूल्य हैं, खुदरा कीमतों पर कम से कम डेढ़ गुना अधिक महंगा है।

नतीजतन, पैराफिन हीट संचयकर्ता की आर्थिक दक्षता एक बड़ा सवाल बन जाती है, - आखिरकार, एक किलोग्राम या दो पैराफिन या ओजोरोसाइट केवल कुछ मिनटों के लिए टूटी हुई पीठ के निचले हिस्से के मेडिकल वार्मिंग के लिए उपयुक्त है, और कम से कम एक दिन के लिए अधिक या कम विशाल निवास के स्थिर तापमान को सुनिश्चित करने के लिए। टन में मापा जाना चाहिए, ताकि इसकी लागत तुरंत एक यात्री कार की लागत (कम कीमत खंड में यद्यपि) के करीब पहुंच जाए!

और चरण संक्रमण का तापमान, आदर्श रूप से, फिर भी बिल्कुल आरामदायक सीमा (20..25 डिग्री सेल्सियस) के अनुरूप होना चाहिए - अन्यथा, आपको अभी भी कुछ प्रकार के हीट एक्सचेंज कंट्रोल सिस्टम को व्यवस्थित करना होगा। फिर भी, 50..54 ° C के क्षेत्र में पिघलने का तापमान, अत्यधिक शुद्ध पैराफिन के लिए विशिष्ट, चरण संक्रमण की उच्च गर्मी के साथ संयोजन में (200 kJ / kg से अधिक) गर्म पानी की आपूर्ति और पानी के हीटिंग प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किए गए एक गर्मी संचायक के लिए बहुत उपयुक्त है, एकमात्र समस्या कम तापीय चालकता और पैराफिन की उच्च कीमत है।

लेकिन बल के मामले में, पैराफिन का उपयोग एक अच्छा कैलोरी मान के साथ ईंधन के रूप में किया जा सकता है (हालांकि यह करना इतना आसान नहीं है - गैसोलीन या केरोसिन के विपरीत, तरल पैराफिन और यहां तक \u200b\u200bकि अधिक ठोस पैराफिन हवा में नहीं जलता है, एक बाती या अन्य उपकरण की आवश्यकता होती है दहन क्षेत्र में खिला नहीं पैराफिन ही, लेकिन केवल इसके वाष्प)!

थर्मल ऊर्जा भंडारण प्रणाली के पिघलने और क्रिस्टलीकरण का एक उदाहरण ऑस्ट्रेलियाई कंपनी लेटेंट हीट स्टोरेज द्वारा विकसित सिलिकॉन आधारित TESS थर्मल ऊर्जा भंडारण प्रणाली है।

वाष्पीकरण और संघनन

वाष्पीकरण-संघनन की गर्मी, एक नियम के रूप में, संलयन-क्रिस्टलीकरण की गर्मी से कई गुना अधिक है। और ऐसा लगता है कि कुछ ऐसे पदार्थ नहीं हैं जो आवश्यक तापमान सीमा में वाष्पित होते हैं। स्पष्ट रूप से जहरीली कार्बन डाइसल्फ़ाइड, एसीटोन, एथिल ईथर इत्यादि के अलावा, एथिल अल्कोहल भी है (इसकी सापेक्ष सुरक्षा दुनिया भर के लाखों शराबियों द्वारा व्यक्तिगत उदाहरण द्वारा दैनिक साबित होती है!)। सामान्य परिस्थितियों में, शराब 78 डिग्री सेल्सियस पर उबलती है, और वाष्पीकरण की इसकी गर्मी पानी के संलयन (बर्फ) की तुलना में 2.5 गुना अधिक है और 200 डिग्री तक तरल पानी की समान मात्रा को गर्म करने के बराबर है।

हालांकि, पिघलने के विपरीत, जब किसी पदार्थ की मात्रा में परिवर्तन शायद ही कभी कुछ प्रतिशत से अधिक होता है, तो वाष्पीकरण के दौरान, वाष्प इसे प्रदान की गई पूरी मात्रा पर कब्जा कर लेता है। और अगर यह मात्रा असीमित है, तो वाष्प वाष्पित हो जाएगा, अपरिवर्तनीय रूप से यह सभी संचित ऊर्जा के साथ ले जाएगा। एक बंद मात्रा में, दबाव तुरंत बढ़ना शुरू हो जाएगा, जिससे काम करने वाले तरल पदार्थ के नए भागों के वाष्पीकरण को रोक दिया जाएगा, जैसा कि सबसे साधारण प्रेशर कुकर में होता है, इसलिए, केवल कुछ प्रतिशत काम करने वाले पदार्थ एकत्रीकरण की स्थिति में बदलाव का अनुभव करते हैं, जबकि बाकी तरल चरण में गर्मी जारी रखता है। यहां आविष्कारकों के लिए गतिविधि का एक बड़ा क्षेत्र खुलता है - एक सील चर विस्थापन के साथ वाष्पीकरण और संक्षेपण के आधार पर एक कुशल गर्मी संचायक का निर्माण।

दूसरे प्रकार के चरण संक्रमण

एकत्रीकरण की स्थिति में परिवर्तन के साथ जुड़े चरण संक्रमणों के अलावा, कुछ पदार्थ और एकत्रीकरण की एक अवस्था के भीतर कई अलग-अलग चरण अवस्थाएं हो सकती हैं। इस तरह के चरण में परिवर्तन, एक नियम के रूप में, एक ध्यान देने योग्य रिहाई या ऊर्जा के अवशोषण के साथ होता है, हालांकि आमतौर पर किसी पदार्थ के एकत्रीकरण की स्थिति में बदलाव के साथ तुलना में बहुत कम महत्वपूर्ण होता है। इसके अलावा, कई मामलों में, इस तरह के बदलावों के साथ, एकत्रीकरण की स्थिति में बदलाव के विपरीत, एक तापमान हिस्टैरिसीस होता है - आगे और रिवर्स चरण के संक्रमण का तापमान कभी-कभी दसियों या सैकड़ों डिग्री से काफी भिन्न हो सकता है।

विद्युत ऊर्जा भंडारण

बिजली आज दुनिया में ऊर्जा का सबसे सुविधाजनक और बहुमुखी रूप है। यह आश्चर्य की बात नहीं है कि यह विद्युत ऊर्जा का भंडारण है जो सबसे तेजी से विकसित हो रहा है। दुर्भाग्य से, ज्यादातर मामलों में सस्ती उपकरणों की विशिष्ट क्षमता छोटा है, और एक उच्च विशिष्ट क्षमता वाले उपकरण अभी भी बड़े ऊर्जा भंडार को बड़े पैमाने पर उपयोग में लाने के लिए बहुत महंगे हैं और बहुत ही अल्पकालिक हैं।

संधारित्र

सबसे व्यापक "विद्युत" ऊर्जा भंडारण उपकरण पारंपरिक रेडियो-तकनीकी कैपेसिटर हैं। उनके पास ऊर्जा के संचय और रिलीज की एक जबरदस्त दर है - एक नियम के रूप में, कई हजार से लेकर कई अरब प्रति पूर्ण चक्र तक, और इस तरह से कई वर्षों तक, या यहां तक \u200b\u200bकि दशकों तक व्यापक तापमान रेंज में संचालित करने में सक्षम हैं। समानांतर में कई कैपेसिटर को मिलाकर, आप आसानी से उनकी कुल क्षमता को वांछित मान तक बढ़ा सकते हैं।

कैपेसिटर को दो बड़े वर्गों में विभाजित किया जा सकता है - गैर-ध्रुवीय (आमतौर पर "सूखा", अर्थात, तरल इलेक्ट्रोलाइट युक्त नहीं) और ध्रुवीय (आमतौर पर इलेक्ट्रोलाइटिक)। एक तरल इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग काफी उच्च विशिष्ट क्षमता प्रदान करता है, लेकिन लगभग हमेशा आवश्यकता होती है कि कनेक्ट करते समय ध्रुवीयता देखी जाए। इसके अलावा, इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर अक्सर बाहरी परिस्थितियों के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं, मुख्य रूप से तापमान के लिए, और एक छोटी सेवा जीवन होता है (समय के साथ, इलेक्ट्रोलाइट वाष्पित हो जाता है और सूख जाता है)।

हालांकि, कैपेसिटर के दो मुख्य नुकसान हैं। सबसे पहले, यह संग्रहीत ऊर्जा का एक बहुत कम विशिष्ट घनत्व है और इसलिए एक छोटी (अन्य प्रकार के भंडारण के सापेक्ष) क्षमता है। दूसरे, यह एक छोटा भंडारण समय है, जो आमतौर पर मिनट और सेकंड में गणना की जाती है और शायद ही कभी कई घंटों से अधिक होती है, और कुछ मामलों में एक सेकंड का एक छोटा सा अंश होता है। नतीजतन, कैपेसिटर के आवेदन का दायरा विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक सर्किटों द्वारा सीमित है और पावर इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग में वर्तमान को सुधारने, सही करने और फ़िल्टर करने के लिए पर्याप्त अल्पकालिक संचय है - अभी भी उनमें से अधिक के लिए पर्याप्त नहीं है।

supercapacitors

Ionistors, जिसे कभी-कभी "सुपरकैपेसिटर" के रूप में संदर्भित किया जाता है, को इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर और इलेक्ट्रोकेमिकल बैटरी के बीच एक प्रकार के मध्यवर्ती लिंक के रूप में देखा जा सकता है। पूर्व से, उन्हें चार्ज-डिस्चार्ज चक्रों की लगभग असीमित संख्या विरासत में मिली, और बाद वाले से, अपेक्षाकृत कम चार्जिंग और डिस्चार्जिंग करंट (एक पूर्ण चार्ज-डिस्चार्ज चक्र एक दूसरे, या बहुत लंबे समय तक रह सकता है)। उनकी क्षमता सबसे अधिक कैपेसिटर और सबसे छोटी बैटरी के बीच की सीमा में भी है - आमतौर पर ऊर्जा आरक्षित कुछ से कई सौ जूल तक होती है।

इसके अतिरिक्त, किसी को सुपरकैपेसिटर की तापमान और चार्ज के सीमित भंडारण समय की उच्च संवेदनशीलता पर ध्यान देना चाहिए - कई घंटों से लेकर कई हफ्तों तक।

विद्युत रासायनिक बैटरियों

इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग के शुरुआती दिनों में विद्युत रासायनिक बैटरियों का आविष्कार किया गया था और अब इन्हें हर जगह पाया जा सकता है - मोबाइल फोन से लेकर हवाई जहाज और जहाज तक। सामान्यतया, वे कुछ रासायनिक प्रतिक्रियाओं के आधार पर काम करते हैं और इसलिए उन्हें हमारे लेख के अगले भाग - "रासायनिक ऊर्जा भंडारण" के लिए भेजा जा सकता है। लेकिन चूंकि इस बिंदु पर आमतौर पर जोर नहीं दिया जाता है, लेकिन इस तथ्य पर ध्यान आकर्षित किया जाता है कि बैटरी बिजली की दुकान करती हैं, हम उन्हें यहां पर विचार करेंगे।

एक नियम के रूप में, जब कई सौ किलोजूल और अधिक से एक पर्याप्त बड़ी ऊर्जा को स्टोर करना आवश्यक होता है - लीड-एसिड बैटरी का उपयोग किया जाता है (उदाहरण के लिए, किसी भी कार)। हालांकि, उनके पास काफी आयाम हैं और, सबसे महत्वपूर्ण बात, वजन। यदि डिवाइस के कम वजन और गतिशीलता की आवश्यकता होती है, तो अधिक आधुनिक प्रकार की बैटरी का उपयोग किया जाता है - निकल-कैडमियम, धातु-हाइड्राइड, लिथियम-आयन, बहुलक-आयन, आदि। उनके पास बहुत अधिक विशिष्ट क्षमता है, हालांकि, ऊर्जा भंडारण की विशिष्ट लागत है। बहुत अधिक है, इसलिए उनका उपयोग आम तौर पर अपेक्षाकृत छोटे और किफायती उपकरणों जैसे मोबाइल फोन, फोटो और वीडियो कैमरा, लैपटॉप, आदि तक सीमित है।

हाल ही में, हाइब्रिड कारों और इलेक्ट्रिक वाहनों में उच्च-शक्ति लिथियम-आयन बैटरी का उपयोग किया जाने लगा है। कम वजन और उच्च विशिष्ट क्षमता के अलावा, लीड-एसिड वाले के विपरीत, वे अपनी नाममात्र क्षमता का लगभग पूर्ण उपयोग करने की अनुमति देते हैं, उन्हें अधिक विश्वसनीय माना जाता है और एक लंबे समय तक सेवा जीवन होता है, और एक पूर्ण चक्र में उनकी ऊर्जा दक्षता 90% से अधिक होती है, जबकि लीड की ऊर्जा दक्षता जब बैटरी का अंतिम 20% चार्ज किया जाता है, तो क्षमता 50% तक गिर सकती है।

उपयोग के मोड के अनुसार, इलेक्ट्रोकेमिकल बैटरी (मुख्य रूप से शक्तिशाली वाले) को भी दो बड़े वर्गों में विभाजित किया जाता है - तथाकथित कर्षण और शुरुआती। आमतौर पर, एक स्टार्टर बैटरी एक कर्षण बैटरी के रूप में काफी सफलतापूर्वक काम कर सकती है (मुख्य बात यह है कि डिस्चार्ज की डिग्री को नियंत्रित करें और इसे इतनी गहराई तक न लाएं, जो कर्षण बैटरी के लिए अनुमेय हो), लेकिन जब रिवर्स में उपयोग किया जाता है, तो बहुत बड़ी भार धारा बहुत जल्दी कर्षण बैटरी को निष्क्रिय कर सकती है।

इलेक्ट्रोकेमिकल बैटरियों के नुकसान में बहुत सीमित संख्या में चार्ज-डिस्चार्ज चक्र (ज्यादातर मामलों में, 250 से 2000 तक, और यदि निर्माता की सिफारिशों का पालन नहीं किया जाता है, तो यह बहुत कम है), और यहां तक \u200b\u200bकि सक्रिय संचालन के अभाव में, कुछ वर्षों के बाद अधिकांश प्रकार की बैटरी अपने उपभोक्ता गुणों को खो देती हैं। ...

इसके अलावा, कई प्रकार की बैटरी का सेवा जीवन उनके संचालन की शुरुआत से नहीं जाता है, लेकिन निर्माण के क्षण से। इसके अलावा, विद्युत रासायनिक बैटरियों को तापमान, एक लंबे चार्ज समय, कभी-कभी निर्वहन समय की तुलना में दसियों गुना लंबे समय तक संवेदनशीलता की विशेषता होती है, और उपयोग की विधि का अनुपालन करने की आवश्यकता होती है (सीसा-एसिड बैटरी के लिए गहरे निर्वहन की रोकथाम और, इसके विपरीत, धातु-हाइड्राइड के लिए पूर्ण चार्ज-डिस्चार्ज चक्र का अनुपालन। कई अन्य प्रकार की बैटरी)। चार्ज स्टोरेज का समय भी काफी सीमित है - आमतौर पर एक हफ्ते से एक साल तक। पुरानी बैटरी के लिए, न केवल क्षमता कम हो जाती है, बल्कि भंडारण का समय भी होता है, और दोनों को कई बार कम किया जा सकता है।

नए प्रकार की इलेक्ट्रिक बैटरी बनाने और मौजूदा उपकरणों में सुधार के उद्देश्य से विकास बंद नहीं होता है।

रासायनिक ऊर्जा भंडारण

रासायनिक ऊर्जा पदार्थों के परमाणुओं में "संग्रहीत" ऊर्जा है, जो पदार्थों के बीच रासायनिक प्रतिक्रियाओं द्वारा जारी या अवशोषित होती है। रासायनिक ऊर्जा या तो एक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाओं (उदाहरण के लिए, ईंधन दहन) के दौरान गर्मी के रूप में जारी की जाती है, या गैल्वेनिक कोशिकाओं और बैटरी में विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। इन ऊर्जा स्रोतों को उच्च दक्षता (98% तक) की विशेषता है, लेकिन कम क्षमता।

रासायनिक ऊर्जा भंडारण उपकरण आपको उस रूप में ऊर्जा प्राप्त करने की अनुमति देते हैं जिससे इसे संग्रहीत किया गया था, और किसी अन्य में। "ईंधन" और "गैर-ईंधन" किस्में हैं। कम तापमान वाले थर्मोकैमिकल स्टोरेज (उनके बारे में थोड़ी देर बाद) के विपरीत, जो ऊर्जा को केवल एक गर्म पर्याप्त स्थान पर रख कर स्टोर कर सकते हैं, आप विशेष प्रौद्योगिकियों और उच्च-तकनीकी उपकरणों के बिना कभी-कभी बहुत भारी नहीं हो सकते। विशेष रूप से, यदि, निम्न-तापमान थर्मोकैमिकल प्रतिक्रियाओं के मामले में, अभिकर्मकों का मिश्रण आमतौर पर अलग नहीं होता है और हमेशा एक ही कंटेनर में होता है, तो उच्च-तापमान प्रतिक्रियाओं के लिए अभिकर्मक एक दूसरे से अलग-अलग संग्रहीत होते हैं और केवल तभी संयुक्त होते हैं जब ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

ईंधन उत्पादन के माध्यम से ऊर्जा का भंडारण

ऊर्जा भंडारण चरण के दौरान, एक रासायनिक प्रतिक्रिया होती है, जिसके परिणामस्वरूप ईंधन बरामद किया जाता है, उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन को पानी से छोड़ा जाता है - प्रत्यक्ष इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा, एक उत्प्रेरक का उपयोग करके विद्युत रासायनिक कोशिकाओं में, या थर्मल अपघटन द्वारा, विद्युत चाप या अत्यधिक केंद्रित सूर्य के प्रकाश से। "जारी" ऑक्सीडाइज़र को अलग से एकत्र किया जा सकता है (ऑक्सीजन के लिए यह एक बंद पृथक वस्तु में आवश्यक है - पानी में या अंतरिक्ष में) या "फेंक दिया" अनावश्यक के रूप में, क्योंकि ईंधन के उपयोग के समय यह ऑक्सीडाइज़र पर्यावरण में काफी पर्याप्त होगा और अंतरिक्ष को बर्बाद करने की कोई आवश्यकता नहीं है और इसके संगठित भंडारण के लिए धन।

ऊर्जा निष्कर्षण के चरण में, खर्च किए गए ईंधन को वांछित रूप में सीधे ऊर्जा की रिहाई के साथ ऑक्सीकरण किया जाता है, इस बात की परवाह किए बिना कि यह ईंधन कैसे प्राप्त किया गया था। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन तुरंत गर्मी पैदा कर सकता है (जब एक बर्नर में जलाया जाता है), यांत्रिक ऊर्जा (जब आंतरिक दहन इंजन या टरबाइन को ईंधन के रूप में खिलाया जाता है), या बिजली (जब एक ईंधन सेल में ऑक्सीकरण होता है)। एक नियम के रूप में, ऐसी ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं के लिए अतिरिक्त दीक्षा (प्रज्वलन) की आवश्यकता होती है, जो ऊर्जा वसूली की प्रक्रिया को नियंत्रित करने के लिए बहुत सुविधाजनक है।

ऊर्जा भंडारण ("चार्जिंग") और इसके उपयोग ("निर्वहन") के चरणों की स्वतंत्रता, ईंधन में संग्रहीत ऊर्जा की उच्च विशिष्ट क्षमता (ईंधन के प्रति मेगावाट दस मेगावाट) और लंबी अवधि के भंडारण की संभावना के कारण यह तरीका बहुत आकर्षक है (बशर्ते कि कंटेनर ठीक से सील हो गए हैं - कई वर्षों तक )। हालांकि, इसके व्यापक वितरण को अपूर्ण विकास और प्रौद्योगिकी की उच्च लागत, इस तरह के ईंधन के साथ काम करने के सभी चरणों में उच्च आग और विस्फोट के खतरे से बाधित किया जाता है, और, परिणामस्वरूप, इन प्रणालियों के रखरखाव और संचालन में उच्च योग्य कर्मियों की आवश्यकता होती है। इन कमियों के बावजूद, दुनिया में विभिन्न प्रतिष्ठानों को विकसित किया जा रहा है जो एक बैकअप ऊर्जा स्रोत के रूप में हाइड्रोजन का उपयोग करते हैं।

थर्मोकैमिकल प्रतिक्रियाओं के माध्यम से ऊर्जा का भंडारण

रासायनिक प्रतिक्रियाओं का एक बड़ा समूह लंबे समय से जाना जाता है, जो एक बंद पोत में, जब गर्म होता है, ऊर्जा के अवशोषण के साथ एक दिशा में जाता है, और जब ठंडा होता है, तो ऊर्जा की रिहाई के साथ विपरीत दिशा में। ऐसी प्रतिक्रियाओं को अक्सर थर्मोकेमिकल कहा जाता है। इस तरह की प्रतिक्रियाओं की ऊर्जा दक्षता, एक नियम के रूप में, किसी पदार्थ के एकत्रीकरण की स्थिति को बदलते समय से कम होती है, लेकिन यह बहुत ध्यान देने योग्य भी है।

ऐसी थर्मोकैमिकल प्रतिक्रियाओं को अभिकर्मकों के मिश्रण की अवस्था में एक प्रकार का परिवर्तन माना जा सकता है, और समस्याएँ यहाँ भी पैदा होती हैं - पदार्थों का एक सस्ता, सुरक्षित और प्रभावी मिश्रण खोजना मुश्किल होता है जो तापमान में इस तरह से सफलतापूर्वक कार्य करता है, जो +20 ° C से + 70 ° C तक होता है। हालांकि, इस तरह की एक रचना लंबे समय से जानी जाती है - यह ग्लुबेर का नमक है।

मिराबिलाइट (उर्फ ग्लुबेर का नमक, उर्फ \u200b\u200bसोडियम सल्फेट डिकाहाइड्रेट Na2SO4 · 10H2O) प्राथमिक रासायनिक प्रतिक्रियाओं के परिणामस्वरूप प्राप्त किया जाता है (उदाहरण के लिए, जब टेबल नमक को सल्फ्यूरिक एसिड में जोड़ा जाता है या खनिज के रूप में "तैयार रूप में" खनन किया जाता है।

गर्मी के संचय के दृष्टिकोण से, mirabilite की सबसे दिलचस्प विशेषता यह है कि जब तापमान 32 ° C से ऊपर बढ़ जाता है, तो बाध्य पानी छोड़ा जाना शुरू हो जाता है, और बाह्य रूप से यह क्रिस्टल के "पिघलने" जैसा दिखता है जो उनसे जारी पानी में भंग हो जाता है। जब तापमान 32 डिग्री सेल्सियस तक गिर जाता है, तो मुक्त पानी फिर से क्रिस्टलीय हाइड्रेट की संरचना में बंध जाता है - "क्रिस्टलीकरण" होता है। लेकिन सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि इस हाइड्रेशन-डिहाइड्रेशन प्रतिक्रिया की गर्मी बहुत अधिक है और 251 kJ / किग्रा तक की मात्रा है, जो पैराफिन के "ईमानदार" पिघलने-क्रिस्टलीकरण की गर्मी से काफी अधिक है, हालांकि यह बर्फ (पानी) के पिघलने की गर्मी से एक तिहाई कम है।

इस प्रकार, एक गर्मी संचायक mirabilite के संतृप्त समाधान (32 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर सटीक रूप से संतृप्त) के आधार पर ऊर्जा भंडारण या रिलीज के एक बड़े संसाधन के साथ 32 डिग्री सेल्सियस पर तापमान को प्रभावी ढंग से बनाए रख सकता है। बेशक, यह तापमान पूर्ण गर्म पानी की आपूर्ति के लिए बहुत कम है (इस तरह के तापमान के साथ बौछार को "बहुत अच्छा" माना जाता है), लेकिन हवा को गर्म करने के लिए यह तापमान काफी पर्याप्त हो सकता है।

ईंधन-मुक्त रासायनिक ऊर्जा भंडारण

इस मामले में, "चार्जिंग" के स्तर पर, कुछ रसायनों से दूसरों का निर्माण होता है, और इस प्रक्रिया के दौरान, नए रासायनिक बांडों में ऊर्जा संग्रहीत की जाती है (उदाहरण के लिए, स्लेड चूने को गर्म करके एक अनसाल्टेड अवस्था में बदल दिया जाता है)।

जब "डिस्चार्जिंग" होता है, तो एक रिवर्स प्रतिक्रिया होती है, साथ में पहले से संग्रहित ऊर्जा (आमतौर पर गर्मी के रूप में, कभी-कभी गैस के रूप में होती है जिसे टरबाइन को आपूर्ति की जा सकती है) - विशेष रूप से, यह तब होता है जब चूने को पानी से "बुझाना" होता है। ईंधन के तरीकों के विपरीत, प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए, यह आमतौर पर केवल एक दूसरे के साथ प्रतिक्रिया करने वालों को संयोजित करने के लिए पर्याप्त है - प्रक्रिया की कोई अतिरिक्त दीक्षा (प्रज्वलन) की आवश्यकता नहीं है।

वास्तव में, यह एक प्रकार की थर्मोकेमिकल प्रतिक्रिया है, हालांकि, थर्मल ऊर्जा भंडारण उपकरणों पर विचार करते समय वर्णित कम तापमान प्रतिक्रियाओं के विपरीत और किसी विशेष स्थिति की आवश्यकता नहीं होती है, यहां हम कई सैकड़ों या हजारों डिग्री के तापमान के बारे में बात कर रहे हैं। नतीजतन, काम करने वाले पदार्थ के प्रत्येक किलोग्राम में संग्रहीत ऊर्जा की मात्रा में काफी वृद्धि होती है, लेकिन उपकरण कई गुना अधिक जटिल है, खाली प्लास्टिक की बोतलों या एक साधारण अभिकर्मक टैंक की तुलना में अधिक महंगा है।

एक अतिरिक्त पदार्थ का उपभोग करने की आवश्यकता - कहते हैं, चूने के लिए पानी - एक महत्वपूर्ण दोष नहीं है (यदि आवश्यक हो, तो आप चूने के संक्रमण के दौरान जारी पानी को क्विकटाइम स्थिति में एकत्र कर सकते हैं)। लेकिन इस अतिशयोक्ति के लिए विशेष भंडारण की स्थिति, जिसका उल्लंघन न केवल रासायनिक जलने के साथ होता है, बल्कि एक विस्फोट के साथ, इस और इसी तरह के तरीकों को उन लोगों की श्रेणी में अनुवाद करता है जो व्यापक जीवन में आने की संभावना नहीं है।

अन्य प्रकार के ऊर्जा भंडारण

ऊपर वर्णित लोगों के अलावा, अन्य प्रकार के ऊर्जा भंडारण उपकरण हैं। हालांकि, वर्तमान में वे संग्रहीत ऊर्जा के घनत्व और उच्च इकाई लागत पर इसके भंडारण के समय के संदर्भ में बहुत सीमित हैं। इसलिए, जबकि वे मनोरंजन के लिए अधिक उपयोग किए जाते हैं, और किसी भी गंभीर उद्देश्यों के लिए उनका शोषण नहीं माना जाता है। एक उदाहरण फॉस्फोरसेंट पेंट है, जो एक उज्ज्वल प्रकाश स्रोत से ऊर्जा को स्टोर करता है और फिर कई सेकंड या यहां तक \u200b\u200bकि लंबे समय तक चमकता है। उनके आधुनिक संशोधनों में लंबे समय तक जहरीला फास्फोरस नहीं होता है और बच्चों के खिलौने में उपयोग के लिए भी काफी सुरक्षित हैं।

सुपरकंडक्टिंग चुंबकीय ऊर्जा भंडारण उपकरण इसे एक बड़े डीसी चुंबकीय कुंडल के क्षेत्र में संग्रहीत करते हैं। इसे आवश्यकतानुसार विद्युत धारा में परिवर्तित किया जा सकता है। कम तापमान वाले संचयकों को तरल हीलियम से ठंडा किया जाता है और औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए उपलब्ध हैं। तरल हाइड्रोजन द्वारा ठंडा किए गए उच्च तापमान भंडारण इकाइयां अभी भी विकास के अधीन हैं और भविष्य में उपलब्ध हो सकती हैं।

सुपरकंडक्टिंग चुंबकीय ऊर्जा भंडारण उपकरण आकार में बड़े होते हैं और आमतौर पर छोटी अवधि के लिए उपयोग किए जाते हैं, जैसे स्विचिंग के दौरान। प्रकाशित

शरीर लगातार ऊर्जा के आदान-प्रदान से जुड़ा हुआ है। जब हम सो रहे होते हैं तब भी ऊर्जा चयापचय प्रतिक्रियाएं लगातार होती हैं। जटिल रासायनिक परिवर्तनों के बाद, खाद्य पदार्थों को उच्च आणविक भार से साधारण लोगों में बदल दिया जाता है, जो ऊर्जा की रिहाई के साथ होता है। यह सब ऊर्जा विनिमय है।

दौड़ते समय शरीर की ऊर्जा की मांग बहुत अधिक होती है। उदाहरण के लिए, 2.5-3 घंटे की दौड़ में लगभग 2600 कैलोरी (यह एक मैराथन दूरी) है, जो प्रति दिन एक गतिहीन जीवन शैली का नेतृत्व करने वाले व्यक्ति की ऊर्जा की खपत से अधिक है। दौड़ के दौरान, शरीर मांसपेशियों ग्लाइकोजन और वसा के भंडार से ऊर्जा खींचता है।

स्नायु ग्लाइकोजन, जो ग्लूकोज अणुओं की एक जटिल श्रृंखला है, सक्रिय मांसपेशी समूहों में जमा होता है। एरोबिक ग्लाइकोलाइसिस और दो अन्य रासायनिक प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप, ग्लाइकोजन को एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट (एटीपी) में बदल दिया जाता है।

एटीपी अणु हमारे शरीर में ऊर्जा का मुख्य स्रोत है। ऊर्जा संतुलन और ऊर्जा चयापचय को बनाए रखना सेल स्तर पर होता है। धावक की गति और धीरज पिंजरे के श्वसन पर निर्भर करता है। इसलिए, उच्चतम परिणाम प्राप्त करने के लिए, पूरे दूरी के लिए ऑक्सीजन के साथ सेल प्रदान करना आवश्यक है। प्रशिक्षण के लिए यही है।

मानव शरीर में ऊर्जा। ऊर्जा चयापचय के चरण।

हम हमेशा ऊर्जा प्राप्त करते हैं और खर्च करते हैं। भोजन के रूप में, हमें मुख्य पोषक तत्व, या तैयार कार्बनिक पदार्थ मिलते हैं, यह प्रोटीन, वसा और कार्बोहाइड्रेट। पहला चरण पाचन है, ऊर्जा की कोई रिहाई नहीं है जिसे हमारा शरीर स्टोर कर सकता है।

पाचन प्रक्रिया का उद्देश्य ऊर्जा प्राप्त करना नहीं है, बल्कि बड़े अणुओं को छोटे लोगों में तोड़ना है। आदर्श रूप से, सब कुछ मोनोमर्स में विभाजित होना चाहिए। कार्बोहाइड्रेट ग्लूकोज, फ्रक्टोज और गैलेक्टोज से टूट जाते हैं। वसा - ग्लिसरॉल और फैटी एसिड, अमीनो एसिड को प्रोटीन।

कोशिका श्वास

पाचन के अलावा, एक दूसरा हिस्सा या चरण है। यह श्वास है। हम सांस लेते हैं और हवा को अपने फेफड़ों में पंप करते हैं, लेकिन यह सांस लेने का मुख्य हिस्सा नहीं है। श्वास तब होता है जब हमारी कोशिकाएं ऊर्जा प्रदान करने के लिए ऑक्सीजन को पानी और कार्बन डाइऑक्साइड तक पोषक तत्वों को जलाने के लिए उपयोग करती हैं। यह ऊर्जा प्राप्त करने का अंतिम चरण है जो हमारी प्रत्येक कोशिका में होता है।

मानव पोषण का मुख्य स्रोत ग्लाइकोजन के रूप में मांसपेशियों में संचित कार्बोहाइड्रेट है, ग्लाइकोजन आमतौर पर चलने के 40-45 मिनट के लिए पर्याप्त है। इस समय के बाद, शरीर को ऊर्जा के किसी अन्य स्रोत पर स्विच करना होगा। ये मोटे हैं। वसा ग्लाइकोजन के लिए एक वैकल्पिक ऊर्जा है।

वैकल्पिक ऊर्जा- इसका मतलब ऊर्जा या वसा या ग्लाइकोजन के दो स्रोतों में से एक को चुनने की आवश्यकता है। हमारा शरीर केवल किसी एक स्रोत से ऊर्जा प्राप्त कर सकता है।

लंबी दूरी की दौड़ छोटी दूरी की दौड़ से अलग होती है जिसमें रहने वाले का शरीर ऊर्जा के एक अतिरिक्त स्रोत के रूप में मांसपेशियों की वसा का उपयोग करने के लिए अनिवार्य रूप से स्विच करता है।

फैटी एसिड कार्बोहाइड्रेट के लिए सबसे अच्छा विकल्प नहीं हैं, क्योंकि उनकी रिहाई और उपयोग में बहुत अधिक ऊर्जा और समय लगता है। लेकिन अगर ग्लाइकोजन खत्म हो गया है, तो शरीर के पास वसा का उपयोग करने के अलावा कोई विकल्प नहीं है, इस प्रकार आवश्यक ऊर्जा प्राप्त होती है। यह पता चला है कि वसा हमेशा शरीर के लिए एक आरक्षित विकल्प है।

ध्यान दें कि दौड़ते समय इस्तेमाल होने वाले वसा मांसपेशियों के तंतुओं में पाए जाते हैं, न कि शरीर को ढकने वाली वसायुक्त परतों से।

किसी भी कार्बनिक पदार्थ को जलाने या विभाजित करने पर, उत्पादन अपशिष्ट प्राप्त होते हैं, यह कार्बन डाइऑक्साइड और पानी है। हमारे जीव प्रोटीन, वसा और कार्बोहाइड्रेट हैं। कार्बन डाइऑक्साइड को हवा से बाहर निकाला जाता है, और पानी का उपयोग शरीर द्वारा किया जाता है या पसीने या मूत्र में उत्सर्जित होता है।

पोषक तत्वों को पचाने में, हमारा शरीर गर्मी के रूप में अपनी कुछ ऊर्जा खो देता है। तो कार का इंजन गर्म हो जाता है और ऊर्जा को शून्य में खो देता है, और धावक की मांसपेशियां भारी मात्रा में ऊर्जा खर्च करती हैं। रासायनिक ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करना। इसके अलावा, दक्षता लगभग 50% है, अर्थात, ऊर्जा का आधा भाग गर्मी के रूप में हवा में चला जाता है।

ऊर्जा चयापचय के मुख्य चरणों को प्रतिष्ठित किया जा सकता है:

हम पोषक तत्व प्राप्त करने के लिए खाते हैं, उन्हें तोड़ते हैं, फिर ऑक्सीजन की मदद से ऑक्सीकरण प्रक्रिया होती है, परिणामस्वरूप हमें ऊर्जा मिलती है। कुछ ऊर्जा हमेशा ऊष्मा के रूप में निकलती है, और हम कुछ को संग्रहीत करते हैं। ऊर्जा को एटीपी नामक एक रासायनिक यौगिक के रूप में संग्रहीत किया जाता है।

एटीपी क्या है?

एटीपी एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट है, जो जीवों में ऊर्जा और पदार्थों के चयापचय में बहुत महत्व रखता है। एटीपी जीवित प्रणालियों में सभी जैव रासायनिक प्रक्रियाओं के लिए ऊर्जा का एक सार्वभौमिक स्रोत है।

निष्कर्ष: हमारा शरीर एक रासायनिक यौगिक के रूप में अपने लिए ऊर्जा स्टोर कर सकता है। यह एटीपी है।

एटीपी में एक नाइट्रोजनस बेस होता है एडेनिन, राइबोज और ट्राइफॉस्फेट - फॉस्फोरिक एसिड के अवशेष।

एटीपी बनाने में बहुत ऊर्जा लगती है, लेकिन जब यह नष्ट हो जाती है, तो यह ऊर्जा वापस आ सकती है। हमारा शरीर, पोषक तत्वों को तोड़कर, एक एटीपी अणु बनाता है, और फिर, जब इसे ऊर्जा की आवश्यकता होती है, तो यह एटीपी अणु को तोड़ता है या अणु के बंधन को साफ करता है। फॉस्फोरिक एसिड के अवशेषों में से एक को बंद करके, आप लगभग -40 kJ प्राप्त कर सकते हैं। ⁄ मोल।

यह हमेशा होता है क्योंकि हमें लगातार ऊर्जा की आवश्यकता होती है, खासकर दौड़ते समय। शरीर में ऊर्जा इनपुट के स्रोत अलग हो सकते हैं (मांस, फल, सब्जियां, आदि) . ऊर्जा का आंतरिक स्रोत एक ही है - यह एटीपी है। एक अणु का जीवन एक मिनट से भी कम है। इसलिए, शरीर लगातार टूट जाता है और एटीपी को पुन: पेश करता है।

विभाजन ऊर्जा। सेल ऊर्जा

भेद

हम एटीपी अणु के रूप में ग्लूकोज से मुख्य ऊर्जा प्राप्त करते हैं। चूंकि हमें लगातार ऊर्जा की आवश्यकता होती है, ये अणु शरीर में प्रवेश करेंगे जहां ऊर्जा देना आवश्यक है।

एटीपी ऊर्जा देता है, और एक ही समय में ADP से विभाजित होता है - एडेनोसिन डिपोस्फेट।एडीपी एक ही एटीपी अणु है, केवल एक फॉस्फोरिक एसिड अवशेषों के बिना। Di का मतलब दो होता है। ग्लूकोज, विभाजन, ऊर्जा छोड़ देता है, जो एडीपी द्वारा लिया जाता है और अपने फॉस्फोरस संतुलन को बहाल करता है, एटीपी में बदल जाता है, जो फिर से ऊर्जा खर्च करने के लिए तैयार है। यह हर समय होता है।

इस प्रक्रिया को कहा जाता है - भेद। (विनाश) इस मामले में, ऊर्जा प्राप्त करने के लिए, एटीपी अणु को नष्ट करना आवश्यक है।

मिलाना

लेकिन एक अन्य प्रक्रिया भी है। आप ऊर्जा का उपयोग करके अपने स्वयं के पदार्थों का निर्माण कर सकते हैं। इस प्रक्रिया को कहा जाता है - मिलाना... छोटे से बड़ा पदार्थ बनाएं। हमारे अपने प्रोटीन, न्यूक्लिक एसिड, वसा और कार्बोहाइड्रेट का उत्पादन।

उदाहरण के लिए \u003d आपने मांस का एक टुकड़ा खाया, मांस एक प्रोटीन है जिसे अमीनो एसिड में तोड़ दिया जाना चाहिए, इन अमीनो एसिड से आपके स्वयं के प्रोटीन एकत्र या संश्लेषित किए जाएंगे, जो आपकी मांसपेशियों बन जाएंगे। यह कुछ ऊर्जा ले जाएगा।

ऊर्जा प्राप्त करना। ग्लाइकोलाइसिस क्या है?

सभी जीवित जीवों के लिए ऊर्जा प्राप्त करने की एक प्रक्रिया ग्लाइकोलाइसिस है। ग्लाइकोलाइसिस हमारी किसी भी कोशिका के कोशिका द्रव्य में पाया जा सकता है। "ग्लाइकोलाइसिस" नाम ग्रीक से आया है। - मीठा और ग्रीक। - विघटन।

ग्लाइकोलाइसिस एटीपी के संश्लेषण के साथ, कोशिकाओं में ग्लूकोज के अनुक्रमिक टूटने की एक एंजाइमेटिक प्रक्रिया है। ये 13 एंजाइमैटिक प्रतिक्रियाएं हैं। पर ग्लाइकोलाइसिस एरोबिक स्थितियों में पाइरुविक एसिड (पाइरूवेट) का निर्माण होता है।

में ग्लाइकोलाइसिस अवायवीय स्थितियों में लैक्टिक एसिड (लैक्टेट) का निर्माण होता है। ग्लाइकोलाइसिस पशुओं में ग्लूकोज अपचय के लिए मुख्य मार्ग है।

ग्लाइकोलाइसिस सबसे पुरानी चयापचय प्रक्रियाओं में से एक है जो लगभग सभी जीवित जीवों में जाना जाता है। संभवतः ग्लाइकोलाइसिस 3.5 बिलियन साल पहले प्राथमिक रूप से अधिक दिखाई दिया प्रोकैर्योसाइटों... (प्रोकैरियोट ऐसे जीव हैं, जिनकी कोशिकाओं में एक गठित नाभिक अनुपस्थित होता है। इसके कार्य एक न्यूक्लियोटाइड द्वारा किया जाता है (अर्थात, "नाभिक की तरह"), एक नाभिक के विपरीत, एक न्यूक्लियोटाइड का अपना खोल नहीं होता है)।

अवायवीय ग्लाइकोलाइसिस

एनेरोबिक ग्लाइकोलाइसिस ऑक्सीजन का उपयोग किए बिना ग्लूकोज अणु से ऊर्जा प्राप्त करने का एक तरीका है। ग्लाइकोलाइसिस (टूटने) की प्रक्रिया ग्लूकोज के ऑक्सीकरण की प्रक्रिया है, जिसमें एक ग्लूकोज अणु से दो अणु बनते हैं पाइरुविक तेजाब।

ग्लूकोज अणु दो हिस्सों में विभाजित होता है जिन्हें कहा जा सकता है पाइरूवेट, यह पाइरुविक अम्ल के समान है। पाइरूवेट का प्रत्येक आधा एटीपी अणु को बहाल कर सकता है। यह पता चला है कि एक ग्लूकोज अणु, जब टूट जाता है, दो एटीपी अणुओं को बहाल कर सकता है।

लंबे समय तक या जब अवायवीय मोड में दौड़ते हैं, तो थोड़ी देर के बाद सांस लेना मुश्किल हो जाता है, पैरों की मांसपेशियां थक जाती हैं, पैर भारी हो जाते हैं, वे, आप की तरह, पर्याप्त ऑक्सीजन प्राप्त करने के लिए बंद हो जाते हैं।

क्योंकि मांसपेशियों में ऊर्जा प्राप्त करने की प्रक्रिया ग्लाइकोलाइसिस के साथ समाप्त होती है। इसलिए, मांसपेशियों में दर्द शुरू हो जाता है और ऊर्जा की कमी के कारण काम करने से मना कर दिया जाता है। का गठन दुग्धाम्ल या लैक्टेट। यह पता चलता है कि एथलीट जितनी तेजी से दौड़ता है, वह उतनी ही तेजी से लैक्टेट का उत्पादन करता है। रक्त लैक्टेट स्तर व्यायाम की तीव्रता के साथ निकटता से संबंधित हैं।

एरोबिक ग्लाइकोलाइसिस

अपने आप से, ग्लाइकोलाइसिस एक पूरी तरह से अवायवीय प्रक्रिया है, अर्थात, यह आगे बढ़ने के लिए प्रतिक्रियाओं के लिए ऑक्सीजन की उपस्थिति की आवश्यकता नहीं है। लेकिन आपको यह स्वीकार करना होगा कि ग्लाइकोलाइसिस के दौरान दो एटीपी अणु प्राप्त करना बहुत छोटा है।

इसलिए, ग्लूकोज से ऊर्जा प्राप्त करने के लिए शरीर के पास एक वैकल्पिक विकल्प है। लेकिन पहले से ही ऑक्सीजन की भागीदारी के साथ। यह ऑक्सीजन श्वास है। हम में से प्रत्येक के पास, या एरोबिक ग्लाइकोलाइसिस... एरोबिक ग्लाइकोलाइसिस तेजी से मांसपेशी एटीपी स्टोर को बहाल करने में सक्षम है।

गतिशील गतिविधियों जैसे कि दौड़ना, तैरना आदि के दौरान, एरोबिक ग्लाइकोलाइसिस होता है। यही है, यदि आप दौड़ रहे हैं और चोक नहीं करते हैं, लेकिन पास के चल रहे कॉमरेड के साथ शांति से बात करते हैं, तो हम कह सकते हैं कि आप एक एरोबिक मोड में चल रहे हैं।

श्वसन या एरोबिक ग्लाइकोलाइसिस होता है माइटोकॉन्ड्रिया विशेष एंजाइमों के प्रभाव में और ऑक्सीजन की खपत की आवश्यकता होती है, और, तदनुसार, इसकी डिलीवरी के लिए समय।

ऑक्सीकरण कई चरणों में होता है, पहले ग्लाइकोलाइसिस होता है, लेकिन इस प्रतिक्रिया के मध्यवर्ती चरण के दौरान गठित दो पाइरूवेट अणु लैक्टिक एसिड अणुओं में परिवर्तित नहीं होते हैं, लेकिन माइटोकॉन्ड्रिया में प्रवेश करते हैं, जहां वे क्रेब्स चक्र में कार्बन डाइऑक्साइड सीओ 2 और पानी एच 2 ओ में ऑक्सीकरण करते हैं और उत्पादन के लिए ऊर्जा प्रदान करते हैं। एक और 36 एटीपी अणु।

माइटोकॉन्ड्रिया ये विशेष ऑर्गेनेल हैं जो सेल में हैं, इसलिए एक हैकुछ अवधारणा, सेलुलर श्वसन की तरह। इस तरह के श्वसन सभी जीवों में होते हैं जिन्हें ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है, जिसमें आप और मैं भी शामिल हैं।

ग्लाइकोलाइसिस असाधारण महत्व का एक catabolic मार्ग है। यह प्रोटीन संश्लेषण सहित सेलुलर प्रतिक्रियाओं के लिए ऊर्जा प्रदान करता है। ग्लाइकोलाइसिस मध्यवर्ती वसा के संश्लेषण में उपयोग किया जाता है। पाइरूवेट का उपयोग एलेनिन, एस्पार्टेट और अन्य यौगिकों को संश्लेषित करने के लिए भी किया जा सकता है। ग्लाइकोलाइसिस के लिए धन्यवाद, माइटोकॉन्ड्रियल प्रदर्शन और ऑक्सीजन की उपलब्धता अल्पकालिक चरम भार के दौरान मांसपेशियों की शक्ति को सीमित नहीं करती है। अवायवीय ग्लाइकोलाइसिस की तुलना में एरोबिक ऑक्सीकरण 20 गुना अधिक कुशल है।

माइटोकॉन्ड्रिया क्या है?

माइटोकॉन्ड्रिया (ग्रीक μchο thread से - धागा और δνςροond - अनाज, अनाज) एक दो-झिल्ली वाला गोलाकार या दीर्घवृत्तीय अंग है, जिसमें आमतौर पर लगभग 1 माइक्रोमीटर का व्यास होता है। सेल का पावर स्टेशन; मुख्य कार्य कार्बनिक यौगिकों के ऑक्सीकरण और विद्युत क्षय, एटीपी संश्लेषण और थर्मोजेनेसिस उत्पन्न करने के लिए उनके क्षय के दौरान जारी ऊर्जा का उपयोग है।

एक कोशिका में माइटोकॉन्ड्रिया की संख्या स्थिर नहीं होती है। वे विशेष रूप से उन कोशिकाओं में प्रचुर मात्रा में होते हैं जिनमें ऑक्सीजन की आवश्यकता अधिक होती है। किसी भी समय सेल के किन हिस्सों में ऊर्जा की खपत में वृद्धि होती है, इस पर निर्भर करते हुए, सेल में माइटोकॉन्ड्रिया साइटोप्लाज्म के माध्यम से सबसे बड़ी ऊर्जा खपत के क्षेत्रों में जाने में सक्षम होते हैं।

माइटोकॉन्ड्रियल फ़ंक्शन

माइटोकॉन्ड्रिया के मुख्य कार्यों में से एक एटीपी का संश्लेषण है, जो किसी भी जीवित कोशिका में रासायनिक ऊर्जा का एक सार्वभौमिक रूप है। देखो, प्रवेश द्वार पाइरूवेट के दो अणु हैं, और बाहर निकलना "कई चीजों" की एक बड़ी मात्रा है। इस "कई चीजों" को "क्रेब्स साइकिल" कहा जाता है। वैसे, हंस क्रेब्स को इस चक्र को खोलने के लिए नोबेल पुरस्कार मिला।

हम कह सकते हैं कि यह ट्राइकारबॉक्सिलिक एसिड चक्र है। इस चक्र में, कई पदार्थ क्रमिक रूप से एक दूसरे में बदल जाते हैं। सामान्य तौर पर, जैसा कि आप समझते हैं, यह बात जैव रसायन विज्ञानियों के लिए बहुत महत्वपूर्ण और समझने योग्य है। दूसरे शब्दों में, यह सभी ऑक्सीजन का उपयोग करने वाली कोशिकाओं के श्वसन में एक महत्वपूर्ण कदम है।

परिणामस्वरूप, हमें जो उत्पादन मिलता है, वह कार्बन डाइऑक्साइड, पानी और 36 एटीपी अणु हैं। आपको याद दिला दूं कि ग्लाइकोलाइसिस (बिना ऑक्सीजन) ने ग्लूकोज अणु प्रति दो एटीपी अणु ही पैदा किए। इसलिए, जब हमारी मांसपेशियां ऑक्सीजन के बिना काम करना शुरू करती हैं, तो वे दक्षता खो देती हैं। यही कारण है कि सभी प्रशिक्षण यह सुनिश्चित करने के उद्देश्य से है कि मांसपेशियों को यथासंभव लंबे समय तक ऑक्सीजन पर काम किया जा सकता है।

माइटोकॉन्ड्रियन संरचना

माइटोकॉन्ड्रियन में दो झिल्ली होती हैं: बाहरी और भीतरी। बाहरी झिल्ली का मुख्य कार्य कोशिका के कोशिका द्रव्य से ऑर्गॉइड को अलग करना है। इसमें एक बिलिपिड परत और प्रोटीन होता है जो इसे परमिट करता है, जिसके माध्यम से काम करने के लिए माइटोकॉन्ड्रिया के लिए आवश्यक अणुओं और आयनों का परिवहन होता है।

जबकि बाहरी झिल्ली चिकनी होती है, आंतरिक झिल्ली कई परतों का निर्माण करती है - शिखा, जो अपने क्षेत्र में काफी वृद्धि करता है। आंतरिक झिल्ली में मुख्य रूप से प्रोटीन होते हैं, जिसके बीच श्वसन श्रृंखला एंजाइम, परिवहन प्रोटीन और बड़े एटीपी - सिंथेटेज़ कॉम्प्लेक्स होते हैं। यह इस जगह पर है कि एटीपी संश्लेषण होता है। बाहरी और आंतरिक झिल्लियों के बीच एक अंतर्निहित स्पेस होता है, जिसमें निहित एंजाइम होते हैं।
माइटोकॉन्ड्रिया के आंतरिक स्थान को कहा जाता है आव्यूह... यहां फैटी एसिड और पाइरूवेट के ऑक्सीकरण के लिए एंजाइम सिस्टम हैं, क्रेब्स चक्र के एंजाइम, साथ ही माइटोकॉन्ड्रिया के वंशानुगत सामग्री - डीएनए, आरएनए और प्रोटीन संश्लेषण तंत्र।

माइटोकॉन्ड्रियन कोशिकाओं के लिए ऊर्जा का एकमात्र स्रोत है। प्रत्येक कोशिका के साइटोप्लाज्म में स्थित, माइटोकॉन्ड्रिया "बैटरी" की तुलना में होते हैं जो कोशिका के लिए आवश्यक ऊर्जा का उत्पादन, भंडारण और वितरण करते हैं।
मानव कोशिकाओं में औसतन 1,500 माइटोकॉन्ड्रिया होते हैं। वे विशेष रूप से गहन चयापचय वाले कोशिकाओं में प्रचुर मात्रा में हैं (उदाहरण के लिए, मांसपेशियों या यकृत में)।
माइटोकॉन्ड्रिया मोबाइल हैं और कोशिका की जरूरतों के आधार पर साइटोप्लाज्म में चलते हैं। अपने स्वयं के डीएनए की उपस्थिति के कारण, वे कोशिका विभाजन की परवाह किए बिना गुणा और आत्म-विनाश करते हैं।
कोशिकाएं माइटोकॉन्ड्रिया के बिना कार्य नहीं कर सकती हैं, उनके बिना जीवन असंभव है।

ऊर्जा वास्तव में किस प्रकार संग्रहीत होती है एटीएफ (एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट), और यह कुछ उपयोगी काम करने के लिए कैसे दिया जाता है? यह अविश्वसनीय रूप से मुश्किल लगता है कि कुछ अमूर्त ऊर्जा अचानक जीवित कोशिकाओं के अंदर एक अणु के रूप में एक भौतिक वाहक प्राप्त करती है, और यह कि यह गर्मी के रूप में नहीं जारी किया जा सकता है (जो कि अधिक या कम समझ में आता है), लेकिन एक और अणु बनाने के रूप में। आमतौर पर पाठ्यपुस्तकों के लेखक खुद को वाक्यांश में परिभाषित करते हैं "ऊर्जा एक अणु के हिस्सों के बीच एक उच्च-ऊर्जा बंधन के रूप में संग्रहीत होती है, और जब यह बंधन टूट जाता है, तो उपयोगी कार्य करते हैं," लेकिन यह कुछ भी नहीं समझाता है।

सबसे सामान्य शब्दों में, अणुओं और ऊर्जा के साथ ये हेरफेर इस तरह से होते हैं: पहला। या वे समान प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला में क्लोरोप्लास्ट में बनाए जाते हैं। यह सीधे माइटोकॉन्ड्रिया के अंदर पोषक तत्वों के नियंत्रित दहन के दौरान प्राप्त ऊर्जा पर खर्च होता है या क्लोरोफिल अणु पर पड़ने वाले सूर्य के प्रकाश के फोटॉन की ऊर्जा से होता है। फिर एटीपी को सेल के उन स्थानों पर पहुंचाया जाता है जहां कुछ काम करना आवश्यक होता है। और जब एक या दो फॉस्फेट समूहों को इससे अलग किया जाता है, तो ऊर्जा जारी की जाती है, जो यह काम करती है। इस मामले में, एटीपी दो अणुओं में टूट जाता है: यदि केवल एक फॉस्फेट समूह का विभाजन होता है, तो एटीपी में बदल जाता है ADP (एडेनोसिन डीफॉस्फेट, जो केवल अलग-अलग फॉस्फेट समूह की अनुपस्थिति से एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट से भिन्न होता है)। यदि एटीपी एक ही बार में दो फॉस्फेट समूह दान करता है, तो अधिक ऊर्जा निकलती है, और एटीपी से एडेनोसिन मोनोपॉस्फेट रहता है ( AMF).

जाहिर है, सेल को भी विपरीत प्रक्रिया को अंजाम देना होगा, ADP या AMP अणुओं को ATP में बदलना होगा, ताकि चक्र खुद को दोहरा सके। लेकिन ये "रिक्त" अणु सुरक्षित रूप से फॉस्फेट के बगल में तैर सकते हैं जो उनके लिए एटीपी में बदलने के लिए गायब हैं, और उनके साथ कभी भी संयोजन नहीं करते हैं, क्योंकि इस तरह की संयोजन प्रतिक्रिया ऊर्जावान प्रतिकूल है।

एक रासायनिक प्रतिक्रिया के "ऊर्जा लाभ" क्या है यह समझने में काफी सरल है यदि आप इसके बारे में जानते हैं ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम: यूनिवर्स में या बाकी से अलग किसी भी प्रणाली में, विकार केवल बढ़ सकता है। यही है, इस कानून के अनुसार, एक कोशिका में सुव्यवस्थित क्रम में बैठे जटिल अणुओं को केवल नष्ट किया जा सकता है, छोटे अणुओं का निर्माण किया जा सकता है या यहां तक \u200b\u200bकि व्यक्तिगत परमाणुओं में भी क्षय हो सकता है, क्योंकि तब आदेश काफ़ी कम होगा। इस विचार को समझने के लिए, आप लेगो से इकट्ठे हुए हवाई जहाज के साथ एक जटिल अणु की तुलना कर सकते हैं। फिर छोटे अणु, जिसमें जटिल विघटन होता है, इस विमान के व्यक्तिगत भागों और परमाणुओं से जुड़ा होगा - व्यक्तिगत लेगो क्यूब्स के साथ। बड़े करीने से इकट्ठे हुए विमान को देखकर और उसकी तुलना जंबल्ड पाइल के पुर्जों से करते हुए, यह स्पष्ट हो जाता है कि जटिल अणुओं में छोटे लोगों की तुलना में अधिक ऑर्डर क्यों होते हैं।

इस तरह की एक विघटन प्रतिक्रिया (अणुओं की, एक हवाई जहाज नहीं) ऊर्जावान रूप से अनुकूल होगी, जिसका अर्थ है कि इसे अनायास किया जा सकता है, और क्षय के दौरान ऊर्जा जारी की जाएगी। हालांकि वास्तव में, विमान को विभाजित करना ऊर्जावान रूप से लाभप्रद होगा: इस तथ्य के बावजूद कि भाग स्वयं एक-दूसरे से अलग नहीं होंगे और बाहरी बल को एक बच्चे के रूप में अपने अनछुएपन पर कश करना होगा जो इन भागों का उपयोग किसी और चीज के लिए करना चाहता है, वह अत्यधिक क्रम वाले भोजन खाने से प्राप्त ऊर्जा को भागों के अराजक ढेर में बदल देने पर खर्च करेगा। और अधिक घनी भागों को एक साथ फंसाया जाता है, उतनी ही अधिक ऊर्जा खर्च की जाएगी, जिसमें गर्मी के रूप में जारी किया जाएगा। निचला रेखा: एक गोखरू का टुकड़ा (ऊर्जा का एक स्रोत) और एक हवाई जहाज एक अव्यवस्थित द्रव्यमान में बदल गया, बच्चे के चारों ओर हवा के अणु गर्म हो गए (जिसका अर्थ है कि वे अधिक यादृच्छिक रूप से आगे बढ़ते हैं) - अधिक अराजकता है, यानी हवाई जहाज को विभाजित करना ऊर्जावान रूप से फायदेमंद है।

संक्षेप में, हम ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम से निम्नलिखित नियम बना सकते हैं:

1. आदेश की मात्रा में कमी के साथ, ऊर्जा जारी की जाती है, ऊर्जावान रूप से अनुकूल प्रतिक्रियाएं होती हैं

2. आदेश की मात्रा में वृद्धि के साथ, ऊर्जा अवशोषित होती है, ऊर्जा-खपत प्रतिक्रियाएं होती हैं

पहली नज़र में, अराजकता के लिए आदेश से यह अपरिहार्य आंदोलन रिवर्स प्रक्रियाओं को असंभव बनाता है, जैसे कि माँ गाय द्वारा अवशोषित एक भी निषेचित अंडे और पोषक अणुओं का निर्माण, निस्संदेह, चबाने वाली घास की तुलना में एक बहुत ही व्यवस्थित बछड़ा।

लेकिन फिर भी, ऐसा होता है, और इसका कारण यह है कि जीवित जीवों में एक चिप होती है, जो दोनों को ब्रह्माण्ड में प्रवेश करने की आकांक्षा का समर्थन करने के लिए, और खुद को और उनकी संतानों को बनाने की अनुमति देती है: वे एक प्रक्रिया में दो प्रतिक्रियाओं को मिलाएं, जिनमें से एक ऊर्जावान रूप से अनुकूल है, और दूसरा ऊर्जा-खपत है... दो प्रतिक्रियाओं के इस तरह के संयोजन से, यह सुनिश्चित करना संभव है कि पहली प्रतिक्रिया के दौरान जारी ऊर्जा दूसरे की ऊर्जा खपत को ओवरलैप करती है। एक हवाई जहाज के उदाहरण में, इसे अलग से लेना ऊर्जा-गहन है, और बच्चे के चयापचय द्वारा नष्ट होने वाले गोखरू के रूप में ऊर्जा के तीसरे पक्ष के स्रोत के बिना, हवाई जहाज हमेशा के लिए खड़ा होगा।

यह एक स्लेज पर ढलान पर सवारी करने जैसा है: पहला, एक व्यक्ति, भोजन को अवशोषित करते समय, अपने शरीर में अणुओं और परमाणुओं में उच्च क्रम वाले चिकन को विभाजित करने के ऊर्जावान अनुकूल प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप प्राप्त ऊर्जा को संग्रहीत करता है। और फिर वह इस ऊर्जा को खर्च करता है, पहाड़ को स्लेज खींचता है। पैर से स्लेड को ऊपर की ओर ले जाना ऊर्जावान रूप से लाभहीन है, इसलिए, वे कभी भी अनायास वहाँ रोल नहीं करेंगे, इसके लिए किसी प्रकार की बाहरी ऊर्जा की आवश्यकता होती है। और अगर चिकन खाने से प्राप्त ऊर्जा उदय को दूर करने के लिए पर्याप्त नहीं है, तो "पहाड़ की चोटी से स्लेजिंग" की प्रक्रिया नहीं होगी।

यह ऊर्जा-खपत प्रतिक्रियाएं है ( ऊर्जा की खपत प्रतिक्रिया ) संयुग्म प्रतिक्रिया के दौरान जारी ऊर्जा को अवशोषित करके आदेश की मात्रा बढ़ाएं। और इन युग्मित प्रतिक्रियाओं में ऊर्जा की रिहाई और खपत के बीच संतुलन हमेशा सकारात्मक होना चाहिए, अर्थात, उनके संयोजन से अराजकता की मात्रा में वृद्धि होगी। वृद्धि का एक उदाहरण एन्ट्रापी (विकार) एन्ट्रापी [Ə Entr‘ pɪ]) ऊर्जा-आपूर्ति प्रतिक्रिया के दौरान गर्मी की रिहाई है ( ऊर्जा की आपूर्ति प्रतिक्रिया): अणुओं के आस-पास के पदार्थ के कण जो प्रतिक्रिया में प्रवेश कर गए हैं, प्रतिक्रियाशील लोगों से ऊर्जावान झटके प्राप्त करते हैं, तेजी से और अधिक अराजक, धकेलना शुरू करते हैं, बदले में, अन्य अणु और इस और पड़ोसी पदार्थों के परमाणु।

आइए भोजन से ऊर्जा प्राप्त करने के लिए वापस जाएं: बानोफी पाई का एक टुकड़ा पेट में चबाने वाले परिणामस्वरूप द्रव्यमान की तुलना में बहुत अधिक व्यवस्थित होता है। जो बदले में, उन लोगों की तुलना में बड़े, अधिक क्रम वाले अणुओं के होते हैं जिनमें आंतें इसे तोड़ देती हैं। और वे, बदले में, शरीर की कोशिकाओं तक पहुंच जाएंगे, जहां व्यक्तिगत परमाणु और यहां तक \u200b\u200bकि इलेक्ट्रॉनों को उनसे दूर कर दिया जाएगा ... और केक के एक टुकड़े में अराजकता में वृद्धि के प्रत्येक चरण में, ऊर्जा जारी की जाएगी, जो खुश खाने वाले के अंगों और अंगों द्वारा कब्जा कर ली जाती है, इसे इसमें संग्रहीत करते हैं। एटीपी (ऊर्जा-गहन) के रूप में, यह नए आवश्यक अणुओं (ऊर्जा-गहन) के निर्माण या शरीर को गर्म करने की अनुमति देता है (ऊर्जा-गहन भी)। नतीजतन, सिस्टम में "आदमी - बानोफ़ि पाई - यूनिवर्स" कम आदेश है (केक के विनाश के कारण और इसे संसाधित करने वाले जीवों द्वारा ऊष्मा ऊर्जा की रिहाई), लेकिन एक अलग मानव शरीर में खुशी का अधिक क्रम होता है (नए अणुओं के उद्भव के कारण, अंगों के कुछ हिस्सों और) पूरे सेलुलर अंगों)।

यदि हम एटीपी अणु पर लौटते हैं, तो इस थर्मोडायनामिक पीछे हटने के बाद, यह स्पष्ट हो जाता है कि ऊर्जा के अनुकूल प्रतिक्रियाओं से प्राप्त ऊर्जा को अपने घटक भागों (छोटे अणुओं) से बनाने के लिए खर्च करना आवश्यक है। इसे बनाने के तरीकों में से एक का विस्तार से वर्णन किया गया है, एक और (बहुत समान) का उपयोग क्लोरोप्लास्ट में किया जाता है, जहां सूर्य द्वारा उत्सर्जित फोटॉनों की ऊर्जा का उपयोग प्रोटॉन ढाल की ऊर्जा के बजाय किया जाता है।

प्रतिक्रियाओं के तीन समूहों को प्रतिष्ठित किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप एटीपी का उत्पादन होता है (दाईं ओर आरेख देखें):

• साइटोप्लाज्म में बड़े अणुओं में ग्लूकोज और फैटी एसिड के विभाजन से आपको पहले से ही एक निश्चित मात्रा में एटीपी (एक छोटी राशि, इस स्तर पर एक ग्लूकोज अणु के विभाजन के लिए केवल 2 प्राप्त एटीपी अणु) प्राप्त करने की अनुमति मिलती है। लेकिन इस चरण का मुख्य लक्ष्य अणुओं का निर्माण करना है जो माइटोकॉन्ड्रिया की श्वसन श्रृंखला में उपयोग किए जाते हैं।
• क्रेब्स चक्र में पिछले चरण में प्राप्त अणुओं के आगे दरार, जो माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स में होता है, केवल एक एटीपी अणु देता है, इसका मुख्य उद्देश्य पिछले पैराग्राफ के समान है।
• अंत में, पिछले चरणों में संचित अणुओं को एटीपी के उत्पादन के लिए माइटोकॉन्ड्रिया की श्वसन श्रृंखला में उपयोग किया जाता है, और यहां इसका बहुत कुछ जारी किया जाता है (नीचे इस पर अधिक)।

यदि हम ऊर्जा प्राप्त करने और खर्च करने के दृष्टिकोण से समान प्रतिक्रियाओं को देखते हुए, अधिक विस्तार से यह सब वर्णन करते हैं, तो हमें यह मिलता है:

0. खाद्य अणुओं को सेल के साइटोप्लाज्म में होने वाले प्राथमिक दरार में धीरे-धीरे (ऑक्सीकृत) जलाया जाता है, साथ ही रासायनिक प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला में "क्रेब्स चक्र" कहा जाता है जो माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स में पहले से ही होता है - बिजली की आपूर्ति प्रारंभिक चरण का हिस्सा।

अन्य के इन ऊर्जावान अनुकूल प्रतिक्रियाओं के साथ संयुग्मन के परिणामस्वरूप, नए अणु बनाने के पहले से ही ऊर्जावान प्रतिकूल प्रतिक्रियाएं, 2 एटीपी अणु और अन्य पदार्थों के कई अणु बनते हैं - ऊर्जा लेने वाली प्रारंभिक चरण का हिस्सा। ये संयोगवश निर्मित अणु उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों के वाहक हैं, जिनका उपयोग अगले चरण में माइटोकॉन्ड्रिया की श्वसन श्रृंखला में किया जाएगा।

1. माइटोकॉन्ड्रिया, बैक्टीरिया और कुछ आर्किया की झिल्लियों पर, पिछले चरण में प्राप्त किए गए अणुओं (लेकिन एटीपी से नहीं) से प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जावान उन्मूलन होता है। श्वसन श्रृंखला (बाईं ओर के आरेख में I, III और IV) के परिसरों के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के पारित होने को पीले घुमावदार तीरों द्वारा दिखाया गया है, प्रोटॉन के इन परिसरों (और इसलिए आंतरिक माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली के माध्यम से) को लाल तीरों द्वारा दिखाया गया है।

इलेक्ट्रॉनों को केवल एक शक्तिशाली ऑक्सीकरण एजेंट, ऑक्सीजन का उपयोग करके वाहक अणु से अलग नहीं किया जा सकता है, और जारी ऊर्जा का उपयोग क्यों नहीं किया जा सकता है? उन्हें एक परिसर से दूसरे में स्थानांतरित क्यों करें, क्योंकि अंत में वे एक ही ऑक्सीजन में आते हैं? यह पता चला है कि इलेक्ट्रॉन आपूर्ति में इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करने की क्षमता में अधिक अंतर है () कम करने) और इलेक्ट्रॉन एकत्रित करना ( आक्सीकारक) इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण प्रतिक्रिया में भाग लेने वाले अणुओं की, इस प्रतिक्रिया के दौरान अधिक ऊर्जा जारी होती है।

क्रेब्स चक्र में बने इलेक्ट्रॉनों और ऑक्सीजन के अणुओं-वाहक में इस क्षमता का अंतर ऐसा है कि इस मामले में जारी ऊर्जा कई एटीपी अणुओं के संश्लेषण के लिए पर्याप्त होगी। लेकिन सिस्टम की ऊर्जा में इतनी तेज गिरावट के कारण, यह प्रतिक्रिया लगभग विस्फोटक शक्ति के साथ आगे बढ़ेगी, और लगभग सभी ऊर्जा गैर-फंसे हुए गर्मी के रूप में जारी की जाएगी, अर्थात वास्तव में, यह खो जाएगी।

जीवित कोशिकाएं इस प्रतिक्रिया को कई छोटे चरणों में विभाजित करती हैं, पहले इलेक्ट्रॉन अणुओं को कमजोर रूप से आकर्षित करने वाले वाहक अणुओं को श्वसन श्रृंखला में पहले जटिल को आकर्षित करती हैं, जिससे यह थोड़ा मजबूत होता है। ubiquinone(या कोएंजाइम Q-10), जिसका कार्य इलेक्ट्रॉनों को अगले तक खींचना है, यहां तक \u200b\u200bकि श्वसन परिसर को थोड़ा अधिक आकर्षित करना, जो इस असफल विस्फोट से ऊर्जा का अपना हिस्सा प्राप्त करता है, यह झिल्ली के माध्यम से पंप प्रोटॉन को जाने देता है .. और इसी तरह जब तक कि इलेक्ट्रॉन अंततः ऑक्सीजन के साथ मिलते हैं, इसके प्रति आकर्षित होकर, प्रोटॉन के एक जोड़े को पकड़कर, पानी का अणु नहीं बनता। छोटे चरणों में एक शक्तिशाली प्रतिक्रिया का यह विभाजन उपयोगी कार्य करने की दिशा में उपयोगी ऊर्जा के लगभग आधे हिस्से की अनुमति देता है: इस मामले में, बनाना प्रोटॉन विद्युत रासायनिक ढाल, जो दूसरे पैराग्राफ में चर्चा की जाएगी।

वास्तव में कैसे संचरित इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा झिल्ली के माध्यम से प्रोटॉन पंप करने की संयुग्मित ऊर्जा-खपत प्रतिक्रिया में मदद करती है, यह अभी स्पष्ट किया जाना है। सबसे अधिक संभावना है, एक विद्युत आवेशित कण (इलेक्ट्रॉन) की उपस्थिति झिल्ली में एम्बेडेड प्रोटीन में उस स्थान के विन्यास को प्रभावित करती है जहां यह स्थित है: ताकि यह परिवर्तन प्रोटॉन को प्रोटीन में खींच लिया जाए और झिल्ली में प्रोटीन चैनल के माध्यम से इसके आंदोलन को उत्तेजित करता है। यह महत्वपूर्ण है कि वास्तव में वाहक अणु से उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों के विभाजन के परिणामस्वरूप प्राप्त ऊर्जा और उन्हें ऑक्सीजन में अंतिम हस्तांतरण प्रोटॉन ढाल के रूप में संग्रहीत किया जाता है।

2. झिल्ली के बाहरी तरफ बिंदु 1 से घटनाओं के परिणामस्वरूप जमा हुए प्रोटॉन की ऊर्जा और आंतरिक पक्ष को प्राप्त करने का प्रयास दो यूनिडायरेक्शनल बलों के होते हैं:

• बिजली (प्रोटॉन का धनात्मक आवेश झिल्ली के दूसरी तरफ ऋणात्मक आवेशों के संचय के स्थान की ओर जाता है) और
• रासायनिक (जैसा कि किसी भी अन्य पदार्थों के मामले में, प्रोटॉन अंतरिक्ष में समान रूप से बिखेरने की कोशिश करते हैं, अपनी उच्च सांद्रता वाले स्थानों से उन स्थानों तक फैलते हैं जहां वे कम होते हैं)

आंतरिक झिल्ली के नकारात्मक रूप से आवेशित पक्ष के प्रोटॉन का विद्युत आकर्षण प्रोटॉन की एकाग्रता में अंतर के कारण कम सांद्रता के स्थान पर जाने की उनकी प्रवृत्ति की तुलना में बहुत अधिक शक्तिशाली बल है (यह ऊपर दिए गए आरेख में तीरों की चौड़ाई से संकेत मिलता है)। इन आकर्षित करने वाली ताकतों की संयुक्त ऊर्जा इतनी महान है कि यह झिल्ली में प्रोटॉन के आंदोलन के लिए पर्याप्त है, और साथ-साथ ऊर्जा-खपत प्रतिक्रिया को खिलाने के लिए: एडीपी और फॉस्फेट से एटीपी का निर्माण।

आइए अधिक विस्तार से विचार करें कि इसके लिए ऊर्जा की आवश्यकता क्यों है, और एटीपी अणु के दो भागों के बीच वास्तव में प्रोटॉन की आकांक्षा की ऊर्जा रासायनिक बंधन में कैसे परिवर्तित होती है।

एडीपी अणु (दाईं ओर आरेख में) एक और फॉस्फेट समूह का अधिग्रहण नहीं करना चाहता है: जिस ऑक्सीजन परमाणु को यह समूह संलग्न कर सकता है, उसे फॉस्फेट के रूप में नकारात्मक रूप से चार्ज किया जाता है, जिसका अर्थ है कि वे पारस्परिक रूप से निरस्त हैं। और सामान्य तौर पर, एडीपी प्रतिक्रियाओं में प्रवेश करने वाला नहीं है, यह रासायनिक रूप से निष्क्रिय है। फॉस्फेट, बदले में, फॉस्फोरस परमाणु के साथ अपने स्वयं के ऑक्सीजन परमाणु जुड़ा हुआ है, जो एटीपी अणु बनाते समय फॉस्फेट और एडीपी के बीच कनेक्शन की साइट बन सकता है, ताकि यह पहल भी न दिखा सके।

इसलिए, इन अणुओं को एक एंजाइम द्वारा बाध्य किया जाना चाहिए, सामने आया ताकि उनके और "अतिरिक्त" परमाणुओं के बीच के बंधन कमजोर हो जाएं और टूट जाएं, और फिर इन अणुओं के दो रासायनिक रूप से सक्रिय छोर, जिन पर परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों की कमी और अधिकता का अनुभव हो रहा है, उन्हें एक दूसरे के पास लाया जाता है।

फॉस्फोरस (पी +) और ऑक्सीजन (ओ -) आयनों को आपसी पहुंच के क्षेत्र में पकड़ा जाता है, इस तथ्य के कारण एक मजबूत सहसंयोजक बंधन से बंधे होते हैं कि वे संयुक्त रूप से एक इलेक्ट्रॉन पर कब्जा करते हैं, जो मूल रूप से ऑक्सीजन से संबंधित थे। यह अणु-प्रसंस्करण एंजाइम है एटीपी सिंथेज़, और यह अपने विन्यास और एडीपी और फॉस्फेट की पारस्परिक व्यवस्था दोनों को बदलने के लिए ऊर्जा प्राप्त करता है और इसके माध्यम से गुजरने वाले प्रोटॉन से। प्रोटॉन के लिए यह ऊर्जावान रूप से लाभप्रद है कि झिल्ली के विपरीत आवेशित पक्ष को प्राप्त करने के लिए, जहां, इसके अलावा, उनमें से कुछ हैं, और एकमात्र तरीका एक एंजाइम के माध्यम से है, जिसका "रोटर" प्रोटॉन रास्ते में घूमता है।

सही पर आरेख में एटीपी सिंथेज़ की संरचना को दिखाया गया है। प्रोटॉन के पारित होने के कारण घूर्णन करने वाला इसका तत्व बैंगनी रंग में हाइलाइट किया गया है, और नीचे दी गई तस्वीर इसके रोटेशन और एटीपी अणुओं के निर्माण का एक चित्र दिखाती है। एंजाइम लगभग आणविक मोटर की तरह काम करता है, परिवर्तित करता है विद्युतप्रोटॉन की ऊर्जा वर्तमान में यांत्रिक ऊर्जा एक दूसरे के खिलाफ प्रोटीन के दो सेटों का घर्षण: "मशरूम कैप" के स्थिर प्रोटीन के खिलाफ घूर्णन "पैर" रगड़ता है, जबकि "टोपी" के सबयूनिट अपना आकार बदलते हैं। यह यांत्रिक विकृति में बदल जाता है रासायनिक बंधन ऊर्जा एटीपी के संश्लेषण में, जब एडीपी और फॉस्फेट के अणुओं को संसाधित किया जाता है और उनके बीच एक सहसंयोजक बंधन के गठन के लिए आवश्यक तरीके से प्रकट किया जाता है।

प्रत्येक एटीपी सिंथेज़ प्रति सेकंड 100 एटीपी अणुओं को संश्लेषित करने में सक्षम है, और प्रत्येक संश्लेषित एटीपी अणु के लिए लगभग तीन प्रोटॉन को सिंथेटेस से गुजरना होगा। कोशिकाओं में संश्लेषित अधिकांश एटीपी इस तरह से बनता है, और केवल एक छोटा सा हिस्सा माइटोकॉन्ड्रिया के बाहर खाद्य अणुओं के प्राथमिक प्रसंस्करण का परिणाम है।

किसी भी समय, एक ठेठ जीवित कोशिका में लगभग एक अरब एटीपी अणु होते हैं। कई कोशिकाओं में, इस सभी एटीपी को प्रतिस्थापित किया जाता है (यानी इस्तेमाल किया जाता है और फिर से बनाया जाता है) हर 1-2 मिनट में। आराम का औसत व्यक्ति प्रत्येक 24 घंटे में एटीपी के द्रव्यमान का उपयोग करता है, जो लगभग अपने ही द्रव्यमान के बराबर होता है।

सामान्य तौर पर, ग्लूकोज या फैटी एसिड के ऑक्सीकरण के दौरान कार्बन डाइऑक्साइड और पानी के दौरान जारी ऊर्जा का लगभग आधा हिस्सा एडीपी और फॉस्फेट से एटीपी गठन की ऊर्जावान प्रतिकूल प्रतिक्रिया के लिए उपयोग किया जाता है। 50% की दक्षता बहुत अच्छी है, उदाहरण के लिए, एक कार इंजन उपयोगी कार्य के लिए ईंधन में निहित ऊर्जा का केवल 20% ही शुरू करता है। इसी समय, दोनों मामलों में बाकी ऊर्जा गर्मी के रूप में छितरी हुई है, और कुछ कारों की तरह, शरीर को गर्म करने पर जानवर लगातार इस अतिरिक्त (हालांकि पूरी तरह से नहीं, निश्चित रूप से) खर्च करते हैं। यहां उल्लिखित प्रतिक्रियाओं के दौरान, एक ग्लूकोज अणु, धीरे-धीरे कार्बन डाइऑक्साइड और पानी से टूट गया, 30 एटीपी अणुओं के साथ सेल की आपूर्ति करता है।

तो, ऊर्जा कहां से आती है और एटीपी में कैसे संग्रहीत होती है, सब कुछ कमोबेश स्पष्ट है। यह समझना बाकी है कैसे संग्रहीत ऊर्जा जारी की जाती है और इस दौरान क्या होता है आणविक-परमाणु स्तर पर।

ADP और फॉस्फेट के बीच बने सहसंयोजक बंधन को कहा जाता है उच्च ऊर्जा दो कारणों से:

• जब यह नष्ट हो जाता है, तो बहुत सारी ऊर्जा निकल जाती है
• इस बंधन के निर्माण में भाग लेने वाले इलेक्ट्रॉन (जो ऑक्सीजन और फास्फोरस परमाणुओं के चारों ओर घूमते हैं, जिनके बीच यह बंधन बनता है) उच्च ऊर्जा वाले होते हैं, अर्थात वे परमाणुओं के नाभिक के चारों ओर "उच्च" कक्षाओं में होते हैं। और यह उनके लिए निम्न स्तर पर कूदने के लिए ऊर्जावान रूप से फायदेमंद होगा, अतिरिक्त ऊर्जा जारी करना, लेकिन जब तक वे इस स्थान पर हैं, ऑक्सीजन और फास्फोरस परमाणुओं को एक साथ पकड़े हुए, वे "कूद" करने में सक्षम नहीं होंगे।

अधिक सुविधाजनक निम्न-ऊर्जा कक्षा में इलेक्ट्रॉनों की यह प्रवृत्ति उच्च-ऊर्जा बंधन और फोटॉन के रूप में जारी ऊर्जा (जो विद्युत चुम्बकीय संपर्क का वाहक है) को तोड़ने की आसानी दोनों को सुनिश्चित करती है। जिसके आधार पर अणुओं को एंजाइमों द्वारा विघटित एटीपी अणु में प्रतिस्थापित किया जाएगा, जो विशेष अणु इलेक्ट्रॉन द्वारा उत्सर्जित फोटॉन को अवशोषित करेगा, विभिन्न प्रकार की घटनाएँ हो सकती हैं। लेकिन हर बार उच्च-ऊर्जा कनेक्शन के रूप में संग्रहीत ऊर्जा का उपयोग सेल की कुछ जरूरतों के लिए किया जाएगा:

दृष्टांत 1: फॉस्फेट को किसी अन्य पदार्थ के अणु में स्थानांतरित किया जा सकता है। इस मामले में, उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन एक नया बंधन बनाते हैं, जो पहले से ही फॉस्फेट और इस प्राप्तकर्ता अणु के चरम परमाणु के बीच है। इस तरह की प्रतिक्रिया के लिए स्थिति इसका ऊर्जा लाभ है: इस नए बंधन में, इलेक्ट्रॉन को एटीपी अणु का हिस्सा होने की तुलना में थोड़ा कम ऊर्जा होनी चाहिए, ऊर्जा का एक हिस्सा बाहर फोटॉन के रूप में उत्सर्जित करता है।

इस तरह की प्रतिक्रिया का उद्देश्य रिसेप्टर अणु को सक्रिय करना है (बाईं ओर आरेख में, यह संकेत दिया गया है में-OH): फॉस्फेट को जोड़ने से पहले, यह निष्क्रिय था और किसी अन्य निष्क्रिय अणु के साथ प्रतिक्रिया नहीं कर सकता था तथा, लेकिन अब वह उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन के रूप में ऊर्जा के भंडार का मालिक है, जिसका अर्थ है कि वह इसे कहीं खर्च कर सकता है। उदाहरण के लिए, खुद को एक अणु संलग्न करना तथा, जो कानों के साथ इस तरह के एक चाल के बिना (जो बंधन इलेक्ट्रॉन की उच्च ऊर्जा) संलग्न नहीं किया जा सकता है। इस मामले में, फॉस्फेट को अलग कर दिया जाता है, अपना काम कर रहा है।

यह प्रतिक्रियाओं की निम्नलिखित श्रृंखला को दर्शाता है:

1. एटीएफ + निष्क्रिय अणु में ➡️ ADP संलग्न फॉस्फेट के कारण + अणु सक्रिय बी पी

2. सक्रिय अणु बी पी + निष्क्रिय अणु तथा ➡️ जुड़े हुए अणु A-B + फॉस्फेट को विभाजित करें ( आर)

ये दोनों प्रतिक्रियाएं ऊर्जावान रूप से अनुकूल हैं: उनमें से प्रत्येक में एक उच्च-ऊर्जा बंधन इलेक्ट्रॉन शामिल है, जो, जब एक बंधन नष्ट हो जाता है और दूसरा बनाया जाता है, तो फोटॉन उत्सर्जन के रूप में अपनी ऊर्जा का हिस्सा खो देता है। इन प्रतिक्रियाओं के परिणामस्वरूप, दो निष्क्रिय अणु एक साथ जुड़ गए। यदि हम इन अणुओं के संयोजन की प्रतिक्रिया को सीधे मानते हैं (निष्क्रिय अणु में+ निष्क्रिय अणु तथा ➡️ जुड़े हुए अणु A-B), तो यह ऊर्जावान रूप से महंगा हो जाता है और ऐसा नहीं हो सकता। इस प्रतिक्रिया को उपरोक्त वर्णित दो प्रतिक्रियाओं के दौरान ADP और फॉस्फेट में विभाजित करने की ऊर्जावान रूप से अनुकूल प्रतिक्रिया के साथ जोड़कर कोशिकाएं "असंभव" करती हैं। दरार दो चरणों में होती है, जिसके प्रत्येक भाग में बंध इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा उपयोगी कार्यों को करने में खर्च की जाती है, अर्थात्, दो अणुओं के बीच आवश्यक बंधन बनाने पर, जिसमें से तीसरा ( A-B), सेल के कामकाज के लिए आवश्यक है।

परिदृश्य 2: फॉस्फेट को एटीपी अणु से एक बार में विभाजित किया जा सकता है, और जारी ऊर्जा को एंजाइम या कार्यशील प्रोटीन द्वारा कब्जा कर लिया जाता है और उपयोगी कार्य करने पर खर्च किया जाता है।

जिस समय इलेक्ट्रान एक कम कक्षा में गिरता है, उस समय आप विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की एक बहुत बड़ी गड़बड़ी के रूप में कुछ ग्रहण कर सकते हैं। बहुत सरल: अन्य इलेक्ट्रॉनों की मदद से और इलेक्ट्रॉनों द्वारा जारी फोटॉन को अवशोषित करने में सक्षम परमाणुओं की मदद से।

अणु बनाने वाले परमाणुओं को एक साथ मजबूत जंजीरों और अंगूठियों में रखा जाता है (इस तरह की श्रृंखला दाईं ओर की तस्वीर में सामने आया प्रोटीन है)। और इन अणुओं के अलग-अलग हिस्सों को कमजोर विद्युत चुम्बकीय बातचीत (उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन बांड या वैन डेर वाल्स बलों) द्वारा एक-दूसरे के लिए आकर्षित किया जाता है, जो उन्हें जटिल संरचनाओं में घूमने की अनुमति देता है। परमाणुओं के इन विन्यासों में से कुछ बहुत स्थिर हैं, और विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की कोई भी गड़बड़ी उन्हें हिलाएगी नहीं .. उन्हें हिलाएगी नहीं .. सामान्य तौर पर, वे स्थिर हैं। और कुछ काफी मोबाइल हैं, और उनके विन्यास को बदलने के लिए एक प्रकाश विद्युत चुम्बकीय किक पर्याप्त है (आमतौर पर ये सहसंयोजक बंधन नहीं हैं)। और इस तरह के एक किक को इलेक्ट्रोमैग्नेटिक क्षेत्र के एक ही पहुंचने वाले फोटोन-वाहक द्वारा उन्हें दिया जाता है, जो कि इलेक्ट्रॉन द्वारा उत्सर्जित होता है जो फॉस्फेट के अलग होने पर एक निचली कक्षा में पहुंच जाता है।

एटीपी अणुओं के टूटने के परिणामस्वरूप प्रोटीन विन्यास परिवर्तन सेल में सबसे आश्चर्यजनक घटनाओं में से कुछ के लिए जिम्मेदार हैं। निश्चित रूप से जो लोग सेलुलर प्रक्रियाओं में रुचि रखते हैं, कम से कम "यूट्यूब पर उनके एनीमेशन देखें" एक प्रोटीन अणु दिखाने वाले वीडियो पर ठोकर खाई kinesin, शब्द के शाब्दिक अर्थ में, चलना, पैरों को फिर से जोड़ना, कोशिका कंकाल के धागे के साथ, इसके साथ जुड़े वजन को खींचना।

यह एटीपी से फॉस्फेट की दरार है जो यह कदम प्रदान करता है, और यहां बताया गया है:

किन्सिन ( kinesin ) एक विशेष प्रकार के प्रोटीन को संदर्भित करता है, जो अनायास अपने को बदल देता है रचना(अणु में परमाणुओं की सापेक्ष स्थिति)। अकेले छोड़ दिया, यह यादृच्छिक रूप से विरूपण 1 से संक्रमण करता है, जिसमें यह एक्टिन फिलामेंट के लिए एक "पैर" के साथ जुड़ा हुआ है ( एक्टिन फिलामेंट) - सबसे पतला धागा बनाने cytoskeleton कोशिकाएँ ( cytoskeleton ), 2 रचना में, इस प्रकार एक कदम आगे और दो "पैर" पर खड़ा है। यह सम्\u200dमोचन 2 से सम्\u200dभवतया सम्\u200dमिलन के साथ पास हो जाएगा।

लेकिन सब कुछ बदल जाता है, जैसे ही यह एटीपी अणु के साथ जुड़ता है। जैसा कि बाईं ओर आरेख में दिखाया गया है, एटीपी से लेकर किनेसिन तक, जो कि 1 में है, इसकी स्थानिक स्थिति में परिवर्तन होता है और यह विरूपण 2 में चला जाता है। इसका कारण एटीपी का परस्पर विद्युत चुम्बकीय प्रभाव और एक दूसरे पर काइन्सिन अणु हैं। यह प्रतिक्रिया प्रतिवर्ती है, क्योंकि किसी भी ऊर्जा का विस्तार नहीं किया गया है, और अगर एटीपी किन्सिन से अलग हो जाता है, तो यह बस अपने "पैर" को बढ़ाएगा, शेष जगह पर, और अगले एटीपी अणु की प्रतीक्षा करेगा।

लेकिन अगर यह सुस्त हो जाता है, तो इन अणुओं के आपसी आकर्षण के कारण, एटीपी के भीतर फॉस्फेट रखने वाला बंधन नष्ट हो जाता है। एक ही समय में जारी ऊर्जा, साथ ही एटीपी के दो अणुओं में टूटने (जो कि विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों के साथ किनसिन परमाणुओं पर एक अलग प्रभाव डालते हैं) इस तथ्य को जन्म देते हैं कि काइन्सिन विरूपण में परिवर्तन होता है: यह "हिंद पैर को घसीटता है"। यह एक कदम आगे ले जाने के लिए बना हुआ है, जो कि एडीपी और फॉस्फेट की टुकड़ी के दौरान होता है, जो किनेसिन को उसके मूल विरूपण 1 पर लौटाता है।

एटीपी हाइड्रोलिसिस के परिणामस्वरूप, कीन्सिन दाईं ओर शिफ्ट हो गया, और जैसे ही अगला अणु इसमें शामिल होता है, इसमें संग्रहीत ऊर्जा का उपयोग करते हुए, यह एक और जोड़ी कदम उठाएगा।

यह महत्वपूर्ण है कि किनेसिन, जो संलग्न ADP और फॉस्फेट के साथ 3 में है, "चरण वापस" लेने से विरूपण 2 में वापस नहीं आ सकता है। इसे थर्मोरेग्यूलेशन के दूसरे नियम के अनुपालन के एक ही सिद्धांत द्वारा समझाया गया है: "किनेसिन + एटीपी" प्रणाली का संक्रमण 2 से रचना 3 तक संक्रमण ऊर्जा की रिहाई के साथ है, जिसका अर्थ है कि रिवर्स संक्रमण ऊर्जा-खपत होगा। ऐसा होने के लिए, आपको फॉस्फेट के साथ एडीपी को संयोजित करने के लिए कहीं से ऊर्जा लेने की आवश्यकता है, और इस स्थिति में इसे लेने के लिए कहीं नहीं है। इसलिए, एटीपी से जुड़ा किंसिन केवल एक दिशा में खुला है, जो हमें सेल के एक छोर से दूसरे तक कुछ खींचने के उपयोगी कार्य करने की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, किंसिन एक विभाजन कोशिका के गुणसूत्रों को अलग करने के दौरान शामिल होता है पिंजरे का बँटवारा (यूकेरियोटिक कोशिकाओं के विभाजन की प्रक्रिया)। एक मांसपेशी प्रोटीन मायोसिन एक्टिन फिलामेंट्स के साथ चलता है, जिससे मांसपेशियों में संकुचन होता है।

यह आंदोलन बहुत तेज है: कुछ मोटर (कोशिका गतिशीलता के विभिन्न रूपों के लिए जिम्मेदार) जीन प्रतिकृति में शामिल प्रोटीन प्रति सेकंड हजारों न्यूक्लियोटाइड की गति से डीएनए श्रृंखला के साथ भागते हैं।

वे सभी की कीमत पर चलते हैं हाइड्रोलिसिस एटीपी (पानी के अणु से लिए गए परमाणुओं के छोटे अणुओं के परिणामस्वरूप अपघटन के साथ एक अणु का विनाश। हाइड्रोलिसिस को एटीपी और एडीपी के आरेख के आरेख के दाईं ओर दिखाया गया है)। या हाइड्रोलिसिस द्वारा GTF, जो केवल एटीपी से भिन्न होता है, इसमें एक और न्यूक्लियोटाइड (ग्वानिन) होता है।

परिदृश्य 3एटीपी या इसी तरह के एक न्यूक्लियोटाइड युक्त अन्य फॉस्फेट समूहों के क्लीवेज को एक बार में ऊर्जा की अधिक से अधिक रिलीज की ओर ले जाता है, जब केवल एक फॉस्फेट को क्लीव किया जाता है। इस तरह के एक शक्तिशाली रिलीज से आपको डीएनए और आरएनए अणुओं की एक मजबूत चीनी-फॉस्फेट रीढ़ बनाने की अनुमति मिलती है:

1. न्यूक्लियोटाइड के निर्माण में डीएनए या आरएनए श्रृंखला को संलग्न करने में सक्षम होने के लिए, उन्हें दो फॉस्फेट अणुओं को संलग्न करके सक्रिय किया जाना चाहिए। यह कोशिकीय एंजाइमों द्वारा की जाने वाली एक ऊर्जा-गहन प्रतिक्रिया है।

2. एंजाइम डीएनए या आरएनए पोलीमरेज़ (नीचे आरेख में नहीं दिखाया गया है) एक सक्रिय न्यूक्लियोटाइड संलग्न करता है (जीटीपी आरेख में दिखाया गया है) निर्माण के तहत पोलिन्यूक्लियोटाइड के लिए होता है और दो फ़ेग्म समूहों के दरार को उत्प्रेरित करता है। जारी ऊर्जा का उपयोग एक न्यूक्लियोटाइड के फॉस्फेट समूह और दूसरे के राइबोस के बीच एक बंधन बनाने के लिए किया जाता है। परिणामस्वरूप उत्पन्न बॉन्ड उच्च-ऊर्जा नहीं हैं, जिसका अर्थ है कि उन्हें नष्ट करना आसान नहीं है, जो सेल के वंशानुगत जानकारी वाले एक अणु के निर्माण या इसे प्रसारित करने के लिए एक फायदा है।

प्रकृति में, केवल ऊर्जावान रूप से अनुकूल प्रतिक्रियाएं अनायास हो सकती हैं, जो कि थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम के कारण है

फिर भी, जीवित कोशिकाएं दो प्रतिक्रियाओं को मिला सकती हैं, जिनमें से एक अन्य अवशोषित की तुलना में थोड़ी अधिक ऊर्जा देती है, और इस तरह ऊर्जा-खपत प्रतिक्रियाओं को बाहर ले जाती है। ऊर्जा-खपत प्रतिक्रियाएं व्यक्तिगत अणुओं और परमाणुओं, सेलुलर ऑर्गेनेल और पूरे कोशिकाओं, ऊतकों, अंगों और बहुकोशिकीय जीवित प्राणियों से बड़े अणुओं को बनाने के उद्देश्य से होती हैं, साथ ही उनके चयापचय के लिए ऊर्जा का भंडारण भी करती हैं।

ऊर्जा-वाहक अणुओं (ऊर्जा-खपत प्रक्रिया) के निर्माण के साथ मिलकर कार्बनिक अणुओं (ऊर्जा-आपूर्ति प्रक्रिया) के नियंत्रित और क्रमिक विनाश के कारण ऊर्जा भंडारण किया जाता है। इस प्रकार प्रकाश संश्लेषक जीव क्लोरोफिल द्वारा कब्जा किए गए सौर फोटॉनों की ऊर्जा को संग्रहीत करते हैं।

ऊर्जा वाहक अणुओं को दो समूहों में विभाजित किया जाता है: ऊर्जा को एक उच्च-ऊर्जा बंधन के रूप में या एक संलग्न उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन के रूप में संग्रहीत करना। हालांकि, पहले समूह में, उच्च ऊर्जा एक ही उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन द्वारा प्रदान की जाती है, इसलिए हम कह सकते हैं कि ऊर्जा उच्च स्तर तक संचालित इलेक्ट्रॉनों में संग्रहीत होती है, जो विभिन्न अणुओं का हिस्सा होती हैं

इस तरह से संग्रहित ऊर्जा को भी दो तरह से बंद किया जाता है: उच्च-ऊर्जा बंधन को तोड़कर या उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करके धीरे-धीरे उनकी ऊर्जा को कम करने के लिए। दोनों ही मामलों में, विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र (फोटॉन) और गर्मी के कण-वाहक के निचले ऊर्जा स्तर तक इलेक्ट्रॉन को स्थानांतरित करके ऊर्जा उत्सर्जन के रूप में जारी की जाती है। इस फोटॉन को इस तरह से कैप्चर किया जाता है कि उपयोगी कार्य किया जाता है (पहले मामले में चयापचय के लिए आवश्यक अणु का निर्माण और दूसरे में माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली के माध्यम से प्रोटॉन के पंपिंग)

प्रोटॉन ग्रेडिएंट में संग्रहीत ऊर्जा का उपयोग एटीपी के संश्लेषण के लिए किया जाता है, साथ ही साथ अन्य सेलुलर प्रक्रियाओं के लिए जो इस अध्याय के दायरे से परे हैं (मुझे लगता है कि किसी ने भी इसका आकार नहीं दिया है)। और संश्लेषित एटीपी का उपयोग पिछले पैराग्राफ में वर्णित के रूप में किया जाता है।