Die wichtigsten Stoffwechselprozesse sind Anabolismus (Assimilation) und Katabolismus (Dissimilation).

Anabolismus oder Assimilation (von lateinisch Assimilation – Vergleichen) ist ein endothermer Prozess der Assimilation von Substanzen, die in die Zelle gelangen, an die Substanzen der Zelle selbst. Es handelt sich um einen „kreativen“ Stoffwechsel.

Der wichtigste Punkt bei der Assimilation ist die Synthese von Proteinen und Nukleinsäuren. Ein Sonderfall des Anabolismus ist die Photosynthese, ein biologischer Prozess, bei dem unter dem Einfluss der Strahlungsenergie der Sonne organische Stoffe aus Wasser, Kohlendioxid und anorganischen Salzen synthetisiert werden. Die Photosynthese in grünen Pflanzen ist eine autotrophe Art des Stoffwechsels.

Katabolismus oder Dissimilation (von lateinisch dissimilis – Unähnlichkeit) ist ein exothermer Prozess, bei dem Dissimilation stattfindet.

Verlust von Stoffen unter Freisetzung von Energie. Dieser Abbau erfolgt durch Verdauung und Atmung. Bei der Verdauung handelt es sich um den Prozess der Zerlegung großer Moleküle in kleinere Moleküle, während es sich bei der Atmung um den Prozess des oxidativen Katabolismus von Einfachzuckern, Glycerin, Fettsäuren und desaminierten Aminosäuren handelt, was zur Freisetzung lebenswichtiger chemischer Energie führt. Diese Energie wird verwendet, um Adenosittriphosphat (ATP) wieder aufzufüllen, das als direkter Spender (Quelle) zellulärer Energie, der universellen Energie-„Währung“ in biologischen Systemen, dient. Die Auffüllung der ATP-Reserven erfolgt durch die Reaktion von Phosphat (P) mit Adenosindiphosphat (ADP), nämlich:

Beim Abbau von ATP in ADP und Phosphat wird die Energie der Zelle freigesetzt und für die Zellarbeit genutzt. ATP ist ein Nukleotid, das aus Adenin-, Ribose- und Triphosphatresten (Triphosphatgruppen) besteht, während Adenosindiphosphat (ADP) nur zwei Gruppen hat. Der Energiereichtum von ATP wird durch die Tatsache bestimmt, dass seine Triphosphatkomponente zwei Phosphoanhydridbindungen enthält. Die Energie von ATP übersteigt die Energie von ADP um 7000 kcal/mol. Diese Energie treibt alle biosynthetischen Reaktionen in der Zelle an, die durch die Hydrolyse von ATP zu ADP und anorganischem Phosphat entstehen. Der ATP-ADP-Zyklus ist also der Hauptmechanismus des Energieaustauschs in lebenden Systemen. Wie Sie sehen, hängen Assimilation, Dissimilation und Photosynthese mit Energie zusammen. Energie wird für den Transport von Molekülen und Ionen, die Synthese von Biomolekülen aus einfachen Vorläufern und die Umwandlung mechanischer Arbeit in Zellbewegungen benötigt.

Für Lebewesen ist die primäre Energiequelle Sonnenstrahlung, insbesondere sichtbares Licht, das aus elektromagnetischen Energiewellen besteht, die in diskreten Einheiten auftreten, die Photonen oder Lichtquanten genannt werden. Manche Lebewesen sind in der Lage, Lichtenergie einzufangen, andere gewinnen Energie durch Oxidation von Nahrungsstoffen.

Sichtbare Lichtenergie wird von grünen Pflanzen während des Prozesses der Photosynthese eingefangen, der in den Chloroplasten ihrer Zellen stattfindet. Dank der Photosynthese schaffen Lebewesen Ordnung aus der Unordnung, und Lichtenergie wird in chemische Energie umgewandelt, die in Kohlenhydraten, den Produkten der Photosynthese, gespeichert ist. Somit gewinnen photosynthetische Organismen kostenlose Energie aus dem Sonnenlicht. Dadurch verfügen grüne Pflanzenzellen über einen hohen Gehalt an freier Energie.

Tierische Organismen beziehen Energie, die bereits in Kohlenhydraten gespeichert ist, über die Nahrung. Folglich tragen sie zu einer Erhöhung der Entropie der Umwelt bei. In den Mitochondrien der Zellen dieser Organismen wird die in Kohlenhydraten gespeicherte Energie in eine Form freier Energie umgewandelt, die für die Synthese von Molekülen anderer Substanzen sowie für die Gewährleistung der mechanischen, elektrischen und osmotischen Arbeit der Zellen geeignet ist. Die Freisetzung der in Kohlenhydraten gespeicherten Energie erfolgt durch die Atmung – aerob und anaerob. Bei der aeroben Atmung erfolgt der Abbau von Molekülen, die gespeicherte Energie enthalten, durch Glykolyse und den Krebszyklus. Bei der anaeroben Atmung ist nur die Glykolyse aktiv. Somit wird die lebenswichtige Aktivität der Zellen tierischer Organismen hauptsächlich durch Energie bereitgestellt, deren Quelle die Oxidations-Reduktions-Reaktionen von „Brennstoff“ (Glukose und Fettsäuren) sind, bei denen Elektronen von einer Verbindung (Oxidation) auf übertragen werden eine andere (Reduktion). Die Übertragung von Energie von chemischen Reaktionen, die Energie liefern, auf Prozesse, die Energie verbrauchen, erfolgt mit Hilfe von ATP.

Der Körper ist ein offenes, selbstregulierendes chemisches System, das sich durch die Nutzung der von der Sonne erzeugten Energie aufrechterhält und reproduziert. Da das Leben kontinuierlich Energie und Materie aufnimmt, „strebt“ es nicht nach einem Gleichgewicht zwischen Ordnung und Unordnung, zwischen hochmolekularer Organisation und Desorganisation. Vielmehr zeichnen sich Lebewesen sowohl in ihrer Struktur und Funktion als auch in der Umwandlung und Nutzung von Energie durch Ordnung aus.

Stoffwechselprozesse von Materie und Energie unterliegen einer Regulierung, und es gibt viele Regulierungsmechanismen, von denen der bekannteste die Kontrolle der Anzahl und Aktivität von Enzymen ist. Bei der Regulierung des Stoffwechsels und der Energie ist es außerdem wichtig, dass die Stoffwechselwege der Synthese und des Abbaus fast immer getrennt sind, und bei Eukaryoten wird diese Trennung durch die Kompartimentierung der Zellen verstärkt.

Praktische Lektion Nr. 15.

Aufgabe für Lektion Nr. 15.

Thema: ENERGIETAUSTAUSCH.

Relevanz des Themas.

Unter biologischer Oxidation versteht man eine Reihe enzymatischer Prozesse, die in jeder Zelle ablaufen, wodurch Moleküle aus Kohlenhydraten, Fetten und Aminosäuren letztendlich in Kohlendioxid und Wasser zerlegt werden und die freigesetzte Energie von der Zelle in Form von Adenosin gespeichert wird tri Phosphorsäure(ATP) und wird dann im Leben des Körpers verwendet (Biosynthese von Molekülen, Prozess der Zellteilung, Muskelkontraktion, aktiver Transport, Wärmeproduktion usw.). Der Arzt sollte sich der Existenz hypoenergetischer Zustände bewusst sein, in denen die ATP-Synthese reduziert ist. In diesem Fall leiden alle lebenswichtigen Prozesse, die unter Verwendung der in Form makroerger ATP-Bindungen gespeicherten Energie ablaufen. Die häufigste Ursache für hypoenergetische Zustände ist Gewebehypoxie, verbunden mit einer Abnahme der Sauerstoffkonzentration in der Luft, Störungen des Herz-Kreislauf- und Atmungssystems sowie Anämie unterschiedlicher Herkunft. Darüber hinaus können hypoenergetische Zustände verursacht werden Hypovitaminose verbunden mit einer Verletzung des strukturellen und funktionellen Zustands von Enzymsystemen, die am Prozess der biologischen Oxidation beteiligt sind, sowie Hunger, was zum Fehlen von Substraten für die Gewebeatmung führt. Darüber hinaus entstehen bei der biologischen Oxidation reaktive Sauerstoffspezies, die die Prozesse auslösen Peroxidation Lipide biologischer Membranen. Es ist notwendig, die Abwehrmechanismen des Körpers gegen diese Formen zu kennen (Enzyme, Medikamente, die eine membranstabilisierende Wirkung haben – Antioxidantien).

Bildungs- und Bildungsziele:

Das allgemeine Ziel der Lektion: Wissen über den Ablauf der biologischen Oxidation zu vermitteln, die zur Bildung von bis zu 70-8 % der Energie in Form von ATP führt, sowie über die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies und deren schädliche Wirkung auf dem Körper.

Besondere Ziele: Bestimmung der Peroxidase in Meerrettich und Kartoffeln; Muskel-Succinat-Dehydrogenase-Aktivität.

1. Eingangskontrolle Wissen:

1.1. Tests.

1.2. Mündliche Befragung.

2. Hauptfragen des Themas:

2.1. Das Konzept des Stoffwechsels. Anabole und katabole Prozesse und ihre Beziehung.

2.2. Makroerge Verbindungen. ATP ist eine universelle Batterie und Energiequelle im Körper. ATP-ADP-Zyklus. Energieladung der Zelle.

2.3. Stoffwechselstadien. Biologische Oxidation (Gewebeatmung). Merkmale der biologischen Oxidation.

2.4. Primäre Akzeptoren von Wasserstoffprotonen und -elektronen.

2.5. Organisation der Atmungskette. Träger in der Atmungskette (CRE).

2.6. Oxidative Phosphorylierung von ADP. Der Mechanismus der Kopplung von Oxidation und Phosphorylierung. Verhältnis der oxidativen Phosphorylierung (P/O).

2.7. Atemkontrolle. Trennung von Atmung (Oxidation) und Phosphorylierung (freie Oxidation).

2.8. Bildung toxischer Formen von Sauerstoff bei CPE und Neutralisierung von Wasserstoffperoxid durch das Enzym Peroxidase.

Labor- und praktische Arbeit.

3.1. Methode zur Bestimmung der Peroxidase in Meerrettich.

3.2. Methode zur Bestimmung der Peroxidase in Kartoffeln.

3.3. Bestimmung der Muskel-Succinat-Dehydrogenase-Aktivität und kompetitive Hemmung ihrer Aktivität.

Ausgangskontrolle.

4.1. Tests.

4.2. Situative Aufgaben.

5. Literatur:

5.1. Vorlesungsmaterialien.

5.2. Nikolaev A.Ya. Biologische Chemie.-M.: Higher School, 1989., S. 199-212, 223-228.

5.3. Berezov T.T., Korovkin B.F. Biologische Chemie. - M.: Medizin, 1990.S.224-225.

5.4. Kushmanova O.D., Ivchenko G.M. Leitfaden für praktische Kurse in Biochemie. - M.: Medizin, 1983, Arbeit. 38.

2. Hauptfragen des Themas.

2.1. Das Konzept des Stoffwechsels. Anabole und katabole Prozesse und ihre Beziehung.

Lebende Organismen stehen in ständiger und untrennbarer Verbindung mit der Umwelt.

Diese Verbindung erfolgt im Stoffwechsel.

Stoffwechsel (Metabolismus) – die Gesamtheit aller Reaktionen im Körper.

Zwischenstoffwechsel (intrazellulärer Stoffwechsel) – umfasst zwei Arten von Reaktionen: Katabolismus und Anabolismus.

Katabolismus– Spaltvorgang organische Substanz zu Endprodukten (CO 2 , H 2 O und Harnstoff). Dieser Prozess umfasst Metaboliten, die sowohl bei der Verdauung als auch beim Abbau der strukturellen und funktionellen Bestandteile von Zellen entstehen.

Die Katabolismusprozesse in den Körperzellen gehen mit dem Verbrauch von Sauerstoff einher, der für Oxidationsreaktionen notwendig ist. Durch katabolische Reaktionen wird Energie freigesetzt (exergonische Reaktionen), die für die Funktion des Körpers notwendig ist.

Anabolismus- Synthese komplexer Substanzen aus einfachen. Anabole Prozesse nutzen die Energie, die beim Katabolismus (endergonische Reaktionen) freigesetzt wird.

Energiequellen für den Körper sind Proteine, Fette und Kohlenhydrate. Die in den chemischen Bindungen dieser Verbindungen enthaltene Energie wurde während des Prozesses der Photosynthese aus Sonnenenergie umgewandelt.

Makroerge Verbindungen. ATP ist eine universelle Batterie und Energiequelle im Körper. ATP-ADP-Zyklus. Energieladung der Zelle.

ATP– ist eine hochenergetische Verbindung, die hochenergetische Bindungen enthält; Durch die Hydrolyse der terminalen Phosphatbindung werden etwa 20 kJ/mol Energie freigesetzt.

Zu den hochenergetischen Verbindungen gehören GTP, CTP, UTP, Kreatinphosphat, Carbamoylphosphat usw. Sie werden im Körper für die Synthese von ATP verwendet. Zum Beispiel: GTP + ADP à BIP + ATP

Dieser Vorgang wird aufgerufen Substratphosphorylierung– exorgonische Reaktionen. Alle diese hochenergetischen Verbindungen werden wiederum durch Nutzung der freien Energie der terminalen Phosphatgruppe von ATP gebildet. Schließlich wird ATP-Energie zur Leistungserbringung genutzt verschiedene Arten wirkt im Körper:

Mechanisch (Muskelkontraktion);

Elektrisch (Leitung von Nervenimpulsen);

Chemische (Stoffsynthese);

Osmotisch (aktiver Stofftransport durch die Membran) – endergonische Reaktionen.

Somit ist ATP der wichtigste, direkt genutzte Energiespender im Körper. ATP nimmt eine zentrale Stellung zwischen endergonischen und exergonischen Reaktionen ein.

Der menschliche Körper produziert eine Menge ATP, die dem Körpergewicht entspricht, und alle 24 Stunden wird die gesamte Energie zerstört. 1 Molekül ATP „lebt“ etwa eine Minute in einer Zelle.

Die Nutzung von ATP als Energiequelle ist nur unter der Bedingung einer kontinuierlichen Synthese von ATP aus ADP aufgrund der Oxidationsenergie organischer Verbindungen möglich. Der ATP-ADP-Zyklus ist der primäre Mechanismus für den Energieaustausch in biologischen Systemen, und ATP ist die universelle „Energiewährung“.

Jede Zelle hat elektrische Ladung, was gleich ist

[ATP] + ½[ADP]

[ATP] + [ADP] + [AMP]

Wenn die Zellladung 0,8–0,9 beträgt, wird der gesamte Adenylfonds in der Zelle in Form von ATP präsentiert (die Zelle ist mit Energie gesättigt und der Prozess der ATP-Synthese findet nicht statt).

Wenn Energie verbraucht wird, wird ATP in ADP umgewandelt, die Zellladung wird auf 0 gesetzt und die ATP-Synthese beginnt automatisch.

HAUPTPROZESSE, FÜR DIE ATP-ENERGIE VERWENDET WIRD:

1. Synthese verschiedener Stoffe.

2. Aktiver Transport (Transport von Stoffen durch eine Membran entgegen ihrem Konzentrationsgradienten). 30 % der gesamten verbrauchten ATP-Menge entfallen auf die Na + ,K + -ATPase.

3. Mechanische Bewegung (Muskelarbeit).

ATP-SYNTHESE.

In der inneren Membran der Mitochondrien befindet sich ein integraler Proteinkomplex – H + -abhängige ATP-Synthase oder H + -abhängige ATPase (zwei verschiedene Namen sind mit der vollständigen Reversibilität der katalysierten Reaktion verbunden), der ein signifikantes Molekulargewicht hat – mehr als 500 kDa. Besteht aus zwei Untereinheiten: F O und F 1.

F 1 ist ein pilzförmiger Auswuchs auf der Matrixoberfläche der inneren Mitochondrienmembran, während F O diese Membran durchdringt. In der Dicke von F O befindet sich ein Protonenkanal, der es den Protonen ermöglicht, entlang ihres Konzentrationsgradienten in die Matrix zurückzukehren.

F 1 ist in der Lage, ADP und Phosphat auf seiner Oberfläche zu ATP zu binden – ohne Energieverbrauch, aber immer in Verbindung mit dem Enzym. Energie wird nur benötigt, um ATP aus diesem Komplex freizusetzen. Diese Energie wird durch den Protonenfluss durch den FO-Protonenkanal freigesetzt.

In der Atmungskettenkopplung absolut: Kein Stoff kann oxidiert werden, ohne einen anderen Stoff zu reduzieren.

Bei der ATP-Synthese erfolgt die Kopplung jedoch nur in eine Richtung: Oxidation kann ohne Phosphorylierung erfolgen, Phosphorylierung erfolgt jedoch niemals ohne Oxidation. Das bedeutet, dass das MtO-System ohne ATP-Synthese funktionieren kann, ATP jedoch nicht synthetisiert werden kann, wenn das MtO-System nicht funktioniert.

SPEZIFISCHE GEWEBE-ATMUNGSHEMMER

Dazu gehören Substanzen, die die Funktion des einen oder anderen Komplexes der Atmungskette stoppen.

Der Hemmstoff des Komplexes I ist das Pflanzengift Rotenon. Einige Völker nutzten es früher zum Angeln.

Komplex-IV-Inhibitoren sind Cyanid, Kohlenmonoxid CO und Schwefelwasserstoff H 2 S.

STOFFE, DIE DIE PROZESSE DER OXIDATION UND PHOSPHORYLIERUNG TRENNEN

Sie stoppen Oxidationsprozesse nicht, reduzieren aber die ATP-Synthese. Die Atmungskette funktioniert, aber ATP wird in geringeren Mengen als normal synthetisiert. Anschließend wird die beim Elektronentransfer entlang der MtO-Kette gewonnene Energie in Form von Wärme freigesetzt. Dieser Zustand, in dem eine Oxidation von Substraten stattfindet, aber keine Phosphorylierung (Bildung von ATP aus ADP und P) stattfindet, wird als Entkopplung von Oxidation und Phosphorylierung bezeichnet. Dieser Zustand kann durch die Einwirkung entkoppelnder Substanzen verursacht werden:

2,4-Dinitrophenol, 1944 von Lipman entdeckt, erhöht es bei Einführung in den Körper die Körpertemperatur und verringert die ATP-Synthese. Es wurde versucht, diese Substanz zusammen mit anderen, die später entdeckt wurden, zur Behandlung von Fettleibigkeit einzusetzen, jedoch ohne Erfolg.

Der Wirkungsmechanismus entkoppelnder Substanzen wird erst aus der Sicht der chemiosmotischen Theorie klar.

Entkoppler sind schwache Säuren, die in Fetten löslich sind. Im Intermembranraum binden sie Protonen und diffundieren dann in die Matrix, wodurch DmH+ reduziert wird.

Die jodhaltigen Hormone der Schilddrüse – Thyroxin und Triiodthyronin – haben eine ähnliche Wirkung. Bei Erkrankungen, die mit einer Überfunktion der Schilddrüse einhergehen (z. B. Morbus Basedow), fehlt den Patienten ATP-Energie: Sie essen viel ( sie benötigen eine große Menge an Substraten für die Oxidation), verlieren aber gleichzeitig an Gewicht Der Großteil der Energie wird als Wärme freigesetzt.

Das Diagramm der mitochondrialen Oxidationskette zeigt nicht den Mechanismus der ATP-Bildung durch oxidative Phosphorylierung. Dieser Mechanismus wird durch die Hypothese von P. Mitchell erklärt.

PETER MITCHELLS THEORIE DER PAAROXIDATION UND PHOSPHORYLIERUNG.

Es ist bekannt, dass nur kleine ungeladene Moleküle sowie hydrophobe Moleküle die Mitochondrienmembran ungehindert durchdringen können. Die Energie, die beim Elektronentransfer entlang der MtO-Kette freigesetzt wird, führt zum Transfer von Protonen (H+) aus der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum. Daher bildet sich auf der Innenmembran der Mitochondrien ein Gradient der Protonenkonzentrationen: Im Zwischenmembranraum befindet sich viel H +, in der Matrix verbleibt jedoch wenig. Es entsteht eine Potentialdifferenz von 0,14 V – der äußere Teil der Membran ist positiv geladen, der innere Teil ist negativ geladen. Im Intermembranraum angesammeltes H+ neigt dazu, entlang seines Konzentrationsgradienten wieder in die Matrix auszutreten, die Mitochondrienmembran ist jedoch für es undurchlässig. Der einzige Weg zurück in die Matrix für Protonen führt über den Protonenkanal des Enzyms ATP-Synthetase, das in der Innenmembran der Mitochondrien eingebaut ist. Während sich Protonen durch diesen Kanal in die Matrix bewegen, wird ihre Energie von der ATP-Synthase zur Synthese von ATP genutzt. ATP wird in der mitochondrialen Matrix synthetisiert.

Nach der Synthese wird ATP durch erleichterte Diffusion entlang eines Konzentrationsgradienten in das Zytoplasma übertragen, da die Hauptprozesse, bei denen ATP verbraucht wird, im Zytoplasma stattfinden.

Wie erfolgt der ATP-Transport von den Mitochondrien zum Zytoplasma?

Zu diesem Zweck wird ein ATP-spezifisches Transportprotein verwendet – ATP/ADP-Translokase. Dies ist ein integrales Protein, das in der inneren Membran der Mitochondrien lokalisiert ist.

In der inneren Membran der Mitochondrien befindet sich ein Trägerprotein – ATP/ATP-Translokase, das über zwei Bindungszentren verfügt: auf der Matrixseite für ATP, auf der Außenseite – für ADP. Wenn sich die Konformation der ATP/ADP-Translokase ändert, wird ADP auf die Matrix übertragen und ATP wird in den Zwischenmembranraum und dann in das Zytoplasma übertragen, wo es verwendet wird.

Für die Bildung von ATP muss ständig anorganisches Phosphat (P) in die Matrix gelangen. Zu diesem Zweck verfügt die innere Mitochondrienmembran über ein Transportsystem, das den Transfer von Phosphat in die Matrix gekoppelt mit dem Transfer von H+ gewährleistet. Dabei handelt es sich um ein Trägerprotein, das über 2 Bindungszentren verfügt: für F und H+. P und H + werden gemeinsam aus dem Intermembranraum in die Matrix übertragen.

Es sind einige Substanzen bekannt, die in der Lage sind, die Prozesse der Oxidation und Phosphorylierung zu entkoppeln und dadurch zu einer Verringerung des p/o-Verhältnisses zu führen. Dazu gehören jodhaltige Schilddrüsenhormone (Thyroxin, Trijodthyronin) sowie einige Xenobiotika (z. B. 2,4-Dinitrophenol). Solche Substanzen werden zusammenfassend als „GIFTE ENTDECKEN“ bezeichnet. Wie wirken Substanzen, die Oxidation und Phosphorylierung entkoppeln? Sie können in der inneren Mitochondrienmembran eigene Protonenkanäle bilden. Daher gelangt ein Teil der Protonen nicht über den Protonenkanal der ATP-Synthetase in die Matrix zurück, sondern über die Kanäle von Entkopplersubstanzen. Dadurch wird weniger ATP produziert und ein Teil der Energie wird als Wärme freigesetzt.

AUTONOME SELBSTREGULIERUNG DES MITOCHONDRIALEN OXIDATIONSSYSTEMS

Befindet sich die Körperzelle im Ruhezustand, wird wenig ATP verbraucht und angesammelt. Daher nimmt die Konzentration von ADP und P ab. Unter diesen Bedingungen erhält die ATP-Synthetase nicht mehr genügend Phosphat und ADP aus dem Zytoplasma, um ATP zu synthetisieren. Seine Aktivität nimmt ab und auch die Geschwindigkeit der Protonenbewegung aus dem Intermembranraum in die Matrix durch den Protonenkanal dieses Enzyms nimmt ab. Daher verbleibt ein hoher Gradient der Protonenkonzentration auf der inneren Mitochondrienmembran. Unter diesen Bedingungen reicht die Energie des Wasserstofftransfers entlang der mitochondrialen Oxidationskette nicht mehr aus, um H+ aus der Matrix in den Intermembranraum zu drücken. Die Übertragung von Wasserstoff entlang der MtO-Kette wird gehemmt und die Oxidation von Substraten stoppt.

Der Stoffwechsel in der Zelle wird durch das ATP/ADP-Verhältnis reguliert. Dieses Verhältnis charakterisiert die Energieladung der Zelle.

Normalerweise EZK = 0,85-0,90. Kann zwischen 0 und 1 variieren. Ein hoher EZK-Wert hemmt die ATP-Synthese und aktiviert die Verwendung von ATP (ATP-------> ADP + P).

BIOLOGISCHE ROLLE DER MITOCHONDRIALEN OXIDATION

Seine Hauptfunktion besteht darin, den Körper mit Energiereserven in Form von ATP zu versorgen.

Es sind die Mitochondrien, die die Zelle mit Energie versorgen Ö den Großteil des benötigten ATP.

Pro Tag werden bis zu 62 kg ATP synthetisiert, obwohl sich nie mehr als 30-40 Gramm dieser Substanz gleichzeitig im Körper befinden. Diese. Die verbrauchten ATP-Moleküle werden sehr schnell wiederhergestellt.

Die Hauptaufgabe von ATP im Körper besteht darin, Energie für zahlreiche biochemische Reaktionen bereitzustellen. Als Träger zweier hochenergetischer Bindungen dient ATP als direkte Energiequelle für viele energieverbrauchende biochemische und physiologische Prozesse. All dies sind Reaktionen der Synthese komplexer Substanzen im Körper: die Umsetzung der aktiven Übertragung von Molekülen durch biologische Membranen, einschließlich der Erzeugung eines elektrischen Transmembranpotentials; Umsetzung der Muskelkontraktion.

Wie bei der Bioenergie lebender Organismen bekannt, sind zwei Hauptpunkte wichtig:

• a) chemische Energie wird durch die Bildung von ATP in Verbindung mit exergonischen katabolen Oxidationsreaktionen organischer Substrate gespeichert;
• b) Chemische Energie wird durch den Abbau von ATP genutzt, gekoppelt mit endergonischen Reaktionen des Anabolismus und anderen Prozessen, die Energie benötigen.

Es stellt sich die Frage, warum das ATP-Molekül seine zentrale Rolle in der Bioenergetik erfüllt. Um das Problem zu lösen, betrachten Sie die Struktur von ATP ATP-Struktur – (bei pH 7,0 Tetraladung des Anions).

ATP ist eine thermodynamisch instabile Verbindung. Die Instabilität von ATP wird erstens durch elektrostatische Abstoßung im Bereich eines gleichnamigen Clusters negativer Ladungen bestimmt, die zu Spannungen im gesamten Molekül führt, die Bindung ist jedoch am stärksten – P – O – P, und zweitens durch eine spezifische Resonanz. Gemäß dem letzten Faktor besteht eine Konkurrenz zwischen Phosphoratomen um die ungeteilten beweglichen Elektronen des dazwischen liegenden Sauerstoffatoms, da jedes Phosphoratom einen Teil besitzt positive Ladung aufgrund des signifikanten Elektronenrezeptoreinflusses der P=O- und P-O-Gruppen. Somit wird die Möglichkeit der Existenz von ATP durch das Vorhandensein einer ausreichenden Menge an chemischer Energie im Molekül bestimmt, um diese physikalisch-chemischen Belastungen zu kompensieren. Das ATP-Molekül enthält zwei Phosphoanhydrid-(Pyrophosphat-)Bindungen, deren Hydrolyse mit einer deutlichen Abnahme der freien Energie einhergeht (bei pH 7,0 und 37 °C).

ATP + H 2 O = ADP + H 3 PO 4 G0I = - 31,0 KJ/mol.

ADP + H 2 O = AMP + H 3 PO 4 G0I = - 31,9 KJ/mol.

Eines der zentralen Probleme der Bioenergie ist die Biosynthese von ATP, die in der belebten Natur durch Phosphorylierung von ADP erfolgt.

Die Phosphorylierung von ADP ist ein endergonischer Prozess und erfordert eine Energiequelle. Wie bereits erwähnt, dominieren in der Natur zwei solcher Energiequellen – Sonnenenergie und die chemische Energie reduzierter organischer Verbindungen. Grüne Pflanzen und einige Mikroorganismen sind in der Lage, die Energie absorbierter Lichtquanten in chemische Energie umzuwandeln, die für die Phosphorylierung von ADP im Lichtstadium der Photosynthese aufgewendet wird. Dieser Prozess der ATP-Regeneration wird als photosynthetische Phosphorylierung bezeichnet. Die Umwandlung der Oxidationsenergie organischer Verbindungen in makroenergetische ATP-Bindungen unter aeroben Bedingungen erfolgt hauptsächlich durch oxidative Phosphorylierung. Die für die Bildung von ATP erforderliche freie Energie wird in der respiratorischen Oxidationskette der Mitochondrien erzeugt.

Es ist eine andere Art der ATP-Synthese bekannt, die sogenannte Substratphosphorylierung. Im Gegensatz zur oxidativen Phosphorylierung, die mit einem Elektronentransfer verbunden ist, sind die Donoren der aktivierten Phosphorylgruppe (- PO3 H2), die für die ATP-Regeneration notwendig sind, Zwischenprodukte der Prozesse der Glykolyse und des Tricarbonsäurezyklus. In all diesen Fällen führen oxidative Prozesse zur Bildung hochenergetischer Verbindungen: 1,3-Diphosphoglycerat (Glykolyse), Succinyl-CoA (Tricarbonsäurezyklus), die unter Beteiligung geeigneter Enzyme in der Lage sind, ADP zu folylieren und ATP bilden. Die Energieumwandlung auf Substratebene ist die einzige Möglichkeit der ATP-Synthese in anaeroben Organismen. Dieser Prozess der ATP-Synthese ermöglicht es Ihnen, die intensive Arbeit der Skelettmuskulatur in Zeiten von Sauerstoffmangel aufrechtzuerhalten. Es sollte beachtet werden, dass dies der einzige Weg für die ATP-Synthese in reifen roten Blutkörperchen ist, die keine Mitochondrien haben.

Eine besonders wichtige Rolle in der Bioenergetik der Zelle spielt das Adenylnukleotid, an das zwei Phosphorsäurereste gebunden sind. Diese Substanz wird Adenosintriphosphorsäure (ATP) genannt. In den chemischen Bindungen zwischen den Phosphorsäureresten des ATP-Moleküls wird Energie gespeichert, die bei der Abspaltung von organischem Phosphorit freigesetzt wird:

ATP= ADP+P+E,

Dabei ist F ein Enzym und E freisetzende Energie. Bei dieser Reaktion entsteht Adenosinphosphorsäure (ADP) – der Rest des ATP-Moleküls und organisches Phosphat. Alle Zellen nutzen ATP-Energie für Biosyntheseprozesse, Bewegung, Wärmeproduktion, Nervenimpulse, Lumineszenz (z. B. Leuchtbakterien), also für alle lebenswichtigen Prozesse.

ATP ist ein universeller biologischer Energiespeicher. Die in der aufgenommenen Nahrung enthaltene Lichtenergie wird in ATP-Molekülen gespeichert.

Der ATP-Vorrat in der Zelle ist gering. Die ATP-Reserve im Muskel reicht also für 20 – 30 Kontraktionen. Bei intensiver, aber kurzfristiger Arbeit arbeiten die Muskeln ausschließlich durch den Abbau des in ihnen enthaltenen ATP. Nach Beendigung der Arbeit atmet eine Person schwer – in dieser Zeit werden Kohlenhydrate und andere Stoffe abgebaut (Energie wird angesammelt) und die ATP-Versorgung in den Zellen wird wiederhergestellt.

Neben der Energie erfüllt ATP eine Reihe weiterer ebenso wichtiger Funktionen im Körper:

• · Zusammen mit anderen Nukleosidtriphosphaten ist ATP das Ausgangsprodukt bei der Synthese von Nukleinsäuren.
• · Darüber hinaus spielt ATP eine wichtige Rolle bei der Regulierung vieler biochemischer Prozesse. Da ATP ein allosterischer Effektor einer Reihe von Enzymen ist, verbindet es sich mit ihren Regulierungszentren und verstärkt oder unterdrückt deren Aktivität.
• · ATP ist auch der unmittelbare Vorläufer für die Synthese von zyklischem Adenosinmonophosphat, einem sekundären Botenstoff für die Übertragung hormoneller Signale in die Zelle.

Auch die Rolle von ATP als Überträger in Synapsen ist bekannt.

Energiequelle in Zellen ist der Stoff Adenosintriphosphat (ATP), der bei Bedarf zu Adenosinphosphat (ADP) abgebaut wird:

ATP → ADP + Energie.

Bei intensiver Belastung wird die verfügbare ATP-Reserve in nur 2 Sekunden verbraucht. ATP wird jedoch kontinuierlich aus ADP wiederhergestellt, sodass die Muskeln weiterhin arbeiten können. Es gibt drei Hauptsysteme zur ATP-Rückgewinnung: Phosphat, Sauerstoff und Laktat.

Phosphatsystem

Das Phosphatsystem setzt Energie so schnell wie möglich frei und ist daher dort wichtig, wo schnelle Anstrengungen erforderlich sind, beispielsweise bei Sprintern, Fußballspielern, Hoch- und Weitspringern, Boxern und Tennisspielern.

Im Phosphatsystem erfolgt die ATP-Wiederherstellung durch Kreatinphosphat (CrP), dessen Reserven direkt in den Muskeln verfügbar sind:

KrP + ADP → ATP + Kreatin.

Das Phosphatsystem verbraucht keinen Sauerstoff und produziert keine Milchsäure.

Das Phosphatsystem funktioniert nur für kurze Zeit – bei maximaler Belastung ist der Gesamtvorrat an ATP und CrP in 10 Sekunden aufgebraucht. Nach Abschluss der Belastung sind die ATP- und CrP-Reserven in der Muskulatur nach 30 Sekunden zu 70 % und nach 3-5 Minuten vollständig wiederhergestellt. Dies muss bei der Durchführung von Schnelligkeits- und Kraftübungen beachtet werden. Dauert die Anstrengung länger als 10 Sekunden oder sind die Pausen zwischen den Anstrengungen zu kurz, schaltet sich das Laktatsystem ein.

Sauerstoffsystem

Das Sauerstoff- oder Aerobic-System ist für Ausdauersportler wichtig, da es die körperliche Leistungsfähigkeit langfristig unterstützen kann.

Die Leistungsfähigkeit des Sauerstoffsystems hängt von der Fähigkeit des Körpers ab, Sauerstoff zu den Muskeln zu transportieren. Durch Training kann es um 50 % gesteigert werden.

Im Sauerstoffsystem wird Energie hauptsächlich durch die Oxidation von Kohlenhydraten und Fetten erzeugt. Kohlenhydrate werden zuerst verbraucht, da sie weniger Sauerstoff benötigen und eine höhere Energiefreisetzungsrate aufweisen. Allerdings sind die Kohlenhydratreserven des Körpers begrenzt. Nach ihrer Erschöpfung kommen Fette hinzu – die Arbeitsintensität lässt nach.

Das Verhältnis von Fetten und Kohlenhydraten hängt von der Intensität der Übung ab: Je höher die Intensität, desto höher der Anteil an Kohlenhydraten. Trainierte Sportler verbrauchen im Vergleich zu einem untrainierten Menschen mehr Fett und weniger Kohlenhydrate, d. h. sie nutzen die vorhandenen Energiereserven sparsamer.

Die Fettoxidation erfolgt nach der Gleichung:

Fette + Sauerstoff + ADP → ATP + Kohlendioxid + Wasser.

Der Abbau von Kohlenhydraten erfolgt in zwei Schritten:

Glukose + ADP → ATP + Milchsäure.

Milchsäure + Sauerstoff + ADP → ATP + Kohlendioxid + Wasser.

Erst im zweiten Schritt wird Sauerstoff benötigt: Ist ausreichend davon vorhanden, reichert sich Milchsäure nicht in den Muskeln an.

Laktatsystem

Bei hochintensiven Belastungen reicht der den Muskeln zugeführte Sauerstoff nicht aus, um Kohlenhydrate vollständig zu oxidieren. Die entstehende Milchsäure kann nicht verbraucht werden und reichert sich in den arbeitenden Muskeln an. Dies führt zu einem Ermüdungs- und Muskelkatergefühl in der arbeitenden Muskulatur und die Belastbarkeit nimmt ab.

Zu Beginn jeder Übung (bei maximaler Anstrengung – in den ersten 2 Minuten) und bei starkem Belastungsanstieg (bei Stößen, Zielwürfen, beim Klettern) kommt es zu einem Sauerstoffmangel in den Muskeln, da Herz, Lunge usw Blutgefäße haben keine Zeit, sich voll auf die Arbeit einzulassen. Während dieser Zeit wird Energie durch das Laktatsystem bereitgestellt, wobei Milchsäure produziert wird. Um die Ansammlung großer Mengen Milchsäure zu Beginn des Trainings zu vermeiden, ist ein leichtes Aufwärmen erforderlich.

Bei Überschreiten einer bestimmten Intensitätsschwelle stellt der Körper auf eine vollständig anaerobe Energieversorgung um, bei der ausschließlich Kohlenhydrate zum Einsatz kommen. Aufgrund der zunehmenden Muskelermüdung erschöpft sich die Belastbarkeit je nach Intensität und Trainingsniveau innerhalb von Sekunden oder Minuten.

Die Wirkung von Milchsäure auf die Leistung

Der Anstieg der Milchsäurekonzentration in der Muskulatur hat mehrere Konsequenzen, die beim Training berücksichtigt werden müssen:

• Die Bewegungskoordination ist beeinträchtigt, wodurch das Techniktraining wirkungslos wird.
• Im Muskelgewebe entstehen Mikrorisse, die das Verletzungsrisiko erhöhen.
• Die Bildung von Kreatinphosphat verlangsamt sich, was die Wirksamkeit des Sprinttrainings (Phosphatsystemtraining) verringert.
• Die Fähigkeit der Zellen, Fett zu oxidieren, nimmt ab, was die Energieversorgung der Muskeln nach Erschöpfung der Kohlenhydratreserven erheblich erschwert.

Im Ruhezustand benötigt der Körper etwa 25 Minuten, um die Hälfte der durch maximale Kraftanstrengung angesammelten Milchsäure zu neutralisieren; 95 % der Milchsäure werden in 75 Minuten neutralisiert. Wenn statt passiver Ruhe ein leichtes Cool-Down durchgeführt wird, beispielsweise beim Joggen, wird Milchsäure viel schneller aus Blut und Muskulatur entfernt.

Hohe Milchsäurekonzentrationen können die Wände der Muskelzellen schädigen, was zu Veränderungen in der Zusammensetzung des Blutes führt. Es kann 24 bis 96 Stunden dauern, bis sich Ihr Blutbild normalisiert. Während dieser Zeit sollte das Training leicht sein; Intensives Training verlangsamt den Genesungsprozess erheblich.

Eine zu hohe Häufigkeit intensiver körperlicher Betätigung ohne ausreichende Ruhepausen führt zu einem Leistungsabfall und in der Folge zu einem Übertraining.

Energiereserven

Energiephosphate (ATP und KrP) werden innerhalb von 8–10 Sekunden bei maximaler Arbeit verbraucht. Kohlenhydrate (Zucker und Stärke) werden in Form von Glykogen in der Leber und den Muskeln gespeichert. In der Regel reichen sie für 60-90 Minuten intensives Arbeiten.

Die Fettreserven im Körper sind praktisch unerschöpflich. Der Anteil der Fettmasse beträgt bei Männern 10-20 %; für Frauen - 20-30%. Bei gut trainierten Ausdauersportlern kann der Körperfettanteil von extrem niedrig bis relativ hoch (4-13 %) schwanken.

Basierend auf dem Buch Heart Rate, Lactate and Endurance Training von Peter Jansen.