Содержание
-
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
ЛЕКЦИЯ
-
1. Превращение энергии в живых клетках; 2. Структура АТФ и её роль в энергетическом обмене;
-
1. Превращение энергии в живых клетках
Функционирование живых организмов основано на биохимических реакциях; Они протекают как в цитоплазме клеток, так и в межклеточных жидкостях; Эти реакции требуют обеспечения энергией; Первичный источник энергии на нашей планете – излучение Солнца; Все живые организмы в зависимости от формы извлечения, преобразовыванияи использования энергии окружающей среды делятся на 2 группы: - ФОТОТРОФЫ; - ХЕМОТРОФЫ.
-
Фототрофы – это растения и многоклеточные водоросли; Они преобразуют солнечный свет в реакциях фотосинтеза, используя углекислый газ и воду; Хемотрофы - запасают эту энергию в форме химической энергии в химических связях различных веществ;
-
-
ФОТОСИНТЕЗ
Суммарное уравнение фотосинтеза: 6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2 Затем образовавшаяся глюкоза превращается в крахмал и целлюлозу. Зеленые растения и водоросли (мирового океана) ежегодно поглощают из атмосферы около 200 млрд тонн СО2. При этом освобождается в атмосферу около 130 млрд тонн О2 И синтезируется 50 млрд тонн органических соединений углерода, в основном – углеводов.
-
1. Превращение энергии в живых клетках
Поскольку на Земле преобладают аэробные условия, то большую часть энергии живые организмы получают за счет окислительно-восстановительных процессов – за счет окисления органических веществ атмосферным кислородом (хемотрофы);
-
Совокупность ферментативных химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами и энергией, необходимыми для жизнедеятельности называется МЕТАБОЛИЗМОМили обменом веществ; Способность к обмену веществ – главное отличие живых организмов от неживых тел; С прекращением обмена веществ – прекращается и жизнь;
-
В Метаболизме принято выделять два противоположных процесса: катаболизм и анаболизм. Катаболизм – это процесс распада веществ с выделением энергии;
-
КАТАБОЛИЗМ
Катаболизм включает 3 основных этапа: На 1 этапе крупные пищевые молекулы расщепляются на составляющие их строительные блоки: аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты и др.; На 2 этапе продукты, образовавшиеся на 1 стадии, превращаются в более простые молекулы, число которых невелико - ацетил-КоАи др.; На 3 этапе эти продукты окисляются до СО2 и воды.
-
1. Превращение энергии в живых клетках
АНАБОЛИЗМ – процесс синтеза сложных молекул из более простых, сопровождающийся потреблением энергии; Так, из образовавшихся в результате расщепления биополимеров аминокислот, жирных кислот и моносахаридов в клетках синтезируются новые клеточные белки, фосфолипиды мембран и полисахариды.
-
Выделяющаяся в результате катаболизма (окисления углеводородов и жирных кислот) свободная энергия должна каким-либо образом улавливаться и сохраняться, иначе она перейдет в тепло и будет потеряна. Единственным способом сохранения свободной энергии является превращение ее в химическую энергию - энергию химических связей.
-
Энергия в клетках аккумулир-сяв виде АТФ; Энергия нужна для обеспечения: - процесса биосинтеза самих клеток и клеточных компонентов; - транспорта веществ в клетку; - механической работы: - по сокращению; - по передвижению в пространстве и др.; Молекула АТФ (аденозинтрифосфата) – главный переносчик энергии в организме человека;
-
2.Структура АТФ и ее роль в энергетическом обмене
Почему именно молекула АТФ является основным поставщиком химической энергии для биохимических процессов? Молекула АТФ построена из: - азотистого основания – аденина; - моносахарида – рибозы; - трех остатков фосфорной кислоты. Азо́тистыеоснова́ния — гетероциклические органические соединения, входящие в состав нуклеиновых кислот. АТФ представляет собой формулу: Аденин – рибоза – фосфат ~ фосфат ~ фосфат.
-
-
Энергия в молекуле АТФ содержится в двух макроэргических связях между остатками фосфорной кислоты. ГИДРОЛИЗ (от греч. hydor-вода и lysis - разложение, распад), обменная р-ция между в-вом и водой
-
2.Структура АТФ и ее роль в энергетическом обмене
Макроэргические - это связи, при гидролизе которых изменения энергии составляют более30 кДж/моль; Их обозначают знаком ~ (тильда); Соединения, обладающие такими связями, называют макроэргами. К макроэргичискимсоединениям(кроме АТФ) относятся также УТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ; креатинфосфат, нужный для энергообеспечения мышечной работы; некоторые тиоэфиры (ацил-КоА) и некоторые другие соедирнения.
-
При гидролизе этих макроэргических связей молекулы АТФ и высвобождается значительное количество свободной энергии. Гидролиз – обменная реакция между веществом и водой, когда исходное вещество разлагается с образованием новых соединений. Гидролиз АТФ – химическая реакция распада АТФ при взаимодействии с водой под влиянием фермента АТФазы. АТФ + H2O →АДФ + H3PO4 ∆G0' = –31,8 кДж/моль; АДФ + H2O →АМФ + H3PO4 ∆G0' = –31,8 кДж/моль
-
Чтобы расходовать энергию ее нужно создавать и запасать. Поэтому биосинтез АТФ - основная задача живых организмов; В живой природе он происходит путём фосфорилированияАДФ и называется ресинтезом; РЕСИНТЕЗ АТФ – химическая реакция образования АТФ из АДФ путем фосфорилирования (присоединения остатка фосфорной кислоты): АДФ + Pi = АТФ
-
Способы синтеза АТФ в живой природе
1)Фотосинтетическое фосфорилирование- в зелёных растениях (используется солнечная энергия); Энергия запасается и в этом случае в макроэргических связях АТФ.
-
-
2)Окислительное фосфорилирование– происходит в живых организмах и организме человека в аэробных условиях. 3)Субстратное фосфорилирование - протекает в анаэробных условиях, т.е. без участия кислорода Донором фосфатной группы (~PO3H2) для синтеза АТФ являются промежуточные продукты процессов гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.
-
Основной источник энергии в клетке - окислительное фосфорилирование - или биологическое окисление, т.е. окислениесубстратов кислородомвоздуха. Суть этого процесса заключается в переносе электронов и протонов с окисляемого субстрата с помощью системы окислительно-восстановительных ферментов во внутренней мембране митохондрий к кислороду.
-
Биологическое окисление – многоступенчатый ферментативный процесс распада сложных органических веществ: углеводов, жиров и белков с постепенным высвобождением химической энергии; Этот процесс также называют тканевым дыханием. Около 40% энергии, выделяющейся при окислении, организм превращает в энергию макроэргических связей АТФ. Таким путем клетка превращает химическую энергию питательных веществ, поступивших извне, в утилизируемую метаболическую энергию;
-
Аэробное окисление
Выделяют 2 вида окисления: 1. Аэробное окисление – с обязательным участием кислорода. Протекает в митохондриях клеток; Его конечные продукты – углекислый газ и вода;
-
Анаэробное окисление
2. Анаэробное окисление – без участия кислорода; Протекает в цитоплазме клеток; Его конечные продукты – недоокисленные вещества: - при окислении углеводов – молочная кислота; - при окислении жиров и жирных кислот – кетоновые тела; - при окислении белков и аминокислот – окси; - кето; и органические кислоты.
-
Понятие о гликолизе
Гликолиз – совокупность ферментативных реакций окисления свободной глюкозы в клетках с образованием энергии в виде АТФ. Может протекать: в аэробных условиях (если доступен кислород) - аэробный гликолиз; в отсутствие кислорода - анаэробный гликолиз.
-
ГЛИКОЛИЗ
При аэробных условиях глюкоза полностью окисляется до СО2 и Н2О(в митохондриях); Если содержание кислорода недостаточно (в активно сокращающейся мышце) – тогда образуется молочная кислота. Но и в том, и в другом случае – это путь получения ЭНЕРГИИ!
-
гликолиз
В энергетическом плане аэробный гликолиз наиболее выгодный процесс: при окислении одной молекулы глюкозы синтезируется 38 молекул АТФ!!! Но в анаэробных условиях гликолиз – единственный процесс в организме, поставляющий энергию для обеспечения физиологических функций; Анаэробный гликолиз включает 12 последовательных химических реакций; Его катализируют одиннадцать ферментов! Энергетический эффект – 2 молекулы АТФ.
-
ГЛИКОГЕНОЛИЗ
Это процесс анаэробного окисления глюкозы, которая образуется при распаде гликогена (основной формы хранения глюкозы в организме); Конечный продукт окисления – также молочная кислота; Энергетический эффект – 3 молекулы АТФ.
-
-
КЕТОНОВЫЕ ТЕЛА
Кетоновые тела это: - ацетоуксуснаяк-та; - бета-оксимасляная к-та; - ацетон; Они являются недоокисленными продуктами распада жиров; Основное место образования - печень. Их усиленное образование в организме - КЕТОЗ. Накопление в крови – КЕТОНЕМИЯ; Выделение с мочой – КЕТОНУРИЯ.
-
Кетоновые тела
В крови здорового человека кетоновые тела содержатся в очень малом количестве: в сыворотке крови 0,03–0,2 ммоль/л; Улиц с сахарноым диабетом, при голодании концентрация кетоновых тел в крови увеличивается и может достигать 16–20 ммоль/л. Они - важный источник энергии в условиях недостатка глюкозы – поставщики «топлива» для мышц; Мышцы утилизируют их в цикле КРЕБСА.
-
ОКИСЛЕНИЕ ЛИПИДОВ
- как источник энергии на втором месте после окисления углеводов; - при окислении одной молекулы липидов образуется даже больше молекул АТФ, чем при окислении глюкозы: -энергетический эффект от окисления глицерина в аэробных условиях - 22 молекулы АТФ; от окисления 1 молекулы жирной кислоты – около 100 молекул АТФ !!
-
Почему тогда этот путь образования энергии не является главным?
1. Для окисления липидов требуется значительно больше кислорода, чем при окислении глюкозы (окисление одной молекулы ВЖК требует в 4 раза больше кислорода, чем окисление 1 молекулы углеводов); 2. Липиды включаются в энергообмен при нагрузках длительностью не менее получаса (т.е. только при развитии качества выносливости).
-
Биоэнергетика мышечной деятельности
Мышечная ткань составляет около 40% от веса тела человека. Биохимические процессы, протекающие в мышцах, оказывают большое влияние на весь организм. Важнейшей особенностью функционирования мышц является то, что в процессе мышечного сокращения происходит преобразование химической энергии АТФ непосредственно в механическую энергию сокращения и движения.
-
У животных и человека имеется два основных типа мышц: поперечно-полосатые и гладкие. Поперечно-полосатые мышцы прикрепляются к костям, т.е. к скелету, и поэтому ещё называются скелетными. Поперечно-полосатые мышечные волокна также составляют основу сердечной мышцы – миокарда. Гладкие мышцы образуют мускулатуру стенок кровеносных сосудов, кишечника, находятся в тканях внутренних органов и коже.
-
Каждая поперечно-полосатая мышца состоит из нескольких тысяч волокон, объединенных прослойками из соединительной ткани и такой же оболочкой – фасцией. Мышечные волокна(или мышечные клетки - миоциты) представляют собой сильно вытянутые многоядерные клетки: длина их достигает от 0,1 до 2-3 см, а в некоторых мышцах – более 10 см. Толщина мышечных клеток 0,1-0,2 мм; Мышечные волокна объединены в пучки.
-
-
Как и любая клетка, миоцит содержит обязательные органеллы:ядро; митохондрии; цитоплазматическую сеть (саркоплазматическая сеть); клеточную оболочкумышечной клетки – сарколемму.
-
Основной особенностью миоцитовявляется наличие сократительных элементов – миофибрилл; Миофибриллы занимают большую часть мышечных клеток, их диаметр около 1 мм. В саркоплазме миоцитов есть белок - миоглобин, который как и гемоглобин крови связывает кислород, создавая его запас; Основной углевод мышечной ткани – гликоген. Концентрация гликогена колеблется в приделах от 0,2 до 4%.
-
При изучении структуры миофибрилл с помощью электронного микроскопа было установлено, что миофибриллы являются сложными структурами, простроенными из большого числа мышечных нитей двух типов – толстых и тонких. Толстые нити имеют диаметр 15 нм, тонкие – 7 нм;
-
-
В середине пучка тонких нитей поперечно располагается тонкая пластинка из белка, которая фиксирует положение мышечных нитей в пространстве. Она называется Z-линией. Участок миофибриллы между соседними Z-линиями называется саркомером. Длинасаркомерадостигает 2-2,5 мкм. Каждая миофибрилла состоит из нескольких тысяч саркомеров. Саркомер - структурно-функциональная единица мышечной ткани; Толстыеи тонкиенити состоят только из белков: актина и миозина;
-
Мышечное сокращение является сложным процессом, в ходе которого происходит преобразование энергии химических связей АТФ в механическую работу, совершаемую мышцей. Источником энергии, необходимой для сокращения мышц, является АТФ. В этом процессе участвуют мышечные белки и ионы Ca2+ в саркоплазме миоцитов, концентрация которых повышается при прохождении нервного импульса – сигнала к сокращению; Во время мышечных сокращений происходит скольжение тонких нитей вдоль толстых, что приводит к укорочению миофибрилл и всего мышечного волокна.
-
Расслабление мышц тоже сопровождается затратой энергии. Где же ее взять? Универсальный источник - АТФ; Содержание АТФ в мышце относительно постоянно: около 0,25% массы мышцы. Запасов АТФ в мышце достаточно только на 3 - 4 одиночных сокращения. ПОЭТОМУ необходимо постоянное и интенсивное восполнение АТФ; Что и происходит в мышцах (очень быстрый ресинтезАТФ).
-
Механизмы энергообеспечения мышц
Специальные реакции субстратного фосфорилирования; Гликолиз, гликогенолиз; Окислительное фосфорилирование. Первые 2 пути – без кислорода!
-
реакции субстратного фосфорилирования
1.Синтез АТФ из креатинфосфата- креатинфосфокиназная реакция; Креатинфосфат (КТФ) - макроэргическое вещество, которое при исчерпании запасов АТФ в работающей мышце отдает фосфорильную группу на АДФ;
-
-
Это самый быстрый способ ресинтеза АТФ; Запасов креатинфосфата хватает для обеспечения мышечной работы в течение 20 сек. Этот путь максимально эффективен: - не требует присутствия кислорода; - не дает нежелательных побочных продуктов; - включается мгновенно. Его недостаток - резерва КТФ хватает только на 20 секунд мышечной работы.
-
2. Миокиназнаяреакция. Протекает только в мышечной ткани. Суть ее состоит в том, что при взаимодействии 2 молекул АДФ образуется 1 молекула АТФ: АДФ + АДФ = АТФ + АМФ. Реакция катализируется миокиназой (аденилаткиназой); Условия для включения миокиназной реакции возникают при выраженном мышечном утомлении; Эта реакция мало эффективна; Но накопление в саркоплазме миоцитов АМФ активирует ферменты гликолиза, что приводит к повышению скорости анаэробного ресинтезаАТФ.
-
ГЛИКОЛИЗ и ГЛИКОГЕНОЛИЗ
Энергетический эффект гликолиза невелик: 2 молекулы АТФ при окислении 1 молекулы глюкозы; Примерно половина всей выделяемой энергии в данном процессе превращается в тепло и не может использоваться при работе мышц; а температура мышц повышается до 40 градусов и даже выше!Кроме того, конечный продукт гликолиза – молочная кислота: мышцы закисляются; ферменты, регулирующие сокращение мышц угнетаются; Гликолиз начинается не сразу– а только через 10-15 с после начала мышечной работы.
-
Но все равно этот путь энергообеспечения очень важен для упражнений, длительность которых составляет от 30 до 150 с. К ним относятся бег на средние дистанции, плавание на 100 и 200 м, велосипедные гонки на треке и др. Также за счет энергии гликолиза совершаются длительные ускорения по ходу и на финише дистанции.
-
Окислительное фосфорилирование
Преимущества: Это наиболее энергетически выгодный процесс - синтезируется 38 молекул АТФ при окислении одной молекулы глюкозы. Имеет самый большой резерв субстратов: может использоваться глюкоза, гликоген, глицерин, кетоновые тела. Продукты распада (CO2 и H2O) практически безвредны. Недостаток: требует повышенных количеств кислорода.
-
Важную роль в обеспечении мышечной клетки кислородом играет миоглобин, у которого сродство к кислороду больше, чем у гемоглобина: при парциальном давлении кислорода, равном 30 мм.рт.ст., миоглобин насыщается кислородом на 100 %, а гемоглобин - всего на 30 %. Поэтому миоглобин эффективно отнимает у гемоглобин доставляемый им кислород.
-
Изменение метаболизма при мышечной работе
Уменьшение концентрации АТФ приводит к использованию КТФ (в креатинфосфокиназной реакции); Далее включается гликолиз; Так как системе окислительного фосфорилирования необходима 1 мин для запуска. Это пусковая фаза мышечной работы; Дальше изменения метаболизма зависят от интенсивности мышечной работы.
-
1.Если мышечная работа длительная и небольшой интенсивности, то в дальнейшем клетка получает энергию путем окислительного фосфорилирования - это работа в "аэробной зоне"; 2. Если мышечная работа субмаксимальной интенсивности, то дополнительно к окислительному фосфорилированию включается гликолиз - это наиболее тяжелая мышечная работа - возникает "кислородный долг»; Это - работа "в смешанной зоне";
-
3. Если мышечная работа максимальной интенсивности, но непродолжительная, то механизм окислительного фосфорилирования не успевает включаться; Работа идет исключительно за счет гликолиза; После окончания максимальной нагрузки лактат поступает из крови в печень, где идут реакции глюконеогенеза, или лактат превращается в пируват, который дальше окисляется в митохондриях; Для окисления пирувата нужен кислород, поэтому после мышечной работы максимальной и субмаксимальной интенсивности потребление кислорода мышечными клетками повышено - возвращается кислородная задолженность (долг).
-
Таким образом, энергетическое обеспечение разных видов мышечной работы различно. Поэтому существует специализация мышц, причем обеспечение энергией у разных мышечных клеток принципиально различается: есть "красные" мышцы и "белые" мышцы.
-
Красные мышцы - "медленные" оксидативные мышцы. Они имеют хорошее кровоснабжение, много митохондрий, высокая активность ферментов окислительного фосфорилирования. Предназначены для работы в аэробном режиме. Например, такие мышцы служат для поддержания тела в определенном положении (позы, осанка). Белые мышцы - "быстрые", гликолитические. В них много гликогена, у них слабое кровоснабжение, высока активность ферментов гликолиза, креатинфосфокиназы, миокиназы. Они обеспечивают работу максимальной мощности, но кратковременную.
-
У человека нет специализированных мышц, но есть специализированные волокна: в мышцах-разгибателях больше "белых" волокон, в мышцах спины больше "красных" волокон. Существует наследственная предрасположенность к мышечной работе - у одних людей больше "быстрых" мышечных волокон - им рекомендуется заниматься теми видами спорта, где мышечная работа максимальной интенсивности, но кратковременная (тяжелая атлетика, бег на короткие дистанции и тому подобное). Люди, в мышцах которых больше "красных" ("медленных") мышечных волокон, наибольших успехов добиваются в тех видах спорта, где необходима длительная мышечная работа средней интенсивности, например, марафонский бег (дистанция 40 км). Для определения пригодности человека к определенному типу мышечных нагрузок используется пункционная биопсия мышц. В результате скоростных тренировок (bodybuilding) утолщаются миофибриллы, кровоснабжение возрастает, но непропорционально увеличению массы мышечных волокон, количество актина и миозина возрастает, увеличивается активность ферментов гликолиза и креатинфосфокиназы. Более полезны для организма тренировки "на выносливость". При этом мышечная масса не увеличивается, но увеличивается количество миоглобина, митохондрий и активность ферментов ГБФ-пути.
-
-энергетический эффект от окисления глицерина в аэробных условиях - 22 молекулы АТФ; Окисления 1 молекулы жирной кислоты – около 100 молекул АТФ
Нет комментариев для данной презентации
Помогите другим пользователям — будьте первым, кто поделится своим мнением об этой презентации.